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
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio luty 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów