Návrh a realizace pedálového efektu na platformě Arduino

84 Pages·2016·4.73 MB·English

by  Tomáš Gajarský

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ
FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION
DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
NÁVRH A REALIZACE PEDÁLOVÉHO EFEKTU NA
PLATFORMĚ ARDUINO
BAKALÁRSKA PRÁCA
BACHELOR’S THESIS
AUTOR PRÁCE TOMÁŠ GAJARSKÝ
AUTHOR
Brno 2016
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY
A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ
FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND
COMMUNICATION
DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS
NÁVRH A REALIZACE PEDÁLOVÉHO EFEKTU NA
PLATFORMĚ ARDUINO
DESIGN AND REALIZATION OF PEDAL EFFECT ON THE ARDUINO PLATFORM
BAKALÁRSKA PRÁCA
BACHELOR’S THESIS
AUTOR PRÁCE TOMÁŠ GAJARSKÝ
AUTHOR
VEDÚCI PRÁCE Ing. ONDŘEJ KRAJSA, Ph.D.
SUPERVISOR
BRNO 2016
Bakalářská práce
bakalářský studijní obor Audio inženýrství
Ústav telekomunikací
Student: Tomáš Gajarský ID:165035
Ročník: 3 Akademický rok:2015/16
NÁZEV TÉMATU:
Návrh a realizace pedálového efektu na platformě Arduino
POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ:
S využitím vývojového kitu Arduino Due navrhněte a realizujte pedálový multiefekt. Navržený multiefekt bude
konfigurovatelný pomocí interního webového rozhraní, konfigurace se bude ukládat na SD kartu.
DOPORUČENÁ LITERATURA:
[1] BALLOU, Glen. Handbook for Sound Engineers. 5th ed. Independence: Taylor and Francis, 2015. ISBN
9780415842938.
[2] PEREA, Francis. Arduino Essentials. Olton Birmingham: Packt Publishing, 2015. ISBN 9781784398569.
Termín zadání: 1.2.2016 Termín odevzdání:1.6.2016
Vedoucí práce: Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.
Konzultant bakalářské práce:
doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc., předseda oborové rady
UPOZORNĚNÍ:
Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným
způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského
zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku
č.40/2009 Sb.
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně / Technická 3058/10 / 616 00 / Brno
ABSTRAKT
Tématem mé bakalářské práce je návrh a konstrukce pedálového efektu na platformě
Arduino Due, který je doplněn o možnost ovládání přes interní webové rozhraní zpros-
tředkované modulem Arduino Ethernet Shield. Zahrnutíma efektama jsou echo, tremolo,
vibráto,chorusaflanger.ProúpravukytarovéhosignáluzaúčeleminterakcesADpřevod-
níky mikrokontroléru je použit vstupní filtrační předzesilovací obvod. Za účelem úpravy
výstupního signálu z Arduina je pro kytarový zesilovač použit sumační a filtrační výstupní
obvod. Základní součástkou pro tyto obvody je operační zesilovač OPA1644. Cílem této
práce bylo vytvořit návrh schémat zapojení, desek plošných spojů, programový kód mik-
rokontroléru, jednoduchou webovou stránku a také zkonstrouvat a proměřit pedálový
efekt.
KĽÚČOVÉ SLOVÁ
Pedálový multiefekt, operační zesilovač, mikrokontrolér, webové rozhraní, echo, tremolo,
vibráto, chorus, flanger, OPA1644, Arduino Due, Ethernet Shield.
ABSTRACT
The topic of my bachelor’s thesis is the design and the construction of the pedal effect
used by the Arduino Due, which is supplemented by the possibility of controlling through
the internal web interface, which is mediated by the modul Arduino Ethernet Shield. The
following effects are included: echo, tremolo, vibrato, chorus and flanger. For editing the
guitarsignalinordertointeractwithADmicrocontrollerconverter,isusedtheinputfilter
preamplifier circuit. In order of editing the output signal from Arduino is used summing
and filtring output circuit for the guitar amplifier. The basic component for these circuits
is operating amplifier OPA1644. The goal of this thesis was to create the proposal of
the connection schemes, printed circuit board, the program code of the microcontroller,
simple web page, as well as the construction and the measurement of the pedal effect.
KEYWORDS
Pedal multi effect, operational amplifier, microcontroller, web interface, echo, tremolo,
vibrato, chorus, flanger, OPA1644, Arduino Due, Ethernet Shield.
GAJARSKÝ, Tomáš Návrh a realizace pedálového efektu na platformě Arduino: bakalár-
skapráca.Brno:VysokéučenítechnickévBrně,Fakultaelektrotechnikyakomunikačních
technologií,Ústavtelekomunikací,2016.85s.VedúciprácebolIng.OndřejKrajsa,Ph.D.
PREHLÁSENIE
Prehlasujem, že som svoju bakalársku prácu na tému „Návrh a realizace pedálového
efektu na platformě Arduino“ vypracoval(a) samostatne pod vedením vedúceho bakalár-
skej práce, využitím odbornej literatúry a ďalších informačných zdrojov, ktoré sú všetky
citované v práci a uvedené v zozname literatúry na konci práce.
Ako autor(ka) uvedenej bakalárskej práce ďalej prehlasujem, že v súvislosti s vytvo-
rením tejto bakalárskej práce som neporušil(a) autorské práva tretích osôb, najmä som
nezasiahol(-la)nedovolenýmspôsobomdocudzíchautorskýchprávosobnostnýcha/nebo
majetkových a som si plne vedomý(-á) následkov porušenia ustanovenia S11 a nasledu-
júcich autorského zákona č. 121/2000Sb., o právu autorském, o právoch súvisejúcich
s právom autorským a o zmeně niektorých zákonov (autorský zákon), vo znení neskor-
ších predpisov, vrátane možných trestnoprávnych dôsledkov vyplývajúcich z ustanovenia
časti druhé, hlavy VI. diel 4 Trestného zákoníka č.40/2009 Sb.
Brno ............... ..................................
podpis autora(-ky)
POĎAKOVANIE
Rád by som poďakoval vedúcemu semestrálnej práce pánovi Ing. Ondřejovi Krajsovi,
Ph.D. za odborné vedenie, konzultácie, trpezlivosť a podnetné návrhy k práci.
Brno ............... ..................................
podpis autora(-ky)
Faculty of Electrical Engineering
and Communication
Brno University of Technology
Purkynova 118, CZ-61200 Brno
Czech Republic
http://www.six.feec.vutbr.cz
POĎAKOVANIE
Výzkum popsaný v tejto bakalárskej práci bol realizovaný v laboratóriách podporených
projektom SIX; registračné číslo CZ.1.05/2.1.00/03.0072, operačný program Výzkum a
vývoj pro inovace.
Brno ............... ..................................
podpis autora(-ky)
OBSAH
Úvod 12
1 Základné časti pedálového efektu 13
1.1 Bloková schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Teoretická časť 14
2.1 Invertujúci zosilňovač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Neinvertujúci zosilňovač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Súčtový zosilňovač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Diferenčný zosilňovač . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5 Aktívny filter s rozvetvenou sľučkou spätnej väzby . . . . . . . . . . . 16
3 Výber súčastí 18
3.1 Arduino Due . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Modul Arduino Ethernet Shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3 Výber súčiastok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.1 OPA1644 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 LT1054 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 Návrh vstupného obvodu 20
4.1 Popis vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.1 Prvý blok vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.2 Druhý blok vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1.3 Tretí blok vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1.4 Štvrtý blok vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.5 Piaty blok vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Simulácie vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2.1 Zhodnotenie výsledkov simulácií vstupného obvodu . . . . . . 27
5 Návrh výstupného obvodu 28
5.1 Popis výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1.1 Prvý blok výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.1.2 Druhý blok výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.1.3 Tretí blok výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.1.4 Štvrtý blok výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 Simulácie výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.2.1 Zhodnotenie výsledkov simulácií výstupného obvodu . . . . . 31
6 Ovládanie 32
6.1 Ovládacie prvky analógového obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.2 Prvky na ovládanie programu Arduina . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.3 Ovládanie cez internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
7 Návrh dosky plošného spoja 34
7.1 Návrh digitálnej časti DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.2 Návrh analógovej časti DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
8 Meranie obvodov 35
8.1 Oživenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8.2 Meranie vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
8.3 Meranie výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
9 Program mikrokontroléra 44
9.1 Základné programové nastavenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
9.2 Funkcia nekonečnej slučky programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
9.3 Implementácia efektov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
9.3.1 Echo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
9.3.2 Tremolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
9.3.3 Vibráto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
9.3.4 Chorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
9.3.5 Flanger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
10 Meranie efektov 50
10.1 Meranie efektu echo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
10.2 Meranie efektu tremolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
10.3 Meranie efektu chorus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
11 Záver 56
Literatúra 57
Zoznam symbolov, veličín a skratiek 59
Zoznam príloh 60
A Schémy zapojení 61
A.1 Schéma vstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
A.2 Schéma výstupného obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
A.3 Schéma ovládacích prvkov obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
A.4 Schéma modulu EthernetShield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
B Doska plošných spojov 67
B.1 Vrchná vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
B.2 Spodná vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
B.3 Osadzovací plán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
C Zoznam súčiastok 71
D Ukážka kódu programu 73
E Ukážka kódu webovej stránky 84