Projekt amplitunera "chodził" za mną od dłuższego czasu, ale zawsze było coś ważniejszego do zrobienia, więc musiał ?nabrać mocy urzędowej?. Nie bez znaczenia był w tym wypadku fakt, iż z założenia chciałem przygotować rozwiązanie kompleksowe, integrujące zarówno zagadnienia sprzętowe oraz projekt obudowy, a to wymaga znacznie więcej czasu i wysiłku. W drugiej części artykułu zajmiemy się opisem symulacji części analogowej tunera oraz opisem sposobu funkcjonowania jego oprogramowania.
Symulator LTSpice jest bardzo dokładny, ale otrzymane wyniki zależą od poprawności użytych modeli. A z kolei poprawność modeli jest kompromisem między ich dokładnością, a czasem wykonania symulacji. Na pewno nikt nie chciałby czekać kilka godzin na wyniki symulacji. Zwłaszcza, że symulację należy powtarzać dla różnych wartości elementów. A zatem, wyniki symulacji są dobrą wskazówką odnośnie do zachowania się badanego urządzenia, ale dopiero działanie rzeczywistego układu pozwoli zweryfikować ostatecznie jego funkcjonowanie. Niemniej jednak, sprawdzenie w symulatorze zdecydowanie przyśpiesza prototypowanie.
Zacznijmy od czegoś względnie nieskomplikowanego – od zasilacza niskiego napięcia LV POWER SUPPLY. Zasilacz jest sterowany sygnałem STB z procesora i ma pozostać wyłączony, jeśli urządzenie jest w trybie STANDBY i włączony po uruchomieniu urządzenia. Spójrzmy na symulację pokazaną na rysunku6. Sygnał sterujący jest zasymulowany jako źródło napięcia pracujące w trybie PULSE z napięciem o poziomie 3,3 V przełączanym co pół sekundy na wartość 0 V. Przy okazji możemy sprawdzić pojemność kondensatora C4, który decyduje po jakim czasie od wyłączenia układu przez procesor faktycznie zanika napięcie 9 V. Z tego powodu, jego pojemność jest zdefiniowana jako parametr. Następna instrukcja „.step param C list 100n 220n 470n 680n” określa jakie wartości kondensatora chcemy przetestować, jednak tymczasem jest ona traktowana jako komentarz (kolor polecenia jest niebieski). Otrzymujemy wynik symulacji pokazany na rysunku7. Sygnał V(stdby) o kolorze zielonym oznacza napięcie sterujące z procesora, sygnał V(mosfet) w kolorze niebieskim oznacza napięcie załączane przez MOSFET, a sygnał V(out) o kolorze czerwonym oznacza wyjściowe napięcie zasilacza.
Napięcie wyjściowe jest prawidłowo sterowane przez napięcie dostarczane z procesora. Pomiędzy wyłączeniem napięcia procesora a wyłączeniem napięcia wyjściowego istnieje nieznaczne opóźnienie określone przez pojemność kondensatora C4. Dla pojemności 100 nF to opóźnienie wynosi około 50 ms, co można odczytać bezpośrednio z osi czasu lub po przypisaniu do napięcia V(out) dwóch kursorów dostępnych w LTSpice, jak pokazano na rysunku8.
Włączmy teraz dyrektywę określająca listę wartości kondensatorów, które chcemy przetestować – rysunek9. Po powtórnym uruchomieniu symulacji otrzymujemy następujące wyniki pokazane na rysunku10. Widać, że kolejne pojemności kondensatora powodują coraz większe opóźnienie wyłączenia napięcia 9 V. Dla największej wartości kondensatora (680 nF) opóźnienie wzrasta do 330 ms. Z symulacji wynika, jak manipulując wartością kondensatora C4 można uzyskać różne czasy opóźnień wyłączania napięcia 9 V. Przyjęto, że pojemność 100 nF jest wystarczające dla poprawnej pracy urządzenia. Niemniej jednak, gdyby w praktyce okazała się ona zbyt mała, to już wiemy, jakie inne pojemności możemy wziąć pod uwagę.
Sprawdźmy teraz kolejny element urządzenia: wejście AUX, a dokładniej jego charakterystykę częstotliwościową. Układ pokazano na rysunku11. Rezystor R100 odpowiada impedancji wejściowej następnego stopnia. Przyjęto dwie możliwe wartości, aby przekonać się jak zmiana tej wartości wpływa na charakterystykę częstotliwości. Typ symulacji ustawiamy na „AC Analysis” w zakresie od 10 Hz do 1 MHz.
Rezultat zaprezentowano na rysunku12. Widać, że zmiana impedancji następnego stopnia wpływa minimalnie na wzmocnienie obwodu. Niemniej jednak, nawet tak nieznaczne zmiany mogą być łatwo skompensowane w układzie TDA7418. Częstotliwość graniczną filtra można znów łatwo sprawdzić przy użyciu kursorów dostępnych w symulatorze. Wybierzmy jeden z wykresów (poprzez dopisanie ciągu znaków „@1” do wyświetlanego napięcia) i włączmy obydwa kursory. Wynik pokazano na rysunku13, a rezultat włączenia kursorów na rysunku14. Częstotliwość graniczna filtra wynosi około 178 kHz, więc całkiem sporo, jak na układ tego typu. Pamiętajmy jedynie, że rzeczywiste pasmo może się jeszcze zmienić w zależności od wejściowej impedancji kolejnego stopnia.
Sprawdźmy teraz trochę bardziej skomplikowany układ: wyciszanie i włączanie końcówek mocy w momencie włączenia wzmacniacza i w przypadku użycia słuchawek (wtedy końcówki mocy mają zostać wyciszone). Układ testowy pokazano na rysunku15. Włączanie słuchawek jest zasymulowane jako opornik R100 przyjmujący dwie wartości: 10 V i 10 MV, co odpowiada zwartym i rozwartym stykom gniazda słuchawkowego S i SS. Typ symulacji ustawiamy na „Transient” i czas trwania 2 sekundy. Chcemy wyświetlić prąd pobierany z układu LM3886 (w symulacji wyświetlamy prąd płynący przez R101). Wyniki przedstawiono na rysunku16. Wykres zielony odpowiada pierwszej wartości opornika R100 (gniazdo PHONES zwarte), a wykres niebeski odpowiada drugiej wartości opornika R100 (wtyk słuchawek włożony w gniazdo). Napięcie zasilania układu jest wyłączane po upływie 1 sekundy, aby zbadać wyciszanie układów przy wyłączaniu urządzenia. W pierwszym wypadku prąd pobierany z wyprowadzenia MUTE układu LM3886 wynosi ponad 0,5 mA, a taka jest wartość oczekiwana i czas opóźnienia pojawienia się tego prądu wynosi 100 ms, co można odczytać z osi czasu. Po zaniku napięcia, prąd w ciągu kilkudziesięciu milisekund maleje do wartości, która powinna wyciszyć końcówki mocy. Natomiast w drugim przypadku, prąd ten w ogóle się nie pojawia, co oznacza, że układy końcówek mocy są wyciszone (działa jedynie wzmacniacz słuchawkowy).
Sprawdźmy teraz stopień wyjściowy końcówek mocy. Schemat testowanego obwodu pokazano na rysunku17. Sprawdzimy charakterystykę częstotliwościową, wzmocnienie i dobierzemy kondensator znajdujący się pomiędzy odwracającym i nieodwracającym wejściami LM3886. Typ symulacji ustawiamy na „AC Analysis” z zakresem częstotliwości 10 Hz…1 MHz. Przyjmijmy, że kondensator C50 ma 47 pF (wartość ustawiona jako parametr). Później zmienimy to na listę wartości. Wynik symulacji pokazano na rysunku18. Wzmocnienie wynosi 26,5 dB, a przy częstotliwości 10 Hz występuje minimalny spadek wzmocnienia. Pasmo przenoszenia jest dość szerokie. Aby je sprawdzić włączamy kursory. Wynik jest dość zaskakujący – pasmo jest bardzo szerokie (rysunek19). Prawdopodobnie nie jest to prawdziwa wartość i być może wynika z niedokładności modelu LM3886. Pozostaje jedynie sprawdzić, jak to wygląda po zmontowaniu rzeczywistego układu.
Sprawdźmy teraz, jaki jest efekt użycia różnych wartości kondensatora na wejściach LM3886. Producent układu zaleca wartość 220 pF. Potrzeba użycia tego kondensatora wynika z konieczności zmniejszenia wzmocnienia układów przy dużych częstotliwościach, ale jednocześnie karta katalogowa wspomina, że większa wartość kondensatora może mieć negatywne skutki. Zobaczmy, jak to wygląda w symulacji. Uaktywnijmy opatrzoną komentarzem dyrektywę z listą wartości tego kondensatora i uruchommy symulację. Wyniki pokazano na rysunku20. Największa pojemność kondensatora (220 pF) powoduje podwyższenie wzmocnienia układu przy częstotliwości 277 kHz, co może prowadzić do wzbudzania się układu. Aby tego uniknąć, przyjęto dość konserwatywną pojemność wynoszącą 47 pF. Jako wniosek z przeprowadzonych symulacji można przyjąć, że pomagają one w projektowaniu układów i pozwalają na podejmowanie decyzji nawet bez fizycznej budowy układów. Niemniej jednak, dopiero rzeczywiste wykonanie układu (i sprawdzenie jego działania) jest ostatecznym dowodem na poprawność jego implementacji. Symulacje w pewnych przypadkach mogą dawać niezbyt dokładne wyniki. W większości wypadków przyczyną takiej sytuacji są niezbyt dokładne modele symulowanych układów scalonych i tranzystorów. Tym niemniej, użycie symulatora znacznie przyśpiesza i ułatwia projektowanie. Zresztą obecnie tak właśnie projektuje się układy analogowe. Jest to również bardzo użyteczna metoda przy naprawie sprzętów audio.
Moduł Bluetooth Flaircomm BTM501VQ1C
Kończąc opis płyty głównej amplitunera SAR pozostało mi przybliżyć nieco kwestię zastosowanego modułu Bluetooth, jako że jest to bardzo ciekawy podzespół. Wspomniany moduł jest urządzeniem drugiej klasy mocy produkowanym przez firmę Flaircomm, model BTM501VQ1C, zgodnym ze standardem BT 2.1+EDR i wspierającym większość profili dostępnych w ramach tego standardu, a mianowicie HS/HF, A2DP, AVRCP, OPP, DUN i SPP. Moduł obsługuje zestaw komend AT zgodny ze standardami GSM 07.05 i GSM07.07 oraz z uwagi na swoją rozbudowaną funkcjonalność, dodatkowe komendy wprowadzone przez producenta podzespołu. Komunikacja odbywa się za pomocą interfejsu UART z maksymalną prędkością transmisji wynoszącą aż 4 Mb/s. Ponadto, ma również interfejsy SPI oraz USB, które mogą znaleźć zastosowanie w wypadku zmiany oprogramowania sterującego.
Moduł BT wyposażono w monofoniczne wejście mikrofonowe oraz stereofoniczne, różnicowe wyjście głośnikowe. Oba przetworniki (A/D i D/A) zintegrowane w module obsługują następujące częstotliwości próbkowania: 8 kHz; 11,025 kHz; 16 kHz; 22,05 kHz; 24 kHz; 32 kHz; 44,1 kHz i 48 kHz. Opis modułu ograniczę do przedstawienia podstawowych informacji dotyczących uruchomienia, konfiguracji i nawiązania połączenia A2DP.
Komunikacja z modułem odbywa się poprzez interfejs USART z domyślną prędkością równą 115 kbps. Konfiguracja i obsługa modułu polegają na wysyłaniu do niego odpowiednich do wykonywanych czynności komend AT i odbieraniu odpowiedzi, które sygnalizują stan wykonania rozkazu lub stan pracy urządzenia. Komendy wysyłane do modemu mają postać:
AT#CMD<CR><LF> AT#CMD sp <CR><LF>, gdzie:
AT# identyfikator rozszerzonej komendy firmy Flaircomm, CMD identyfikator komendy, sp opcjonalny parametr wysyłanej komendy, <CR><LF> znaki końca linii i powrotu karetki.
W odpowiedzi na wysłaną komendę modem Bluetooth wysyła potwierdzenie jej wykonania w postaci ciągu znaków „OK <CR><LF>” w razie powodzenia lub „ERROR<CR><LF>” w razie wystąpienia błędu. Ponadto, może wysyłać różnego rodzaju odpowiedzi („Indication”), które sygnalizują stan pracy urządzenia, a których to składnia przedstawia się następująco:
IND<CR><LF> IND sp <CR><LF>, gdzie:
IND identyfikator zdarzenia, sp opcjonalny parametr związany ze zdarzeniem.
To tyle, w ekspresowym skrócie, jeśli chodzi o podstawowe informacje dotyczące sposobu komunikacji z modułem. Przejdę do zagadnień programowych zaczynając, jak zwykle, od przedstawienia pliku nagłówkowego do obsługi modułu w zakresie profilu A2DP, który to pokazano na listingu6. Zdefiniowano w nim zmienną globalną przeznaczoną do przechowywania statusu modułu Bluetooth. Ponadto, w pliku obsługi zdefiniowano szereg stałych znakowych reprezentujących rozkazy sterujące oraz odpowiedzi modułu. Stałe te zamieszczono na listingu7.
Na początek potrzebne będą funkcje, dzięki którym stanie się możliwa komunikacja przez interfejs USART – pokazano je na listingu8. Myślę, że z uwagi na nieskomplikowaną składnię i nazewnictwo sugerujące pełnioną funkcję nie wymagają dodatkowego komentarza. Kolejna funkcja to funkcja narzędziowa, dzięki której możemy wysłać rozkaz do modułu Bluetooth wraz z towarzyszącym mu parametrem. Tę funkcję pokazano na listingu9. Dalej, funkcja przeznaczona do uruchomienia i przeprowadzenia podstawowej konfiguracji modułu – pokazano ją na listingu10. I na koniec, na listingu11 funkcja obsługi przerwania od odebrania znaku interfejsu USART (USART0_RX_vect) odpowiedzialna za obsługę odpowiedzi wysyłanych przez moduł Bluetooth.
Dobór radiatora
Pozostaje dość ważna kwestia związana z opisywanym modułem płyty głównej, a mianowicie kwestia doboru parametrów transformatora mocy oraz chłodzenia układów LM3886. Jak z pewnością wiecie, kluczową sprawą przy konstruowaniu jakiegokolwiek wzmacniacza mocy są wymogi dotyczące źródła napięcia zasilania końcówki mocy. Z pozoru wydawałoby się, iż jest to zadanie doś? proste, w?rzeczywisto?ci okazuje si?, ?e?podczas procesu projektowania nale?y wzi?? pod uwag? wiele kluczowych kwestii by projektowany przez nas wzmacniacz pracowa? wed?ug wst?pnych za?o?e?. Jak ?atwo si? domy?li?, kluczow? spraw? jest tutaj moc i?napi?cie wyj?ciowe zastosowanego transformatora mocy stanowi?cego ?r?d?o napi?cia zasilania ko?c?wk? mocy. Zbyt niskie napi?cie wyj?ciowe transformatora ograniczy nam maksymaln? moc konstruowanej ko?c?wki mocy, za? zbyt niska jego moc powodowa? b?dzie zniekszta?cenia przy wy?szych poziomach g?o?no?ci. Przyznam szczerze, i??poszukuj?c fachowej literatury w?tym zakresie natkn??em si? na?doskona?e kompendium wiedzy pod postaci? strony internetowej znajduj?cej si? pod adresem ć proste, w rzeczywistości okazuje się, że podczas procesu projektowania należy wziąć pod uwagę wiele kluczowych kwestii by projektowany przez nas wzmacniacz pracował według wstępnych założeń. Jak łatwo się domyślić, kluczową sprawą jest tutaj moc i napięcie wyjściowe zastosowanego transformatora mocy stanowiącego źródło napięcia zasilania końcówkę mocy. Zbyt niskie napięcie wyjściowe transformatora ograniczy nam maksymalną moc konstruowanej końcówki mocy, zaś zbyt niska jego moc powodować będzie zniekształcenia przy wyższych poziomach głośności. Przyznam szczerze, iż poszukując fachowej literatury w tym zakresie natknąłem się na doskonałe kompendium wiedzy pod postacią strony internetowej znajdującej się pod adresem https://goo.gl/91fLh4, której lekturę szczególnie polecam!
Robert Wołgajew, EP
Uwaga! Pełna treść artykułu wraz z obliczeniami strat mocy i transformatora zasilającego jest dostępna w pliku PDF.
Zaloguj
