Сказ о разработке активной беспроводной акустической системы HiFi. Ио. Часть_1

в 6:42, , рубрики: беспроводная передача данных, Работа со звуком, Электроника для начинающих

Предыстория

Периодически практикую разгуливание по магазинам электроники, аудиотехники. Интересно смотреть, до чего дошел прогресс, чего делают нового. Ну, нового делают не особо много. Имею ввиду принципиально нового. Совершенствуется элементная база. Появляются новые фишки в цифровой обработке. Ну а в общем схемотехника так и осталась той же самой схемотехникой. Только вот нашей аудиоаппаратуры совсем не осталось. Япония, США, Корея, Китай, Италия… но не Россия.

Почему?

Занялся мониторингом просторов рунета, чтобы понять, что вообще из аудио мы делаем. Как оказалось, делаем мы немного и в основном дорого. Дорого не в смысле «не стоит своих денег», просто эта техника рассчитана на особых ценителей. Нет качественных АС для обычного рабоче-крестьянского сословья.

Ну и второй момент. За окном век беспроводных технологий. Все, что возможно передать без проводов — передается без проводов. Аудио сигнал (аналоговый) передать без потерь качества мне не представляется как. А код — совсем не проблема. Нужно будет только ЦАПировать код в самой АС.

Постановка задачи

Совершенно определенно нужно что-то делать.
Чтобы понять что конкретно делать и как — необходима конкретная задача. Если хотите — техническое задание.

1. Вся аналоговая часть делается по классике. Ну соответственно берется разве что современная элементная база. Ну и немного схемотехника обсасывается;
2. Формирование аудиосигнала из кода осуществляется непосредственно самой АС. Т.е. концепция — звуковая карта внутри. Это дает полную независимость качества звука на выходе АС от того, что у нее на входе. Дорогой ПК или полудохлый ноут. Звук зависит только от качества ЦАПа (и его реализации) в АС.
3. Беспроводная передача кода. Создать радиоканал с пропускной способностью для передачи звука Fs=44.1 kHz и разрядность 16 bit стерео можно с помощью микросхемы CC8520. Остается рассчитать антенну на 2.4 GHz.

Вроде как-то так.
Делаем.

Кодовое название ИО

«Ио» — это спутник Юпитера. Один из трех. Ну и богиня такая в греческой мифологии была. Ну вот теперь и акустика такая будет.

Вообще, есть, конечно, задумка сделать что-нибудь супермалогабаритное и дешевое, ну и наоборот. Честную трехполоску. Посмотрим, как пойдет.

После постановки задачи и принятия решения происходит довольно длительный и нудный процесс построения функциональной схемы (хотя, нет, функционалка быстро делается) и подбора электронных компонентов, поиска схемотехнических решений, рисования схем, разводки плат ну и т.д. и т.п (а вот это действительно долго).

Коротко, что во время этого процесса понял для себя.

1.Своих интегральных схем у нас практически нет. Что касается ЦАПов, качественных операционников, усилителей мощности, приемопередатчиков – то тут все вообще грустно;
2.Зато вроде как умеем делать «рассыпуху» — конденсаторы, катушки, трансформаторы, транзисторы и т.д;
3.Ну и динамики у нас свои тоже имеются. Радостно;
4.По организации процесса разработки — никогда ничего не получается сделать в те сроки, которые планируешь заранее. Любые сроки нужно удваивать.

Приведу функциональную схему (Все принципиальные опущу, их довольно много, они большие, да и еще думаю будут меняться):

image
Рисунок 1. Принципиальная схема АС

Небольшое пояснение по каждому узлу

Линейный источник питания.Тороидальный трансформатор типа ТТП100. Две вторичные обмотки. Диодный мост Гретца. Ну и плюс по конденсатору на землю (общую точку) для каждого выходного напряжения. Все по классике. Это первичный источник, который к 220 В подключается. Он питает усилители мощности (по усилителям чуть ниже).

image
Рисунок 2. Линейный источник питания

Так же в состав источника входят два понижающих стабилизатора

Первый для питания предварительного усилителя ±13 В. Стаб делается тоже по классической схеме из учебника на npn и pnp транзисторах К815Г, К814Г и стабилитронах КС213Б. Ниже приблизительная схема стабилизатора положительного напряжения 30 В – 13 В. В ветке отрицательного схема аналогична, отличается только ориентацией стабилитрона и диода. Ну и транзистор с npn заменен на pnp. Выходное напряжение регулируется резисторами R1 и R2.

image
Рисунок 3. Стабилизатор 13 В

Второй стабилизатор +3.3 В. Представляет LDO типа LT3062 или аналогичный. Выходное напряжение регулируется резистивным делителем. Питаем ЦАП и приемопередатчик. Схема типовая из «даташита», приводить не буду.

Приемник и передатчик делаем на CC8520. Сердце беспроводной передачи. Без нее цифру пришлось бы по USB гнать. Это интегральный передатчик звука высокого качества для ISM-диапазона 2,4 ГГц
Беспроводная платформа PurePath от texas instruments это штука для беспроводной передачи высококачественного цифрового аудио.
При этом благодаря внутренней обработке сигнала не происходит взаимовлияния между аудиопотоком и потоком данных WiFi (передаваемый на той же несущей частоте).
Передатчик поддерживает 2 аудиоканала. CC8520 работает автономно, и может использоваться без внешнего MCU или совместно с ним. Внешний процессор подключается через SPI-интерфейс и управляет некоторыми операциями.
Микросхема CC8520 легко стыкуется с другими аудиомикросхемами и DSP (используя I2S и DSP/TDM). Передавать можно сигнал с частотой дискретизации до 48 кГц и разрядностью до 24. Этого вполне достаточно для передачи большинства флаков и прочих лосслесс-ов. Ну и audio cd тоже в эти рамки спокойно помещается.
Для представления масштаба бедствий того, чего можно стотворить на cs8520, прикрепил ниже картинку.

image
Рисунок 4. Применение CC8520

Схема передатчика – делается в виде флешки. Устанавливается в USB компьютера или ноута.

image
Рисунок 5. USB передатчик

Ниже схема приемной стороны. Находится в АС

image
Рисунок 6. Приемник

Согласующая цепь/внешний усилитель радиочастотных сигналов не используется (на схеме перечеркнут красным маркером). Т.е. согласующая цепь с антенной конечно будет, но не в виде отдельной микросхемы/услсителя мощности.

ЦАП WM8940 – сигма дельта аудио ЦАП от Wolfson. Довольно распространенная штука, широко применяемая в портативных устройствах и внешних звуковых картах Fiio x3, ibasso dx50, irirver astell kern и т.д. Если верить аудио форумам — цап очень даже хорош. Звук прозрачный, аналитический, четный, ровный, чистый, «взрослый». Я в свое время плотно пользовался большими аудиоплеерами на его основе. Fiio и iHiFi. Звучит конечно очень здорово. Не мыльно. Чисто. Четко. Однако в последнее время надоело с кирпичами таскаться. Ушел в сторону портатива.
Схема включения ЦАПа близка к стандартной.

Предварительный усилитель, он же фильтр нижних частот. Выполнен на двухканальном операционном усилителе texas burn brown opa2134.

Усилитель мощности TDA7293. Тоже довольно интересная микросхема. Может отдавать в 8-омную нагрузку до 40 Вт практически без искажений (КНИ<1%). А теоретический максимум – 100Вт.

Колонки – двухполосные. Объем чуть меньше 40 литров. Корпус — дерево.

image
Рисунок 7. Внешний вид АС

Краткое заключение по первой части

На данном этапе собраны практически все электронные компоненты (кто не собран, тот заказан). Разведены почти все печатные платы. И часть из них уже собрана и протестирована. Сейчас заказываем оставшиеся.
Далее этап настройки, тестирования, доведения до ума.

Ну и в общих чертах я думаю, что сама идея беспроводной АС со встроенной звуковой картой — это то, к чему рано или поздно придет аудиоиндустрия мультимедиа и относительно не дорогого хайфая (хотя может и не только они). ИМХО. Все в этом мире в той или иной мере стремится к инновациям. Беспроводные технологии — это то, чего на данном этапе не хватает аудиотехнике.

Существует множество не решенных на данный момент проблем в аудио:

1. Создание малогабаритных АС, играющих весь слышимый частотный диапазон. По моему мнению, будущее в этом плане за техникой предыскажения и техникой компенсации упругих колебаний возникающих внутри ящика (если речь идет о динамиках). Предыскажения — чисто цифровая тема. Компенсация — пересмотр конструктива ящика. Ну а вообще, мне кажется, что в дальнейшем эволюция должна пойти не по диффузорному пути, а гибридному между электростатиками и изо (или орто) динамиками. Все-таки из динамиков уже почти все, что можно было вытащить, в плане качества, вытащили. А у пленки еще остался потенциал. Ну и конечно, ионофоны — это тоже направление, в котором было мало сделано.
2. Ну а коли сейчас динамик правит миром, то нужно бороться с его принципиальными «болячками». Инерционностью диффузора и катушки. Ну и узкополосность туда же.
3. Избавление от всех сигнальных проводов, т.к. по сути они накакой функции, кроме транспортной, не несут. Для этого, к примеру, можно сделать в каждой колонке приемник и ЦАП;
4. Беспроводное питание — пока даже и не знаю;
5. Трансформация напряжения из 220В в меньшее напряжение. Здесь, я думаю, будущее за полупроводниковой схемотехникой.

Мы всего лишь решили объединить три системы в одну, ну и параллельно делаем попытку решить одну из вышеописанных проблем.

Но все начинается с малого.

Автор: tailer_derner

Источник


* - обязательные к заполнению поля


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