专为听力障碍人士设计的均衡耳机放大器

当我开始考虑这个项目时，我脑海中浮现的第一个问题是使用模拟滤波器还是数字滤波器。在 All About Circuits 论坛的一个主题中，Keith Walker 提醒我注意一种来自远东的非常便宜的（模拟）图形均衡器（如上图所示），他曾用它解决了同样的问题。所以我订购了一个作为概念验证。

它工作得很好，但对于便携使用来说太笨重了，而且需要正负电源轨，这增加了不便。但它证实了该方法以及要使用的滤波电路类型。

我将自己的要求细化为以下内容：

1. 它必须紧凑、便携并由可充电电池供电。
2. 它应该接受来自 3.5 毫米插孔或蓝牙的输入。
3. 它必须具有独立的左、右立体声声道。

我在以前的许多项目中都使用过传统的通孔元件和 0.3 英寸 DIL IC 来制作接线板，但这会使其体积过大。因此，我决定使用表面贴装元件（我在这方面有一些经验）来设计定制 PCB（这对我来说是一次新体验）。我还必须设计一个 3D 打印盒子（我的 3D 设计经验非常有限）。

使用任何一种现有的廉价蓝牙模块都可以轻松添加蓝牙功能。

我看过 2 或 3 个专用的图形均衡器 IC，但使用廉价的四运算放大器最终似乎更简单，并且只需要同样多的外部元件。

我使用的基本电路元件称为回转器。它使用运算放大器将电容器变成虚拟电感器。这个电容器和另一个电容器构成一个调谐电路，在一定频率范围内提供衰减或增强。很多图形均衡器设计使用几乎相同的设计，没有必要偏离它。它们的例子是来自Electronics Today International 1977 年 9 月第27 页的这篇文章。这篇文章非常清楚地解释了电路的工作原理。

我只是修改了它，使用四路运算放大器，由单个 5V 电源供电，并添加了耳机放大器 IC，以确保它能够充分驱动耳机。我还用电位器和电阻器替换了每个电位器，以便仅提供升压和更精细的控制，因为我不需要削减。

原理图和电路板布局（均使用 Eagle 生成）如上所示。

Eagle 的一个重要特性是它包含 Spice 电路仿真包，使得在开始制造 PCB 之前可以验证设计并预测频率响应。

该板提供 2 个输入、一个 3.5 毫米插孔和用于连接蓝牙接收器模块的焊盘。它们实际上是并联的。电源可以通过迷你 USB 插座或焊盘供电。我使用迷你而不是微型 USB，因为微型 USB 插座很难手工焊接，而且不太坚固。

如果您想要发送电路板设计进行制造、修改布局或只是修改响应曲线，则需要安装 Eagle。如果您不熟悉它（就像我开始这个项目时一样），SparkFun 网站上有一系列有用的教程，网址为https://learn.sparkfun.com/tutorials/tags/eagle

首先要看的是如何安装和设置 Eagle。

这包括安装 SparkFun 库。下载的 zip 文件包含一个文件夹SparkFun-Eagle-Libraries-master，您应该将其复制到EAGLE\libraries

您还需要导入我的 Eagle 原理图和电路板布局文件以及我的 Spice 模型。（Spice 是一款电路仿真软件，可以让我们模拟放大器的频率响应。）

这些都包含在一个 zip 文件中，你可以从中下载

https://github.com/p-leriche/EqualizedHeadphoneAmp

打开 zip 文件并将项目和 spice 文件夹拖放到 EAGLE 文件夹中。（它已经包含一个空的项目文件夹。）

现在您就可以启动 Eagle 了。

在左侧窗格中，打开“项目”，然后打开“项目”，然后打开“均衡耳机放大器”。

双击 Headphone_Amp.brd 和 Headphone_Amp.sch 文件。这两个文件将在单独的窗口中打开，第一个窗口显示电路板布局，第二个窗口显示原理图。

在原理图上，找到并单击“模拟”按钮。

这将打开模拟设置。单击 AC 扫描单选按钮，将类型设置为 Dec（默认值），并将起始频率和结束频率分别设置为 100 和 10000。单击右下角的模拟按钮。暂停后，应会出现频率响应图，如下一步所示。

你的耳朵很可能与我的不同，所以首先你需要一份听力图。你的听力学家应该可以为你提供这份听力图，但如果你有一副好耳机，你可以访问 https://newt.phys.unsw.edu.au/jw/hearing.html 制作自己的耳机

这应该能让你清楚地了解在不同频率下需要多少提升。就我而言，我的听力损失在 3kHz 以上迅速增加，因此无法补偿高于这个频率的听力损失。无论如何，使用Audacity分析各种来源的频谱的一些实验表明，高于这个频率的听力损失可能不会太多。

目前，该项目允许您在 1.5、2.3 和 3.3kHz 的 3 个中心频率上调整频率响应，独立于左右声道。您可以保留这些频率，也可以更改它们（参见下一步）。

在您的 EAGLE\spice 文件夹中，您将找到 3 个微调电位器的模型 POT_VR111.mdl、POT_VR121.mdl 和 POT_VR131.mdl。它们控制 3 个频率的响应。使用文本编辑器（例如记事本）打开其中任何一个，将看到一行，例如：

.参数 VAR=50

将数字更改为 0 到 100 之间的任何数字，以表示相应微调电位器的位置，从而将该频率的提升更改为从零到最大值的任何值。

现在重新运行模拟（单击“模拟”之前单击“更新网络表”）以查看频率响应现在的样子。

在 Eagle Project 文件夹中，我包含了一个 Excel 电子表格 Calc.xlsx。使用 Excel 打开它（如果您没有 Excel，可以使用免费的 LibreOffice Calc）。此电子表格仅包含 3 个过滤器部分之一的设计计算。

第一个框允许您计算给定 R1、R2、C1 和 C2 值的中心频率和 Q 因子。（Q 或品质因数决定了频带的宽度。值越高，频带越窄，增强越多。如果每个频率比前一个频率大约高 50%，则 4 左右的值似乎效果很好。）

事实上，您更可能想要选择频率并计算元件值。给定所需频率和四个元件值中的三个，第二个框允许您计算第四个元件值。

组件有首选值（例如E12 系列），因此您可以选择最接近计算值的首选值，然后将其反馈到第一个框中以查看给出的实际频率。

然后您需要将您的值插入 Eagle 示意图并重复模拟。

打开原理图，在左侧面板中单击组件值图标，然后单击要更改的组件。（模拟设置为仅在下部或左侧通道上运行。）您将收到一条警告，提示该组件没有用户可定义的值。您想更改它吗？当然想！在弹出的框中输入新值。

单击“Simulate”按钮，单击“Update Netlist”，然后单击“Simulate”。

如果您获得了我的一块备用原型板，那么您只需注意一些小错误。

1. 电路板顶部没有丝网印刷。您会发现，在安装电路板时，手边有一份印刷版的电路板布局图会很有帮助。
2. 几个过孔原本是用来连接顶部和底部接地平面的，但实际上并没有。这无关紧要。
3. C3 最初为 100uF，采用 2917 封装。这个值太大了，现在是 1uF 0603。您需要从接地平面刮掉一点阻焊剂才能安装它，如图所示。

增益由电阻 R106 和 R206 的值设定。22k 大致可获得单位增益。由于您可能想尝试不同的值，我提供了 0603 SMD 电阻垫和间距为 0.3 英寸的孔，用于线端电阻。

您可以在 tinkercad.com 上找到我使用的盒子的3D 可打印设计。间隙有点太紧，所以我将盒子的长度和宽度增加了 1 毫米。

盒子底部设有电池、充电器、5V 升压转换器和蓝牙模块的隔间。耳机放大器板安装在顶部。盖子由两个 M2x5mm 自攻螺钉固定。

相同的充电器和 5V 升压模块随处可见，但蓝牙模块却有很多种。如果其中任何一个与我的不同，则需要修改盒子设计。

一旦安装到位，您就可以用热熔胶轻轻地固定模块。

为了测试目的，我使用 blu-tac 将所有模块连接到一块纸板上。由此我发现接地连接的布线至关重要。蓝牙模块的接地必须与左声道和右声道一起连接到耳机放大器，但配电板的接地连接必须连接到蓝牙模块，而不是耳机放大器，否则您会在输出中听到来自蓝牙模块的大量数字噪音。

我将开关安装在一小块接线板上，接线板宽 6 英寸，长 5 英寸，并带有一个 2x4 的开关切口。这块接线板也可用作配电板。接线完成后，我用环氧胶将开关粘到位（接线板已连接）。如果我要重新做这个项目，我会在耳机放大器板上安装开关。

您需要相当细的绞合线来接线，因此我分开了一段彩虹带状电缆，这样我就可以得到不同颜色的单独电线。通常，您会将电线穿过电路板上的孔并将其焊接到另一侧，但由于盒子底部装有各种模块，因此我必须将其焊接到电路板与电线进入的同一侧，并且剥去的绝缘层比原本需要的要多一点。我必须将接线板的铜面朝上安装，并以类似的方式将连接焊接到其上。

我希望充电器和蓝牙模块上的 LED 可见，因此我移除了板载 SMD LED，并将焊盘连接到 3mm LED。我在盒子上为这些 LED 钻孔，因为我没有在 3D 打印盒子中留出空间。我用可焊漆包线将它们连接到模块上的焊盘。漆包线涂有自熔聚氨酯，在烙铁的加热下会熔化。

对于充电器模块，我使用了红色/绿色共阳极 LED。共阳极必须连接到最靠近电路板边缘的 SMD LED 焊盘之一（您可以使用万用表确认）。如果您的蓝牙模块有 SMD LED，则必须使用万用表确定极性。某些模块具有用于外部 LED 的连接。

在将耳机放大器插入盒子中的其他模块之前，我发现有必要在蓝牙模块上的两个电解电容器顶部和迷你 USB 充电插座上放置小块 PVC 胶带，以防止与耳机放大器底部短路。

如果我想将其变成产品，毫无疑问我会做出一些改变，但在制作出能够满足我用途的小工具后，我将转向其他项目。

电路：

1. 双极电源可能更好。由于运算放大器消耗的电流很小，电容泵电压逆变器（如 MAX660）可以轻松提供负电源。
2. 使用双极电源时，运算放大器将不再需要 5V 升压转换器。LM4880 耳机放大器将使用锂聚合物电池的原始输出电压工作，但最大输出功率将从每通道 250mW 降至每通道 100mW 左右。

董事会：

1. 电路板的尺寸就是布局过程中产生的尺寸，但将其压缩到 6x6cm 这样的精确尺寸可以使盒子的设计变得更容易一些。
2. 同样，如果将输入和输出 3.5 毫米插孔排成一行并正好位于两侧的中间，那么效果会更美观。这也会简化机箱设计。
3. 把 LiPo 充电器电路集成到电路板上会很简单。使用双极电源时，不需要 3 - 5V 升压转换器，这样就节省了 2 个独立模块。
4. 使用简单的 TP4056 充电器，如果在设备开启的情况下尝试充电，电池可能会过度充电。稍微复杂一点的充电器包括一个简单的保护电路，值得加入。
5. 经过上述修改后，开关就可以安装在电路板上了。在 3D 打印盒中安装开关的方法并不理想。
6. 2 极 3 路开关可仅在需要时为蓝牙模块供电。

盒子：

1. 将模块安装在两层上使组装变得比需要的更难，而更薄但更大的盒子可能更适合放入口袋。
2. 开关很容易被无意间打开。在 3D 打印设计中，在开关周围添加防护装置可以很容易地防止这种情况发生。

其他应用：

如果您是一位音响发烧友，可能只想要一个均衡的耳机放大器，能够在各种频率下提供增强和削减，那么您可以使用基本相同的设计。

为了同时增强和削减，消除 R113、R123、R133 和 R213、R223、R233（或用 0Ω 电阻器替换）并用 10k 替换微调电位器（如果您愿意，可以使用滑动电位器）。

您可以根据需要添加任意数量的回转器电路实例。