Дипломна работа тема: Домашна аудио система дипломант

	Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т – С О Ф И Я
		ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

ДИПЛОМНА РАБОТА

ТЕМА:

Домашна аудио система

ДИПЛОМАНТ:

Диан Милчев Илиев

РЪКОВОДИТЕЛ:

Гл.ас Николай Тюлиев

София, 2011

Музиката е вид изкуство, в който средството за изразяване е звука. Създаването, изпълнението, значимостта и дори определението за музика варира в различните култури, както и в зависимост от социалния контекст, но в общия случай възпроизвеждането ѝ цели да се изрази от изпълнителя, и предизвика у слушателя, съответна емоционална реакция. За постигането на съответния ефект, се поставят различни изисквания към звуковъзпроизвеждащата техника, които за различните случай са специфични и доста различни, а понякога дори напълно несъвместими. При професионалната техника за звуковъзпроизвеждане, всяко едно специфично изискване се решава индивидуално според системата и нейното предназначение. Това прави системите изключително качествени, ефекта от тяхната работа е силно подчертан и осезаем, но също така силно повишава и цената им, което пък ги прави неподходящи за масовия потребител.

От друга страна са създадени и доста системи за звуковъзпроизвеждане в домашни условия. Те притежават универсалност, която ги прави подходяща за голям брой потребители, но за сметка на тази универсалност е занижен ефекта който трябва да предаде възпроизвежданата музика.

Вземайки под внимание универсалността на масовите звуковъзпроизвеждащи системи и персоналното възприемане на възпроизвежданата музика от слушателя, достигаме до един конкретен проблем - как да се създаде звуковъзпроизвеждаща система, която да притежава универсалността на системи за масова употреба (респективно да запазва относително ниската цена и малките размери) и същевременно да ѝ придадем индивидуалност, която да позволява постигането на максимален ефект от възпроизвежданата музика за отделния човек.

В контекста на персонализирането на звуковъзпроизвеждащите системи допълнително стоят въпроси за подсилване на ефекта на музиката, посредством пространствено разположене на високоговорителите, балансирането на нивото на звука който отделните говорители възпроизвеждат, добавяне на светлинни и други ефекти.

Разработването на настоящия проект ще бъде насочено към създаването на система, която да представлява възможно балансирано решение на изложените по-горе проблеми.

Днес на пазара съществуват голям набор от разнообразни звуковъзпроизвеждащи и мултимедийни системи, които могат да бъдат разделени на две големи групи - професионални и битови.

Професионалната техника е строго специализирана, доста сложна за монтаж и управление, със значителна мощност и цена, но и с много високо качество. Тя е и строго специализирана за различни цели и често изисква специализирано обучение за работа с нея. Така макар и с високи качественни характеристики, професионалната техника е крайно неподходяща за употреба в домашни условия.

Домашните системи за звуковъзпроизводство от своя страна са много разнообразни и се свеждат до няколко основни подгрупи :

• 
  Системи за звуковъзпроизводство от персонален компютър - предимно съставени от многоканални усилватели с малко опции за контрол и настройка и съдържащ главно усилвателни схеми за 2 или повече канала. Източникците на сигнали са аналоговите изходи на персоналните компютри. Сред най-известните производители на този тип системи са имена като Creative Labs, JBL, Logitech и др.
  
• 
  Системи за домашно кино - комбинирано възпроизвеждане на картина и звук, най-често с повече от 2 звукови канала. Разполага с по-богата опция за настройка и управление. Източници на сигнал са основно цифрови носители, но понякога се оставят и външни входове за аналогов сигнал. По големи производители на такава техника са Sony, Samsung, LG и др.
  
• 
  Аудио уредби - системи създадени с цел звуковъзпроизводство в домашни условия, често реализирани с 2 звукови канала допълнително филтрирани на няколко честотни ленти, добри интерактивни възможности, относително висока мощност спрямо останалите битови системи, и широк набор от източници на звук - аналогови и цифрови. Tук като водещи производители се налагат Pioneer, Yamaha, Sony, LG и др.
  
• 
  Мултимедийни системи - това са сложни комплексни системи за възпроизвеждане на звук, картина и видео. При този тип системи се отдава сериозно внимание на видеовъзпроизводството - голям набор от формати за четене, широк набор от разделителна способност на картината - като през последните години масово се интегрира и т.нар Full HD формат (1080p), а все по-често и подсистеми за триизмерно кино. Самата звуковъзпроизвеждаща подсистема е слабо променена от вече наличната в системите за домашно кино и много често дори е с доста по-ниски показатели, тъй като се разчита на звуко-възпроизвеждащата способност на телевизори и други системи, към които се свързват. Водещи производители на такива системи са отново Sony, Samsung, LG и др.
  
• 
  Портативен аудио плеър - това са системи за звуковъзпроизводство с изключително малки размери и мощност, предназначени за възпроизвеждане на звук от цифрови източници - най-често флаш памет вградена в тях и захранени посредством батерия. Целта на тези устройства е да може потребителят да слуша музика на места където е трудно, непрактично, или дори забранено пренасянето и използването на други аудио системи - например в парка, в офиса или автобуса. Малката изходна мощност, която осигуряват обикновено е достатъчна за да бъдат натоварени със портативни слушалки, но е крайно недостатъчна за по-големи товари. Тяхната преносимост и възможността им да възпроизвеждат цифрови аудио файлове им придава едно допълнително преимущество, което не беше предвидено от дизайнерите на тези устройства първоначално, но беше открито от потребителите и започна да се използва доста масово, а именно - тези устройства се оказаха доста подходящ източник на сигнал за голяма част от останалите аудио системи. Поради тази причина производителите и на едните и на другите започнаха да добавят интерфейси, и цифрови и аналогови, които да направят системите съвместими. Най-известните производители на такъв тип устройства са компании като Apple inc., Creative Labs, TEAC, Sony, а все по-често такива устройства се вграждат в мобилните телефони и смартфоните.
  

За профсионални и полу-професионални цели са разработени разнообразен набор от прожектори и лазерни устройства за светлинни ефекти. Те обаче са твърде неподходящи за използвнето им в домашни условия. Малкото такива налични на пазара модели за домашна употреба са по-скоро дизайнерска поръчка, отколкото масово произвеждани системи.

Други типове ефекти използвани в професионалните области пък са неподходящи и дори опасни за използване в домашни условия - такива например са димните и пиро ефектите. Такива системи са изключително скъпи и изискват не само специално обучение за боравене с тях, а дори специално разрешително. Такива системи, макар и доста ефектни, са забранени за употреба в домашни условия, поради което не се произвеждат.

Като цяло обаче системите за домашни шоу ефекти не са много популярни за използване в домашни условия. Причина от части е високата им цена и това, че в домашни условия те не се използват често - няколко пъти годишно например. Това до голяма степен пречи на развитието на системите в тази област и ги поставя по-назад в списаците на инженери и потребители, като същевременно нишата за реализиране на идеи остава свободна. Това дава възможност за развитието на т.нар. 4D кина. При тях освен прожектирането на 3D филми в киносалоните се добавят и допълнителни ефекти, които подсилват преживяването от филма - движещи се седалки, дим, вятър и други.

Разглеждайки отново основния проблем и решенията, които съществуват на пазара достигаме до няколко основни параметри. Те подсказват и възможните решения при разработването на системата за звуковъзпроизвеждане, тема на този проект. За краткост по-надолу ще я наричам просто "системата":

1. 
   Системата трябва да може да бъде персонализирана според желанията на потребителя, без това да оказва значително влияние върху цената ѝ.
   
2. 
   Трябва да разполага с поне 6 звукови канала за осигуряване пространственият ефект на звука - подобно на системите за домашно кино.
   
3. 
   Да има голям избор от източници на сигнал и съвместимост с лесно преносимите такива - подобно на аудио уредбите.
   
4. 
   Да разполага с голям набор от интерактивни възможности, позволяващи на индивидуалния потребител да комуникира с устройството по най-удобния за него начин (заимстваме от мултимедийните системи).
   
5. 
   Да разполага с възможност за интегриране на допълнителни шоу ефекти, които да допълват и подсилват ефекта от слушаната музика, подобно на скъпата професионална техника.
   
6. 
   Системата трябва да е гъвкава и лесна за употреба и интегриране към компютърните системи в къщи, като същевременно може да работи напълно независимо от тях.
   
7. 
   И накрая, но не на последно място - защитни свойства на системата. Тъй като с нея ще работят потребители, от които не се изисква да имат специализирани технически умения и познания, то системата трябва да има интегрирани защити, които да я предпазват от трайни повреди.
   

Това насочва разработването на системата като отворена система от модулен тип. Така подобно на персоналните компютри, потребителите ще имат възможност да добавят модули изградени спрямо личните им предпочитания, които да включат към системата си, без да им се налага да плащат за опции, които няма да използват. Частично подобна концепция се забелязва в цялостната гама на продуктите на Creative Labs. Като водещ производител на звукови карти за персонални компютри и системи за звуковъзпроизводство от персонален компютър, Creative Labs дават възможност на потребителите да превърнат персоналния си компютър в персонална домашна аудио система с богат набор от опции за управление, комуникация с други устройства и опции за източник на звук. Техните звукови карти разполагат с изключително мощни звуковъзпроизвеждащи опции, като някой от тях (Sound Blaster X-Fi Titanium series) разполагат с допълнителни устройства свързани със звуковата карта. Тези устройства дават възможност за локално и дистанционно управление на звука. Концепцията им като цяло предлага почти неограничени възможности за комбинация, но използването на персонален компютър като платформа за система за звуковъзпроизводство не излиза евтино.

Проектиране на системата като отворена система от модулен тип налага разделянето на модулите в системата на две основни категории - задължителни и избираеми.

Задължителните модули са тези, които ще бъдат монтирани като неразделна част от устройството. Те са от жизнено значение за безопасното и правилно функциониране на системата:

• 
  Централния управляващ контролер (ЦУК) - реализира управляващите алгоритми, настройките на системата и комуникацията с потребителя.
  
• 
  Интерфейси за контрол и управление - клавиатура, приемник за дистанционно управление, интерфейси към персонален компютър и за преинсталиране на управляващия софтуер.
  
• 
  Входни и изходни аналогови интерфейси.
  
• 
  Аудио процесори - управление нивото на входния сигнал, смесване и тон-корекция.
  
• 
  Течно-кристална, светодиодна и/или друга индикация за комуникация с потребителя.
  
• 
  Схеми изграждащи защитите и самоуправлението на системата.
  
• 
  Мониторни усилватели - малък усилвателен блок изграден от интегрални усилватели. Целта на този блок е да може системата да функционира нормално, дори когато няма включен усилвателен модул (описан е по-надолу). От своя страна включването им няма да повиши цената на системата чувствително, но ще даде възможност на потребителите да използват устройството пълноценно както в случай на повреда, отказ или отсъствие на основния усилвателен модул, така и като помощен усилвателен блок за допълнителна мощност.
  
  

Такива модули са например:

• 
  Усилвателен модул - един от най-критичните и деликатни модули в системата. Разнообразието на аудио усилвателите е толкова голямо, че би било напълно против концепцията на системата да се ограничи като задължителен модул. Това е причината в системата да има вградени само мониторни усилватели, като се остави възможност за добавяне на външен усилвател. Предпочитанията на хората тук варират в огромна степен. Едни предпочитат усилватели с минимални размери и цена предлагани от интегралните мощни усилватели. Други залагат на специално изработени транзисторни и лампови усилватели с прецизна настройка и високо ниво на качество на звука.
  
• 
  FM приемен модул
  
• 
  Модул за четене и възпроизвеждане аудио и/или видео от цифрови източници (mp3/mp4 плеъри) с управление през ЦУК
  
• 
  Модули за цветомузика и други шоу ефекти
  
• 
  LAN модули за управление и работа през локални мрежи
  
• 
  Резервно захранване - може да не се интегрира за да се намали цената, или да се избере различен тип според вида на резервния източник, опции за презареждане и тегло.
  
• 
  Други
  

• 
  Захранващият блок - Избираемите опции тук са много: захранване от акумулатор; импулсно или трансформаторно мрежово захранване; с допълнителни защити срещу пикови напрежения; допълнително филтриране на захранващото напрежение. Мощността тук също е фактор, който зависи от вида и броя на интегрираните избираеми модули.
  

Поради характера на системата и съгласно параметрите на заданието за проектиране, изграждането на отделните блокове на системата ще бъде организирано на няколко етапа.

Първият етап включва изграждането на задължителните елементи на системата. Характера на централния управляващ контролер и критичността му за системата не позволяват той да бъде избран първоначално. Поради това, първо ще се изградят схемите на останалите задължителни модули, които от своя страна ще зададат основните изискванията за ЦУК.

Като следваща стъпка ще бъде изграден блока на избираемия елемент заложен в заданието на проекта - цветомузикалния модул, и ще се установят допълнителни изисквания към ЦУК.

След обобщаване на основните изисквания, ще се направи анализ за необходимите параметри, които биха били нужни на системата за да поддържа богат набор от избираеми устройства и ще се обобщят като допълнителни изисквания за избор на ЦУК.

След като се обобщят критериите за необходимия контролер, ще бъде направено проучване за най-подходящ такъв. След това ще се избере и контролера който ще бъде използван.

Последния етап включва избор на захранващ модул, с параметри зададени от изградената до тук система.

Аудио процесорен блок

Този блок трябва да изпълнява няколко основни функции свързани с обработката на аудио-сигнала:

• 
  На първо място той трябва да може да управлява няколко отделни аудио канала за да може да се постигне пространствен ефект на звука. Такъв ефект успешно може да се постигне чрез интегриране на 6 сигнални канала в т.нар. 5.1 система.
  
• 
  Относно възможностите за управление на каналите, този блок трябва да може да осигурява:
  
  • 
    Контрол върху амплитудата на сигнала
    
  • 
    Баланс на нивото на сигнала между левите и десните канали
    
  • 
    Баланс на нивото на сигнала между предните и задните
    
  • 
    Баланс на нивото между нискочестотния и централния говорител.
    
• 
  Този блок трябва да може да осигурява и тон-корекцията на сигнала. Подходяща за случая е базова 3-лентова тон-корекция. В случай, че има изискване от потребителя за сложна многолентова тон-корекция, такава би могла да се проектира и интегрира към системата посредством разширителните портове за допълнителни модули. За тази цел трябва да се осигури вход на сигналите след тон-коректора.
  
• 
  Друго изискване към този блок е да може да смесва по подходящ начин каналите, така че да може да се използват и 6-те канала дори и в случаите, когато входния сигнал е стерео или дори моно.
  
• 
  Управлението на този блок ще бъде подчинено на ЦУК, поради което е необходимо той да е съвместим със стандартните вътрешношинни интерфейси - SPI, I²C, и т.н.
  

Тъй като този аудио процесор се управлява по I²C интерфейс, това поставя и първото изискване към ЦУК - за да може всеки един от 6-те канала да има напълно автономно управление. Предвид факта, че базовите им адреси са едни и същи за 3-те аудио процесора, ЦУК трябва или да разполага с поне 3 I²C интерфейса или да се изгради синхронизираща схема за управление на аудио процесорите през един интерфейс. Този детайл ще бъде уточнен при избора на ЦУК.

Схемите на аудио процесорите и стойностите на допълнителните дискретни елементи са избрани и свързани според предписанията на фирмата производител.

Схемата на свързване на аудио процесорите в аудио процесорния блок е показана на фигура 2.

Сигналите S1 и S2 са мултиплексирани посредством входния мултиплексор на аудио процесорите така, че да могат да изпълняват две функции: на предните ляв и десен аудио канал при работа на системата с 6 канален входен сигнал и като входни сигнали при работата на системата със стерео входен сигнал. Освен това S1 е свързан така, че да може да изпълнява функция на входен сигнал при работа на системата с моно режим.

Конекторите J6, J7 и J8 са въръзката на аудио процесорите с управляващите I²C интерфейси на ЦУК.

Посредством конекторите J3, J4 и J5 се осигурява връзка на аудио процесорния блок с мониторните усилватели, разширителния порт за усилвателния модул и връзка от разширителните портове за избираеми модули.

Този блок изпълнява функцията на базов усилвателен блок. В случаите когато системата не притежава допълнителен усилвателен модул тези мониторни усилватели ще поемат основната функция на мощни крайни стъпала. За случаите, когато пък има интегриран допълнителен усилвателен модул, тези стъпала може да се използват като допълнителни усилватели - за повече мощност или за по-голям брой канали (при изграждане на системи от типа 10.2 или 22.2).

Характеристиките които този блок трябва да има се свеждат до няколко основни изисквания:

• 
  Усилвателния блок трябва да е 6 канален, като два от каналите са с повишена мощност спрямо останалите (нискочестотния и централния канал). Това е необходимо за да се осигури плътността и "цвета" на възпроизвеждания звук.
  
• 
  Усилвателите трябва да са на относително ниска цена, лесни за интегриране, с малък обем и добри качествени показатели (мощност, смущения, собствени защити, възможност за диагностика).
  
• 
  Комуникацията с усилвателите трябва да е с подходящата логика, или да се изгради междинна такава за съвместимост, защото управлението ще е от ЦУК.
  
• 
  Тъй като този блок ще е в непосредствена близост до ЦУК и останалата част от електрониката, е подходящо захранващото напрежение на усилвателите да е относително ниско. Това ще предотврати вероятността от попадане на високи напрежения върху нисковолтовата логика на контролните сигнали, като същевременно няма да наложи изграждането на сложни допълнителни системи за защита, които да повишат цената на системата.
  

Изграждането на мониторните усилватели като транзисторни усилватели на мощност може да осигури на системата много качествено звуковъзпроизвеждане, защото настройката на всеки елемент може да стане много прецизно. Проблемите в случая са, че системата става доста голяма като обем, трудна за интегриране и настройка. Самото проектиране на достатъчно качествен и мощен усилвателен блок с транзисторни схеми би отнело много време и ресурси, а освен това при този вариант всички защити и схеми за управление трябва да се проектират индивидуално. И не на последно място цената на използваните компоненти ще повиши доста цената на базовия модел на системата. Поради тези съображения, варианта с изграждането на блока като транзисторни усилватели отпада.

Варианта за използване на интегрални мощни усилвателни схеми на този етап е най-подходящия за изграждането на блока на мониторните усилватели. Тези схеми притежават добри качествени характеристики, интегрират се лесно, малки са като обем и цената им е относително ниска. Също така имат голям брой вътрешни схеми за защита.

След проучване за подходящи схеми - такива с ниско работно напрежение, диагностичен изход, възможности за управление, ниска цена, добри качествени характеристики и т.н., подходящи за целта се оказаха интегралните усилватели на мощност TDA8510. Всяка интегрална схема поддържа 3 канала, като единия е с удвоена мощност, разполагат с диагностичен извод, защити от късо съединение на изхода и прегряване, 3 режима на работа, максимално работно захранващо напрежение - 18V.

В случая за да осигурим и 6-те аудио канала се налага използването на 2 интегрални схеми. Използването на 2 интегрални схеми означава повече място върху печатната платка, повече свързващи линии и т.н. Този избор обаче е направен не поради някакви ограничения, а напълно умишлено. Използването на 2 интегрални схеми има някой съществени предимства. Първото е, че дори при дефектиране на едната схема, другата може да функционира нормално. Друго предимство е разпределението на отделяната мощност - при 2 интегрални схеми практически мощността се разпределя върху 2-пъти по голяма площ, защото излъчена върху 2 точки на радиатора отдалечени една от друга, правят радиатора доста по ефективен, което пък спомага за използването на по-малък такъв.

Свързването на усилвателите и стойностите на дискретните елементи са съобразени с препоръките на производителя.

Изводите AMP1 и AMP2 са приспособени за работа с логическите нива на управляващите сигнали на ЦУК. Чрез тях се осигурява включването и изключването на усилвателите. Логическите транслатори са изградени като електронни ключове според препоръките на производителя на интегралните схеми и правилата известни от теорията [8] и [10]. Като изискване към ЦУК се поставя наличието на 2 извода конфигурирани като изходи (с общо предназначение).

Изводите DDD1 и DDD2 са диагностичните пинове на интегралните схеми, изградени като стъпала с отворен колектор в интегралната схема. Те са пригодени за работа с логическите нива на системата. Чрез тях може да се констатира насищането на крайните стъпала на усилвателите, което да доведе до съответната корекция на входния сигнал за да се постигне максимално неизкривен изходен сигнал, или отчитане на сработила защита за някой от усилвателите и съответното му своевременно изключване. За анализ на сигналите от тези изводи е необходимо те да се свържат към прихващащ модул на ЦУК.

Изходите на усилвателя се свързват към изходния аналогов интерфейс. Характерно за тези усилватели е използването на мостово свързване за нискочестотния и централния канали. Изходният сигнал се взима от изходите на два усилвателя единият от които е инвертиращ, а другия неинвертиращ. Това означава, че изходите им не са филтрирани с кондензатор, който да изкривява изходния сигнал. Заради това и двата извода на всеки от каналите е с постоянен потенциал спрямо маса (около 6V). Това свързване позволява отделянето на 2 пъти по-голяма мощност върху 2 пъти по-голям товар. Схемата на свързване на блока е показана на фигура 3.

Максималната сумарна мощност, която може да бъде отделена от тези схеми по каталожни данни е 104W. Захранването тук е предвидено да става с 12V, което е под максимално допустимите 18V. Това ще намали максималната изходна мощност на схемите, но избора на захранващо напрежение е направен така, че системата да е максимално удобно за свързване към разнообразен тип захранвания - акумулатори за автомобили, соларни системи, импулсни и трансформаторни захранвания предлагани на пазара за редица устройства.