6E1Pランプでの音の視覚化

6E1Pランプにサウンドインジケーターを作成した経験を共有することにしました。 ヘッドフォン用のチューブオーディオアンプを作成する際、オーディオ信号を視覚化することが決定されました。 選択はこの特定のソビエトランプに落ちました。 その結果、30 x 33 mmの小さなプリント回路基板ができました。 この記事では、このボードの図と操作アルゴリズムの説明を提供します。



6E1Pランプは希少ではなく、約200ルーブルの価格で比較的簡単に入手できます。 この記事では、オーディオアンプとオーディオ品質の作成の問題については取り上げません 。6E1Pランプの接続と制御にのみ焦点を当てます。 誰でも私のスキームを繰り返し、デバイスでスキームの個々のノードを変更または使用できます（ソースコードが添付されています）。

内容：

• はじめに
• パート1.電源とランプの接続
• パート2.アナログ回路設計
• パート3.管理スキーム
• パート4.管理アルゴリズム
• パート5.結果

はじめに

真空管アンプを作成する際、音響信号のアニメーションにより、真空管アンプの外観をより鮮やかに装飾することが決定されました。 アンプ自体は、 SRPPカスケードのスキームに従って2つの3極管6N23Pで組み立てられます。 アンプの設計は台形を繰り返しています。6N23Pランプは後部にあり、6E1Pランプは前部にあります。 アンプの詳細はこちらをご覧ください 。


はじめに、ランプ制御回路の開発開始時の主要なポイントを示し、最終的な実装を決定します。

1. 6E1Pランプは心地よい緑色のライトで光り、過去の他の多くのランプインジケーターの中でオリジナルに見えます。 ランプは垂直に取り付けられます。これは、特にトップパネルに垂直に取り付けられるアンプ内の他の真空管と組み合わせて使用​​する場合は特に、エンドランプよりもはるかに便利です。
2. 必要な供給電圧は、別の電源を必要としない他の真空管の供給電圧と組み合わされます。 確かに、この時点でいくつかの特異性があります（以下を参照）。
3. すぐにタスクは、2つのチャンネルから単一の6E1Pランプにジョイントオーディオ信号を描画することでした。 通常、各チャンネルのインジケーターランプに配置するか、視覚化のためにステレオチャンネルの1つのみの出力を使用します。 ここでは、最初からタスクはオーディオ信号の「正直な」表示を行うことでした。
4. ポイント3のソリューションには、信号加算器が必要です。これは、もちろん真空管に実装できますが、インジケータランプの制御回路は、アンプ自体の回路と複雑さが等しくなります。 古典的な6E1Pランプスイッチング回路は、アンプの出力ランプのアノードから信号を除去するか、6E1Pランプ自体よりも入手が難しい特別なマッチングトランスを使用して信号を除去します。 また、古典的なスキームは、信号振幅の自動調整を提供しないため、ランプの開度が音量レベルに依存します。 ヘッドフォンを使用する場合、この依存性は非常に重要です。 ヘッドフォンのインピーダンスは32〜600オームの間で変化し、出力信号の振幅が10倍に変化します。 したがって、すぐに決定されました。統合アンプを使用すること。 自動チューニングを実装するには、マイクロコントローラーによって制御されるデジタルポテンショメーターを使用します。 コントローラーによってオーディオ信号をデジタルフィルターします。

真空管オーディオでは、集積回路を使用するのは好ましくないと考えられています。 私はそのような偏見を持っていません、そして、上で書かれたように、この記事ではオーディオ信号の品質は議論されていません。 それは、高品質のランプ制御6E1Pのスキームについてのみです。

さあ始めましょう！

パート1.電源とランプの接続

6E1Pランプは、標準のフィラメントとアノード電圧を使用します。
グロー：6.3V / 300 mA-> 1.9 W
アノード：250V / 6 mA-> 1.5 W


私のプロジェクトでは、TAN 21-127 / 220-50を使用して、6E1Pランプ、残りのアンプチューブ、およびマイクロコントローラーの電源に電力を供給しました。 最終回路では、+ 270Vのアノード電圧が使用されました。

TANトランスフォーマーの詳細については、 こちらをご覧ください 。
視覚化のみを目的とする場合、TANの使用は実用的でない場合があります。 ネットワーク電源アダプターを使用して、スイッチング電源を使用して高電圧、グロー電圧、コントローラー電源を形成する方が合理的です。 たとえば、 このオプションはニキシー管時計の放電ランプに使用されます 。

24Vネットワークアダプターを選択することをお勧めします。 これにより、ブーストコンバーター回路がより簡単かつ効率的になり、ランプの仮想グラウンドが作成されます（以下を参照）。

次に、ランプの接続について説明します。 6E1Pランプのグロー（4と5）の端子は、他のランプ端子から絶縁されているため、好きなように接続できます。主なことは、それらの間に約6Vの電圧があることです。 永続的、可変可能。 TANを使用する場合にのみ、結論4と5を端子2（グランド）に引き出して、フィラメントとカソード間の破壊を防ぐことをお勧めします。 ピン3、7、8、9は高電圧に接続されています。 そして今、最も興味深いのは、ピン1（グリッド）が負電圧を使用してランプの開きを制御することです！ 陰極に対するグリッドの-12 ... -15Vの電圧は、ランプの全開に対応し、0の電圧は完全に閉じます。 さらに悪いことに、実際には、グリッドがカソードに接地されていると、ランプは完全には閉じません。薄い均一な発光ストリップの代わりに、厚い発光コーンがあります。 これは、グリッドに小さな正電圧を印加することで解決します（+ 5Vで十分です）。 したがって、ランプは、カソードに対する電圧によって-15Vから+ 5Vまで制御されます。 控えめに言っても、これは不便です。

パート2.アナログチャンネルのスキーム

オーディオ信号変換回路に移りましょう。 オーディオチャンネルは、2つのチャンネルからの信号の合計を提供し、ADCコントローラーの入力範囲に持ってくる必要があります（信号の振幅は5V以下です）。



2つのチャネルがあります。 接続された回路は元の信号に歪みをもたらし、アンプ出力はこれに最も敏感ではないため、アンプ出力に直接接続します（負荷と並列に、ヘッドフォンに）。 信号は、0.1μFの入力コンデンサによって永続的にデカップリングされます。 ダイオードVD4およびVD5は、入力スパイクから回路を保護するために使用されます。 さらに、各チャネルには、ゲイン0.34の反転増幅器（DA1AおよびDA1B）があります。 2つのタスクを実行します。 まず、高インピーダンスのヘッドフォンの場合、信号振幅が3倍に減少し、5V範囲になります。 たとえば、600Ωヘッドフォンの場合、信号振幅は最大16 Vになります。 第二に、それらは後続の加算器のバッファ増幅器として機能します。 それらが存在せず、信号がすぐに加算器に送信された場合、実際には、両方のチャネルが20kΩ抵抗を介して相互に接続され、チャネルの分離が悪化します。

次に、信号は自動チューニング（DA1C）で加算器と増幅器に送られます。 ゲインは1〜1000の範囲で変えることができます。AD5160デジタルポテンショメータは、最も簡単に入手できる安価なものの1つです。 256の位置があります。 アンプは、4倍パッケージのAD8608を選択しました。 仮想グランド+ 2.5Vを作成するために使用される最後の4番目のアンプ（DA1D）：



原則として、+ 21Vランプの仮想アースに対して同様の回路を作成できます。

パート3.管理スキーム

マイクロコントローラとしてATiny25 / 45が選択されています。 このタスクに十分なパフォーマンス、5V電源、小さなハウジング。 通常、AVR8ファミリーのコントローラーのプログラミングはシンプルで直感的ですが、ATiny25 / 45は超低集積コントローラーであり、ハードウェアブロックはほとんど含まれていません。 したがって、ATiny25 / 45ユニバーサルトランシーバーを使用するのは快適ではありません。ほとんどすべてをプログラムで行う必要があります。



6E1Pランプ制御回路自体は、IRLML2803電界効果トランジスタ上に構築されており、ローパスフィルターを備えた単純なPWMです。 トランジスタは、電圧+ 28Vまたはグランドを切り替えます。 2つのランプの出力に関しては、これは+ 7Vまたは-21Vになります。

また、私のデバイスでは、スイッチにミニチュアデュアルリレーを追加することにしました。 それを使って、ランプを暖機した後にアンプのアノード電圧を切り替え、電源スイッチのLEDを制御し、暖機後にその色を赤から緑に変えます。 1つの機能があります：コントローラーのPB5ポートはRESETとして使用され、対応するFUSEビットがフラッシュされるまで使用できませんが、フラッシュ後はSPIを介してプログラムできなくなります。 したがって、すべてがデバッグされて正常に機能する最後のターンでPB5ポートをアクティブにします。

パート4.管理アルゴリズム

オーディオ信号を処理し、さまざまなパラメータを選択するさまざまな方法での長い実験の結果、最適なオプションが見つかり、視覚化が向上しました。 誰でも独自の規制アルゴリズムを開発できます。これは、ハードウェアソリューションや音楽コンテンツを聴くのにより適しています。

私の方法には、信号の予備フィルタリング、信号の極大値の決定、ランプ制御信号の生成、増幅器のゲインの制御が含まれます。

次に、順番に、アルゴリズムの動作を説明します。

1. 両方のチャネルの合計信号は、このマイクロコントローラの最大サンプリング周波数-77kSPSでADCによって読み取られます。
2. 信号はフィルタリングされています。 4つのサンプルの平均を計算する簡単な方法が適用されます。 したがって、サンプリングレートを19.2kSPSに減らします。
3. 信号は、定数成分+ 2.5V（0x7f）で可変です。 それをまっすぐにし（0x7fを減算）、ゼロ近くのノイズを除去します。
4. 5つの累積サンプル（平均）に基づいて、スライディングウィンドウを使用して極大値（ピーク）が検索され、周波​​数帯域幅が約2.4 kHzに減少します。
5. 得られたピーク値に応じて、ランプへのPWM出力を調整します。 非対称の制限を伴う規制を導入しました。 つまり PWMは大きなステップで増加し、小さなステップで減少します。
6. デジタルポテンショメータを使用してゲインを調整します。 規制アルゴリズムは次のとおりです。

• a）特定の時間間隔内のすべてのピークの最大値を見つけます。 私のバージョンでは、この間隔は平均で約300msです。
• b）この間隔で最大ピークが入力範囲の90％を超える場合、ゲインを下げます。
• c）この間隔で最大ピークが入力範囲の50％未満の場合、ゲインを上げます。
• d）提案されたアナログ回路には次の欠点があります。ポテンショメータをオンにする適用方法により、ゲインの調整は非線形です。 高ゲインでの特に強い非線形性、すなわち ポテンショメータが1ステップ変化すると、ゲインが複数倍になり、その結果、ADC入力が過負荷になります。 したがって、ポテンショメータの最後の数ステップ（254および255）の使用を放棄し、代わりに単純に2÷8を掛けて信号を増幅する必要がありました。

実際のオシロスコープ測定では、アルゴリズムは平均して1 kHzの周波数でPWMデータを更新することが示されました。 周波数は大きく変化し、入力信号の振幅の違いに依存します。 ただし、いずれの場合でも、PWMデータは少なくとも100 Hzの周波数で更新されます。これは、良好な視覚化に十分です。 ゲインは毎秒2から10回に変化します。

IAR v6.3のマイクロコントローラーファームウェアプロジェクト（ATiny45）およびAltium Designer 2009の配線図は次の場所にあります。
https://bitbucket.org/AiV_Electronics/6e1p_tube/overview

パート5.結果

ランプは高周波音と低周波音の両方によく反応します。 遅滞なく、明確に実現します。 反応の大きさは音量に十分です。 これで、タスクが解決したと考えます。

このオプションは最終的なものであり、さらに開発する予定はありませんが、それでもこのバージョンには改善の余地があることに注意してください。 洗練のタスクに直面した場合、次の瞬間に回路を改善します。

1. 電源の回路を完全にパルス化された回路に変更します。 リニアスタビライザーを入れません トランス巻線はわずか47mAです。
2. ポテンショメータのスイッチング方式を変更して、非線形性を排除します。
3. パラメトリックスタビライザーを使用して、仮想アース+ 21Vを形成し、コンデンサーC18-C20を削減します。

今のところすべてです。 将来的には、アンプの機械部品の製造に関する記事を書き、木材からREAケースを製造し、板金から部品を製造し、塗装、ニス塗り、ステンシルとスタンプによるマーキングの経験を共有する予定です。

ご清聴ありがとうございました。 質問やコメントを待っています。

PSこのトピックがチューブオーディオテクノロジーとオーディオ品質の問題の議論に発展する可能性があることを事前に心配しています。 したがって、音声信号の視覚化に関連する問題のみを議論するようお願いします。 事前に感謝します。