1. No category

17.5.2011
BL50A0900 Analogiasignaalin käsittely
Harjoitustyön loppuraportti
0352227 Harri Salo
0368318 Jari Koskinen
0280858 Markus Järvisalo
0
17.5.2011
Sisällysluettelo
1 JOHDANTO ................................................................................................. 3
1.1 D-luokan vahvistin .................................................................................. 3
1.2 Projektityölle annettu aikataulu ............................................................... 5
1.3 Tekniset reunaehdot ............................................................................... 5
2 PROJEKTIRYHMÄN JÄRJESTÄYTYMINEN ............................................... 6
2.1 Projektiryhmä ....................................................................................... 6
2.2 Tehtävät ja vastuualueet ...................................................................... 6
2.3 Kehitysfilosofia ..................................................................................... 6
2.4 Projektityön määrittelyt ja rajaukset ...................................................... 7
2.5 Alustava aikataulu ................................................................................ 7
2.6 Alustava komponenttibudjetti ............................................................... 7
3 SIMULOINTI................................................................................................. 8
3.1 Simuloinnin vaiheet .............................................................................. 8
3.2 Simuloinnin tulokset ............................................................................. 9
4 PIIRILEVYVALMISTUS ............................................................................... 12
4.1 Ensimmäinen prototyyppi ................................................................... 12
4.2 Toinen prototyyppi.............................................................................. 12
4.3 Kolmas prototyyppi............................................................................. 13
5 KAIUTTIMEN RAKENTAMINEN ................................................................ 14
5.1 Kaiutinelementit ................................................................................. 14
5.2 Kaiuttimen kytkentä ............................................................................ 16
5.3 Prototyyppikaiuttimen rakentaminen .................................................. 16
6 MITTAUKSET ............................................................................................ 18
6.1 Testikytkentämittaukset ...................................................................... 18
6.2 Lopullisen kytkennän / prototokortin mittaukset .................................. 20
6.3 Virrankulutusmittaukset ...................................................................... 21
6.4 Taajuusvasteen ja äänenpaineen mittaus .......................................... 22
7 TEOLLINEN MUOTOILU............................................................................ 24
7.1 Motivaatio .......................................................................................... 24
7.2 Muotoilun tulokset .............................................................................. 24
8 TULOKSET ................................................................................................ 27
8.1 Projektin aikataulu .............................................................................. 27
8.2 Lohkokaavio ....................................................................................... 28
8.3 Pääpiirikaavio..................................................................................... 28
1
17.5.2011
8.4 Sähkökomponenttilista ....................................................................... 29
8.5 Kotelokomponenttilista ....................................................................... 29
8.6 Tuotekehityskustannukset .................................................................. 30
9 LOPPUPÄÄTELMÄ .................................................................................... 31
9.1 Tavoitteiden saavuttaminen ............................................................... 31
9.2 Reflektointi ......................................................................................... 31
9.3 Parannusehdotukset .......................................................................... 31
9.4 Tutkimuksen jatkotoimet..................................................................... 32
LÄHDELUETTELO ......................................................................................... 33
LIITTEET
LIITE 1. Pääpiirikaavio .................................................................................... 34
LIITE 2. Tuotekehityskustannukset ................................................................. 35
2
17.5.2011
1. JOHDANTO
Projektityö liittyi BL50A0900 Analogiasignaalin käsittely - kurssiin. Työn valvojana ja ohjaajana
toimi tutkijaopettaja Mikko Kuisma. Projektityö tehtiin kolmen hengen ryhmässä. Tehtävänä oli
suunnitella ja toteuttaa ”bilelaatuinen” D-luokan vahvistin. Vahvistin piti toteuttaa diskreeteillä komponenteilla, ts. valmista päätevahvistinpiiriä ei saanut käyttää ratkaisussa.
1.1 D-luokan vahvistin
Projekti aloitettiin tutkimalla materiaalia D-luokan vahvistimista. Lähdeluettelossa kirjatut opinnäytetyöt, [5], [6], [7], tarjosivat hyvän näkökulman jo tutkittuihin D-luokan vahvistimen käyttöihin ja sovelluksiin, sekä kyseisissä töissä käytettyihin lähdeaineistoihin. Tosin opinnäytetöiden tuloksiin ja
päätelmiin kannattaa suhtautua varauksella. Vakavampaa teoriaa vahvistimesta löytyi Silvosen
kirjasta [1] ja yleisesti vahvistimiin ja signaalikäsittelyyn sopivaa teoriaa löytyi Sedran [2], Floydin
[3] ja Mohanin [4] kirjoista. Teoriaa, kaavioita ja kuvitusta tarjoavat komponenttivalmistajat, mm.
International rectifier [10], [11].
D-luokan vahvistimen (kuva 1-1) toiminta perustuu piensignaalin modulointiin kolmio- tai sahalaitaaallolla ja pulssinleveysmodulaatioon. Piensignaali ohjataan pääteasteeseen PWM- modulaattorin
jälkeen. Päätetransistoreita kytketään päälle ja pois, jolloin loogisia tiloja kutsutaan ”on” ja ”off” –
tiloiksi.
Kuva 1-1. D-luokan vahvistimen kytkentä [9]
3
17.5.2011
Tyypillisesti D-luokan vahvistimissa käytetään taajuuskaistoja 100 kHz…1 MHz välillä. Kuvassa
1-2 vahvistamaton piensignaali tuodaan komparaattorille, jossa ulkoisen oskillaattorin tuottamaa
kolmioaaltoa moduloidaan audiosignaalilla. Modulaation tuloksena saadaan muodostettua suorakaideaaltoa.
Kuva 1-2. D-luokan vahvistimen toiminta [11]
Kuva 1-3. PWM (pulse width modulation), pulssinleveysmodulaatio [10]
PWM- signaalin amplitudi ja taajuus ovat vakiot, mutta signaalin pulssisuhde muuttuu audiosignaalin taajuuden muuttuessa. Kun pulssisuhde on 50 %, audiosignaalin amplitudi on nollakohdassa.
Pulssisuhteen ollessa lähellä 0 % audiosignaalin amplitudi on maksimiarvossaan ja lähellä 99 %
minimiarvossaan [6]. Jotta vahvistettu signaali saadaan kaiuttimen kautta kuultavaan muotoon,
moduloitu signaali demoduloidaan ja suodatetaan.
4
17.5.2011
1.2 Projektityölle annettu aikataulu
Projektityön tekemiseen oli varattu aikaa 14 viikkoa, mikä oli riittävästi ajatellen projektityön vaatimuksia ja laajuutta.
Alustavia välinäyttöpäivämääriä oli sovittu seuraavasti (tarkat päivämäärät lisätty myöhemmin):
1. Välinäyttö viikolla 6,
8.2.2011
2. Välinäyttö viikolla 10,
8.3.2011
3. Välinäyttö viikolla 13
4. Loppushow viikolla 16, 21.4.2011
1.3 Tekniset reunaehdot
Tekniset reunaehdot ja olosuhteet käytiin läpi oppitunneilla projektityön ohjaustuntien yhteydessä.
18.1.2011 päädyttiin teknisissä spekseissä seuraavaan:
•
Komponenttibudjetti 100 € (mahdollinen budjetin ylitys maksettava omasta pussista tai lisärahoitusta voi yrittää hakea prof. Silventoiselta)
•
patteri/akkukäyttöinen
•
vähintään linjatasoinen/kuuloke/mikrofoniliitäntä
•
laitteesta saatava äänen voimakkuus sekä bassotoisto hyvääkin kännykän sisäistä kautinta
parempi
•
sisältää "bilelaatuisen" kaiutintoiston, 100 Hz - 15 kHz
•
volume-säätö, virtakytkin
•
kannettava, max 20 kg
•
toiminta-aika väh. 150 min
•
Mono tai stereo
•
D-luokan pääteaste
•
pääteasteen modulaattori suunniteltava itse (ei valmispiirejä)
5
17.5.2011
2. PROJEKTIRYHMÄN JÄRJESTÄYTYMINEN
2.1 Projektiryhmä
Ryhmän nimeksi valittiin LoudSystem. Henkilöresurssit jaettiin ryhmän jäsenten vahvuusalueiden
mukaisesti. Projektin edetessä oli mahdollista tarkastella jokaisen henkilön työtunteja. Jos tehtävät
olivat työmäärän suhteen epätasapainossa, pyrittiin parhaan mukaan tehtäviä järjestelemään uudelleen.
2.2 Tehtävät ja vastuualueet
Projektiryhmän tehtävät jaettiin seuraavasti:
Harri:
projektipäällikkö, kaiuttimen kasaaminen, loppuraportin kokoaminen
Markus:
modulaattorin suunnittelu, simulointi
Jari
demodulaattori, pääteaste ja protokortit
2.3. Kehitysfilosofia
Ryhmämme päätti heti aluksi tehdä mahdollisimman suoraviivaisen selkeän ratkaisun. Tällä pyrittiin myös mahdollisimman edulliseen ratkaisuun, jotta voisimme todella kilpailla referenssinä pidettyä Philipsin valmistamaa vastaavaa laitetta vastaan.
Kehitysfilosofian kulmakiviksi valittiin:
- Avoin arkkitehtuuri mallia ”Wiki”
- Avoin tiedonkulku ryhmän sisällä
- Avoin tiedonkulku eri ryhmien välillä
6
17.5.2011
2.4 Projektityön määrittelyt ja rajaukset
Teknisiä reunaehtoja täydennettiin ryhmän toiveiden mukaisesti. Tavoitteena oli rakentaa yksinkertainen ja mahdollisimman edullinen modulaattori, demodulaattori ja vahvistin yhdelle 2-puoleiselle
piirilevylle. Laitteesta tehtäisiin paristokäyttöinen. Käyttöjännite valittaisiin mahdollisuuksien mukaan yksi- tai kaksipuoleiseksi, noin 1,5 … 6 voltin jännitealueella. Laitteesta rakennettaisiin kompakti, muutaman kilon painoinen, helposti kannettava ja käytettävä kokonaisuus.
2.5 Alustava aikataulu
LoudSystemin projektin aikataulua tarkennettiin ensimmäisten projektipalaverien jälkeen. Lopullinen aikataulu esitetään tulokset – kohdassa sivulla 25.
Projektiryhmän alustavaksi aikatauluksi määriteltiin:
•
Vk 4-5: suunnittelun aloitus, ensimmäiset simuloinnit, ensimmäiset prototyypit
•
Vk 6-7: audio-osat, vahvistin, demodulaattori, modulaattori, osien tilaus
•
Vk 8-10: rakentaminen, testaus, kokoonpano
•
Vk 11-15: kehittäminen jatkuu, raportointi, mittaukset, loppukokoonpano
•
Vk 16: loppushow
2.6 Alustava komponenttibudjetti
Sadan euron komponenttibudjetti ajateltiin käytettäväksi oheisen listan mukaisesti:
Kaiutin
15-20
eur
Komparaattorit:
5
eur
FETit:
5
eur
Kytkimet(on/off ja mahd. mikkikytkin):
2-5
eur
Potentiometrit :
2-5
eur
Liittimet:
3-5
eur
"Pientarvikkeet":
5 – 15
eur
Paristokotelot:
5 – 10
eur
Kotelo:
15-20
eur
Yhteensä maksimibudjetti
100
eur
7
17.5.2011
3 SIMULOINTI
Simuloinnissa käytettiin koululta löytyvää Orcad PCB Designer PSpice 16.0 – ohjelmistoa sekä
Microcap 9 – ohjelmistoa. Simulointimalleissa ja – tuloksissa huomattiin eroavaisuuksia näiden
kahden eri ohjelman välillä. Käytettävyys ja käyttäminen ovat melko paljon suunnittelijan omista
mieltymyksistä ja tottumuksista kiinni.
3.1 Simuloinnin vaiheet
Simuloinnissa ei suoraan päästy täydellisesti toimiviin kytkentöihin, vaan simuloinnissa oli monta
iteraatiokierrosta suunnittelun edetessä.
Kuvassa 3-1 on yksi ensimmäisistä toimivista simulointimalleista. Siinä on käytetty AD8055 operaatiovahvistimilla tuettua melkein 1MHz saha-aaltoa, joka näkyy skooppikuvassa 3-5. Tuolla megahertsin modulaatio taajuudella riittää yksiasteinen suodin. Noin 250 kHz taajuudella tarvittiin
kaksiasteinen suodin, jotta kaikista virheistä päästiin eroon ja ulostulosignaali kuvassa 3-7 näytti
siniaallolta.
Kuva 3-1. Toimiva simulaatiomalli.
8
17.5.2011
Kuvan 3-2 simulaatiomallissa on päädytty käyttämään kaksipuoleista jännitelähdettä. Ensimmäinen operaatiovahvistin toimii komparaattorina, jolla on hystereesi, eli sillä on kaksi eri jännitetasoa,
joilla se vaihtaa tilaa. Jälkimmäinen operaatiovahvistin toimii integraattorina.
Kuva 3-2. Komparaattori ja integraattorikytkentä
3.2 Simuloinnin tulokset
Simuloinnin tuloksissa on esitetty muutama välivaihe työn edistymisen mukaan. Kuvan 3-2 simuloinnin modulaattorisignaalit ovat nähtävissä kuvassa 3-3. Kolmio- ja kanttiaalto ovat simuloitu noin
100 kHz taajuudella. Kuten käyristä näkyy, kyseessä ei ole kunnollinen komparaattori. Kun komparaattorille tulee kuvan 3-3 mukainen kolmioaalto, se ei vaihda tilaa terävästi kuten pitäisi.
Lähdöstä pitäisi tulla suorareunaista kanttiaaltoa. Nyt käyrä nousee vain loivasti. Tämä taas aiheuttaa sen, että tuon kolmioaallon molemmat päät pyöristyvät. Tästä taas tulee säröä todella paljon.
Kytkennän toiminta on vahvasti riippuvainen operaatiovahvistimen ominaisuuksista
9
17.5.2011
Kuva 3-3. Modulaattorisignaalit
Kyseinen kytkentä toimii pienillä taajuuksilla, kuten kuvasta 3-4 voidaan havaita. Simulointitaajuus,
noin 30 Khz, on auttamattomasti liian pieni sovelluksen tarpeeseen nähden.
Kuva 3-4. Kantti- ja kolmioaalto
10
17.5.2011
Kuvien 3-5 ja 3-6 skooppikuvat ovat kuvan 3-1 simulointimallin ulostulosta. Tulokset ovat selkeästi
parempia kuin tätä aiemmissa versioissa.
Kuva 3-5: Kolmioaalto n. 1 MHz:n taajuudella
Kuva 3-6. Ulostulosignaali
11
17.5.2011
4. PIIRILEVYVALMISTUS
Perusperiaatteena oli yrittää pitää rakenne mahdollisimman yksinkertaisena. Koska yhdellä projektiryhmän jäsenellä oli mahdollista teettää protokortteja veloituksetta, päätettiin, ettei korttipohjia
teetetä yliopiston kautta.
4.1 Ensimmäinen protopiirilevy
Piirilevy suunnittelussa pyrittiin optimoimaan EMC-yhteensopivuus, riittävä maapotentiaalien käyttö
ja käytettävissä oleva tila. Piirilevyt valmistettiin piirilevyjyrsimellä.
Kuva 4-1. Ensimmäinen prototyyppipiirilevy
4.2 Toinen protopiirilevy
Toisessa prototyypissä kuva 4-2 näkyy laitteeseen lisätyn takaisinkytkennän aiheuttamat muutokset kytkentään.
Kuva 4-2. Toinen prototyyppipiirilevy
12
17.5.2011
4.3 Kolmas protopiirilevy
Kuvissa 4-3 ja 4-4 esiintyvä kolmas prototyyppiversio on jo lähellä lopullista versiota. Ainoastaan
muutamia komponenttiarvoja on muutettu. Piirilevyä samalla hieman suurennettiin, jotta mittauksen
ja mahdolliset korjaukset olisi helpompi tehdä levylle.
Taulukossa 1 on nähtävissä lopullinen sähkökomponenttilista. Komponentit valittiin siten, että ne
olisit saatavilla molemmilta käytössä olevilta pieneriä toimittavilta komponenttitoimittajilta, Elfalta ja
Farnellilta.
Kuva 4-3. Kolmas prototyyppipiirilevy
Kuva 4-4. Kolmas prototyyppipiirilevy alapuolelta
13
17.5.2011
5 KAIUTTIMEN RAKENTAMINEN
Kaiuttimen rakentamista ensin kokeiltiin vanhan ASA -kaiuttimen elementit vaihtamalla uudempiin
autokaiuttimiin. Genelecin sivuilta [8] saaduilla testisignaaleilla kaiutinta testattiin, ja huomattiin
sekä testikaiuttimen että kuuloon perustuvan testauksen toimivan. Lopullisen laitteen hintaluokka
huomioiden ei päädytty käyttämään kuvan 5-1 Pioneer tai JBL autokaiuttimia.
ASA kaiutin
-
tilavuus 20 litraa
-
suljettu rakenne
Kaiutinelementit:
JBL LC-S963, 6 x 9”
-
53…20000 Hz
-
93 dB / W (1 m)
-
4 Ohm / 50 W (150 W
max.)
Pioneer TS-E1795
-
28…32000 Hz
-
91 dB / W (1 m)
-
4 Ohm / 60 W (220 W
max.)
Kuva 5-1. Ensimmäinen kaiutintestaus
5.1 Kaiutinelementit
OR-Loudspeakers Mikkelistä toimitti ryhmälle kaksi kaiutinelementtiä; basso- ja keskiäänielementin sekä diskanttielementin. Kyseisiä elementtejä käytetään tilavuudeltaan 4…12 litran kokoisissa
suljetuissa kaiuttimissa.
14
17.5.2011
Tekniset tiedot:
Matalat:
1 x 170 mm, ERIKOISKARTIO
Impedanssi:
8 ohmia
Korkeat:
10 / 14 mm, KALOTTI-KARTIO
Herkkyys dB -2,83 V-1m: 88 dB
Maksimi SPL 2,5m-dB:
99 dB
Taajuusvaste:
50...20000 Hz
Kuvat 5-2 ja 5-3. OR:n toimittamat kaiutinelementit
Kuva 5-4. OR:n kaiutinelementit vanhassa ASA kaiutinkotelossa
15
17.5.2011
5.2 Kaiuttimen kytkentä
OR:n kaiutin kytkettiin kuvan mukaisesti. Joskaan alipäästösuodatusta, kelaa L1, ei tässä sovelluksessa käytetty.
Kuva 5-5. Kaiuttimen kytkentä
5.3 Prototyyppikaiuttimen rakentaminen
Kompaktin rakenteen saavuttamiseksi LoudSystemin kaiutin rakennettiin 18 mm liimapuulevystä.
OR:n kaiuttimet sijoitettiin kuvan mukaisesti.
Kuva 5-6. LoudSystem kaiutin puuvalmiina
16
17.5.2011
Kuvassa 5-7 näkyy piirilevy kiinnitettynä kaiuttimen takakanteen. Vasemmassa reunassa näkyy
diskanttikaiuttimen yhteydessä ylipäästösuodattimena toimiva 1 µF:n elektrolyyttikondensaattori.
Kuva 5-7. Kaiutin takakansi auki
Kaiuttimen takana on omassa poterossaan potentiometri, päälle/pois – kytkin ja 3,5 mm plugi- liitin.
Kirkkaassa muovikotelossa on pikavaihdettava ”HotSwop” paristokotelo. Suurempi paristokotelo on
lisävarusteena myytävä BatteryBoost- paristokotelo, jonka mekaniikka on raportin kirjoitushetkellä
kesken.
Kuva 5-8. HotSwop- paristokotelo ja lisävarusteena saatava BatteryBoost- paristokotelo
17
17.5.2011
Kuvassa 5-9 nähdään LoudSystem Boom – nimiseksi ristitty valmis prototyyppilaite. Prototyyppihän voi olla valmis, vaikka prototyypin tarkoitus on ainoastaan simuloida muutamaa tai kaikkia
valmiin laitteen ominaisuuksia. Tähän punaiseen versioon on lisätty kaiutinta suojaa ruostumatonteräsritilä.
Kuva 5-9. LoudSystem Boom valmiina
6 MITTAUKSET
6.1 Testikytkentämittaukset
Komponentti- ja kytkentämittaukset aloitettiin yksinkertaisilla kytkennöillä. Aluksi testattiin pelkkää
pääteastetta (kuva 6-1).
Kuva 6-1. Pääteaste koekytkentälevyllä
18
17.5.2011
Pääteasteen mittauksissa pyrittiin selvittämään, kuinka paljon ohjaussignaalin tilanmuutoshetkellä
fetit johtivat samanaikaisesti. Tämä suoritettiin yksinkertaisesti mittaamalla pääteasteen ottamaa
virtaa ilman kuormaa, kun fettejä ohjattiin symmetrisellä kanttiaallolla n. 100…500 kHz taajuuksilla
(Kuva 6-2).
Kuva 6-2. Testikytkentälevy fettien mittaamisessa
Mittauksissa havaittiin, että jos käytetään +/- 3 V käyttö- ja fettien ohjausjännitettä (suunniteltu paristojännite), fettien johtamista tai sulkutilaan menemistä ei tarvitse hidastuttaa. Näin pienellä ohjausjännitteellä toinen feteistä ehtii aina lopettaa johtamisen, ennen kuin toinen alkaa johtaa. Käytettävissä olevat fetit ovat ns. Logic Level –tyypisiä, jotka johtavat noin 2…3 V UGS-jännittellä.
Suuremmilla käyttö- ja ohjausjännitteillä fettien ohjauksen nousua on syytä hidastaa esikerkiksi
yksinkertaisella RC-alipäästösuotimella, missä vastuksen rinnalla on diodi. Tällä saadaan hidastettua ohjaussignaalin sitä reunaa, jolla fetti saadaan johtamaan, mutta sen sammumista ei hidasteta.
19
17.5.2011
6.2 Lopullisen kytkennän / prototokortin mittaukset
Lopulliseen kytkentään jätettiin fettien ohjaussignaalien hidastuskytkennät, jotta vahvistinta voidaan käyttää myös suuremmalla käyttöjännitteellä. Niiden vaikutus on selkeästi nähtävissä kuvissa
6-3 ja 6-4. Vasemmassa kuvassa näkyy ohjaussignaalin nouseva reuna, jolla pääteasteen Nkanavainen (alempi) fetti alkaa johtaa noin 100 ns myöhemmin, kun P-kanavainen (ylempi) fetti
lakkaa johtamasta.
Kuvat 6-3 ja 6-4. Ohjaussignaalin nouseva ja laskeva reuna
Kuvassa 6-5 näkyy lopullisen vahvistimen modulaattorin lähtösignaali. Oskilloskooppikuvasta nähdään, että signaalin muoto on melko symmetrinen kolmioaalto. Signaalin amplitudi on +/- 1,4 V ja
taajuus on 310 kHz.
Kuva 6-5. Modulaattorin lähtösignaali.
20
17.5.2011
Kuvat 6-6 ja 6-7 havainnollistavat hyvin vahvistimen toimintaperiaatteen. Kuvissa näkyy oranssilla
vahvistimen modulaattorin kolmion muotoinen lähtösignaali. Violetilla näkyy vahvistimen komparaattorin tulosta mitattu audiosignaali. Sininen kuvaa komparaattorin lähdöstä mitattua signaalia.
Kuvat 6-6 ja 6-7. Audiosignaalin yliohjausmittaus.
Kuvassa 6-6 on tilanne, jossa vahvistin yliohjataan liian suurella audiosignaalilla. Komparaattorin
lähdössä näkyy normaalia pidemmät ala- ja ylätilat, jotka aiheuttavat äänen säröytymisen.
6.3 Virrankulutusmittaukset
Vahvistimen lepovirraksi mitattiin n. 25 mA. Tästä noin 6 mA on molempien operaatiovahvistimien
virrankulutus yhteensä. Loput lähes 20 mA kuluu pääteasteessa. Vahvistimen lähdön DC-taso jäi
hieman nollasta poikkeavaksi takaisinkytkennästä huolimatta. Ilman takaisinkytkentää se oli lähes
150 mV, joka aiheutti paljon suuremman lepovirran. Suurin osa lepovirrasta arvioitiin johtuvan pääteasteen fettien melko suurten tulokapasitanssien varaamisesta ja purkamisesta johtuvasta virrasta.
Taulukossa 6-1 näkyy vahvistimelle tehdyt virrankulutusmittaukset eri käyttöjännitteen arvoilla sekä
4 Ω että 8 Ω kuormilla. Laitteen maksimikäyttöjännite määräytyy käytössä olevan operaatiovahvistimen LMH6623 maksimikäyttöjännitteen perusteella, joka on +/- 6,4 V. Maksimiteho on määritelty
siten, että 1 kHz mittaussignaali ei silmin nähden vääristy mitattaessa oskilloskoopilla vahvistimen
lähdöstä. Teho on mitattu analogisella vahvistinmittauksiin tarkoitetulla tehomittarilla.
21
17.5.2011
Taulukosta voidaan havaita, että laitteen maksimiteho kasvaa hieman, kun käyttöjännitettä nostetaan. Samalla laitteen virrankulutus kasvaa. Silti korvalla kuunneltaessa näin pieni tehon kasvattaminen ei juuri vaikuta aistittavaan äänen voimakkuuteen. Mittauksissa todettiin myös vahvistimen
minimi käyttöjännite, joka oli +/- 2 V.
8 ohm kuorma
4 ohm kuorma
U [V]
I [mA]
P [W]
P[W]
n
I [mA]
P [W]
P[W]
n
2
70
0,1
0,28
0,36
100
0,15
0,4
0,38
3
100
0,3
0,6
0,50
160
0,5
0,96
0,52
4
130
0,6
1,04
0,58
210
0,9
1,68
0,54
5
180
1
1,8
0,56
270
1,5
2,7
0,56
6
260
1,4
3,12
0,45
350
2
4,2
0,48
Taulukko 6-1. Kortin virrankulutus ja hyötysuhde
Taulukossa nähdään myös vahvistimen laskettu hyötysuhde, joka jäin yllättävän pieneksi. Näin
pienitehoisella vahvistimella liian korkea lepovirta pienentää vahvistimen hyötysuhdetta. Vahvistimen jatkokehittelyssä kannattaa panostaa erityisesti lepovirran pienentämiseen, varsinkin, kun
laite on suunniteltu paristokäyttöiseksi.
6.4 Taajuusvasteen ja äänenpaineen mittaus
Akustinen taajuusvaste mitattiin yliopiston kaiuttomassa huoneessa. Mittalaitteena käytettiin R&S
UPD Audio analyzer 2 Hz... 300kHz. Äänenpaineen mitattaus: 1 m, A.
Mittausjärjestely:
mikki:
etäisyys laitteesta 1m
korkeus 115cm
laite
korkeus 80cm
etäisyys sivuseinästä n. 100cm
etäisyys takaseinästä 60cm
etäisyys katosta 157 cm
etäisyys etuseinästä 197 cm
22
17.5.2011
Kuvassa 6-8 nähdään mittausjärjestely kaiuttomassa huoneessa. DUT (device under test) on tuettu lattiasta ”eristepaalilla” ja katosta kuormaliinalla.
Kuva 6-8. Mittausjärjestely kaiuttomassa huoneessa
Taajuusvastekäyrästä (kuva 6-9) nähdään, että LoudSystemin protokaiutin (punainen yhtenäinen
viiva) on selkeästi parempi kuin Philipsin vertailukaiutin (sininen viiva ja punainen katkoviiva).
Äänenpaineen mittaustulos:
93dB 1V 1kHz
23
17.5.2011
Kuva 6-8. Taajuusvastekäyrä
7 TEOLLINEN MUOTOILU
7.1 Motivaatio
Yksi merkitsevä tekijä ostajan ajatusmaailmassa on hinnan, laadun ja teknisten ominaisuuksien
lisäksi se miltä tuote, laite tai palvelu näyttää. Tämän vuoksi tutkimme myös ammattimuotoilijan
avulla sitä, miltä ulkonäöltään viimeistelty aktiivikaiutin voisi näyttää.
Jos aika ja budjetti olisivat sallineet, olisimme voineet sellaisen myös teettää. Kiitos suunnittelusta
ja pintojen renderoinnista teollisella muotoilijalle Heikki Kangasmaalle.
7.2 Muotoilun tulokset
Kaiuttimen profiili on muotoiltu siten, että kaiutinta voi käyttää sekä pysty- että vaaka-asennossa.
Pystyasennossa kallistus on 7 astetta ja vaaka-asennossa kallistus 16 astetta. Kaiutinkotelo koostuu kahdesta pääosasta. Kotelomateriaali voi olla esimerkiksi muovia tai komposiittia, jolloin kannettavasta kaiuttimesta ei tule liian painavaa ja käyttö pysyy miellyttävänä.
24
17.5.2011
Volume-säädin on sijoitettu alas oikealle. Kaiutin- elementtien suojana ovat metalliverkot.
25
17.5.2011
Kannettavuus on otettu huomioon erillisellä yksityiskohdalla kaiuttimen yläosassa,
joka on ergonomisesti hyvä paikka kantorivalle.
Virtakytkin ja liittimet ovat sijoitettu taakse.
26
17.5.2011
8 TULOKSET
8.1 Projektin aikataulu
Ganttin kaavio / projektin aikataulu esitetään vasta tässä osuudessa. Dynaaminen aikataulu piti,
vaikka ryhmä oli varautunut päivittämään aikataulua tarpeen mukaan muuttuvien tilanteiden mukaan.
LoudSystemin projektin aikataulu määriteltiin oheisen taulukon mukaisesti:
vk
kk
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
tammikuutammikuu helmikuu helmikuu helmikuu helmikuumaaliskuumaaliskuumaaliskuumaaliskuu huhtikuu huhtikuu huhtikuu huhtikuu
Tehtävä
Vastuu
henkilö
Ryhmän järjestäytyminen
Tehtävien jako
Aikataulun laatiminen
Kaikki
Kaikki
Harri
Esiselvitys / teoria
Suunnittelun aloitus
Kaikki
Kaikki
Modulaattorin suunnittelu Markus
Demodulaattorin suunnitteluJari
Pääteasteen suunnittelu Jari
Audiosuunniittelu
Harri
Komponenttien 1. tilaus
Laitteen 1. kasaus
Laitteen 1. testaus
Harri
Markus
Markus
Komponenttien 2. tilaus
Laitteen 2. kasaus
Laitteen 2. testaus
Harri
Jari
Jari
Piirilevyn suunnittelu ja
valmistus
Markus
Jari
Mekaniikan hiominen
Harri
Loppukokoonpano
Harri
Simulointi, komponenttivalinta, protoilu
Simulointi, komponenttivalinta, protoilu
Simulointi, komponenttivalinta, protoilu
Komponenttivalinta, protoilu
Mittaukset ja testaaminen Jari
"Loppuraportin" tekeminen Harri
Loppushow
Kaikki
Kehitysideoiden kokoaminenHarri
Wiki-sivusto
Taulukko 8-1. Ganttin kaavio
27
17.5.2011
8.2 Lohkokaavio
Kuvassa 8-2 on vahvistinkortin lohkokaavio.
Kuva 8-2. Vahvistinkortin lohkokaavio
8.3 Pääpiirikaavio
Pääpiirikaavio on esitetty kuvassa 8-3 ja suuremmassa koossa liitteessä 1.
Kuva 8-3. Pääpiirikaavio
28
17.5.2011
8.4 Sähkökomponenttilista
Kuvassa 8-4 on viimeisen protokortin hinnoiteltu osaluettelo.
Kuva 8-4. Hinnoiteltu sähkökomponenttilista
8.5 Kotelokomponenttilista
Kotelokomponentteihin on tässä esityksessä sisällytetty kytkimet, liittimet, potentiometri, kaiuttimet
ja johtimet. Näin menettelemällä voidaan tuotantoprosessissa säästää aikaa. Tuotanto olisi lähinnä
kaiutinten kokoonpanoa ja kasaamista valmiista osakokonaisuuksista. Lisäksi tulisivat koestus ja
pakkaaminen ennen lähetystä asiakkaalle.
Taulukosta 8-1 löytyvät projektilaitteen kotelokomponenttilista hintatietoineen. Tuotekalkyyliä ei
protolaitteesta laskettu. Varsinaiset tuotantokustannukset ja ostohinnat riippuvat paljolti toimitusketjusta, kilpailutuksista ja ostoerien koosta.
29
17.5.2011
Komponenttitiedot
Komponentti
Koodi
Hintatiedot
Toimittaja
Huom.
Hinta alv 0%
levy
Robinhood
ostohinta
4,80
Kahva
Lainassa
arviohinta
2,50
Kotelon jalat
varastosta
arviohinta
1,50 €
Ruuvit ja mutterit
Robinhood
ostohinta/kilotavara
0,80 €
Paristokotelo
Biltema
ostohinta
0,48 €
Ritilä
Ikea
ostohinta
2,40 €
18 mm liimapuu-
Kytkin
9473394
Farnell
ostohinta
1,60 €
3,5 liitin
1390176
varastosta
Farnell listahinta
0,83 €
Potentiometri
350140
varastosta
Farnell listahinta
2,66 €
OR-Loudspeakers
arviohinta
12,00 €
diskantti
OR-Loudspeakers
arviohinta
3,00 €
Johtosarja
varastosta
arviohinta
0,42 €
Yhteensä
32,99 €
Kaiutin elementti
6,5" matala- ja
keskiääni
Kaiutin elementti,
Yhteensä
Taulukko 8-1. Kotelokomponenttitaulukko
8.6 Tuotekehityskustannukset
Tuotekehityskustannukset koostuvat suurelta osin palkkakuluista ja palkan sivukuluista. Tuotekehityskustannusten taulukko on liitteessä 2. Käytetyt tunnit liittyvät vain tehtyyn projektiin. Muihin
kurssiin liittyviin ajankäyttökysymyksiin (mm. Wiki) ei ole otettu kantaa.
30
17.5.2011
9 LOPPUPÄÄTELMÄ
Projekti muodosti laaja-alaisen ja haastavan kokonaisuuden.
9.1 Tavoitteiden saavuttaminen
Projektityössä saatiin valmis prototyyppikaiutin aikaiseksi. Aikataulussa pysyttiin ja osin myös alitettiin annettu aikataulu. Projekti meni suunnitellusti eteenpäin, ja projektilla oli merkittävä työllistävä vaikutus. Sähkökomponenttien hinta ja valmiin protokaiuttimen hinta pysyivät alussa määritellyissä raameissa.
9.2 Reflektointi
Ryhmän kokemuksien, tuntemuksien ja oppimisen analysointia ei käyty laaja-alaisesti ryhmänä
läpi. Jokaiselle ryhmänjäsenelle jäi varmasti jotain positiivista käteen. Voidaan kuitenkin mainita,
että hyvistä yksilöpelaajista kasvaa myös hyviä joukkuetovereita. Ennen ryhmätyön aloittamista
ryhmämme keskuudessa mainittu lause: ”Ryhmätyöt ovat perseestä.” saa toivottavasti tulevaisuudessa lievemmän muodon, esimerkiksi ”Voihan niitä ryhmätöitä tehdä.” – tyyppisen ilmaisun.
9.3 Parannusehdotukset
Tuotantoversion kortista voidaan poistaa riviliittimet turhina ja juottaa kaapelit suoraan piirilevylle.
HotSwop - paristokotelossa on mekaniikan osalta eniten kehitettävää. Kaiutinkotelosta voidaan
poistaa kaikki muut ruuvit, paitsi takalevyn ruuvit. Puutapitus ja liimaus varmistavat mekaanisen
kestävyyden.Laitteessa oleva potentiometrikin voitaisiin poistaa kustannus- ja asennusteknisistä
syistä. Potentiometri on käytännössä tarpeeton, koska jokaisessa soitinlaitteessa (puhelin tai MP3soitin) on jo äänenvoimakkuussäädin. Usein niiden säädin ei vain ole niin helposti ”tavoitettavissa”
kuin vahvistimen kyljessä oleva isokokoinen potentiometrin nuppi.
31
17.5.2011
Paristolla toimivassa laitteessa pitää vältellä kaikkia ledejä, joiden virrankulutus on samaa luokkaa,
kuin mitä nyt on vahvistimen lepovirrankulutus. Siksi esimerkiksi laitteen toimintatilaa osoittava
merkkiledi ei ole hyvä ratkaisu. Mutta jos vahvistimeen halutaan joitain lisäominaisuuksia, niin laitteen yliohjausta osoittava merkkiledi olisi helposti toteutettavissa lisäämällä kytkentään vielä yksi
komparaattori (OPA). Tämän komparaattorin referenssijännitteeksi tulisi kolmioaallon amplitudi ja
mitattavaksi signaaliksi vahvistimen varsinaiselle komparaattorille tuleva vahvistettu audiosignaali.
Jos audiosignaalin amplitudi ylittää kolmiosignaalin (joka aiheuttaa luvun 6 mittauksissa osoitettua
säröä), lisäkomparaattorin lähdössä syttyisi punainen merkkiledi.
Laitteen etuvahvistinta voisi parantaa älykkäästi ohjattavalla etuvahvistin/äänenvärisäädin piirillä.
Tätä piiriä ohjattaisiin mikro-ohjainpiirillä, joka hoitaisi samalla laitteen käyttöliittymää. Tällöin käyttöliittymässä olisi potentiometrien sijaan yksikertaisia painonappeja ja mahdollisena pyöritettävinä
säätimenä ns. rotary encoder – komponentti. Mikro-ohjaimella saataisiin myös monenlaista älyä
laitteen ohjauksiin, kuten paristojännitteen tarkkailu ja automaattinen lepotilaan siirtyminen, jos
tulossa ei ole tiettyyn aikaan havaittu audiosignaalia.
9.4 Tutkimuksen jatkotoimet
LoudSystem - tuotesarjaa voidaan täydentää eri kokoluokilla:
LoudSystem One
pieni kompakti muovikuorinen kaiutin (mono)
LoudSystem Boom
nykyisen protokaiuttimen parannettu versio (mono)
LoudSystem Double Boom
protokaiuttimen pidennetty versio (stereo)
LoudSystem Smooth
muotoilijan suunnittelema komposiittikaiutin (mono)
LoudSystem Double Smooth
sisältää kaksi Smooth- kaiutinta (stereo)
Modulaarisen rakenteen suunnittelu.
HotSwop- paristokoteloa voidaan käyttää periaatteessa kaikissa malleissa, samoin kuin BatteryBoost- lisäparistokoteloa. Samaa piirilevyä käytettäisiin kaikissa tuotesarjan tuotteissa. Stereoversioissa vain tarvittaisiin kaksi kalustettua piirilevyä ja yksi stereopotentiometri.
32
17.5.2011
LÄHDELUETTELO
Kirjat:
[1] Silvonen Kimmo, Elektroniikka ja puolijohdekomponentit, 2009, ISBN-10: 9516723616.
[2] Sedra, Adel S. Microelectronic circuits, 2004, ISBN. 0-19-514252-7.
[3] Floyd, Thomas L., Electronic devices, 1999, ISBN. 0-13-973769-3.
[4] Mohan, Power Electronics, 2003, ISBN 0-471-22693-9.
Opinnäytetyöt:
[5] Hannonen Janne, D-luokan audiovahvistimen modulointimenetelmien vertailu ja valinta, 2009,
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201006182068
[6] Karjala Juha, D-luokan vahvistin, 2011, http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-201104285082
[7] Sankala Arto, D-luokan audiovahvistimen pääteastetopologioiden vertailu kitaravahvistinsovelluksessa, 2009,
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201006182067
www-sivut:
[8] http://www.genelec.fi/ht/tuotetuki/testi-signaalit/
[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Class_D_Amplifier
[10] http://sound.westhost.com/articles/pwm.htm
[11] http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1071.pdf
[12] http://www.irf.com/product-info/audio/classdtutorial.pdf
33
17.5.2011
LIITE 1
34
17.5.2011
LIITE 2
Komponentti / työvaihe
Modulaattori
Demodulaattori
Pääteaste
Edellisten yhteensovitus
Muut
Kaiutin
Mekaniikka
Teollinen muotoilu
Oma työ
Tunnit /
Jari
Tunnit /
Markus
Tunnit /
Harri
10
20
20
50
10
5
15
15
0
0
4
14
10
40
12
60
88 eur / alv0% (40*1,7), tuntipalkka * henkilösivukulut 1,7 + 20 (ohjelmistolisä)
Konsultoinnin tuntihinta:
85 eur / alv0% annettu
Muotoilutoimiston
tuntihinta:
18
2
Suunnittelun tuntihinta:
Piirilevyvalmistuksen
tuntihinta / Jari
- piirilevyjyrsin
- sähkölabra
- ohjelmat
- työ
225
4
0
0
2
Yhteensä
Hinta
alv0%
Valuutta
6404 eur
3764 eur
3108 eur
65
Piirilevyvalmistuksen
tuntihinta
80
34
14
10
40
Muotoilutoimisto
Yhteensä
Labran tuntihinta:
80
Muu työ
Omat tun- Tunnit / Kon- Tunnit /
Tunnit /
nit yhteen- sultointi
labra
piirilevy
sä
4
64
4
4
4
34
4
4
4
29
4
2
60
108 eur / alv0% (40*1,7+30), tuntipalkka*henkilösivukulut 1,7 + 40 (labratyölisä)
85 eur / alv0% annettu
110 eur / alv0% annettu
120 eur / alv0% keskimääräinen laskutushinta
35
10
10
10148
1232
880
3690
1200
30426
0
eur
eur
eur
eur
eur