DSP dla każdego. Dwukanałowa, cyfrowa końcówka mocy 2×20 W. cz. 4

DSP dla każdego. Dwukanałowa, cyfrowa końcówka mocy 2×20 W. cz. 4
Pobierz PDF Download icon

W poprzedniej części przedstawiłem sposób obróbki sygnału wejściowego SPDIF/I²S za pomocą procesora ADAU1701. Ten układ ma również możliwość generowania sygnału wyjściowego w standardzie I²S z pominięciem wewnętrznego przetwornika C/A. Dlatego można łatwo zastosować zewnętrzne przetworniki C/A lub "cyfrowe" końcówki mocy.
Rekomendacje: projekt jest uzupełnieniem DSP dla sygnału audio i przyda się razem z opisywanym wcześniej przetwornikiem lub może być użyty do współpracy z przetwornikiem C/A.

Rysunek 1. Schemat ideowy płytki końcówki mocy I²S

Przedstawiony moduł jest dwukanałową, cyfrową końcówką o mocy 2×20 W/8 V (przy zasilaniu 18 V), pracującą w klasie D. Układ akceptuje sygnał wejściowy w formacie I²S i umożliwia uzyskanie dobrych parametrów przy dość wysokiej sprawności, przekraczającej 90%. Moduł może być zastosowany także oddzielnie, jako uzupełnienie przetwornika C/A lub podstawa konstrukcji "cyfrowych" zestawów głośnikowych np. USB (w opracowaniu).

Schemat modułu końcówki mocy z wejściem I²S pokazano na rysunku 1. Moduł jest zbudowany w oparciu o specjalizowany układ scalony STA333ML (U1) firmy STMicroelectronics. W strukturze zawiera on dwa wzmacniacze mocy pracujące w klasie D, sterowane 24-bitowym modulatorem, interfejs I²S oraz układy zabezpieczeń. Do poprawnej pracy wymaga dwóch napięć zasilających: 4,5...20 V dla części mocy (doprowadzenia VCC1, VCC2) i 3,3 V dla części sygnałowej (VDD).

Układ ma możliwość regulowania wzmocnienia (GAIN) w zakresie 0...24 dB, wyboru formatu danych wejściowych FMT (I²S/Left Justified), częstotliwości nadpróbkowania ONSEL (256/384) oraz trybu pracy PWRDN (Standby/ON). W prototypie wprowadzono następujące nastawy:

  • format danych wejściowych: I²S,
  • wzmocnienie 0 dB,
  • moduł załączony (PWEDN=ON).

Użytkownikowi pozostawiono możliwość wyboru częstotliwości nadpróbkowania za pomocą zworki FS.

Rysunek 2. Rozmieszczenie elementów na płytce modułu końcówki mocy I²S

Sygnały wejściowe doprowadzono do złącza I²S. Dodatkowo są wyprowadzone sygnały RES - zerowania układu STA333ML i głównego zegara PLL - MCLK (XTI). Część sygnałowa jest zasilana napięciem 3,3 V doprowadzonym z układu zewnętrznego. Rezystor R3 i kondensatory C20, C21 są elementami generatora PLL wbudowanego w strukturę układu. Najlepiej aby były to elementy o niewielkiej tolerancji wykonania i stabilne termicznie (1%, NP0). Pozostałe kondensatory pełnią funkcje filtrowania zasilania. Ze względu na spore wymagania dotyczące filtracji sygnałów w.cz, wspomniane pojemności są złożone z połączonych równolegle kondensatorów 0,1 µF/1 µF. Wyjścia wzmacniaczy OUTxx doprowadzono do symetrycznych filtrów dolnoprzepustowych usuwających zakłócenia pozostałe po modulacji. Dławiki ferrytowe L1...L4 muszą być przystosowane do pracy z sygnałami z zakresu 100 kHz. Ich prąd nasycenia nie powinien być mniejszy niż 2.5 A chyba, że nie mamy zamiaru wykorzystać pełniej mocy wyjściowej. Kondensatory C2 i C6 muszą być foliowe, typu MKP lub MKS. Sygnały wyjściowe doprowadzono do złącz O1 i O2. Zasilanie końcówki mocy jest doprowadzone do złącza PWR. Kondensator CE1 - koniecznie o obniżonej rezystancji ESR - filtruje zasilanie końcówki.

Tabela 1. Sposób dołączenia sygnałów I²S

Ze względu na znaczne prądy i sygnały w.cz. o różnych poziomach mocy, krytyczne jest zaprojektowanie obwodu drukowanego. Najlepszym rozwiązaniem byłby druk wielowarstwowy z płaszczyznami masy i zasilania, jednak jest to rozwiązanie zbyt drogie w warunkach warsztatu domowego. Korzystając z noty aplikacyjnej AN2497 zaprojektowałem płytkę dwustronną zgodną z zaleceniami producenta układu scalonego. W kilku miejscach płaszczyzny masy mają zwory umożliwiające eksperymentalne ustalenie sposobu rozpływu prądu po wylewkach masy. W aplikacjach docelowych umożliwiają one uzyskanie najlepszych parametrów sygnału audio.

Najważniejsze wytyczne do projektowania własnej płytki to:

  • Zachowanie możliwie najkrótszych ścieżek mocy.
  • Zachowanie symetrii obwodów filtrów.
  • Odpowiednia orientacja dławików filtrów (90’), aby wzajemnie nie zakłócały się.
  • Zachowanie symetrii wyprowadzeń VCC i VCC2.
  • Połączenie VCC1 i VCC2 typu gwiazda, bezpośrednio do głównego kondensatora filtrującego zasilanie.
  • Odpowiednie rozmieszczenie kondensatorów filtrujących napięcia VCC1 i VCC2.
  • Minimalizacja obszaru zajmowanego przez elementy obwodów PLL.
  • Zastosowanie dużej powierzchni masy z przelotkami pełniącymi funkcje wentylacyjne pod padem termicznym STA, jest to jedyny sposób odprowadzania ciepła ze struktury. Zbyt mała powierzchnia i brak przelotek uniemożliwi prawidłowe chłodzenie struktury i zadziałanie zabezpieczenia termicznego.

Montaż

Rysunek 3. Konfiguracja wewnętrzna ADAU1701

Moduł końcówki mocy I²S jest zmontowany na niewielkiej dwustronnej płytce drukowanej, Rozmieszczenie elementów pokazano na rysunku 2. Montaż jest typowy i nie wymaga opisu. Należy zwrócić uwagę na poprawne przylutowanie padu termicznego. Zmontowany moduł nie wymaga uruchamiania. Dla sprawdzenia poprawności funkcjonowania konieczne jest wykonanie kilku połączeń z płytką bazową ADAU1701 lub bezpośrednio z modułem ADAU1701, zgodnie z informacjami umieszczonymi w tabeli 1. Wszystkie połączenia powinny być możliwie najkrótsze.

Przed rozpoczęciem programowania konieczne jest w module bazowym ADAU1701_MB przelutowanie zwory OSC w pozycję (2-3) umożliwiającą taktowanie procesora kwarcem. W module końcówki mocy należy przelutować zworę FS w pozycję 256 (256×48 kHz=12,288 MHz z ADAU1701). Tak skonfigurowany moduł jest gotowy do oprogramowania za pomocą Sigma Studio.

Wykaz elementów

Rezystory:
R1, R2: 22 Ω (SMD 1206)
R3: 2,2 kΩ (SMD 0805)

Kondensatory:
C1, C5: 330 pF (SMD 0805)
C2, C6: 0,47 µF (kondensator foliowy/63 V)
C3, C4, C7...C9, C11, C13...C16, C18, C19, C22: 0,1 µF (SMD 0805/50 V)
C10, C12, C17: 1 µF (SMD 0805/25 V)
C20: 680 pF (SMD 0805, NP0)
C21: 4, 7 nF (SMD 0805, NP0)
C23: 10 µF (SMD 0805/25 V)
CE1: 1000 µF (elektrolit. LOW ESR, D=10 mm, R=5 mm, U=25 V)
CE3: 2,2 µF (SMD "A", tant.)

Półprzewodniki:
U1: STA333ML (PowerSSO36)

Inne:
FB1, FB2: perełka ferrytowa 600R/100 MHz
FS: zwora SMD 0805
I²S: złącze IDC10, proste
L1...L4: 22 mH (dławik ferrytowy 2,5 A)
O1, O2, PWR: złącze ARK2

Oprogramowanie

Rysunek 4. Schemat aplikacji testowej

Uruchamiany Sigma Studio i - zgodnie z wcześniejszym opisem - zakładamy nowy projekt. Częstotliwość taktowania powinna wynosić 48 kHz. W celach przykładowych zrobimy z płytki ADAU1701 generator cyfrowy mocy o dwóch częstotliwościach 250 Hz/4 kHz, poziomie regulowanym za pomocą potencjometru dołączonego do MP2 (POT1). W pierwszym kroku konfigurujemy ADAU1701 zgodnie z rysunkiem 3 ustawiając wyjściowy interfejs I²S na wyprowadzeniach GPIO, wyłączając nieużywane w aplikacji przetworniki A/C i C/A oraz ustawiając MP2 w roli wejścia analogowego służącego do regulowania poziomu sygnału.

W celu realizacji aplikacji w obszar roboczy przeciągamy wejścia, GPIO, bloki generatora i wyjścia. Łączymy i konfigurujemy je zgodnie ze schematem z rysunku 4.

Po dołączeniu głośników, zasilania zewnętrznego dla końcówki, potencjometru do wejścia AUX_ADC1 (MP2) możemy załadować aplikację pamiętając o wyciszeniu wyjść potencjometrem. Jeżeli korzystamy z programatora USBi, to możemy na bieżąco sprawdzić jej działanie.

Oczywiście jest to najprostsza aplikacja wykorzystująca wyjściowy interfejs I²S i to tylko jeden kanał, a do dyspozycji mamy cztery kanały, co umożliwia realizację zwrotnic wielodrożnych, jednoczesna obróbkę sygnału itp. W cyklu artykułów przedstawiono wszystkie możliwości przetwarzania sygnału audio, zarówno po przetworzeniu na postać cyfrową, jaki i bezpośrednio w postaci cyfrowej. Jest to minimum niezbędne przy projektowaniu własnych urządzeń z zastosowaniem ADAU1701. Zachęcam do eksperymentowania i tworzenia własnych aplikacji łatwych oraz przyjemnych w obsłudze procesorów Sigma DSP. A ja udaję się do "spokojnego kącika", gdzie przygotowuję płytkę MegaDSP z procesorem ADAU1442 o nieporównanie większych możliwościach. Ale o tym w kolejnych numerach EP.

Adam Tatuś, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
luty 2014
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień - maj 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje kwiecień 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna kwiecień 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów