TSTE93 Analog konstruktion

Transkript

1 Projektuppgift, krav funktion 2.1 System Stereohögtalare för låga till höga frekvenser TSTE93 Analog konstruktion Subbas för frekvenser under 100 Hz (3dB) Ljud från vänster och höger ska båda ut i subbas Möjlighet ställa in volym, balans, bas, diskant, samt loudness Loudness: ljudnivåstyrd höjning av bas och diskant Föreläsning 4 Justera för ofullkomligheter hos subbashögtalaren Kent Palmkvist Jämn frekvensgång, ändra förstärkning och fas ES, ISY Känslighet: standard line-ingång Frekvensomfång 20 Hz 20 khz Subwoofer 20 Hz 100 Hz 3 Dagens föreläsning Projektuppgift, krav fysiskt utseende Projektuppgiften 16x5 cm kretskort (halvt europakort) förförstärkarsteg Krav Anpassas till befintligt moderkort Funktion, Känslighet, Frekvensomfång Systemet består av 3 klass D förstärkarsteg + 1 förförstärkarsteg Mekanisk design Fördefinierade placeringar av stift Genomförande Fördefinierade inspänningar och förväntade utspänningar Lösningsgång Högtalare Systemet matas med +- 35V Signal in och ut, potentiometrar, spänningsmatning Uppbyggnad och funktion Elektrisk modell Lådans inverkan Korrigering (equalizing) Linkwitzlab 2 4 1

2 Projektuppgift, krav genomförandet Egna möjliga extra finesser Grupp om 2 personer var Förbered plats för kontakter (signal in och ut alternativ väg) Simulering av delsystem innan layout Lägg till annan signalhantering Filtrering Stegvis montering och testning Justering gränsfrekvenser Skriftlig teknisk rapport Möjliggör extern styrning Acceptera varierande spänningsmatning Förberedd plats på PCB kostar inget (storlek dock begränsad) Komponenter för finesser ingår inte i projektet 5 7 Systemöversikt Hur fungerar högtalaren? Insignal line-in stereo För att få samma amplitud för alla frekvenser ljudmässigt måste högtalarens egenskaper korrigeras Justering volym, balans, bas, diskant, loudness av/på För att kunna justera egenskaperna måste egenskaperna bestämmas. HP för ta välja högre frekvenser (> 100 Hz??) Mixer för att blanda ihop vänster och höger signal för användning i subbas Beror av högtalarens interna konstruktion Beror på hur högtalaren monterats LP för att välja lägre frekvenser till subbas (< 100 Hz??) Filtrering (equalizer) för subbas trimma förstärkning och möjlighet vända fas 6 8 2

3 Högtalarelementet Mekanisk modell av högtalaren Permanentmagnet [1] (ringformad) Kraften från spolen flyttar en massa (spole + kon) upphängd i en fjäder (upphängning), tillsammans med en dämpning Membran [4] anslutet till en spole [2] (ofta kallad talspole), upphängt med centreringsanordningar [3] (vanligen cirkulär) 9 11 Elektrisk kraft till mekanisk Egenskaper för olika frekvensområden (fix amplitud på insignal), låga frekvenser F=Bli Notera skalorna är logaritmiska Kraft F, magnetfält B, trådlängd i spole (talspole) l, ström i Fjädern har mest inverkan Konstant amplitud (oberoende av frekvens) Ökande hastighet och acceleration Kraften trycker konformade membranet in eller ut Förflyttning ger upphov till ljudvågor Ljudtryck beror på membranets hastighet (^2) och strålningsimpedansen Riktigt låg frekvens ger väldigt låg strålningsimpedans

4 Egenskaper för olika frekvensområden (fix amplitud på insignal), höga frekvenser Dämpning Massan har mest inverkan Möjligt dämpa rörelsen både mekaniskt och elektriskt Konstant acceleration (f = m a) Spolens rörelse generar spänning som vill motverka rörelsen Spänning över spolen U=Blv, (magnetfält, spoltrådslängd, hastighet) Högre frekvens => lägre amplitud och amplitud Minskar 6 db/oktav i = B l u / R, R är spolresistans + utresistans hos förstärkaren Dämpkraft F = (Bl)^2/R Dämpning förutsatt spolen ansluten mot låg impedans (R liten) Exempel mekanisk dämpning: strömningsmotstånd som luften måste passera 13 Egenskaper för olika frekvensområden (fix amplitud på insignal), runt resonans Motsvarande elektrisk modell Vid övergång mellan höga och låga frekvenser Översätt massa till kapacitans, fjäder till induktans, kraft till spänning Resonans (krafterna samverkar) om inte dämpad 15 Impedans stämmer med riktig högtalares beteende! Fjäderkraft och massans tröghet i samma storleksordning Resonansamplitud beskrivs med Q-faktorn (0.6 respektive 2 i figurerna nedan) Går bygga högtalarsimulator Bra för att slippa förstöra hörsel och dyra högtalare!

5 Exempel på högtalarkarakteristik Effekten av att placera högtalare i en låda 15 cm diameter, 8 ohm högtalare, mellanregister Flertal parametrar att välja när högtalaren monteras i låda Lådans storlek 100 Hz 6 khz frekvensomfång Helt stängd låda eller låda med öppning Flera högtalare i samma låda Valen påverkar effektivitet (ljud ut / Watt ineffekt) Kan hjälpa till få lägre gränsfrekvens Valen påverkar frekvensgången Resonans och Q-faktor Exempel sluten låda Q-faktor anger hur hög toppen blir vid resonansfrekvensen Känd också som Oändlig baffel, tryckkammarhögtalare, acoustic suspension Q = 1 ger liten översväng Lådan förhindrar samverkan mellan fram och baksida av högtalarelementet Q = 0.5 gör att signalen försvinner tidigt Bra val run 0.7 Ljudstrålning från baksidan av elemented absorberas i lådan Lådans volym ger en dämpningseffekt (fjädring) Komprimering av luften i lådan ger samma effekt som mekanisk fjäder Mindre låda ger kraftigare fjäder Nedre gränsfrekvens bestämd av elementets egenfrekvens Stora högtalare, stor massa, liten fjädring (stor volym i lådan)

6 Kombinationer av högtalarplacering och nedre gränsfrekvens Modell av basreflexlåda Likadana högtalarelement i alla tre fallen Luftpelare och luftvolym bildar massa + fjäder med låg resonansfrekvens (jämfört med elementets resonansfrekvens) Alla tre lådor får samma frekvensgång Fjädring och massa samverkar Möjliggör lägre frekvenser från lådan Olika krav på volym Känsligare dimensionering (resonansen bör dämpas, frekvens placeras rätt) Sluten låda med öppning Elektrisk modell av sluten låda (mer detaljerad) Basreflexlåda Källa: Öppning ofta i form av ett eller flera rör Värden gäller Thor, inte högtalaren i labbet Öppning ger upphov till resons Resonans ger upphov till ljud utan stor tillförsel av effekt Kräver mindre rörelser hos konen vid höga ljudtryck Vid väldigt låga frekvenser försvinner lådans effekt (dämpning)

7 Exempel på högtalarkarakteristik (12 bashögtalare) Förenklad modell av högtalaren Antag Dålig återgivning vid låga och höga frekvenser (< 70 Hz, > 3 khz) Rs << Re Ignorera Rs wle << Re Ignorera Le 1/(wMma) >> Rma Ingorera Rma Mma << Mms Ignorera Mma Hastighet ~ V2 Ger ljudtryck Val av storlek på högtalare Thor subbashögtalare Låg frekvens => Stor luftvolym att flytta långt Exempel på design och beräkningar Stor volym => stor diameter Lådan i labbet skiljer sig lite mot Thor Stor diameter => stor massa Stor massa => lägre gränsfrekvens Annat högtalarelement Kan inte välja en högtalare som ger bra prestanda i alla frekvensområden Peerless SLS Annan volym Flerelements högtalare lämpliga Kräver då istället delningsfilter och matchning 40 liter Inte inkluderat i detta projekt Antar de två stereohögtalarna inte behöver equalizer

8 Monterad bashögtalare i sluten låda Övergång mellan subbas och stereo Motsvarar subbashögtalaren Thor från linkwitzlab Gräns mellan de två överlappar I gränsfrekvensen bidrar alla tre högtalarna till ljudet Annat element än på webbsidan, liknande låda Övergång mellan signalerna (LP respektive HP) måste vara 6 db Ta hänsyns till lådans egenskaper när elektrisk modell över högtalaren beräknas Ljudtryck från två stereohögtalare läggs ihop, med dubbel högtalaryta Effekt proportionellt mod ytan i kvadrat Lådmaterial (styv 20 mm MDF-skiva), 40 liter volym Ta med högtalarelementets egenskaper (från databladet för Peerless SLS 12 subwoofer) Fs = 28 Hz (resonansfrekvens), Qtotal = 0.47 (ingen topp vid resonans) Använd excel-blad från linkwitzlab (closedbox1.xls) Fb (total resonansfrekvens) höjd jämfört med elementet pga lådan Qt ökar (en liten topp vid resonansfrekvensen) Equalizer design Andra filterstrukturer Högtalarens egenskaper Fler strukturer som kan vara användbara hittas enklast på Fb > 50 Hz, Qt > 1 Vill få bättre bas i totala drivsteget Bra struktur för lågpass och högpass filter Fp = 20 Hz, Qp = 0.7 2:a ordningens aktiva RC-filter Använd equalizer enligt linkwitzlab pz_eql.xls Mata in högtalarens data (kallade F0 och Q0) Beräkna värden för equalizer strukturen Jämför om standardvärden ger tillräckligt bra resultat Om inte, ändra önskade egenskaper lite, ändra M, ändra standardvärden

9 Blanda två kanaler Hur hantera volym, balans, bas, diskant Vänster och höger kanal delar samma subbas Går att bygga diskret hantering av respektive funktion Signaler från höger och vänster måste läggas ihop Komplicerat Byggs som adderande inverterande krets, som även kan filtrera bort allt för låga frekvenser (< 10 Hz) Dyrt (många komponenter) Standardfunktion Kan även lägga till justering av förstärkning Finns färdiga kretslösningar Justerbar resistans i återkopplingen Här: LM1036 Styr volym, balans, bas, diskant mha DC spänning Generera DC-spänning mha potentiometrar Vända fas Definition av känslighet Bygel väljer 0 eller 180 grader fasvridning Insignalen måste vara lagom För stor insignal genererar klippning Vill inte behöva bygla om många olika signaler Lösning: blanda inverterande och icke-inverterande förstärkare Signalen kan drunkna i bakgrundsbruset Känslighet för högtalare = ljudtryck vid 1 W elektrisk signal (2.83V för 8 ohm last vid 1 m avstånd), dvs ett mått på effektivitet Icke-inverterande genom att låta jämförelsen följa insignalen Kan förstöras i signalvägen innan den når volymkontrollen För liten signal klarar inte generera tillräckligt stor utsignal Låt inverterande förstärkare jämföra (Uut-Uin)/2 mot 0V (enkel inverterande förstärkare) Insignal ~ referens => ingen ström genom återkoppling => utsignalen följer insignalen Räcker med en två-pinnars bygel/switch! Ingångskänslighet för förstärkaren = inspänning som ger utsignal av maximal amplitud (utan klippning)

10 Vanliga känslighetnivåer på ljudkällor Resurser för val av komponenter Line-in / line-out se.farnell.com 1.228VRMS för professionell utrustning Bra att leta komponenter och datablad +4 dbu (1 dbu = VDC motsvarande 1 mw över 600 ohm = VRMS) VRMS för konsumentutrustning (topp på ca 2 Vpeaktopeak) Inköp görs från dom (pga statliga upphandlingsregler) -10 dbv (1 dbv = 1 VRMS = 1 mw över 1 kohm) Mycket mer information kan ofta fås från respektive tillverkare Inimpedans ~ 10 kohm Datablad Utimpedans ~ ohm Spicemodeller Skivspelare Bibliotek för PCB layout 3.5 mv Standardkretsar finns att föreslå Mikrofon TL081, 7815, OP07, Varierar mycket beroende på typ (1.5 mv - 70 mv) Kräver ofta högimpendiv ingång (500 kohm eller mer) Typ av simuleringar att göra För frekvensberoende kretsar (filter) Skapa modell av kretsen Driv lämplig insignal Analysera bode-plot Testa känslighet för komponentvariationer Kontrollera effektutveckling (val av komponenter) Kontrollera storlekar och montering 38 10