Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio.

Ignacio Moreno Flores.

5. CONTROL DE VOLUMEN CON DS1802. 5.1.

La necesidad de una nueva técnica de control de volumen.

A pesar de haber comprobado el correcto funcionamiento del circuito anterior, se hace necesario un nuevo control de volumen. Lo conseguido hasta ahora es un control de volumen a través de dos botones, que generan una secuencia que a su vez ataca a unos potenciómetros digitales. Sin embargo, el objetivo presente proyecto es obtener un método que sea susceptible de ser controlado por ordenador, lo que supone, por un lado, abandonar la idea de los pulsadores y, por otro, la conexión de la placa amplificadora a algún puerto. Para esto pensamos que lo mejor era conseguir un método de control de volumen con un microcontrolador, capaz de manejar protocolos de comunicación entre los potenciómetros y el ordenador. Además, encontramos un chip, el TPA1517 de Texas Instruments, con unas características, al menos en apariencia, definitivamente superiores para nuestro propósito. Por otro lado, de entre todos los tipos de microcontroladores que existen en el mercado, pensamos que el mejor podría ser el PIC, dado su fácil manejo, su reducido tamaño, su precio y sus buenas prestaciones.

5.2.

Características de catálogo más importantes del DS1802.

TPA1517 integra en un único chip dos potenciómetros digitales especialmente diseñados para frecuencias de audio. Sus características más importantes por las cuales lo elegimos para el último circuito son las siguientes:

-

Dos potenciómetros digitales, integrados en el chip. Con esto se simplifica el diseño del circuito, quedando mucho más reducido.

-

Dos posibilidades de control de la posición del potenciómetro, a través de botones conectables directamente al integrado o a través de una secuencia de datos.

-

En el caso de la secuencia de datos, la gran ventaja frente al DS1666 es que en el protocolo de comunicación el usuario del TP1517 introduce directamente como dato la posición que desea. Con esto, se puede ajustar el volumen con mucha más precisión y sin esperar a pasar por todos las posiciones.

-

En el caso de los pulsadores, dos modos del control del volumen, como se verá más adelante en este mismo punto.

-

65 posiciones, lo cual supone la mitad que en el DS1666.

-

Característica resistiva logarítmica (similar al DS1666).

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-

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Posibilidad de MUTE, tanto como dato (en la comunicación) como por la posibilidad de un pulsador externo que lo implementa.

-

Detección de paso por cero (“Zero-crossing detection”) que, en teoría, elimina el “pop” que se escucha al realizar un cambio de volumen (esto después comprobamos que no era cierto, ver punto 5.7.)

5.3.

-

Disponible en DIP-20. Funcionamiento del DS1802. Canales de audio: Como se ha dicho, el DS1802 implementa dos potenciómetros independientes diseñados para frecuencias de audio, implementados a través de un método similar al del DS1666. Los pines entre los que se encuentran las resistencias son H0, W0 y L0 (un canal) y H1, W1 y L1 (el otro). El pin cuya resistencia varía es en ambos casos el W.

-

El control a través de la secuencia de datos se denomina “3-wire serial interface control”. Se hace a través de los pines CLK, D y RST, por el método de comunicación de dos datos en serie, y debe ser la siguiente: o

Primero, el pin RST debe pasar de nivel alto a nivel bajo. Debe continuar así hasta finalizar toda la comunicación.

o

Después, los datos van llegando a través del pin D. Cada dato debe sincronizarse con una señal de reloj que entra por el pin CLK. Los datos son siempre leídos en cada flanco de subida.

o

Al implementar 65 posiciones distintas, el TP1517 necesita recibir 6 bits para fijar nivel de volumen. Sin embargo, para compatibilizar la comunicación con los estándares informáticos, necesita recibir 8 bits dos veces (uno por canal). El primer bit que recibe es siempre el menos significativo del dato a introducir, y el sexto bit es el más significativo. Si el séptimo bit está a “1” significa que el usuario está realizando un mute vía software. El último bit recibido es ignorado.

o

Primero se recibe la secuencia correspondiente al volumen de un canal, y después al siguiente. Entre ambos datos puede haber una pausa indefinida en el reloj.

o

El fin de la comunicación viene indicado por la recepción correcta de todas las señales y la puesta a uno lógico de la señal RST.

-

Igualmente, el dato que entra sale por el pin COUT, dando la posibilidad de conexión en cascada con otro circuito.

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-

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Control con los pulsadores: Todo el control a través de pulsadores se realiza conectándolos directamente entre los pines 15 y 19 y tierra. Se distinguen dos modos de funcionamiento con botones: o

“Independient mode control”: cada potenciómetro se controla de forma independiente: los pulsadores UC0 y DC0 suben y bajan respectivamente el volumen del potenciómetro “0”, e igualmente ocurre con UC1 y DC0 .

o

“Sereo mode control”: el volumen de ambos potenciómetros se controla simultáneamente con dos botones (VU sube el volumen y VD lo baja), quedando otros dos botones (B0 y B1) para el control del balance.

La correspondencia entre pines y pulsadores es: VU/UC1: pin 15. VD/DC1: pin16. B0/UC0: pin 17. B1/DC0: pin 18 (es decir, según el modo de control utilizado los botones tienen una funcionalidad u otra). El pin 19 se utiliza para el botón MUTE. El modo se elige según el estado en el pin MODE en el momento de encender la alimentación: para nivel alto se elige la funcionalidad “independient mode control” y para nivel bajo la “stereo mode control”.

-

Ambos métodos (pulsadores y secuencia) se pueden usar en paralelo. Esto quiere decir que se puede fijar una posición del potenciómetro, cambiarla con los pulsadores y volver a cambiarla con la secuencia, sin modificar ningún pin de modo de funcionamiento ni resetear el circuito. La secuencia de datos tiene siempre prioridad frente a los pulsadores; esto es, durante la recepción de un dato los pulsadores son ignorados.

-

Además de todo esto, tiene un pin de VCC (pin 20), uno de tierra (GND - pin 1) y uno de tierra analógica (AGND – pin 14). Ambas tierras han de estar cortocircuitadas.

-

Por último, está el pin ZCEN. Al activarse (conectar un nivel bajo) se activa el “Zero-crossing detection”, que permite reducir el “pop” al cambiar de volumen. Este “pop” ocurre al cambiar el volumen bruscamente, produciéndose un salto en la señal atenuada. Básicamente, lo que el circuito es que, al recibir una señal de cambio dada por el usuario (ya sea a través del método de 3 cables o por un pulsador), sólo cambia efectivamente el volumen cuando detecta que la tensión en los pines L0 y H0 (igualmente, entre H1 y L1) es la misma. Esto quiere decir que la señal de audio ha pasado por cero, con lo que al cambiar el volumen no se producirá un salto. Como se verá más

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adelante, comprobamos experimentalmente que este método de detección de ceros no funciona correctamente.

5.4.

Circuito de prueba del DS1802.

Para comprobar si realmente nos servía el potenciómetro DS1802 debíamos someterlo a la pruebas similares a las realizadas con los circuitos anteriores, para lo cual necesitábamos de un circuito de prueba. Tal y como se dice en la hoja de diseño del DS1802 dada por el fabricante, se recomienda introducir a la entrada del potenciómetro un condensador de desacoplo de continua y un puente resistivo como el de la figura, con el objetivo de que la señal de audio esté siempre entre unos márgenes de tensión continua definidos.

Este sencillo circuito hay que colocarlo siempre a la entrada de cada canal de audio, es decir, dos veces. Con esto, el esquema de conexión del potenciómetro queda de esta forma:

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Donde en cada entrada L0 (L1) y Ho (H1) se conecta el puente anterior. Finalmente, el fotolito del PCB para realizar las pruebas pertinentes es:

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Donde de nuevo se ven únicamente perfilados los planos de tierra. Puede verse que no se encuentran dibujados los pulsadores, ya que, para hacer la placa lo más genérica posible, decidimos poner tiras de pines en los que poder conectar lo que quisiéramos, así como en los pines de alimentación (a 14 voltios para el amplificador y a 5 para el resto de componentes) y las salidas de ambos canales de audio. Además, puede verse que se dispone de dos planos de masa separados y conectados en un punto único, de forma que se minimice los efectos del ruido de la parte digital sobre la analógica, y viceversa. Finalmente, he aquí una foto del PCB ya montado:

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5.5.

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Pruebas preliminares.

Las primeras pruebas realizadas son las ya conocidas: conectar el circuito, introducir una señal de audio y comprobar que, efectivamente, se puede controlar el volumen con los pulsadores. Para ello lo primero, antes de alimentar el circuito, es colocar a tierra los pines MODE y ZCEN (con ello tenemos el modo de control estéreo y activamos el modo de detección de cero al cambiar de volumen). Así mismo conectamos a través de cables los pulsadores correspondientes. Con todo esto se comprueba que el circuito, controlado a través de los pulsadores, funciona correctamente: el volumen es capaz de subir y bajar sin problemas y a una velocidad adecuada. Sin embargo, al pulsar para realizar el cambio se oye claramente un “pop” que se introduce sobre la señal de audio, lo cual hace pensar que el modo ZCEN no funciona precisamente bien. Este “pop” se hace más fuerte mientras mayor es la amplificación, e independientemente del volumen de la señal de entrada.

Por otro lado, se vuelve a comprobar que el amplificador no sufre de calentamiento excesivo.

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5.6.

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Pruebas sistemáticas.

5.6.1. Comportamiento en frecuencia a volumen máximo.

Para esta primera prueba alimentamos el circuito a 5 V (para la alimentación digital) y a 12’5 V para la analógica, introduciendo a la entrada una señal senoidal de 81’6 mVpp y obteniendo el siguiente resultado: Frecuencia (Hz) Salida (mVpp) Ganancia (dB)

4,83 5,99 7,69 8,70 11,2 13 18 23,9 360 440 524 600 656 688 712 752 12,892 14,63525 16,15282 17,32922 18,10427 18,51796 18,81579 19,2905

Frecuencia (Hz) Salida (mVpp) Ganancia (dB)

39,7 49,8 99 768 776 792 19,47342 19,56343 19,7407

29’2 776 19,56343

222 792 19,7407

Que da lugar a la gráfica:

Comportamiento a baja frecuencia (Volumen maximo)

Ganancia (dB)

25 20 15 10 5 0

50

100

150

200

250

Frecuencia (Hz) Donde se observa una forma muy similar al ya visto en todos los circuitos. Sin embargo, en este caso nos da un resultado sorprendente: la frecuencia de 3 dB está en el entorno de los 8 Hz, lo que supone una

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frecuencia 10 veces inferior. Es decir, es como si toda la gráfica se hubiera desplazado 10 veces hacia la izquierda en la frecuencia, que quiere decir un comportamiento muy superior al visto en todos los circuitos. Aún más sorprendente es el hecho de que el amplificador sigue siendo el mismo de siempre, que, como se estudió en el punto segundo de este proyecto, al utilizarlo sin ninguna etapa atenuadora que pudiera limitar su comportamiento, daba una frecuencia de corte de alrededor de 80 Hz. En este caso, teniendo la limitación del potenciómetro era de suponer que saliera un comportamiento peor. La única explicación posible es debida a las desviaciones que siempre se producen entre distintos integrados del mismo tipo, es decir, que casualmente en este caso hayamos dado con uno que se sale de la media y funciona aún mejor. Veamos si ocurre lo mismo a alta frecuencia: Frecuencia (KHz) Salida (mVpp) Ganancia (dB)

1,35 54,3 792 724 19,740 18,9609

74,6 688 18,5179

Frecuencia (KHz) Salida (mVpp) Ganancia (dB)

92,6 648 17,9976

266,66 340 12,3957

114 600 17,3292

350,87 276 10,5843

135 552 16,6049

444,44 212 8,29291

167 492 15,6054

200 440 14,6352

238 388 13,5428

571 164 6,06373

Comportamiento a alta frecuencia (Volumen máximo) 25 20 15 10 5 0 0

100

200

300

400

500

600

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En este caso la frecuencia de corte llega hasta los 550 KHz, muy superior a los 110 KHz que de media habíamos obtenido hasta ahora, y la forma de la caída es bastante más lineal que en todas las anteriores. Efectivamente, parece que nos encontramos ante un amplificador que se sale de la media. 5.6.2. Comportamiento en frecuencia a volumen medio. En este caso, para fijar el punto medio de volumen, utilizamos el método de las tres líneas para conectar el potenciómetro con el PIC y colocar el volumen exactamente en la mitad del potenciómetro (para más información sobre la programación del PIC ver apartado 6 del proyecto). De esta forma, el nivel del potenciómetro queda fijado en la posición 32, es decir, justo la mitad del nivel del circuito, que no quiere decir que esté justo en la mitad del volumen, ya que se implementa una curva de subida semilogarítmica. Hay que tener en cuenta que para esta prueba la entrada se fijó a un nivel ligeramente superior, 83’2 mVpp. Los resultados que obtuvimos fueron:

Frecuencia (Hz) Salida (mVpp) Ganancia (dB)

5,13 220 8,445

7,63 9,09 11,9 14,7 16,9 20,4 22,9 40,7 75,2 416 294 324 352 376 384 392 408 416 10,9644 11,8084 12,5283 13,1012 13,2841 13,4632 13,8107 13,9794 13,9794

Con la gráfica:

Comportamiento a baja frecuencia (Volumen medio)

Ganancia (dB)

15 10 5 0 0

20

40

60

80

Frecuencia (Hz) 55

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De nuevo una forma de onda similar pero desplazada 10 veces hacia la izquierda, como se puede comprobar por la frecuencia de corte que llega a los 7’60 Hz. Además se comprueba que comienza a ser totalmente plana a partir de los 75 Hz, radicalmente mejor que en todas las gráficas obtenidas hasta ahora. De nuevo, para alta frecuencia:

Frecuencia (KHz) 42 Salida (mVpp) 412 Ganancia (dB) 13,895

44,8 53,5 59,2 70,4 82,6 99 120 145 181,818 252 404 400 380 376 356 338 312 286 13,6387 13,1932 13,1012 12,6265 12,1758 11,4806 10,7248 9,62554 13,725

Frecuencia (KHz) Salida (mVpp) Ganancia (dB)

200 224 8,60249

240,96 190 7,1726

307,69 150 5,11935

377,35 116 2,88669

465,11 92 0,87329

Ganancia (dB)

Comportamiento a alta frecuencia (Volumen medio) 15 10 5 0 0

100

200

300

400

500

Frecuencia (KHz)

De nuevo una forma tremendamente lineal y una frecuencia de 3 dB de 145 KHz, que lo hacen muy similar al apartado anterior.

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5.6.3. Saturación del amplificador con el potenciómetro. Sorprendentemente, se comprueba que para este caso la saturación no depende de la frecuencia. Efectivamente, realizando medidas para el volumen al máximo entre los 119 Hz y los 22’1 KHz (más o menos todo el rango de frecuencias audibles) la saturación del circuito se produce siempre para una entrada de alrededor de 1’21 V, curiosamente el máximo de todas las medidas a distintas frecuencias que hemos realizado hasta el momento en los circuitos anteriores. Para el caso de volumen medio, la saturación comienza ante entradas aún mayores, siguiendo la siguiente tabla:

Frecuencia (Hz) Entrada (Vpp)

9’62... 2’34

...40’7 K 2’24

67’1 K 2’04

141 K 1’58

370 K 1’048

769’23 K 0’8

Es decir, en todo el rango de frecuencias de audio la saturación ocurre ante entradas bastante más altas que en todos los circuitos anteriores. 5.7.

Pruebas psicoacústicas.

Realizando pruebas similares a las realizadas en los apartados anteriores, y tal y como se vio en las pruebas sistemáticas, el comportamiento del circuito es incluso mejor que el de todos los anteriores estudiados. Escuchando atentamente, comprobamos que no sólo el sonido era excelente, sino que incluso parecía apreciarse una mayor amplificación de los sonidos bajos en algunas canciones. Sin embargo, lo que también apreciamos claramente fue el “pop” que suena al realizar el cambio de volumen. Efectivamente, al presionar un pulsador, e incluso teniendo el pin ZCEN a tierra desde el inicio (lo que supone que el modo Zero-crossing detection está activado) el cambio de volumen ocurre simultáneamente con el sonido. Para solucionar este problema conectamos a la salida del potenciómetro un condensador relativamente alto (del orden de 100 µF). Al hacerlo el “pop” persiste, pero se hace casi inapreciable. Por lo tanto, queda demostrado que el modo Zero-crossing detection no funciona correctamente, a la vez que apreciamos la necesidad de colocar condensadores de desacoplo de continua a la salida de los circuitos de audio.

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