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          2. 【HIFIDIY 第十二屆DIY大賽參賽作品】Love&Future雙30W數字純后級功放·下

            來源:bbs.hifidiy.net 發布者:edithli 版權:原創

            從決定參加論壇大賽,到設計,再到制作,現在開聲了,感覺自己收獲了很多!項目開始前,原以為數字功放芯片的編程可能會比較棘手,不過現在知道了,只要認真看官方Data sheet,多嘗試,就沒那么難!

            【接上文】我選擇首先焊接數字功放芯片,因為數字功放芯片焊接的成功與否,直接決定了整板的成敗。

            在手工焊接中,數字功放芯片是相對較難的,因為它管腳密集,焊盤較小。對此,我采用堆錫震板加錫線拖拽的工藝處理,這一方法利用原理是焊錫表面張力特性、焊盤與阻焊層沾粘性差異。實際效果不錯,大家請看~~

            芯片焊接

            數字功放芯片焊接細部圖

            這次焊板,器件比較小,空間也比較有限,焊起來還是會辛苦點兒,好在器件也不多,用了一天多的時間貼好了第一張板。硬件調試也還比較順利。有點辛苦,也有點開心。具體焊接過程和硬件電路的調試,由于不是本作品主要難點,限于篇幅,就不予贅述了。

            PCB板貼板完工

            五、PCB板貼板與硬件調試。

            硬件調試包括電源部分、時鐘部分、模擬輸入、ADC電路調試。

            ①電源部分——主穩壓電源輸出電壓調整在24V,+5VOSC的電壓調整在5.2V,

            ②時鐘信號——MCLK的頻率實測24.5762MHz,見圖53;

            ③模擬輸入電路部分——運放輸出直流電壓為供電電壓一半(約2.6V),而且在PCB板的L\R輸入端輸入模擬信號時運放輸出端有正常的信號輸出,幅度約為輸入信號的四分之一(約-12dB)。

            ④ADC芯片的I2S信號——如下圖54、圖55、圖56所示,各信號頻率都是正確的,而且DATA管腳有不斷變化的信號出來,由此看來ADC部分也基本正常工作。

            左圖:時鐘信號MCLK;右圖:位時鐘信號BCK

            左圖:左右串行時鐘信號LRCK;右圖:數據信號DATA
            六、軟件調試

            經過一天多,對數字功放初始化軟件的研究和努力,輸出功放從最開始的上電完全不熱、輸出端沒有反應,到現在,上電后芯片微微發熱,并且用示波器測到了輸出端的波形。雖然,還不確定這個波形(圖58、圖59)是不是正確的,但能夠肯定的是:我寫的初始化代碼,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,它們所對應的功能如下表,具體設置的數值與功能請見源程序注釋:

            ConfA——配置寄存器A,設定數字信號輸入采樣率

            ConfB——配置寄存器B,設定數字信號輸格式

            ConfC——配置寄存器C,設定輸出級工作模式和補償參數

            ConfD——配置寄存器D,設定DSP工作模式

            ConfE——配置寄存器E,設定其他配置參數

            ConfF——配置寄存器F,設定輸出橋工作方式和芯片電源控制

            Auto1——音頻預置寄存器1,設定limiter(限輻器)

            Mvol——主音量寄存器,設定主音量增益

            從下圖左可以看出,開關頻率約為384KHz。下圖右是圖左的細節展開,可以看出,波形的上升下降沿良好,說明PCB板布局走線效果不錯。

            圖左:功放功率輸出腳波形圖1;圖右:功放功率輸出腳波形圖2

            初始化代碼已經正確地控制了功放芯片,并且滿足了作品的設計要求,能夠正常工作啦!

            搭建了簡易的聽音系統:筆記本電腦HD板載聲卡,不用前級直接輸入信號給本后級板;音箱是博良時代1號;播放軟件是foobar2000v1.3.10。聆聽了一定范圍的音樂作品,包括人聲、民樂、器樂、交響等,初步的印象是聲音比較平衡,細節和聲場層次比較好,不過,目前可能稍微有點緊、放不開的感覺,接下來,對軟硬件優化和煲練一番之后,會有可期的改善。

            開聲是又一個重要的節點。值得慶祝,給自己鼓掌喝彩。在這里,給自己做一個小小的期中小結。

            從決定參加論壇大賽,到設計,再到制作,現在開聲了,感覺自己收獲了很多!回顧到現在參賽的這段時間,“積跬步以至千里”,一步一步地走,一樓一樓地建設,雖然還稱不上浩大艱巨,自己卻是傾注了飽滿的熱情和精力。無論是作品規劃還是具體設計,無論是理論積累、實際制作還是論壇發帖,都盡自己的所能扎扎實實,一步一個腳印地努力完成好。

            I Believe,我的作品會帶來美好的聲音滴,就如它的名字,love & future。

            數字后級功放

            現在制作完成度已經過半,機箱和腳釘也早就到了。剩下的工作,首先是軟件調試優化——主要是功能上的,比如開關機防沖擊、各種保護功能的實現和狀態檢測,還有音頻性能優化等。接著,就依次進行裝機、老化、測試、聽音、微調。

            清代彭端淑《為學》開篇:"天下事有難易乎?為之,則難者亦易矣;不為,則易者亦難矣。人之為學有難易乎?學之,則難者亦易矣;不學,則易者亦難矣?!@也是此次參賽的重要收獲。

            項目開始前,原以為數字功放芯片的編程可能會比較棘手,不過現在知道了,只要認真看官方Data sheet,多嘗試,就沒那么難,反而感覺簡單了——比如這次作品設計的功能,通過配置芯片幾個寄存器就輕松實現,其他暫時用不到的復雜深度功能,使用芯片默認值就可以,編程上不用去管他們。

            現在預想中最難的一部分已經解決,接下來的路可能就會平坦寬闊很多,再接再厲。

            七、裝機、老化、試聽

            機箱尺寸:

            外:寬215mm,高70mm,深228mm;內:寬203.5mm,高63mm,深217mm。

            數字后級功放

            主要步驟:擺位及打孔——變壓器改造與安裝——焊線與完成——假負載,整機老化。限于篇幅,有些未用圖片專門展示的細節優化,在此只簡單介紹:

            1、電源輸入線分別套了兩只抗干擾磁環,進一步降低電源線上的EMI干擾;

            2、電源線中,地線特別地選擇接機殼處理,而非與功率地、信號地相連;

            3、功放輸出線套磁環,進一步加強射頻信號的共模抑制能力;

            4、整機設計緊湊,所有電路都在一塊PCB板實現,信號從輸入端子到輸出端子走過的路徑總長度不超過22cm。保持信號路徑最短,最大程度地保證了信號純凈,不受外界污染;

            5、分享一個鉆孔的小技巧,鉆孔時在鋁板下墊一張白紙,可以避免鋁屑劃傷板材表面。

            數字后級功放

            經過幾天老化、測試,再測功放輸出實測波形,波形不錯,我是通過信號發生器輸出不同頻率和幅度的信號,將其接入功放,實測的功放輸出波形圖。測試時帶8Ω假負載電阻。
            我搭建了一個簡易測試系統——創新1212M聲卡(1212M的0dBFS對應模擬輸入幅度約為2Vrms)、軟件AudioTester、自制連接線。經過實測,發兩張頻譜圖,一張是1KHz頻率小信號FFT幅度約1.4Vrms,一張是無信號本底噪聲FFT,與大家交流。

            由于數字功放輸出直接輸入進聲卡輸入端,帶外的高頻分量肯定會對測量產生影響,再加上軟件設置本身也沒有嚴格校準,所以以下曲線數據只做定性參考,用于找找毛病,并不把其中數值看做絕對參數來評估本作品性能。本地測試資源已聯系好了,靜待后續我要用音頻分析儀進行詳細的性能測試。

            數字后級功放

            1KHz頻率小信號FFT

            從上圖可看出:

            1、工頻噪聲及其諧波對音頻信號產生的調制比較??;

            2、諧波失真奇次大于偶次,典型的橋式輸出級特征,并且所有次數的諧波失真均在-65dB以下;

            3、藍色曲線代表的放大器通道沒有輸入信號,可得1kHz時的crosstalk串擾優于-85dB;

            從下圖可看出:

            數字后級功放

            無信號本底噪聲FFT

            1、本底比較平坦,未見異常干擾泄露;

            2、粗略按本作品額定輸出功率換算,本底基線大概在-125dB左右。

            把輸出電感換成了其他形式的,用實測數據比較,與最先選擇的一體成型貼片功率電感相比,紅環功率電感體積較大。

            數字后級功放

            數字后級功放

            紅環功率電感的1KHz頻率小信號FFT

            除了兩個通道都輸入了測試信號以外,其他測試條件與上一樓相同。

            通過與樓上的測試曲線相比,初步得到:開森的結果~~

            1.失真幅度變小,各自諧波失真均有接近6dB的可觀滴改善。

            2.諧波失真各成分的比例發生變化,偶次諧波失真變大,奇次諧波失真變小,而THD數值改善。

            3.本底噪聲基線下降,尤其是中高頻部分8k以上改善10個dB左右。

            數字后級功放

            整機簡明操作指南:

            電源總開關在機器左后方,與電源插座為一體結構。并且開關帶有燈光指示,用來指示通電狀態。

            打開電源總開關以后,開關指示燈亮起,整機開始上電初始化。

            此時前面板右下方的雙色LED指示燈開始進行紅色呼吸閃爍,表明軟件正在加載初始化代碼(包括上電防沖擊),呼吸閃爍3次以后(總時長約3s)若初始化成功,指示燈變為綠色常亮,表明放大器系統進入正常運行狀態,放大器可以正常使用了;如果初始化不成功,變為紅色常亮表明初始化故障并低功耗待機。

            關閉電源時,開關指示燈立即熄滅,前面板雙色LED指示燈變為紅色常亮,用來指示系統已確認掉電事件,并實現掉電防沖擊等功能,最后整機進入低功耗待機狀態,約3秒鐘后PCB上儲能電容存儲電能耗盡,紅燈自動熄滅。

            本作品設計亮點小結 ~~~技術的功能的操作的,看得見的看不見的聽得見的,用心的貼心的。

            數字后級功放

            1.輸入RF濾波:針對當下復雜電磁干擾環境進行的電路設計,可將外界干擾的注入降到最低,使機器內部設計和素質得以真實呈現。

            2.DRC功能:顯著改善放大器動態性能,并保護揚聲器單元。這個功能非常重要,芯片上也集成了,但如果是模擬功放來做要加硬件,比較麻煩,因此一般的DIY作品少見~~edithli特別奉獻~~DRC limiter功能建議成為功放的標配。

            3.完善的保護機制:設計了對過壓、短路、溫度、初始化失敗的保護,有效地提高作品整機的可靠性和穩定性。

            4.低切設計:40Hz轉折頻率,切除過低頻率的信號,保證更有效地放大。

            5.MCU主控:提供了良好的可擴展性,去實現更多功能。

            數字后級功放

            6.雙色LED燈:設置成呼吸顯示,溫和、方便、直觀顯示機器工作狀態。(詳述在63樓"整機簡明操作指南")

            7.小型化設計:PCB板尺寸170mmx73mm,單一PCB實現全部電路,走線最短,數?;旌想娐?,EMC處理更高性能。機箱尺寸外-寬215mm*高70mm*深228mm,內-寬203.5mm*高63mm*深217mm,小輕巧,lovely~

            數字后級功放

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