Візуалізація звуку на лампі 6Е1П

Вирішив поділитися досвідом створення звукового індикатора на лампі 6Е1П. При створенні лампового аудіо підсилювача для навушників було вирішено візуалізувати аудіо сигнал. Вибір припав саме на цю радянську лампу. Результатом роботи стала маленька друкована плата розміром 30х33 мм. У цій статті наведено схему цієї плати та опис алгоритму роботи.

Лампа 6Е1П не є дефіцитною і порівняно легко доставляється при ціні близько 200 руб. У цій статті не розглядатимуться питання створення аудіо підсилювача та якості аудіо звучання, йтиметься виключно про схему підключення та управління лампою 6Е1П. Будь-який бажаючий може повторити мою схему, модифікувати або використовувати окремі вузли схеми в своїх пристроях (вихідні додані).

Фотографія лампи і розробленої плати

Зміст:

• Введення
• Частина 1. Харчування і підключення лампи
• Частина 2. Схема аналогового каналу
• Частина 3. Схема керування
• Частина 4. Алгоритм керування
• Частина 5. Результат

ВВЕДЕННЯ

При створенні лампового підсилювача було вирішено прикрасити, зробити більш живим зовнішній вигляд лампового підсилювача для навушників за рахунок анімації звукового сигналу. Сам підсилювач зібраний на двох подвійних тріодах 6Н23П за схемою SRPP-каскаду. Дизайн підсилювача повторює трапецію: лампи 6Н23П розміщені ззаду, спереду розміщена лампа 6Е1П. Детальніше про підсилювача можна почитати тут.

Фотографія підсилювача (велика)

Як введення наведу основні моменти, які були на момент початку розробки схеми управління лампою, і визначили кінцеву реалізацію:

1. Лампа 6Е1П світиться приємним зеленим світлом і виглядає оригінально серед багатьох інших лампових індикаторів минулого. Монтаж лампи вертикальний, що багато зручніше ніж торцеві лампи, особливо при використанні спільно з іншими вакуумними лампами в підсилювачі, які, типово, монтуються вертикально на верхній панелі.
2. Необхідні напруги харчування поєднуються з напругами харчування інших вакуумних ламп, що не вимагає окремого блоку живлення. Правда, в цьому пункті є деяка особливість (див. нижче).
3. Відразу стояло завдання зробити висновок спільного аудіо сигналу з двох каналів на одну лампу 6Е1П. Зазвичай ставиться на кожен канал за своєю індикаторною лампою або ж використовують вихід тільки одного з стереоканалів для візуалізації. Тут же спочатку стояло завдання зробити «чесне» відображення аудіо сигналу.
4. Рішення пункту 3 вимагає сумматора сигналу, який, звичайно, можна реалізувати і на вакуумних лампах, але тоді схема управління індикаторною лампою зрівняється за складністю зі схемою самого підсилювача. Класична схема включення лампи 6Е1П передбачає зняття сигналу або з аноду вихідної лампи підсилювача, або використання спеціального узгоджуючого трансформатора, дістати який набагато складніше, ніж саму лампу 6Е1П. Так само класичні схеми не дають автопідбудови амплітуди сигналу, що призводить до залежності ступеня розкриття лампи від рівня гучності. Ця залежність набуває критичного значення при використанні навушників, оскільки опір навушників може варіюватися в межах 32-600 Ом, що дає зміну амплітуди вихідного сигналу в десятки разів. Тому було відразу вирішено: застосовувати інтегральні підсилювачі; для реалізації автопідбудови застосувати цифровий потенціометр, керований мікроконтролером; здійснювати цифрову фільтрацію аудіо сигналу контролером.

Вважається, що в ламповій аудіотехніці не красиво використовувати інтегральні схеми. У мене таких упереджень немає і, як було написано вище, в даній статті якість аудіо сигналу не обговорюється. Мова піде виключно про схему якісного управління лампою 6Е1П.

Приступимо!

ЧАСТИНА 1. ХАРЧУВАННЯ ТА ПІДКЛЮЧЕННЯ ЛАМПИ

Лампа 6Е1П використовує стандартну напругу напруження і анода.

Напруження: 6,3V/300 мА - > 1,9 Вт

Анод: 250V/6 мА - > 1,5 Вт

У своєму проекті я використовував ТАН 21-127/220-50 для живлення лампи 6Е1П, інших ламп підсилювача і живлення мікроконтролера. У кінцевій схемі використовувалася анодна напруга + 270V.

Детальніше про трансформатори ТАН можна почитати тут.

Якщо ви ставите за мету тільки візуалізацію, то застосування ТАН може бути недоцільним. Більш розумним буде використання мережевих адаптерів живлення з подальшим формуванням високої напруги, напруги напруження та харчування контролера за допомогою імпульсних джерел живлення. Наприклад такий варіант, що застосовується для газорозрядних ламп в ламповому годиннику Nixie.

Я б рекомендував вибрати мережевий адаптер на 24V. Це зробить схему підвищувального перетворювача простішою і ефективнішою і дозволить зробити віртуальну землю для лампи (див. далі).

Тепер про підключення лампи. Висновки напруження (4 і 5) лампи 6Е1П ізольовані від інших висновків лампи, тому можна підключати їх як завгодно, головне щоб між ними була напруга близько 6V. Можна постійне, можна змінне. Тільки у разі застосування ТАН рекомендується зробити підтяжку висновків 4 і 5 до виведення 2 (земля) для виключення пробою між напруженням і катодом. Висновки 3, 7, 8, 9 підключаються до високої напруги. І тепер, найцікавіше - виведення 1 (сітка) управляє розкриттям лампи за допомогою негативної напруги! Напруженню -12...-15V на сітці відносно катода відповідає повне розкриття лампи, а напрузі 0 - повне закриття. І гірше того, в реальності, при заземленні сітки на катод лампа повністю не закривається: замість тонкої рівної смужки, що світиться, є жирний конус. Вирішується це подачею невеликої позитивної напруги на сітку (+ 5V достатньо). Таким чином, лампа керується напругою відносно катода від -15V до + 5V. Що, м'яко кажучи, незручно.

Схема харчування

І так, схема живлення мікроконтролера (+ 5V) виглядає наступним чином:

Використано одну з обмоток ТАН на ауд 20V. Зібрано випрямлювач на + 28V. Використана мікросхема малоспоживаючого імпульсника TPS62120. Мікросхема була в наявності і має малі габарити, тому вибір припав саме на неї, але у неї максимальна вхідна напруга становить 15V. Тому напруга з 28V до 15V падає на обмежувальному резисторі R4 і додатково мікросхему захищає стабілітрон на 15V. Таке гібридне джерело живлення я не можу рекомендувати до повторення, але, тим не менш, для струму 10 мА працює воно стабільно. Маючи стабілітрон краще зібрати параметричний стабілізатор.

Напругу + 28V використовую для керування лампою. Напруга + 5V служить для харчування решти частини плати (підсилювачі, мікроконтролер, потенціометр).

Для керування лампою створюємо віртуальну землю + 21V наступною схемою:

Використовуємо харчування + 28V і за допомогою стабілітрона на 21V створюємо віртуальну землю AMP_GND на + 21V. Саме цю віртуальну землю потрібно підключити до виведення 2 лампи. Зробити це можливо тому, що всі обмотки ТАН ізольовані, і земля плати не з'єднана із землею харчування лампи (+ 250V). Тоді для керування лампою отримаємо діапазон напружень від -21V до + 7V.

Якщо ви використовуєте харчування від мережевого адаптера 24V і формуєте високу напругу імпульсним джерелом, то формуйте віртуальну землю близько 18V такою ж точно схемою (замінивши стабілітрон на 18V).

ЧАСТИНА 2. СХЕМА АНАЛОГОВОГО КАНАЛУ

Перейдемо до схеми перетворення аудіо сигналу. Аудіоканал повинен забезпечувати підсумовування сигналу з двох каналів і приведення його до вхідного діапазону АЦП контролера (розмах сигналу не більше 5V).

Маємо два канали. Оскільки будь-яка схема при підключенні вносить спотворення у вихідний сигнал, а вихід підсилювача найменш чутливий до цього, то підключаємося безпосередньо до виходу підсилювача (паралельно навантаженню - навушникам). Сигнал відв'язаний по постійці вхідними конденсаторами 0,1 мкФ. Діоди VD4 і VD5 стоять для захисту схеми від можливих сплесків по входу. Далі на кожному каналі стоїть по інвертуючому підсилювачу (DA1A і DA1B) з коефіцієнтом посилення 0,34. Вони виконують 2 завдання. По-перше, для високоомних навушників зменшують розмах сигналу в 3 рази, приводячи його до діапазону 5V. Так як, наприклад, для навушників 600 Ом розмах сигналу може становити до 16V. По-друге, вони служать буферними підсилювачами для подальшого сумматора. Якби їх не було, і сигнал відразу подати на сумматор, то, фактично, обидва канали виявилися б з'єднані через 20 кОм резистори між собою, що погіршило б поділ каналів.

Далі сигнал надходить на сумматор і підсилювач з автопідбудовою (DA1C). Коефіцієнт посилення може змінюватися в межах від 1 до 1000. Цифровий потенціометр AD5160 один з найбільш легкодоступних і дешевих. Він має 256 позицій. Підсилювач обраний AD8608 в лічильному корпусі. Останній четвертий підсилювач (DA1D) використовував для створення віртуальної землі + 2,5V:

В принципі, подібну ж схему можна було зробити для віртуальної землі лампи + 21V.

ЧАСТИНА 3. СХЕМА УПРАВЛІННЯ

Як мікроконтролер обрано ATiny25/45. Продуктивність достатня для цього завдання, харчування 5V, маленький корпус. Зазвичай, програмування контролерів сімейства AVR8 є простим і інтуїтивно зрозумілим, але ATiny25/45 є контролером наднизької інтеграції і майже не містить апаратних блоків. Тому робота з універсальним прийомопередавачем ATiny25/45 не з приємних: майже все робити доводиться програмно.

Сама схема управління лампою 6Е1П побудована на польовому транзисторі IRLML2803 і являє собою простий ШІМ з НЧ-фільтром. Транзистором комутується напруга + 28V або земля. Щодо виведення 2 лампи це буде + 7V або -21V.

Так само у своєму пристрої я вирішив додати мініатюрне здвоєне реле на перемикання. За допомогою нього я комутую анодну напругу підсилювача після прогрівання ламп і керую світлодіодом в тумблері включення, змінюючи його колір з червоного на зелений після прогріву. Є в цьому одна особливість: порт PB5 контролера використовується як RESET і недоступний, поки не прошити відповідний FUSE-біт, але після його прошивки стане неможливо програмування через SPI. Так що активуємо порт PB5 в саму останню чергу, коли все налагоджено і працює як треба.

ЧАСТИНА 4. АЛГОРИТМ УПРАВЛІННЯ

У результаті тривалих експериментів з різними методами обробки аудіо сигналу і підбору різних параметрів було знайдено оптимальний варіант, що дає хорошу візуалізацію. Будь-який бажаючий може розробити свій власний алгоритм регуляції, який краще буде підходити до його апаратного рішення або музичного контенту, що прослуховується.

Мій метод включає в себе: попередню фільтрацію сигналу, визначення локальних максимумів сигналу, вироблення сигналу управління лампою, управління коефіцієнтом посилення підсилювача.

Тепер по порядку опишу роботу алгоритму.

1. Сумарний сигнал обох каналів зчитується АЦП з максимальною частотою вибірки для цього мікроконтролера - 77kSPS.
2. Проводиться фільтрація сигналу. Застосовано простий метод обчислення середнього з 4 відліків. Тим самим зменшуємо частоту вибірки до 19,2kSPS.
3. Сигнал змінний з постійною складовою + 2,5V (0x7f). Випрямляємо його (віднімаючи 0x7f) і прибираємо шум поблизу нуля.
4. За накопиченими 5 відліками (усередненими) проводиться пошук локального максимуму (піку) за допомогою ковзаючого вікна, що зменшує смугу пропускання частот приблизно до 2,4кГц.
5. Регулюємо виданий на лампу ШІМ залежно від отриманої величини піку. Регуляцію я ввів з несиметричним обмеженням. Тобто. збільшую ШІМ з великим кроком, а зменшую з маленьким.
6. Регулюємо коефіцієнт посилення за допомогою цифрового потенціометра. Алгоритм регуляції пропоную наступний:

• а) Знаходимо максимум з усіх піків на певному інтервалі часу. У моєму варіанті, в середньому, цей інтервал становить близько 300мс.
• б) Якщо на цьому інтервалі максимальний пік склав більше 90% від вхідного діапазону, то зменшуємо посилення.
• в) Якщо на цьому інтервалі максимальний пік склав менше 50% від вхідного діапазону, то збільшуємо посилення.
• г) У запропонованій аналоговій схемі є наступний недолік: регуляція коефіцієнта посилення нелінійна через застосований спосіб включення потенціометра. Особливо сильна нелінійність при високому коефіцієнті посилення, тобто зміна потенціометра на один крок призводить до багаторазового збільшення посилення і, як наслідок, до перевантаження входу АЦП. Тому мені довелося відмовитися від використання останніх декількох кроків потенціометра (254 і 255), а замість цього посилювати сигнал, просто множачи його на 2 8.

Реальні вимірювання осциллографом показали, що алгоритм, в середньому, оновлює дані ШІМ з частотою 1кГц. Частота сильно плаває і залежить від перепадів амплітуди вхідного сигналу. Але, в будь-якому випадку, оновлення даних ШИМ відбувається не рідше ніж з частотою 100Гц, що достатньо для хорошої візуалізації. Зміна коефіцієнта посилення відбувається від 2 до 10 разів на секунду.

Проект прошивки мікроконтролера (ATiny45) для IAR v6.3 і схема з розводкою для Altium Designer 2009 лежать за адресою:

https://bitbucket.org/AiV_Electronics/6e1p_tube/overview

ЧАСТИНА 5. РЕЗУЛЬТАТ

Відео з результатом роботи лампи для різних музичних композицій

Лампа добре реагує як на звуки верхніх частот, так і нижніх частот. Відпрацьовує чітко, без затримок. Величина реакції адекватна гучності звуку. На цьому вважаю поставлене завдання вирішеним.

Хочу зауважити, що, хоча даний варіант є фінальним і не планується його подальше доопрацювання, тим не менш, дана версія залишає простір для поліпшення. Якби переді мною стаяла задача доопрацювання, то я поліпшив би схему в наступних моментах:

1. Змінив би схему джерела живлення на повністю імпульсну. Лінійний стабілізатор не став би ставити, тому що обмотка трансформатора видає тільки 47мА.
2. Змінив би схему включення потенціометра для виключення нелінійності.
3. Використовував би параметричний стабілізатор для формування віртуальної землі + 21V і зменшив би конденсатори С18-С20.

На цьому поки все. У майбутньому планую написати статтю з виготовлення механічної частини підсилювача і поділитися досвідом виготовлення корпусів РЕА з дерева, виготовлення деталей з листового металу, фарбування, покриття лаком і нанесення маркування через трафарети і штампи.

Дякую за увагу. Чекаю ваших питань і коментарів.

P.S. Заздалегідь турбуюся, що тема може перерости в обговорення лампової аудіотехніки та питань якості аудіо звучання. Тому прошу обговорювати виключно питання пов'язані з візуалізацією аудіо сигналу. Заздалегідь дякую.