【HIFIDIY 第十二届DIY大赛】单端模拟输入的双30W（8Ω）数字纯后级功放设计与制作

edithli

可能因为过节，有点灵感大爆发的感觉，所以……
当前进度，隆重介绍：
软件设计构思 与 绘制PCB版图 正在同步进行。

现在，我向大家介绍一下我的软件设计构思，初稿多少都会有一些不足，功能也相对简洁，我会不断完善和优化滴。
各位坛友大虾，请快来帮我看看，提些建议，让这个设计更稳定更可靠呀~~
上图喽……
图22: MCU软件流程图

edithli

今日进度：DIY~空口无凭，画板为证！(*^__^*) 嘻嘻……我的PCB板画得差不多啦。

四、绘制PCB板图

窃认为，PCB板是连接电路原理与工程实践的重要载体、桥梁。

     绘制PCB板图——在DIY中，是对理论的首次实践，也是实践对理论的重要检验，更是DIYer从”纸上谈兵”迈向”实战”的关键一步。

由于我这是数字功放，所以对高速数字设计和数模混合电路的处理的掌握要求更多。

本次画图的“道”（思想）——最大可能地实现电路原理图和保障性能

本次画图的“法”（方法）——首要满足高速数字电路的布线规则，并结合低速模拟电路的布线规则，进行混合设计。

本次画图的“术”（实施）——（1）数字部分：考虑到分布参数的影响，选用的器件都是小封装小体积的表面贴装器件（大容量主滤波电容除外），器件之间布局比较紧密，走线尽量短而粗；双面电路板布线采用大面积铺铜，底层做成完整地平面。（2）模拟部分：PCB板单独划分模拟电路区，并对供电、信号输入输出端口进行RF滤波和隔离；保留一些模拟音频电路上的“发烧”做法，比如输入信号隔直电容不再选用贴片电容，而选用一定体积的插件电解电容，进行一定程度上的合理的“调音”。

目前正在整图收尾，完图在即，一旦完成，即刻上传，完整PCB板图也与大家分享，并希望得到大家的指教和帮助~~谢谢大家！

本楼，我先依次放上PCB板图上的局部截图，五个模块——地平面分割、数字功放、时钟电路、电源电路、模拟输入电路。请大家指教。

（1）首先向大家隆重介绍——地平面分割

还记得我在前面设计ADC外围电路时，在11楼简单提及的其PCB设计想法吗？我已经将之付诸实践啦！

当时发在11楼的构想：“ADC外围电路的PCB设计：众所周知，ADC是数模混合IC，layout对性能有很大影响，对此，我现在的想法是——统一铺地，并且，将PCB板分为数字部分和模拟部分，这两部分铜皮在ADC芯片处连接在一起！” 现在请看本楼的实践（图23）：

图23：地平面分割_ADC_GND_PCB

继续放图~~

（2）数字功放

图24：数字功放_AMP_PCB

（3）时钟电路

图25：时钟电路_CLOCK_PCB

（4）电源电路

图26：电源电路_POWER_SUPPLY_PCB

（5）模拟输入电路

图27：模拟输入电路_ANANLOG_IN_PCB

请大家指教~O(∩_∩)O谢谢

edithli

啦啦啦~~又一个重要的节点时刻：PCB板画好。

现在发上PCB板全图（图28），请大家指教~love & future
PCB板尺寸：170mmx73mm
图28：all_broad_PCB

edithli

今天已经投板~静待佳音。

new1510

edithli 发表于 2017-5-5 21:46
今天已经投板~静待佳音。

厉害了，我的哥，好快呀

edithli

new1510 发表于 2017-5-6 00:42
厉害了，我的哥，好快呀

谢谢版主莅临和鼓励~这画PCB的速度，我也是持续烧脑，重点突破完成滴~~
今天周六，选机箱，轻松一点儿，算劳逸结合。看见其他参赛作品，有的都已经装机、开声了，他们好快呀~~
我接下来还有贴板、软件、装机、调试，求继续鼓励~ 。请版主也多多加油，持续更新呀~~

edithli

昨日无图！就在这新日之初，与大家交流一点心得：       昨天白天选好机壳，已下单。
           晚上把软件编程的思路又理了一下，不出所料，确定目前数字功放芯片的软件控制是要下功夫的，其它都较易实现。思路理清后，首要工作就是着重把STA350BW的datasheet又浏览了一遍。这是一片几十个寄存器的器件，但是，很多不用额外设置，使用上电后默认值就可以，所以，其实这个芯片表面上看着挺复杂，动手做，就发现实际没那么难。这一心得与大家共勉。

明天陆续把与编程有关的寄存器截图在帖子里，与大家分享，并作备查。

好啦，大家晚安！

edithli

今天继续等板，同步进行的是熟悉软件、准备器件。

所以，今日美图就是为贴板准备的核心器件，美图两张（图29，图30），请欣赏。

图29：核心器件集合

制作到现在，我的作品“love & future”已初具雏形，除了内在的隐形的技术，有一个特点，那就是——“小”——体积小、重量小、功率小，耗能小。I love it.

图30：核心器件清单

1.快速整流管，MUR420（200V/4A），用作整流

2.磁环，输出共模滤波

3.单片机，STC15W408AS

4.ADC芯片，CS5341C22

5.单非门，SN74LVC1G04，时钟振荡器用

6.数字功放芯片，STA350BW

7.输入信号共模滤波器，ACM2520-102-2P(TDK)

8.低压低噪声双运放，TS972

9.一体成型功率电感，22μH，5A

10.光耦，TL356N

11.晶体，24.576MHz

12.运放，NE5534，稳压电源用

13.小功率管，C9015双极型

14.AVX高性能钽电解电容

15.电源调整管，IRF530N

16.可调三端稳压IC，LM317S

       数字功放性能的保证，不以堆料为基础，恰恰回归技术本身，我想，这是DIY的精神之一。

       对于高速数字电路的设计规则，传统的低速模拟电路的设计方法和用料不一定适用。因此，从上面的关键器件清单，可以看到，我搭建的系统中：

（1）基本没有使用常见经典的材料，而是以数字功放芯片为核心，大胆地使用新型的高性能器件——它们虽尚未被烧友圈熟知，但同样高性能，甚至某些条件下比传统器件更出色。

（2）此处，不得不说的是花费，虽然我的预算不太紧张，但是使用新型器件的成本优势实在非常明显，这是技术进步的成果，使我们大众DIYer得以享受的福利。

（3）另外，DIY选择器件最怕的就是买到假货、翻新货等，这些现象常见于烧友圈比较有知名度的品牌和型号，尤其是一些经典的老货，通常都是直插器件。所以，我选择的器件都是新的、在产的器件，封装尺寸也与经典器件不同，价格也相对透明，基本避免了假货的困扰。

edithli

板子已经发出快递啦，明天就能到手啦，哈哈哈~啊~哈哈哈哈

同时，今晚，我还会陆续发上来针对此次作品的软件编程相关的寄存器截图，与大家分享，也供自己备查。

edithli

软件编程的预备工作~~备查Part1

软件编程的重点是数字功放芯片的初始化，换句话说，就是“弄响”它。

所有的控制指令，单片机都要通过I2C口进行传送。

所以，首先确定芯片的写入地址，SA引脚我接了地，芯片地址为0x38，请见下图31：

图31：digital_amp_i2c_address

接下来，数字信号输入采样率设定，配置寄存器A，见下图32、图33。采样频率96KHz，倍率256x。

图32：digital_amp_input_sampling_rate_1

图33：digital_amp_input_sampling_rate_2

数字信号输入格式设定，配置寄存器B，见下图34、图35。I2S格式24bit。

图34：digital_amp_input_data_format_1

图35：digital_amp_input_data_format_2

数字功放输出模式配置，配置寄存器F，见下图36、图37。两路立体声全桥模式。

其中图37，左右声道均为BTL输出，3、4通道输出是线路输出，本作品中，未曾用到，故悬空。

图36：digital_amp_outpput_config_format

图37：digital_amp_outpput_figure、

还记得前面帖子（15楼，图14）讨论过，在数字功放内部实现信号反相的设计，此处借助芯片原厂设计软件工具得到反相的增益控制字位0x800000。见下图38。

图38：digital_amp_invert_phase_calulator

未完待续，指日可待~

edithli

啦啦啦~~PCB板回来啦！
       新鲜出炉，高清大图~~当然啦，现在还是空板状态~~
       请大家欣赏~~PCB板尺寸：170mmx73mm
       这次设计作品，在PCB板的打样时，我还“特别地”为其选择了“烧料”——2盎司铜皮和哑光黑油——核心思想是“把料堆在刀刃上”。与通常的1盎司和普通绿油相比，2盎司铜皮具有更小的走线电阻，更大的载流量和更低的温升。哑光黑油具有更好的焊接性能，这对手工焊接工艺是至关重要滴；同时，低调奢华沉静的视觉效果也是这件作品品质的外在体现，quite beautiful。
图39：PCB板全图


图40：PCB板全图2


图41：PCB板局部图



下图是PCB板功能电路区划示意图，对应的是绘制PCB板图时（22楼，图24-27）——数字功放、时钟电路、电源电路、模拟输入电路的部分。从电路原理图，到PCB板图，现在终于把想法变成实物啦~~接下来，就是贴板工作啦~~哈哈哈！关于贴板，管脚密集的数字功放芯片和小体积封装的表面贴片器件（如0603封装的电阻电容）都会对实际焊接工艺造成一定的挑战，但我还是非常有信心，并且把它们的焊接工作出色地完成好滴~~！
图42：PCB板功能电路区划示意图

特意拍摄了图43，以love为背景，感谢那些在我们热爱和倒腾HIFIDIY时，支持我们的家人和烧友，当然也包括坛友们啦。
HiFi为真，心中为爱——这也是我设计和命名本件作品的愿望。
图43：PCB板图logo

mxwmke1

哑光黑油具有更好的焊接性能，

哑光阻焊黑油与焊接性能有关?

这部分零件用了45度摆放，看着PCB整体不协调。己见而已。

edithli

mxwmke1 发表于 2017-5-10 20:21
哑光阻焊黑油与焊接性能有关?

这部分零件用了45度摆放，看着PCB整体不协调。己见而已。

非常谢谢M版关注和参与。
相关。
哑光黑油阻焊层没有以往亮光绿油的反光性能，而在贴板中，由于电路板上器件很小，实际贴板时，我需要比较好的光线，所以我一般都会把工作台上的台灯放得比较低。于是，传统的亮光绿油板，就会对灯光产生明显的反射，反射的灯光会明显地影响我的视线，使我看不清楚焊盘的情况，总是需要PCB板的位置和角度，这给我实际贴板工作带来很大困扰。现在，有了哑光黑油，反光的时代一去不复返~~焊盘看得清了，眼也不花了，头也不疼了，焊板也快了，M版，您说这是不是间接地改善了焊接性能呀？
言归正传。在选择哑光之前，我专门查资料了解了。经查询，哑光表面具有微颗粒结构，具有排斥沾粘的特性，因此会更好清洗，

关于45度摆放，我首要考虑的还算是性能，如果以现在的角度，再逆时针旋转45度，顺着PCB的宽边摆放的话，运放的信号输出端到ADC的模拟输入端，路径就有点长了。虽然整块PCB是分模拟部分和数字部分的，但更长的模拟信号导线长度会增加被干扰、使模拟信号质量劣化的可能性。而且，一举两得的是，这还兼顾到了PCB板的尺寸，所以这部分电路就使用了倾斜摆放的办法。至于协调与审美，我觉得没有一定之规，动静结合美美哒~~O(∩_∩)O哈哈哈~

edithli

已经开始贴板啦~O(∩_∩)O~~
今天争取贴好一块整板并开始调试，遵循从硬到软的调试步骤，先调试好电源部分，而后逐步打通软件功能。
时间紧，任务重，所以就先发一图~\(≧▽≦)/~啦啦啦

       焊板开始，我选择首先焊接数字功放芯片，因为数字功放芯片焊接的成功与否，直接决定了整板的成败。
       在手工焊接中，数字功放芯片是相对较难的，因为它管脚密集，焊盘较小。对此，我采用堆锡震板加锡线拖拽的工艺处理，这一方法利用原理是焊锡表面张力特性、焊盘与阻焊层沾粘性差异。实际效果不错滴，大家请看~~

图44：是数字功放芯片焊接细部图

edithli

贴板贴得有点儿累了，所以休息一下，这一楼继续30楼的内容——

软件编程的预备工作~~备查Part2

音量控制——图45、图46是音量控制有关的寄存器，根据前面的设计（15楼，输入LPF和Buffer设计中，整机增益设计部分，图14），当然是要把它们都设置在0dB啦。

图45：digital_amp_volume_control_1

图46：digital_amp_volume_control_2

数字功放芯片状态字——图47是数字功放状态寄存器，供单片机查询数字功放芯片工作状态是否正常，在软件编程中，单片机只要定期读回这个寄存器里的数据，就可以实时掌握功放芯片的状态，借助它，处理各种保护状态就轻而易举啦~~

图47：digital_amp_status_register

edithli

PCB板贴板完工啦~~~啦啦啦，我还把电源部分、时钟部分、模拟输入调好啦~~
这次焊板，器件比较小，空间也比较有限，焊起来还是会辛苦点儿，好在器件也不多，用了一天多的时间贴好了第一张板。目前，硬件调试也还比较顺利。有点辛苦，也有点开心。具体焊接过程和硬件电路的调试，由于不是本作品主要难点，限于篇幅，就不予赘述了。
这里先发PCB板贴板完工图，高清美图，新鲜出炉~~ ~
图48：PCB板贴板完工全图



图49：PCB板贴板完工_核心电路局部图



图50：PCB板贴板完工_输入电路特写



图51：PCB板贴板完工_数字功放芯片与周边特写



图52：PCB板贴板完工_love&future logo特写




之后，再请大家一起看ADC输出I2S口的信号波形哈，如果这也没什么大问题，就可以转入软件调试啦。给自己鼓劲，加油加油~

edithli

现在向大家汇报硬件调试结果，加上前面PCB贴板部分（28/31/34/36楼），

就正式完成了五、PCB板贴板与硬件调试。

硬件调试包括电源部分、时钟部分、模拟输入、ADC电路调试。

电源部分——主稳压电源输出电压调整在24V，+5VOSC的电压调整在5.2V，

时钟信号——MCLK的频率实测24.5762MHz，见图53；

模拟输入电路部分——运放输出直流电压为供电电压一半（约2.6V），而且在PCB板的L\R输入端输入模拟信号时运放输出端有正常的信号输出，幅度约为输入信号的四分之一（约-12dB）。

ADC芯片的I2S信号——如下图54、图55、图56所示，各信号频率都是正确的，而且DATA管脚有不断变化的信号出来，由此看来ADC部分也基本正常工作。

图53：时钟信号MCLK

图54：位时钟信号BCK

图55：左右串行时钟信号LRCK

图56：数据信号DATA

edithli

六、软件调试

       经过周末一天多，对数字功放初始化软件的研究和努力，输出功放从最开始的上电完全不热、输出端没有反应，到现在，上电后芯片微微发热，并且用示波器测到了输出端的波形。虽然，还不确定这个波形（图58、图59）是不是正确的，但能够肯定的是：我写的初始化代码，是起作用了滴~~O(∩_∩)O哈哈~。

今晚再调一调，期待明日开声。

下面向大家展示部分源程序（图57）。

配置下列寄存器，它们所对应的功能如下表，具体设置的数值与功能请见源程序注释：

ConfA——配置寄存器A，设定数字信号输入采样率

ConfB——配置寄存器B，设定数字信号输格式

ConfC——配置寄存器C，设定输出级工作模式和补偿参数

ConfD——配置寄存器D，设定DSP工作模式

ConfE——配置寄存器E，设定其他配置参数

ConfF——配置寄存器F，设定输出桥工作方式和芯片电源控制

Auto1——音频预置寄存器1，设定limiter（限辐器）

Mvol——主音量寄存器，设定主音量增益

图57：初始化源程序节选

再向大家展示一下波形图，

从图58可以看出，开关频率约为384KHz。图59是图58的细节展开，可以看出，波形的上升下降沿良好，说明PCB板布局走线效果不错。

图58：功放功率输出脚波形图1

图59：功放功率输出脚波形图2

edithli

隆重开声！热烈庆祝！
       看来昨天的初始化代码已经正确地控制了功放芯片，并且满足了作品的设计要求，能够正常工作啦啦啦啦~\(^o^)/~~
       早上搭建了简易的听音系统：笔记本电脑HD板载声卡，不用前级直接输入信号给本后级板；音箱是博良时代1号；播放软件是foobar2000v1.3.10。聆听了一定范围的音乐作品，包括人声、民乐、器乐、交响等，初步的印象是声音比较平衡，细节和声场层次比较好，不过，目前可能稍微有点紧、放不开的感觉，接下来，对软硬件优化和煲练一番之后，会有可期的改善。

      
       开声是又一个重要的节点。值得庆祝，给自己鼓掌喝彩。在这里，给自己做一个小小的期中小结。
       从决定参加论坛大赛，到设计，再到制作，现在开声了，感觉自己收获了很多！心中常常感激的是论坛和坛友们。       
       回顾到现在参赛的这段时间，“积跬步以至千里”，一步一步地走，一楼一楼地建设，虽然还称不上浩大艰巨，自己却是倾注了饱满的热情和精力。无论是作品规划还是具体设计，无论是理论积累、实际制作还是论坛发帖，都尽自己的所能扎扎实实，一步一个脚印地努力完成好。其实，在我发了几帖之后，感觉到坛友们在我帖子里和我交流互动的愿望不是太强烈，难道是看我是新手小白不愿透露太多，或者对数字功放存在某种偏见，又或者这种设计大家都比较生疏？个中原因我不得而知，反观其他参赛坛友的帖子，很多大家讨论的都比较热烈，顿时我就感觉头上浇了一盆冷水，有点小忧伤，并且倍感压力，好像大家都不带我玩了。这个时候其实我几乎想到过放弃，要不就简单地更新帖子好了，但最终我还是忍住了，擦干汗水，看看脚下的路，继续往前走。我是一个对自己有要求的人，决定的事情就是对自己的承诺，可要认真地完成好呢！或者想着，可能会有一些坛友一直在默默地支持和期待我的作品完成呢，O(∩_∩)O哈哈~~这样一来，又觉这可是一份责任，于是状态最终还是找回来了，继续好好干！
       I Believe，我的作品会带来美好的声音滴，就如它的名字，love & future。
       现在作品完成度已经过半，机箱和脚钉也早就到了。剩下的工作，首先是软件调试优化（第六部分的一部分，再建一层楼报告）——主要是功能上的，比如开关机防冲击、各种保护功能的实现和状态检测，还有音频性能优化等。接着，就依次进行装机、老化、测试、听音、微调。
      
       清代彭端淑《为学》开篇："天下事有难易乎?为之，则难者亦易矣；不为，则易者亦难矣。人之为学有难易乎?学之，则难者亦易矣；不学，则易者亦难矣。——这也是此次参赛的重要收获。项目开始前，原以为数字功放芯片的编程可能会比较棘手，不过现在知道了，只要认真看官方Data sheet，多尝试,就没那么难，反而感觉简单了——比如这次作品设计的功能，通过配置芯片几个寄存器就轻松实现，其他暂时用不到的复杂深度功能，使用芯片默认值就可以，编程上不用去管他们。   
       现在预想中最难的一部分已经解决，接下来的路可能就会平坦宽阔很多，我也更加充满信心，再接再厉，我会把这个作品完成好滴。

edithli

今天谈一谈DIYer技术进阶的一个tip——数字功放中编程实现DRC/limiter功能

       大家都知道，实际音乐信号具有宽广的动态范围，这使得一般结构简单的模拟功放在大输出的时间段内，可能会进入硬削波失真的状态——轻则使声音杂乱、变形，更谈不上高保真；重则有烧毁音箱的危险。
      想要解决这个问题，限辐器/动态范围压缩器是极有效的手段！在正确设置参数的前提下，它们可以有效地确保功放不出现硬削波失真，不但能提高音质，而且在正常聆听范围内，不含有可闻的动态压缩！
      可惜的是，一般模拟功放设计中，许多DIYer尚未给予应有的关注和重视。这应当成为我们DIYer提高水平和作品系统可靠性的必备技术之一。
      相较而言，数字功放内置了DRC/limiter功能，可谓具有天然的技术优势，这也决定了它更容易设计出一套功能完善的更完整的功放系统。
      先开个头儿，思路整理中，理论实践中，待续~~给自己点个赞。




这也属于本作品第六部分软件编程的内容