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[改机贴]为雅马哈PSR-330加装线路输入和线路输出功能板

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1#
发表于 2013-4-12 18:22:03 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    PSR-330型号较老,不提供音频输入输出和话筒输入的功能。在自己创作和改编作品时,或者演出时,带来了一些不便。我花了两天时间,自己设计制作了一个基于TL084运放的混音板,加装在了我的PSR-330爱“姬”上,给PSR-330增加一个线路输入接口,并与琴自身的声音混音后,由琴的音响系统播放,并且提供一个标准的线路输出接口,可以外接调音台等。

    因为PSR-330的主板控制逻辑,使用的是雅马哈自产自销的专用芯片(ASIC),所以无论是其控制电路还是控制程序,我们均无法随意改动,所以增加音频输入输出功能,只是基于在电路相对简单的功放板上做手脚。于是一切针对音频输入和输出的调节,我们就只能在加装的混音板上完成,使用琴的控制面板是无法操作的。
   
    目前的状况是测试OK。接下来我可能要细化一下原理图,然后做几块PCB板出来测试,并且在琴上开孔安装混音板。

    在这里公开我全部的设计资料。但是在这里公开的几乎都是草图。模拟电路是门艺术,所以细化的图纸资料我需要继续修改和整理。之后我会把原理图和PCB Layout图公开。测试版需要至少半个月的时间才能出品(PCB工厂的加工需要至少一周的工期),所以请大家耐心等待~成功之后我再继续分享~

    首先提供一个我录制的最终测试视频:



    接下来是图片和资料大放送~


    DIY混音板的正反面:
    直插电容+直插芯片+贴片电阻,好一通凌乱……


    可爱的TL084:

    TL084是差分级为JFET的四运放,是目前大量应用的通用运放之一。不同于NE5532那种低音肥肥的感觉,TL084声音清丽,如清纯的少女般(咳咳~小天同学在家宅了几天弄DIY,相思病又犯了……),能够很准确地还原出声音,我喜欢TL084的声音~
    PS:我是穷人5555……票票不多,虽然想烧但烧不起,所以请恕我没有听过高端运放的声音吧……我听过最好的运放就是OP275了,被我拿来打磨我的创新CT4760声卡了~

    DIY混音板的功能设计框图:

    实际上就是把原来琴DA的输出,同音量电位器之间断掉。然后加入混音板。混音板的输出给琴的音量电位器,同时给线路驱动器Line-Amp用作线路输出。这一版上我没有做话筒输入,因为不太清楚电容话筒的电气特性,在稍微搜索一下之后,发现电容话筒的驱动电路有些难搞。而且还要做一些混响等等的话筒信号处理,所以就不加入了。先弄出基本功能,其他的以后再说。

    DIY混音板的电路设计框图:

    PSR-330使用单电源供电(0~12V),而单电源供电条件下,信号若想被运放所处理,就需要增加一个直流偏压,将信号抬到(1/2)Vcc,否则运放输出会进入非线性区,甚至发生振荡(为了验证这个问题,我特意搭了个电路实验了一下,得到了一些很有趣的结果,测试视频稍后提供~),那信号就完蛋了。所以单电源应用下,运放电路的设计有些费事。从这个框图可以看出来,利用电容将输入信号中的直流分量截去,并且将信号增加一个UB=(1/2)Vcc的直流偏移,并参与运放的处理。最后输出时,再利用电容将UB截去。
    因为电容的使用,导致混音板的低频响应不佳。后来经过计算及尝试,最终可以把混音板的通频带做到了30Hz~20kHz。这个测试的视频我稍后贴出。
    可以看到,整个混音板的核心,是一个利用运放实现的反相加法器。通过加法器,就可以把各路信号叠加并输出。而在加法器之后,又利用以及反相放大器将相位矫正过来。这两步的增益都是单位增益的,仅仅是实现了叠加和倒相的作用。这是因为琴的后级功放部分,已经有了信号和功率放大电路,此处不需要再放大信号了。放大过度反而会出现失真。通过叠加+倒相后,信号一路返回给琴的音量电位器,另一路再经过一个同相放大两倍后,作为线路输出。
    又因为混音板的核心使用的是运放反相加法器,根据电路的叠加定理,我们可以十分方便地加入其他信号(比如话筒信号),并轻易地与现有信号叠加输出。
    音频线路输出的工业标准是50欧姆阻抗,2Vpp。那么混音板的线路输出规格我就是按照这个参数来做的。测试视频我稍后贴出。

    DIY混音板的电路图(草图):

    这是一个电路图草图,仅供参考。在这个图纸中,虽然各个运放的输入端,电路描绘得较为详尽,但输出端并不是很完美。因为信号的直流通路设计得并不是很好。所以实际的电路是有更改的。模拟电路是门艺术,所以我还得慢慢地、细细地调整电路形式和参数~

    PSR-330功放板图片,及运放部分的原理图:

    左边的照片就是PSR-330的功放板。功放板左上角的黑色长条状芯片,就是运放,NEC的uPC4570;带有散热片的就是功放块,三洋的LA4705。
    附上uPC4570和LA4705的芯片手册:
    uPC4570: upc4570.pdf (344.75 KB, 下载次数: 1)
    LA4705: LA4705.pdf (237.13 KB, 下载次数: 2)
    这个图纸是我照着功放板的PCB板,扒出来的运放部分电路图。这个电路设计得很精妙!尤其是输出端的处理,巧妙地提供了相位补偿,并且照顾了信号的交流部分和直流部分。不但遏制了直流增益,提高了交流增益,并且为输出端的直流分量提供了一个泄放通路,而交流部分直接传递给功放块!

    设计草稿:

    ……T^T……
    啊哈哈……我的狗字,这下子被大家看到了……请无视我的狗字吧……55555……这是一些设计手稿。左边的图片就是在扒uPC4570的电路。右边的图片是我在试图通过计算,得到混音板的数学模型。当然最后还是得出结论了,增加了一个直流偏压UB之后,板子输出的交流信号是可以被放大,而且直流偏压不变的。

    那么接下来还有几段测试视频,“TL084运放在单电源应用下的输出特性测试”、“PSR-330的DA输出特性测试”、“混合器板的通频带测试”、“混合器板线路输出电平的测试”、“混合器板模拟实际情况测试”。这些视频都是分段的文件,我需要先用软件编辑及捏合一下,再一次贴出。请耐心等待~

    这个帖子我编辑了一个小时……肚子饿了,找食去~



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2#
发表于 2013-4-12 19:02:05 | 只看该作者
刚看了楼主的演示。楼主很牛,动手能力太强了。赞了。
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3#
发表于 2013-4-12 20:21:03 | 只看该作者
一句话:电路基础扎实 期待您的后续 呵呵
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4#
 楼主| 发表于 2013-4-14 13:30:17 | 只看该作者
那么这个是测试视频,半个小时左右,包含了“TL084单电源应用时的输出特性”,“琴DA的输出电压”,“混音板的通频带”,“混音板线路输出电平测试”,“混音板模拟实际情况测试”。



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5#
发表于 2013-4-15 14:52:17 | 只看该作者
楼主也是个很能干的电子爱好者呀。很好,这样的人既可以开心地玩琴,又可以随时对旧琴加以改造,就是动手能力强。看来论坛里这样的人还不少呢。
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6#
 楼主| 发表于 2013-4-16 11:38:30 | 只看该作者
一琴百练 发表于 2013-4-15 14:52
楼主也是个很能干的电子爱好者呀。很好,这样的人既可以开心地玩琴,又可以随时对旧琴加以改造,就是动手能 ...

      哈哈~谢谢鼓励~嗯,我要是放在十年前还算得上是一个小无线电爱好者呢,现在——往好听了说叫电子工程师,往不好听了说叫IT民工、代码工人、码农……
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7#
发表于 2013-4-16 13:57:46 | 只看该作者
华北kingsky 发表于 2013-4-16 11:38
哈哈~谢谢鼓励~嗯,我要是放在十年前还算得上是一个小无线电爱好者呢,现在——往好听 ...

哦,原来你是电子专业人士,本老汉还小瞧了你。不错不错,向你学习!
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8#
发表于 2013-4-19 12:42:26 | 只看该作者
小天兄弟的认真劲是没法说了,连在下都自愧不如,平时我都很少去研究一个电路的具体工作原理,现在比较爱拿来主义,只要好使就套上,要不然想出一个产品那太费时费力了~~

我的意思就是模块式搭配,只要各模块间匹配好阻抗和信号就可以。当然小天同学是抱着学习的态度来DIY的,不象咱们这些偏向短平快的做事方法~~

上段时间我都想做一个4通道音频合并器成品出来的,不过我有了更好的项目就不搞了,直接X宝买个小台子完事,哈哈,无论如何,顶一个就是了~
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9#
 楼主| 发表于 2013-4-24 21:54:54 | 只看该作者
      哈哈,我想把这个东西做个套件出来,外壳都选好了,可以直接在琴壳上挖个方形孔,把混音器嵌进去,螺丝拧上就OK~壳子有黑色壳和白色壳两种颜色~其他颜色需要定制,恕我只是DIY爱好者,只能用公模产品。没有批量,定制不起的……


      电路经过东改西改,也改得差不多了。现在碰到一个问题,大家会使用干电池来演奏吗?
      说白了,如果按照现行方案改装的话,使用干电池演奏时,电池的使用时间可能会较改装前缩短一些。电池电量低时,琴虽然也能正常操作,但可能声音会失真。
      这个小混音板,主要是给老琴使用的。老琴都有干电池仓,可以用六节一号干电池来供电。TL084运放并不是为低压而设计的运放,所以在干电池电量低时(此时电压不超过6V),TL084供电不足,线性区缩小,输出可能会削波(clipping),声音失真。
      另外,为了方便调音,我给混音板增加了一个LED输出电平指示功能。10个LED同时亮起时,最大电流可能达到30mA。之前实测过,混音板的静态电流在35mA左右,已然相当大,加上LED驱动芯片TA7666P本身耗电(约5mA)与LED指示灯,电流直接冲到70mA,偶尔的大动态输出时,耗电达80mA。如果直接并联入琴的运放电源上,运放电源可能会超载,对输出的音质和器件本身都有损害。琴运放的供电若是选用稳压器(线性或者DCDC),大概没问题;但若有些琴的运放是使用简单的稳压管等来稳压的(反正单个运放耗电也不高),输出电流本身就有限,且稳压性能很大地受负载的影响,挂上混音板之后一定会有问题的。
      所以,我打算在混音板内部实现一个降压电路,直接对琴输入的电源来稳压。若使用线性稳压器的话,由于LDO固有的压降,所以可能会出现上面段落所示的“运放低压工作不良导致失真”的问题;如果使用DCDC的话,又担心干扰大,并且电路也稍复杂,不会简简单单地“买一个焊上”就能用,调试起来也费事。
      或者选用新型的轨到轨(rail-to-rail)运放?但芯片偏贵(我用过一种常见的轨到轨运放,TLV2374,其单片的售价就够买七八片TL084了……),而且在音频应用中的效果究竟如何,也不好说。
      从时间上算,我最多还能零散地搞一个月。如果这一个月内出不了套件的话,那就又得拖到不知道猴年马月去了……
      估计有人会感叹“考虑得这么细,有必要么”。这个……还是考虑得细致一点儿吧,打破“国产货中看不中用”的怪圈,先从自身做起吧,哈哈~~
      
      请诸位发表看法,如果有了混音板,则可能缩短干电池的使用时间,这个缺点大家能克服吗?
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10#
发表于 2013-4-24 22:19:44 | 只看该作者
期待成品出炉!
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11#
 楼主| 发表于 2013-4-30 02:55:39 | 只看该作者
      这段时间一直纠结于如何让TL084运放适应从5V到18V之间的各种电压,尝试了好几种电源方案,但结果都不理想,还烧了三片DCDC芯片(企图通过增加LRC等电路来减小DCDC的噪声,结果电路自激了……共计损失15元,一顿的饭钱没了)。后来一琢磨,有钱用DCDC,还不如直接换运放了,还省得担心噪声问题……
      今天花了一上午+半个下午的时间,又焊了块混音板,验证了最终版电路图,以及各项测试指标的正确无误,并测试了一下rail-to-rail运放TLV2374,指标正常,主观听感也不错,声音虽然没有TL084那么清丽,但声场比TL084更开一点儿~
      吃完晚饭,开始画PCB。一直画到刚刚的凌晨两点半……困抽了……汇报一下进度,直接去觉觉……

      贴出目前的v0.1版原理图,及PCB Layout示例图~

Mix_MixBrd_v0.1.pdf (70.56 KB, 下载次数: 2)
Mix_IoBrd_v0.1.pdf (61.9 KB, 下载次数: 2)

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12#
发表于 2013-4-30 10:50:39 | 只看该作者
华北老师太专业了。佩服。谢谢华北老师无私的奉献,连版图都提供出来,要做的话,就很容易了。
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13#
 楼主| 发表于 2013-5-8 16:42:02 | 只看该作者
      今天PCB制板厂的MM给我打电话,板子已经出来了,明天可以到中发柜台那里取到手。兴奋哪~^o^~
      这一高兴,差点儿把家父大人拜托我的事情给忘了,去西直门佳能客服那里取修好的镜头。单反果然穷三代啊,镜头摔了一下,成像模糊,找客服调整了一下分辨率,¥400……修吧,再怎么修也比买一个要便宜不是……
      取完镜头回到家,就把邪恶的双手伸向了我的爱姬——PSR-330了……我要给她开膛,肢解了她,哇哈哈哈哈哈哈哈哈~~~(小天同学黑暗天蝎属性大爆发,已黑化,请勿靠近……)
      咳咳,我们要响应精神文明建设精神,建立和谐社会,这种用词是不恰当的。所以……我也就是说说而已,嗯……其实就是在机壳上挖一个方形孔,使混音板的盒子可以嵌进去并固定~

      首先呢,到这个壳体供应商的网站上,把这个壳体的机械图下载下来。这个供应商还是很正规的,尺寸和材料等资料一应俱全,赞一个~

      之后,就要请爱姬上手术台——呃,是操作台,操作台啦~收拾好操作台,把琴翻过开,打开并卸下底壳。根据前几楼我的设计,我准备把混音板装在左扬声器前边的侧板上。这里的空间刚刚好~

      把壳体摆正,用铅笔把轮廓先画出来,找好四角的位置。

      接下来,请出作案工具之——手电钻~

      为了方便,先钻出四个角的定位孔,然后以这四个角为顶点,画一个矩形。这就是壳体的轮廓。

      继续用手电钻,沿着画出的轮廓线钻出邮票孔,这是为了方便卸下中间这块板~

      再请出另一套作案工具之——笔刀~

      做模型的童鞋可能对笔刀不会陌生。不过我这里是为了沿邮票孔把中间的板子切断的。其实我这里应该用更好的工具——锯,但是我没有……所以这里最费周折。看起来这个琴蛮羸弱的,琴壳居然有半厘米厚,而且用的还是一种偏软的塑料,切起来相当费事,还残害了我的两跟钻头(钻头旋转产生热量,把钻孔处的塑料熔化,所以钻头被塑料糊得紧紧的,已然不能用了)。本来有钢锯的话,半小时搞定,结果我花了一个多小时才切掉这块板子,还把一处结合点弄断了,只能拿502再粘上……
      费劲九头牛+二头老虎,它们一起吃奶的劲儿,终于把这块小塑料板抠下来了……

      这个方孔是偏小的,最后还要用锉刀仔细地修一下边,扩一下尺寸。

      最后,盒子可以嵌到方孔里了~再在两边钻两个螺丝孔~看看最终效果吧~



      明天板子就拿到手了。料件已经准备齐全,板子到手直接焊一块,安装妥当之后测试一下~


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14#
发表于 2013-5-8 17:44:33 | 只看该作者
华北老师厉害,不光有聪慧的大脑,丰富的知识,还有自我操作的能力,佩服。等你完全胜利的消息。
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15#
发表于 2013-5-10 12:47:45 | 只看该作者
华北kingsky 发表于 2013-4-30 02:55
这段时间一直纠结于如何让TL084运放适应从5V到18V之间的各种电压,尝试了好几种电源方案,但结果都不 ...

TL084耐压正负18V .应该不需要转换器吧。
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16#
 楼主| 发表于 2013-5-10 17:44:53 | 只看该作者
rgwan 发表于 2013-5-10 12:47
TL084耐压正负18V .应该不需要转换器吧。

      嗯,高压倒是没什么,但低压的时候,TL084线性区很窄。低压主要是为了使用电池时考虑的。PSR-330可以安装6节一号电池,满电时9V,没电时6V。而TL084在0-6V供电时,线性区的下限也有1V多,所以要是输出电平在2~4V的话,很有可能在某些大动态的时候失真,就是所谓的clip。
      关键是我把原机的音频通路给断掉了,所以电量偏低的时候,混音板不能严重失真,否则这电池的使用时间也忒短了点儿……现在换运放了,TLV2374,轨到轨运放,输出可以达到电源电压~所以低压这个问题基本不存在了~
      今天拿到板子了~一下午时间焊好一块,结果发现我已有的螺丝太大了,拧不上……明天再去买螺丝……
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17#
发表于 2013-5-10 18:20:01 | 只看该作者
华北老师真辛苦,真实的,搞个东西太难了。一个螺丝值不几厘钱,要买的话,搭上功夫再坐车,真是麻烦。支持楼主的坚韧不拔的精神。
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18#
 楼主| 发表于 2013-5-10 23:15:54 | 只看该作者
      在这个木有雾霾,木有阴雨,阳光明媚,清风徐徐的日子里,混音板的电路板终于被我拿到手啦~中午顶着太阳去中发拿板子,回来端详了一会儿,开焊~花了一个小时焊完,再花一个小时把壳子做好。但发现我手里有的螺丝太大了,明天再去一趟,搞些合适的螺丝回来。顺便打听一下表面贴层封膜要多少钱~总之万事俱备,只欠东风~完成度95%~继续上图~

      空板子~两套板子,三百元,各打样15块~












      开好的壳子~正面看起来还是蛮萌的说~神似兔斯基,叼着根烟卷,还带两块腮红,哈哈~~


      背面,这一排插口是电源输入输出,琴DA输入输出,麦克板输入~


      内部结构~


      明天全部搞定之后,嵌到琴上,调试完成,录demo视频~

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19#
 楼主| 发表于 2013-5-10 23:20:31 | 只看该作者
明听 发表于 2013-5-10 18:20
华北老师真辛苦,真实的,搞个东西太难了。一个螺丝值不几厘钱,要买的话,搭上功夫再坐车,真是麻烦。支持 ...

还好吧,我有车嘛——虽然是自行的,嗯……我这里骑自行车去中发也就二十分钟,就当锻炼了~这个倒没什么~
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20#
发表于 2013-5-13 11:59:52 使用第一键盘发送 | 只看该作者
楼主动手能力很强,佩服,你把四运放TL-084 6换成TL-074 音质会更上一层楼。
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