3. CONTROL DEL VOLUMEN A TRAVÉS DE DS1666.
3.1. El DS1666.
Una vez estudiado el comportamiento del amplificador pasamos a realizar el primer control de volumen.
De entre las opciones que permite el mercado comenzamos por realizar la prueba con el integrado DS1666 de Dallas Semiconductor, consistente en un potenciómetro que posee 128 posiciones distintas de resistencia controladas digitalmente a través de una sencilla secuencia. Las características más importantes por las cuales elegimos este circuito son las siguientes:
- Tres pines para la conexión como entrada y salida de señal del potenciómetro: VL y VH, entre los cuales hay una resistencia fija equivalente al máximo valor de ésta (variable según el modelo de DS1666 que elijamos), y VW, que es el pin cuya resistencia respecto de los otros dos pines cambia según el método anterior.
Al mantener U/D = 1 (subida del nivel del potenciómetro) lo que hacemos es aumentar la resistencia entre los pines VH y VW, y lo contrario ocurre entre VL y VW.
- Fácil control de la posición del potenciómetro con una secuencia a través de únicamente tres pines. La secuencia comienza con una activación del chip select (CS a nivel bajo). A continuación, y manteniendo (lógicamente) el CS a “0”, el potenciómetro cambiará hacia arriba o hacia abajo a cada flanco de bajada de la señal INC. La bajada o subida es controlada a través de la señal U/D:
o si U/D = “1” el potenciómetro subirá un nivel, o si U/D = “0” bajará un nivel.
Si, por ejemplo, quisiéramos conseguir una bajada o subida continua y progresiva lo que habría que realizar sería introducir un reloj como entrada de la señal INC, manteniendo activa la señal U/D al nivel deseado. Variando la frecuencia de este reloj la subida o bajada sería más o menos rápida.
La frecuencia máxima a la que el DS1666 puede cambiar viene dada por distintos tiempos mínimos necesarios para el buen funcionamiento del circuito (ver más adelante, en esta misma sección).
- 128 posiciones distintas, que aumentan en escala pseudologarítmica. Esto es, se puede aumentar el volumen de un nivel mínimo de prácticamente 0 Vpp al máximo de forma suave (en 128 pasos) y pseudologarítmica. De esta forma se simula el comportamiento del oído humano, que aprecia cambios en el sonido precisamente de esta forma: “amplificando” cambios pequeños cuando la intensidad del sonido es pequeña y apreciando menos los cambios cuando ésta es alta. Para implementarlo, lo que el circuito realiza es dividir la subida en dos partes: una primera en forma de
recta con pendiente del 1% de subida de resistencia por cada 3 pasos a la entrada de control del potenciómetro, y a partir de la posición 74 otra recta con pendiente del 2% de subida por cada paso. Así se consigue que no se aprecien cambios ni excesivamente bruscos ni demasiad suaves en la subida o bajada de volumen.
- Está especialmente diseñado para funcionar a frecuencia de audio:
o DS1666-10, con resistencia máxima de 10K y frecuencia de 3dB de 1MHz.
o DS1666-50, de 50K y con frecuencia de corte de 200kHz.
o DS1666-100, son 100K de resistencia máxima y frecuencia de corte en 100kHz.
- Señales de operación para los pines de control del nivel del potenciómetro correspondientes a TLL estándar:
o “1” va de 2V a Vcc+0’5 V o “0” va de –0’5 V a 0’8 V.
Lo que ofrece, en principio, un buen comportamiento ante ruidos indeseados a la entrada del control.
Internamente, el DS1666 no es más que una línea formada por 127 resistencias conectadas a VH y VL. Cada resistencia está unida a VW por un interruptor, de modo que si la programación del potenciómetro está en un determinado nivel, se cierra el interruptor correspondiente y se abren los demás, quedado la resistencia elegida entre los pines VH y VW, y el resto entre VL y VW (ver en el anexo el datasheet del fabricante).
Como se dijo antes, es importante conocer los tiempos mínimos que pone el fabricante para el correcto funcionamiento del circuito (es decir, los que se corresponden con la frecuencia máxima de funcionamiento y con las restricciones temporales de cambio de las distintas señales). Éstos son:
- TCI = Tiempo mínimo de CS para que INC realice un setup = 100 ns.
- TID = Tiempo mínimo de INC a nivel alto para un cambio de U/D = 100 ns.
- TDI = Tiempo mínimo de U/D para que INC haga un setup = 1µs.
- TIL = Tiempo mínimo de INC a nivel bajo = 500 ns.
- TIH = Tiempo mínimo de INC a nivel alto = 1 µs.
- TIW = Tiempo máximo de INC a nivel bajo para un cambio = 200 ns.
Como se verá en el apartado 3.3., el periodo de la señal INC que vamos a utilizar en este proyecto va a ser superior en varios órdenes de magnitud a todos estos tiempos, con lo que el correcto funcionamiento del circuito, al menos en cuanto a las restricciones temporales, está garantizado.
Por otro lado, la tensión de alimentación debe estar entre 4’5 V y 5’5 V, con lo que se fijó a 5 V.
Para más información sobre el circuito DS1666 ver el anexo que contiene la hoja de datasheet del fabricante.
3.2. El circuito de control de volumen con DS1666.
Para probar la utilidad real del DS1666, y antes de pensar en realizar un control totalmente digital del volumen, dispusimos un circuito para probar sus características utilizando únicamente dos botones que cambian el volumen. Al realizarlo así necesitamos:
-
Dos integrados DS1666 para controlar cada uno de los canales de audio estéreo. Cada potenciómetro se conecta a la entrada de audio y su salida ataca la entrada del amplificador TPA1517P. Por lo tanto, lo que cada potenciómetro hace es atenuar la entrada antes de ser amplificada, controlándose así su volumen de salida. Para nuestra aplicación utilizamos dos DS1666 idénticos de 10K de resistencia máxima. Es decir, que su frecuencia de corte está en 1MHz, totalmente alejada de las frecuencias de audio.- Ambos están controlados por las mismas señales de control; esto es, realizamos un control de volumen pero no así de balance.
- En principio, decidimos que el chip select esté siempre activado (o sea, conectado a tierra). En principio esto no supondría ningún problema ya que hasta que no le entrara la señal contiendo los flancos de bajada por INC el potenciómetro no cambia su nivel.
- Necesitamos una señal para ambas entradas U/D que controle la subida o bajada del volumen.
Para ello elegimos la señal del pulsador “up” como señal U/D: si pulsamos el botón, U/D=”1” y si no lo pulsamos U/D=”0”.
- Los pulsadores que compramos fueron de 4 pines, de forma que sin presionar están cortocircuitados dos a dos, y al pulsar se cortocircuitan todos los pines.
- La subida o bajada del volumen no depende únicamente de esta señal U/D, sino que es necesario generar un reloj que se active cuando quiero bajar o subir el volumen. Para ello se dispone del
circuito NE555, que genera un reloj a la frecuencia que deseemos, que será la entrada de INC (el NE555 está descrito en el punto 3.3).
- Este circuito NE555 está controlado por la señal reset, de forma que si reset = ”1” el circuito funciona correctamente, y si reset = “0” el circuito está desactivado. Por tanto, que el volumen cambie dependerá de que se active el NE555 y produzca los flancos de bajada que activen el cambio.
- El cambio de volumen debe realizarse siempre que pulsemos uno de los dos botones. Por tanto, colocando una puerta OR tras los pulsadores se genera un “1” que activa el NE555, produciéndose el cambio en el potenciómetro. La puerta OR la introducimos utilizando el integrado 74LS32, que se describe en el punto 3.4.
- Incluimos un diodo LED por cada pulsador con el único objetivo de observar que el circuito está cambiando correctamente cuando pulsamos un botón. Puede verse en el esquemático del punto 3.4. que el diodo está conectado, por un lado, al pulsador, y por el otro a la señal de reloj INC, de forma que cuando se pulsa uno de los botones el diodo correspondiente emite luz parpadeando con igual frecuencia que la salida del NE555.
- Cada chip tiene entre Vcc y tierra un condensador de desacoplo de 0’1µF.
- Además, necesitamos tener dos tensiones de alimentación: una de alrededor de 12-14 V para el amplificador, y otra de 5V para toda la parte digital. Esto se consigue con el LM7805, circuito ampliamente utilizado y conocido, que cambia una la tensión cualquiera entre su entrada y tierra por una salida fija a 5V a su salida.
- Tanto las salidas de audio como la entrada de alimentación se hacen con pines atornillados, que hacen más estable mecánicamente la unión entre el circuito y los altavoces y fuente de alimentación, respectivamente.
- Por último, tanto la entrada de audio como toda la circuitería que necesita el amplificador no cambia respecto del apartado 2.
Con todo esto, el circuito en teoría debería funcionar correctamente siempre que se pulse uno de los botones o no se pulse ninguno. Tal como está realizado el circuito, al pulsar ambos botones a la vez la entrada reset del NE555 se activa, y la señal U/D se pondría a “1”, ya que es la salida del botón “up”, es decir, que el volumen aumentaría.
3.3. NE555.
El NE555 es un circuito ampliamente conocido y utilizado en numerosas aplicaciones para generar señales de reloj. Internamente consta de un oscilador cuya frecuencia se puede controlar por medio de las correspondientes capacidades e impedancias conectados en el exterior. Es capaz de realizar diversas funciones con distintos esquemas de conexión externa. Así, puede funcionar como “monostable”, como
“astable”, detector “missing-pulse”, divisor de frecuencia y modulación por anchura de pulso o “pulse- width”. Para la aplicación que nos ocupa únicamente necesitamos realizar una señal de reloj a una frecuencia conveniente para que la subida y bajada del volumen sea lo suficientemente rápida para que resulte cómoda y lo suficientemente lenta como para ser controlable. Para ello lo usamos con la configuración “astable”, dando como salida una señal cuadrada oscilante cuya frecuencia se puede controlar con las resistencias RA y RB y el condensador, pudiéndose controlar de forma independiente los tiempos a nivel bajo y nivel alto (ver anexo: datasheet del fabricante) con las fórmulas:
- Tiempo a nivel alto: TH = 0’693 (RA + RB) C - Tiempo a nivel bajo: TL = 0’693 RB C
- Frecuencia ≈ 1’44 / (RA + 2 RB) C
Para este circuito usamos dos resistencias RA y RB idénticas y de valor 1M y un condensador de 0’01µ, que dan como resultado una frecuencia de funcionamiento de 48 Hz. Esto es, el volumen tarda en alcanzar su máximo (o mínimo) desde el nivel contrario alrededor de 2 segundos y medio. Esto parece una frecuencia muy alta, pero en la práctica se demostró que se puede controlar el volumen correctamente, y que si se utiliza otra frecuencia más baja el control de volumen resulta excesivamente lento y tedioso para el usuario.
3.4. SN74LS32N
El SN74LS32N es también un circuito ampliamente conocido que implementa cuatro puertas OR de dos entradas integradas en el mismo chip. Como se puede ver en el datasheet del fabricante (ver anexos) se trata de un encapsulado de 14 pines, de forma que cada 3 pines se corresponden con sendas entradas y salida de cada puerta, de forma que fijando un nivel alto en alguna de las entradas se obtiene un nivel alto de salida, y cuando ambas están a nivel bajo se obtiene la salida a nivel bajo. Por supuesto, las cuatro puertas OR son totalmente independientes entre sí. Los niveles lógicos son los siguientes:
- VIH = 2 V - VOH mínimo = 2’4 V - VOH típico = 3’4 V - VIL = 0’8 V - VOL máximo = 0’4 V - VOL típico = 0’2 V
La tensión de alimentación típica es de 5 V, pudiendo variar, al menos en teoría, entre 4’75 y 5’25 V. Por otro lado, los tiempos de cambio de la salida ante un cambio en la entrada y que limitan el funcionamiento son:
- Tiempo de nivel bajo a nivel alto = tpLH = 10 – 15 ns.
- Tiempo de nivel alto a nivel bajo = tpHL = 14 – 22 ns.
Para la aplicación diseñada no parece que estos tiempos vayan a ser muy limitantes.
Todas las etapas OR están realizadas con distintas variantes de la tecnología TTL dependiendo de la versión del integrado (ver figura del datasheet en el anexo).
3.5. Esquemáticos.
A continuación se presentan todos los esquemáticos correspondientes al circuito realizado. Los presentamos por separado para una mayor claridad.
El esquemático correspondiente a los potenciómetros se presenta en la página siguiente. Puede observarse que consta únicamente de los dos circuitos DS1666 con sus correspondientes conexiones de control. La entrada de audio se conecta entre VH y VL y la salida que va atenuada hacia el amplificador se conecta entre VW y VL, estando esta última además a tierra. En el centro aparece el esquema que realicé para el jack de audio.
Las señales de control del potenciómetro vienen dadas por los pulsadores. El esquema correspondiente a éstos se encuentra a continuación. Puede verse que a la izquierda tenemos los dos pulsadores, con un circuito que polariza los diodos LED y sirven como entrada a la puerta OR.
El siguiente esquemático corresponde a la parte del NE555 que, con las señales provenientes del anterior, generan el reloj de entrada al pin INC de los potenciómetros. Puede apreciarse que se han escogido ambas resistencias RA y RB de 100 K para obtener la frecuencia deseada.
Por último, en el esquemático del amplificador la única modificación realizada es la correspondiente a la entrada de audio: el sonido ya no entra a través del jack, sino a partir de los potenciómetros.
3.5. PCB de la placa.
La figura que aparece a continuación se corresponde con el fotolito de la placa. Se han omitido los planos de tierra ya que con ellos el dibujo era ininteligible. De todas formas pueden observarse las líneas que delimitan sendos planos en el top y en el botton. A pesar de que en la placa anterior no se observó un excesivo calentamiento, se ha intentado hacer estos planos con un tamaño bastante grande, tal y como se recomienda en el datasheet del amplificador.
Puede verse igualmente que, en aquel momento, aún tenía una cierta obsesión por hacer las curvas en las líneas lo más suaves posible, con la idea fija de evitar cualquier pérdida de señal de audio, aunque en muchos casos no eran líneas de audio.
3.5. La placa.
Por último, la foto siguiente muestra la placa realizada:
3.6. Pruebas y resultados.
A pesar de todo el trabajo realizado, el circuito no funcionó correctamente. Aunque al conectarlo la amplificación era perfecta, al tocar los botones de control de volumen el resultado era desconcertante: al principio parecía que el volumen subía y bajaba correctamente, pero al cabo de un par de subidas o bajadas ocurrían efectos extraños: el volumen bajaba bruscamente y se colocaba a niveles prácticamente de 0, o subía bruscamente e incluso oscilaba después de dejar de presionar el botón. Nos costó bastante entender que era un efecto producido no por una mala realización de la placa sino que era intrínseco al diseño, ya que no habíamos tenido en cuenta los dos efectos siguientes:
- Por un lado, pensamos que al pulsar un botón se producía un nivel alto de tensión, y al dejar de pulsarlo se producía un nivel bajo (esto ocurre así siempre al mantener el botón en un estado o en el otro). Sin embargo, no tuvimos en cuenta efectos de rebotes que se pueden dar: al pulsar o dejar de pulsar parece observarse algún comportamiento transitorio e indeseado, y que da como consecuencia oscilaciones entre “o” y “1” que afectan al comportamiento del circuito.
- Por otro, al introducir como reset del NE555 la salida de ambos botones, significa que el NE555 va a resetearse cada vez que se pulse un botón, con lo que se va a producir un transitorio en el mismo que no sabemos cómo es (el datasheet del fabricante da su funcionamiento normal, pero no habla del transitorio) y que va a afectar al comportamiento de los potenciómetros en una forma desconocida.
Estos son los efectos por los que pensamos que el circuito no funcionaba, y que nos obligó a introducir cambios en el diseño. Efectivamente, como se comprobó, con los cambios introducidos el circuito funcionaba correctamente, lo que parece validar las dos suposiciones anteriores.
