开源64档继电器音量，可替换ALPS蓝壳27型
本帖最后由 丰年好大雪 于 2025-7-14 16:43 编辑音量这个东西只要是对信号进行被动衰减，基本上没有特别完美的解决方案，为了解决这个问题，我大概5年前就开始用自制的6bit 64档继电器式音量，来代替掉绝大多数自己日常使用的音响电位器。设计初衷是来自于实际使用中的许多问题：
碳膜型电位器的缺点：
1·寿命，氧化后会吱嘎作响的磨损问题。这个不展开了。
2·声道平衡问题。音量电位器无论是常见的27型，还是更贵的RK50型金属屏蔽电位器，其音量衰减都是使用碳膜+电刷，由于制造工艺的限制，碳膜电位器不论档次，出厂就有20%的允许误差！而继电器型电位器，最差最差也可以选用5%精度的贴片电阻。这个精度对于单端信号衰减的电路基本没什么问题，但对于今天很常见的平衡电路来说，自身就能造成相当比例的差模失真，平衡不平衡了，这不是要了命了？
3·狭窄的阻抗适配。成品音量电位器阻抗只有10K、20K、50K、100K等几个常用阻抗，而且基本都是输出固定阻抗设计。当你想把它用在类似唱放、话放这种阻抗适配灵活度要求极高的设备时，比如我给纽曼U87做的旁路滤波话放。需要输入固定阻抗，输出阻抗变化的设计（下一级电路是JFET），成品电位器是没有的。
那么继电器型电位器，问世也有相当的年头，淘宝套件也有很多，它又有哪些问题呢？
1·音量指示。由于继电器型音量很多使用旋转编码器来调节音量大小，因此音量级数需要额外的指示。无论是数码管，还是LCD/OLED屏直显数字，对于DIY来说，前面板CNC开槽都是一笔成本负担。而通用型带指示窗的机壳前面板，基本市面上没有。
2·体积。出于许多因素考虑，继电器电位器的PCB板总是被设计得非常庞大，个别设计者大概为了显得“厉害”，能“堆料”，把电位器档位设计成一位一组继电器的，就是说立体声双声道的单端信号如果是24位，就需要24x2=48个单脚继电器。而且PCB板过大，还会带来机壳内接线过远、距离变压器过近、跨度太大难以定位等问题，有点莫名其妙。如果要把这种电位器扩展成4路平衡电位器，体积上升一倍，成为了没必要的负担。
3·机壳内定位。这个问题是上述体积问题的一个延伸，理论上说电位器应该尽量靠近输入端，但实际上很困难。27型电位器这样设计就需要非常长的延伸杆，大PCB型继电器式电位器就需要靠近机壳后部打孔固定，再把音量指示问题解决掉。
针对以上各种问题，我的解决方案如下：
1·体积缩小，尽量支持原位替换ALPS 27型电位器。
2·尽量不使用外置电源，从板子上找个5-12v直流供电引过来就行。
3·摆脱音量指示，直接使用单片机的ADC引脚，从传统电位器上读取7-5点320度位置数字，再体现在继电器通断上。
4·做成PCB板串联结构，只要长排针够长，想串联多少个声道的继电器都可以。
5·可以灵活布置，如果遇到类似胆机、唱放那种继电器需要尽可能靠近信号输入端的，能够直接把这个电位器拆开安装，电位器板焊接到PCB上，单片机/音量控制板安装到音量旋钮位置，控制信号通过长排线连接——不让模拟信号走长距离。
出来的就是这么个玩意：
背面：
其中两个带有音量电位器焊盘的板子，一个是兼容传统RK097型电位器（焊盘稍小），还有一个是兼容RV09型电位器的。其中RV09型，纯粹是因为这种电位器的阻尼感强，手感比较精确，而RK097手感过于轻盈，十分垃圾。继电器板安装的是6组国产宏发HF4型微型信号继电器，其导通电流非常小，且焊盘微小，可以将0603型电阻在其背面安装（0805型基本没戏）。
阻值计算设计，可以参考: https://www.vaneijndhoven.net/jos/attenuator-calculator/index.html
使用这个电位器，千万要注意输入、输出端要尽量使用高指标低噪音运放进行驱动/缓冲，这是衰减式电位器面对阻抗必须解决的问题，否则小音量时缺高音、窜入噪声问题会像魔鬼一样伴随你存在。
目前未解决的问题：
1·遥控。未搞这个功能纯粹因为懒，因为最早设计这个东西是给手边用的话放/耳机放大器/混响器用的，不需要考虑音响的遥控音量问题，这个功能可以重新加上设计，只需要增加一路红外接收管，但调试程序需要时间。
2·屏蔽。最早的设计曾经想过用某款淘宝爆款的金属瓶盖，来制作简易的继电器屏蔽罩，但实际使用中发现并未窜入干扰（47k阻抗，窜入个屁的干扰），而且电路板设计成了方形，不易找到屏蔽壳，有兴趣的人恐怕需要自己做一个，或者用易拉罐皮剪一个出来（当心手被划伤），或者用硬纸板折成屏蔽壳，再贴上铜箔胶带入地实现屏蔽。
3·误触码。ADC读出的值是存在一个跳跃的，即在某些档位，读出数值存在011111到100000的瞬间读不准，使用线性电源减低纹波，和代码中使用抗混叠算法，能够一定程度上减弱这个问题，但实际使用中仍然有可能在电位器转到特定位置时，继电器出现“嘎嘎嘎嘎……”连续跳动的问题。
如果大家有兴趣，我可以按照大家希望的一些合理需求，修改设计，然后放到嘉立创开源计划中由大家自行修改、下载、制作。
更新1：电路图。
因为我一贯是无原理图做图，因此画了会儿电路图，把这个东西的电路画了出来，可以看到主控MCU是STC的STC8G1K08 20脚TSSOP，淘宝价格0.89元。继电器驱动芯片是PCA9554，这是一个I2C引脚扩展芯片，淘宝价格1.4元一个。稳压器用的78L05直插，用这个因为我手里有的是直插封装，您可以自由选择SOT89贴片件。
这一组设计的亮点是什么呢？是使用STC8自带的USB烧写功能，实现不用烧写器，直连电脑USB口在线调试！
将STC8两个引脚同USB母口的D-、D+相连，将P3.2（INT0）引脚串联常开按键，再串300欧电阻接地，将STC8的总供电引脚串联一个常闭按键或跳线帽接电，即可组成自带USB烧写驱动的基本形。
使用时打开STC官网下载的ISP软件，USB线连接MCU板子，按住常开按键接地，再点动一下常闭按键，或者拔插一下供电跳线帽，ISP软件即识别STC8，进入烧写调试功能，这样我们就省了一个MCU烧写器，实现了应用板在线调试。一边开着Keil改程序，一边插着板子调试看功能，方便得很。
另外，引出了I2C引脚和一个GPIO（带中断）引脚，如果需要，可以将I2C引脚接入LCD屏/DAC芯片/其他I2C设备实现软控制，而GPIO引脚可以自定义配置，比如设计成输入，可以接按键（一个可能有点少）、串口遥控芯片或者其他触发信号。如果设计成输出，可以做成串口通讯脚、电源LED灯……好多功能。 大手笔、大制作 万分感谢楼主，年轻不懂事开了太多坑，现在都不够时间填，单片机想学很久了的。 我去及时雨啊，只要体积合适就好 楼主能搞个模块式控制多声道的音量电位器就好了，可以2声道和多声道控制，一个模块2声道，5个模块10声道。 网上风雨68 发表于 2025-7-14 15:24
楼主能搞个模块式控制多声道的音量电位器就好了，可以2声道和多声道控制，一个模块2声道，5个模块10声道。
控制核心是不变的，就是一个单片机+电位器，单片机拉动电流有限，因此需要用一个可以驱动大电流的芯片去控制继电器，这个芯片可以无限扩展，要多少有多少。 丰年好大雪 发表于 2025-7-14 15:51
控制核心是不变的，就是一个单片机+电位器，单片机拉动电流有限，因此需要用一个可以驱动大电流的芯片去 ...
哦，好，楼主牛逼搞出来到时也搞一套试试，谢谢！ 这种要多少一个 啥时有套件 要几套 顺便问一下楼主有keil注册码或工具吗？我下的2024年过期了。 楼主技术派。
楼主能否仿一下金嗓子AAVA音量电路，多片音量控制芯片并联电路
uikyhuang 发表于 2025-7-14 18:12
顺便问一下楼主有keil注册码或工具吗？我下的2024年过期了。
Keil V5 C51已经全免费了，可以自己免费注册一下。 本帖最后由 HuBin168 于 2025-7-14 21:42 编辑
继电器电位器绝对是个好东西，没磨损，寿命长，失真低，声道又平衡。
去年研究过，对于没有多少功底的人来说还是太复杂了，不怕您笑话，单单MCU这一块，我就摸了将近1个月。
NA12WA-K继电器+ULN2803APG+ADC0804
不知道是我用的继电器不行还是哪里的问题，不放音乐调音的时候听见继电器“哒哒哒”的响，虽然不大，总感觉哪里不对。
而且调的时候扬声器里时不时来有点像接触不良一样的爆音，之前用普通电阻式的电位器没有底噪，用这个隔着半米远就听到扬声器里有隐约的“嗡嗡”声。
费劲巴拉，结果不尽人意，最后放弃了:'(
没那个技术，也没经验，希望能够看到楼主开源的信息，我再接起来捣鼓捣鼓。
本帖最后由 丰年好大雪 于 2025-7-14 21:53 编辑
333ESJJ 发表于 2025-7-14 20:20
楼主技术派。
楼主能否仿一下金嗓子AAVA音量电路，多片音量控制芯片并联电路
AAVA我在很久……很久以前曾经在论坛里提过一嘴，后来自己搭了个板做了个实验。
结论是不怎么地。
AAVA是一种典型的有源音量，和无源衰减（哪怕是先放大再衰减再放大也是无源衰减）。其原理是这样，它将输入的信号，做一下VI量化，是的，电压转电流，转换成不同响度的2^16次方，即65535级电流信号。
接收端用IV跨阻转换电路（其实就一个IV运放），用R2R的模式去选通这65535级信号，做累加，然后转换成电压信号，送往下一级。
理论上，AAVA解决了电压衰减式音量的几个问题：
1·阻抗匹配问题。
电位器式电路或者输入阻抗恒定，或者输出阻抗恒定，对于信号源，或者下一级的放大器输入，是不可忽视的负担。
当输入阻抗恒定，输出阻抗不固定时（最常见的电位器结构），输出阻抗从0到1/2个总阻抗之间滑动，这个阻抗得不到良好补偿，高频会受损。还记得前年论坛吵架吵了几层楼的弱智贴“音量电位器阻值对音质的影响（实测结果）”么？他们吵了几层楼，最后发展到互相问候父母，其实楼主的测试结果，就是电位器阻抗和电容之间形成了滤波器，在小音量时电位器成为了低通滤波器，滤除了一部分信号高频的结果。只是楼里混战的双方已经冲昏了头脑，没人在意科学原理了，只关注于对方的爹娘是否健在。
当输入阻抗不固定，输出阻抗固定时，输入阻抗从2R到1000R之间滑动，虽然对于输入端来说，高阻抗容易驱动，但毫无疑问会窜入可观的噪音。参考一下如果你的电位器是10K，则输入阻抗从20K-20M之间滑动。20M电阻如果是场效应、电子管的栅极，是可以直接当天线用的……。
而AAVA,由于其压-流-压的工作特性，输入输出信号都是有源的，整体输出输入阻抗等于运放，内部的运放有源VI电路，可以看作没有交流电压信号流过，因此没有阻抗匹配问题。
没有交流信号，木有想起什么哦？功放里常见的Cascode共基共射串叠电路，人们叫它什么啊？电流传输电路。理论上Cascode非常完美，现实中用这个电路的功放不扑街的很少。:lol
2·精度问题。其实这个问题是阻抗匹配问题的延伸，在电阻型电位器中，由于交流信号经过电阻，而电压变化是需要时间的。所以即便我们用多路继电器去导通信号，由于导通电阻的存在（即便小到mΩ），在特定的音量衰减幅度下，导通电阻也会造成失真的恶化。更不要说经过正负供电的模拟开关芯片了（这恰恰是PGA2311这种电子音量芯片的工艺），截止2025年，世界上导通失真最低的模拟开关芯片，其THD级别仍在0.0005%以上。
但模拟开关走的是电流信号，哈哈，导通电阻完全不起作用了。
3·寿命问题。不使用机械接触、跳变的元件，AAVA仅使用电信号控制的模拟开关、运放，毫无疑问寿命会非常非常长。事实上10多年前金嗓子前级，流通了2-3手，盖没开过，灰没清过的充新品在二手市场有的是。
4·精细得多得多的音量级别。这样可以灵活的通过调整每一级音量的步长，甚至设计成为非线性步长，做出符合人耳听力习惯的对数型电位器。
但AAVA，在解决了一些问题之余，又创造了几个问题出来！如下：
1·并非纯电流耦合。是的，AAVA无法解决真正的VI转换电路的诸多问题，比如空载时的0电位精度。因此在每一级的VI运放后边，仍然可以看到一个对地的负载电阻，这个电阻，把AAVA事实上仍然变成了电压衰减式有源音量，只是其交流信号的振幅极低而已。
2·已经触碰到天花板的谐波。FFT的测试表明，AAVA从最早的一代产品到今天最新的C3900，其总谐波失真指标是基本未变的，基本稳定在-110dB@0dB这么个指标下，其中谐波成分主要供应者是电源噪音。而最新一代的NJR的音量芯片，已经突破了这个指标。
3·难以匹配的电阻阵列。AAVA需要16组IV/VI电阻组合，每一组需要特定的6只电阻，其中许多阻值是市面上难以买到的，计算出来却难以得到，可能只能以串并联方式得到一个特定的值，值不准就会对总体音量的精度有影响。
4·混叠问题。楼上有个网友说他的电位器音量会咔咔作响，这个就是ADC采样的混叠问题，特别碰到某些挡位时，单片机对音量的控制会处于011111-100000之间跳变的状态，金嗓子的AAVA也存在这个问题，事实上更大——AAVA没有一个音量的绝对值，或者说，它的音量大小是不准的，可能时时在跳动。只是因为导通的是模拟开关，金嗓子面板显示的音量又不是那么精确，你听不出来而已。
综上，AAVA是一个优点很多，缺点也明显的设计，特别是当音响系统中最大的失真来源并非来自音量部分时。因此我不会把这个东西装进我的设备，特别是要顶着抄袭头衔时。 HuBin168 发表于 2025-7-14 21:26
继电器电位器绝对是个好东西，没磨损，寿命长，失真低，声道又平衡。
去年研究过，对于没有多少功底的人来 ...
0804采样导通继电器的设计么？这个就是混叠问题，我的设计也无法全部避免，只能减弱。 感谢大佬的分享！ 丰年好大雪 发表于 2025-7-14 21:38
AAVA我在很久……很久以前曾经在论坛里提过一嘴，后来自己搭了个板做了个实验。
发烧求败吗那种简化版呢 水油青年车好 发表于 2025-7-15 08:08
一掐翻白眼的中国制造臭大街了，人民币已成废纸
脑子有病吧？! 10位ADC取6位结果，程序上做平滑滤波+滞后处理（类似于电压比较器的正反馈，就是你说的抗混叠吧）还是能够很好的稳定输出，另外继电器跳变速度个人感觉不宜过快，加上一个0.1秒或0.2秒的时基采样输出可能会好一些。另外还有一点，MCU的ADC输入，一般来说会在MCU的ADC引脚近端串一个RC滤波，一般取1K+0.1UF 几年前就想做个音量控制，PCB都画好了，但到现在没有手动，一是音量显示问题没想好，二是当快速转动音量时，是直接跳到目标音量还是继电器不停的响一路响到放手，也没想好，但抖动问题倒是想好了:适当迟延反应，标记最近的三个状态，当状态来回摆动时，忽略掉。
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楼这个更简洁，实用。
希望楼主开源不要烂尾:lol