Схема. Цифровое управление аналоговыми темброблоками
Появление более 20 лет назад на рынке электронных компонентов специализированных аудиопроцессоров и темброблоков с цифровым управлением (с интерфейсами I2С, SPI и пр ) для звуковой аппаратуры совершило настоящую революцию в области проектирования звуковоспроизводящей аппаратуры.
Очевидные преимущества цифрового управления, примененного в авторской конструкции [1], следуюшие:
— существенно упрощается проектирование аппаратной части звукового тракта;
— многократно расширяются возможности по обработке звукового сигнала (перечень возможных регулировок для некоторых аудиопроцессоров содержит десятки пунктов);
— сервисные возможности по визуализации и управлению параметрами звуковоспроизводящей аппаратуры практически не ограничены.
Казалось бы, никакого возврата к прежним аналоговым способам управления не будет Но что делать с огромным ассортиментом аналоговых темброблоков и аудиопроцессоров, среди которых множество изделий с прекрасными и зачастую непревзойденными качественными характеристиками? Ведь не зря настоящие ценители высококачественного звучания до сих пор предпочитают чисто аналоговые методы управления звуковоспроизводящей аппаратурой. Задавшись подобным вопросом, авторы статьи попытались совместить новые технологии со «старыми», проверенными многими годами эксплуатации, элементами обработки звука.
Первый вариант, наиболее очевидный и предсказуемый, — замена аналоговых и механических компонентов их цифровыми «собратьями»: механические переключатели — электронными коммутаторами, электромагнитными и бесконтактными электронными реле, роторные и ползунковые переменные резисторы — энкодерами и цифровыми потенциометрами. И разумеется, добавление новых функций, ранее недоступных при применении чисто аналоговых элементов, — запоминания настроек системы и дистанционного управления.
Вариант схемы блока, отвечающего этой концепции, изображен на рис. 1. Он обеспечивает следующие возможности:
— коммутацию четырех стереовходов;
— цифровое управление всеми режимами работы (коммутация, регулировка громкости, баланса, тембра ВЧ и НЧ, дистанционное ИК управление);
— запоминание режимов работы блока;
— отображение режимов работы на ЖКИ.
Основа устройства — микроконтроллер АTmega8. Он обладает достаточным числом портов для подключения периферийных устройств, прост в программировании и содержит много различных встроенных средств, позволяющих реализовать необходимые функции с минимальными аппаратными затратами.
Режимы работы темброблока отображаются на двустрочном символьном ЖКИ. Для управления его работой используются порты РВО, РВ1, РСО-РСЗ.
Коммутация входов осуществляется с помощью аналогового коммутатора TDA1029, включенного по типовой схем»- Для выбора источника сигнала используются адресные входы АО А2 коммутатора, подключенные к портам PD5—PD7 микроконтроллера. Выходы коммутатора подключены к переключающим контактам реле К1. На основе реле реализован режим «MUTE», позволяющий при необходимости отключать темброблок и оконечный усилитель (например, при коммутации входов или для быстрого отключения громкости) Включение и выключение реле осуществляются сигналом порта PDO микроконтроллера через усилитель тока на транзисторе VT1.
Управление режимами темброблока производят энкодером S1 с кнопкой посредством микросхемы цифрового потенциометра DA3. Выводы энкодера, отвечающие за выбор направления вращения ротора («по» и «против» часовой стрелки — «больше» и «меньше» соответственно в выбранном режиме регулировки), подключены к портам PD2 и PD4, а вывод кнопки, используемой для выбора режима, — к порту PD3.
В качестве цифрового потенциометра авторами выбрана микросхема AD8403, имеющая в своем составе четыре независимых регулятора. Этот выбор обусловлен относительной доступностью, удобством применения (большинство цифровых потенциометров производятся в неудобных для применения в любительских условиях корпусах) и низкой ценой.
Управление цифровым потенциометром осуществляется по интерфейсу SPI. Для его реализации использованы линии портов РВ2—РВ5 микроконтроллера.
РВ2 — CS (выбор кристалла);
РВЗ — SDI (вход данных);
РВ4 — SDO (выход данных);
РВ5 — CLK (вход тактовой частоты)
Протокол обмена по SPI реализован программно поскольку аппаратная реализация данного протокола для AD8403 невозможна Дело в том, что аппаратно контроллером SPI в ATmega8 поддерживается только 8-битное управляющее слово, а данная микросхема имеет длину управляющего слова 10 бит. Диаграммы работы канала SPI для AD8403 приведены на рис. 2. 
Управляющее 10-битное слово состоит из двух частей: два разряда адреса АО—А1 (табл. 1) — выбор потенциометра внутри микросхемы и восемь разрядов данных DO—D7. В табл. 2 указаны некоторые значения сопротивления между выводами WA и WB потенциометра для некоторых представленных кодов.
С более подробным описанием протокола передачи можно ознакомиться при прочтении оригинальной документации производителя [2].
Разумеется, в качестве цифровых потенциометров могут быть выбраны другие, более доступные или более подходящие, и даже с другим интерфейсом (например, с I2С или подобным). В этом случае необходимо внести изменения в печатную плату и управляющую программу устройства.
Режимы работы и установки параметров записываются в микросхему памяти DS1 АТ24С01 Запись и чтение данных из нее осуществляются по шине I2C. При включении системы микроконтроллер производит чтение данных из памяти и загружает параметры в периферийные устройства (коммутатор и цифровые потенциометры). При первоначальном включении (в отсутствие данных во внешней памяти) по умолчанию выбирается первый канал коммутатора и исходные установки потенциометров.
Приемник ИК сигналов дистанционного управления — TSOP1736 (В1). Информационный выход приемника подключен к линии порта PD1 микроконтроллера. Протокол ДУ, примененный в этом устройстве, — RC5.
Режим «MUTE», включаемый кнопкой SB1, необходим для быстрого отключения звука. Кроме того, он доступен с пульта дистанционного управления и неявно осуществляется при включении устройства (задержка) и переключении входов коммутатора. Кнопка SB1 подключена к линии порта РВ7.
Выбор одного из четырех двухканальных входов коммутатора осуществляется кнопкой SB2 по кругу, т. е. каждое нажатие на кнопку вызывает переключение входа. Кнопка SB2 подключена к линии порта РВ6.
Защита от дребезга контактов кнопок SB1 и SB2 осуществляется программно.
Рисунок печатной платы устройства приведен на рис. 3, а расположение элементов на плате — на рис. 4. Фото собранного устройства представлено на рис. 5.
К сожалению, не все компоненты, примененные в блоке, описанном в первой части статьи, доступны радиолюбителям даже в крупных городах, прежде всего, это касается цифровых потенциометров и энкодеров. Поэтому авторами был разработан второй, более простой и недорогой вариант блока. Он не содержит малодоступных элементов, более прост в реализации и, наконец, существенно дешевле в изготовлении, что тоже немаловажно. Абсолютное большинство функций при этом сохранено, исключена только возможность дистанционного управления.
Схема упрощенного варианта устройства представлена на рис. 6.
Узлы блока, отвечающие за коммутацию входов и отображение информации на дисплее, остались практически без изменений. Подверглась модификации только часть, обеспечивающая регулировку параметров громкости и тембра.
В качестве регулирующих элементов применены четыре сдвоенных переменных резистора (по числу параметров регулирования). Нижний из резисторов (назовем его «измерительным») отвечает за отображение информации на дисплее, а верхний — собственно за изменение соответствующего параметра (назовем его соответственно «регулировочным»). Происходит это следующим образом. Крайние выводы нижнего, «измерительного», резистора подключены к общему выводу и выводу питания, а средний — к одному из входов АЦП микроконтроллера (порты РС2—РС5). При вращении движка синхронно изменяется сопротивление каждого переменного резистора, и поэтому его значение у «измерительного» резистора соответствует значению «регулировочного», выводы которого подключены к соответствующим выводам темброблока. Причем совершенно не важно, линейную или экспоненциальную характеристику имеет переменный резистор. При необходимости в отображение информации на дисплее можно внести необходимые изменения, модифицировав управляющую программу микроконтроллера.
Выбор входов коммутатора в этом блоке осуществляется точно также, как и в предыдущем варианте.
Режимы работы темброблока отображаются на двустрочном символьном жидкокристаллическом индикаторе, как и в предыдущем варианте. Для управления работой ЖКИ используются линии портов РВ2—РВ7.
Кнопкой SB1 выбирают режим «MUTE». Сигнальный вывод кнопки SB1 подключен к линии порта PD3.
Выбор одного из четырех двухканальных входов коммутатора осуществляется кнопкой SB2 по кругу, т. е. каждое нажатие вызывает переключение входа. Сигнальный вывод кнопки SB2 подключен к линии порта PD2.
Коммутация входов осуществляется с помощью аналогового коммутатора TDA1029, включенного по типовой схеме. Для выбора источника сигнала используются адресные входы АО—А2 коммутатора, подключенные к портам PD5—PD7 микроконтроллера. Выходы коммутатора подключены к переключающим контактам реле К1, на основе которого реализован режим «MUTE», позволяющий при необходимости отключать темброблок и оконечный усилитель (например, при коммутации входов или для быстрого отключения громкости). Включение и выключение реле осуществляются подачей сигнала с линии порта РВ1 микроконтроллера через электронный ключ на транзисторе VT1.
Защита от дребезга контактов кнопок SB1 и SB2 осуществляется программно.
Рисунок печатной платы устройства приведен на рис. 7, а расположение элементов на плате — на рис. 8. Фото собранного темброблока представлено на рис. 9.
Авторы особо подчеркивают, что применение обоих вариантов управления не привносит искажений в звучание аналоговых темброблоков, поскольку переменные резисторы (и электронные, и обычные роторные) не включены в сигнальные цепи, формирующие АЧХ темброблоков. Посредством переменных резисторов изменяется постоянное напряжение на управляющих входах микросхем темброблоков и, таким образом, осуществляется электронное регулирование.
Оба варианта устройства проверены в работе с аналоговыми темброблоками на базе популярных микросхем LM1036, LM1040 и КА2107 и показали прекрасные результаты. Помимо великолепного «аналогового» звучания, к этим микросхемам добавились новые сервисные возможности и современное управление. Одна из схем на базе LM1040 была описана на страницах журнала [3].
Оба устройства собраны на двусторонних печатных платах толщиной 1 мм с металлизированными отверстиями.
На плате упрощенного варианта регулировочные резисторы R1, R4, R7 и R10 по окончании распайки деталей соединяют проводами или плоским кабелем с соответствующими разъемами Х6—Х9, установленными на плате, либо с кабелем со штыревым разъемом, подключаемым к разъему платы с электронно-управляемыми регуляторами на микросхемах. Во втором слу чае устанавливать разъемы Х6—Х9 на плате нет необходимости.
В конструкциях блоков применены обычные резисторы С2-23 или МЛТ-0,125. Оксидные конденсаторы — К50-29, К50-35, остальные — К10-17В или аналогичные. Фотоприемник подойдет любой, рассчитанный на частоту модуляции 36 кГц. Переменные резисторы — СПЗ-33-32 или аналогичные. Электромагнитное реле — с двумя группами контактов на переключение JRC-19F-5VDC-0.2W производства фирмы DBL. Можно применить и любое другое, данный тип реле — типовой, выпускается многими производителями. Если такого же или аналогичного реле найти не удалось, то можно применить любое другое с двумя группами контактов на переключение с рабочим напряжением на обмотке 5 В. В этом случае придется изменить печатную плату под конкретный тип реле.
Разъемы питания — DJK-02B или аналогичные; сигнальные разъемы — штыревые, типа PLD-6. Для соединения блоков применены кабели с разъемами IDC-6.
Вместо микросхемы коммутатора TDA1029 возможно применить полный отечественный аналог К174КП1 без изменения рисунка печатной платы.
Жидкокристаллический индикатор HY-1602E допустимо заменить любым аналогичным с двумя строками по 16 символов, с контроллером HD44780 или его аналогом. При распайке выводов индикатора следует обратить внимание на их нумерацию. Она может значительно различаться (как правило, номера сдвинуты вправо или влево в зависимости от обозначения) для индикаторов разных фирм-производителей. Для уточнения следует обратиться к фирменной документации производителя [4].
Прилагаемые файлы: 20_18_38__11_09_2010.zip
А. БАШИРОВ, С. БАШИРОВ, г. Москва
«Радио» №№8-9 2010г.
Похожие статьи:
Блок управления шаговым двигателем
Устройство управления шаговым электродвигателем
Дистанционное управление с помощью сотового телефона
Схема дистанционного управления бытовыми приборами
Радиоуправление моделями. Радиотракт.
