Utjevnet hodetelefonforsterker for hørselshemmede: 10 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Mine behov

For noen måneder siden ble jeg utstyrt med høreapparater for å kompensere for tap av følsomhet for høye frekvenser, noe som forårsaket at lydene ble dempet og problemer med å skille sybillants (f.eks. "S" og "F"). Men hjelpemidlene gir ingen fordel ved bruk av hodetelefoner siden mikrofonene er bak øret. Etter å ha eksperimentert med en induksjonshalsløkke og direkte inngang til høreapparatene mine (ingen av dem ga tilfredsstillende resultater) kom jeg på ideen om en hodetelefonforsterker med en justerbar frekvensrespons designet for å matche høreapparatene mine.

Hvis du har andre krav til utjevning, kan dette prosjektet enkelt tilpasses. Det gir boost (eller kutt, med en triviell modifikasjon) ved 3 senterfrekvenser. Imidlertid kan den utvides til flere frekvensbånd.

Resultatet

Det jeg endte opp med var en fin liten 6 cm firkantet eske med 3,5 mm jack og Bluetooth -innganger og en 3,5 mm jack hodetelefonutgang. Jeg syntes forbedringen i lytteopplevelsen for musikk var spektakulær, og en stor forbedring for tale.

Hva denne instruksen vil gi deg

La meg først si at dette ikke er et nybegynnerprosjekt. Du trenger et rimelig nivå av loddeferdigheter, og hvis du vil endre det (som du kanskje vil) må du lære Eagle for brettoppsettet og TinkerCAD for den 3D-trykte boksen. Begge tok meg litt tid å mestre, men ingen av dem var vanskelige. Jeg forventer at folk lærer noe av instruksjonene mine (med mindre du allerede vet mer enn jeg gjør), ikke bare blindt følger instruksjonene.

Hvis du aldri har loddet overflatemonterte komponenter, ikke bli skremt - det er ikke så vanskelig som du kanskje tror. Se denne veiledningen for en introduksjon.

Det du får fra dette prosjektet er:

• Eagle designfiler (skjematisk og tavleoppsett)
• Et Excel -regneark som inneholder designligningene, slik at du kan tilpasse utjevningen til dine behov
• TinkerCAD -designet for 3D -trykt eske.

Siden minimumsordren for det egendefinerte kretskortet var 5 stykker, har jeg 3 blanke plater som går ekstra (ett solgt). Disse er nå til salgs på eBay - se

Trinn 1: Designprosessen: Krav og strategi

Da jeg begynte å tenke på dette prosjektet, var et av de første spørsmålene jeg tenkte på om jeg skulle bruke analoge eller digitale filtre. I en tråd på forumet All About Circuits varslet Keith Walker meg om en veldig billig (analog) grafisk equalizer fra Fjernøsten (illustrert ovenfor) som han hadde brukt for å løse det samme problemet. Så jeg bestilte en som et bevis på konseptet.

Det fungerte bra, men var for klumpete for bærbar bruk, og trengte både positive og negative strømskinner, en ekstra ulempe. Men det bekreftet tilnærmingen og typen filterkretser som skal brukes.

Jeg avgrenset kravene mine til følgende:

• Den må være kompakt, bærbar og drives av et oppladbart batteri.
• Den bør godta inngang fra enten en 3,5 mm jack eller Bluetooth.
• Den må ha separate venstre og høyre stereokanaler.

Jeg har brukt konvensjonelle gjennomgående hullkomponenter og 0,3 DIL ICer på stripboard i mange tidligere prosjekter, men dette ville ha gjort det for omfangsrikt. Så jeg bestemte meg for at jeg måtte designe en tilpasset PCB (en ny opplevelse for meg) med overflate montere komponenter (som jeg har en beskjeden erfaring). Jeg må også designe en 3D-trykt eske (min 3D-designerfaring var veldig begrenset).

En Bluetooth -funksjon ville være lett å legge til ved hjelp av noen av de forskjellige billige Bluetooth -modulene som er tilgjengelige.

Det er 2 eller 3 dedikerte grafiske utjevnings -ICer som jeg så på, men bruk av billige quad opamps virket til slutt enklere og krevde bare så mange eksterne komponenter.

Trinn 2: Detaljert design

Det grunnleggende kretselementet jeg brukte er kjent som en gyrator. Den bruker en operasjonsforsterker for å gjøre en kondensator til en virtuell induktor. Denne, og en kondensator til, lager en avstemt sirkel som gir enten kutt eller boost over et bestemt frekvensområde. Svært mange grafiske equalizer -design bruker et praktisk talt identisk design, og det er ingen vits i å gå fra det. De er eksemplifisert av denne fra Electronics Today International september 1977 side 27. Denne artikkelen forklarer veldig tydelig hvordan kretsen fungerer.

Jeg endret den bare ved å bruke quad opamps som ville kjøre fra en enkelt 5V forsyning, og ved å legge til en hodetelefonforsterker IC for å sikre at den ville tilstrekkelig drive hodetelefoner. Jeg byttet også ut hvert potensiometer med et potensiometer og en motstand for bare å gi boost og finere kontroll, siden jeg ikke trengte kutt.

Skjematisk og tavleoppsett (begge generert ved hjelp av Eagle) er vist ovenfor.

En flott egenskap ved Eagle er at den inkluderer Spice -kretssimuleringspakken, noe som gjør det mulig å validere designet og å forutsi frekvensresponsen før man forplikter seg til produksjon av kretskortet.

Brettet har 2 innganger, en 3,5 mm jackkontakt og loddeputer for tilkobling av en Bluetooth -mottakermodul. Disse er effektivt parallelt. Strøm kan leveres enten via en mini-USB-kontakt eller loddeputer. Jeg brukte mini i stedet for mikro-USB siden en mikro-USB-kontakt ville være ganske vanskelig å håndlodde, og er også mindre robust.

Trinn 3: Eagle Install og konfigurering

Hvis du vil sende brettdesignet for produksjon, må du endre oppsettet eller bare endre responskurven du trenger for å installere Eagle. Hvis du (som meg da jeg startet dette prosjektet) ikke er kjent med det, har SparkFun -nettstedet en rekke nyttige opplæringsprogrammer på

Den første å se på er Hvordan installere og sette opp Eagle.

Dette inkluderer installering av SparkFun -bibliotekene. Den nedlastede zip-filen inneholder en mappe SparkFun-Eagle-Libraries-master som du bør kopiere til EAGLE / libraries

Du må også importere mine Eagle -skjematiske filer og brettlayoutfiler og Spice -modellene mine. (Spice er kretssimuleringsprogramvaren som lar oss simulere forsterkerens frekvensrespons.)

Disse er alle inkludert i en zip -fil som du kan laste ned fra

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Åpne zip -filen, og dra og slipp prosjektene og kryddermappene i EAGLE -mappen. (Den vil allerede inneholde en tom prosjektmappe.)

Du bør nå være klar til å lansere Eagle.

I ruten til venstre åpner du Prosjekter, deretter prosjekter, deretter Equalized Headphone Amp.

Dobbeltklikk på filene Headphone_Amp.brd og Headphone_Amp.sch. Disse åpnes i separate vinduer, det første viser brettoppsettet og det andre skjematisk.

Finn og klikk på Simuler -knappen på skjematikken.

Dette åpner simuleringsoppsettet. Klikk på alternativknappen AC Sweep, sett Type til Dec (standard) og Start og Slutt Freq til henholdsvis 100 og 10000. Klikk på Simuler -knappen nederst til høyre. Etter en pause skal en graf over frekvensresponsen vises, akkurat som vist i neste trinn.

Trinn 4: Tilpasse responskurven

Ørene dine vil sannsynligvis være annerledes enn mine, så først og fremst trenger du en kopi av audiogrammet ditt. Din audiolog bør kunne gi deg dette, men hvis du har et par gode hodetelefoner, kan du lage dine egne ved å gå til

Dette bør gi deg en god ide om hvor mye boost du trenger ved forskjellige frekvenser. I mitt tilfelle øker hørselstapet raskt over 3 kHz, noe som gjør det umulig å kompensere mye over det. Uansett indikerte noen få eksperimenter som analyserte spekteret av forskjellige kilder med Audacity at det sannsynligvis ikke var mye over det for meg å mangle.

Slik det ser ut, lar prosjektet deg justere frekvensresponsen ved 3 senterfrekvenser på 1,5, 2,3 og 3,3 kHz, uavhengig mellom venstre og høyre kanal. Du kan holde deg til disse frekvensene, eller endre dem (se neste trinn).

I EAGLE / spice -mappen finner du modeller for de tre trimpottene POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl og POT_VR131.mdl. Disse styrer responsen ved de 3 frekvensene. Åpne noen av disse med et tekstredigeringsprogram (f.eks. Notisblokk) vil se en linje som:

.parameter VAR = 50

Endre tallet til alt mellom 0 og 100 for å representere posisjonen til den korresponderende trimpoten og dermed økningen ved denne frekvensen til alt fra null til maksimum.

Kjør nå simuleringen på nytt (klikk på Oppdater nettliste før du klikker på Simuler) for å se hvordan frekvensresponsen nå ser ut.

Trinn 5: Endre senterfrekvensene

I Eagle Project -mappen har jeg inkludert et Excel -regneark Calc.xlsx. Åpne dette med Excel (eller hvis du ikke har Excel, LibreOffice Calc, som er gratis). Dette regnearket inneholder designberegningene for bare en av de tre filterseksjonene.

Den første boksen lar deg beregne senterfrekvensen og Q -faktoren for gitte verdier på R1, R2, C1 og C2. (Q- eller kvalitetsfaktoren bestemmer bredden på båndet. En høyere verdi gir et smalere bånd og mer boost. Verdier rundt 4 ser ut til å fungere godt hvis hver frekvens er omtrent 50% større enn den forrige.)

Faktisk er det mer sannsynlig at du vil velge frekvensene og beregne komponentverdiene. Gitt en ønsket frekvens og tre av de fire komponentverdiene, lar den andre boksen deg beregne den fjerde komponentverdien.

Komponenter kommer i foretrukket verdi (for eksempel E12 -serien), så du kan velge den nærmeste foretrukne verdien til den beregnede verdien og mate denne tilbake i den første boksen for å se hvilken faktisk frekvens som gir.

Du må deretter koble verdiene dine til Eagle -skjemaet og gjenta simuleringen.

Få frem skjematikken, og klikk på komponentverdiikonet i panelet til venstre, klikk deretter på komponenten du vil endre. (Simuleringen er konfigurert for å fungere bare på den nedre eller venstre kanalen.) Du får en advarsel om at komponenten ikke har noen brukerdefinierbar verdi. Vil du endre det? Selvfølgelig gjør du det! Skriv inn den nye verdien i boksen som dukker opp.

Klikk på Simuler -knappen, klikk på Oppdater nettliste og deretter Simuler.

Trinn 6: Komponenter påkrevd

Du trenger selvfølgelig et kretskort. Med mindre du bruker et av mine reserveplater, må du sende Eagle -filene for produksjon. De fleste produsenter krever designet som et sett med gerber -filer. I stedet for å kopiere instruksjonene her, kan du søke på nettet etter Eagle -eksportgerber eller referere til Sparkfun -opplæringen.

Separate gerber -filer beskriver kobberlagene, loddemasken, silketrykket, boringen og fresingen av tavlen.

Ved å sende filene på nettet til en produsent, vil den validere dem og varsle deg om viktige filer mangler. Men det vil ikke varsle deg om en silkeskjermfil mangler, noe som var min feil. Dette er atskilt fra enhetens konturer.

Du trenger følgende komponenter for å fylle ut brettet.

• TL084 SOIC -14 quad op amp - 2 off
• LM4880M SOIC 250mW effektforsterker - 1 av
• 0603 SMD -motstandssortiment
• 0603 SMD keramisk kondensatorsortiment 100pF - 1μF
• 5K Trimpotte 3362P -502 - 6 av
• 10uF 16V SMD 0805 Flerskikts keramisk flerlagskondensator - 4 av
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantalkondensator - 2 av
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantalkondensator - 2 av
• Mini USB kvinnelig 5-pinners SMD-kontakt
• 3,5 mm stereo -lydkontakt for gjennomgående PCB -montering - 2 av
• 3 mm blå LED (eller ditt valg av farge)

For en komplett batteridrevet enhet med Bluetooth-inngang trenger du i tillegg:

• Bluetooth -mottakermodul som støtter A2DP, for eksempel denne
• LiPo batteri: 503035 3.7V 500mAhr
• TP4056 LiPo-lader med mini-USB-inngang (eller microUSB hvis du foretrekker det) som denne
• 3V - 5V boost -omformer som denne
• Mini SPDT skyvebryter

NB LiPo -laderen er sannsynligvis innstilt for en 1A ladestrøm, som er for mye for et 500mAhr batteri. Det er viktig at du fjerner programmeringsmotstanden for ladningshastigheten (normalt 1,2K koblet til pin 2 på TP4056 -brikken) og erstatter den med en på 3,3k.

Jeg brukte et LiPo-batteri med ledning, men et med en miniatyr JST-kontakt ville bare tillate at den ble koblet til etter at den var koblet til og dobbeltsjekket alt annet, i tillegg til at det ble lettere å bytte.

En Bluetooth -modul som vil kjøre på enten 3.3V eller 5V er å foretrekke, da den kan ta strømforsyningen direkte fra batteriet, noe som reduserer digital støy fra 5V -forsyningen til hovedkortet.

Hvis du velger en Bluetooth -modul som støtter AVRCP så vel som A2DP, kan du legge til trykknapper for volum opp/ned og neste/forrige spor.

Mange Bluetooth -moduler har en overflatemonteret LED for å indikere tilkoblingstilstanden, og TP4056 -laderen har røde og grønne overflatemonterte lysdioder for å indikere ladetilstanden. En eske som den jeg laget vil sannsynligvis skjule disse, slik at de kan erstattes (se senere) av:

• 3 mm blå LED
• 3 mm rød/grønn felles anode LED.

Trinn 7: Bruke en Prototype Bare Board

Hvis du har skaffet deg et av mine ekstra prototypebrett, er det bare noen få mindre feil du må være oppmerksom på.

• Det er ingen silkeskjerm på toppen av brettet. Du vil synes det er nyttig å ha en trykt kopi av brettoppsettet tilgjengelig når du fyller den ut.
• Et par vias var ment å koble topp- og bunnplanet som ikke gjør det. Dette er uten betydning.
• C3 var opprinnelig 100uF, i en pakke på 2917. Denne verdien var altfor stor og er nå 1uF 0603. Du må skrape bort litt av loddemotstanden fra bakken for å passe til dette, som vist på bildet.

Gevinsten er satt av verdiene til motstandene R106 og R206. 22k gir omtrent enhetsgevinst. Siden du kanskje vil eksperimentere med forskjellige verdier, ga jeg både 0603 SMD-motstandsplater og hull på 0,3 stigning for motstander med ende.

Trinn 8: Boksing

Du finner det 3D-utskrivbare designet for esken jeg brukte på tinkercad.com. Klaringen var litt for stram, så jeg har økt lengden og bredden på esken med 1 mm.

Bunnen av esken inneholder rom for batteriet, laderen, 5V boost -omformeren og Bluetooth -modulen. Hodetelefonforsterkerkortet passer på toppen. Lokket beholdes av to M2x5mm selvskruende skruer.

Identiske ladere og 5V boost -moduler er allment tilgjengelige, men det er mange forskjellige Bluetooth -moduler. Hvis noen av disse er forskjellige fra mine, må du endre boksens design.

Når de er på plass, kan du beholde modulene lett med smeltelim.

Trinn 9: Koble den til

For testformål festet jeg alle modulene til et stykke papp med blu-tac. Fra dette fant jeg ut at ruting av jordforbindelsene var kritisk. Bakken fra Bluetooth -modulen må tas til hodetelefonforsterkeren sammen med let og høyre kanaler, men da må jordforbindelsen fra fordelerkortet gå til Bluetooth -modulen, ikke hodetelefonforsterkeren, ellers får du mye digital støy fra Bluetooth -modulen i utgangen.

Jeg monterte av/på -bryteren på et lite stykke stripboard, 6 strimler bredt med 5 langt og med en 2x4 cutout for bryteren. Dette fungerer også som et kraftfordelingsbord. Da den var ferdig kablet, limte jeg bryteren på plass (med tavlen festet) ved hjelp av epoxylim. Hvis jeg skulle gjøre prosjektet på nytt, ville jeg sørget for bryteren på hodetelefonforsterkerkortet.

Du trenger ganske tynn strandet ledning for å koble den til, så jeg delte en lengde med regnbue -båndkabel, noe som ga meg individuelle ledninger i forskjellige farger. Normalt ville du føre ledningene gjennom et hull i et brett og lodde det på den andre siden, men med de forskjellige modulene på plass i bunnen av esken måtte jeg lodde til samme side av brettet som ledningen kom inn fra, med bare litt mer isolasjon fjernet enn ellers ville vært nødvendig. Jeg måtte montere stripboard -kobbersiden opp og lodde tilkoblingene til den på samme måte.

Jeg ville at lysdiodene på laderen og Bluetooth-modulene skulle være synlige, så jeg fjernet de innebygde SMD-lysdiodene og koblet putene til 3 mm lysdioder. Jeg boret hull i esken for disse siden jeg ikke hadde tillatt dem i min 3D -trykte boks. Jeg koblet dem til loddetinnene på modulene med loddbar emaljert tråd. Dette er belagt i selvflytende polyuretan som smelter under varmen av et loddejern.

For ladermodulen brukte jeg en rød/grønn felles anode -LED. Den vanlige anoden må være koblet til en av SMD LED -putene nærmest kanten av brettet (som du kan bekrefte med et multimeter). Hvis Bluetooth -modulen har en SMD LED, må du bestemme polariteten med et multimeter. Noen moduler har tilkoblinger for ekstern LED.

Før jeg satte hodetelefonforsterkeren inn i boksen over de andre modulene, fant jeg det nødvendig å plassere små biter av PVC-tape på toppen av to elektrolytiske kondensatorer på Bluetooth-modulen og på mini-USB-ladekontakten for å forhindre shorts med undersiden av hodetelefonforsterkeren.

Trinn 10: Forbedringer

Hvis jeg ønsket å gjøre dette til et produkt, er det utvilsomt ting jeg ville endre, men etter å ha laget meg en gadget som tjener mitt formål, går jeg videre til andre prosjekter.

Kretsen:

• En bipolar strømforsyning kan ha vært bedre. Siden strømmen fra opampene er liten, ville en kapasitiv pumpespenningsomformer som MAX660 lett ha gitt den negative forsyningen.
• Med en bipolar forsyning, ville 5V boost -omformeren ikke være nødvendig av op -forsterkere. LM4880 -hodetelefonforsterkeren fungerer på rå utgangsspenning fra et LiPo -batteri, selv om maksimal utgangseffekt reduseres fra 250mW per kanal til rundt 100mW per kanal.

Styret:

• Brettstørrelsen er akkurat det den kom ut av oppsettprosessen, men å presse den ned til en eksakt størrelse som 6x6cm ville ha gjort utformingen av esken litt enklere.
• På samme måte hadde det vært bedre å ha plassert 3,5 mm innganger og utganger på linje og nøyaktig midt på de to sidene. Dette ville også ha forenklet boksedesignet.
• Det hadde vært enkelt å ombord på LiPo-ladekretsen. 3 - 5V boost -omformeren ville ikke være nødvendig med en bipolar forsyning, så du sparer 2 separate moduler.
• Med en enkel TP4056-lader som brukt, kan batteriet lades for mye hvis du prøver å lade det mens enheten er slått på. Litt mer sofistikerte ladere inkluderer en enkel beskyttelseskrets, som det er verdt å inkludere.
• Med modifikasjonene ovenfor kan bryteren deretter monteres på brettet. Metoden for å montere bryteren i den 3D -trykte boksen var ikke ideell.
• En 2 -polet 3 -veis bryter vil tillate at Bluetooth -modulen bare får strøm når det er nødvendig.

Boksen:

• Montering av modulene i 2 lag gjorde monteringen vanskeligere enn den trengte å være, og en tynnere, men større eske kan ha montert en lomme bedre.
• Bryteren slås enkelt på ved et uhell. Det ville vært enkelt å inkludere vakter rundt det i 3D -utskriftsdesignen for å forhindre dette.

Andre applikasjoner:

Hvis du kanskje som en audiofil bare vil ha en utjevnet hodetelefonforsterker som gir både boost og kutt ved en rekke frekvenser, kan du bruke det samme designet.

For å gi både boost og kutt, eliminer R113, R123, R133 og R213, R223, R233 (eller bytt ut med 0Ω resitorer) og bytt ut trimpotene med 10k (glidebrytere hvis du foretrekker det).

Du kan legge til så mange forekomster av gyratorkretsen som du trenger.