DSP1701_SUB cyfrowy filtr do subwoofera aktywnego

Rysunek 1. Schemat ideowy płytki filtra do subwoofera DSP1701_SUB

Na rysunku 1 pokazano schemat ideowy cyfrowego filtra aktywnego do subwoofera. Sercem urządzenia jest procesor DSP typu ADAU1701 (U1) z rodziny SigmaDSP oferowanej przez Analog Devices.

Wejściowy sygnał stereofoniczny z gniazda IN - poprzez potencjometr LEV dopasowujący poziom sygnału wejściowego (czułość) - jest doprowadzony jest do wejść przetwornika A/C procesora DSP. W razie potrzeby dołączenia filtru do wyjść wzmacniaczy mocy, należy użyć dodatkowego dzielnika rezystorowego dopasowanego do poziomu sygnału.

Po obróbce cyfrowej, sygnał wyjściowy z wbudowanego przetwornika C/A, po odfiltrowaniu za pomocą filtra RC złożonego z rezystorów R1...R4 oraz kondensatorów C1 i C2 jest doprowadzony do gniazda wyjściowego OUT. Sygnał dla ułatwienia wysterowania końcówek mostkowych jest symetryczny.

Rysunek 2. Aplikacja filtru subwoofera

Procesor DSP pracuje w trybie Selfboot pobierając program i dane z pamięci EEPROM (U3) typu 24LC256. Układ U2 zapewnia poprawny restart po włączeniu zasilania. Kwarc i elementy towarzyszące stanowią źródło sygnału zegarowego.

Procesor pracuje z mnożnikiem 256×fs ustalanym wyprowadzeniami PLLM0, PLLM1. Kondensatory C11, C12 i rezystor R9 stanowią obwód filtra PLL i muszą być elementami wysokostabilnymi (dielektryk NP0, 1%).

Rysunek 3. Schemat bloku Lev_Detector

Układ jest zasilany napięciem 3,3 V ze stabilizatora opartego o U4 typu LM1117- 3.3V. Do zasilania filtru jest konieczny niewielki transformator sieciowy 6...7,5 V, 4 VA. Tranzystor Q1 jest elementem stabilizatora 1,8 V przeznaczonym do zasilania rdzenia DSP.

Zmiany nastaw DSP realizowane są poprzez potencjometry FREQ, EQ, PHASE, VOL, których ustawienia odczytuje wbudowany, pomocniczy przetwornik A/C. Dodatkowo, urządzenie ma gniazdo USBi umożliwiające zaprogramowanie pamięci EEPROM w systemie.

Zwora WP odblokowuje zapis do pamięci podczas programowania. Diody LED sygnalizują stan pracy: załączenie zasilania LD2-PWR, załączenie wzmacniacza mocy LD1-ACT i przesterowanie LD3-OVL. W obwód diody ACT jest włączony transoptor IS, umożliwiający wysterowanie wejścia załączenia wzmacniacza mocy i zapewniający izolację galwaniczną. Tranzystory Q2 i Q3 buforują niskoprądowe wyjścia DSP.

Oprogramowanie

Rysunek 4. Inwersja sprzętowa wyjść GPIO0,1

Najważniejsza - jak to zwykle bywa przy zastosowaniu procesorów, także DSP - jest aplikacja sterująca. Program cyfrowego filtru subwoofera został przygotowany w Sigma Studio i jest dostępny w materiałach źródłowych (np. w celach edukacyjnych lub dla ułatwienia dopasowania aplikacji do własnych potrzeb).

Schemat filtru jest narysowany w postaci hierarchicznej, co ułatwia obserwowanie przepływu sygnału (rysunek 2). Sygnał wejściowy po konwersji A/C jest doprowadzony do bloku Mixer.

Rysunek 5. Filtr podakustyczny

Jest on odpowiedzialny za zsumowanie sygnałów kanału lewego i prawego oraz zapewnienie skalowania sygnału wyjściowego, aby zapobiec przesterowaniu toru cyfrowego.

Po zsumowaniu sygnał jest doprowadzany do bloków filtru częstotliwości podakustycznych oraz do bloku pomocniczego detektora sygnału Lev_Detector. Schemat bloku detektora przedstawia rysunek 3.

Po odfiltrowaniu składowej stałej, co jest konieczne dla poprawnego działania bloków detektora poziomu, sygnał z wejścia B-In jest doprowadzony do dwóch detektorów poziomu. Pierwszy, ACT, jest odpowiedzialny za wypracowanie sygnału załączenia wzmacniacza mocy.

Jeżeli amplituda sygnału wejściowego jest niższa niż -80 dB przez dłużej niż 30 sekund, wyjście GPIO0 jest wyciszane. Podobnie działa blok OVL, który służy do sygnalizacji możliwości przesterowania toru.

Jeżeli sygnał przekracza poziom -3 dB przez więcej niż 2 sekundy, to jest aktywowane wyjście GPIO1. Oba wyjścia mają aktywną inwersję sprzętową sygnału (rysunek 4).

Rysunek 6. Filtr Sub_LFP

Filtr częstotliwości podakustycznych (rysunek 5) odpowiada za obcięcie z sygnału częstotliwości poniżej 10 Hz, które nie niosą już informacji muzycznych, a stanowią realne zagrożenie dla zawieszenia głośnika i cewki głośnika niskotonowego. Tak przygotowany sygnał jest doprowadzony do bloku regulowanego filtra dolnoprzepustowego Sub_LFP (rysunek 6).

Filtr oparty jest o blok konfigurowalnego, sterowanego indeksem filtra uniwersalnego. Wyborem charakterystyki steruje indeks doprowadzony do wejścia LFP_Sel. Indeks wypracowany jest poprzez mapowanie zakresu ADC GPIO (ADC1) na indeks 0-7, przy wykorzystaniu bloku DC i mnożarki. Umożliwia to wybór charakterystyki poprzez odpowiednie ustawienie potencjometru (FREQ), analogicznie jak w rozwiązaniach analogowych.

Rysunek 7. Blok korekcji Sub_EQ

Po filtracji dolnoprzepustowej sygnał jest doprowadzony do bloku korekcji Sub_EQ (rysunek 8). Umożliwia on selektywne "podbicie" określonej nastawą ADC2 (potencjometr EQ) częstotliwości. Dzięki korekcji można zrealizować aktywne rozszerzenie pasma przenoszenia głośnika dla niskich częstotliwości.

Pierwszy indeks ustawia pominięcie korekcji (potencjometr EQ, skręcony na minimum). Do filtrów wprowadzona jest korekta wzmocnienia toru -6 dB, czyli wynikowo, nie jest podbijana dana częstotliwość, a osłabiane są pozostałe, aby nie dopuszczać do przesterowania toru po korekcji.

Rysunek 8. Blok przesuwnika fazowego Sub_Phase

Przy używaniu korekcji należy zwrócić uwagę na zakres liniowej pracy głośnika, aby nie przeciążyć go mechanicznie. Jest to szczególnie istotne w obudowach BP, gdzie nie ma czasem dostępu do głośnika i możliwości obserwacji jego wychylenia.

Kolejnym blokiem toru jest konfigurowany przesuwnik fazowy - pokazano go na rysunku 8. Dla realizacji przesunięcia fazowego użyto bloku regulowanego opóźnienia VC_delay.

Jest to linia opóźniająca sygnał wyjściowy o określoną liczbę próbek, definiowaną poprzez stałe wartości (dla każdego odczepu), a wybieraną przez odpowiednią wartość indeksu sterującego.

Rysunek 9. Rozmieszczenie elementów DSP1701_SUB

Blok jest sterowany z ADC3 (potencjometr PHASE). Opóźnienia są regulowane z krokiem 2 ms w zakresie 0...20 ms, co dopowiada zmianie fazy 0...360° dla częstotliwości 50 Hz. Wyjścia Phase_OutA,B są zawsze przesunięte w fazie o 180°, aby umożliwić wysterowanie końcówki mostkowej.

Ostatnim blokiem jest regulator poziomu wyjściowego SW vol. Poziom sygnału wyjściowego jest ustalany na podstawie sygnału z potencjometru VOL (ADC0). Po regulacji poziomu (dla obu przesuniętych w fazie kanałów) sygnał jest doprowadzony jest do przetworników audio DAC0 i DAC1.

Tak pokrótce wygląda zasada działania aplikacji, która oczywiście może być zmodyfikowana i dostosowana do własnych potrzeb np. poprzez zmianę nastaw w poszczególnych filtrach, dodanie bloku korekcji na podstawie pomiarów MLSSA itp.

Montaż i uruchomienie

Moduł jest zmontowany na dwustronnej płytce drukowanej. Jej schemat montażowy pokazano na rysunku 9. Montaż jest typowy i nie wymaga opisu. W zależności od potrzeb diody LED mogą być wyprowadzone na zewnątrz poprzez wlutowane w ich miejsce złącza SIP6 lub wlutowanie ich od spodu, pod potencjometrem VOL. Moduł jest przystosowany do montażu na panelu - mocowanie zapewniają tuleje potencjometrów.

Uruchomienie modułu sprowadza się do pomiaru napięć zasilających i działania oscylatora.

Rysunek 10. Konfiguracja sprzętowa DSP ADAU1701

Rysunek 11. Konfiguracja pamięci 24LC256

Poprawnie zmontowany i skonfigurowany moduł należy zaprogramować za pomocą Sigma Studio. Po uruchomieniu SigmaStudio, odczytaniu projektu przykładowego, przyłączeniu programatora USBi oraz zwarciu zwory WP, konieczna jest konfiguracja sprzętowa ADAU1701 zgodnie z rysunkiem 10.

Rysunek 12. Dołączenie filtra subwoofera do toru audio

Należy pamiętać o zaznaczeniu negacji przy GPIO0, GPIO1. Dla zmniejszenia poboru mocy niewykorzystane moduły DAC2 i DAC3 wprowadzone są w tryb PowerDown. W nowszych wersjach SigmaStudio, musimy także ustalić organizację pamięci EEPROM zgodnie z rysunkiem 11. W tym celu klikamy prawym klawiszem myszy na ikonę IC2 i wybieramy opcję właściwości.

Po skompilowaniu programu i przesłaniu go do procesora, moduł można poddać testom w aplikacji. Dla osób niemających programatora USBI jest dostępny plik *.hex z zawartością EEPROM gotową do zaprogramowania dowolnym programatorem pamięci. Sposób przyłączenia modułu do toru audio prezentuje rysunek 12.

Na koniec jedna uwaga. Aby nie powodować konfliktów najbliższym otoczeniu, warto pamiętać o sąsiadach, gdyż niskie częstotliwości są słabo tłumione przez stosowane typowo materiały budowlane.

Adam Tatuś, EP