BL50A0900 Analogiasignaalin käsittely. Harjoitustyön loppuraportti

BL50A0900 Analogiasignaalin käsittely Harjoitustyön loppuraportti 0352227 Harri Salo 0368318 Jari Koskinen 0280858 Markus Järvisalo 0

Sisällysluettelo 1 JOHDANTO... 3 1.1 D-luokan vahvistin... 3 1.2 Projektityölle annettu aikataulu... 5 1.3 Tekniset reunaehdot... 5 2 PROJEKTIRYHMÄN JÄRJESTÄYTYMINEN... 6 2.1 Projektiryhmä... 6 2.2 Tehtävät ja vastuualueet... 6 2.3 Kehitysfilosofia... 6 2.4 Projektityön määrittelyt ja rajaukset... 7 2.5 Alustava aikataulu... 7 2.6 Alustava komponenttibudjetti... 7 3 SIMULOINTI... 8 3.1 Simuloinnin vaiheet... 8 3.2 Simuloinnin tulokset... 9 4 PIIRILEVYVALMISTUS... 12 4.1 Ensimmäinen prototyyppi... 12 4.2 Toinen prototyyppi... 12 4.3 Kolmas prototyyppi... 13 5 KAIUTTIMEN RAKENTAMINEN... 14 5.1 Kaiutinelementit... 14 5.2 Kaiuttimen kytkentä... 16 5.3 Prototyyppikaiuttimen rakentaminen... 16 6 MITTAUKSET... 18 6.1 Testikytkentämittaukset... 18 6.2 Lopullisen kytkennän / prototokortin mittaukset... 20 6.3 Virrankulutusmittaukset... 21 6.4 Taajuusvasteen ja äänenpaineen mittaus... 22 7 TEOLLINEN MUOTOILU... 24 7.1 Motivaatio... 24 7.2 Muotoilun tulokset... 24 8 TULOKSET... 27 8.1 Projektin aikataulu... 27 8.2 Lohkokaavio... 28 8.3 Pääpiirikaavio... 28 1

8.4 Sähkökomponenttilista... 29 8.5 Kotelokomponenttilista... 29 8.6 Tuotekehityskustannukset... 30 9 LOPPUPÄÄTELMÄ... 31 9.1 Tavoitteiden saavuttaminen... 31 9.2 Reflektointi... 31 9.3 Parannusehdotukset... 31 9.4 Tutkimuksen jatkotoimet... 32 LÄHDELUETTELO... 33 LIITTEET LIITE 1. Pääpiirikaavio... 34 LIITE 2. Tuotekehityskustannukset... 35 2

1. JOHDANTO Projektityö liittyi BL50A0900 Analogiasignaalin käsittely - kurssiin. Työn valvojana ja ohjaajana toimi tutkijaopettaja Mikko Kuisma. Projektityö tehtiin kolmen hengen ryhmässä. Tehtävänä oli suunnitella ja toteuttaa bilelaatuinen D-luokan vahvistin. Vahvistin piti toteuttaa diskreeteillä komponenteilla, ts. valmista päätevahvistinpiiriä ei saanut käyttää ratkaisussa. 1.1 D-luokan vahvistin Projekti aloitettiin tutkimalla materiaalia D-luokan vahvistimista. Lähdeluettelossa kirjatut opinnäytetyöt, [5], [6], [7], tarjosivat hyvän näkökulman jo tutkittuihin D-luokan vahvistimen käyttöihin ja sovelluksiin, sekä kyseisissä töissä käytettyihin lähdeaineistoihin. Tosin opinnäytetöiden tuloksiin ja päätelmiin kannattaa suhtautua varauksella. Vakavampaa teoriaa vahvistimesta löytyi Silvosen kirjasta [1] ja yleisesti vahvistimiin ja signaalikäsittelyyn sopivaa teoriaa löytyi Sedran [2], Floydin [3] ja Mohanin [4] kirjoista. Teoriaa, kaavioita ja kuvitusta tarjoavat komponenttivalmistajat, mm. International rectifier [10], [11]. D-luokan vahvistimen (kuva 1-1) toiminta perustuu piensignaalin modulointiin kolmio- tai sahalaitaaallolla ja pulssinleveysmodulaatioon. Piensignaali ohjataan pääteasteeseen PWM- modulaattorin jälkeen. Päätetransistoreita kytketään päälle ja pois, jolloin loogisia tiloja kutsutaan on ja off tiloiksi. Kuva 1-1. D-luokan vahvistimen kytkentä [9] 3

Tyypillisesti D-luokan vahvistimissa käytetään taajuuskaistoja 100 khz 1 MHz välillä. Kuvassa 1-2 vahvistamaton piensignaali tuodaan komparaattorille, jossa ulkoisen oskillaattorin tuottamaa kolmioaaltoa moduloidaan audiosignaalilla. Modulaation tuloksena saadaan muodostettua suorakaideaaltoa. Kuva 1-2. D-luokan vahvistimen toiminta [11] Kuva 1-3. PWM (pulse width modulation), pulssinleveysmodulaatio [10] PWM- signaalin amplitudi ja taajuus ovat vakiot, mutta signaalin pulssisuhde muuttuu audiosignaalin taajuuden muuttuessa. Kun pulssisuhde on 50 %, audiosignaalin amplitudi on nollakohdassa. Pulssisuhteen ollessa lähellä 0 % audiosignaalin amplitudi on maksimiarvossaan ja lähellä 99 % minimiarvossaan [6]. Jotta vahvistettu signaali saadaan kaiuttimen kautta kuultavaan muotoon, moduloitu signaali demoduloidaan ja suodatetaan. 4

1.2 Projektityölle annettu aikataulu Projektityön tekemiseen oli varattu aikaa 14 viikkoa, mikä oli riittävästi ajatellen projektityön vaatimuksia ja laajuutta. Alustavia välinäyttöpäivämääriä oli sovittu seuraavasti (tarkat päivämäärät lisätty myöhemmin): 1. Välinäyttö viikolla 6, 8.2.2011 2. Välinäyttö viikolla 10, 8.3.2011 3. Välinäyttö viikolla 13 4. Loppushow viikolla 16, 21.4.2011 1.3 Tekniset reunaehdot Tekniset reunaehdot ja olosuhteet käytiin läpi oppitunneilla projektityön ohjaustuntien yhteydessä. 18.1.2011 päädyttiin teknisissä spekseissä seuraavaan: Komponenttibudjetti 100 (mahdollinen budjetin ylitys maksettava omasta pussista tai lisärahoitusta voi yrittää hakea prof. Silventoiselta) patteri/akkukäyttöinen vähintään linjatasoinen/kuuloke/mikrofoniliitäntä laitteesta saatava äänen voimakkuus sekä bassotoisto hyvääkin kännykän sisäistä kautinta parempi sisältää "bilelaatuisen" kaiutintoiston, 100 Hz - 15 khz volume-säätö, virtakytkin kannettava, max 20 kg toiminta-aika väh. 150 min Mono tai stereo D-luokan pääteaste pääteasteen modulaattori suunniteltava itse (ei valmispiirejä) 5

2. PROJEKTIRYHMÄN JÄRJESTÄYTYMINEN 2.1 Projektiryhmä Ryhmän nimeksi valittiin LoudSystem. Henkilöresurssit jaettiin ryhmän jäsenten vahvuusalueiden mukaisesti. Projektin edetessä oli mahdollista tarkastella jokaisen henkilön työtunteja. Jos tehtävät olivat työmäärän suhteen epätasapainossa, pyrittiin parhaan mukaan tehtäviä järjestelemään uudelleen. 2.2 Tehtävät ja vastuualueet Projektiryhmän tehtävät jaettiin seuraavasti: Harri: Markus: Jari projektipäällikkö, kaiuttimen kasaaminen, loppuraportin kokoaminen modulaattorin suunnittelu, simulointi demodulaattori, pääteaste ja protokortit 2.3. Kehitysfilosofia Ryhmämme päätti heti aluksi tehdä mahdollisimman suoraviivaisen selkeän ratkaisun. Tällä pyrittiin myös mahdollisimman edulliseen ratkaisuun, jotta voisimme todella kilpailla referenssinä pidettyä Philipsin valmistamaa vastaavaa laitetta vastaan. Kehitysfilosofian kulmakiviksi valittiin: - Avoin arkkitehtuuri mallia Wiki - Avoin tiedonkulku ryhmän sisällä - Avoin tiedonkulku eri ryhmien välillä 6

2.4 Projektityön määrittelyt ja rajaukset Teknisiä reunaehtoja täydennettiin ryhmän toiveiden mukaisesti. Tavoitteena oli rakentaa yksinkertainen ja mahdollisimman edullinen modulaattori, demodulaattori ja vahvistin yhdelle 2-puoleiselle piirilevylle. Laitteesta tehtäisiin paristokäyttöinen. Käyttöjännite valittaisiin mahdollisuuksien mukaan yksi- tai kaksipuoleiseksi, noin 1,5 6 voltin jännitealueella. Laitteesta rakennettaisiin kompakti, muutaman kilon painoinen, helposti kannettava ja käytettävä kokonaisuus. 2.5 Alustava aikataulu LoudSystemin projektin aikataulua tarkennettiin ensimmäisten projektipalaverien jälkeen. Lopullinen aikataulu esitetään tulokset kohdassa sivulla 25. Projektiryhmän alustavaksi aikatauluksi määriteltiin: Vk 4-5: suunnittelun aloitus, ensimmäiset simuloinnit, ensimmäiset prototyypit Vk 6-7: audio-osat, vahvistin, demodulaattori, modulaattori, osien tilaus Vk 8-10: rakentaminen, testaus, kokoonpano Vk 11-15: kehittäminen jatkuu, raportointi, mittaukset, loppukokoonpano Vk 16: loppushow 2.6 Alustava komponenttibudjetti Sadan euron komponenttibudjetti ajateltiin käytettäväksi oheisen listan mukaisesti: Kaiutin 15-20 eur Komparaattorit: 5 eur FETit: 5 eur Kytkimet(on/off ja mahd. mikkikytkin): 2-5 eur Potentiometrit : 2-5 eur Liittimet: 3-5 eur "Pientarvikkeet": 5 15 eur Paristokotelot: 5 10 eur Kotelo: 15-20 eur Yhteensä maksimibudjetti 100 eur 7

3 SIMULOINTI Simuloinnissa käytettiin koululta löytyvää Orcad PCB Designer PSpice 16.0 ohjelmistoa sekä Microcap 9 ohjelmistoa. Simulointimalleissa ja tuloksissa huomattiin eroavaisuuksia näiden kahden eri ohjelman välillä. Käytettävyys ja käyttäminen ovat melko paljon suunnittelijan omista mieltymyksistä ja tottumuksista kiinni. 3.1 Simuloinnin vaiheet Simuloinnissa ei suoraan päästy täydellisesti toimiviin kytkentöihin, vaan simuloinnissa oli monta iteraatiokierrosta suunnittelun edetessä. Kuvassa 3-1 on yksi ensimmäisistä toimivista simulointimalleista. Siinä on käytetty AD8055 operaatiovahvistimilla tuettua melkein 1MHz saha-aaltoa, joka näkyy skooppikuvassa 3-5. Tuolla megahertsin modulaatio taajuudella riittää yksiasteinen suodin. Noin 250 khz taajuudella tarvittiin kaksiasteinen suodin, jotta kaikista virheistä päästiin eroon ja ulostulosignaali kuvassa 3-7 näytti siniaallolta. Kuva 3-1. Toimiva simulaatiomalli. 8

Kuvan 3-2 simulaatiomallissa on päädytty käyttämään kaksipuoleista jännitelähdettä. Ensimmäinen operaatiovahvistin toimii komparaattorina, jolla on hystereesi, eli sillä on kaksi eri jännitetasoa, joilla se vaihtaa tilaa. Jälkimmäinen operaatiovahvistin toimii integraattorina. Kuva 3-2. Komparaattori ja integraattorikytkentä 3.2 Simuloinnin tulokset Simuloinnin tuloksissa on esitetty muutama välivaihe työn edistymisen mukaan. Kuvan 3-2 simuloinnin modulaattorisignaalit ovat nähtävissä kuvassa 3-3. Kolmio- ja kanttiaalto ovat simuloitu noin 100 khz taajuudella. Kuten käyristä näkyy, kyseessä ei ole kunnollinen komparaattori. Kun komparaattorille tulee kuvan 3-3 mukainen kolmioaalto, se ei vaihda tilaa terävästi kuten pitäisi. Lähdöstä pitäisi tulla suorareunaista kanttiaaltoa. Nyt käyrä nousee vain loivasti. Tämä taas aiheuttaa sen, että tuon kolmioaallon molemmat päät pyöristyvät. Tästä taas tulee säröä todella paljon. Kytkennän toiminta on vahvasti riippuvainen operaatiovahvistimen ominaisuuksista 9

Kuva 3-3. Modulaattorisignaalit Kyseinen kytkentä toimii pienillä taajuuksilla, kuten kuvasta 3-4 voidaan havaita. Simulointitaajuus, noin 30 Khz, on auttamattomasti liian pieni sovelluksen tarpeeseen nähden. Kuva 3-4. Kantti- ja kolmioaalto 10

Kuvien 3-5 ja 3-6 skooppikuvat ovat kuvan 3-1 simulointimallin ulostulosta. Tulokset ovat selkeästi parempia kuin tätä aiemmissa versioissa. Kuva 3-5: Kolmioaalto n. 1 MHz:n taajuudella Kuva 3-6. Ulostulosignaali 11

4. PIIRILEVYVALMISTUS Perusperiaatteena oli yrittää pitää rakenne mahdollisimman yksinkertaisena. Koska yhdellä projektiryhmän jäsenellä oli mahdollista teettää protokortteja veloituksetta, päätettiin, ettei korttipohjia teetetä yliopiston kautta. 4.1 Ensimmäinen protopiirilevy Piirilevy suunnittelussa pyrittiin optimoimaan EMC-yhteensopivuus, riittävä maapotentiaalien käyttö ja käytettävissä oleva tila. Piirilevyt valmistettiin piirilevyjyrsimellä. Kuva 4-1. Ensimmäinen prototyyppipiirilevy 4.2 Toinen protopiirilevy Toisessa prototyypissä kuva 4-2 näkyy laitteeseen lisätyn takaisinkytkennän aiheuttamat muutokset kytkentään. Kuva 4-2. Toinen prototyyppipiirilevy 12

4.3 Kolmas protopiirilevy Kuvissa 4-3 ja 4-4 esiintyvä kolmas prototyyppiversio on jo lähellä lopullista versiota. Ainoastaan muutamia komponenttiarvoja on muutettu. Piirilevyä samalla hieman suurennettiin, jotta mittauksen ja mahdolliset korjaukset olisi helpompi tehdä levylle. Taulukossa 1 on nähtävissä lopullinen sähkökomponenttilista. Komponentit valittiin siten, että ne olisit saatavilla molemmilta käytössä olevilta pieneriä toimittavilta komponenttitoimittajilta, Elfalta ja Farnellilta. Kuva 4-3. Kolmas prototyyppipiirilevy Kuva 4-4. Kolmas prototyyppipiirilevy alapuolelta 13

5 KAIUTTIMEN RAKENTAMINEN Kaiuttimen rakentamista ensin kokeiltiin vanhan ASA -kaiuttimen elementit vaihtamalla uudempiin autokaiuttimiin. Genelecin sivuilta [8] saaduilla testisignaaleilla kaiutinta testattiin, ja huomattiin sekä testikaiuttimen että kuuloon perustuvan testauksen toimivan. Lopullisen laitteen hintaluokka huomioiden ei päädytty käyttämään kuvan 5-1 Pioneer tai JBL autokaiuttimia. ASA kaiutin - tilavuus 20 litraa - suljettu rakenne Kaiutinelementit: JBL LC-S963, 6 x 9-53 20000 Hz - 93 db / W (1 m) - 4 Ohm / 50 W (150 W max.) Pioneer TS-E1795-28 32000 Hz - 91 db / W (1 m) - 4 Ohm / 60 W (220 W max.) Kuva 5-1. Ensimmäinen kaiutintestaus 5.1 Kaiutinelementit OR-Loudspeakers Mikkelistä toimitti ryhmälle kaksi kaiutinelementtiä; basso- ja keskiäänielementin sekä diskanttielementin. Kyseisiä elementtejä käytetään tilavuudeltaan 4 12 litran kokoisissa suljetuissa kaiuttimissa. 14

Tekniset tiedot: Matalat: Impedanssi: Korkeat: 1 x 170 mm, ERIKOISKARTIO 8 ohmia 10 / 14 mm, KALOTTI-KARTIO Herkkyys db -2,83 V-1m: 88 db Maksimi SPL 2,5m-dB: Taajuusvaste: 99 db 50...20000 Hz Kuvat 5-2 ja 5-3. OR:n toimittamat kaiutinelementit Kuva 5-4. OR:n kaiutinelementit vanhassa ASA kaiutinkotelossa 15

5.2 Kaiuttimen kytkentä OR:n kaiutin kytkettiin kuvan mukaisesti. Joskaan alipäästösuodatusta, kelaa L1, ei tässä sovelluksessa käytetty. Kuva 5-5. Kaiuttimen kytkentä 5.3 Prototyyppikaiuttimen rakentaminen Kompaktin rakenteen saavuttamiseksi LoudSystemin kaiutin rakennettiin 18 mm liimapuulevystä. OR:n kaiuttimet sijoitettiin kuvan mukaisesti. Kuva 5-6. LoudSystem kaiutin puuvalmiina 16

Kuvassa 5-7 näkyy piirilevy kiinnitettynä kaiuttimen takakanteen. Vasemmassa reunassa näkyy diskanttikaiuttimen yhteydessä ylipäästösuodattimena toimiva 1 µf:n elektrolyyttikondensaattori. Kuva 5-7. Kaiutin takakansi auki Kaiuttimen takana on omassa poterossaan potentiometri, päälle/pois kytkin ja 3,5 mm plugi- liitin. Kirkkaassa muovikotelossa on pikavaihdettava HotSwop paristokotelo. Suurempi paristokotelo on lisävarusteena myytävä BatteryBoost- paristokotelo, jonka mekaniikka on raportin kirjoitushetkellä kesken. Kuva 5-8. HotSwop- paristokotelo ja lisävarusteena saatava BatteryBoost- paristokotelo 17

Kuvassa 5-9 nähdään LoudSystem Boom nimiseksi ristitty valmis prototyyppilaite. Prototyyppihän voi olla valmis, vaikka prototyypin tarkoitus on ainoastaan simuloida muutamaa tai kaikkia valmiin laitteen ominaisuuksia. Tähän punaiseen versioon on lisätty kaiutinta suojaa ruostumatonteräsritilä. Kuva 5-9. LoudSystem Boom valmiina 6 MITTAUKSET 6.1 Testikytkentämittaukset Komponentti- ja kytkentämittaukset aloitettiin yksinkertaisilla kytkennöillä. Aluksi testattiin pelkkää pääteastetta (kuva 6-1). Kuva 6-1. Pääteaste koekytkentälevyllä 18

Pääteasteen mittauksissa pyrittiin selvittämään, kuinka paljon ohjaussignaalin tilanmuutoshetkellä fetit johtivat samanaikaisesti. Tämä suoritettiin yksinkertaisesti mittaamalla pääteasteen ottamaa virtaa ilman kuormaa, kun fettejä ohjattiin symmetrisellä kanttiaallolla n. 100 500 khz taajuuksilla (Kuva 6-2). Kuva 6-2. Testikytkentälevy fettien mittaamisessa Mittauksissa havaittiin, että jos käytetään +/- 3 V käyttö- ja fettien ohjausjännitettä (suunniteltu paristojännite), fettien johtamista tai sulkutilaan menemistä ei tarvitse hidastuttaa. Näin pienellä ohjausjännitteellä toinen feteistä ehtii aina lopettaa johtamisen, ennen kuin toinen alkaa johtaa. Käytettävissä olevat fetit ovat ns. Logic Level tyypisiä, jotka johtavat noin 2 3 V U GS -jännittellä. Suuremmilla käyttö- ja ohjausjännitteillä fettien ohjauksen nousua on syytä hidastaa esikerkiksi yksinkertaisella RC-alipäästösuotimella, missä vastuksen rinnalla on diodi. Tällä saadaan hidastettua ohjaussignaalin sitä reunaa, jolla fetti saadaan johtamaan, mutta sen sammumista ei hidasteta. 19

6.2 Lopullisen kytkennän / prototokortin mittaukset Lopulliseen kytkentään jätettiin fettien ohjaussignaalien hidastuskytkennät, jotta vahvistinta voidaan käyttää myös suuremmalla käyttöjännitteellä. Niiden vaikutus on selkeästi nähtävissä kuvissa 6-3 ja 6-4. Vasemmassa kuvassa näkyy ohjaussignaalin nouseva reuna, jolla pääteasteen N- kanavainen (alempi) fetti alkaa johtaa noin 100 ns myöhemmin, kun P-kanavainen (ylempi) fetti lakkaa johtamasta. Kuvat 6-3 ja 6-4. Ohjaussignaalin nouseva ja laskeva reuna Kuvassa 6-5 näkyy lopullisen vahvistimen modulaattorin lähtösignaali. Oskilloskooppikuvasta nähdään, että signaalin muoto on melko symmetrinen kolmioaalto. Signaalin amplitudi on +/- 1,4 V ja taajuus on 310 khz. Kuva 6-5. Modulaattorin lähtösignaali. 20

Kuvat 6-6 ja 6-7 havainnollistavat hyvin vahvistimen toimintaperiaatteen. Kuvissa näkyy oranssilla vahvistimen modulaattorin kolmion muotoinen lähtösignaali. Violetilla näkyy vahvistimen komparaattorin tulosta mitattu audiosignaali. Sininen kuvaa komparaattorin lähdöstä mitattua signaalia. Kuvat 6-6 ja 6-7. Audiosignaalin yliohjausmittaus. Kuvassa 6-6 on tilanne, jossa vahvistin yliohjataan liian suurella audiosignaalilla. Komparaattorin lähdössä näkyy normaalia pidemmät ala- ja ylätilat, jotka aiheuttavat äänen säröytymisen. 6.3 Virrankulutusmittaukset Vahvistimen lepovirraksi mitattiin n. 25 ma. Tästä noin 6 ma on molempien operaatiovahvistimien virrankulutus yhteensä. Loput lähes 20 ma kuluu pääteasteessa. Vahvistimen lähdön DC-taso jäi hieman nollasta poikkeavaksi takaisinkytkennästä huolimatta. Ilman takaisinkytkentää se oli lähes 150 mv, joka aiheutti paljon suuremman lepovirran. Suurin osa lepovirrasta arvioitiin johtuvan pääteasteen fettien melko suurten tulokapasitanssien varaamisesta ja purkamisesta johtuvasta virrasta. Taulukossa 6-1 näkyy vahvistimelle tehdyt virrankulutusmittaukset eri käyttöjännitteen arvoilla sekä 4 Ω että 8 Ω kuormilla. Laitteen maksimikäyttöjännite määräytyy käytössä olevan operaatiovahvistimen LMH6623 maksimikäyttöjännitteen perusteella, joka on +/- 6,4 V. Maksimiteho on määritelty siten, että 1 khz mittaussignaali ei silmin nähden vääristy mitattaessa oskilloskoopilla vahvistimen lähdöstä. Teho on mitattu analogisella vahvistinmittauksiin tarkoitetulla tehomittarilla. 21

Taulukosta voidaan havaita, että laitteen maksimiteho kasvaa hieman, kun käyttöjännitettä nostetaan. Samalla laitteen virrankulutus kasvaa. Silti korvalla kuunneltaessa näin pieni tehon kasvattaminen ei juuri vaikuta aistittavaan äänen voimakkuuteen. Mittauksissa todettiin myös vahvistimen minimi käyttöjännite, joka oli +/- 2 V. 8 ohm kuorma 4 ohm kuorma U [V] I [ma] P [W] P[W] n I [ma] P [W] P[W] n 2 70 0,1 0,28 0,36 100 0,15 0,4 0,38 3 100 0,3 0,6 0,50 160 0,5 0,96 0,52 4 130 0,6 1,04 0,58 210 0,9 1,68 0,54 5 180 1 1,8 0,56 270 1,5 2,7 0,56 6 260 1,4 3,12 0,45 350 2 4,2 0,48 Taulukko 6-1. Kortin virrankulutus ja hyötysuhde Taulukossa nähdään myös vahvistimen laskettu hyötysuhde, joka jäin yllättävän pieneksi. Näin pienitehoisella vahvistimella liian korkea lepovirta pienentää vahvistimen hyötysuhdetta. Vahvistimen jatkokehittelyssä kannattaa panostaa erityisesti lepovirran pienentämiseen, varsinkin, kun laite on suunniteltu paristokäyttöiseksi. 6.4 Taajuusvasteen ja äänenpaineen mittaus Akustinen taajuusvaste mitattiin yliopiston kaiuttomassa huoneessa. Mittalaitteena käytettiin R&S UPD Audio analyzer 2 Hz... 300kHz. Äänenpaineen mitattaus: 1 m, A. Mittausjärjestely: mikki: etäisyys laitteesta 1m korkeus 115cm laite korkeus 80cm etäisyys sivuseinästä n. 100cm etäisyys takaseinästä 60cm etäisyys katosta 157 cm etäisyys etuseinästä 197 cm 22

Kuvassa 6-8 nähdään mittausjärjestely kaiuttomassa huoneessa. DUT (device under test) on tuettu lattiasta eristepaalilla ja katosta kuormaliinalla. Kuva 6-8. Mittausjärjestely kaiuttomassa huoneessa Taajuusvastekäyrästä (kuva 6-9) nähdään, että LoudSystemin protokaiutin (punainen yhtenäinen viiva) on selkeästi parempi kuin Philipsin vertailukaiutin (sininen viiva ja punainen katkoviiva). Äänenpaineen mittaustulos: 93dB 1V 1kHz 23

Kuva 6-8. Taajuusvastekäyrä 7 TEOLLINEN MUOTOILU 7.1 Motivaatio Yksi merkitsevä tekijä ostajan ajatusmaailmassa on hinnan, laadun ja teknisten ominaisuuksien lisäksi se miltä tuote, laite tai palvelu näyttää. Tämän vuoksi tutkimme myös ammattimuotoilijan avulla sitä, miltä ulkonäöltään viimeistelty aktiivikaiutin voisi näyttää. Jos aika ja budjetti olisivat sallineet, olisimme voineet sellaisen myös teettää. Kiitos suunnittelusta ja pintojen renderoinnista teollisella muotoilijalle Heikki Kangasmaalle. 7.2 Muotoilun tulokset Kaiuttimen profiili on muotoiltu siten, että kaiutinta voi käyttää sekä pysty- että vaaka-asennossa. Pystyasennossa kallistus on 7 astetta ja vaaka-asennossa kallistus 16 astetta. Kaiutinkotelo koostuu kahdesta pääosasta. Kotelomateriaali voi olla esimerkiksi muovia tai komposiittia, jolloin kannettavasta kaiuttimesta ei tule liian painavaa ja käyttö pysyy miellyttävänä. 24

Volume-säädin on sijoitettu alas oikealle. Kaiutin- elementtien suojana ovat metalliverkot. 25

Kannettavuus on otettu huomioon erillisellä yksityiskohdalla kaiuttimen yläosassa, joka on ergonomisesti hyvä paikka kantorivalle. Virtakytkin ja liittimet ovat sijoitettu taakse. 26

8 TULOKSET 8.1 Projektin aikataulu Ganttin kaavio / projektin aikataulu esitetään vasta tässä osuudessa. Dynaaminen aikataulu piti, vaikka ryhmä oli varautunut päivittämään aikataulua tarpeen mukaan muuttuvien tilanteiden mukaan. LoudSystemin projektin aikataulu määriteltiin oheisen taulukon mukaisesti: Tehtävä vk 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 kk tammikuutammikuu helmikuu helmikuu helmikuu helmikuumaaliskuumaaliskuumaaliskuumaaliskuu huhtikuu huhtikuu huhtikuu huhtikuu Vastuu henkilö Ryhmän järjestäytyminen Tehtävien jako Aikataulun laatiminen Esiselvitys / teoria Suunnittelun aloitus Kaikki Kaikki Harri Kaikki Kaikki Modulaattorin suunnittelu Markus Simulointi, komponenttivalinta, protoilu Demodulaattorin suunnittelujari Simulointi, komponenttivalinta, protoilu Pääteasteen suunnittelu Jari Simulointi, komponenttivalinta, protoilu Audiosuunniittelu Harri Komponenttivalinta, protoilu Komponenttien 1. tilaus Laitteen 1. kasaus Laitteen 1. testaus Komponenttien 2. tilaus Laitteen 2. kasaus Laitteen 2. testaus Piirilevyn suunnittelu ja valmistus Mekaniikan hiominen Loppukokoonpano Mittaukset ja testaaminen Harri Markus Markus Harri Jari Jari Markus Jari Harri Harri Jari "Loppuraportin" tekeminen Harri Loppushow Kaikki Kehitysideoiden kokoaminenharri Wiki-sivusto Taulukko 8-1. Ganttin kaavio 27

8.2 Lohkokaavio Kuvassa 8-2 on vahvistinkortin lohkokaavio. Kuva 8-2. Vahvistinkortin lohkokaavio 8.3 Pääpiirikaavio Pääpiirikaavio on esitetty kuvassa 8-3 ja suuremmassa koossa liitteessä 1. Kuva 8-3. Pääpiirikaavio 28

8.4 Sähkökomponenttilista Kuvassa 8-4 on viimeisen protokortin hinnoiteltu osaluettelo. Kuva 8-4. Hinnoiteltu sähkökomponenttilista 8.5 Kotelokomponenttilista Kotelokomponentteihin on tässä esityksessä sisällytetty kytkimet, liittimet, potentiometri, kaiuttimet ja johtimet. Näin menettelemällä voidaan tuotantoprosessissa säästää aikaa. Tuotanto olisi lähinnä kaiutinten kokoonpanoa ja kasaamista valmiista osakokonaisuuksista. Lisäksi tulisivat koestus ja pakkaaminen ennen lähetystä asiakkaalle. Taulukosta 8-1 löytyvät projektilaitteen kotelokomponenttilista hintatietoineen. Tuotekalkyyliä ei protolaitteesta laskettu. Varsinaiset tuotantokustannukset ja ostohinnat riippuvat paljolti toimitusketjusta, kilpailutuksista ja ostoerien koosta. 29

Komponenttitiedot Hintatiedot Komponentti Koodi Toimittaja Huom. Hinta alv 0% 18 mm liimapuulevy Robinhood ostohinta 4,80 Kahva Lainassa arviohinta 2,50 Kotelon jalat varastosta arviohinta 1,50 Ruuvit ja mutterit Robinhood ostohinta/kilotavara 0,80 Paristokotelo Biltema ostohinta 0,48 Ritilä Ikea ostohinta 2,40 Kytkin 9473394 Farnell ostohinta 1,60 3,5 liitin 1390176 varastosta Farnell listahinta 0,83 Potentiometri 350140 varastosta Farnell listahinta 2,66 Kaiutin elementti 6,5" matala- ja keskiääni OR-Loudspeakers arviohinta 12,00 Kaiutin elementti, diskantti OR-Loudspeakers arviohinta 3,00 Johtosarja varastosta arviohinta 0,42 Yhteensä Yhteensä 32,99 Taulukko 8-1. Kotelokomponenttitaulukko 8.6 Tuotekehityskustannukset Tuotekehityskustannukset koostuvat suurelta osin palkkakuluista ja palkan sivukuluista. Tuotekehityskustannusten taulukko on liitteessä 2. Käytetyt tunnit liittyvät vain tehtyyn projektiin. Muihin kurssiin liittyviin ajankäyttökysymyksiin (mm. Wiki) ei ole otettu kantaa. 30

9 LOPPUPÄÄTELMÄ Projekti muodosti laaja-alaisen ja haastavan kokonaisuuden. 9.1 Tavoitteiden saavuttaminen Projektityössä saatiin valmis prototyyppikaiutin aikaiseksi. Aikataulussa pysyttiin ja osin myös alitettiin annettu aikataulu. Projekti meni suunnitellusti eteenpäin, ja projektilla oli merkittävä työllistävä vaikutus. Sähkökomponenttien hinta ja valmiin protokaiuttimen hinta pysyivät alussa määritellyissä raameissa. 9.2 Reflektointi Ryhmän kokemuksien, tuntemuksien ja oppimisen analysointia ei käyty laaja-alaisesti ryhmänä läpi. Jokaiselle ryhmänjäsenelle jäi varmasti jotain positiivista käteen. Voidaan kuitenkin mainita, että hyvistä yksilöpelaajista kasvaa myös hyviä joukkuetovereita. Ennen ryhmätyön aloittamista ryhmämme keskuudessa mainittu lause: Ryhmätyöt ovat perseestä. saa toivottavasti tulevaisuudessa lievemmän muodon, esimerkiksi Voihan niitä ryhmätöitä tehdä. tyyppisen ilmaisun. 9.3 Parannusehdotukset Tuotantoversion kortista voidaan poistaa riviliittimet turhina ja juottaa kaapelit suoraan piirilevylle. HotSwop - paristokotelossa on mekaniikan osalta eniten kehitettävää. Kaiutinkotelosta voidaan poistaa kaikki muut ruuvit, paitsi takalevyn ruuvit. Puutapitus ja liimaus varmistavat mekaanisen kestävyyden.laitteessa oleva potentiometrikin voitaisiin poistaa kustannus- ja asennusteknisistä syistä. Potentiometri on käytännössä tarpeeton, koska jokaisessa soitinlaitteessa (puhelin tai MP3- soitin) on jo äänenvoimakkuussäädin. Usein niiden säädin ei vain ole niin helposti tavoitettavissa kuin vahvistimen kyljessä oleva isokokoinen potentiometrin nuppi. 31

Paristolla toimivassa laitteessa pitää vältellä kaikkia ledejä, joiden virrankulutus on samaa luokkaa, kuin mitä nyt on vahvistimen lepovirrankulutus. Siksi esimerkiksi laitteen toimintatilaa osoittava merkkiledi ei ole hyvä ratkaisu. Mutta jos vahvistimeen halutaan joitain lisäominaisuuksia, niin laitteen yliohjausta osoittava merkkiledi olisi helposti toteutettavissa lisäämällä kytkentään vielä yksi komparaattori (OPA). Tämän komparaattorin referenssijännitteeksi tulisi kolmioaallon amplitudi ja mitattavaksi signaaliksi vahvistimen varsinaiselle komparaattorille tuleva vahvistettu audiosignaali. Jos audiosignaalin amplitudi ylittää kolmiosignaalin (joka aiheuttaa luvun 6 mittauksissa osoitettua säröä), lisäkomparaattorin lähdössä syttyisi punainen merkkiledi. Laitteen etuvahvistinta voisi parantaa älykkäästi ohjattavalla etuvahvistin/äänenvärisäädin piirillä. Tätä piiriä ohjattaisiin mikro-ohjainpiirillä, joka hoitaisi samalla laitteen käyttöliittymää. Tällöin käyttöliittymässä olisi potentiometrien sijaan yksikertaisia painonappeja ja mahdollisena pyöritettävinä säätimenä ns. rotary encoder komponentti. Mikro-ohjaimella saataisiin myös monenlaista älyä laitteen ohjauksiin, kuten paristojännitteen tarkkailu ja automaattinen lepotilaan siirtyminen, jos tulossa ei ole tiettyyn aikaan havaittu audiosignaalia. 9.4 Tutkimuksen jatkotoimet LoudSystem - tuotesarjaa voidaan täydentää eri kokoluokilla: LoudSystem One LoudSystem Boom LoudSystem Double Boom LoudSystem Smooth LoudSystem Double Smooth pieni kompakti muovikuorinen kaiutin (mono) nykyisen protokaiuttimen parannettu versio (mono) protokaiuttimen pidennetty versio (stereo) muotoilijan suunnittelema komposiittikaiutin (mono) sisältää kaksi Smooth- kaiutinta (stereo) Modulaarisen rakenteen suunnittelu. HotSwop- paristokoteloa voidaan käyttää periaatteessa kaikissa malleissa, samoin kuin Battery- Boost- lisäparistokoteloa. Samaa piirilevyä käytettäisiin kaikissa tuotesarjan tuotteissa. Stereoversioissa vain tarvittaisiin kaksi kalustettua piirilevyä ja yksi stereopotentiometri. 32

LÄHDELUETTELO Kirjat: [1] Silvonen Kimmo, Elektroniikka ja puolijohdekomponentit, 2009, ISBN-10: 9516723616. [2] Sedra, Adel S. Microelectronic circuits, 2004, ISBN. 0-19-514252-7. [3] Floyd, Thomas L., Electronic devices, 1999, ISBN. 0-13-973769-3. [4] Mohan, Power Electronics, 2003, ISBN 0-471-22693-9. Opinnäytetyöt: [5] Hannonen Janne, D-luokan audiovahvistimen modulointimenetelmien vertailu ja valinta, 2009, http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201006182068 [6] Karjala Juha, D-luokan vahvistin, 2011, http://urn.fi/urn:nbn:fi:amk-201104285082 [7] Sankala Arto, D-luokan audiovahvistimen pääteastetopologioiden vertailu kitaravahvistinsovelluksessa, 2009, http://urn.fi/urn:nbn:fi-fe201006182067 www-sivut: [8] http://www.genelec.fi/ht/tuotetuki/testi-signaalit/ [9] http://en.wikipedia.org/wiki/class_d_amplifier [10] http://sound.westhost.com/articles/pwm.htm [11] http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1071.pdf [12] http://www.irf.com/product-info/audio/classdtutorial.pdf 33

LIITE 1 34

LIITE 2 Komponentti / työvaihe Oma työ Muu työ Yhteensä Tunnit / Tunnit / Tunnit / Omat tunnit Tunnit / Kon- Tunnit / Tunnit / Muotoilu- Hinta Jari Markus Harri yhteensultointi labra piirilevy toimisto alv0% sä Modulaattori 10 50 4 64 4 4 6404 eur Demodulaattori 20 10 4 34 4 4 3764 eur Pääteaste 20 5 4 29 4 2 3108 eur Edellisten yhteensovitus 15 15 4 34 4 2 60 10148 eur Muut 14 14 0 1232 eur Kaiutin 0 0 10 10 0 880 eur Mekaniikka 40 40 2 3690 eur Teollinen muotoilu 10 1200 Yhteensä 65 80 80 225 18 12 60 10 30426 eur 0 Suunnittelun tuntihinta: 88 eur / alv0% (40*1,7), tuntipalkka * henkilösivukulut 1,7 + 20 (ohjelmistolisä) Valuutta Konsultoinnin tuntihinta: Labran tuntihinta: 85 eur / alv0% annettu 108 eur / alv0% (40*1,7+30), tuntipalkka*henkilösivukulut 1,7 + 40 (labratyölisä) Piirilevyvalmistuksen tuntihinta 85 eur / alv0% annettu Piirilevyvalmistuksen tuntihinta / Jari - piirilevyjyrsin - sähkölabra - ohjelmat - työ 110 eur / alv0% annettu Muotoilutoimiston tuntihinta: 120 eur / alv0% keskimääräinen laskutushinta 35