Lignende hovedtelefonforstærker til hørehæmmede: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Mine behov

For nogle måneder siden blev jeg udstyret med høreapparater til at kompensere for tab af følsomhed over for høje frekvenser, hvilket fik lydene til at dæmpes og vanskeligheder med at skelne mellem sybillants (f.eks. "S" og "F"). Men hjælpemidlerne giver ingen fordel ved brug af hovedtelefoner, da mikrofonerne er bag øret. Efter at have eksperimenteret med en induktionshalsløkke og direkte input til mine høreapparater (ingen af dem gav tilfredsstillende resultater) kom jeg på ideen om en hovedtelefonforstærker med en justerbar frekvensrespons designet til at passe til mine høreapparater.

Hvis du har et andet krav til udligning, kan dette projekt let tilpasses. Det giver boost (eller cut, med en triviel ændring) ved 3 centerfrekvenser. Det kan dog udvides til flere frekvensbånd.

Resultatet

Det jeg endte med var en pæn lille 6 cm firkantet boks med 3,5 mm stik og Bluetooth -indgange og en 3,5 mm jack hovedtelefonudgang. Jeg fandt forbedringen af lytteoplevelsen for musik at være spektakulær og en stor forbedring for tale.

Hvad denne instruktive vil give dig

Lad mig først sige, at dette ikke er et nybegynderprojekt. Du skal bruge et rimeligt niveau af loddefærdigheder, og hvis du vil ændre det (som du måske godt har gjort), skal du lære Eagle til tavlens layout og TinkerCAD til den 3D-trykte boks. Begge tog mig lidt tid at mestre, men det var heller ikke svært. Jeg forventer, at folk lærer noget af mine instruktioner (medmindre du allerede ved mere end jeg gør), ikke bare blindt følger instruktionerne.

Hvis du aldrig har loddet overflademonterede komponenter, skal du ikke blive afskrækket - det er ikke så svært som du måske tror. Se denne vejledning for en introduktion.

Hvad du får fra dette projekt er:

• Eagle -designfiler (skematisk og boardlayout)
• Et Excel -regneark, der indeholder designligningerne, så du kan tilpasse udligningen til dine behov
• TinkerCAD -designet til den 3D -trykte boks.

Da minimumsordren for det brugerdefinerede printkort var 5 stykker, har jeg 3 bare boards til overs (et solgt). Disse er nu til salg på eBay - se

Trin 1: Designprocessen: Krav og strategi

Da jeg begyndte at tænke på dette projekt, var et af de første spørgsmål i mit sind, om jeg skulle bruge analoge eller digitale filtre. I en tråd på forummet All About Circuits advarede Keith Walker mig om en meget billig (analog) grafisk equalizer fra Fjernøsten (illustreret ovenfor), som han havde brugt til at løse det samme problem. Så jeg bestilte en som et bevis på konceptet.

Det fungerede godt, men var for omfangsrig til bærbar brug og havde brug for både positive og negative strømskinner, en ekstra ulempe. Men det bekræftede tilgangen og typen af filterkredsløb, der skulle bruges.

Jeg forfinerede mine krav til følgende:

• Det skal være kompakt, bærbart og drives af et genopladeligt batteri.
• Det skal acceptere input fra enten et 3,5 mm stik eller Bluetooth.
• Det skal have separate venstre og højre stereokanaler.

Jeg har brugt konventionelle gennemgående huller og 0,3 DIL IC'er på stripboard i mange tidligere projekter, men dette ville have gjort det for omfangsrigt. Så jeg besluttede, at jeg skulle designe et brugerdefineret printkort (en ny oplevelse for mig) ved hjælp af overflade montere komponenter (som jeg har en beskeden erfaring). Jeg ville også skulle designe en 3D-printet boks (min 3D-designoplevelse var meget begrænset).

En Bluetooth -funktion ville være let at tilføje ved hjælp af alle de forskellige billige Bluetooth -moduler, der er tilgængelige.

Der er 2 eller 3 dedikerede grafiske equalizer IC'er, som jeg kiggede på, men brug af billige quad opamps virkede i sidste ende enklere og krævede kun så mange eksterne komponenter.

Trin 2: Detaljeret design

Det grundlæggende kredsløbselement, jeg brugte, er kendt som en gyrator. Den bruger en operationsforstærker til at gøre en kondensator til en virtuel induktor. Denne og endnu en kondensator laver et afstemt kredsløb, der giver enten afskæring eller boost over et bestemt frekvensområde. Rigtig mange grafiske equalizer -designs bruger et praktisk talt identisk design, og der er ingen mening i at afvige fra det. De er eksemplificeret ved denne fra Electronics Today International september 1977 side 27. Denne artikel forklarer meget tydeligt, hvordan kredsløbet fungerer.

Jeg ændrede det kun ved at bruge quad opamps, der ville køre fra en enkelt 5V -forsyning, og ved at tilføje en hovedtelefonforstærker IC for at sikre, at den ville drive hovedtelefoner tilstrækkeligt. Jeg udskiftede også hvert potentiometer med et potentiometer og en modstand for kun at give boost og finere kontrol, da jeg ikke behøvede at skære.

Skematisk og tavlelayout (begge genereret ved hjælp af Eagle) er vist ovenfor.

Et godt træk ved Eagle er, at den inkluderer Spice -kredsløbssimuleringspakken, hvilket gør det muligt at validere designet og forudsige frekvensresponsen, før man går i gang med at fremstille printkortet.

Kortet har 2 indgange, et 3,5 mm jackstik og loddepuder til tilslutning af et Bluetooth -modtagermodul. Disse er effektivt parallelt. Strøm kan leveres enten via et mini-USB-stik eller loddepuder. Jeg brugte mini frem for mikro-USB, da et mikro-USB-stik ville være ret svært at håndlodde og også er mindre robust.

Trin 3: Eagle-installation og opsætning

Hvis du vil sende tavledesignet til fremstilling, skal du ændre layoutet eller blot ændre den responskurve, du skal installere Eagle. Hvis du (som mig da jeg startede dette projekt) ikke kender det, har SparkFun -webstedet en række nyttige tutorials på

Den første man skal se på er Sådan installeres og opsættes Eagle.

Dette inkluderer installation af SparkFun -bibliotekerne. Den downloadede zip-fil indeholder en mappe SparkFun-Eagle-Libraries-master, som du skal kopiere til EAGLE / libraries

Du skal også importere mine Eagle -skematiske filer og bordlayoutfiler og mine Spice -modeller. (Spice er kredsløbssimuleringssoftwaren, der sætter os i stand til at simulere forstærkerens frekvensrespons.)

Disse er alle inkluderet i en zip -fil, som du kan downloade fra

github.com/p-leriche/EqualisedHeadphoneAmp

Åbn zip -filen, og træk og slip projekter og krydderimapper i din EAGLE -mappe. (Den indeholder allerede en tom projektmappe.)

Du skulle nu være klar til at starte Eagle.

I venstre rude skal du åbne Projekter, derefter projekter, derefter Equalized Headphone Amp.

Dobbeltklik på filerne Headphone_Amp.brd og Headphone_Amp.sch. Disse åbnes i separate vinduer, det første viser tavlens layout og det andet skematisk.

Find og klik på knappen Simuler på skematikken.

Dette åbner Simulation -opsætningen. Klik på radioknappen AC Sweep, indstil Type til Dec (standard) og Start- og slutfrekvensen til henholdsvis 100 og 10000. Klik på knappen Simuler nederst til højre. Efter en pause skal der vises en graf over frekvensresponsen, ligesom vist i det næste trin.

Trin 4: Tilpasning af responskurven

Dine ører vil sandsynligvis være forskellige fra mine, så først og fremmest skal du bruge en kopi af dit audiogram. Din audiolog bør kunne give dig dette, men hvis du har et par gode hovedtelefoner, kan du lave dine egne ved at gå til

Dette skulle give dig en god idé om, hvor meget boost du har brug for ved forskellige frekvenser. I mit tilfælde stiger mit høretab hurtigt over 3 kHz, hvilket gør det umuligt at kompensere meget over det. Under alle omstændigheder indikerede et par eksperimenter, der analyserede spektret af forskellige kilder med Audacity, at der sandsynligvis ikke var meget over det for mig at mangle.

Som det ser ud, giver projektet dig mulighed for at justere frekvensresponsen ved 3 centerfrekvenser på 1,5, 2,3 og 3,3 kHz, uafhængigt mellem venstre og højre kanal. Du kan holde fast i disse frekvenser eller ændre dem (se næste trin).

I din EAGLE / spice mappe finder du modeller til de 3 trimpots POT_VR111.mdl, POT_VR121.mdl og POT_VR131.mdl. Disse styrer responsen ved de 3 frekvenser. Hvis du åbner nogen af disse med et tekstredigeringsprogram (f.eks. Notesblok), vises en linje som:

.parameter VAR = 50

Skift tallet til alt mellem 0 og 100 for at repræsentere positionen for den tilsvarende trimpot og dermed boostet ved denne frekvens til alt fra nul til maksimum.

Kør nu simuleringen igen (klik på Opdater netliste, før du klikker på Simuler) for at se, hvordan frekvenssvaret nu ser ud.

Trin 5: Ændring af centerfrekvenserne

I Eagle Project -mappen har jeg inkluderet et Excel -regneark Calc.xlsx. Åbn dette med Excel (eller hvis du ikke har Excel, LibreOffice Calc, som er gratis). Dette regneark inkorporerer designberegningerne for kun et af de 3 filtersektioner.

Den første boks giver dig mulighed for at beregne centerfrekvensen og Q -faktoren for givne værdier på R1, R2, C1 og C2. (Q- eller kvalitetsfaktoren bestemmer bredden af båndet. En højere værdi giver et smallere bånd og mere boost. Værdier omkring 4 ser ud til at fungere godt, hvis hver frekvens er cirka 50% større end den foregående.)

Faktisk er det mere sandsynligt, at du vil vælge frekvenserne og beregne komponentværdierne. I betragtning af en ønsket frekvens og tre af de fire komponentværdier giver den anden boks dig mulighed for at beregne den fjerde komponents værdi.

Komponenter kommer i foretrukken værdi (f.eks. E12 -serien), så du kan vælge den nærmeste foretrukne værdi til den beregnede værdi og tilføre denne tilbage til den første boks for at se, hvilken faktisk frekvens det giver.

Du skal derefter tilslutte dine værdier til Eagle -skematikken og gentage simuleringen.

Få vist skematikken, og klik på komponentværdikonet i panelet til venstre, klik derefter på den komponent, du vil ændre. (Simuleringen er konfigureret til at fungere bare på den nederste eller venstre kanal.) Du får en advarsel om, at komponenten ikke har en brugerdefinerbar værdi. Vil du ændre det? Selvfølgelig gør du! Indtast den nye værdi i boksen, der dukker op.

Klik på knappen Simuler, klik på Opdater netliste og derefter Simuler.

Trin 6: Påkrævede komponenter

Du får naturligvis brug for et printkort. Medmindre du bruger en af mine ekstra bare boards, skal du sende Eagle -filerne til fremstilling. De fleste producenter kræver designet som et sæt gerber -filer. I stedet for at kopiere instruktionerne her, skal du søge online efter Eagle -eksportgerber eller henvise til Sparkfun -selvstudiet.

Separate gerber -filer beskriver kobberlagene, loddemasken, silketryk, boringen og fræsning af tavlen.

Ved at indsende filerne online til en producent vil det validere dem og advare dig, hvis der mangler væsentlige filer. Men det vil ikke advare dig, hvis der mangler en silkeskærmsfil, hvilket var min fejl. Dette er adskilt fra enhedens konturer.

Du skal bruge følgende komponenter for at udfylde tavlen.

• TL084 SOIC -14 quad op amp - 2 off
• LM4880M SOIC 250mW effektforstærker - 1 off
• 0603 SMD -modstandssortiment
• 0603 SMD keramisk kondensatorsortiment 100pF - 1μF
• 5K Trim Pot 3362P -502 - 6 off
• 10uF 16V SMD 0805 Multilayer Keramisk flerlagskondensator - 4 off
• 2917 (EIA7343) 100μF 16V tantal kondensator - 2 slukket
• 2917 (EIA7343) 470μF 10V tantal kondensator - 2 slukket
• Mini USB Female 5-Pin SMD Socket
• 3,5 mm gennemgående hul PCB -montering stereo lydstik - 2 slukket
• 3 mm blå LED (eller dit farvevalg)

For en komplet batteridrevet enhed med Bluetooth-indgang har du desuden brug for:

• Bluetooth modtager modul understøtter A2DP som dette
• LiPo batteri: 503035 3.7V 500mAhr
• TP4056 LiPo-oplader med mini-USB-indgang (eller microUSB, hvis du foretrækker det) som denne
• 3V - 5V boost -konverter som denne
• Mini SPDT skydekontakt

NB LiPo -opladeren er sandsynligvis indstillet til en 1A ladestrøm, hvilket er for meget for et 500mAhr batteri. Det er vigtigt, at du fjerner programmeringsmodstanden for ladningshastighed (normalt 1,2K forbundet til pin 2 på TP4056 -chippen) og erstatter den med en på 3,3k.

Jeg brugte et LiPo-batteri med en ende, men et med et miniaturet JST-stik ville kun tillade, at det blev tilsluttet efter tilslutning og dobbeltkontrol af alt andet, samt gjorde det lettere at udskifte.

Et Bluetooth -modul, der kører på enten 3,3V eller 5V, foretrækkes, da det derefter kan tage forsyningen direkte fra batteriet, hvilket reducerer digital støj fra 5V -forsyningen til hovedkortet.

Hvis du vælger et Bluetooth -modul, der understøtter AVRCP såvel som A2DP, kan du tilføje trykknapper til lydstyrke op/ned og næste/forrige nummer.

Mange Bluetooth -moduler har en overflademonteret LED for at angive forbindelsestilstanden, og TP4056 -opladeren har røde og grønne overflademonterede LED'er for at angive opladningstilstanden. En kasse som den, jeg lavede, vil sandsynligvis skjule disse, så de kan erstattes (se senere) af:

• 3 mm blå LED
• 3 mm rød/grøn fælles anode LED.

Trin 7: Brug af en prototype Bare Board

Hvis du har fået et af mine ekstra prototype -tavler, er der bare et par mindre fejl, du skal være opmærksom på.

• Der er ingen silketryk på toppen af brættet. Du finder det nyttigt at have en trykt kopi af tavlelayoutet ved hånden, når du udfylder det.
• Et par vias var beregnet til at forbinde de øverste og nederste jordplaner, der ikke gør det. Dette er uden betydning.
• C3 var oprindeligt 100uF i en pakke på 2917. Denne værdi var alt for stor og er nu 1uF 0603. Du skal skrabe lidt af loddemodstanden væk fra jordplanet for at passe til dette, som vist på billedet.

Forstærkningen sættes af værdierne for modstandene R106 og R206. 22k giver nogenlunde enhedsgevinst. Da du måske vil eksperimentere med forskellige værdier, leverede jeg både 0603 SMD-modstandspuder og huller på 0,3 pitch til modstande med wire.

Trin 8: Boksning af det

Du kan finde det 3D-printbare design til boksen, jeg brugte på tinkercad.com. Afstandene var lidt for stramme, så jeg har øget boksens længde og bredde med 1 mm.

Bunden af kassen indeholder rum til batteriet, opladeren, 5V boost -konverteren og Bluetooth -modulet. Hovedtelefonforstærkerkortet passer ovenpå. Låget fastholdes af to M2x5mm selvskærende skruer.

Identiske oplader- og 5V boost -moduler er bredt tilgængelige, men der er mange forskellige Bluetooth -moduler. Hvis nogen af disse er forskellige fra mine, skal du ændre boksens design.

Når de er på plads, kan du let beholde modulerne med smeltelim.

Trin 9: Tilslutning

Til testformål vedhæftede jeg alle modulerne til et stykke pap ved hjælp af blu-tac. Fra dette fandt jeg ud af, at routingen af jordforbindelserne var kritisk. Jorden fra Bluetooth -modulet skal føres til hovedtelefonforstærkeren sammen med let- og højre kanaler, men så skal jordforbindelsen fra distributionskortet gå til Bluetooth -modulet, ikke hovedtelefonforstærkeren, ellers får du meget digital støj fra Bluetooth -modulet i output.

Jeg monterede tænd/sluk -kontakten på et lille stykke stripboard, 6 strimler bredt med 5 langt og med en 2x4 cutout til kontakten. Dette fungerer også som et strømfordelingsbord. Da den var fuldstændig kablet, limede jeg kontakten på plads (med tavlen fastgjort) ved hjælp af epoxylim. Hvis jeg lavede projektet igen, ville jeg sørge for kontakten på hovedtelefonforstærkerkortet.

Du har brug for temmelig tynd strandet ledning til at koble den til, så jeg delte en længde af regnbue -båndkabel, hvilket gav mig individuelle ledninger i forskellige farver. Normalt ville du føre ledningerne gennem et hul i et bræt og lodde det på den anden side, men med de forskellige moduler på plads i bunden af kassen måtte jeg lodde til den samme side af brættet, som tråden kom ind fra, med bare lidt mere isolering fjernet end ellers ville have været nødvendigt. Jeg var nødt til at montere stripboard kobbersiden opad og lodde forbindelserne til den på samme måde.

Jeg ville have, at lysdioderne på opladeren og Bluetooth-modulerne var synlige, så jeg fjernede de indbyggede SMD-lysdioder og tilsluttede puderne til 3 mm lysdioder. Jeg borede huller i kassen til disse, da jeg ikke havde tilladt dem i min 3D -trykte boks. Jeg sluttede dem til loddepuderne på modulerne med loddet emaljeret tråd. Dette er belagt i selvstrømmende polyurethan, der smelter under varmen af et loddejern.

Til opladermodulet brugte jeg en rød/grøn fælles anode LED. Den fælles anode skal forbindes til en af SMD LED -puderne tættest på kanten af tavlen (som du kan bekræfte med et multimeter). Hvis dit Bluetooth -modul har en SMD LED, skal du bestemme polariteten med et multimeter. Nogle moduler har tilslutninger til en ekstern LED.

Før jeg satte hovedtelefonforstærkeren i boksen over de andre moduler, fandt jeg det nødvendigt at placere små stykker PVC-tape på toppen af to elektrolytkondensatorer på Bluetooth-modulet og på mini-USB-opladningsstikket for at undgå shorts med undersiden af hovedtelefonforstærkeren.

Trin 10: Forbedringer

Hvis jeg ville gøre dette til et produkt, er der utvivlsomt ting, jeg ville ændre, men efter at have lavet mig en gadget, der tjener mit formål, går jeg videre til andre projekter.

Kredsløbet:

• En bipolar strømforsyning kunne have været bedre. Da strømmen fra opampene er lille, ville en kapacitiv pumpespændingsomformer som MAX660 let have givet den negative forsyning.
• Med en bipolar forsyning ville 5V boost -omformeren ikke være nødvendig af op -forstærkere. LM4880 -hovedtelefonforstærkeren fungerer på den rå udgangsspænding fra et LiPo -batteri, selvom den maksimale udgangseffekt reduceres fra 250mW pr. Kanal til omkring 100mW pr. Kanal.

Bestyrelsen:

• Tavlestørrelsen er lige hvad det kom ud af layoutprocessen, men at presse den ned til en nøjagtig størrelse som 6x6cm ville have gjort designet af kassen lidt lettere.
• Ligeledes ville det have været pænere at have placeret input og output 3,5 mm stik i linje og præcist midt på de to sider. Dette ville også have gjort boksens design lettere.
• Det ville have været enkelt at ombord på LiPo-opladerkredsløbet. 3 - 5V boost -konverteren ville ikke være nødvendig med en bipolar forsyning, så du sparer 2 separate moduler.
• Med en simpel TP4056 oplader som brugt, kan batteriet blive overopladet, hvis du forsøger at oplade det med enheden tændt. Lidt mere sofistikerede opladere inkluderer et simpelt beskyttelseskredsløb, som ville være værd at inkludere.
• Med ovenstående ændringer kunne kontakten derefter monteres på tavlen. Metoden til at montere kontakten i den 3D -trykte boks var ikke ideel.
• En 2 -polet 3 -vejs switch ville tillade, at Bluetooth -modulet kun får strøm, når det er nødvendigt.

Kassen:

• Montering af modulerne i 2 lag gjorde samlingen sværere, end den skulle være, og en tyndere, men større kasse kunne have monteret en lomme bedre.
• Omskifteren tændes let ved et uheld. Det ville have været enkelt at inkludere vagter omkring det i 3D -printdesignet for at forhindre dette.

Andre applikationer:

Hvis du måske som audiofil bare vil have en udlignet hovedtelefonforstærker, der giver både boost og cut ved forskellige frekvenser, kan du stort set bruge det samme design.

For at give både boost og cut, fjern R113, R123, R133 og R213, R223, R233 (eller udskift med 0Ω resitorer) og udskift trimpotterne med 10k (skyderpotter, hvis du foretrækker det).

Du kan tilføje så mange forekomster af gyrator -kredsløbet, som du har brug for.