我的第四代PGA23XX系列音量遥控装置。

newwcy · 发表于 2010-9-14 23:40

去年差不多也在这个时候，自己DIY了第1台PGA2310音量遥控前级。一直以来我不做R2R电阻式，也不做电动电位器式，我有能力做好它们，但我只一直迷恋PGA这样的音量控制IC，也未曾放弃对它应用开发。只因用其外部线路够简洁，芯片指标和性能够强大，当然芯片价格不是我考虑的范围，虽然有点小贵。假如当初TI没给我提供样片，我也不会去研究它了。

就自己的开发应用来说，从第一代的单面手工版开始，一共经历过4代的“研发“。那么这次是我最满意的创作，无论在外观上，性能指标上，操作性，扩展性上，都是前几代无法比拟的。

这是第一代的手工作品：

这是第四代的作品：

与其说是一个自己得意作品的展示，我更主要的目的是想向大家表述一下自己的设计构思，和近年来自己设计思路的变化。
说到这个作品的设计构思，可以用很多的篇幅来阐述。从硬件然后到软件。缺一不可。

那么先由硬件开始吧。以前做的板子属于输入控制一体式，也就是说输入输出切换部分，放大调节部分和控制部分结合一体。这种一体模式，既不像前级，也不象音量控制器。如今我打破了这种传统做法，把输入输出切换部分做了分离，将其独立起来。放大调节部分和控制部分以及电源则做成一体。一个纯粹的音量控制器。输入输出控制板是一个独立的模块，它可以脱离控制板独立使用，这样可以用于其它设施上作用音源的切换。而放大调节部分又作为一个独立的模块，可脱离输入输出模块，做为一台单声道的音量控制器。从照片上可以看出他们之间只有，输入输出和一条继电器控制线相连接。这样做最大的优点在于中间可以插入其它放大或缓冲模块，成为一台真正的前级放大器。无论是晶体管前级板也好，电子管前级板也好，或则隔直电容也好，或干脆直通也好，无一不适用。另一个优点在于，可以扩展输入模块，在软件的功能菜单中，加入了3种输入输出模式选择，3输入立体声模式、6输入立体声模式，3输入全平衡模式。上面照片上是最基本的3输入立体声模式硬件结构。再加一块输入输出模块，设置好菜单中模式选择，就可以投入使用6体声输入模式。2套板子，就是全平衡模式，当然这个2套指板子2套，而另一套元件则少了很多，比如无需额外的电源，额外的MCU芯片。额外的显示屏。也就是说1套电源，1块MCU，可以控制2套输入模块，2片PGA芯片。
说一下输入输出这个模块吧。简单而又不一般。为什么这样说？看过很多DIY作品设计，以及自己以前的设计，都犯着一个不可忽视的错误。就是不同音源之间的串音问题。大家可以看看自己的设计，自己用的器材，是否存在这个问题。原因很简单，相邻不用的音源输入必须对地短路。当然最好不要直接短路，串个电阻。而看过很多人的作品，把不用的输入通道开路了，那么对于高增益高输入阻抗的前级放大部分，就会引入不必要的旁邻信号，说简单点，当前频道音量开最大，但无信号输入，而旁边输入通道未投入使用确有播放音乐信号，此时你会听到微弱的音乐响起，这就是所谓设计错误带来的串音。此输入输出模块每一个通道最前端加入了RC滤波线路，将外接不必要的高频串扰扼杀在最前沿，保证后面信号的纯净，这样无非就是多用了几个RC元件，效果则比在后面共用更好。另外一点，就是这个输出继电器必不可少，它既作为硬件MUTE，也是防异响和冲击保护线路。省略它意味着后面将失去对喇叭冲击的保护和开关机噪音的无法杜绝，我们不能只依赖后级系统的保护电路，任何单独的作品都要有完善的保护措施，这是一个设计的原则，
然后来说说控制调节板。当今的设计越来越趋近小型化，密集型。大板子，大个分离元件不是我喜欢的那种。很多情况下，采用贴片元件有着更低的生产成本和性能等诸多优点。这点我想大家也很明白。为何当今性能越高的芯片，体积更小，就是这个道理。对于一个高性能要求的芯片，将硅片做得很大，将封装做得很大，硅片与引脚之间的连线做得很长，都是不可取的。对于PGA2311,2310这样既有DIP封装和SOP封装的我们可以做出2种选择，而对于性能更好的PGA2320我们只有SOP一种选择。为此，在板子上设计了2种不同封装兼容模式。其实自己更趋向于使用SOP的。兼于PGA外围线路的简洁，在小板子上使用小体积0805,1206阻容是个不错的选择。至于PGA模拟退耦电容，我还是趋向于使用2个5MM脚距的薄膜电容。那么数字部分和MCU部分，贴片电容电阻则是最佳的。由于这个板可以兼容象2311,2310这样使用不同的模拟电压的芯片，用317,337是个好主意，只需要针对芯片换换2对不同的电阻就可以了。他们的正常使用电流也非常微小，最大只有10MA左右，那么散热片都无需。MCU还是自己最熟悉的ATMEGA16。本想使用更便宜的ATMEGA8，可庞大的程序是在免为其难。输出驱动依旧是ULN2003，体积小，驱动能力强，连继电器的反向保护2级管都可以省略，7组IO，刚好针对6输入1输出控制。一块带散热7805为MCU和VFD屏提供电源，有点小热。整机的输入电源还是1对双路和1对单路。
最后说一下外设，这次最满意的，就属这个VFD屏了。屏是三星的，带12字符和图形显示。玻璃面积是100*18MM，在VFD中体积算比较小巧的。字符比较少，字体还算较大，淡蓝色的荧光字符和彩色图形是我喜欢的那种。尤其是10端音量条图形显示，简直是为其定制的。为这款屏自己也煞费苦心，刚拿来的时候就是光玻璃片，为此大费周折设计了DC-DC电源。尤其是用一块升压芯片提供交流灯丝和负压线路是项可以自夸的设计

。有人会说VFD干扰大，那么我不用解释来纠正别人的误解。工作于200KHZ附近的VFD，在该设备的音频带内频谱上看不到异常毛刺，何来干扰之有。见到别人听音响关显示屏，那绝对是属于自我安慰，这点恐怕LCD和动态LED都可以与之一较高下。控制器件依旧是一个带按压的EC11旋转编码器，用它可以把连线做的超长，因为它不通音频信号，一个编码器解决大部分的控制，包括音量调节，频道切换，菜单进入退出和设计，没有过多的按键，那么这样找个外壳固定都是一件很容易的事。最不可缺少的就是红外接收头了。我想遥控是大家最希望使用的功能，那么这个遥控依旧保持着上几版的优点，便捷可靠这是重中之重，又需要花很多篇幅来介绍软件设计构思。

newwcy · 发表于 2010-9-14 23:41

软件篇：
这是一个最基本的显示界面：

左侧的字符是当前输入频道，右测的字符是当前的音量dB值，最右边的图形是当前音量条（10等分）。

这个软件足让我花费1周的时间来编写，与其在原来版本基础上改写，不如重新编写，总共将近2000行的代码，13KB的容量，堪称自己前所未有的庞大。菜单设置目前达到了18项，想花时间把这些菜单罗列出来，以便了解自己设计的各项功能。但又觉得太费时间。所以简单介绍一下吧。
按照以前的设计框架，遥控学习功能作为一个功能的亮点，依旧在此版本上体现。我不想去专门定制个遥控器，也不想为找不到合适的遥控器烦恼，那么学习功能能解决这些问题。随便找个遥控就能用，这样的设计恐怕只有我这样的DIY设计作品上能看到。每一个按键，每一个遥控功能都能自己设定。只要不和自己其他器材的遥控设备冲突，甚至可以和其他设备遥控器整合。遥控器的按键编码能在屏幕上显示，这个大概也是一名作为单片机爱好者喜欢的事情，用这个功能你可以来干别的事，呵呵。频道按键自定、音量大小按键自定、静音按键设置，遥控电源按键设定、定时关机启动按键设定、旋钮步进值设定、红外步进值设定、最小音量值设定、最大音量值设定、定时器时间设定、输入输出3模式设定、恢复出厂默认值设定。
另外一些隐性的设置，也想谈一下。首先关于开机时序的问题，开始2秒的LOGO显示，完成对EEPROM的正确读取，避免浪涌冲击对数据的不可恢复性的破坏。不过说到这个，AVR的MEGA系列在稳定性上强于AT的51系列，更不要说STC的51单片机。之后是对输出继电器的开启，和输入继电器的开始，对于这个时序先后区别，大家自己考虑为什么。
这个单片器，我一共开启了3个定时器，1个为红外解码使用，1个为关机定时器使用，另一个是为数据存储使用，说到最后一个定时器的使用就不得不谈一下，EEPROM的寿命问题。大家知道传统机械式电位器的寿命在于机械部分，而电子电位器的寿命在理论上是无限的。但控制它的MCU的内置或外置记忆体就存在一个存储寿命问题，就好比我们用的U盘，有个存储寿命。理论上是100,000次，有人做实验反复擦写大约是64万次写出坏点。在设计的时候一般每改变一个音量数值，就必须存储一次数据（当然哪些没有音量或频道记忆功能的不在谈论范围），那么对于对于20格编码器，旋转一周就被存储了20次。虽然我想我们可能一辈子都用不到10万次的存储，但这种方式我想不是我们所希望的。为此添加一个定时器在旋转间隔中被不断重置，直到旋转停下几百毫秒后才产生存储动作（这个延时按实际设定），这样你哪怕像电动机一样高速旋转编码器，也不会导致数据被不断刷写。（这个破坏EEPROM的点子可以用在防破解的陷阱上，当然我不会这么去搞，比较阴险

）
以前做过3种音量显示设定.步进数、DB值，百分比。我也不清楚别人更喜欢用哪种显示方式，就编程来说DB值的换算是最麻烦的，步进数显示最简单。这次针对这个VFD屏，那么取消了音量显示选择。因为这个屏的好处在于可以显示字符和外带一个彩色音量条，也就是说同时显示dB和百分比。一个圆形的图形显示共计18格，以每格为15分钟计算，刚好作为4小时定时倒计时，由于使用了MCU的内置RC震荡电路，这个倒计时不算很精确，不过作为定时关机我想应该没什么问题。

谈一下音量控制这个关键部分。旋转编码器的好坏不存在对音频信号的影响，最多只是对调节手感的影响，左旋右旋用起来和普通电位器使用方式没区别，只是它是无刻度的360度旋转，假如没有屏幕显示当前音量，那么你只有靠耳朵去识别当前音量值了，旋钮外带一个按压功能，相当于一个按键，短按进入频道选择界面，旋转选择频道，再按则退出并执行频道切换。关机状态下，这个短按也是个开机按钮。另外它还有个长按功能，就是按压坚持2秒左右，进入设置菜单，再按则保存设定并退出。菜单中对于音量设定有个最大值和最小值设定，我们平时需要对这2个值按不通情况来设定，因为PGA芯片最大调节范围为-95.5DB至31.5DB，平时我们用不到这么大的设定范围，设置个音量调节范围，可以避免不需要的旋转调节和超限的音量设定。假设我们的功放在不到360度的范围内完整从负无穷到0dB范围的调节，那么你想模仿功放地话，就必须设定个步进值，假设给你一个20格的编码器，要完成1周的旋转来完成从最小音量到最大音量就必须设定好这个步进值，比如我们可以将每1格设定为1-9dB.红外遥控也是如此。当然这个遥控有长按功能，不需要反复地按红外音量按键。

-----我想一晚上我已经写了很多了，大致的设计构思和已经实现是这些。对于这些设计大家可以丢砖提意见，大家的意见也是我创作思路的来源和动力。