Zaawansowany selektor audio

Przykładowy domowy zestaw audio: odtwarzacz kasetowy (lub szpulowy deck), odtwarzacz CD, internetowy DAC, gramofon oraz wzmacniacz. Cztery źródła sygnału, jeden odbiornik. Podłączenie jest w tym przypadku banalne: wystarczy selektor typu „1 z 4”, a ponieważ  wzmacniacz najczęściej wyposażony jest we wbudowany selektor, nie trzeba nawet dodatkowego klocka. Ale co zrobić w sytuacji, gdy mamy dwa różne wzmacniacze, na przykład słuchawkowy i głośnikowy?
Jeszcze inna możliwość: mam na wyposażeniu wzmacniacz słuchawkowy, głośnikowy, ADC do cyfrowej rejestracji dźwięku z taśm lub gramofonu oraz kino domowe. Przecież tego nie da się podłączyć bez plątaniny kabli, którą trzeba byłoby przekładać przy każdej próbie zmiany jakichkolwiek parametrów! A gdyby zechcieć podłączyć jedno źródło do dwóch wzmacniaczy, konieczny byłby rozgałęźnik. W efekcie otrzymujemy bałagan i chaos. Remedium stanowi… ten układ.

Budowa

Urządzenie zostało podzielone na dwie płytki drukowane, połączone dla wygody pojedynczą taśmą. Główna płytka zawiera złącza sygnałowe oraz przekaźniki i osprzęt konieczny do ich sterowania. Osiem podwójnych gniazd sygnałowych jest przełączanych przez zestaw szesnastu przekaźników sygnałowych – tak aby możliwe było połączenie typu „każdy z każdym”, a dokładniej: każde wyjście (J5…J8) można było połączyć z dokładnie jednym wejściem (J1…J4) lub zostawić niepodłączone. Algorytm sterowania został napisany tak, by wykluczyć możliwość jednoczesnego podłączenia dwóch wejść do jednego wyjścia, co skutkowałoby ich zwarciem między sobą – można jednak sygnał z jednego wejścia przekierować do kilku wyjść jednocześnie.

Za wstępną polaryzację wyjść odpowiadają rezystory R1…R8. W prototypie użyto elementów niskoszumowych, metalizowanych i do tego precyzyjnych – o tolerancji 1%. Rezystancja 100 kΩ nie powinna nadmiernie obciążać żadnego z popularnych dzisiaj źródeł sygnału, a jednocześnie nie pozostawi wejścia aktualnie odłączonego wzmacniacza (lub innego odbiornika) „wiszącego w powietrzu”. Im niższa jest wspomniana rezystancja, tym mniejszy wpływ na działanie tego układu mają wszechobecne zakłócenia, za to mocniej obciążane są wyjścia źródeł, co może skutkować zmniejszeniem amplitudy sygnału audio.

Jako przekaźniki sygnałowe zostały użyte popularne i niedrogie JRC27F z cewkami przystosowanymi do napięcia 12 V. Nic nie stoi na przeszkodzie, by użyć ich odpowiedników dostosowanych do zasilania napięciem 24 V, czyli JRC27F/24 S z oferty Sklepu AVT. Te niewielkie przekaźniki o konfiguracji styków DPDT pozwalają na niezawodne przełączanie sygnałów o dowolnie małym natężeniu prądu, czego nie potrafią ich większe odpowiedniki, jak RM84, w których z czasem dochodzi do pogorszenia parametrów przewodzenia przy zbyt niskim obciążeniu.

Czym sterować szesnaście przekaźników, szesnastoma tranzystorami? Czemu nie, ale uprośćmy sobie zadanie – gotowe układy ULN2803 mają w swojej strukturze po osiem kluczy nasyconych, wraz z diodami zabezpieczającymi przed uszkodzeniem podczas sterowania obciążeniami o charakterze indukcyjnym. Ponadto mają też wbudowane rezystory ograniczające prądy baz tychże tranzystorów, co oznacza, że praktycznie nie trzeba im elementów zewnętrznych do poprawnego działania. Warto jednak postawić w ich pobliżu kondensatory filtrujące zasilanie (tutaj: 100 nF + 22 μF), aby impuls samoindukcji od wyłączającego się uzwojenia przekaźnika został pochłonięty, a nie rozpłynął się po dalszych obwodach na płytce.

Szesnaście tranzystorów, nawet scalonych w grupy po osiem, wymaga aż szesnastu linii I/O mikrokontrolera do ich sterowania. Warto używać aż tylu? W tym wypadku zdecydowanie nie; nie byłoby żadnych korzyści z takiego posunięcia, stany przekaźników zmieniają się przecież stosunkowo rzadko. Dlatego użyto dwóch układów typu 74HC595, połączonych kaskadowo, a stanowiących rejestry przesuwne z wejściami szeregowymi oraz wyjściami równoległymi. Można wpisać do nich dwa bajty i poustawiać w ten sposób stan logiczny łącznie szesnastu wyjść – to wszystko dzięki czterem nóżkom układu programowalnego.

Płytkę główną z przednią łączy się poprzez złącze IDC10, do którego można zacisnąć elegancką i łatwą do ułożenia taśmę. Przez owe złącze przepływają sygnały sterujące dla układów US1 i US3. Rezystory znajdujące się w drabince RN1 polaryzują wspomniane wejścia niskim stanem logicznym, aby nie „wisiały one w powietrzu” przy braku podłączenia. Wyjątkiem jest wyprowadzenie OE (Output Enable), które powinno domyślnie przyjmować wysoki stan logiczny, aby przekaźniki były odłączone. Zapobiega to ich chaotycznemu ustawieniu zaraz po włączeniu zasilania, kiedy w rejestrach znajdują się losowe wartości. Zatkany tranzystor T1 zostaje nasycony dopiero po podaniu stanu wysokiego przez mikrokontroler, co dzieje się po wysłaniu przezeń ustawień dla ‘595 – dlatego na linii OE w stanie spoczynku mamy wysoki stan logiczny, który zostaje sprowadzony do zera dopiero na wyraźne żądanie układu zawiadującego pracą selektora.

Na tej samej płycie mamy też prosty stabilizator typu 7805, który dostarcza napięcia do znajdujących się na niej układów cyfrowych oraz do płytki przedniej. Pobór prądu przez elementy na tej ostatniej jest na tyle niski, że spadek napięcia na przewodach taśmy nie będzie dla układu w jakikolwiek sposób odczuwalny. Wszystkie kondensatory elektrolityczne występujące na tej płytce zostały tak dobrane, aby przystosowanie jej do zasilania napięciem 24 V sprowadzało się jedynie do wymiany przekaźników na wcześniej opisane.

Najistotniejszym elementem jest tu układ Atmega8A-PU. To mikrokontroler z nadal popularnej i niezawodnej rodziny AVR, mimo, że jest ona dostępna na rynku już od wielu lat. Liczba jego konfigurowalnych wyprowadzeń oraz ilość pamięci okazują się całkowicie wystarczające do realizacji tego zadania. Kondensatory C1…C3 filtrują napięcie zasilające mikrokontroler i zmniejszają impedancję obsługującego go źródła zasilania. Nie zastosowano zewnętrznego rezonatora kwarcowego do stabilizacji częstotliwości sygnału zegarowego, gdyż układ w ogóle nie realizuje zadań krytycznych czasowo.

Do obsługi selektora, a dokładniej przełączania wyjść, służą cztery przyciski monostabilne S1…S4. Wszystkie wyposażone zostały w zewnętrzne rezystory podciągające, przy czym trzy pierwsze używają rezystorów zawartych w RN1, zaś S4 współpracuje z dyskretnym rezystorem podciągającym R1. Zmniejsza to wrażliwość układu na zakłócenia. Wszystkie linie służące programowaniu ISP zostały podciągnięte do potencjału +5 V za pośrednictwem rezystorów z drabinki RN1.

Programowanie mikrokontrolera może odbywać się zarówno po włożeniu go w podstawkę programatora, jak i za pośrednictwem złącza J1.

Użytkownik widzi informacje podawane przez układ na wyświetlaczu LCD1, który z kolei zawiera sterownik typu HD44780 (lub zgodny z nim). Pokazuje on dwa wiersze, po szesnaście znaków w każdym. Potencjometrem P1 ustawia się kontrast ekranu. Do komunikacji z mikrokontrolerem używanych jest sześć linii sygnałowych.

Zasilanie podświetlenia wyświetlacza odbywa się w dwojaki sposób. Po pierwsze, może się ono świecić stale, jeżeli zostanie zwarta zworka JP2. Prąd zasilający diody podświetlenia jest wtedy ograniczany przez szeregowo połączone R4 i P3, którymi można regulować jego jasność – chyba że JP2 zostanie rozwarta. Drugi wariant stanowi sterowanie go poprzez mikrokontroler, który ma możliwość załączenia podświetlenia na 5 s po każdym wciśnięciu któregokolwiek przycisku – po nasyceniu tranzystora T1. Wtedy to, o ile została zwarta zworka JP1, podświetlenie jest rozjaśniane (lub w ogóle załączane, jeżeli JP2 jest zdjęta), dzięki dodatkowej drodze dla prądu, zapewnianej przez R3 i P2.

Sygnały sterujące do płytki głównej oraz pochodzące z niej napięcie zasilania są dostarczane przez złącze J1, identyczne jak na płytce głównej. Rezystory R5…R8 o rezystancji 470 Ω każdy zmniejszają natężenie prądu przepływającego przez przypadkowo zwartą linię sygnałową, a ponadto zwiększają czas narastania i opadania napięcia w przewodach taśmy IDC10. Nie daje to dopasowania falowego, o które zresztą nie trzeba tutaj zabiegać, lecz wystarczająco zapobiega powstawaniu odbić od końca taśmy z powrotem do mikrokontrolera, co objawiałoby się „dzwonieniem” w liniach sygnałowych.