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建立一个简单的户外无线蓝牙立体音频系统
马尔科·坎尼斯托
2012.05.10
摘要：今天大多数便携式音乐都是通过电池供电的音频设备播放的。当然，音频系统可以在户外使用，但它们可能相当昂贵，而且，正如这里所讨论的，是不必要的。然而，只要你的血管里流淌着一点工程学的血液(或好奇心) ，构建一个无线蓝牙立体音频系统就相对容易了，这个系统可以被任何包含蓝牙连接和音乐播放器的设备所控制。
这篇文章的类似版本发表在2012年5月10日出版的《电子设计》杂志上。
假如这一天风和日丽，你在和朋友享受在室外聊天的时光。你想要一些背景音乐，但它要从哪里来呢？
当人们希望能够随身听到音乐时，他们通常依靠电池供电的音频设备。当然，你可以买一个户外使用的音响系统，但是那些可能会很贵，而且，正如我们将要展示的，这是不必要的。只要在你的血管里流淌着一点点工程学的血液(或者好奇心)，构建一个可以用任何有蓝牙连接和音乐播放器的设备控制的无线蓝牙立体声音响系统并不难。
本文介绍了如何建立一个室外使用的无线蓝牙立体音频系统——一个相当低成本的系统。 该系统保持20WRMS的输出功率，可以通过包含蓝牙连接和音乐播放器的手机控制，也可以通过苹果公司的iPod型号播放器控制。在后文的三个附录中还讨论了额外的布局思考，在设计中使用D类和AB类放大器的区别，以及系统的成本。
蓝牙技术基础知识
蓝牙技术创建于1994年，广泛用于在两个手持移动设备之间建立短程无线连接。蓝牙设置还允许您将立体声音频信号从手持设备传输到无线耳机。今天的蓝牙耳机运行在蓝牙2级规范下，传输功率为2.5mW (4dBm)。蓝牙2级模块的传输距离大约为10米。
将蓝牙音频系统整合在一起
蓝牙耳机通常用于比较小型,32Omega;扬声器。通过将蓝牙耳机的音频信号连接到外部放大器，可以放大信号。然后，蓝牙立体声耳机充当桥梁，将音频信号从手持设备传输到立体声音频放大器，并创建一个无线立体声音频系统。
系统框图如图1所示。
图1所示。无线蓝牙立体声音频系统方框图。该系统基于一个立体声音频D类放大器驱动一对4Omega;扬声器。
确定输出功率
输出功率要求为20WRMS(每个通道10WRMS)。需要注意的是，测量RMS输出功率并不是确定放大器输出功率的最佳方法;均方根并不能真正揭示放大器的真实性能。因此，本文中的均方根输出功率实际上是指平均正弦波功率转换成电阻负载。RMS输出功率主要用于比较目的。20wrm的峰值输出功率为40W。达到10 wrms /通道成4Omega;扬声器,最低电源电压(VRMS)需要:
对于输出电压峰值，则为:
从上面的公式可以看出，9V的电源电压足以实现10WRMS的每路输出功率。然而，本设计使用一个12V的电源电压，以使电源单元(PSU)的输出电压在重载时有一定的下降空间。
对于输出电压为12V的隔离PSU，使用低成本的LED驱动电源。这些用品在任何一家电器商店都能买到。选择与输出功率匹配的PSU。
顺便说一句，重要的是要认识到，20瓦时的总输出功率对大多数人来说并不一定意味着什么。作为比较，想想低成本的汽车音频放大器或低成本的便携式音频“立体声录放机”产品。它们通常被宣传为提供40W的总输出功率，但这通常是峰值输出功率，相当于20WRMS的输出功率。
最后，您可能会问，20WRMS是否真的足够让这个系统正常工作?是的,它是。低成本的车载音频放大器通常没有升压式DC-DC转换器，因此它们使用车载电池的12V来驱动扬声器。(实际上，一辆汽车的电池电压大约是13.8V，但这在这里并不重要。)听听这些低成本的放大器——它们能发出很多声音。诚然，20WRMS的输出功率不足以让整个社区保持清醒，但这并不是我们系统的首要任务。
选择蓝牙耳机、开/关开关和led灯
您可以使用任何耳机与3.5毫米音频连接器。本设计使用诺基亚reg;BH-214蓝牙立体声耳机。它有3.5毫米音频连接器，使它非常容易从耳机的PCB接收音频信号和反馈信号到立体声音频放大器。
还需要一个开关和指示灯led。这些信号需要从诺基亚耳机中获取。
修改诺基亚BH-214耳机
诺基亚耳机需要修改。由于有些信号来自耳机的PCB板外部，因此需要在PCB板上焊接几根电线来实现信号的传输。图2到图6显示了这是如何实现的。将耳机的前盖对着你，用小螺丝刀在右上角和底部轻轻拧开。拆卸塑料面板和键盘橡胶。轻轻地从底部外壳拉出含有PCB的部分。
图2.耳机前盖，内部视图
打开前盖，从图2中圈出的区域剪下一些塑料，为电线留出一些额外的空间。还要拆卸开/关开关的导光板和塑料外壳。
从图3开始，焊接开/关开关(1)、双色LED(2)、蓝色LED(3)和电池线(4)。从PCB上拆下电池。
图3.耳机PCB的特写视图
现在将焊丝焊接到开关板(1)上，如图3中的箭头所示。然后将一根焊丝焊接到双色LED普通阳极极板(2)上，如箭头所示。将一根焊丝焊接到蓝色LED阳极极板(3)上，最后将焊丝焊接到电池极板(4)上。
使用你能找到的最薄的电线，注意电线的颜色以备将来参考。
还有三根电线(图4)需要焊接到耳机上。
图4.与耳机(右)焊接的LED线(左)近距离显示
将绿色的LED阴极(5)、红色的LED阴极(6)和蓝色的LED阴极(7)焊接到电阻上，如图4所示。现在应该有以下信号的电线:
蓝牙耳机的开/关开关有两根线
三根电线连接绿色和红色的双色led(即led)。、普通阳极、绿色阴极、红色阴极)
蓝色LED两根电线(正极和负极)
电池端子两根电线(从LDO接3.6V)
当所有的电线都焊接到PCB上时，轻轻地把耳机放回一起。小心地关闭外壳，因为很容易通过拉线从PCB上分离一块衬垫。修改后，耳机将如图5所示。
图5.更换了修改过的耳机罩
检查立体声音频放大器板
本设计的立体声音频放大器为MAX98400A级D级放大器。(参见附录2，讨论为什么D类放大器比AB类线性放大器更适合这种应用。)这个放大器有一个高107dB的信噪比(SNR)。扬声器可以直接连接到放大器的输出，而不需要输出滤波器和大而笨重的直流阻塞电容器。后一点非常重要。传统的D类放大器需要一个输出滤波器来从放大器的输出中恢复音频信号。MAX98400A依靠扬声器线圈的固有电感来恢复方波输出的音频组件。消除了输出滤波器和直流阻容，在PCB上节省了相当大的空间。
线性稳压器(MAX16910)集成在立体声音频放大器中。该调节器将12V电源转换为3.6V电源。LDO输出与耳机的电池端子相连。LDO的输出电压可以在3.4V到4.2V之间。MAX16910具有30V(最大)输入电压和内置的热过载保护，是这种应用的理想选择。事实上，对于图6中所示的R1和R2值，LDO的输出电压大约为3.8V，这在这里是最理想的。
图6.立体声音频放大板原理图
从图6可以看出，MAX98400A放大器的功能需要很少的外部组件。用SV1和SV2选择放大器的增益;最大增益32.9dB，等于44.2V/V:
当SV1打开并且将SV2引脚1和2连接在一起时，选择最大增益(表1)。
因此，在12V的供电电压和44.2V/V的增益下，可以对输出信号不削波不失真的最大输入信号为:
放大器有一个集成的限幅电路，以防止输出限幅失真。这种功能非常方便，因为在最大增益的情况下，如果没有限幅器，耳机的输出信号需要调整到270mV (max)，以确保音频放大器的输出信号在音量设置为最大电平时不会被剪切和失真。另外，MAX98400A的增益可以通过为SV1和SV2选择不同的设置来降低。
还有一些热的问题需要考虑。12 v电源电压和4Omega;负载,与20 wrms输出功率放大器的效率大约是85%。我们可以用以下公式计算出放大器耗散了多少功率:
MAX98400A是在36针TQFN封装，这意味着外部散热器不能很容易使用。另一种消除放大器多余热量的方法是将位于放大器下方的外露衬垫与多通孔的PCB铜平面连接。为了减少对温度的进一步担忧，MAX98400A内置了热过载保护。
因此，当这个蓝牙音频系统在一个非常温暖的环境温度下使用时，音频放大器的输出功率是最高的，没有任何东西会被损坏或破坏。
装配系统
该系统最终装配成一个工业防水外壳，尺寸为120mm x 160mm。图7和图8显示了装配好的、功能齐全的系统和所有需要的构建块。
图7.这个系统安装在一个封闭的地方
图8.在室外墙上看到的系统外壳
现在来点音乐
本文阐述了如何制作一种廉价的户外无线蓝牙立体声音响系统。现在是时候将系统外壳安装在像墙壁一样的硬表面上，连接扬声器，并将电源电压插入音频系统。建立一个蓝牙连接，你可以开始准备摇滚了!
附录1
需要考虑的事情
音频放大器
在设计中使用D类音频放大器时，总是要考虑电磁干扰(EMI)问题。如果您的系统需要较长的扬声器线缆(超过1米)，最好使用安装在扬声器线缆上的铁氧体珠来减少辐射排放。
此外，立体声放大器与马克西姆的主动排放限制技术，使它更容易遵守EN55022B的电磁干扰限制。限制放射性排放大大减少了放射性排放。该技术优化了输出FET门转换，大大减少了过冲和欠冲，在不降低音频性能的情况下提供非常好的EMI性能(图9)。
图9.马克西姆d类波形，有或没有有效辐射限制。在右边的数据中看到的过冲和过冲是辐射的来源。
立体声蓝牙耳机
当将PSU、立体声蓝牙耳机、音频放大器、开关和led组装到一个外壳中时，会有许多不同的布局。确保耳机的蓝牙天线没有任何连接线，因为这样会降低蓝牙的范围。
另外，不要将系统安装在离其他无线发射机很近的地方，例如在WLAN路由器旁边，因为这些传输可能会干扰耳机的接收。
供电单元(事业单位)
本设计的放大器具有高67dB的PSRR，因此不需要严格调节电源。尽管如此，一定要选择一个合理的输出电压调节良好的PSU。在实践中，这意味着人们不应该使用可用的成本最低的PSU。
led指示器
也许建立这个系统最困难的部分是焊接电线的LED指示板上位于诺基亚BH-214 PCB。如果你对焊接这些电线有任何疑问，请更换一个透明的外壳。在这种情况下，立体声蓝牙耳机将安装在侧面，使指示灯led可见通过前盖。现在LED指示灯不需要从PCB上移除。
开/关开关的电线和电池垫的电线还需要焊接到耳机的PCB上。焊接工作比焊接LED指示灯要容易得多。
开机的LED是可选的。如果你选择安装它，一个串联电阻必须用来限制LED电流。LED串联电阻值的计算方法如下:
当LED由3.6V的LDO输出供电，当LED正向电压为1.8V，例如8mA的LED电流，则串联电阻为:
附录2
D类和AB类放大器之间的权衡
基于上述原因，本设计使用D类音频放大器。也许，然而，你有一个类AB线性放大器，并希望在设计中使用它?这个系统的效率会低很多。在相同条件下运行的AB类线性放大器的效率大约比D类设备低50%，这意味着在放大器中会有10W的耗散(浪费)功率。因此，一个相当大的散热器将需要热保护。
当您考虑AB类放大器在这个应用程序中会浪费多少功率时，就很容易理解为什么术语“RMS输出功率”是有误导性的。假设两个放大器，D类和AB类放大器，输出功率相同的20WRMS。在我们的例子中，MAX98400A将耗散3.5W，而AB类放大器将耗散10W。因此，即使当RMS输出功率看起来是相同的，AB类放大器也不能向扬声器提供同样多的功率，因为它浪费了太多的功率。最后，功率越小，声音越小。
附录3
系统部件
系统部件列表如表2所示。
iPod是苹果公司的注册商标。诺基亚是诺基亚公司的注册商标和注册服务标志。蓝牙单词标记和标识是蓝牙SIG公司拥有的注册商标，Maxim对这些标记的任何使用都是经过许可的。
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