[Из песочницы] Визуализация звука на лампе 6Е1П
Решил поделиться опытом создания звукового индикатора на лампе 6Е1П. При создании лампового аудио усилителя для наушников было решено визуализировать аудио сигнал. Выбор пал именно на эту советскую лампу. Результатом работы стала маленькая печатная плата размером 30×33 мм. В данной статье приведена схема этой платы и описание алгоритма работы.
Лампа 6Е1П не является дефицитной и сравнительно легко доставаема при цене около 200 руб. В данной статье не будут рассматриваться вопросы создания аудио усилителя и качества аудио звучания, речь пойдет исключительно о схеме подключения и управления лампой 6Е1П. Любой желающий может повторить мою схему, модифицировать или использовать отдельные узлы схемы в своих устройствах (исходники приложены).
Фотография лампы и разработанной платы
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
При создании лампового усилителя было решено украсить, сделать более живым внешний вид лампового усилителя для наушников за счёт анимации звукового сигнала. Сам усилитель собран на двух двойных триодах 6Н23П по схеме SRPP-каскада. Дизайн усилителя повторяет трапецию: лампы 6Н23П размещены сзади, спереди размещена лампа 6Е1П. Подробнее об усилителе можно почитать здесь.Фотография усилителя (большая)
В качестве введения приведу основные моменты, которые были на момент начала разработки схемы управления лампой, и определили конечную реализацию: Лампа 6Е1П светится приятным зелёным светом и выглядит оригинально среди многих других ламповых индикаторов прошлого. Монтаж лампы вертикальный, что много удобнее чем торцевые лампы, особенно при использовании совместно с другими вакуумными лампами в усилителе, которые, типично, монтируются вертикально на верхней панели.
Необходимые напряжения питания сочетаются с напряжениями питания других вакуумных ламп, что не требует отдельного блока питания. Правда, в этом пункте есть некоторая особенность (см. ниже).
Сразу стояла задача сделать вывод совместного аудио сигнала с двух каналов на одну лампу 6Е1П. Обычно ставится на каждый канал по своей индикаторной лампе или же используют выход только одного из стереоканалов для визуализации. Здесь же изначально стояла задача сделать «честное» отображение аудио сигнала.
Решение пункта 3 требует сумматора сигнала, который, конечно, можно реализовать и на вакуумных лампах, но тогда схема управления индикаторной лампой сравняется по сложности со схемой самого усилителя. Классическая схема включения лампы 6Е1П предусматривает снятие сигнала либо с анода выходной лампы усилителя, либо использование специального согласующего трансформатора, достать который намного сложнее, чем саму лампу 6Е1П. Так же классические схемы не дают автоподстройки амплитуды сигнала, что приводит к зависимости степени раскрытия лампы от уровня громкости. Эта зависимость приобретает критическое значение при использовании наушников, т.к. сопротивление наушников может варьироваться в пределах 32–600 Ом, что даёт изменение амплитуды выходного сигнала в десятки раз. Поэтому было сразу решено: применять интегральные усилители; для реализации автоподстройки применить цифровой потенциометр, управляемый микроконтроллером; осуществлять цифровую фильтрацию аудио сигнала контроллером.
Считается, что в ламповой аудиотехнике не красиво использовать интегральные схемы. У меня таких предубеждений нет и, как было написано выше, в данной статье качество аудио сигнала не обсуждается. Речь пойдет исключительно о схеме качественного управления лампой 6Е1П.
Приступим!
ЧАСТЬ 1. ПИТАНИЕ И ПОДКЛЮЧЕНИЕ ЛАМПЫ
Лампа 6Е1П использует стандартное напряжение накала и анода.Накал: 6,3V / 300 мА → 1,9 ВтАнод: 250V / 6 мА → 1,5 Вт
В своём проекте я использовал ТАН 21–127/220–50 для питания лампы 6Е1П, остальных ламп усилителя и питания микроконтроллера. В конечной схеме использовалось анодное напряжение +270V.
Подробнее про трансформаторы ТАН можно почитать здесь.Если вы ставите целью только визуализацию, то применение ТАН может быть нецелесообразным. Более разумным будет использование сетевых адаптеров питания с последующим формированием высокого напряжения, напряжения накала и питания контроллера при помощи импульсных источников питания. Например такой вариант, применяемый для газоразрядных ламп в ламповых часах Nixie.
Я бы рекомендовал выбрать сетевой адаптер на 24V. Это сделает схему повышающего преобразователя проще и эффективнее и позволит сделать виртуальную землю для лампы (см. далее).
Теперь о подключении лампы. Выводы накала (4 и 5) лампы 6Е1П изолированы от остальных выводов лампы, поэтому можно подключать их как угодно, главное чтобы между ними было напряжение около 6V. Можно постоянное, можно переменное. Только в случае применения ТАН, рекомендуется сделать подтяжку выводов 4 и 5 к выводу 2 (земля) для исключения пробоя между накалом и катодом. Выводы 3, 7, 8, 9 подключаются к высокому напряжению. И теперь, самое интересное — вывод 1 (сетка) управляет раскрытием лампы при помощи отрицательного напряжения! Напряжению -12…-15V на сетке относительно катода соответствует полное раскрытие лампы, а напряжению 0 — полное закрытие. И хуже того, в реальности, при заземлении сетки на катод лампа полностью не закрывается: вместо тонкой ровной светящейся полоски имеется жирный светящийся конус. Решается это подачей небольшого положительного напряжения на сетку (+5V достаточно). Таким образом, лампа управляется напряжением относительно катода от -15V до +5V. Что, мягко говоря, неудобно.
Схема питания
И так, схема питания микроконтроллера (+5V) выглядит следующим образом: 
Использована одна из обмоток ТАН на ~20V. Собран выпрямитель на +28V. Использована микросхема малопотребляющего импульсника TPS62120. Микросхема была в наличии и имеет малые габариты, поэтому выбор пал именно на неё, но у неё максимальное входное напряжение составляет 15V. Поэтому напряжение с 28V до 15V падает на ограничительном резисторе R4 и дополнительно микросхему защищает стабилитрон на 15V. Такой гибридный источник питания я не могу рекомендовать к повторению, но, тем не менее, для тока 10 мА работает он стабильно. Имея стабилитрон лучше собрать параметрический стабилизатор.Напряжение +28V использую для управления лампой. Напряжение +5V служит для питания остальной части платы (усилители, микроконтроллер, потенциометр).Для управления лампой создаём виртуальную землю +21V следующей схемой: 
Используем питание +28V и при помощи стабилитрона на 21V создаём виртуальную землю AMP_GND на +21V. Именно эту виртуальную землю нужно подключить к выводу 2 лампы. Сделать это возможно потому, что все обмотки ТАН изолированы, и земля платы не соединена с землей питания лампы (+250V). Тогда для управления лампой получим диапазон напряжений от -21V до +7V.В случае если вы используете питание от сетевого адаптера 24V и формируете высокое напряжение импульсным источником, то формируйте виртуальную землю около 18V такой же точно схемой (заменив стабилитрон на 18V).
ЧАСТЬ 2. СХЕМА АНАЛОГОВОГО КАНАЛА
Перейдем к схеме преобразования аудио сигнала. Аудиоканал должен обеспечивать суммирование сигнала с двух каналов и приведение его к входному диапазону АЦП контроллера (размах сигнала не более 5V).
Имеем два канала. Так как любая схема при подключении вносит искажения в исходный сигнал, а выход усилителя наименее чувствителен к этому, то подключаемся непосредственно к выходу усилителя (параллельно нагрузке — наушникам). Сигнал отвязан по постоянке входными конденсаторами 0,1 мкФ. Диоды VD4 и VD5 стоят для защиты схемы от возможных всплесков по входу. Далее на каждом канале стоит по инвертирующему усилителю (DA1A и DA1B) с коэффициентом усиления 0,34. Они выполняют 2 задачи. Во-первых, для высокоомных наушников уменьшают размах сигнала в 3 раза, приводя его к диапазону 5V. Так как, например, для наушников 600 Ом размах сигнала может составлять до 16V. Во-вторых, они служат буферными усилителями для последующего сумматора. Если бы их не было, и сигнал сразу подать на сумматор, то, фактически, оба канала оказались бы соединены через 20 кОм резисторы между собой, что ухудшило бы разделение каналов.
Далее сигнал поступает на сумматор и усилитель с автоподстройкой (DA1C). Коэффициент усиления может меняться в пределах от 1 до 1000. Цифровой потенциометр AD5160 один из самых легкодоступных и дешевых. Он имеет 256 позиций. Усилитель выбран AD8608 в счетверённом корпусе. Последний четвёртый усилитель (DA1D) использовал для создания виртуальной земли +2,5V:
В принципе, подобную же схему можно было сделать для виртуальной земли лампы +21V.
ЧАСТЬ 3. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ
В качестве микроконтроллера выбран ATiny25/45. Производительность достаточная для этой задачи, питание 5V, маленький корпус. Обычно, программирование контроллеров семейства AVR8 является простым и интуитивно понятным, но ATiny25/45 является контроллером сверхнизкой интеграции и почти не содержит аппаратных блоков. Поэтому работа с универсальным приёмопередатчиком ATiny25/45 не из приятных: почти всё делать приходится программно.
Сама схема управления лампой 6Е1П построена на полевом транзисторе IRLML2803 и представляет собой простой ШИМ с НЧ-фильтром. Транзистором коммутируется напряжение +28V или земля. Относительно вывода 2 лампы это будет +7V или -21V.
Так же в своём устройстве я решил добавить миниатюрное сдвоенное реле на переключение. При помощи него я коммутирую анодное напряжение усилителя после прогрева ламп и управляю светодиодом в тумблере включения, меняя его цвет с красного на зелёный после прогрева. Есть в этом одна особенность: порт PB5 контроллера используется как RESET и недоступен, пока не прошить соответствующий FUSE-бит, но после его прошивки станет невозможно программирование через SPI. Так что активируем порт PB5 в самую последнюю очередь, когда всё отлажено и работает как надо.
ЧАСТЬ 4. АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ В результате длительных экспериментов с различными методами обработки аудио сигнала и подбора различных параметров был найден оптимальный вариант, дающий хорошую визуализацию. Любой желающий может разработать свой собственный алгоритм регуляции, который лучше будет подходить к его аппаратному решению или прослушиваемому музыкальному контенту.Мой метод включает в себя: предварительную фильтрацию сигнала, определение локальных максимумов сигнала, выработка сигнала управления лампой, управление коэффициентом усиления усилителя.
Теперь по порядку опишу работу алгоритма.
Суммарный сигнал обоих каналов считывается АЦП с максимальной частотой выборки для этого микроконтроллера — 100kSPS. Производится фильтрация сигнала. Применён простой метод вычисления среднего из 4 отсчётов. Тем самым уменьшаем частоту выборки до 25kSPS. Сигнал переменный с постоянной составляющей +2,5V (0×7f). Выпрямляем его (вычитая 0×7f) и убираем шум вблизи нуля. По накопленным 5 отсчётам (усреднённым) производится поиск локального максимума (пика) при помощи скользящего окна, что уменьшает полосу пропускания частот примерно до 3,1кГц. Регулируем выдаваемый на лампу ШИМ в зависимости от полученной величины пика. Регуляцию я ввёл с несимметричным ограничением. Т.е. увеличиваю ШИМ с большим шагом, а уменьшаю с маленьким. Регулируем коэффициент усиления при помощи цифрового потенциометра. Алгоритм регуляции предлагаю следующий: а) Находим максимум из всех пиков на определённом интервале времени. В моём варианте, в среднем, этот интервал составляет около 300 мс. б) Если на этом интервале максимальный пик составил более 90% от входного диапазона, то уменьшаем усиление. в) Если на этом интервале максимальный пик составил менее 50% от входного диапазона, то увеличиваем усиление. г) В предложенной аналоговой схеме есть следующий недостаток: регуляция коэффициента усиления нелинейная из-за применённого способа включения потенциометра. Особенно сильная нелинейность при высоком коэффициенте усиления, т.е. изменение потенциометра на один шаг приводит к многократному увеличению усиления и, как следствие, к перегрузу входа АЦП. Поэтому мне пришлось отказаться от использования последних нескольких шагов потенциометра (254 и 255), а вместо этого усиливать сигнал, просто умножая его на 2 ÷ 8. Реальные измерения осциллографом показали, что алгоритм, в среднем, обновляет данные ШИМ с частотой 1кГц. Частота сильно плавает и зависит от перепадов амплитуды входного сигнала. Но, в любом случае, обновление данных ШИМ происходит не реже чем с частотой 100Гц, что достаточно для хорошей визуализации. Изменение коэффициента усиления происходит от 2 до 10 раз в секунду.Проект прошивки микроконтроллера (ATiny45) для IAR v6.3 и схема с разводкой для Altium Designer 2009 лежат по адресу: https://bitbucket.org/AiV_Electronics/6e1p_tube/overview
ЧАСТЬ 5. РЕЗУЛЬТАТ Видео с результатом работы лампы для разных музыкальных композиций [embedded content][embedded content]
Лампа хорошо реагирует как на звуки верхних частот, так и нижних частот. Отрабатывает чётко, без задержек. Величина реакции адекватна громкости звука. На этом считаю поставленную задачу решенной.Хочу заметить, что, хотя данный вариант является финальным и не планируется его дальнейшая доработка, тем не менее, данная версия оставляет простор для улучшения. Если бы передо мной стаяла задача доработки, то я улучшил бы схему в следующих моментах:
Изменил бы схему источника питания на полностью импульсную. Линейный стабилизатор не стал бы ставить, т.к. обмотка трансформатора выдаёт только 47 мА. Изменил бы схему включения потенциометра для исключения нелинейности. Использовал бы параметрический стабилизатор для формирования виртуальной земли +21V и уменьшил бы конденсаторы С18-С20. На этом пока всё. В будущем планирую написать статью по изготовлению механической части усилителя и поделиться опытом изготовления корпусов РЭА из дерева, изготовления деталей из листового металла, покраске, покрытия лаком и нанесения маркировки через трафареты и штампы.
Спасибо за внимание. Жду ваших вопросов и комментариев.
P.S. Заранее беспокоюсь, что тема может перерасти в обсуждение ламповой аудиотехники и вопросов качества аудио звучания. Поэтому прошу обсуждать исключительно вопросы связанные с визуализацией аудио сигнала. Заранее спасибо.
