VV3 / Aleph P Ver. 1.7

Inhaltsverzeichnis

• Einleitung
• Selektierung der Halbleiter
• Betriebsspannungsversorgung der analogen Elektronik
• Vorverstärker
• Erste Inbetriebnahme der Audioelektronik
• Volume & Gain Einstellung
• Eingangswahlschalter
• Microcontroller Board
• I²C-Bus Relais Treiber Board
• Betriebsspannungsversorgung der Relais
• Beschreibung der Software
• Inbetriebnahme aller Komponenten
• Gehäuse
• Verdrahtung des Vorverstärkers
• Updates & Verbesserungen

Einleitung

23. Februar 2006

Kurz nachdem ich beschlossen hatte, mir eine Aleph JX Endstufe zu bauen (was ich nie umgesetzt habe), gelangte ich zu der Überzeugung, meine gesamte Verstärkerkette auf die Aleph Philosophie umzustellen. Parallel zur Endstufe habe ich deshalb auch damit begonnen, mir Gedanken über den Vorverstärker zu machen. Es ist übrigens mein dritter DIY Vorverstärker, daher der Name VV III (Vorverstärker 3). Ich weiß, das ist nicht sehr originell. Ich habe mich für den Aleph P in der Version 1.7 entschieden und dieses Projekt vorrangig bearbeitet, um den Vorverstärker als zentrales Element der Audiokette zuerst fertigzustellen.

Bis auf das Dual-Mono Konzept, von dem ich ein großer Verfechter bin, habe ich die Verstärkerelektronik inklusive des Netzteils aus dem Original übernommen. Beim DIY-Bau von Audiokomponenten ist man keinen kommerziellen Erwägungen unterworfen und kann seiner Fantasie und seinen Vorstellungen freien Lauf lassen. Die Steuerung basiert zum größten Teil auf meinen Ideen und insbesondere auf meiner Hard- und Software. Wenn man allerdings die Möglichkeiten ausschöpft, die einem die bestehende Hardware bietet, wird man schnell auf Parallelen in der Bedienung bei anderen Projekten stoßen. Die Verteilung der Gesamtelektronik auf so viele Platinen ist gewollt und hat den Vorteil, dass sich einzelne Teile (z. B. die Lautstärkeregelung über Relais) leicht ändern lassen, ohne dass der gesamte Vorverstärker neu designt werden muss.

Eine Fülle von Informationen zu den Audioschaltungen von Nelson Pass gibt es auf PassDIY.com und diyAudio.com.

Selektierung der Halbleiter

23. Februar 2006

Die MOSFETs müssen wegen der erforderlichen Gleichheit in den beiden Verstärkerzügen des Differenzverstärkers möglichst identische elektrische Eigenschaften aufweisen. Ich habe jeweils 50 Stück der Typen IRF610 und IRF9610 aus einer Charge von Conrad bezogen. Halbleiter aus einer Charge stammen gewöhnlich von einem Wafer und weisen deshalb sehr ähnliche physikalische Eigenschaften auf.

Als Vorlage für die Selektion habe ich den Artikel „How To: Matching Devices” von Nelson Pass verwendet. Die entsprechenden Messschaltungen können hier eingesehen werden.

Als Spannungsquelle diente eine 12V/7Ah-Batterie. Dadurch wurde sichergestellt, dass sich kein Regelsignal eines Netzteils auf der Gleichspannung befand. Die Spannung der Batterie wurde während der Messung kontinuierlich überwacht. Zur Messung der Gate-Source Spannung wurde ein hochgenaues Agilent 34401A Tischmultimeter mit maximaler Auflösung (6 Dezimalstellen – 100μV) verwendet.

Da die Temperatur einen sehr hohen Einfluss auf das Ergebnis hat, wurden die Transistoren so lange in der Messschaltung belassen, bis sich ein stabiler Zustand eingestellt hatte (bis zu fünf Minuten, bis die MOSFETs handwarm waren). Außerdem wurde der Transistor während der Messung abgedeckt, um eine Beeinflussung durch Zugluft möglichst auszuschließen. Transistoren, die eine Abweichung von maximal 1mV hatten, wurden als mögliche Kandidaten vorgemerkt und anschließend differenziell vermessen.

Bei dieser Messung wurde die Messschaltung zweimal aufgebaut, die beiden Transistoren wurden thermisch voneinander isoliert und anschließend wurde die Spannung zwischen den beiden Gates (IRF610) bzw. den beiden Sources (IRF9610) gemessen (siehe die entsprechenden Messschaltungen).

Die beiden Pärchen mit den geringsten Abweichungen beim IRF610 habe ich für die eigentlichen Verstärker vorgesehen. Die nächsten beiden in der Reihe wurden für die unteren Stromquellen (zur Masse hin) verwendet. Entsprechend wurden die beiden Pärchen mit den kleinsten differenziellen Abweichungen des IRF9610 in die oberen Stromquellen eingesetzt. Das Ergebnis dieser Selektion wird sich nach dem Aufbau der Vorverstärker anhand der Differenzspannungen zwischen den Ausgängen eines Kanals zeigen.

Betriebsspannungsversorgung der analogen Elektronik

25. Februar 2006

Die analoge Betriebsspannungsversorgung wurde dem Original entnommen. Im Gegensatz zum Aleph P wurde sie allerdings in einer Dual-Mono Version aufgebaut: Beide Kanäle verfügen über einen eigenen Trafo (Ringkern, 2 x 30V/50VA) und eine eigene Regelung. Dabei handelt es sich um eine Stabilisierung mit einem Sourcefolger (die entsprechenden Transistoren sind ja genügend vorhanden, siehe oben) und einer mit Zenerdioden erzeugten Referenzspannung. Streng genommen handelt es sich dabei nicht um eine Regelung, da eine Rückkopplung fehlt. Am Ausgang sitzt ein Elko, der mit dem Betriebsspannungseingang des eigentlichen Vorverstärkers eine CRC-Filterung bildet (1000μF – 3,3Ω – 2x 1000μF).

• Schaltplan des analogen Netzteils
• Bestückung des Boards

Zu sehen ist hier das fertig bestückte Board (in der Rev. 1) :

Die eigentliche Schaltung wurde in Revision 1 nicht verändert, lediglich die Anordnung einiger Bauteile wurde angepasst. Im Eingang wurde jedoch eine 4-fach Lüsterklemme mit zwei direkt verbundenen Anschlüssen zur Reihenschaltung der beiden Sekundärwicklungen des Ringkerntransformators (2 x 30V) hinzugefügt. Auch die Lüsterklemme am Ausgang wurde um einen Anschluss erweitert. Dieser dritte Anschluss liegt an Masse und dient dazu, eine Verbindung über zwei antiparallel geschaltete Dioden (Brückengleichrichter) zur Erde zu ermöglichen (siehe unten).

Vorverstärker

25. Februar 2006

Wie die Überschrift bereits vermuten lässt, handelt es sich bei dem eigentlichen Vorverstärker um einen Aleph P in der Version 1.7, das heißt, die Stromquellen sind mit aktiven Elementen (MOSFETs) ausgeführt (in der ersten Version sind an dieser Stelle noch Widerstände zu finden). Als aktive Elemente kommen die beiden komplementären Typen IRF610 und IRF9610 von International Rectifier zum Einsatz. Im Gegensatz zur Originalschaltung habe ich anstelle der Bipolartransistoren ZTX450/ZTX550 die in Europa besser erhältlichen Typen BC550C/BC560C eingesetzt. Der Verstärker besteht aus zwei identischen Zweigen, die jeweils für ein Signal des differenziellen Eingangssignals verantwortlich sind. Diese Signale werden am jeweiligen Gate eingekoppelt und am Drain wieder abgenommen. Somit dreht jede Verstärkerhälfte die Phase um 180°. Am Verstärkerzug des positiven Eingangs wird also das negative Ausgangssignal abgegriffen und umgekehrt.

Beide Verstärkerzüge sind über die Widerstände R51, R66, PGain und PG gekoppelt. Hier wird die innere Verstärkung der Schaltung eingestellt. An dieser Stelle greifen auch die beiden Gain-Regler des linken und rechten Kanals des originalen Designs ein. Auf dem hier vorgestellten Board kann an dieser Stelle ein Spindeltrimmer (PGain) eingebaut werden. Alternativ können auf einem externen Board auch gewünschte Widerstände vom Mikrocontroller geschaltet werden (in diesem Fall werden die schaltbaren Widerstände an J5a bzw. J5b angeschlossen). Im Endzustand ist diese Art der Bedienung vorgesehen. Das Potenziometer dient der Inbetriebnahme und für Tests auf dem Labortisch und wird beim endgültigen Einbau nicht mehr vorhanden sein.

Wie im Original sind am Eingang über einen 4-poligen DIP-Schalter Widerstände zu- oder abschaltbar. Damit lässt sich eine Dämpfung des Eingangssignals voreinstellen. So lässt sich die Gesamtverstärkung des Vorverstärkers an die individuellen Bedürfnisse des Benutzers anpassen.

Die AC-Koppelung des Verstärkers erfolgt mit MKP4 Kondensatoren von Wima mit 10μF/160V. Die insgesamt acht benötigten Kondensatoren nehmen den Großteil der Platine ein. Alle sechs MOSFETs sind auf einem L-förmigen Kühlkörper untergebracht. Dadurch wird ein thermisches Gleichgewicht aller Transistoren erzielt. Sollte es nötig werden, kann an dem Winkel auch leicht ein Kühlkörper montiert werden.

• Schaltplan des Aleph P Vorverstärkers
• Bestückung des Boards

Hier ist ein Kanal des Aleph P mit einem Spindeltrimmer zur Gain-Einstellung zu sehen. Das blaue Teil in der Mitte der Platine ist der Trimmer.

Erste Inbetriebnahme der Audioelektronik

23. Februar 2006

Nachdem die Audioverstärker und die Betriebsspannungsversorgungen fertiggestellt waren, konnte die Elektronik erstmals in Betrieb genommen werden. Zur Lautstärkeeinstellung habe ich ein gewöhnliches, logarithmisches 10kΩ Stereopotenziometer am Ausgang der Verstärker verwendet. Der Gain wird hier noch mit einem Spindeltrimmer auf der Platine auf einen festen Wert eingestellt. Da der angeschlossene Endverstärker einen Single-Ended-Eingang hat, konnte ich mit einem Potenziometer auskommen. Als Signalquelle habe ich einen CD-Spieler direkt an die Eingänge der Elektronik angeschlossen. Da es sich bei diesem Gerät ebenfalls um eine Single-Ended Elektronik handelt, habe ich die beiden Minus-Eingänge am Vorverstärker mit Masse verbunden.

Die Hörergebnisse sind mehr als ermutigend. Eine solche Klarheit und Detailzeichnung habe ich mit meiner bisherigen Audio-Kette noch nicht erzielt. Bisher war ich der Meinung, dass mein Röhrenvorverstärker nicht der schlechteste ist und die schwachbrüstigen Endstufen das begrenzende Element in der Kette sind. Der Aleph P hat mich jedoch eines Besseren belehrt.

!!! Kurz gesagt, ich bin total begeistert !!!

Auf dem nachfolgenden Bild ist der erste Aufbau des Prototyps als Brettschaltung zu sehen. Die Netzspannung wird über die Lüsterklemmen hinten rechts zugeführt. Links davon befinden sich die beiden Ringkerntransformatoren (2x 50VA), die leicht zu erkennen sind. Davor sind die beiden Netzteile angeordnet, deren Wechselspannungseingang sich hinten und Gleichspannungsausgang sich vorne befindet. Davor sind die beiden Aleph P Vorverstärkerplatinen zu sehen. Auf der senkrecht montierten Platine sind Cinch-Buchsen für die Ein- und Ausgänge angebracht. Auf der rechten Seite dieser Platine befindet sich das oben beschriebene Potenziometer. Die Verdrahtung der Audiosignale habe ich mit RG174 durchgeführt.

Volume & Gain Einstellung

25. Februar 2006

Bei der Einstellung des Volume habe ich mich grundsätzlich an das Design des Aleph P gehalten, allerdings habe ich zwei weitere Widerstandswerte hinzugefügt, wodurch sich die Bit-Zahl von 8 auf 10 erhöht. Damit erziele ich eine Dämpfung von ca. -60dB. Die eingesetzten 1% Metallschicht-Widerstände sind 62Ω, 124Ω, 249Ω, 499Ω, 1kΩ, 2kΩ, 4,02kΩ, 8,06kΩ, 16kΩ und 32,4kΩ. Von jedem Wert habe ich 100 Stück gekauft und jeweils vier mit dem oben erwähnten Agilent Multimeter auf unter 0,1% abgeglichen. Somit ist ein sehr hoher Gleichlauf zwischen den beiden Signalpfaden und auch zwischen den beiden Kanälen gewährleistet.

Die beiden größten Widerstände in den Spannungsteilern (16kΩ und 32,4kΩ) liegen bereits in der Größenordnung der Eingangswiderstände von Endstufen. Aus diesem Grund muss zur exakten Berechnung der Dämpfung der Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe mit in die Kalkulation einfließen (belasteter Spannungsteiler).

Zur Einstellung des Gain sind zusätzlich vier Widerstände auf dem Board schaltbar. Es werden Widerstände mit den Werten 249Ω, 499Ω, 1kΩ und 2kΩ eingesetzt. Kombinationen dieser Widerstände sind parallel schaltbar. Somit lassen sich 15 Gain Einstellungen wählen. Auch hier wurden die gleichen Widerstände der beiden Kanäle gegeneinander ausgemessen, um maximale Gleichheit zu erreichen.

In der Mitte der Platine werden die Schaltsignale der Relais über einen 26-poligen Pfostenstecker zugeführt. Obwohl sich diese Signale nur bei Verstellung des Volume oder Gain ändern, habe ich beim Layout auf eine Trennung zwischen den analogen Signalen und den Steuersignalen geachtet – deshalb die mittige Platzierung des Steckers. Auf dem Board befindet sich außerdem ein Anschluss für eine LED, die ich als Betriebsspannungsanzeige der analogen Verstärker benutze.

• Schaltplan von Spannungsteiler und Gain
• Relais Ansteuerung
• Bestückung des Boards

Als Freilaufdioden habe ich entgegen den Angaben in der Stückliste 1N4148 eingesetzt. Für die eingesetzten Relais sind sie ausreichend dimensioniert und bauen auch kleiner als die angegebenen 1N4001.

Eingangswahlschalter

25. Februar 2006

Die Eingänge werden mithilfe von Relais umgeschaltet. Es stehen fünf differenzielle Eingänge zur Verfügung. Zusätzlich kann ein Tape mit Hinterbandkontrolle angeschlossen werden. Eine Besonderheit ist ein Relais, das den negativen Kanal des gerade aktiven Eingangs mit Masse verbinden kann. Dadurch ist es möglich, ein Gerät mit Single-Ended Ausgang anzuschließen, ohne den negativen Signalpfad manuell kurzschließen zu müssen.

• Schaltplan des Eingangswahlschalters
• Bestückung des Boards

Für die eingesetzten Freilaufdioden gilt auch hier das oben Gesagte.

Microcontroller Board

25. Februar 2006

Die Steuerung des Vorverstärkers erfolgt über einen Mikrocontroller. Als Bedienelemente dienen zwei Drehwinkelgeber mit Taster. Zur Ausgabe der Informationen wird ein LC-Display mit zwei Zeilen à 20 Zeichen verwendet. Zusätzlich verfügt das Board über einen Eingang für eine IR-Fernbedienung.

Zentrales Element der Schaltung ist der Mikrocontroller AT89C51RC2 von Atmel. Ich habe ihn aufgrund seines internen Programmspeichers von 32kB und seines 1kB großen RAMs ausgewählt. Die Taktversorgung des Controllers wird mithilfe von C1, C2 und X1 erzeugt. R1, D1 und C3 bilden die Reset-Schaltung des Controllers. Mit dem I²C-Bus EEPROM 24LC64 steht ein nicht flüchtiger Speicher mit 8kB zur permanenten Sicherung von Parametern und Daten zur Verfügung. Der I²C-Bus wird am 10-poligen Pfostenstecker PF2 herausgeführt. Mit LK1 wird der IR-Detektor der TSOP17xx-Familie verbunden. Der 16-polige Pfostenstecker PF1 dient zum Anschluss des LC-Displays mit Hintergrundbeleuchtung. Der Kontrast dieses Displays lässt sich entweder über den 10-Gang Trimmer P1 oder über das digitale Potenziometer DS1867 einstellen (diese Bauteile werden wahlweise bestückt). Mithilfe von Q1 lässt sich die Hintergrundbeleuchtung abschalten.

Wie oben schon erwähnt, hat das Board zwei Drehwinkelgeber mit Taster als Bedienelemente. Der erste Drehwinkelgeber wird an LK5 angeschlossen und mithilfe der Bauteile R6 bis R11, C8 bis C10 und IC5A bis IC5C entprellt. Die so aufbereiteten Signale werden dann direkt an den Mikrocontroller weitergegeben. Der zweite Drehwinkelgeber hat eine identische Schaltung zur Entprellung der Tasten (R12 bis R17, C11 bis C13 und IC7A bis IC7C). Zusätzlich wird das aufbereitete Ausgangssignal A dieses Drehwinkelgebers mit den beiden monostabilen Multivibratoren (74HCT123 – IC8A, IC8B) weiterverarbeitet. Diese stellen zwei ca. 0,1 ms lange Signale bei Änderung des Signals A zur Verfügung (bei steigender oder fallender Flanke von A). Die beiden Ausgangssignale der Multivibratoren werden mithilfe eines XOR-Gatters (74HCT86, IC6D) zusammengeführt und mit IC5D (74HCT14) invertiert. Es steht ein Signal zur Verfügung, das im Ruhezustand einen High-Pegel hat und bei einer Änderung von A einen 0,1 ms langen Low-Impuls ausgibt. Dieser Drehwinkelgeber lässt sich somit durch einen Interrupt auswerten. Über LK7 und LK8 können zwei Taster angeschlossen werden, die wiederum durch R20 bis R23, C16 bis C17 und IC7E bis IC7F entprellt werden.

Mithilfe von Q2 und Q3 werden die beiden Relais REL1 und REL2 geschaltet. An den Klemmen LK2 und LK3 des Controllers stehen dadurch steuerbare Netzspannungen zur Verfügung. An J10 kann eine LED angeschlossen werden, die bei vorhandener Betriebsspannung leuchtet. LK1 dient zum Anschluss der Netzspannung (230 Vac). Die Bauteile F1, TR1, BR1, IC4 und C4 bis C7 bilden die Betriebsspannungsversorgung des Controllerboards.

• Schaltplan des Mikrocontrollers
• Schaltplan der Encoder
• Schaltplan der Betriebsspannungsversorgung
• Bestückungsplan des Boards

Das Bild zeigt das bestückte µC-Board mit einem Sockel für den Controller vom Typ Textool. Das digitale Potenziometer ist nicht bestückt, da die Kontrasteinstellung hier durch ein manuelles Potenziometer erfolgt.

I²C-Bus Relais Treiber Board

25. Februar 2006

Insgesamt sind 42 Relais zur Audioverarbeitung im Vorverstärker vorhanden. Um die Platinengröße auf die Größe einer Europakarte zu beschränken, habe ich die Treiber für die Relais auf eine separate Platine ausgelagert und die digitale Ansteuerung über den I²C-Bus vorgenommen.

Das Board wird über PF1 oder PF2 mit dem Mikrocontroller-Board verbunden. Die Betriebsspannungsversorgung der I²C-Bus Portbausteine PCF8574 (IC1, IC3, IC5, IC7, IC9 und IC11) wird ebenfalls vom µC-Board über PF1/PF2 bereitgestellt. Die Adressen der Portbausteine sind fest verdrahtet. Da diese Bausteine nicht in der Lage sind, größere Lasten zu schalten, sind die ULN2803A Darlington-Treiber Arrays (IC2, IC4, IC6, IC8, IC10, IC12) nachgeschaltet. Die Betriebsspannung der Relais wird über LK1 angeschlossen. Der Vorteil der Trennung der beiden Betriebsspannungen ist, dass eine freie Wahl der Spulenspannung der Relais möglich ist. Außerdem kann das Netzteil des μC-Boards wesentlich kleiner ausfallen.

Die Platinen für Volume/Gain und Input werden an den 40-poligen Pfostensteckern PF3 und PF4 angeschlossen. Die Aufteilung der Signale auf den Steckern ist so gewählt, dass das 40-polige Flachbandkabel aufgespleißt und an den Enden (beginnend bei 1) ein 26-poliger und ein 10-poliger Pfostenverbinder aufgekrimpt werden kann. Sinn dieser Vorgehensweise ist, dass die Elektroniken in getrennten Gehäusen untergebracht werden und die Verbindung der Relais-Treiber mit den eigentlichen Boards über 37-polige Sub-D-Steckverbinder vorgenommen wird.

• Schaltplan des I²C-Bus Relaistreibers
• Bestückung des Boards

Betriebsspannungsversorgung der Relais

25. Februar 2006

Die Betriebsspannungsversorgung der Relais erfolgt über den 3A Festspannungsregler LM323 (IC1). Selbst wenn alle 42 Relais gleichzeitig geschaltet wären (was nie vorkommen kann), würde die Leistung dieses Reglers ausreichen. Auch der eingesetzte 16VA Trafo und der 8A Brückengleichrichter sind mehr als ausreichend dimensioniert. Auf dieser Platine befinden sich außerdem Sicherungen (F2 und F3) für die Primärspannungen der Ringkerntransformatoren der Audiobetriebsspannungsversorgungen (Eingang LK2, Ausgänge LK3 und LK4). Es ist ebenfalls möglich, eine LED anzuschließen.

• Schaltplan der Betriebsspannungsversorgung
• Bestückung des Boards

Beschreibung der Software

25. Februar 2006

In der Beschreibung des Mikrocontrollers wurde die Bedienung des Vorverstärkers bereits am Rande erwähnt. Dem Benutzer stehen zwei Drehwinkelgeber mit Taster zur Verfügung, um Eingaben vorzunehmen. Als Ausgabegerät dient ein LC-Display mit zwei Zeilen und 20 Spalten.

Nach dem Einschalten des Vorverstärkers wird für eine gewisse Zeit ein Begrüßungsbildschirm angezeigt. Während dieser Zeit ist keine Bedienung möglich. Die eingestellte Zeit (bei mir 60s) wird benötigt, damit sich die analoge Betriebsspannung auf den Endwert stabilisieren kann. Erst nach Ablauf dieser Zeit wird der zuletzt aktivierte Eingang wieder zugeschaltet. Anschließend werden die Einstellungen für Volume und Gain vorgenommen (siehe unten) – bis zu diesem Zeitpunkt war der Ausgang deaktiviert. Zuletzt erscheint das Hauptbild und signalisiert die Betriebsbereitschaft des Vorverstärkers.

In der ersten Zeile wird mittig der aktuell durchgeschaltete Eingang angezeigt. In der zweiten Zeile wird die Einstellung der Volume-Relais für beide Kanäle getrennt ausgegeben. Dies kann entweder in Zahlenwerten von 1 bis zur maximalen Anzahl der Einstellungen oder in dB aus der Look-Up-Table erfolgen.

Der Drehwinkelgeber des Volume ist interruptgesteuert. Die Lautstärke kann zu jedem Zeitpunkt und in jedem Menüpunkt (siehe unten) verändert werden. Nach jeder Raststufe des Drehwinkelgebers wird die aktuell gültige Relaiskombination für die gewählte Lautstärke direkt eingestellt. Da sich die Drehwinkelgeber ohne Endanschlag in beide Richtungen drehen lassen, nimmt die Software keine Änderungen an der Einstellung mehr vor, sobald eine der beiden Grenzen erreicht ist.

Wenn der Taster des Volume Drehwinkelgebers kurz gedrückt wird, werden die Ausgänge stummgeschaltet (Mute). Wird der Taster jedoch länger als 2,5 Sekunden gedrückt, geht der Vorverstärker in den Stand-by-Modus. Dabei wird die Netzspannung der Relais-Spannungsversorgung abgeschaltet. Ob auch die Netzspannung der analogen Versorgungsspannung ausgeschaltet wird, hängt von der Voreinstellung im Stand-by Menü (siehe unten) ab. Befindet sich der Vorverstärker in diesem Betriebsmodus, lässt er sich durch erneutes Drücken des Tasters wieder einschalten. Dies ist an der leuchtenden LED am Control-Modul bei deaktiviertem Display erkennbar. Außerdem ist die LED am Audio-Modul nicht mehr eingeschaltet.

Die Eingänge werden über den Select Drehwinkelgeber umgeschaltet. Der entsprechende Schaltvorgang wird unmittelbar nach Erkennung der Drehrichtung ausgeführt und auch auf dem Display angezeigt. Beim Umschalten wird die gesamte Konfiguration des Eingangs ausgewertet und die Lautstärke sowie das Relais für den Single-Ended Betrieb entsprechend den hinterlegten Parametern geschaltet.

Durch Drücken des Tasters des Select Drehwinkelgebers wird das Konfigurationsmenü des Vorverstärkers aufgerufen. Es stehen die folgenden Menüpunkte zur Verfügung:

• Tape Input
• Gain
• Mute
• Balance
• Start Volume
• Write Volume
• Input Config.
• Stand By
• Display
• Heat Up Time
• Software Version
• Delete Memory
• Quit

Durch das Betätigen des Drehwinkelgebers wird der gewünschte Menüpunkt auf dem Display angezeigt. Durch einen Druck auf den Taster wird der Menüpunkt dann aktiviert. Die Einstellung in den einzelnen Menüpunkten wird wieder durch Drehen am Geber vorgewählt und durch erneutes Drücken des Tasters selektiert. Anschließend wird das Menü verlassen und das Programm springt wieder auf den Hauptbildschirm.

Tape Input

Mit diesem Menüpunkt können Sie den Tape-Eingang ein- oder ausschalten. Ist der Tape Eingang geschaltet, wird dies in der ersten Zeile auf dem Hauptbildschirm entsprechend angezeigt. Im Unterschied zur normalen Ausgabe der Eingänge wird hier zusätzlich der geschaltete Eingang angezeigt, und zwar zumindest mit einer Nummer, die von 1 bis 5 durchnummeriert ist. Dies informiert den Benutzer darüber, von welchem Eingang er gegebenenfalls Aufnahmen machen kann. Trotz der Aktivierung des Tape Eingangs lässt sich ein „normaler“ Eingang über den Select Drehwinkelgeber schalten.

Gain

Mit dem Gain wird der Widerstand RG eingestellt (siehe oben). Damit lässt sich die innere Verstärkung des Vorverstärkers vorwählen. Mit den vier Relais/Widerständen auf der Volume-/Gain-Platine lassen sich insgesamt 16 Widerstandskombinationen schalten. Allerdings sind die Unterschiede bei einigen Einstellungen nur marginal, weshalb ich sie nicht in die entsprechende Look-Up-Table aufgenommen habe.

Mute

Durch Mute wird der Ausgang stummgeschaltet. Dabei werden alle Widerstände der Lautstärkeregelung auf Masse geschaltet und die Ausgänge somit vom Vorverstärker abgekoppelt. Nach Deaktivierung von Mute stellt sich selbstverständlich der Zustand vor der Aktivierung wieder ein (Volume, Gain und Balance).

Balance

Eine Koppelung der beiden Stereokanäle zur Balance-Einstellung mittels Potenziometer ist nicht vorhanden. Der Spannungsteiler am Ausgang des Vorverstärkers für die Lautstärke wird entsprechend der Balance-Einstellung asymmetrisch angesteuert. Die Balance lässt sich nur um maximal ±15 um den aktuellen Volumewert herum einstellen.

Start Volume

Hier werden die Einstellungen für Volume und Gain beim Einschalten des Vorverstärkers definiert. Zunächst muss zwischen „Last” und „Fixed” gewählt werden. Bei „Last” wird der letzte gültige Pegel (beim Ausschalten) wieder eingestellt. Wird diese Einstellung gewählt, wird das Menü an dieser Stelle beendet. Bei der Wahl von Fixed wird ein vorgegebener Pegel eingestellt, der unmittelbar nach der Auswahl abgefragt wird. Zunächst ist der Wert für Gain und anschließend der für Volume einzugeben. Die Werte werden wieder mit dem Drehwinkelgeber eingestellt und mit dem Select-Taster quittiert. Die jeweilige Einstellung wird mit dem letzten gültigen Wert gestartet.

Write Volume

In diesem Menüpunkt kann der Benutzer festlegen, ob die Ausgabe des Volume mit einer laufenden Nummer (beginnend mit 1) oder als Dämpfung in dB erfolgen soll. Die Berechnung der dB-Werte erfolgt unter Einbeziehung der Eingangswiderstände der angeschlossenen Last (in der Regel Endstufen). Bei der Zen V4-Endstufe beträgt der Wert beispielsweise 47kΩ.

Input Config.

Dies ist der aufwendigste Menüpunkt bei der Parametrierung des Vorverstärkers. Hier lässt sich ein vordefinierter Name dem Eingang zuordnen, zwischen Single-Ended- und Differenzbetrieb auswählen, eine Lautstärkekorrektur (Volume und Gain) einstellen und der Eingang deaktivieren. Ruft man dieses Menü auf, gelangt man zuerst zu einer Auswahl des Eingangs (Input 1–5, Tape). Ist der Eingang selektiert, gelangt man zum folgenden Menü:

• Name
• Diff./SE Input
• Level Correction
• Gain Setting
• Input on/off
• Quit

Der Name des Eingangs kann frei vorgegeben werden. Jeder Buchstabe wird mit dem Drehwinkelgeber vorgewählt und durch einen kurzen Druck auf „Select Enter” übernommen. Nachdem alle Buchstaben des einzugebenden Namens ausgewählt wurden, verlässt man dieses Menü durch einen längeren Druck (> 2,5s) auf den Enter Taster. Anschließend gelangt man wieder in das Menü. Der ausgewählte Name wird fortan auf dem Hauptbildschirm für diesen Eingang in der ersten Zeile ausgegeben, sofern der Tape-Eingang nicht eingestellt wurde (siehe oben).

Wie oben schon erwähnt, wird unter dem Menüpunkt „Diff./SE Input” eingestellt, ob es sich um einen Single-Ended oder einen Differential Eingang handelt. Wird ein Single-Ended Eingang ausgewählt, wird ein Relais eingeschaltet, das den Minuseingang des Vorverstärkers auf Masse schaltet (siehe oben).

Über den nächsten Menüpunkt gelangt man zur Level-Korrektur. Hier wird ein Korrekturwert für die Volumeneinstellung eingegeben. Die aktuelle Volumeeinstellung wird bei Auswahl dieses Eingangs automatisch mit dem hier angegebenen Wert korrigiert. Dadurch lassen sich Lautstärkesprünge zwischen den Eingängen minimieren.

Die Grundeinstellung zur Lautstärkekorrektur wird allerdings über die Vorwahl des Gain-Settings eingestellt. Dabei wird für jeden Eingang individuell die innere Verstärkung des Vorverstärkers eingestellt. Mithilfe dieser beiden Parameter lässt sich eine präzise Korrektur der Lautstärkesprünge zwischen den einzelnen Quellen durchführen.

Alle Eingänge können deaktiviert werden. Dies geschieht im Menüpunkt „Input on/off”. Ist ein Eingang deaktiviert, wird er bei der Eingangsumschaltung übergangen. Auf diese Weise lassen sich ungenutzte Eingänge elegant entfernen.

Mit der Taste „Quit” kann das Menü verlassen werden. Jede der hier beschriebenen Einstellungen wird direkt nach der Quittierung mit dem Select-Taster in den Speicher übernommen.

Stand By

Im Stand-by Betrieb ist die μC-Elektronik weiterhin aktiv. Die Betriebsspannungsversorgung der Relais wird in jedem Fall vom Controller abgeschaltet. An dieser Stelle kann der Benutzer auswählen, ob er auch die analoge Spannungsversorgung ausschalten möchte. Wenn diese Versorgung nicht abgeschaltet wird, steht direkt nach dem Einschalten des Vorverstärkers ein thermisch stabilisierter Arbeitspunkt der Audioelektronik zur Verfügung. Werden die Verstärker nicht abgeschaltet, verkürzt sich auch die Wartezeit beim Einschalten, da sich nur die Spannungsversorgung der Relais stabilisieren muss, was wesentlich schneller geht als die der analogen Betriebsspannung.

Display

Über das digitale Potenziometer kann hier der Kontrast des LC-Displays eingestellt werden. Der hexadezimale Wert, der aktuell in das Poti geschrieben wird, wird ausgegeben. Das Menü wird wie gewohnt über den Select-Taster verlassen. Der aktuelle Wert wird übernommen und ist beim nächsten Einschalten des Vorverstärkers aktiv.

Heat Up Time

Hier werden zwei Zeiten in Sekunden eingegeben. Die erste Zeit, „Cold Time”, ist die Zeit, die nach dem Einschalten der Netzspannung gewartet wird, bis der Vorverstärker in den normalen Betrieb schaltet. Die zweite Zeit, die sogenannte Warm Time, ist die entsprechende Zeit nach einem Stand-by, bei dem die analoge Betriebsspannung nicht abgeschaltet wurde (siehe Stand-by).

Software Version

Hier werden der aktuelle Versionsstand der Software sowie das Datum und die Uhrzeit des Compiler-Laufs für zehn Sekunden angezeigt. Nach Auswahl dieses Menüpunkts sind keine weiteren Aktionen erforderlich. Hinter der Versionsnummer befindet sich ein Buchstabe (bisher A oder RS), der Informationen über die Möglichkeit der bedingten Compilierung der Software liefert. Die Volume- und Gain-Einstellungen sowie die hinterlegten Wartezeiten sind in einer separaten Datei gespeichert und werden benutzerspezifisch eingebunden.

Delete Memory

Wählt man diesen Punkt aus, wird zunächst gefragt, ob der Speicher wirklich gelöscht werden soll (Nein/Ja). Die Antwort „Nein” ist voreingestellt. Die Antwort muss mit dem Select-Taster quittiert werden. Wird „Ja” ausgewählt, werden alle Einstellungen, die im EEPROM gespeichert wurden, gelöscht. Somit ist die Konfiguration wie nach dem ersten Einschalten. Bei der Auswahl von „Nein” wird das Menü ohne weitere Aktionen verlassen.

Quit

Über diesen Menüpunkt kann das Menü ohne Änderung der Konfiguration verlassen werden.

Wenn man zur Kontrasteinstellung des Displays das digitale Potenziometer verwendet, besteht natürlich die Gefahr, dass die aktuelle Einstellung das Display leer erscheinen lässt. Damit sind auch keinerlei Veränderungen des Kontrasts mehr möglich, da das Display benötigt wird, um den Menüpunkt zur Kontrasteinstellung überhaupt aufzurufen. Für dieses Problem gibt es eine Möglichkeit, die Parameter wieder auf die Standardwerte einzustellen. Nachdem der Vorverstärker eingeschaltet wurde und sich im normalen Betriebsmodus befindet (die LEDs am Audio-Modul blinken nicht mehr und die Relais wurden geschaltet), gelangt man durch einen Druck von mehr als 2,5s auf den Select-Taster auch wieder in das Menü. Allerdings werden nun für einige Parameter Standardwerte vorgegeben. Nun sollte auf dem Display wieder eine sichtbare Ausgabe erfolgen.

Inbetriebnahme aller Komponenten

23. Februar 2006

Nachdem alle Komponenten einschließlich der ersten Softwareversionen zur Verfügung standen, habe ich die oben beschriebene Brettschaltung erweitert. Die Verdrahtung wurde mit normalen „Baumarkt“-Litzen durchgeführt und nicht sauber verlegt – kurz gesagt, es sieht bescheiden aus. Alles ist auf engstem Raum zusammengequetscht. Trotzdem sind die klanglichen Ergebnisse hervorragend: kein Rauschen, kein Brummen …

Auf dem Bild oben fehlt das Display, da es zurzeit unmotiviert herumliegt. Man erkennt das 16-polige Flachbandkabel, das nach links aus dem Bild herausführt. An dieser Stelle soll deshalb auch einmal eine Aufnahme des Displays mit der Ausgabe des Startbildschirms während der Stabilisierungsphase gezeigt werden (die ausgegebene Software-Version ist nicht mehr die aktuellste).

Gehäuse

15. Mai 2006

Das Design ist an den aktuellen X1 Vorverstärker von Pass Labs angelehnt, ohne jedoch die aufwendige Gestaltung der Frontplatte nachzuempfinden. Auch die Bedienung unterscheidet sich durch den Einsatz eines zweiten Drehwinkelgebers anstelle von vier Tasten. Die Elektronik erstreckt sich jedoch auch hier über zwei Gehäuse mit folgender Aufteilung:

• Controller Gehäuse (Control Unit)
  • μC Board
  • I²C-Bus Relais Treiber
  • Betriebsspannungsversorgung der Relais
  • 2x Ringkerntransformatoren der analogen Betriebsspannung
  • 2x Betriebsspannungsversorgung der analogen Elektronik
  • Bedienungselemente & Display
  • Netzspannungsversorgung
  • Verbindung Masse – Erde
  • Verbindungen zum Audio Gehäuse
• Audio Gehäuse (Audio Unit)
  • 2x Vorverstärker
  • 2x Volume und Gain Einstellung
  • 2x Eingangswahlschalter
  • alle benötigten externen Audio Verbindungen (XLR & Cinch)
  • Verbindungen zum Controller Gehäuse

Die Frontplatte und die Rückwand werden mithilfe von vier 345mm x 15mm x 15mm großen Alu-Stäben über kopfseitige M5-Sacklöcher miteinander verschraubt. Die anderen Gehäuseteile werden dann mit M3 Verschraubungen an diesen Profilen verbunden.

Zu sehen sind die Vorder- und die Rückseite des leeren Audio-Gehäuses ohne Deckel. In die Rückwand sind alle benötigten Buchsen eingeschraubt. Die silbernen Kanten der schwarzen Gehäuseteile habe ich absichtlich nicht geschwärzt, da mir der „technische“ Look gefällt, der ohne diese Schwärzung entsteht.

Hier ist das leere Control-Gehäuse von beiden Seiten zu sehen. An der Frontplatte sind die beiden kreisförmigen Einfräsungen für die Drehknöpfe sowie der Ausschnitt für das Display gut zu erkennen. Darunter befindet sich der Durchbruch für den IR-Empfänger. Die Rückwand verfügt über Ausschnitte für die AC- und DC-Versorgung sowie über Sub-D-Buchsen zum Anschluss der Relais.

Hier ist noch ein Foto von einem der beiden Drehknöpfe. Die Herstellung war nicht besonders einfach, denn der 1mm dünne Außenring musste gedreht werden. Das Ergebnis ist wirklich wunderschön geworden. Mein besonderer Dank gilt Enrico V., der dafür einen Teil seines Wochenendes geopfert hat.

Zum Abschluss dürfen (noch einmal) Enrico V. und insbesondere Rudolf B. nicht unerwähnt bleiben. Sie haben sich um den Aufbau des Gehäuses bemüht und mir in vielen Detailfragen mit Rat und Tat zur Seite gestanden. Ohne sie hätte es diese wunderschönen Gehäuse in dieser Form sicherlich nicht gegeben.

!!! Vielen, vielen Dank dafür !!!

Die Freude über den Anblick des fertigen Aleph P lässt die Musikfreude teilweise in den Hintergrund treten.

Verdrahtung des Vorverstärkers

04. März 2006

Ich habe die Verdrahtung in drei Schaltplänen dargestellt. Der erste Plan zeigt die Verdrahtung des 230V/AC Systems. Diese Verdrahtung bezieht sich ausschließlich auf die Control Unit. Die Signalverdrahtung innerhalb beider Gehäuse ist dann in den zweiten und dritten Schaltplänen zu finden.

Bei dem 230V/AC System handelt es sich nicht um eine reine Point-to-Point-Verdrahtung. Hinzu kommen die Anbindung der Audiomassen (links und rechts) an die Erde sowie der DC-Filter. In beiden Teilschaltungen kommen Brückengleichrichter zum Einsatz.

Die Wechselspannung gelangt über den Netzfilter J1 sowie die beiden Sicherungen F1 und F2 ins Gerät und wird anschließend durch den zweipoligen Schalter S1 geschaltet. Der DC-Filter (BR1, C1, C2 und C3) befreit die 230V Wechselspannung von eventuell vorhandenen Gleichspannungsanteilen und entlastet so die beiden Audio-Transformatoren (Schuro-Bestellnummer V-RKT-MS-SW 50.30). Der Brückengleichrichter ist so geschaltet, dass jeweils zwei Dioden in Reihe liegen und diese beiden Reihenschaltungen antiparallel verschaltet sind. Damit ergibt sich eine maximale Spannung von 1,2V über den Kondensatoren. Die Spannung ist gering genug, sodass der jeweils falsch gepolte Elko keinen Schaden nimmt (es sollten jedoch mindestens 25V Typen verwendet werden).

Die beiden Audio-Massen werden jeweils über eine Hälfte des zweiten Brückengleichrichters (BR2) mit Erde verbunden. Hier liegen zwei Dioden antiparallel. Pro Kanal kommen zusätzlich ein Widerstand (5,1Ω) und ein Kondensator (100nF) hinzu. Somit sind beide Massen an das Potenzial der Erde angebunden. In der Regel fließen jedoch keine Ströme zwischen den Massen und der Erde. Im Fehlerfall muss nur die geringe Durchbruchspannung einer Diode überwunden werden.

Die LED DS3 ist zwischen N und Erde (LED-Modul für 230V/AC) geschaltet und zeigt direkt optisch, ob der N-Leiter im Vorverstärker mit dem externen L1 oder N verbunden ist. Somit lässt sich eine korrekte Polung der Netzspannung sicherstellen. Die LED befindet sich auf der Rückseite des Gehäuses. Die beiden Leuchtdioden DS1 und DS2 dienen der optischen Anzeige der Betriebsspannungen für das μC-Board und die Relais-Power-Supply. Über XLR1 und XLR2 werden die analogen Spannungsversorgungen für die eigentlichen Vorverstärker geleitet.

Das Display wird am Pfostenstecker PF1 des μC-Boards angeschlossen. LK4 ist der Eingang des Infrarotempfängers IC1. An den Klemmen LK5 und LK6 werden die beiden Drehwinkelgeber angeklemmt. A und B sind die beiden Ausgänge des Encodersignals und C ist der gemeinsame Bezugspunkt für A und B (hier GND). An D und E wird der Taster angeschlossen. PF2 ist der I²C-Bus-Ausgang des µC-Boards. Dieser ist mit PF1 des Relais-Treiber-Boards verbunden. Von PF2 auf diesem Board erfolgt der Anschluss der 9-poligen Sub-D Buchse für den externen I²C-Bus auf der Rückwand des Gehäuses. Mit PF3 und PF4 werden die beiden 37-poligen Sub-D Buchsen für den Anschluss der Relais der Audio Unit verbunden.

• 230V/AC Verdrahtung der Control Unit
• Signal Verdrahtung der Control Unit

Für die interne Audioverdrahtung benutze ich ein zweiadriges, abgeschirmtes Kabel (auch bei den Single-Ended Cinch Verbindungen). Die Ein- und Ausgänge auf der Rückwand der Audio Unit sind direkt mit den entsprechenden Ein- und Ausgängen auf den Platinen verbunden (nichts ist geschraubt, alles wurde verlötet). Zwar geht damit etwas Flexibilität verloren, dafür ist jedoch sichergestellt, dass man die bestmögliche Verbindung erhält.

Von den 37 Signalen der beiden Sub-D Buchsen (J1 und J2) werden 36 benötigt. Ich benutze Buchsen mit Crimpverbindung für Flachbandkabel. Diese Kabel müssen dann in zwei separate Kabel für „Volume/Gain” und „Input” aufgeteilt werden. Die Signale sind auf den Steckern so angeordnet, dass dies auf einfachste Weise möglich ist. Die beiden Leuchtdioden DS1L und DS1R befinden sich auf der Frontplatte der Audio Unit.

• Verdrahtung der Audio Unit

Hier sind die Verbindungen zwischen beiden Gehäusen zu sehen. Ganz rechts befindet sich die Erdverbindung, links davon die beiden Flachbandkabel zum Anschluss der Relais (Volume und Input) an die Relaistreiber sowie die Verbindungen zur DC-Stromversorgung der beiden Vorverstärker über 4-polige XLR-Stecker.

Updates & Verbesserungen

23. Februar 2006

Natürlich gibt es immer etwas, das sich verbessern lässt. Gerade beim Aufbau einer Entwicklung fallen einem im Nachhinein immer wieder Dinge auf, die man besser hätte lösen können.

07. September 2005 / Volume & Gain

Die „innere“ Verstärkung (Gain) des Aleph P wird über den Gesamtwiderstand RG bestimmt. Je kleiner dieser Widerstand dimensioniert ist, desto höher ist die Verstärkung. Ich habe auf dem Board des Vorverstärkers einen 2kΩ Widerstand fest installiert und auf den Volume/Gain-Boards die 2kΩ Widerstände gegen 124Ω Widerstände getauscht. Somit erhalte ich die leiseste Einstellung, wenn kein Gain-Widerstand zugeschaltet ist, und die lauteste, wenn alle parallel liegen. Außerdem entfällt ein leises „Plopp“-Geräusch beim Umschalten des Gain, wenn ein Widerstand die Verbindung zwischen beiden Verstärkerhälften permanent aufrechterhält. Bei der ursprünglichen Schaltung konnte es vorkommen, dass während des Umschaltmoments kurzzeitig beide Vorverstärkerhälften getrennt wurden.

23. September 2005 / Volume & Gain

Eine Diskussion über die Vor- und Nachteile von hochwertigen, nichtmagnetischen Widerständen, die für mich nicht zufriedenstellend beantwortet wurde, hat mich neugierig auf eine eigene Bewertung gemacht. Ich habe mir einen Satz Dale CMF-55-143 Widerstände (68,1Ω, 113Ω, 249Ω, 499Ω, 1kΩ, 2kΩ, 4,02kΩ, 8,25kΩ, 16,2kΩ und 32,4kΩ) besorgt und damit die beiden Volume-/Gain-Boards bestückt. Die Beurteilung des Ergebnisses ist in Ermangelung eines direkten A/B Vergleichs natürlich eher fraglich. Ich bilde mir jedoch ein, eine gesteigerte Detailauflösung herauszuhören (z. B. eine Triangel im Hintergrund, die ich vorher nicht so deutlich wahrgenommen habe). Aber wie gesagt, diese Aussage ist mit Vorsicht zu genießen.

Der blaue Metallfilmwiderstand rechts unterhalb des Pfostensteckers ist der Vorwiderstand der Leuchtdiode und hat nichts mit dem Audiosignal zu tun, weshalb an dieser Stelle keine Dale-Bestückung erfolgt.

23. Dezember 2005 / Vorverstärker

Die Qualität der Koppelkondensatoren im Audio-Signalpfad ist für die Leistung des Vorverstärkers von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund habe ich versucht, die ohnehin gute Kopplung mit den Wima MKP4 Kondensatoren weiter zu verbessern, indem ich parallel zu den Ein- und Ausgangskondensatoren 10nF Styroflex Kondensatoren (Bestellnummer STYROFLEX 10N von Reichelt Elektronik) gelötet habe. Die klangliche Beurteilung fällt ähnlich aus wie beim Einsatz der Dale-Widerstände in der Volume-Einstellung – auch hier gibt es wieder keine Möglichkeit zum direkten A/B Vergleich. Allerdings sind die Ergebnisse so gut, dass ich die Kondensatoren sicherlich nicht wieder entfernen werde.

22. Januar 2006 / Vorverstärker

Ich hatte schon seit Längerem einen kompletten Satz Dale Widerstände für die Vorverstärkerboards hier liegen. Außerdem habe ich noch einige Änderungen am Layout der Boards vorgenommen (Leiterbahnen verrundet, zusätzliche Pads zur Aufnahme von Elkos als Koppelkondensatoren im Ein- und Ausgang). Mit dieser Änderung habe ich die Boards (Revision 1) mit einer kompletten Dale Bestückung und Wima Koppelkondensatoren aufgebaut. Die am 23.12.2005 hinzugefügten Styroflexkondensatoren habe ich wieder entfernt, da ich letztendlich keinen nenneswerten Unterschied mit und ohne hören konnte.

Mit der nun kompletten Dale Bestückung im Audio-Pfad des Vorverstärkers ist für mich die Diskussion für und wider eindeutig geklärt: Der Vorverstärker hat deutlich gewonnen, und die Dale’s werden für mich in einem endgültigen Aufbau ein Muss sein. Auch wenn mir letztendlich der direkte A/B Vergleich fehlt, ist der Zugewinn deutlich zu hören.