TSTE93 Analog konstruktion. Föreläsning 2

Transkript

1 TSTE93 Analog konstruktion Föreläsning 2 1

2 Dagens föreläsning Projektuppgiften Krav Funktion, Känslighet, Frekvensomfång Mekanisk design Genomförande Lösningsgång Högtalare Uppbyggnad och funktion Elektrisk modell Lådans inverkan Korrigering (equalizing) Linkwitzlab 2

3 Projektuppgift, krav funktion 2.1 System Stereohögtalare för låga till höga frekvenser 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 Justera för ofullkomligheter hos subbashögtalaren Jämn frekvensgång, ändra förstärkning och fas Känslighet: standard line-ingång Frekvensomfång 20 Hz 20 khz Subwoofer 20 Hz 100 Hz 3

4 Projektuppgift, krav fysiskt utseende 16x5 cm kretskort (halvt europakort) förförstärkarsteg Anpassas till befintligt moderkort Systemet består av 3 klass D förstärkarsteg + 1 förförstärkarsteg Fördefinierade placeringar av stift Fördefinierade inspänningar och förväntade utspänningar Systemet matas med +- 35V Signal in och ut, potentiometrar, spänningsmatning 4

5 Projektuppgift, krav genomförandet Grupp om 2 personer var Simulering av delsystem innan layout Stegvis montering och testning Skriftlig teknisk rapport 5

6 Systemöversikt Insignal stereo, linjenivå Justering volym, balans, bas, diskant, loudness av/på HP-filter för resp vänster- och höger kanal Mixer för att blanda vänster och höger kanal till sub-bas LP-filter för sub-bas (< 100 Hz??) Filtrering (equalizer) för sub-bas trimma förstärkning och möjlighet att vända fas 6

7 Egna möjliga extra finesser Förbered plats för kontakter (signal in och ut alternativ väg) Lägg till annan signalhantering Filtrering Justering gränsfrekvenser Möjliggör extern styrning Acceptera varierande spänningsmatning Förberedd plats på PCB kostar inget (storlek dock begränsad) Komponenter för finesser ingår inte i projektet 7

8 Hur fungerar högtalaren? För att få samma amplitud för alla frekvenser ljudmässigt måste högtalarens egenskaper korrigeras För att kunna justera egenskaperna måste egenskaperna bestämmas. Beror av högtalarens interna konstruktion Beror på hur högtalaren monterats 8

9 Högtalarelementet Permanentmagnet [1] (ringformad) Membran [4] anslutet till en spole [2] (ofta kallad talspole), upphängt med centreringsanordningar [3] (vanligen cirkulär) 9

10 Elektrisk kraft till mekanisk F=Bli Kraft F, magnetfält B, trådlängd i spole (talspole) l, ström i 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 10

11 Mekanisk modell av högtalaren Kraften från spolen flyttar en massa (spole + kon) upphängd i en fjäder (upphängning), tillsammans med en dämpning 11

12 Egenskaper för olika frekvensområden (fix amplitud på insignal), låga frekvenser Notera skalorna är logaritmiska Fjädern har mest inverkan Konstant amplitud (oberoende av frekvens) Ökande hastighet och acceleration 12

13 Egenskaper för olika frekvensområden (fix amplitud på insignal), höga frekvenser Massan har mest inverkan Konstant acceleration (f = m a) Högre frekvens => lägre amplitud och amplitud Minskar 6 db/oktav 13

14 Egenskaper för olika frekvensområden (fix amplitud på insignal), runt resonans Vid övergång mellan höga och låga frekvenser Resonans (krafterna samverkar) om inte dämpad Fjäderkraft och massans tröghet i samma storleksordning Resonansamplitud beskrivs med Q-faktorn (0.6 respektive 2 i figurerna nedan) 14

15 Dämpning Möjligt dämpa rörelsen både mekaniskt och elektriskt Spolens rörelse generar spänning som vill motverka rörelsen Spänning över spolen U=Blv, (magnetfält, spoltrådslängd, hastighet) 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 15

16 Motsvarande elektrisk modell Översätt massa till kapacitans, fjäder till induktans, kraft till spänning Impedans stämmer med riktig högtalares beteende! Går bygga högtalarsimulator Bra för att slippa förstöra hörsel och dyra högtalare! 16

17 Exempel på högtalarkarakteristik 15 cm diameter, 8 ohm högtalare, mellanregister 100 Hz 6 khz frekvensomfång 17

18 Resonans och Q-faktor Q-faktor anger hur hög toppen blir vid resonansfrekvensen Q = 1 ger liten översväng Q = 0.5 gör att signalen försvinner tidigt Bra val run

19 Effekten av att placera högtalare i en låda Flertal parametrar att välja när högtalaren monteras i låda Lådans storlek 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 19

20 Exempel sluten låda Känd också som Oändlig baffel, tryckkammarhögtalare, acoustic suspension Lådan förhindrar samverkan mellan fram och baksida av högtalarelementet 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) 20

21 Kombinationer av högtalarplacering och nedre gränsfrekvens Likadana högtalarelement i alla tre fallen Alla tre lådor får samma frekvensgång Fjädring och massa samverkar Olika krav på volym 21

22 Sluten låda med öppning Basreflexlåda Öppning ofta i form av ett eller flera rör 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) 22

23 Modell av basreflexlåda Luftpelare och luftvolym bildar massa + fjäder med låg resonansfrekvens (jämfört med elementets resonansfrekvens) Möjliggör lägre frekvenser från lådan Känsligare dimensionering (resonansen bör dämpas, frekvens placeras rätt) 23

24 Elektrisk modell av sluten låda (mer detaljerad) Källa: Värden gäller Thor, inte högtalaren i labbet 24

25 Förenklad modell av högtalaren Antag Rs << Re Ignorera Rs wle << Re Ignorera Le 1/(wMma) >> Rma Ingorera Rma Mma << Mms Ignorera Mma Hastighet ~ V2 Ger ljudtryck 25

26 Val av storlek på högtalare Låg frekvens => Stor luftvolym att flytta långt Stor volym => stor diameter Stor diameter => stor massa Stor massa => lägre gränsfrekvens Kan inte välja en högtalare som ger bra prestanda i alla frekvensområden Flerelements högtalare lämpliga Kräver då istället delningsfilter och matchning Inte inkluderat i detta projekt Antar de två stereohögtalarna inte behöver equalizer 26

27 Exempel på högtalarkarakteristik (12 bashögtalare) Dålig återgivning vid låga och höga frekvenser (< 70 Hz, > 3 khz) 27

28 Thor subbashögtalare Exempel på design och beräkningar Lådan i labbet skiljer sig lite mot Thor Annat högtalarelement Peerless SLS Annan volym 40 liter 28

29 Monterad bashögtalare i sluten låda Motsvarar subbashögtalaren Thor från linkwitzlab Annat element än på webbsidan, liknande låda Ta hänsyns till lådans egenskaper när elektrisk modell över högtalaren beräknas 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) 29

30 Equalizer design Högtalarens egenskaper Fb > 50 Hz, Qt > 1 Vill få bättre bas i totala drivsteget Fp = 20 Hz, Qp = 0.7 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 30

31 Övergång mellan subbas och stereo Gräns mellan de två överlappar I gränsfrekvensen bidrar alla tre högtalarna till ljudet Övergång mellan signalerna (LP respektive HP) måste vara 6 db Ljudtryck från två stereohögtalare läggs ihop, med dubbel högtalaryta Effekt proportionellt mod ytan i kvadrat 31

32 Andra filterstrukturer Fler strukturer som kan vara användbara hittas enklast på Bra struktur för lågpass och högpass filter 2:a ordningens aktiva RC-filter 32

33 Blanda två kanaler Vänster och höger kanal delar samma subbas Signaler från höger och vänster måste läggas ihop Byggs som adderande inverterande krets, som även kan filtrera bort allt för låga frekvenser (< 10 Hz) Kan även lägga till justering av förstärkning Justerbar resistans i återkopplingen 33

34 Vända fas Bygel väljer 0 eller 180 grader fasvridning Vill inte behöva bygla om många olika signaler Lösning: blanda inverterande och icke-inverterande förstärkare Låt inverterande förstärkare jämföra (Uut-Uin)/2 mot 0V (enkel inverterande förstärkare) Icke-inverterande genom att låta jämförelsen följa insignalen Insignal ~ referens => ingen ström genom återkoppling => utsignalen följer insignalen Räcker med en två-pinnars bygel/switch! 34

35 Hur hantera volym, balans, bas, diskant Går att bygga diskret hantering av respektive funktion Komplicerat Dyrt (många komponenter) Standardfunktion Finns färdiga kretslösningar Här: LM1036 Styr volym, balans, bas, diskant mha DC spänning Generera DC-spänning mha potentiometrar 35

36 Definition av känslighet Insignalen måste vara lagom För stor insignal genererar klippning Kan förstöras i signalvägen innan den når volymkontrollen För liten signal klarar inte generera tillräckligt stor utsignal 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 Ingångskänslighet för förstärkaren = inspänning som ger utsignal av maximal amplitud (utan klippning) 36

37 Vanliga känslighetnivåer på ljudkällor Line-in / line-out 1.228VRMS för professionell utrustning +4 dbu (1 dbu = VDC motsvarande 1 mw över 600 ohm = VRMS) VRMS för konsumentutrustning (topp på ca 2 Vpeaktopeak) -10 dbv (1 dbv = 1 VRMS = 1 mw över 1 kohm) Inimpedans ~ 10 kohm Utimpedans ~ ohm Skivspelare 3.5 mv Mikrofon Varierar mycket beroende på typ (1.5 mv - 70 mv) Kräver ofta högimpendiv ingång (500 kohm eller mer) 37

38 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

39 Resurser för val av komponenter se.farnell.com Bra att leta komponenter och datablad Inköp görs från dom (pga statliga upphandlingsregler) Mycket mer information kan ofta fås från respektive tillverkare Datablad Spicemodeller Bibliotek för PCB layout Standardkretsar finns att föreslå TL081, 7815, OP07,