【HIFIDIY 第十二届DIY大赛参赛作品】Love&Future双30W数字纯后级功放·下

来源:bbs.hifidiy.net 发布者:edithli 版权:原创

从决定参加论坛大赛,到设计,再到制作,现在开声了,感觉自己收获了很多!项目开始前,原以为数字功放芯片的编程可能会比较棘手,不过现在知道了,只要认真看官方Data sheet,多尝试,就没那么难!

【接上文】我选择首先焊接数字功放芯片,因为数字功放芯片焊接的成功与否,直接决定了整板的成败。

在手工焊接中,数字功放芯片是相对较难的,因为它管脚密集,焊盘较小。对此,我采用堆锡震板加锡线拖拽的工艺处理,这一方法利用原理是焊锡表面张力特性、焊盘与阻焊层沾粘性差异。实际效果不错,大家请看~~

芯片焊接

数字功放芯片焊接细部图

这次焊板,器件比较小,空间也比较有限,焊起来还是会辛苦点儿,好在器件也不多,用了一天多的时间贴好了第一张板。硬件调试也还比较顺利。有点辛苦,也有点开心。具体焊接过程和硬件电路的调试,由于不是本作品主要难点,限于篇幅,就不予赘述了。

PCB板贴板完工

五、PCB板贴板与硬件调试。

硬件调试包括电源部分、时钟部分、模拟输入、ADC电路调试。

①电源部分——主稳压电源输出电压调整在24V,+5VOSC的电压调整在5.2V,

②时钟信号——MCLK的频率实测24.5762MHz,见图53;

③模拟输入电路部分——运放输出直流电压为供电电压一半(约2.6V),而且在PCB板的L\R输入端输入模拟信号时运放输出端有正常的信号输出,幅度约为输入信号的四分之一(约-12dB)。

④ADC芯片的I2S信号——如下图54、图55、图56所示,各信号频率都是正确的,而且DATA管脚有不断变化的信号出来,由此看来ADC部分也基本正常工作。

左图:时钟信号MCLK;右图:位时钟信号BCK

左图:左右串行时钟信号LRCK;右图:数据信号DATA
六、软件调试

经过一天多,对数字功放初始化软件的研究和努力,输出功放从最开始的上电完全不热、输出端没有反应,到现在,上电后芯片微微发热,并且用示波器测到了输出端的波形。虽然,还不确定这个波形(图58、图59)是不是正确的,但能够肯定的是:我写的初始化代码,是起作用了滴。

下面展示部分源程序:

初始化源程序

配置下列寄存器,它们所对应的功能如下表,具体设置的数值与功能请见源程序注释:

ConfA——配置寄存器A,设定数字信号输入采样率

ConfB——配置寄存器B,设定数字信号输格式

ConfC——配置寄存器C,设定输出级工作模式和补偿参数

ConfD——配置寄存器D,设定DSP工作模式

ConfE——配置寄存器E,设定其他配置参数

ConfF——配置寄存器F,设定输出桥工作方式和芯片电源控制

Auto1——音频预置寄存器1,设定limiter(限辐器)

Mvol——主音量寄存器,设定主音量增益

从下图左可以看出,开关频率约为384KHz。下图右是图左的细节展开,可以看出,波形的上升下降沿良好,说明PCB板布局走线效果不错。

图左:功放功率输出脚波形图1;图右:功放功率输出脚波形图2

初始化代码已经正确地控制了功放芯片,并且满足了作品的设计要求,能够正常工作啦!

搭建了简易的听音系统:笔记本电脑HD板载声卡,不用前级直接输入信号给本后级板;音箱是博良时代1号;播放软件是foobar2000v1.3.10。聆听了一定范围的音乐作品,包括人声、民乐、器乐、交响等,初步的印象是声音比较平衡,细节和声场层次比较好,不过,目前可能稍微有点紧、放不开的感觉,接下来,对软硬件优化和煲练一番之后,会有可期的改善。

开声是又一个重要的节点。值得庆祝,给自己鼓掌喝彩。在这里,给自己做一个小小的期中小结。

从决定参加论坛大赛,到设计,再到制作,现在开声了,感觉自己收获了很多!回顾到现在参赛的这段时间,“积跬步以至千里”,一步一步地走,一楼一楼地建设,虽然还称不上浩大艰巨,自己却是倾注了饱满的热情和精力。无论是作品规划还是具体设计,无论是理论积累、实际制作还是论坛发帖,都尽自己的所能扎扎实实,一步一个脚印地努力完成好。

I Believe,我的作品会带来美好的声音滴,就如它的名字,love & future。

数字后级功放

现在制作完成度已经过半,机箱和脚钉也早就到了。剩下的工作,首先是软件调试优化——主要是功能上的,比如开关机防冲击、各种保护功能的实现和状态检测,还有音频性能优化等。接着,就依次进行装机、老化、测试、听音、微调。

清代彭端淑《为学》开篇:"天下事有难易乎?为之,则难者亦易矣;不为,则易者亦难矣。人之为学有难易乎?学之,则难者亦易矣;不学,则易者亦难矣。——这也是此次参赛的重要收获。

项目开始前,原以为数字功放芯片的编程可能会比较棘手,不过现在知道了,只要认真看官方Data sheet,多尝试,就没那么难,反而感觉简单了——比如这次作品设计的功能,通过配置芯片几个寄存器就轻松实现,其他暂时用不到的复杂深度功能,使用芯片默认值就可以,编程上不用去管他们。

现在预想中最难的一部分已经解决,接下来的路可能就会平坦宽阔很多,再接再厉。

七、装机、老化、试听

机箱尺寸:

外:宽215mm,高70mm,深228mm;内:宽203.5mm,高63mm,深217mm。

数字后级功放

主要步骤:摆位及打孔——变压器改造与安装——焊线与完成——假负载,整机老化。限于篇幅,有些未用图片专门展示的细节优化,在此只简单介绍:

1、电源输入线分别套了两只抗干扰磁环,进一步降低电源线上的EMI干扰;

2、电源线中,地线特别地选择接机壳处理,而非与功率地、信号地相连;

3、功放输出线套磁环,进一步加强射频信号的共模抑制能力;

4、整机设计紧凑,所有电路都在一块PCB板实现,信号从输入端子到输出端子走过的路径总长度不超过22cm。保持信号路径最短,最大程度地保证了信号纯净,不受外界污染;

5、分享一个钻孔的小技巧,钻孔时在铝板下垫一张白纸,可以避免铝屑划伤板材表面。

数字后级功放

经过几天老化、测试,再测功放输出实测波形,波形不错,我是通过信号发生器输出不同频率和幅度的信号,将其接入功放,实测的功放输出波形图。测试时带8Ω假负载电阻。
我搭建了一个简易测试系统——创新1212M声卡(1212M的0dBFS对应模拟输入幅度约为2Vrms)、软件AudioTester、自制连接线。经过实测,发两张频谱图,一张是1KHz频率小信号FFT幅度约1.4Vrms,一张是无信号本底噪声FFT,与大家交流。

由于数字功放输出直接输入进声卡输入端,带外的高频分量肯定会对测量产生影响,再加上软件设置本身也没有严格校准,所以以下曲线数据只做定性参考,用于找找毛病,并不把其中数值看做绝对参数来评估本作品性能。本地测试资源已联系好了,静待后续我要用音频分析仪进行详细的性能测试。

数字后级功放

1KHz频率小信号FFT

从上图可看出:

1、工频噪声及其谐波对音频信号产生的调制比较小;

2、谐波失真奇次大于偶次,典型的桥式输出级特征,并且所有次数的谐波失真均在-65dB以下;

3、蓝色曲线代表的放大器通道没有输入信号,可得1kHz时的crosstalk串扰优于-85dB;

从下图可看出:

数字后级功放

无信号本底噪声FFT

1、本底比较平坦,未见异常干扰泄露;

2、粗略按本作品额定输出功率换算,本底基线大概在-125dB左右。

把输出电感换成了其他形式的,用实测数据比较,与最先选择的一体成型贴片功率电感相比,红环功率电感体积较大。

数字后级功放

数字后级功放

红环功率电感的1KHz频率小信号FFT

除了两个通道都输入了测试信号以外,其他测试条件与上一楼相同。

通过与楼上的测试曲线相比,初步得到:开森的结果~~

1.失真幅度变小,各自谐波失真均有接近6dB的可观滴改善。

2.谐波失真各成分的比例发生变化,偶次谐波失真变大,奇次谐波失真变小,而THD数值改善。

3.本底噪声基线下降,尤其是中高频部分8k以上改善10个dB左右。

数字后级功放

整机简明操作指南:

电源总开关在机器左后方,与电源插座为一体结构。并且开关带有灯光指示,用来指示通电状态。

打开电源总开关以后,开关指示灯亮起,整机开始上电初始化。

此时前面板右下方的双色LED指示灯开始进行红色呼吸闪烁,表明软件正在加载初始化代码(包括上电防冲击),呼吸闪烁3次以后(总时长约3s)若初始化成功,指示灯变为绿色常亮,表明放大器系统进入正常运行状态,放大器可以正常使用了;如果初始化不成功,变为红色常亮表明初始化故障并低功耗待机。

关闭电源时,开关指示灯立即熄灭,前面板双色LED指示灯变为红色常亮,用来指示系统已确认掉电事件,并实现掉电防冲击等功能,最后整机进入低功耗待机状态,约3秒钟后PCB上储能电容存储电能耗尽,红灯自动熄灭。

本作品设计亮点小结 ~~~技术的功能的操作的,看得见的看不见的听得见的,用心的贴心的。

数字后级功放

1.输入RF滤波:针对当下复杂电磁干扰环境进行的电路设计,可将外界干扰的注入降到最低,使机器内部设计和素质得以真实呈现。

2.DRC功能:显着改善放大器动态性能,并保护扬声器单元。这个功能非常重要,芯片上也集成了,但如果是模拟功放来做要加硬件,比较麻烦,因此一般的DIY作品少见~~edithli特别奉献~~DRC limiter功能建议成为功放的标配。

3.完善的保护机制:设计了对过压、短路、温度、初始化失败的保护,有效地提高作品整机的可靠性和稳定性。

4.低切设计:40Hz转折频率,切除过低频率的信号,保证更有效地放大。

5.MCU主控:提供了良好的可扩展性,去实现更多功能。

数字后级功放

6.双色LED灯:设置成呼吸显示,温和、方便、直观显示机器工作状态。(详述在63楼"整机简明操作指南")

7.小型化设计:PCB板尺寸170mmx73mm,单一PCB实现全部电路,走线最短,数模混合电路,EMC处理更高性能。机箱尺寸外-宽215mm*高70mm*深228mm,内-宽203.5mm*高63mm*深217mm,小轻巧,lovely~

数字后级功放

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