diseño de un amplificador valvular con control inalámbrico
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Trabajo Fin de Grado Diego Bailos Aguirre
Javier Goicoechea Fernández
Pamplona, noviembre 2017
Grado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica
E.T.S. de Ingeniería Industrial,
Informática y de Telecomunicación
Diseño de un amplificador valvular
con control inalámbrico.
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Agradecimientos:
Son muchas las personas que me han
ayudado de una u otra forma durante la
realización de este proyecto. Especialmente,
me gustaría agradecer a mi amigo el Dr.
Santiago García toda su ayuda, no sólo con este
proyecto, sino por su apoyo durante todos los
años de carrera universitaria. Agradecer al
técnico Jorge Babiano su ayuda desinteresada,
así como todos los consejos que me ha
ofrecido y que, sin duda, han hecho posible la
construcción del amplificador. Por último, y no
menos importante, al profesor Javier
Goicoechea por tutorizar mi proyecto y
ayudarme en la construcción este y de otros
tantos.
También quiero agradecer a mi familia y
amigos los ánimos prestados durante la
realización del trabajo, por horas de
escucharme hablando de temas
particularmente poco interesantes para ellos
pretendiendo estar realmente interesados en
lo que les contaba.
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Índice
1. Introducción .......................................................................................................................... 7
2. Planteamiento del proyecto .................................................................................................. 9
3. Contexto tecnológico y objetivos ........................................................................................ 11
3.1. Tecnologías de resistencias de control ........................................................................ 11
3.2. Objetivos del proyecto. ................................................................................................ 14
4. PARTE 1: Diseño y construcción del amplificador ............................................................... 16
4.1. Control de la resistencia basado en un LDR ................................................................. 16
4.2. Diseño del circuito y PCB del circuito digital ................................................................ 23
4.3. Construcción del amplificador...................................................................................... 29
4.3.1. Fuente de alimentación........................................................................................ 29
4.3.2. Etapa de salida ..................................................................................................... 30
4.3.3. Transformador de tensión de alimentación ......................................................... 31
4.3.4. Transformador de salida: ..................................................................................... 32
4.3.5. Chasis .................................................................................................................... 35
4.3.6. Placa del amplificador .......................................................................................... 36
4.3.7. Modificaciones del diseño original del amplificador............................................ 38
4.4. Desarrollo del firmware del microcontrolador ............................................................ 40
4.5. Pruebas y mejoras ........................................................................................................ 42
5. PARTE 2: Diseño y construcción del footswitch .................................................................. 43
5.1. Diseño del circuito esquemático .................................................................................. 43
5.2. Diseño mecánico del dispositivo .................................................................................. 51
5.3. Diseño del PCB.............................................................................................................. 52
5.4. Construcción ................................................................................................................. 53
5.5. Programación de los microcontroladores .................................................................... 53
5.5.1. PIC16f88 ............................................................................................................... 54
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5.5.2. PIC16F1939 ........................................................................................................... 55
5.6. Conclusiones y líneas futuras ....................................................................................... 59
6. Bibliografía .............................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
7. ANEXOS................................................................................................................................ 63
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1. Introducción
La válvula termoiónica posibilitó el desarrollo de la electrónica y las comunicaciones en
la primera mitad del siglo XX. La mayoría de las válvulas electrónicas están basadas en la
propiedad que tienen los metales en caliente de liberar electrones desde su superficie
(Efecto Edison). [1]
En la actualidad, este componente ha quedado completamente en desuso siendo
sustituido por transistores de silicio mucho más pequeños, eficientes y sencillos de
utilizar. A diferencia de las válvulas, el transistor se compone de varios substratos de
material semiconductor dopado con cargas positivas o negativas que permiten su
fabricación en tamaños muy reducidos.
A pesar de sus múltiples ventajas, el transistor de silicio necesita superar una tensión
de conducción directa (forward voltage) que provoca la aparición de la distorsión de cruce
en señales que fluctúan entre voltajes positivos y negativos.
Figura. 1: “Izq. Se muestra una etapa de salida Push-pull. Dcha. Señal de salida donde se puede
ver la distorsión de cruce” [2]
Las válvulas no tienen este problema, es por ello que todavía se siguen utilizando para
la construcción de equipos analógicos de audio Hi-Fi y amplificadores de guitarra. No
obstante, existen arquitecturas de amplificadores lineales basadas en transistores que
solucionan el problema de la distorsión de cruce por cero y se puede alcanzar una gran
calidad de audio con distorsiones realmente bajas con rendimientos mucho mejores.
Por otro lado, los sistemas digitales se han desarrollado muchísimo en los últimos años
dando la posibilidad de almacenar una gran cantidad de datos en memorias no volátiles,
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transmisiones inalámbricas más robustas, automatización con sistemas microcontrolados
capaces de trabajar a altas frecuencias, etc.
Sin embargo, en algunos amplificadores de guitarra, se aprovecha la distorsión de las
válvulas, rica en armónicos pares (más agradables al oído humano), para crear diferentes
efectos de sonido. Los defensores de esta tecnología aseguran obtener un sonido más
“cálido” y de mejor calidad que lo que se ha conseguido con transistores. Además, las
válvulas no presentan algunos de los ruidos 1/f típicos en los semiconductores. Por estos
motivos aún conservan una grandísima parte de la cuota de mercado en el segmento de
los amplificadores de audio, especialmente para guitarra eléctrica.
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2. Planteamiento del proyecto
En el presente proyecto se detalla el proceso de diseño y construcción de un amplificador de
guitarra de alta ganancia con tecnología valvular gobernado de forma remota mediante un pedal
de control (footswitch) comunicado por bluetooth. Uno de los retos del proyecto es no emplear
ningún elemento semiconductor en la implementación del amplificador de audio para preservar la
esencia del amplificador valvular.
Es necesario hacer notar que no existen en el mercado amplificadores similares, es decir,
amplificadores totalmente valvulares con un control puramente digital. Aunque sí existen
amplificadores con controles digitales, todos los que se conoce están basados en transistores y no
en válvulas de vacío. El sistema propuesto en el presente proyecto supone un verdadero salto, ya
que permite un control digital desde el pedal o cualquier otro dispositivo capaz de comunicar
mediante bluetooth, y al mismo tiempo conserva el núcleo totalmente basado en válvulas
termiónicas sin ningún componente semiconductor.
El proyecto se dividirá en dos partes:
- Diseño y construcción del amplificador controlado por bluetooth.
- Diseño y construcción de un pedal de control (footswitch) para gobernar el amplificador que
tenga la posibilidad de comunicarse por bluetooth.
Los amplificadores valvulares están compuestos en su totalidad por componentes pasivos
como resistencias, condensadores, inductancias y transformadores. La señal de audio no pasa, en
ningún momento, a través de ningún semiconductor; así se preserva la esencia del diseño valvular
del amplificador, que es uno de los aspectos que los hacen realmente atractivos en el mundo de la
guitarra.
Es habitual encontrar, en los diseños de amplificadores de guitarra, un filtro de tres etapas
para poder ecualizar el sonido (Treble, Middle, Bass), un control de volumen, uno de ganancia,
etc. Cada uno de ellos es regulado por una resistencia variable o potenciómetro manual ubicado
generalmente en el panel frontal del amplificador. También es habitual encontrar interruptores
(switches) para conmutar diferentes partes del circuito. Estos switches pueden ser manuales o
pulsadores de pie para que sea más fácil el control del sonido mientras se toca la guitarra.
Por otro lado, para lograr una comunicación remota, automatización y memorizado de efectos,
se hace estrictamente necesario disponer de un circuito digital microcontrolado que lea las
señales recibidas y mande las ordenes de control al circuito del amplificador.
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Primera parte del proyecto: esta consistirá en el diseño e implementación de un circuito
digital capaz de controlar una serie de elementos resistivos que sustituyan a los tradicionales
potenciómetros manuales, y unos relés que sustituyan a los switch. A esto se le añadirá un
microcontrolador y un módulo bluetooth que lo hagan capaz de recibir datos desde otros
dispositivos, procesarlos y modificar los parámetros del amplificador de forma remota.
Este circuito se usará para la construcción de un amplificador real compuesto por un
preamplificador de alta ganancia de dos canales y una etapa de potencia de 50w. Se comprobará
su correcto funcionamiento enviando las ordenes de control desde un Smartphone.
Figura. 2: “Diagrama de funcionamiento del amplificador con control digital”
Para conmutar entre los canales del amplificador es necesario un pulsador de pie o footswitch
que permitan al músico conmutar entre ellos sin necesidad de utilizar las manos. Estos
dispositivos suelen conectarse mediante un cable de unos 5 metros directamente al amplificador.
Segunda parte del proyecto: se diseñará una pedalera donde irán ubicados los pulsadores de
pie, varios encoders o potenciómetros infinitos, además de una serie de indicadores luminosos
led. Este circuito dispondrá también de un sistema microcontrolado, una memoria EEPROM y un
dispositivo bluetooth capaz de conectarse con el amplificador y transmitirle las ordenes de
control.
Se montará dentro de una carcasa de metal que permitirá al usuario disponer de un control
absoluto sobre el amplificador sin necesidad de tener un cable conectado entre la pedalera y el
amplificador.
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3. Contexto tecnológico y objetivos
3.1. Tecnologías de resistencias de control
Existen en la actualidad una infinidad de componentes integrados con diversas funcionalidades
cada vez más complejas y de tamaños muy reducidos. Entre ellos se encuentran los
potenciómetros digitales; estos componentes son elementos resistivos discretos que pueden
variar su resistencia entre tres de sus terminales.
Figura. 3: “Símbolo esquemático de un potenciómetro digital” [3]
Esencialmente, estos componentes disponen en su interior de un array de resistencias
conectadas en serie y entre los terminales VH y VL y en cada uno de los nodos se encuentra un
transistor que conecta al terminal Rw (wiper). Eso permite variar la resistencia a voluntad de
forma discreta simplemente encendiendo o apagando dichos transistores.
Los valores comerciales de estos potenciómetros son poco variados y se dispone de
resistencias de hasta 100k como máximo.
El principal problema es que este componente no puede introducirse directamente dentro del
circuito porque los transistores internos determinarían la calidad final de la señal de salida.
Además, el esquema del amplificador utiliza potenciómetros de valores de hasta 1Mohm.
También existe en el mercado un tipo de potenciómetro motorizado que permite controlar la
posición del dispositivo mediante un sistema electrónico. Este componente es relativamente
lento debido a las inercias mecánicas además de ser caro y aparatoso.
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Figura. 4: “Potenciómetro motorizado”
El LDR de sus siglas en inglés (Light Dependent Resistor) es una resistencia que varía su valor
dependiendo de la luz que incide sobre él. Los valores pueden oscilar entre unos pocos ohmnios
cuando está altamente iluminado hasta varios megaohmnios en la oscuridad. Están fabricados a
partir de materiales con estructura cristalina como el sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio
aprovechando sus propiedades fotoconductoras.
En muchos amplificadores a válvulas se utilizan optoacopladores fotorresistivos, formados por
un led y un LDR, como una alternativa a los relés tradicionales para la conmutación entre canales.
Esto reduce ruidos y “chasquidos” al conmutar los distintos canales del amplificador porque la
transición no se hace mediante un contacto mecánico.
Figura. 5: “Uso de fotorresistencia para conmutar entre diferentes canales del amplificador”
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Los LDR tienen algunos problemas asociados porque la resistencia, en función de la corriente
del led, no varía de forma lineal, cayendo rápidamente alrededor de los 40K tan pronto como el
led comienza a iluminar. Por otro lado, la resistencia de la celda es muy variable entre dispositivos
diferentes y aumenta de forma directa con la temperatura, esto hace que cambie su valor todo el
tiempo.
Es por esto que, a pesar de tener unas buenas características para la presente aplicación,
presenta una serie de inconvenientes que impiden introducirlo directamente en un circuito que
necesita unos valores estables de resistencias comprendidas entre 250K y 1M. [4]
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3.2. Objetivos del proyecto.
Tomando como punto de partida el esquema de un amplificador valvular de alta ganancia se
pretenden sustituir los tradicionales controles manuales por un circuito digital que permita variar,
de forma automática, los parámetros del amplificador tales como el control de tono, ecualización,
ganancia, volumen, etc.
Para controlar este amplificador, se diseñará también un dispositivo inalámbrico con
pulsadores de pie o “footswitch” que permitirá modificar de forma remota todos los controles del
amplificador que originalmente se hacía mediante potenciómetros manuales. Dispondrá también
de una memoria EEPROM no volátil que permita almacenar diferentes configuraciones incluso
después de apagado el dispositivo.
Dado que no es cometido de este proyecto el diseño del propio circuito amplificador, se
utilizará el esquema de un amplificador comercial al que se le realizaran algunas modificaciones,
pero se intentará ser lo más fiel posible al diseño original.
El esquema elegido es una copia del amplificador de la marca SOLDANO, en concreto su
modelo SLO (Super Lead Overdrive). Este modelo ha sido construido por una comunidad de
“Makers” que, a partir del amplificador original, realizaron una copia idéntica del diseño de la
placa de circuito impreso (Printed Circuit Board, PCB) y publicaron una extensa cantidad de
información acerca de la construcción, problemas y soluciones. Así pues, el amplificador está
ampliamente comprobado y se puede centrar el proyecto en el diseño del circuito de control
digital.
Esta primera etapa del proyecto es bastante amplia por lo que se ha dividido también en varias
fases:
- Desarrollo y diseño de un circuito para estabilizar la resistencia de un LDR
- Diseño del circuito y PCB del circuito digital
- Construcción del amplificador
- Desarrollo del firmware del microcontrolador
- Pruebas y mejoras
En la segunda etapa del proyecto se discutirá el diseño del circuito digital encargado de
controlar el amplificador de forma remota (Footswitch):
- Diseño del circuito esquemático
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- Diseño mecánico del dispositivo
- Diseño del pcb
- Construcción
- Firmware de los microcontroladores
- Pruebas y mejoras
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4. PARTE 1: Diseño y construcción del amplificador
No existen en el mercado amplificadores similares, si bien los hay con controles digitales, estos
están basados en transistores, resultando un circuito más sencillo y barato.
Después de haberse construido varios amplificadores a válvulas copiando otros esquemas, se
planteó la posibilidad de introducir un control digital que permitiera almacenar diferentes
configuraciones de sonido y lo hicieran más cómodo de utilizar; todo ello sin renunciar a la calidad
del sonido que ofrecen las válvulas. Conseguir controlar un amplificador a válvulas mediante un
microcontrolador abre las puertas a una infinidad de opciones como memorizar configuraciones,
tener control inalámbrico, automatización, control MIDI, …
4.1. Control de la resistencia basado en un LDR
De entre todos los sistemas posibles estudiados para la realización de este proyecto se eligió
utilizar fotorresistencias “LDR” para sustituir los potenciómetros originales. Estos componentes
tienen una respuesta más rápida y, al mismo tiempo, son los que menos perturbarían el diseño
original y, por lo tanto, la calidad final del sonido.
Como planteamiento inicial, se intentó conectar el optoacoplador “LDR+Led” directamente a
un DAC e intentar controlar la resistencia del LDR directamente variando la tensión de
alimentación del led. Rápidamente se descartó esta idea porque, los problemas asociados a las
propiedades inherentes de las fotoresistencias, hacían imposible establecer una resistencia fija en
función de una señal de salida establecida del conversor digital-analógico.
Tomando como referencia el documento “PROGRAMABLE CONTROLS FOR VACUM TUBE
PREAMPLIFIER”, patente de 1993 de la prestigiosa marca de amplificadores de guitarra “Mesa
Boogie” en el que se detalla el funcionamiento de un circuito utilizado para estabilizar la
resistencia de un LDR, se expone a continuación la solución adoptada por la marca (traducido del
original).
“Con el fin de lograr valores de resistencia altos en el sistema, se plantea un
esquema donde se añade al LDR un lazo de realimentación negativa con un
amplificador diferencial que incorpora un condensador en el lazo. De tal manera
que la constante de tiempo RC tiene el efecto de bajar la ganancia en el dominio del
tiempo de tal manera que la acción del amplificador diferencial que alimenta el led
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compense el retardo inherente a la respuesta de la célula fotosensible ante
condiciones de luz variables.
Esto tiene el efecto deseado de crear una resistencia sustancialmente estable
sobre una amplia gama de valores de alta resistencia mientras que, de otra manera,
el resultado sería una resistencia de celda que varía constantemente a medida que
se ilumina el LDR demasiado (compensación excesiva por la alta resistencia en
estado de oscuridad) luego permanecería iluminado demasiado tiempo debido al
retardo de la respuesta de la célula a las variaciones de luz, entonces se apagaría la
fuente de luz cuando la resistencia fuera demasiado baja provocando una corriente
inversa desde el amplificador diferencial.”
La figura 6 muestra un diagrama de realización del diseño anteriormente mencionado en el
que se muestra un único optoacoplador LDR funcionando como una resistencia variable junto a
los medios para modificar y estabilizar su resistencia.
La figura 7 muestra el diagrama de implementación de dos optoacopladores LDR funcionando
como un potenciómetro ajustable de tal forma que se mantiene una resistencia total constante
entre los extremos. Nótese que la red de resistencias R1-R17 más los dos multiplexores simula el
funcionamiento de un potenciómetro.
Figura 6: “Circuito para estabilizar la resistencia de un LDR” [4]
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Figura 7: “Circuito para estabilizar dos LDR complementarios para funcionar como
potenciómetro” [4]
En la figura 6 se muestra la implementación funcional del circuito. Una fuente de 5v alimenta
la escalera de resistencias de referencia mientras que la misma fuente de 5v alimenta un
potenciómetro de ajuste (trimmer). Este potenciómetro da un voltaje de referencia de 2,5v (la
mitad del voltaje de alimentación) en su terminal ajustable que está conectado en el terminal
inversor de un amplificador operacional (amplificador diferencial). Pequeños ajustes en este
potenciómetro permiten compensar las imprecisiones de tal forma que las dos celdas LDR lleguen
a tener una misma resistencia precisa. Con el sistema digital se controlan los multiplexores que
permiten seleccionar la resistencia de referencia con una precisión de 16 incrementos. Esto
permite variar la resistencia de entrada del terminal no inversor del amplificador diferencial. La
salida de dicho amplificador se conecta a través de una resistencia limitadora de corriente al
ánodo del led del optoacoplador cuyo cátodo está directamente conectado a tierra. Este led es el
encargado de proporcionar la luz a dos células fotorresitivas LDR.
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Figura 8: “Implementación esquemática del circuito de estabilización. Se asume que ambos
LDR tienen la misma resistencia.”
En el optoacoplador formado por el led y las dos fotorresistencias se puede asumir que los dos
valores de resistencia serán siempre iguales debido a que ambos están expuestos a la misma
fuente de luz. Del mismo modo se puede suponer que la temperatura de las dos celdas LDR es
similar.
Por lo tanto, la acción del amplificador operacional sobre el led será la de imponer una
resistencia del LDR igual a la resistencia de referencia establecida con el multiplexor para
conseguir que el voltaje en el terminal no inversor sea igual a los 2,5v del terminal inversor.
Cuando la resistencia de referencia sea igual a la resistencia del LDR, entonces y solo entonces, la
tensión aplicada a ambos terminales, serán iguales. Además, ante cualquier variación, la acción
del amplificador operacional será para corregir el desvío en la resistencia. Así pues, se consigue
tener una resistencia en la salida del optoacoplador igual a la resistencia de referencia
seleccionada con el multiplexor. Esto hace posible variar de forma digital el control habitualmente
realizado mediante un simple potenciómetro sin introducir semiconductores en el circuito del
amplificador.
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En referencia a la figura 7, una pareja de optoacopladores resistivos, son usados para
implementar un potenciómetro completo. A pesar de tener cada uno su propio amplificador
diferencial para estabilizar la resistencia del LDR, ambos siguen la referencia del mismo array de
resistencias. Con esto se consigue simular un potenciómetro discreto controlado digitalmente
que, para implementarlo sobre el circuito, necesita 16 resistencias además de dos multiplexores.
Actualmente existen circuitos integrados como el AD52445 (potenciómetro digital) que cumplen
el mismo cometido en un solo encapsulado mucho más pequeño y sencillo de manejar.
En el mercado existen varios fabricantes de optoacopladores (Vactrol, Silonex, …) pero es
complicado encontrar, a día de hoy, optoacopladores con dos fotorresistencias en un único
encapsulado. Es por ello que se tuvo que fabricar manualmente dichos optoacopladores para su
implementación práctica en el circuito. Para su construcción se utilizaron led´s blancos de alto
brillo y dos fotorresistencias, todo ello envuelto en cinta aislante negra.
Figura 9: “Optoacoplador de fabricación casera utilizado en el circuito”
Nótese que, en el esquema original, la suma de resistencia total del array de resistencias
conectado a los multiplexores y utilizado como referencia es de aproximadamente 1Mohm. Este
es el mismo valor que la resistencia deseada en los terminales de salida del LDR. Así se consigue
en la entrada no inversora del amplificador operacional funcione con una tensión de 2,5v y el
circuito queda estabilizado.
A continuación, se muestra un esquema simplificado del funcionamiento del circuito donde se
sustituye el complejo circuito digital, formado por los multiplexores y resistencias, por un simple
potenciómetro.
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Figura 10: “Implementación del circuito con un potenciómetro simple como referencia. Esta fue
la forma definitiva en la que se implementó el circuito”
El circuito original utilizaba un complejo sistema formado por dos multiplexores analógicos y
16 resistencias para establecer la referencia del sistema. Este diseño data de 1993 y entonces no
existían potenciómetros integrados con una interface digital. El potenciómetro (9) utilizado es un
circuito integrado AD5245 de 100k. [3] Este dispositivo dispone de una interface de comunicación
I2C con una resolución de 8 bits y memoria volátil.
En este punto del desarrollo se encontró que la diferencia de resistencias del potenciómetro
digital (100k) y la resistencia deseada (1M) era demasiado alta, y es por esto que se hace
necesario una tensión en la entrada no inversora demasiado cercana a los 5v. Esto obliga a forzar
el trimmer a su extremo donde se pierde precisión.
Regulando con el trimmer el voltaje de la entrada inversora se consiguen valores de resistencia
en el LDR próximos al valor deseado, pero el ajuste no es preciso porque se está llevando al límite.
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Para solucionar este problema se añadieron las resistencias R15 y R16 que permiten
descompensar el divisor resistivo y permitiendo un ajuste más preciso.
Nótese que el valor máximo de resistencia a la salida puede ser regulado fácilmente ahora por
el trimmer que ajusta el voltaje de la entrada inversora cambiando la tensión de referencia de la
entrada no inversora. Así se puede obtener una resistencia de cualquier valor a la salida del
circuito (optoacopladores) que varíe entre su valor máximo y cero ohmnios. Esto permitió
obtener los diferentes valores (250K, 500K, 1M) utilizando el mismo circuito para todos ellos.
A continuación, se muestra un gráfico obtenido de forma experimental en el que se ve en azul
la resistencia de salida frente a los valores digitales 0-255.
Figura 11: “En este caso la resistencia de salida estaba ajustada para una resistencia máxima
de 500K. Como se puede ver, la respuesta es totalmente lineal”
Cabe destacar que la importancia de este diseño no radica en el uso de optoacopladores para
“aislar” el circuito digital del analógico; esto es sólo una ventaja añadida. Lo que realmente se
consigue es un dispositivo puramente resistivo y estable (sin el uso de transistores) que puede ser
controlado por un microcontrolador.
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
0 50 100 150 200 250 300
Re
sist
en
cia
Salid
a
Varlor digital
Opto 1
down resistor
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Así se consigue evitar la distorsión de cruce al sustituir los potenciómetros originales del
amplificador por este pequeño circuito.
4.2. Diseño del circuito y PCB del circuito digital
El diseño original del amplificador que se va a construir consta de dos PCBs. Una pequeña que
contiene los componentes de la fuente de alimentación, y otra más grande donde se encuentran
los componentes del circuito preamplificador de alta ganancia y la etapa de potencia. Por otro
lado, encontramos los potenciómetros manuales situados en el panel frontal del amplificador y
cableados directamente a la tarjeta principal.
Figura 12: “Fotografía de amplificador original donde puede verse la disposición de todos los
componentes”
En el diseño del presente proyecto fueron eliminados todos los potenciómetros manuales y
sustituidos por los potenciómetros digitales diseñados en el apartado anterior. El nuevo circuito
consta de varios componentes y sería imposible cablearlos directamente sobre la pcb principal.
Por esto se diseñó una nueva pcb para montar siete circuitos idénticos (uno por cada
potenciómetro que se quería sustituir), dos relés, un microcontrolador “Arduino micro” y un
módulo bluetooth HC-05 que funcionaría con rol de maestro en la comunicación.
Un Arduino nano será el encargado de recibir los datos a través del módulo bluetooth y
comunicación UART. Este mismo microcontrolador controlará dos relés a través de sus salidas
digitales. La comunicación con los 8 potenciómetros digitales AD5245 se realiza a través del bus
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I2C utilizando las líneas SDA y SCL con sus resistencias pull-up. Para poder conectar 8
componentes iguales al mismo bus I2C es necesario utilizar un pin de “enable” en cada uno de los
AD5245 para seleccionar qué chip se desea leer o escribir dado que todos disponen del mismo
“nombre” para la comunicación. Para esto se utilizaron los pines 5-13 como salidas digitales,
activando sólo una de ellas antes de escribir el dato en el bus I2C.
Figura 13: “Esquema del microcontrolador Arduino donde se pueden ver los pines que
controlan cada potenciómetro digital AD5245”
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Figura 14: “Para sustituir los switches manuales que incorpora el amplificador se colocaron dos
relés en la nueva pcb.”
Figura 15: “Se copió este circuito para sustituir a cada uno de los potenciómetros
manuales originales del amplificador.”
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Figura 16: “El Arduino junto a los relés y los circuitos diseñados para sustituir los
potenciómetros se montaron en una PCB de dos capas.”
Se utilizó el software “Eagle Cad Soft” para diseñar una pcb de forma y tamaño idénticos a la
tarjeta principal para poder colocarlas mecánicamente una sobre la otra. De esta forma se
conseguía un diseño más limpio. Se colocaron también, en esta nueva pcb, los condensadores y
resistencias del circuito de tonos original.
Los voltajes +12v y +5v necesarios para alimentar la nueva pcb son provistos por uno de los
bobinados secundaros del transformador de potencia. La tensión se rectifica y se filtra para
alimentar los diferentes circuitos integrados y los optoacopladores.
Figura 17: “Diseño del Layout para el pcb de control digital”
La PCB consta de dos capas (Top & Bottom). Los componentes del circuito digital están
ubicados en la mitad superior mientras que los componentes “originales” del amplificador para el
circuito de tonos, relés, … se encuentran en la mitad inferior de la tarjeta. Debido a la complejidad
de la tarjeta se optó por enviar los archivos gerber para fabricarla en una empresa profesional. En
el anexo 1 se pueden encontrar tanto el circuito esquemático como el Layout a escala real de este
circuito.
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En este primer prototipo se cometieron varios fallos.
- Los planos de tierra del circuito digital y analógico no están separados. Afortunadamente
se pudo cortar fácilmente la continuidad entre estos dos planos para evitar posibles
ruidos de alta frecuencia.
- Faltan las resistencias pull up del bus I2C. Estas se montaron directamente sobre los pines
del Arduino.
- El conector del módulo bluetooth para la comunicación UART no tiene invertidos los pines
Rx y Tx, por lo que se tuvo que hacer un cable entre la PCB y el módulo bluetooth para
poder conectarlo apropiadamente.
- Las fuentes de alimentación +12v y +5v tienen un filtrado muy escaso, esto introducía
mucho ruido en el amplificador especialmente en el canal de alta ganancia. Se cambió la
fuente de alimentación para intentar paliar este problema.
A continuación, se muestran algunas fotos de la tarjeta durante el proceso de montaje.
Figura 18 “PCB del circuito digital montada en el amplificador durante las pruebas iniciales.”
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Figura 19: “Foto en detalle de la PCB de control digital donde se puede ver el footprint de los
optoacopladores y los relés todavía sin montar.”
Figura 20: ”Foto en detalle donde se puede ver el Arduino Nano encargado de controlar el
sistema digital del amplificador.”
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4.3. Construcción del amplificador
4.3.1. Fuente de alimentación
Como ya se dijo al principio, no es propósito de este proyecto el diseño del amplificador por lo
que, como punto de partida, se utilizó el esquema de un amplificador “Soldano SLO” que ya se
había construido anteriormente y estaba completamente probado. Este esquema puede verse en
el “Anexo 2” al final del proyecto.
Si bien el proceso de construcción es relativamente sencillo, algunos componentes son difíciles
de conseguir o son demasiado caros. Además, se ha de tener especial cuidado en el cableado del
mismo porque, al ser un circuito de alta ganancia, es extremadamente sensible al ruido.
Como puede verse en la figura 8, el amplificador dispone de una fuente de alimentación lineal
clásica que utiliza un transformador de tensión con una etapa de rectificación y filtrado para
alimentar con tensión continua a las válvulas (498v) a los filamentos calefactores de las válvulas
(6,3v) una tensión de bias negativa para polarizar los pentodos de la etapa de potencia (50v) y la
alimentación de los optoacopladores utilizados para el cambio de canal (6,3v). A todo esto, se
añadieron dos bobinados secundarios independientes de 5v y 12v para alimentar la nueva pcb
digital.
Figura21: “Fuente de alimentación del amplificador”
30
Si bien las fuentes conmutadas son mucho más pequeñas y tienen un mayor rendimiento
ocupando menos espacio, no se utilizan en estos equipos porque introducen demasiado ruido
provocado por las conmutaciones de alta frecuencia.
4.3.2. Etapa de salida
Por otro lado, encontramos en la etapa de potencia un transformador de impedancias para
adaptar la salida de las válvulas 6L6 GC que monta el circuito. El mismo amplificador se puede
construir con una etapa de 50W o de 100W; en este caso se optó por la versión de 50W. Según el
esquema, se necesitaría un transformador de 4,4Kohm de impedancia en el bobinado primario y
tres bobinados secundarios de 4,8 y 16 ohmnios que permitirán conectar diferentes altavoces de
impedancias estándar al amplificador.
Figura 22: “Etapa de potencia de 50W del amplificador”
Encontrar transformadores con estas especificaciones era muy complicado. Se pueden
encargar transformadores a medida, pero son más bien caros y se descartó esta alternativa.
La solución adoptada fue reciclar los núcleos de viejos transformadores (125v/220v) y
rebobinarlos a mano con las especificaciones requeridas. Los cálculos para el dimensionado del
31
núcleo y los bobinados se hicieron siguiendo las notas publicadas por un usuario en el foro
“Guitarramanía”. [5]
4.3.3. Transformador de tensión de alimentación
Figura 23: “Esquema transformador de potencia”
Este transformador se construye de forma ordenada comenzando por el bobinado primario,
que se conectará a una red monofásica de 230V/50Hz. En segundo lugar, se arrollan los
bobinados secundarios que transforman la tensión de la red a los voltajes requeridos por el
circuito. La construcción, si bien es relativamente sencilla, requiere ser cuidadoso y ordenado al
arrollar el hilo de cobre esmaltado para no tener problemas de espacio en el carrete sobre el que
se bobina todo. Es muy importante también un buen aislamiento entre bobinados capaz de
aguantar una relativa alta temperatura; se utilizó para ello papel parafinado.
En el esquema encontramos las características del transformador que tendrá un bobinado
primario de 230V/1A, un secundario simétrico de 360V/220mA con un tap central de 0V y otro de
50 para la tensión de BIAS, un secundario de 6,3V/6A para alimentar los filamentos, otro de
6,3V/2A para alimentar los optoacopladores del cambio de canal y por último se añade también
un secundario de 5v y 9v/4A que alimentará la PCB del circuito digital.
32
A continuación, se muestran los cálculos obtenidos y un esquema del mismo.
Potencia total = 215W Sección del núcleo: 19.61cm2
P1 = 506 506 Ø = 0.7mm 220v
S1 = 1660 714+116+830 Ø = 0.3mm 360/50/0/360v
S2 = 14 14 Ø = 1.63mm 6.3v
S3 = 14 14 Ø = 0.9mm 6.3v
S4 = 21 12+9 Ø = 1.3mm 0/5/9v
Donde P y S son el número de vueltas del primario y secundarios respectivamente y Ø es el
diámetro del hilo necesario en función de la corriente de salida.
4.3.4. Transformador de salida:
El transformador de salida es algo más complicado de construir. A pesar de que consta sólo de
un bobinado primario y tres secundarios, este transformador se monta en una etapa de potencia
clase A/B en configuración Push-Pull donde, cada una de las válvulas 6L6 GC, amplifica el semiciclo
positivo y negativo de la señal de forma independiente. Esto hace necesario dividir el primario del
transformador en, al menos, dos bobinados idénticos con un tap central que se conectará a la
fuente de alimentación como muestra el esquema. Además, los tres bobinados secundarios se
arrollan intercalados con el bobinado primario para conseguir una mejor respuesta del
transformador. Estos bobinados tienen que soportar una mayor corriente y por lo tanto necesitan
un diámetro mayor. Para reducir la inductancia parásita, los bobinados secundarios se hicieron
con dos hilos en paralelo en vez de usar un hilo de mayor sección.
33
Figura 24: “Esquema transformador de salida”
Todo esto da como resultado un bobinado primario dividido en 4 bobinados y 3 secundarios
conectados en serie y bobinados de forma alterna con el primario. A continuación, se muestran
los cálculos obtenidos y un esquema aclarativo de cómo es construido.
Sección del núcleo: 12.8cm2
N1 = 2080 4 x 520 Ø = 0.25mm 4.4K
N2 = 60 K = 34.64 Ø = 1.3mm 4Ω
N3 = 25 K = 24.5 Ø = 1.1mm 8Ω
N4 = 36 K = 17.3 Ø = 0.9mm 16Ω
Dónde Nx es el número de vueltas, K es la relación de transformación y Ø es el diámetro del
hilo necesario en función de la corriente de salida.
Nótese que la conexión de los 4 bobinados del primario se hace de tal forma que la resistencia
total entre el tap central y los extremos (In y Out) es aproximadamente la misma. Cuando se
empieza a bobinar, el carrete está todavía vacío y la longitud de hilo necesario por cada vuelta es
algo más corta que la longitud necesaria por cada vuelta cuando se está acabando de bobinar. Si
se conectaran las bobinas siguiendo el orden natural, la resistencia de ambas mitades sería
distinta y la salida estaría descompensada.
34
La resistencia medida en cada uno de los bobinados primarios da como resultado:
(19Ω + 26.2Ω) ≈ (21.6Ω + 24Ω)
Para la fabricación de los transformadores se utilizó una bobinadora casera construida con un
viejo destornillador eléctrico y una calculadora conectada a un sensor para contar el número de
vueltas. Esta sencilla herramienta facilitó notablemente el trabajo.
Durante la construcción es necesario bobinar el hilo de forma ordenada para no tener
problemas de espacio. Asegurar bien el aislamiento entre bobinados es importante también, se
utiliza papel parafinado (papel de horno) resistente a la temperatura, cinta de carrocero y barniz.
Figura 25: “Proceso de bobinado manual de uno de los transformadores.”
35
Figura 26: “transformador terminado de bobinar.”
4.3.5. Chasis
El chasis encargado de dar soporte a los transformadores, válvulas y PCB’s se diseñó a medida
en Autocad para cortar por láser en acero inoxidable de 1,5mm y plegarlo posteriormente. La
ubicación de los componentes se hizo siguiendo los planos del amplificador original. Nótese que
los transformadores de potencia y de salida están separados y girados 90º uno respecto del otro
para evitar ruidos por inducción en la medida de lo posible.
36
Figura 27: “Diseño CAD del chasis”
El chasis metálico con todos los componentes se aloja a su vez en un cajón de madera cubierto
con tolex y con esquinas metálicas que lo protegen de los golpes. En la parte superior se ubica un
asa para facilitar el transporte y en la parte baja se encuentran las cuatro patas de goma. Así pues,
queda terminado todo lo que sería el trabajo mecánico del amplificador.
4.3.6. Placa del amplificador
En cuanto a la electrónica, las dos PCB’s originales del amplificador están diseñadas a una sola
cara y con pistas relativamente gruesas por lo que no es complicada su fabricación mediante
métodos caseros. Aunque el diseño de estas dos tarjetas se puede descargar directamente de la
red, para la pcb de la fuente de alimentación se tuvo que rediseñar para adaptar los footprints de
algunos condensadores al tamaño adecuado.
En un primer momento se construyeron las placas siguiendo el diseño original, pero, con idea
de facilitar el trabajo a la hora de hacer modificaciones durante el desarrollo del proyecto, se
fabricaron dos nuevas placas “en espejo” dejando la cara de cobre en la parte superior. De esta
manera se hacía mucho más sencillo cambiar las resistencias y condensadores por otros de
diferentes valores sin necesidad de desmontar las placas del chasis.
37
Figura 28: “Montaje de las PCB’s del amplificador.”
El cableado se hizo siguiendo fotos del amplificador original tratando de mantenerlo lo más
limpio posible y evitar así posibles ruidos. Es importante en estos circuitos ser particularmente
cuidadoso y cablear las masas en estrella conectando todas en un mismo punto.
Figura 29: “Montaje final del amplificador construido.”
38
4.3.7. Modificaciones del diseño original del amplificador
La configuración refiere al número y a la disposición de las válvulas. Los términos comunes
para describir configuraciones de válvulas de salida son “single-ended”, “Push-pull”, “paralelo”.
La “clase de operación” describe cómo las válvulas (en cualquier configuración) se polarizan para
operar. Encontramos clases de tipo A, B, A/B. Hay incluso una clase C que se ha utilizado para la
transmisión de radio en alta potencia, no para audio. [6]
A pesar de que se intentó ser lo más fiel posible al circuito original, finalmente se optó por
añadir una modificación al circuito de polarización (bias) para poder utilizar válvulas sin emparejar
en la etapa de potencia.
Esta etapa del amplificador está compuesta por una válvula ECC83, triodo doble funcionando
como inversora de fase para separar el semiciclo positivo y negativo de la señal de audio, y dos
válvulas 6L6CG conformando un amplificador clase AB en configuración Push-Pull. Para su
correcto funcionamiento, las válvulas de potencia en reposo deben tener una corriente continua
de polarización o bias (aproximadamente 30mA). Esta corriente se fija a partir de un circuito de la
fuente de alimentación que provee una tensión negativa de -50v a la válvula y que se puede
regular mediante un potenciómetro, o trimmer, manualmente para ajustar la corriente de forma
muy precisa.
Generalmente, este tipo de amplificadores necesita montar válvulas emparejadas. Esto es
porque un único circuito de bias regula todas las válvulas. Si bien no es difícil encontrar válvulas
emparejadas a la venta, estas son algo más caras.
Por esto se decidió modificar dicho circuito de Bias para dar un ajuste independiente a cada
válvula permitiendo un ajuste más preciso sin necesidad de utilizar válvulas emparejadas.
39
Figura 30: “Circuito modificado de BIAS”
En la figura 14 se ve la forma de implementar dicha modificación de manera sencilla. Se diseñó
una pequeña pcb (fig15) que alojaría los trimmer de ajuste fijados en el panel trasero del chasis
con las resistencias del divisor resistivo. Es necesario ajustar estas resistencias una vez montado el
amplificado para obtener un rango de voltaje entre -45v y -55v en el pin 5 de cada una de las
válvulas de potencia. De no hacerlo se podrían llegar a quemar las válvulas de potencia.
Figura 31: “Pcb diseñada con el circuito modificado para BIAS independiente”
40
4.4. Desarrollo del firmware del microcontrolador
Para el desarrollo del firmware en esta parte se utilizó el entorno de programación propio de
Arduino. El firmware de control del amplificador es bastante sencillo; una trama de datos es
recibida por el módulo bluetooth y este la transmite al Arduino por el puerto serie, el firmware se
encarga de decodificar estas tramas y enviar los comandos necesarios para controlar los dos relés
que controlan el cambio de canal. Por otro lado, también se utiliza la librería “wire” para la
comunicación I2C con los potenciómetros digitales.
El código típico de Arduino diferencia tres partes diferentes:
• Declaración de variables globales, definiciones y funciones.
• Void setup: donde se definen los puertos de entrada y salida.
• Void loop: donde se escribe el programa principal.
Los potenciómetros digitales utilizados tienen una memoria interna volátil, esto significa que
se pierden los datos después de un reset. Lo primero que hace el microcontrolador es escribir
todos los potenciómetros a cero al iniciar el sistema. A continuación, se lee continuamente el
puerto UART, cuando un nuevo comando es recibido se utiliza una función switch para interpretar
qué variable se desea modificar (volumen, bass, Middle, …), después se escribe el potenciómetro
digital correspondiente a través del bus I2C o bien se cambia el estado del pin de salida si lo que se
quiere hacer es conmutar los relés.
Figura 32: “Diagrama de bloques del funcionamiento del firmware”
41
Para simplificar el código se han utilizado tres funciones:
• void escribeOptoAcoplador(int val) Esta función transmite el dato “val” a través del
puerto I2C. Cada potenciómetro digital tiene un pin para activarlo en estado lógico alto
por lo que previamente se tiene que haber puesto en estado lógico alto el
correspondiente pin de Arduino que active el potenciómetro al que se desea enviar el
dato.
• void leeme(int total,int avail) Esta función guarda los datos recibidos por UART en un
array de 20 posiciones utilizado como buffer de entrada que luego se leerá desde el
código principal para interpretar la información recibida.
• int leeNumero(char *lee) Esta función convierte los números de tipo ASCII a un valor
de tipo “int” que será el que se envíe a través del bus I2C
42
4.5. Pruebas y mejoras
Una vez finalizado el montaje completo del amplificador se procedió a realizar la puesta en
marcha del mismo.
En un primer momento se tuvieron bastantes problemas con la etapa de potencia. Las
resistencias del nuevo circuito de bias estaban mal dimensionadas, dando una tensión de -20v en
el pin 5 de las válvulas de potencia, esta tensión no era lo suficientemente negativa lo que
provocaba que una corriente excesiva circulara por las válvulas en reposo llegando a calentarlas
demasiado.
Por otro lado, el transformador de salida se quemó durante las pruebas iniciales. Al
desmontarlo se observó que, el aislamiento entre los bobinados no había quedado bien cubierto.
Al alimentar el transformador con 498v de tensión, el esmalte de poliuretano que cubre el hilo de
cobre no resistió al campo eléctrico y saltó un arco que quemó el bobinado primario y lo dejó en
cortocircuito.
Se volvió a rebobinar el transformador entero, siendo esta vez más meticuloso con el
aislamiento entre bobinados. Así mismo, se recalcularon las resistencias del circuito de bias para
ajustar la tensión de polarización a unos valores normales.
Una vez solucionados estos problemas, se puso en marcha el amplificador y se testeó que todo
el control inalámbrico funcionara correctamente. Como ya se comentó en el diseño del PCB del
control digital, los planos de masa no se diseñaron para separar el circuito digital del analógico. El
mal diseño de esta PCB da como resultado que se introduzca ruido audible de alta frecuencia a la
salida del amplificador durante la transmisión de los datos.
Para solucionar este problema se desoldaron todos los componentes conectados a la masa del
circuito digital para aislarla y conectarla en puntos distintos. De esa forma desapareció el ruido
audible de alta frecuencia. En un futuro diseño esto se tendrá en cuenta desde un principio.
Además, se detectó una oscilación de alta frecuencia (200KHz) cuando el volumen se lleva a
cero. Esta oscilación desaparece tan pronto como el volumen se incrementa un poco. Todavía no
se ha dado con el origen de esta.
Para las pruebas se utilizó un smartphone que enviaba los comandos a través del módulo
bluetooth mediante los cuales se controlaban los sonidos y el volumen del amplificador.
43
5. PARTE 2: Diseño y construcción del footswitch
Una vez construido el amplificador se hacía necesario un dispositivo a medida que permitiera
al usuario controlar todos los parámetros a voluntad. Así pues, se contempló la posibilidad de
diseñar un footswitch que dispusiera todos los controles necesarios y que sustituyera a los
potenciómetros originales del amplificador, así como unos pulsadores de pie que permitieran al
músico realizar cambios en los sonidos sin necesidad de utilizar las manos.
De esta manera, no sólo se conseguiría controlar el amplificador de forma remota, sino que,
además, se podrían programar y almacenar diferentes configuraciones dando la posibilidad al
músico de cambiar entre diferentes sonidos previamente almacenados.
5.1. Diseño del circuito esquemático
En el anexo 3 se puede encontrar el circuito esquemático completo utilizado en el diseño de
este dispositivo.
Siete encoders incrementales son leídos por un microcontrolador, cada uno rodeado por un
anillo de 16 leds que serviría a modo de indicador luminoso. Los switch que conmutan el canal
limpio, Crunch, Overdrive y Brillo, se sustituyen por tres pulsadores manuales cada uno con un led
indicador. A todo esto, se añadieron seis pulsadores de pie con sus correspondientes indicadores
led.
En la figura 32 se muestra la disposición de los diferentes elementos.
Figura 33: “Diseño en CAD del Footswitch controlador”
44
Se utilizaron 4 microcontroladores pic16f88, cada uno leería dos encoders y controlaría sus
correspondientes anillos luminosos. Por otro lado, un microcontrolador “maestro” pic16f1939, de
40 pines, sería encargado de recibir y transmitir datos a los demás microcontroladores mediante
comunicación I2C, detectar si alguno de los pulsadores es accionado, prender o apagar los leds de
los pulsadores y transmitir la información mediante una comunicación serial a través de un
módulo bluetooth.
Figura 34: “Driver leds”
Para el control de los leds, se utilizó un circuito integrado TLC5925 (IC1). Este chip tiene varios
drivers internos y es capaz de controlar 16 leds ajustando su intensidad mediante una resistencia
externa R1 y R2. El control se hace mediante una comunicación serial de tipo síncrono (SDI & SCL)
que almacena los últimos 16 bits recibidos en un registro de desplazamiento. Estos activan o
desactivan las salidas del chip cuando el latch LE se pone en estado lógico alto. De esta forma se
consigue optimizar los pines del microcontrolador al mismo tiempo que se tiene un mayor control
de la luminosidad de los leds.
Cada TLC5925 trabaja como “sumidero” de corriente. Los ánodos de los 16 leds se conectan
3.3v proporcionados por un regulador de tensión TC1262-3.3VDB capaz de suministrar 500mA.
45
Figura 35: “Regulador 3,3v”
Figura 36: “conexión de encoder mecánico y señal de salida”
Por otro lado, se utilizaron encoders incrementales EC11 de tipo mecánico (no optoacoplados).
Estos dispositivos incorporan dos switchs desfasados entre sí que generan dos señales cuadradas
desfasadas 180º mediante las cuales se puede determinar el sentido del giro.
Figura 37: “Señal típica de un encoder incremental.”
Al funcionar con contactos mecánicos, este dispositivo es susceptible de introducir ruido por
rebotes al microcontrolador, dando como resultado posibles lecturas erróneas. Para evitar este
46
problema, se diseñó un circuito de acondicionamiento formado por un filtro de paso bajo RC de
primer orden y dos Schmitt-trigger. Así se consiguió obtener dos señales cuadradas perfectas
libres de ruido.
En la figura 37 se puede ver el circuito completo utilizado para acondicionar las señales de
salida del encoder y el switch incorporado. Dos resistencias pull-up (R7 y R8) junto con los switch
del encoder determinan el estado lógico de salida. Dos filtros de paso bajo formados por las
resistencias (R9 y R10) junto con los condensadores (C9 y C10) eliminan el ruido producido por los
rebotes, pero introducen un retraso en la rampa de subida y de bajada de la señal. Por último, dos
trigger Schmitt corrigen el retraso del filtro dando como resultado una señal cuadrada con flancos
de subida y de bajada más rápidos.
Figura 38: “conexión y acondicionamiento de un encoder”
Todos los pulsadores están provistos de un filtro de paso bajo que elimina el ruido producido
por los rebotes mecánicos.
47
Figura 39: “conexión de cuatro pulsadores de botón con acondicionamiento”
Conectado al puerto de comunicación UART del pic16f1939, se puede encontrar un módulo
bluetooth HC-05. Este módulo comercial, funciona como esclavo y establece una comunicación
serial “transparente” entre el emisor y el receptor.
Es habitual encontrar este dispositivo montado sobre una pcb provista de su propio circuito
acondicionador y un conector molex que facilita su conexión en placas ariston de prototipado.
Con el objetivo de reducir el tamaño final del dispositivo que se estaba diseñando, se decidió
implementar el circuito de acondicionamiento del bluetooth (regulador de tensión, resistencias,
switchs, …) directamente sobre la pcb principal, evitando de esta forma usar conectores
innecesarios.
48
Figura 40: “módulo bluetooth”
Figura 41: “memoria EEPROM”
Para el almacenamiento permanente de las diferentes configuraciones (volumen, tono, canal,
…) se utilizó una memoria EEPROM 24c256. Este dispositivo provee una memoria no volátil capaz
de almacenar 256 bytes en cuatro bancos diferentes. La comunicación con el microcontrolador se
hace mediante el estándar serial síncrono I2C.
En la memoria se tendrían que poder almacenar 16 efectos diferentes cada uno de los cuales
tendría la información de todos los parámetros controlables del amplificador. Esto es 8 bytes por
49
cada efecto daban como resultado 128 bytes de espacio necesario. Dejando el resto de memoria
libre para almacenar otro tipo de información.
Por último, para proveer de energía suficiente a todo el circuito, se implementó un convertidor
dc/dc de tipo Buck capaz de dar 3,5A de corriente manteniendo una tensión estable y constante
de 5 voltios independiente mente de la tensión de entrada.
El diseño de la fuente de alimentación está basado en el integrado LT3680 de Linear
Technology, este pequeño chip incorpora los switchs de potencia y lazos de control. Esto
simplifica enormemente el diseño del circuito siendo necesario únicamente una bobina (L1) y un
condensador (C68) de filtrado a la salida. La tensión de salida es ajustada proveyendo un voltaje
de feedback mediante el divisor resistivo formado por R98 y R99
Figura 42: “fuente de alimentación regulada”
Una vez terminado el proyecto se vio que hubiera sido más sencillo utilizar un único
microcontrolador que controlara todos los encoders utilizando la interrupción por cambio de
estado. Esto ahorraría tiempo, espacio y simplificaría la escritura del firmware.
Por otro lado, en un principio se calculó una corriente de entre 2 y 3 amperios necesaria para
alimentar todo el circuito debido al consumo de todos los leds. Por este motivo se descartó la
50
opción de utilizar un regulador típico como pudiera ser un 7805 que alimentara los circuitos
integrados. En lugar de eso se implementó una fuente conmutada regulada de 5 voltios de salía y
25 vatios.
Esto también se considera un fallo porque cada uno de los drivers tiene su propio regulador de
3,3 voltios ligeramente sobredimensionado que podría haber tomado la tensión de 9 o 12v
directamente. Por lo que el consumo de corriente de la tensión de 5v quedaría muy reducido al
alimentar únicamente los circuitos integrados dando como resultado una tensión de alimentación
más estable.
Figura 43: “Vista cara Top de la pcb del footswitch con los componentes”
Figura 44: “Vista cara Bottom de la pcb del footswitch con los componentes”
51
5.2. Diseño mecánico del dispositivo
Como producto final se buscaba un diseño minimalista, de tamaño compacto, tan fino como
fuera posible y fácil de transportar, pero al mismo tiempo dejando los pulsadores de pie lo
suficiente mente separados como para no tener problemas al accionarlos. Todo esto siguiendo el
diseño típico de otros footswitch comerciales.
El chasis se diseñó para ser cortado por láser y plegado en chapa de 1mm de espesor. Dos
tapas laterales de plástico serían impresas en 3D y una pegatina (faceplate) con toda la serigrafia
le daría el acabado final.
La altura total quedó determinada por los pulsadores de pie, que desafortunadamente tienen
un tamaño exageradamente grande. Dando como resultado el diseño final.
Figura 45: “Diseño en CAD del dispositivo Footswitch”
Los anillos luminosos están formados por 16 leds SMD con footprint 1206 y, en el centro del
anillo, se ubica el encoder incremental.
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5.3. Diseño del PCB
A diferencia de la PCB del amplificador, en la que se utilizaron principalmente componentes
“through hole”, en el diseño de la nueva PCB se utilizaron componentes de montaje superficial.
Estos componentes son de tamaño mucho más reducido y más complicados de soldar, pero dan
un acabado mucho más profesional y limpio. El software utilizado para este diseño fue “Altium
Designer”.
Esta segunda PCB, se mandó a fabricar a partir de los gerber lo que permitió hacer un diseño
de cuatro capas dónde las dos capas internas serían planos de alimentación (+5v) y tierra (Gnd).
Las pistas de cobre se podían trazar con una anchura mucho menor permitiendo ajustar el diseño
a las medidas propuestas en el diseño mecánico.
A partir del esquema, y utilizando como modelo los planos de Autocad con el diseño mecánico,
se emplazaron los encoders con sus correspondientes anillos de leds, los switch y los conectores
que servirían para conectar los pulsadores de pie mediante un cable lo más corto posible.
Una vez planteados los componentes que tenían una posición específica dentro del diseño se
procedió a ubicar el resto de componentes tales como resistencias, condensadores y los
diferentes circuitos integrados.
Figura 46: “Diseño del Layout del Footswitch”
53
Dado que el circuito no trabaja con altas frecuencias, no se tendrían problemas de crosstalk,
jitter, … Por lo que no se tuvo ninguna consideración en el enrutado de la pcb más que hacerla lo
más simple y limpia posible. Evitando, en la medida de lo posible, el uso de micro vías.
El diseño del pcb se podría haber hecho de un tamaño mucho más reducido, pero, dada la
necesidad de separar los pulsadores de pie entre sí, finalmente se obtuvo un tamaño
exageradamente grande en el que la mayor parte quedó vacío.
El montaje de los diferentes componentes fue bastante sencillo, utilizando flux como ayuda
para la soldadura, un estañador y unas pinzas de precisión.
El circuito integrado LT3680 que incorporaba la fuente de alimentación tiene un pad térmico
en la parte inferior para ayudar a disipar el calor generado en las conmutaciones. Dado el
reducido tamaño de este dispositivo se hizo necesario el uso de un soldador de aire caliente para
asegurar una correcta colocación del componente.
5.4. Construcción
Partiendo de un diseño muy pensado, la construcción del footswitch fue bastante sencilla.
Todos los componentes se soldaron a mano y se comprobó uno por uno su correcto
funcionamiento.
Por otro lado, se cortó por láser un prototipo de chasis en policarbonato. El chasis definitivo
estaba pensado para cortar en acero de 1mm y ser plegado posteriormente pero no se pudo
hacer por falta de tiempo; por lo que el dispositivo que se muestra es solo un prototipo
provisional.
5.5. Programación de los microcontroladores
Una vez montado y comprobado que todos los componentes del circuito funcionaban
correctamente, solo restaba programar los 5 microcontroladores que harían funcionar el circuito.
Como 4 de los microcontroladores que incluye el diseño son exactamente iguales, el firmware
para estos sería el mismo, cambiando únicamente la dirección de esclavo para la comunicación
I2C, mientras que, para el microcontrolador principal, se programaría un código diferente.
El entorno de programación elegido para esta tarea fue MPLABX de la marca microchip junto
con el programador PICKIT3 y el código se escribió en lenguaje C.
54
5.5.1. PIC16f88
Este pic dispone de un oscilador interno de 8MHz que se aprovechó para evitar utilizar un
cristal externo dado que no se requería demasiada precisión en el reloj.
Como en la comunicación I2C, sólo uno de los dispositivos puede funcionar como maestro, se
utilizó un pin auxiliar a modo de flag. De esta manera, cuando el pic16f88 quisiera enviar datos
por el bus I2C, solo tendría que poner el flag en estado lógico alto y esperar a ser leído por el
microcontrolador maestro.
En el bucle principal se lee continuamente el estado de los pines conectados a los encoders. Si
uno de los encoders es accionado el pic automáticamente cambia el display de leds actualizándolo
al nuevo valor dado por el encoder. Acto seguido pone el estado lógico alto el flag para avisar al
maestro que un nuevo dato está listo para ser leído.
La comunicación I2C del dispositivo esclavo se controla desde la interrupción. Así pues, tan
pronto como el maestro genera la condición de inicio de comunicación en el bus, el programa
salta a la interrupción y se ejecutan las subrutinas.
Este pic está programado para recibir datos y cambiar el estado de los displays. Esto es
necesario cuando se lee un nuevo efecto desde la memoria EEPROM y se desea mostrar los
nuevos valores de cada variable (volumen, tonos, …).
Por último, si uno de los switch incorporados en los encoders es pulsado durante más de 1s, se
envía una orden al microcontrolador principal para indicar que el valor actual ha de ser
almacenado en la memoria EEPROM. Para controlar el tiempo que se mantiene pulsado dicho
switch se utiliza el TMR0.
55
5.5.2. PIC16F1939
Este microcontrolador es el encargado de leer todos los pulsadores de botón y los pulsadores
de pie, así como de leer y escribir la memoria EEPROM y transmitir los datos al amplificador
mediante comunicación UART a través del módulo bluetooth HC-05.
El cuerpo del programa principal se divide en tres modos de operación diferentes.
Modo Bloqueado:
En este modo espera a conectarse con el amplificador antes de empezar a enviar cualquier
dato. Tan pronto como la comunicación bluetooth es establecida, se manda una instrucción desde
el amplificador para cambiar al modo de operación normal.
Modo Master:
Este modo permite al usuario almacenar datos directamente en la memoria EEPROM a través
del puerto serie, cambiar el nombre del dispositivo y hacer un reset total que limpia los bancos de
la memoria EEPROM.
Modo Normal:
En este modo de operación el pic16f1913 realiza todas las tareas de lectura de los switchs y
comunicación con los diferentes dispositivos periféricos.
Figura 47: “Diagrama de bloques “main loop” para el Firmware del PIC16F1939 en modo
normal de funcionamiento”
56
*Comms_Task();
Esta rutina controla el proceso de comunicaciones de entrada UART. Para la comunicación
serial se utiliza array de 100 posiciones a modo de buffer circular controlado por un puntero para
los valores de entrada y un puntero para los valores de salida.
Un signo de exclamación “!” avisa del inicio de un nuevo comando. Los comandos recibidos se
almacenan en un array auxiliar hasta que se pusa la tecla “enter”.
Una vez recibido un comando del tipo: ! _ _ … _ \n\r(enter). Se accede a una subrutina que
interpreta el comando y actúa en consecuencia. De esta manera se pueden conmutar entre los
diferentes modos de operación. Si se introduce la contraseña y se entra en el modo maestro se
pueden almacenar diferentes efectos preconfigurados mediante comunicación serial de forma
sencilla.
Las comunicaciones de salida no tienen una función específica. Utilizando la instrucción
“printf” se da formato a los valores de salida para ser enviados dependiendo de qué pulsador se
ha accionado.
*I2C_Task();
Esta función es la encargada de las comunicaciones de entrada del bus I2C. El pic 16f1939
es el maestro en la comunicación y, por lo tanto, el que decide cuando quiere leer los pic esclavos.
Comprueba continuamente cuando uno de los pines utilizados como “flag” se pone en estado
lógico alto. El pic maestro entonces inicia la subrutina de lectura y actualiza los datos de la
variable leída. A diferencia de los pic esclavos, esta subrutina no es controlada en la función de
interrupción.
*Bank_Select();
El footswitch tiene la capacidad de guardar cuatro efectos diferentes en 4 bancos
distintos. Esto da un total de 16 efectos diferentes. Esta subrutina lee los pulsadores Up y Down
que son los encargados de cambiar de banco. Cuando uno de los pulsadores es accionado se
cambia la variable y se cambia el display para indicar en qué banco se encuentra.
*Bright_Select();
Esta subrutina es encargada de leer el estado del pulsador de control de brillo. Este
control actúa como flip flop cambiando el estado entre encendido y apagado. Se envían los datos
por UART después de cada cambio de estado, se enciendo o apaga el led y si el pulsador se
57
mantiene más de 1 segundo pulsado, se almacena el estado actual en la correspondiente posición
de la memoria EEPROM. Para detectar el tiempo de pulsación se utiliza el TMR0.
*Chanel_Select();
El amplificador original dispone de dos canales: Canal limpio y Overdrive o saturado. El
canal limpio a su vez se puede saturar dando una distorsión más ligera llamada Crunch. Estos tres
modos de operación eran controlados por dos switch manuales ubicados en el frontal del
amplificador o mediante un footswitch conectado con un cable.
En la presente subrutina se leen los tres pulsadores ubicados a la izquierda del dispositivo
(Clean, Crunch, Overdrive). Estos pulsadores son los correspondientes a los tres modos de
operación. Cuando uno de ellos es pulsado se enciende el led indicador y se envía la información
por bluetooth que provoca el encendido o a pagado de dos relés encargados de sustituir los
switch originales.
Igual que en la función de brillo, si se mantiene pulsado un pulsador más de 1 segundo, el
canal seleccionado se almacena en la posición de memoria correspondiente. De esta manera se
pueden configurar los diferentes efectos.
*Patch_Select();
Cada uno de los bancos tiene cuatro posiciones diferentes (A, B, C y D). Estos son
seleccionados con los cuatro pulsadores de pie situados en la parte inferior del dispositivo. Estos
pulsadores permiten seleccionar entre los cuatro efectos del banco.
Cuando uno de estos pulsadores es accionado se lee la memoria EEPROM para extraer todos
los parámetros almacenados correspondientes al efecto correspondiente a esa posición de banco
y efecto. Una vez extraída esa información se envía por bluetooth para cambiar el sonido del
amplificador y se mandan los nuevos valores por I2C para actualizar los displays indicadores de los
encoders. De esta forma, sin necesidad de mover los encoders, un nuevo efecto ha sido cambiado
y el amplificador ha cambiado su sonido, volumen, …
Si se cambia algún encoder y alguno de los parámetros es modificado (pero NO se mantiene
pulsado el encoder más de 1 segundo) al volver al mismo efecto se recupera el sonido original sin
las modificaciones. Sin embargo, si se cambian uno o varios parámetros de un efecto, y el
pulsador de selección de efecto se mantiene pulsado más de 1 segundo. Todos los nuevos
parámetros son almacenados en la memoria EEPROM y el efecto queda de esa manera
actualizado.
58
Nótese que cuando se conmuta entre los diferentes efectos, los anillos luminosos encienden
todos los leds hasta el punto en el que se encuentra el encoder. Si el encoder se cambia, todos los
leds se apagan y solo uno se mantiene encendido para indicar la posición del encoder. De esta
manera se puede saber si ese parámetro ha sido modificado o no. Al guardar en la memoria
EEPROM los displays vuelven a encender todos los leds para indicar que el efecto es el guardado
en la memoria.
5.5.3. Configuración de los módulos bluetooth.
En la comunicación entre el amplificador y el footswitch se han utilizado dos módulos
bluetooth HC-05. Estos módulos tienen un alcance aproximado de unos 10m y pueden trabajar
tanto como esclavos como maestros.
Para establecer una comunicación entre ellos es necesario configurar uno como Esclavo y otro
como Maestro. Esto hace que cualquier dispositivo se pueda conectar al módulo HC-05 que
trabaja como esclavo, pero el maestro únicamente se conectará al módulo cuya dirección tenga
almacenada en memoria. Por lo que estará buscando constantemente dicho dispositivo y se
conectará a él tan pronto como lo encuentre disponible.
Una vez enlazados entre sí los dos bluetooth se establece una comunicación serial
“transparente” entre los dos microcontroladores a los que están conectados. Por lo que se puede
trabajar con ellos como si estuvieran conectados mediante un cable.
La configuración inicial de estos módulos se realiza enviando una serie de comandos AT. Con
estos comandos se puede cambiar el nombre del módulo, contraseñas, modo de funcionamiento,
etc. Para realizar esta configuración se conectó el módulo a un Arduino Mega y enviando
directamente los comandos a través del monitor serial.
A continuación, se enumeran algunos de los comandos AT que se utilizaron [7].
AT+ROLE Permite establecer su rol como maestro o como esclavo.
AT+CMODE Permite configurar el módulo para que se conecte al
dispositivo más cercano sin importar la dirección
AT+PSWD Permite cambiar el password de conexión.
AT+NAME Permite cambiar el nombre del dispositivo.
59
5.6. Conclusiones y líneas futuras
La programación de este dispositivo fue bastante laboriosa. Si bien, en el diseño electrónico se
buscaba la máxima simplicidad para facilitar el trabajo de programación. El hecho de utilizar 5 pic
diferentes comunicados mediante I2C dio bastantes problemas en la etapa de desarrollo. Eso se
hizo así porque la lectura de los encoders no se hacía mediante una interrupción por cambio de
estado, sino que se hacía leyendo continuamente los pines, eso mantenía el micro ocupado
constantemente sin poder realizar más tareas.
En un posible segundo diseño se implementaría todo en un único microcontrolador con más
pines que tuviera varios pines de entrada capaces de interrumpir por cambio de estado para
controlar el movimiento de los encoders. Esto facilitará notablemente la programación y el diseño
del pcb.
Por otro lado, se considera fallo de diseño la fuente de alimentación utilizada. En un principio
se dimensionó la fuente para ser capaz de abastecer a la totalidad de los leds, que sumando todas
las corrientes daban un total de cerca de 2 amperios, a partir de la tensión de 5 voltios, que a su
vez alimenta al microcontrolador. Más tarde se añadió un regulador de 3,3v a cada anillo de leds y
al módulo bluetooth pero no se utilizó ningún regulador de 5 voltios para la memoria EEPROM y
lo que es más importante, para los microcontroladores. Esto hace que la tensión de 5 voltios
pueda desestabilizarse en un momento dado por el consumo de todos los leds provocando un mal
funcionamiento de los microcontroladores.
En nuevos diseños se contempla la posibilidad de alimentar directamente con 9 voltios de
corriente continua el circuito y añadir un regulador dc/dc de 5 voltios que controle la tensión
solamente de los microcontroladores para hacerla, de esa manera, más estable y evitar posibles
malfuncionamientos.
En cuanto a las líneas de desarrollo. Queda para un futuro la posibilidad de implementar una
comunicación MIDI que permita controlar el amplificador directamente desde el DAW (software
informático). También se contempla la posibilidad de utilizar un faceplate fabricado con una
pegatina prefabricada que incorpore los switch de cambio de canal y brillo, lo que haría un diseño
más limpio y atractivo.
60
6. Resumen final
Finalmente se consiguió hacer funcionar el conjunto completo Amplificador + Footswitch de
forma exitosa.
• Se consiguió estabilizar la resistencia de un LDR en valores altos de resistencia.
• Se diseñó una PCB de dos capas con componentes con tecnología de agujero pasante.
En esta fase del proyecto se aprendió a encargar PCB’s profesionales en empresas
reales enviando los archivos en formato gerber.
• Se rebobinaron los transformadores de potencia y de salida reutilizando viejos
transformadores recogidos de la chatarra.
• Se montaron todos los componentes en el amplificador y se cablearon todas las PCB’s
entre sí siendo especialmente cuidadoso al conectar las masas del circuito.
• Se consiguió controlar todos los parámetros del amplificador enviando comandos
desde un smartphone a través del bluetooth.
• Se diseñó un controlador dotado de varios indicadores luminosos, pulsadores y
encoders incrementales además de una memoria EEPROM y un módulo bluetooth.
• Se implementó este circuito sobre una PCB de cuatro capas trabajando en este caso
con tecnología SMD.
• Se programaron los 5 microcontroladores del Footswitch utilizando diferentes
sistemas de comunicación (I2C, SPI, UART).
• Finalmente te conectó el footswitch con el amplificador y se comprobó que los
controles del Footswitch funcionaran correctamente modificando los parámetros del
amplificador y se realizaron diferentes pruebas de sonido.
Este ha sido, con diferencia, el proyecto más ambicioso al que el autor se ha enfrentado hasta
la fecha en solitario. Se ha tardado aproximadamente 3 años y medio en completarlo desde que
se empezó a estudiar los sistemas alternativos a los potenciómetros clásicos de control con la idea
de construir un amplificador programable. Sin duda ha sido un reto constante y se ha aprendido
mucho en cada una de las etapas del proyecto, tanto teoría electrónica, diseño de PCB’s y técnicas
de fabricación como en programación de microcontroladores y diferentes comunicaciones. En el
propio proyecto se puede ver la evolución en el aprendizaje desde la primera PCB de dos capas
con componentes through hole y Arduino hasta la segunda PCB de 4 capas con tecnología SMD
con un esquema mucho más elaborado y microcontroladores PIC.
61
Por otra parte, ha sido un proyecto muy completo dado que se han tenido en cuenta varios
aspectos vistos a lo largo de la carrera en diferentes asignaturas:
• Diseño de electrónica básica con amplificadores operacionales.
• Diseño de máquinas eléctricas para los transformadores.
• Diseño mecánico para el chasis.
• Diseño digital para los encoders, registros de desplazamiento, …
• Diseño de PCB’s para las dos nuevas tarjetas necesarias para el proyecto.
• Programación de microcontroladores.
Figura 48: “Construcción final del amplificador montado en su cajón de madera”
Figura 49: “Construcción del prototipo para el footswitch”
62
7. Bibliografía
[1] https://goo.gl/Y5k9tC [2] https://goo.gl/uQDhy4 [3] Analog Devices, “256-Position I2C- Compatible Digital Potenciometer”
AD5245 Datasheet [4] A.Van Riezenm, “Programable controls for vacuum tube preamplifier”,
US 5 208 548, 4-may-1993 [5] https://goo.gl/UtJvMa [6] R. Smith, D. Gaetano, “Clase A, Expuesta y Explicada”.
[7] HC Serial Bluetooth Products, “User Instructional Manual”
63
8. ANEXOS
8.1. Esquema digital & PCB
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GN
D
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22nF - 630v
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147K1N4004
1N4004
1N4004
7812
7805
8.2. Esquema del amplificador
8.3. Esquema del footswitch
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
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Number RevisionSize
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D2.10Led
OUT0 5OUT1 6OUT2 7OUT3 8OUT4 9OUT5 10OUT6 11OUT7 12OUT8 13OUT9 14OUT10 15OUT11 16OUT12 17OUT13 18OUT14 19OUT15 20VDD24
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R9
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R5
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SCL
SW_ENC_1ENC_1_B
ENC_1_A
ENC_2_A
ENC_1_BSW_ENC_1
SW_AD
SW_BE
IN_A A
COMMON C
IN_B B
ENCODERSW2
1 6
IC4A3 4
IC4B
100nF
C12C_100nF
100nF
C13C_100nF
470
R18
470
R17
4.7K
R16
4.7K
R15
4.7KR14
470
R13
GND
GND
100nF
C11C_100nF
VDD
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OUT0 5OUT1 6OUT2 7OUT3 8OUT4 9OUT5 10OUT6 11OUT7 12OUT8 13OUT9 14OUT10 15OUT11 16OUT12 17OUT13 18OUT14 19OUT15 20VDD24
GND1
SDI2
SDO22
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OE21
LE4
R-EXT23
IC1
Led_Driver
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2 2
3 3
4 4
5 5
MCLR1
VDD
GND
PGD1
PGC1
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D1.6
D1.7
D1.4
D1.3
D1.2
D1.1
D1.8
D1.9
D1.10
D1.11
D1.12
D1.13
D1.14
D1.15
D1.16
D1.16
D1.1
D1.[1..16]
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D2.1
D2.[1..16]
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D2.16
D2.15
D2.14
D2.1
D2.2
D2.3
D2.4
D2.5
D2.6
D2.7
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D2.9
D2.10
D2.11
D2.12
D2.13
OUT 3IN1
GN
D2
REG1
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GND
100nF
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GN
D2
REG2
V_reg 3.3v
GND
100nF
C4C_100nF
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1K
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1K
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0
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COD201
PID20201PID20202
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PIU1020
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PIU106
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PIR501
PIR601PISW10E
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PIJ201
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PIR702 PIR802
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NLD200100160
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NLD200100160
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PIIC2018NLD2014
NLD200100160
PID201502
PIIC2019NLD2015
NLD200100160
PID201602
PIIC2020NLD2016
NLD200100160
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
Title
Number RevisionSize
A3
Date: 17/10/2017 Sheet ofFile: C:\Asus WebStorage\..\Sheet2.SchDoc Drawn By:
D4.10Led
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GND
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GND
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GND
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3 3
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5 5
MCLR2
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D3.16
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D4.[1..16]
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D4.16
D4.15
D4.14
D4.1
D4.2
D4.3
D4.4
D4.5
D4.6
D4.7
D4.8
D4.9
D4.10
D4.11
D4.12
D4.13
OUT 3IN1
GN
D2
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GND
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1K
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0
J4
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VSS5
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PIC16F88
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PIIC501
PIIC502
PIIC503
PIIC504
PIIC505
PIIC506
PIIC507
PIIC508
PIIC509
PIIC5010
PIIC5011
PIIC5012
PIIC5013
PIIC5014
PIIC5015
PIIC5016
PIIC5017
PIIC5018
PIIC5019
PIIC5020
PIIC5021
PIIC5022
PIIC5023
PIIC5024
COIC5
PIIC601
PIIC602
PIIC603
PIIC604
PIIC605
PIIC606
PIIC607
PIIC608
PIIC609
PIIC6010
PIIC6011
PIIC6012
PIIC6013
PIIC6014
PIIC6015
PIIC6016
PIIC6017
PIIC6018
PIIC6019
PIIC6020
PIIC6021
PIIC6022
PIIC6023
PIIC6024
COIC6
PIIC701 PIIC706
COIC7A
PIIC703 PIIC704
COIC7B
PIIC801 PIIC806
COIC8A
PIIC803 PIIC804
COIC8B
PIJ301PIJ302
COJ3PIJ401PIJ402
COJ4
PIR2101
PIR2102COR21
PIR2201
PIR2202COR22
PIR2301
PIR2302COR23
PIR2401
PIR2402COR24
PIR2501PIR2502
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PIR2702COR27
PIR2801
PIR2802COR28
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PIR3001PIR3002
COR30
PIR3101PIR3102COR31
PIR3201PIR3202
COR32
PIR3301PIR3302
COR33 PIR3401
PIR3402COR34 PIR3501
PIR3502COR35
PIR3601
PIR3602COR36
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PIR3801PIR3802
COR38
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PIR4001PIR4002
COR40
PIREG301
PIREG302
PIREG303
COREG3
PIREG401
PIREG402
PIREG403
COREG4
PISW30A
PISW30B
PISW30C
PISW30D
PISW30E
COSW3
PISW40A
PISW40B
PISW40C
PISW40D
PISW40E
COSW4
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PIU202
PIU203
PIU204
PIU205
PIU206
PIU207
PIU208
PIU209
PIU2010
PIU2011
PIU2012
PIU2013
PIU2014
PIU2015
PIU2016
PIU2017
PIU2018
PIU2019
PIU2020
COU2
PIIC503 PIIC603
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PIR3201
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PIR3101
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PIR4001
PIU203NLENC040A
PIR3901
PIU209NLENC040B
PIU207NLFLAG02
PIC1501 PIC1701
PIC1801
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PIC2101
PIC2201 PIC2301
PIC2401
PIC2501 PIC2601
PICON203
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PIIC601
PIIC6021
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PIR2101 PIR2201 PIR2301 PIR2401
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PISW30D
PISW40C
PISW40D
PIU205
PIU206
NLGND
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PIU202NLLE06
PICON201
PIU204
NLMCLR2
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PIR3501
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PIR3301
PIR3401PISW40E
PIR2801
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PIR2701
PIR3002PISW30A
PIR2501
PIR2601PISW30E
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PIIC804 PIR4002
PIIC706 PIR3102
PIIC704 PIR3202
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PIR2302 PIR2402
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PIIC5023
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PIC2602
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PIC2502PIIC803PIR3801
PIC2302
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PIC2202PIIC703PIR3001
PICON205
PIU2013
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PICON204
PIU2014
NLPGD2
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PIC2102PIR2502
PIU2018
NLSW0ENC03
PIC2402PIR3302
PIU2010NLSW0ENC04
PIC1502
PID30101
PID30201
PID30301
PID30401
PID30501
PID30601
PID30701
PID30801
PID30901
PID301001
PID301101
PID301201
PID301301
PID301401
PID301501
PID301601
PIJ301
PIREG303
PIC1702
PID40101
PID40201
PID40301
PID40401
PID40501
PID40601
PID40701
PID40801
PID40901
PID401001
PID401101
PID401201
PID401301
PID401401
PID401501
PID401601
PIJ401
PIREG403
PIC1802
PIC1902 PIC2002
PICON202
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PIR2602
PIR2702 PIR2802PIR3402
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PIU2015
PIU2016
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PID30102
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NLD300100160
PID30202
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NLD300100160
PID30302
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NLD300100160
PID30402
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NLD300100160
PID30502
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NLD300100160
PID30602
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NLD300100160
PID30702
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NLD300100160
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NLD300100160
PID30902
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NLD300100160
PID301002
PIIC5014NLD3010
NLD300100160
PID301102
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NLD300100160
PID301202
PIIC5016NLD3012
NLD300100160
PID301302
PIIC5017NLD3013
NLD300100160
PID301402
PIIC5018NLD3014
NLD300100160
PID301502
PIIC5019NLD3015
NLD300100160
PID301602
PIIC5020NLD3016
NLD300100160
PID40102
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NLD400100160
PID40202
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NLD400100160
PID40302
PIIC607NLD403
NLD400100160
PID40402
PIIC608NLD404
NLD400100160
PID40502
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NLD400100160
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PIIC6010NLD406
NLD400100160
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NLD400100160
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NLD400100160
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NLD400100160
PID401002
PIIC6014NLD4010
NLD400100160
PID401102
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NLD400100160
PID401202
PIIC6016NLD4012
NLD400100160
PID401302
PIIC6017NLD4013
NLD400100160
PID401402
PIIC6018NLD4014
NLD400100160
PID401502
PIIC6019NLD4015
NLD400100160
PID401602
PIIC6020NLD4016
NLD400100160
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
Title
Number RevisionSize
A3
Date: 17/10/2017 Sheet ofFile: C:\Asus WebStorage\..\Sheet3.SchDoc Drawn By:
D6.10Led
OUT0 5OUT1 6OUT2 7OUT3 8OUT4 9OUT5 10OUT6 11OUT7 12OUT8 13OUT9 14OUT10 15OUT11 16OUT12 17OUT13 18OUT14 19OUT15 20VDD24
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SDO22
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LE4
R-EXT23
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D6.16Led
22K
R44
0
R43
GND
GND
V_LED6
VDD
VDD
GND
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IN_B B
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1 6
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100nF
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100nF
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100nF
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100nF
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470
R50
470
R49
4.7K
R48
4.7K
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4.7KR46
470
R45
GND
GND
100nF
C34C_100nF
VDD
SDA
SCL
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SW_BE
IN_A A
COMMON C
IN_B B
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1 6
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IC12B
100nF
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100nF
C39C_100nF
470
R58
470
R57
4.7K
R56
4.7K
R55
4.7KR54
470
R53
GND
GND
100nF
C37C_100nF
VDD
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GND1
SDI2
SDO22
CLK3
OE21
LE4
R-EXT23
IC9
Led_Driver
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D5.15Led
D5.16Led
22K
R42
0
R41
GND
V_LED5
VDD
GND
100nF
C32C_100nF
SDI_U3
CLK_U3
LE_9
1 1 CON3AProgram conector
2 2
3 3
4 4
5 5
MCLR3
VDD
GND
PGD3
PGC3
D5.5
D5.6
D5.7
D5.4
D5.3
D5.2
D5.1
D5.8
D5.9
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D5.11
D5.12
D5.13
D5.14
D5.15
D5.16
D5.16
D5.1
D5.[1..16]
D5.2D5.3D5.4D5.5D5.6D5.7D5.8D5.9D5.10D5.11D5.12D5.13D5.14D5.15
D6.16
D6.1
D6.[1..16]
D6.2D6.3D6.4D6.5D6.6D6.7D6.8D6.9D6.10D6.11D6.12D6.13D6.14D6.15
D6.16
D6.15
D6.14
D6.1
D6.2
D6.3
D6.4
D6.5
D6.6
D6.7
D6.8
D6.9
D6.10
D6.11
D6.12
D6.13
OUT 3IN1
GN
D2
REG5
V_reg 3.3v
GND
100nF
C28C_100nF
VDD V_LED5
OUT 3IN1
GN
D2
REG6
V_reg 3.3v
GND
100nF
C30C_100nF
VDD V_LED6
1K
R51
1K
R52
1K
R59
1K
R60
0
J5
0
J6
VDD15
VDD16 RA0/AN0 19
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VSS5
VSS6
U3
PIC16F88
PIC2801
PIC2802COC28
PIC3001
PIC3002COC30
PIC3101
PIC3102COC31 PIC3201
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PIC3401
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PIC3501
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PIC3601
PIC3602COC36
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PIC3801
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PIC3901
PIC3902COC39
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PICON303COCON3C
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COD5015
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COD601
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COD604
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COD6014
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COD6016
PIIC901
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PIIC9024
COIC9
PIIC1001
PIIC1002
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PIIC1004
PIIC1005
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PIIC1007
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PIIC10021
PIIC10022
PIIC10023
PIIC10024
COIC10
PIIC1101 PIIC1106
COIC11APIIC1103 PIIC1104
COIC11B
PIIC1201 PIIC1206
COIC12APIIC1203 PIIC1204
COIC12B
PIJ501PIJ502COJ5
PIJ601PIJ602COJ6
PIR4101
PIR4102COR41
PIR4201
PIR4202COR42
PIR4301
PIR4302COR43
PIR4401
PIR4402COR44
PIR4501PIR4502COR45
PIR4601
PIR4602COR46 PIR4701
PIR4702COR47
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COR50
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COR51
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COR52
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PIR5401
PIR5402COR54 PIR5501
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PIR5601
PIR5602COR56
PIR5701PIR5702
COR57
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COR58
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COR59
PIR6001PIR6002
COR60
PIREG501
PIREG502
PIREG503
COREG5PIREG601
PIREG602
PIREG603
COREG6
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PISW50B
PISW50C
PISW50D
PISW50E
COSW5
PISW60A
PISW60B
PISW60C
PISW60D
PISW60E
COSW6
PIU301
PIU302
PIU303
PIU304
PIU305
PIU306
PIU307
PIU308
PIU309
PIU3010
PIU3011
PIU3012
PIU3013
PIU3014
PIU3015
PIU3016
PIU3017
PIU3018
PIU3019
PIU3020
COU3
PIIC903 PIIC1003
PIU301NLCLK0U3
PIR5201
PIU3012NLENC050A
PIR5101
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PIR6001
PIU303NLENC060A
PIR5901
PIU309NLENC060B
PIU307NLFLAG03
PIC2801 PIC3001
PIC3101
PIC3201 PIC3301
PIC3401
PIC3501 PIC3601
PIC3701
PIC3801 PIC3901
PICON303
PIIC901
PIIC9021
PIIC1001
PIIC10021
PIIC1102 PIIC1202
PIR4101 PIR4201 PIR4301 PIR4401
PIREG502 PIREG602
PISW50C
PISW50D
PISW60C
PISW60D
PIU305
PIU306
NLGND
PIIC904
PIU3019NLLE09
PIIC1004
PIU302NLLE010
PICON301
PIU304
NLMCLR3
PIR5601
PIR5702PISW60B
PIR5501
PIR5802PISW60A
PIR5301
PIR5401PISW60E
PIR4801
PIR4902PISW50B
PIR4701
PIR5002PISW50A
PIR4501
PIR4601PISW50E
PIIC1206 PIR5902
PIIC1204 PIR6002
PIIC1106 PIR5102
PIIC1104 PIR5202
PIIC10023
PIR4302 PIR4402
PIIC10022
PIIC9023
PIR4102 PIR4202
PIIC9022
PIC3902
PIIC1201PIR5701
PIC3802PIIC1203PIR5801
PIC3602
PIIC1101PIR4901
PIC3502PIIC1103PIR5001
PICON305
PIU3013
NLPGC3
PICON304
PIU3014
NLPGD3
PIU3011NLSCL
PIU308NLSDA
PIIC902 PIIC1002
PIU3020NLSDI0U3
PIC3402PIR4502
PIU3018
NLSW0ENC05
PIC3702PIR5302
PIU3010NLSW0ENC06
PIC2802
PID50101
PID50201
PID50301
PID50401
PID50501
PID50601
PID50701
PID50801
PID50901
PID501001
PID501101
PID501201
PID501301
PID501401
PID501501
PID501601
PIJ501
PIREG503
PIC3002
PID60101
PID60201
PID60301
PID60401
PID60501
PID60601
PID60701
PID60801
PID60901
PID601001
PID601101
PID601201
PID601301
PID601401
PID601501
PID601601
PIJ601
PIREG603
PIC3102
PIC3202 PIC3302
PICON302
PIIC9024 PIIC10024
PIIC1105 PIIC1205
PIJ502 PIJ602
PIR4602
PIR4702 PIR4802
PIR5402
PIR5502 PIR5602
PIREG501 PIREG601
PIU3015
PIU3016
NLVDD
PID50102
PIIC905NLD501
NLD500100160
PID50202
PIIC906NLD502
NLD500100160
PID50302
PIIC907NLD503
NLD500100160
PID50402
PIIC908NLD504
NLD500100160
PID50502
PIIC909NLD505
NLD500100160
PID50602
PIIC9010NLD506
NLD500100160
PID50702
PIIC9011NLD507
NLD500100160
PID50802
PIIC9012NLD508
NLD500100160
PID50902
PIIC9013NLD509
NLD500100160
PID501002
PIIC9014NLD5010
NLD500100160
PID501102
PIIC9015NLD5011
NLD500100160
PID501202
PIIC9016NLD5012
NLD500100160
PID501302
PIIC9017NLD5013
NLD500100160
PID501402
PIIC9018NLD5014
NLD500100160
PID501502
PIIC9019NLD5015
NLD500100160
PID501602
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NLD500100160
PID60102
PIIC1005NLD601
NLD600100160
PID60202
PIIC1006NLD602
NLD600100160
PID60302
PIIC1007NLD603
NLD600100160
PID60402
PIIC1008NLD604
NLD600100160
PID60502
PIIC1009NLD605
NLD600100160
PID60602
PIIC10010NLD606
NLD600100160
PID60702
PIIC10011NLD607
NLD600100160
PID60802
PIIC10012NLD608
NLD600100160
PID60902
PIIC10013NLD609
NLD600100160
PID601002
PIIC10014NLD6010
NLD600100160
PID601102
PIIC10015NLD6011
NLD600100160
PID601202
PIIC10016NLD6012
NLD600100160
PID601302
PIIC10017NLD6013
NLD600100160
PID601402
PIIC10018NLD6014
NLD600100160
PID601502
PIIC10019NLD6015
NLD600100160
PID601602
PIIC10020NLD6016
NLD600100160
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
Title
Number RevisionSize
A3
Date: 17/10/2017 Sheet ofFile: C:\Asus WebStorage\..\Sheet4.SchDoc Drawn By:
GND
VDD
SW_AD
SW_BE
IN_A A
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IN_B B
ENCODERSW7
1 6
IC14A3 4
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100nF
C42C_100nF
100nF
C45C_100nF
100nF
C46C_100nF
470
R68
470
R67
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R66
4.7K
R65
4.7KR64
470
R63
GND
GND
100nF
C44C_100nF
VDD
SDA
SCL
SW_ENC_7ENC_7_B
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FLAG_4
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GND1
SDI2
SDO22
CLK3
OE21
LE4
R-EXT23
IC13
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D7.3Led
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D7.14Led
D7.15Led
D7.16Led
22K
R62
0
R61
GND
V_LED7
VDD
GND
100nF
C43C_100nF
SDI_U4
CLK_U4
LE_13
1 1 CON4AProgram conector
2 2
3 3
4 4
5 5
MCLR4
VDD
GND
PGD4
PGC4
D7.5
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D7.7
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D7.1
D7.8
D7.9
D7.10
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D7.13
D7.14
D7.15
D7.16
D7.16
D7.1
D7.[1..16]
D7.2D7.3D7.4D7.5D7.6D7.7D7.8D7.9D7.10D7.11D7.12D7.13D7.14D7.15
OUT 3IN1
GN
D2
REG7
V_reg 3.3v
GND
100nF
C41C_100nF
VDD V_LED7
1K
R69
1K
R70
0
J7
ENC_7_A
VDD15
VDD16 RA0/AN0 19
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VSS5
VSS6
U4
PIC16F88
PIC4101
PIC4102COC41
PIC4201
PIC4202COC42 PIC4301
PIC4302
COC43
PIC4401
PIC4402COC44
PIC4501
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PIC4601
PIC4602COC46
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PICON402COCON4B
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PICON404COCON4D
PICON405COCON4E
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COD701
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COD702
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COD7011
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COD7012
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COD7014
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COD7016
PIIC1301
PIIC1302
PIIC1303
PIIC1304
PIIC1305
PIIC1306
PIIC1307
PIIC1308
PIIC1309
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PIIC13017
PIIC13018
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PIIC13021
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PIIC13024
COIC13
PIIC1401 PIIC1406
COIC14A
PIIC1403 PIIC1404
COIC14B
PIJ701PIJ702COJ7
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PIR6102COR61
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PIR6301PIR6302
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PIR6601
PIR6602COR66
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COR68
PIR6901PIR6902COR69
PIR7001PIR7002
COR70
PIREG701
PIREG702
PIREG703
COREG7
PISW70A
PISW70B
PISW70C
PISW70D
PISW70E
COSW7
PIU401
PIU402
PIU403
PIU404
PIU405
PIU406
PIU407
PIU408
PIU409
PIU4010
PIU4011
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PIU4018
PIU4019
PIU4020
COU4
PIIC1303
PIU401NLCLK0U4
PIR7001
PIU4012NLENC070A
PIR6901
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PIC4101
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PIC4401
PIC4501 PIC4601
PICON403
PIIC1301
PIIC13021
PIIC1402
PIR6101 PIR6201
PIREG702
PISW70C
PISW70D
PIU405
PIU406
NLGND
PIIC1304
PIU4019NLLE013
PICON401
PIU404
NLMCLR4
PIU4010
PIU409
PIU403
PIU402
PIR6601
PIR6702PISW70B
PIR6501
PIR6802PISW70A
PIR6301
PIR6401PISW70E
PIIC1406 PIR6902
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PIR6102 PIR6202
PIIC13022
PIC4602
PIIC1401PIR6701
PIC4502PIIC1403PIR6801
PICON405
PIU4013
NLPGC4
PICON404
PIU4014
NLPGD4
PIU4011NLSCL
PIU408NLSDA
PIIC1302
PIU4020NLSDI0U4
PIC4402PIR6302
PIU4018
NLSW0ENC07
PIC4102
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PID701601
PIJ701
PIREG703
PIC4202
PIC4302
PICON402
PIIC13024
PIIC1405
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PIR6402
PIR6502 PIR6602
PIREG701
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PIU4016
NLVDD
PID70102
PIIC1305NLD701
NLD700100160
PID70202
PIIC1306NLD702
NLD700100160
PID70302
PIIC1307NLD703
NLD700100160
PID70402
PIIC1308NLD704
NLD700100160
PID70502
PIIC1309NLD705
NLD700100160
PID70602
PIIC13010NLD706
NLD700100160
PID70702
PIIC13011NLD707
NLD700100160
PID70802
PIIC13012NLD708
NLD700100160
PID70902
PIIC13013NLD709
NLD700100160
PID701002
PIIC13014NLD7010
NLD700100160
PID701102
PIIC13015NLD7011
NLD700100160
PID701202
PIIC13016NLD7012
NLD700100160
PID701302
PIIC13017NLD7013
NLD700100160
PID701402
PIIC13018NLD7014
NLD700100160
PID701502
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NLD700100160
PID701602
PIIC13020NLD7016
NLD700100160
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
Title
Number RevisionSize
A3
Date: 17/10/2017 Sheet ofFile: C:\Asus WebStorage\..\Sheet5.SchDoc Drawn By:
GND
VDD
RC7/RX/DT/SEG8 1
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VSS6
VCC7
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VCC28
VSS29
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RD2/CPS1/P2B 40
RD3/CPS1/P2C/SEG16 41
RC4/SDI/SDA/T1G/SEG11 42
RC5/SDO/SEG10 43
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U5
PIC16F1939
1 1Program conector
2 2
3 3
4 4
5 5
MCLR5
VDD
GND
PGD5
PGC5
100nF
C47C_100nF
MCLR5
PGC5PGD5
4.7KR71
470
R72
GND
100nF
C48C_100nF
VDD
4.7KR73
470
R74
100nF
C49C_100nF
4.7KR75
470
R76
100nF
C50C_100nF
4.7KR77
470
R78
100nF
C51C_100nF
42 1
3
P1Switch
42 1
3
P2Switch
42 1
3
P3Switch
42 1
3
P4Switch
D1Led_3mm
P1 P2 P3 P4
P1P2P3
P4
Vin
4
BD
1
RUN/SS5
Vc9
RT10
PG7
SYNC6
GN
D11
FB 8
SW 3
BOOST 2
VREGDC-DC Step Down
GND
GND
+12V VDD
4.7uH
L1Inductor
GND
UART_TXD1
UART_RXD2
CTS3
RTS4
PCM_CLK5
PCM_OUT6
PCM_IN7
PCM_SYNC8
AIO09
AIO110
RESET11
3.3V12
GND13
NC
14
USB
_D-
15
CSB
16
MO
SI17
MIS
O18
CLK
19
USB
_D+
20
GN
D21
GND 22PIO0 23PIO1 24PIO2 25PIO3 26PIO4 27PIO5 28PIO6 29PIO7 30PIO8 31PIO9 32PIO10 33PIO11 34BLUETOOTH
HC-05
D2Led_3mm
D3Led_3mm
D4Led_3mm
D5Led_3mm
D6Led_3mm
D7Led_3mm
D8Led_3mm
D9Led_3mm
D10Led_3mm
D11Led_3mm
D12Led_3mm
FLAG_1FLAG_2FLAG_3FLAG_4
SCLSDA
P5
P6P7
P8P9P10
4.7KR79
470
R80
GND
100nF
C52C_100nF
VDD
4.7KR81
470
R82
100nF
C53C_100nF
4.7KR83
470
R84
100nF
C54C_100nF
4.7KR85
470
R86
100nF
C55C_100nF
P5 P6 P7 P8
4.7KR87
470
R88
100nF
C56C_100nF
4.7KR89
470
R90
100nF
C57C_100nF
P9 P10
TXRX
OUT0 5OUT1 6OUT2 7OUT3 8OUT4 9OUT5 10OUT6 11OUT7 12OUT8 13OUT9 14OUT10 15OUT11 16OUT12 17OUT13 18OUT14 19OUT15 20VDD24
GND1
SDI2
SDO22
CLK3
OE21
LE4
R-EXT23
IC15
Led_Driver
22K
R92
0
R91
GND
VDD
GND
100nF
C58C_100nF
SDI_U5
CLK_U5
LE_15
D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12
SDI_U5CLK_U5LE_15
VDDD[1..12]
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10
D11
D12
PULSADORES DE BOTON
PULSADORES DE PIE
12
P5Footswitch
12
P6Footswitch
12
P7Footswitch
12
P8Footswitch
12
P9Footswitch
12
P10Footswitch
OSC1
TXRX
2.2K
R93
2.2K
R94
VSS
4
PB13
PRE1
MODE/WC7
VC
C8
PB02
SCL 6
SDA 5
IC16EEPROM
GND
VDD
SDA
SCL
100nF
C59C_100nF
J8
J9
470R
R95
GND
D13Led_0603
GND
IN1
EN3 GN
D2
NR 4
OUT 5REG8 V_reg
GND
VDD
100nF
C60C_100nF
100nF
C61C_100nF
3.3V
15K
R96
680pF
C66C_680pF
470nF
C67C_470nF
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R99
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Boost
Sw
Fb
RT
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12
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KEY
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PAP902 PAP1002
PAR101 PAR201
PAR301 PAR401 PAR2101 PAR2201 PAR2301 PAR2401 PAR4101 PAR4201 PAR4301 PAR4401 PAR6101 PAR6201
PAR9101
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PASW20D
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PAU204
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PAU3013
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PAU4013
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PAU3014
PACON404
PAU4014
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PAC1902 PAC2002
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PAC5902
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PACON302
PACON402
PACON502
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PAD901
PAD1001
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PAVREG01