Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета

в 8:00, , рубрики: diy или сделай сам, dsp, fv-1, гитарные эффекты, звук, звук и музыка, Производство и разработка электроники, разработка электроники, схемотехника, цифровая обработка сигналов, Электроника для начинающих

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 1

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, чтобы разработать собственное электронное устройство, но не знали, с чего начать? Тогда приглашаем вас к прочтению данной статьи, в которой мы постараемся осветить весь процесс создания своего электронного устройства – от концепции до реального девайса на примере хобби-проекта одного из наших сотрудников. Статья разделена на две части и имеет следующий план:

  • Часть 1: От концепции до макета
    • Что такое электронное устройство
    • Концепция устройства
    • Функциональная схема
    • Принципиальная схема
    • Закупка компонентов
    • Макетирование и симуляция устройства
  • Часть 2: Создание устройства
    • Разработка печатной платы
    • Разработка корпуса и оснасток
    • Верификация и исправление ошибок
    • Отправка платы на производство
    • Создание корпуса
    • Сборка и отладка устройства

Далее повествование будет вестись от лица сотрудника.

Введение

Еще в университете я заинтересовался разработкой электронных устройств, в частности гитарных эффектов. В период учебы на 3–4 курсах мне удалось собрать несколько таких «примочек», некоторые из них легли в основу моих курсовых работ. Конечно же, это были копии всем известных приборов, а качество таких девайсов оставляло желать лучшего. В то же время мне очень хотелось повысить их надежность, поработать над дизайном и научиться в конечном итоге делать что-то свое, а главное, качественно.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 2

Моя первая гитарная педаль – копия Big Muff

В июле 2018 года, сразу после окончания универа, я пришел устраиваться в «НТЦ «Вулкан». На собеседовании я рассказал, что интересуюсь созданием таких девайсов. Меня взяли на испытательный срок, за время которого мне нужно было разработать устройство, написать прошивку под STM32 и небольшое тестовое ПО. В конце концов я попал в команду Raccoon Security, которая занимается исследованием и разработкой embedded-девайсов.

Работа меня сразу затянула, и за два года я приобрел много полезного опыта, который теперь применяю и в разработке своих гитарных эффектов.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 3

Проект мультиэффекта shape mimic, который я закончил совсем недавно

Что такое электронное устройство?

Давайте разберем этот вопрос на примере стереохоруса Uni-Vibe Stereo Chorus от Dunlop.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 4

Так выглядит наш «пациент»

Гитарные педали эффектов в целом предназначены для изменения звука инструмента во время игры. В частности, название этой педали говорит само за себя – она имитирует хоровое звучание музыкальных инструментов, добавляя к исходному сигналу несколько копий, сдвинутых по времени на 10–30 мс. Время этой задержки постоянно изменяется генератором низкой частоты. Если мы проведем вскрытие этой «магической коробочки», то под капотом обнаружим следующее:

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 5

Внутренности Uni-Vibe Stereo Chorus

Теперь можно поговорить о том, из чего вообще она состоит. Здесь мы видим зеленую печатную плату [1] с кучей разных электронных компонентов [2], которые соединяются между собой медными дорожками-проводниками. Видим три потенциометра [3], которые отвечают за управление эффектом, а также кнопку включения [4] и входные-выходные гнезда [5]. Все это помещается в металлический корпус [6], на котором есть маркировка [7], подсказывающая назначение ручек управления. И как финальный аккорд – множество разных крепежных элементов [8], соединяющих все это вместе.

Теперь, когда мы понимаем, из чего состоит электронное устройство, можно переходить к проработке концепции, которая ляжет в основу нашего макета и конечного устройства!

Концепция устройства

Любая разработка начинается с какой-нибудь идеи или проблемы. Скорее всего, эта идея или проблема уже была воплощена или решена до вас. Поэтому не расстраивайтесь, а лучше проведите анализ готовых решений и поищите референс-дизайны. Наша задача – понять, что в конечном итоге мы хотим получить. Чем наше устройство будет отличаться от готовых решений? Что можно сделать лучше или по-другому?

К примеру, идея моего последнего устройства заключалась в том, чтобы создать девайс на популярном DSP-чипе FV-1 с возможностью загружать разные эффекты, которые можно найти на просторах Интернета или написать самому. Несмотря на солидный возраст (первые документы датированы аж 2006 годом), микросхема способна выдавать очень разнообразные звуки – от простых заигрываний с фильтрами до сложных алгоритмов реверберации с различными модуляциями и задержками.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 6

DSP-чип FV-1 в своем великолепии

Проектов по этой теме было уже много, но на просторах Рунета я не видел реализации со встроенными программатором и USB, с помощью которого можно легко прошивать память разными прошивками. Конечно же, на сайте производителя FV-1 уже была отладочная плата, и буквально во время проработки концепции на сайте pedalpcb появился еще один открытый проект отладочной платы с программатором.

Мне же хотелось упаковать все это в форм-фактор стандартного гитарного эффекта и добавить несколько фишек, которые стали популярны в гитарном мире:

  • добавить отключаемый буфер на входе;
  • организовать переключение на реле с мягкой кнопкой;
  • избавиться от надоедливого щелчка во время переключения эффекта;
  • расположить коммутацию сверху, чтобы сэкономить место в педалборде.

Функциональная схема

После проработки концепции устройства полезно составить функциональную схему – блок-схему, наглядно поясняющую, как будет работать устройство, и как в нем взаимодействуют отдельные части.

Составлять такие схемы удобно, например в бесплатной программе yED или в платной Microsoft Visio. Подробно на плюсах и минусах программ останавливаться не будем, а перейдем непосредственно к получившейся схеме.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 7

Функциональная схема shape mimic

Давайте я вкратце расскажу, как это должно работать. Гитарный сигнал поступает на DPDT-переключатель, которым выбирается тип обхода устройства (с буфером или без). Далее сигнал поступает на реле, которое управляется микроконтроллером. Если эффект выключен, то реле прокидывает сигнал сразу на выход. А если эффект включен, то сигнал делится на две половины, одна из которых попадает на FV-1, а другая – на микшер. Потом на микшер попадает и обработанный сигнал с выхода FV-1. В микшере они смешиваются и попадают сначала на усилитель, а затем через еще один буфер на выход. Оптопара, которая на короткое время замыкает сигнал на землю, нужна для того, чтобы заглушить щелчки и шум в аудиотракте, которые неизменно появляются во время переключения.

Через miniUSB можно прошивать микросхему памяти, в которой хранятся эффекты для FV-1. Выбор эффекта происходит с помощью переключателя SPDT, а управление параметрами эффекта – с помощью трех потенциометров. В качестве питания используются стандартные для гитарных эффектов 9В DC, которые после стабилизаторов дают 3,3 В и 5 В для питания элементов схемы.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 8

Как это работает на самом деле

После составления функциональной схемы я рекомендую подумать о том, какие ключевые компоненты вам потребуются. В моем случае с FV-1 все понятно, а в качестве управляющего микроконтроллера я выбрал PIC16F630, т. к. ранее не работал с этими микроконтроллерами и мне было интересно попробовать. В итоге работать с PIC мне не очень понравилось, и в следующий раз управление я буду делать на STM32. В качестве реле я выбрал NA5W-K, а в качестве оптопары – TLP222G. Такой выбор обусловлен тем, что идею управления на реле я подсмотрел в статье на сайте Coda-Effects. Я подумал, что начинать знакомство с подобным типом байпаса следует с таких же компонентов. Для буферов и усилителя отлично подойдут TL072 – малошумящие, распространенные и недорогие операционные усилители.

После того как примерный список составлен, можно переходить к разработке принципиальной схемы, с помощью которой мы практически полностью утвердим наш список компонентов.

Принципиальная схема

Принципиальная электрическая схема нужна для того, чтобы описать во всех подробностях электрические связи между компонентами в устройстве. Она не показывает физического расположения элементов, но четко указывает, какие выводы будут соединяться между собой. Про софт, в котором можно разрабатывать такие схемы, мы подробно поговорим в следующей статье, когда коснемся разработки печатных плат.

Отличным стартом для разработки собственных схем являются типовые схемы включения из даташитов. У меня же под рукой было еще несколько готовых референс-проектов на FV-1 (PedalPCB и Universe Zen), большой топик с форума Guitar-Gear, реализация релейного байпаса с Coda-Effects и популярная схема буфера на TL071. Теперь, имея на руках уже готовую функциональную схему, мне достаточно просто воссоздать все эти блоки, а затем соединить их согласно моей концепции. На практике это напоминает конструктор лего.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 9

Выдержка из даташита DSP-микросхемы FV-1

Я советую разделять схему на несколько листов по функциональному смыслу – так повышается читаемость и появляется некая инкапсуляция. У меня получилось разделить проект на схему питания, основную схему FV-1, схему с программатором и схему управления и реле.

Если в получившейся схеме возникнут какие-то ошибки, то их можно будет решить на этапе проработки макета и симуляции, после чего скорректировать принципиальную схему. Покажу вам кусочек основной схемы с FV-1, и плавно перейдем к вопросу закупки компонентов.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 10

Небольшой фрагмент принципиальной схемы shape mimic

Закупка компонентов

Я бы рекомендовал закупать ключевые компоненты заранее, еще до разработки макета или печатной платы. Под ключевыми я понимаю те компоненты, которым трудно найти аналоги и которые определяют конструкцию и функционал устройства. Может возникнуть ситуация, что нужного компонента не окажется у поставщиков, а ждать его придется долго. В то же время, вполне возможно, что такой компонент можно было бы заменить на аналогичный. Похожая ситуация может возникнуть и с разными корпусами некоторых микросхем: вы разрабатывали под один корпус, а у поставщика есть только другой. В коммерческой и многосерийной разработке последнее, конечно, не такая уж проблема, но в условно «домашней» разработке это может быть важно. Поэтому стоит заранее подбирать элементную базу и узнавать цены и возможность поставки.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 11

Дейл покупает компоненты после изготовления печатной платы

Итак, после создания принципиальной схемы мы уже можем получить список компонентов для закупки, но где их, собственно, закупать? Давайте проведем небольшой обзор магазинов, в которых можно купить все необходимое.

Начнем, пожалуй, с интернет-магазина «Терраэлектроника». В последнее время я заказываю большинство компонентов здесь. Мне очень нравятся широкий ассортимент, цены и скорость доставки. Из минусов – информация по остаткам на сайте не всегда соответствует действительности, но на мой взгляд, это мелочь. В общем, я рекомендовал бы начать закупку отсюда.

Далее можно обратить внимание на тот же «Чип и Дип». У них большой выбор и много магазинов в Москве. Однако цены намного выше остальных, а еще стоимость компонентов в интернет-магазине сильно отличается от того, что вы увидите, придя в магазин. Доставка дороже чем у «Терраэлектроника», а срок доставки – дольше. Тем не менее иногда я заказываю некоторые позиции здесь.

Есть еще и своеобразный магазин «КВАРЦ». Сайт у них, конечно, давно устарел и поиск реализован неудобно, но иногда там можно найти очень интересные и эксклюзивные позиции.

Еще есть Mouser Electronics. Лично я не заказывал компоненты оттуда для своих «домашних» проектов. Из плюсов могу отметить, пожалуй, очень большой ассортимент и удобный параметризированный поиск. Из минусов – не все компоненты поставляются в Россию. Если вы имели опыт покупки с Mouser для своих проектов, то обязательно напишите в комментариях.

В качестве альтернативы Mouser Electronics можно обратить внимание на LCSC, который чем-то похож на последних, но заказывать оттуда проще, а цены ниже. Опять же, я не заказывал ничего у этих ребят, но периодически подумываю это сделать.

Ну и куда же без AliExpress! Тут китайский интернет-магазин бьет все остальные и по количеству, и по стоимости. Однако не надо забывать, что на AliExpress можно наткнуться на недобросовестных продавцов, которые поставляют поддельные компоненты. Некоторые продавцы любят зарабатывать на доверчивых музыкантах, которые в погоне за «тем самым звуком» пытаются урвать винтажные микросхемы, мистически звучащие полевики и особые германиевые диоды, да еще и подешевле. Поэтому не удивляйтесь, если вместо дорогого полевика 2N5457 вам придет какой-нибудь перемаркированный биполярный транзистор. Но если внимательно подходить к выбору, то на AliExpress можно найти много всего интересного.

Макетирование и симуляция устройства

Теперь поговорим о макетировании нашего устройства. Это важный этап, который помогает проверить концепцию в деле. Если вы заранее не понимаете, как примерно должно работать ваше устройство, или же есть какие-то участки схемы, в которых вы сомневаетесь, то проводите макетирование или хотя бы симуляцию.

Для создания макета отлично подойдет макетная плата – компоненты на ней соединяются без всякой пайки.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 12

Макетная плата и устройство на макетной плате

Я решил практически полностью пропустить этап макетирования, ограничившись лишь воссозданием части схемы с управляющим контроллером и реле. На этом этапе, глядя на размер получившейся схемы, я уже предполагал, что мне будет легче сделать тестовую версию платы, и отладить возможные ошибки прямо на ней, после чего исправить и заказать новую версию. Но в большинстве случаев лучше сделать полноценный макет.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 13

Мой макет педали фуз-дисторшн — клон Wolf Computer с модификациями

Если вы планируете использовать какой-нибудь микроконтроллер, то подумайте о покупке отладочной платы. Рекомендую обратить внимание на STM32, но если совсем не знакомы с embedded-разработкой, то Arduino тоже прекрасный выбор.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 14

Отладочные платы STM32 Nucleo и Arduino Uno

Давайте подумаем, зачем нам вообще нужен макет:

  • позволяет проверить жизнеспособность идеи;
  • его можно пощупать;
  • помогает определиться с компонентами;
  • его можно использовать в качестве референса во время отладки;
  • вскрывает множество подводных камней;
  • дает пищу для размышлений;
  • позволяет менять и добавлять фичи на ходу;
  • иногда макет решает поставленную задачу.

Помимо создания макета, можно прибегнуть еще и к симуляции отдельных узлов или всего устройства. Давайте рассмотрим несколько программ и сервисов для симуляции электрических схем.

К примеру, есть отличная программа LTSpice – бесплатная, с легким интерфейсом, а главное, обладает большим набором инструментов и компонентов.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 15

Программа LTSpice

В качестве альтернативы есть Multisim. Инструментарий в нем больше, но бесплатная лицензия доступна только для студентов.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 16

Программа Multisim

Еще можно обратить внимание на Proteus, в котором куда больше инструментов для симуляции цифровых схем, чем в Multisim и LTSpice. Программа тоже платная, но есть бесплатная пробная версия с тестовыми схемами.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 17

Программа Proteus

Еще существует условно-бесплатный онлайн-сервис Circuit Lab. Несомненный плюс которого в том, что он позволяет быстро засимулировать что-то очень простое, ничего не устанавливая.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 18

Онлайн-сервис Circuit Lab

Есть приложение EveryCircuit под Android и iOS, поэтому если работаете с планшетом или под рукой нет компьютера, то можно воспользоваться им.

Разработка своего устройства от А до Я. Часть 1: От концепции до макета - 19

Приложение EveryCircuit

Итог

Мы поговорили о том, что такое электронное устройство на примере стереохоруса от Dunlop. Проработали концепт будущего устройства. Составили функциональную схему, а затем переложили ее на электрическую принципиальную схему. Получили список компонентов, и узнали, где их можно приобрести. А еще определили, зачем нам может понадобиться макет и где можно просимулировать поведение отдельных участков схемы.

В следующей статье мы поговорим о печатных платах и программах для их проектирования. Затронем тему разработки корпуса и оснасток для своего устройства. Поговорим про верификацию и отладку, а затем посмотрим на финальный результат.

Если вы интересуетесь гитарными эффектами, то подписывайтесь на мою группу «ВКонтакте» и страницу в «Инстаграм» (zaytechnika). Оставляйте ваши комментарии и вопросы, буду рад ответить!

Полезные ссылки

Автор: RaccoonSecurity

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js