![](https://habrastorage.org/webt/iz/sa/hx/izsahxds5wcsp0jca00n9qaur60.jpeg)
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, чтобы разработать собственное электронное устройство, но не знали, с чего начать? Тогда приглашаем вас к прочтению данной статьи, в которой мы постараемся осветить весь процесс создания своего электронного устройства – от концепции до реального девайса на примере хобби-проекта одного из наших сотрудников. Статья разделена на две части и имеет следующий план:
- Часть 1: От концепции до макета
- Что такое электронное устройство
- Концепция устройства
- Функциональная схема
- Принципиальная схема
- Закупка компонентов
- Макетирование и симуляция устройства
- Часть 2: Создание устройства
- Разработка печатной платы
- Разработка корпуса и оснасток
- Верификация и исправление ошибок
- Отправка платы на производство
- Создание корпуса
- Сборка и отладка устройства
Далее повествование будет вестись от лица сотрудника.
Введение
Еще в университете я заинтересовался разработкой электронных устройств, в частности гитарных эффектов. В период учебы на 3–4 курсах мне удалось собрать несколько таких «примочек», некоторые из них легли в основу моих курсовых работ. Конечно же, это были копии всем известных приборов, а качество таких девайсов оставляло желать лучшего. В то же время мне очень хотелось повысить их надежность, поработать над дизайном и научиться в конечном итоге делать что-то свое, а главное, качественно.
![](https://habrastorage.org/webt/bd/cp/m5/bdcpm5we0syclgsz_ijbfb2ghis.jpeg)
Моя первая гитарная педаль – копия Big Muff
В июле 2018 года, сразу после окончания универа, я пришел устраиваться в «НТЦ «Вулкан». На собеседовании я рассказал, что интересуюсь созданием таких девайсов. Меня взяли на испытательный срок, за время которого мне нужно было разработать устройство, написать прошивку под STM32 и небольшое тестовое ПО. В конце концов я попал в команду Raccoon Security, которая занимается исследованием и разработкой embedded-девайсов.
Работа меня сразу затянула, и за два года я приобрел много полезного опыта, который теперь применяю и в разработке своих гитарных эффектов.
![](https://habrastorage.org/webt/c0/ca/v6/c0cav6y8c3k2c9jee3u8hgoutwi.jpeg)
Проект мультиэффекта shape mimic, который я закончил совсем недавно
Что такое электронное устройство?
Давайте разберем этот вопрос на примере стереохоруса Uni-Vibe Stereo Chorus от Dunlop.
![](https://habrastorage.org/webt/wf/ji/b0/wfjib0evn_s0zkxn8ep_b_badmw.jpeg)
Так выглядит наш «пациент»
Гитарные педали эффектов в целом предназначены для изменения звука инструмента во время игры. В частности, название этой педали говорит само за себя – она имитирует хоровое звучание музыкальных инструментов, добавляя к исходному сигналу несколько копий, сдвинутых по времени на 10–30 мс. Время этой задержки постоянно изменяется генератором низкой частоты. Если мы проведем вскрытие этой «магической коробочки», то под капотом обнаружим следующее:
![](https://habrastorage.org/webt/kq/mw/b5/kqmwb56rdbqpnw84850osxwpe44.jpeg)
Внутренности Uni-Vibe Stereo Chorus
Теперь можно поговорить о том, из чего вообще она состоит. Здесь мы видим зеленую печатную плату [1] с кучей разных электронных компонентов [2], которые соединяются между собой медными дорожками-проводниками. Видим три потенциометра [3], которые отвечают за управление эффектом, а также кнопку включения [4] и входные-выходные гнезда [5]. Все это помещается в металлический корпус [6], на котором есть маркировка [7], подсказывающая назначение ручек управления. И как финальный аккорд – множество разных крепежных элементов [8], соединяющих все это вместе.
Теперь, когда мы понимаем, из чего состоит электронное устройство, можно переходить к проработке концепции, которая ляжет в основу нашего макета и конечного устройства!
Концепция устройства
Любая разработка начинается с какой-нибудь идеи или проблемы. Скорее всего, эта идея или проблема уже была воплощена или решена до вас. Поэтому не расстраивайтесь, а лучше проведите анализ готовых решений и поищите референс-дизайны. Наша задача – понять, что в конечном итоге мы хотим получить. Чем наше устройство будет отличаться от готовых решений? Что можно сделать лучше или по-другому?
К примеру, идея моего последнего устройства заключалась в том, чтобы создать девайс на популярном DSP-чипе FV-1 с возможностью загружать разные эффекты, которые можно найти на просторах Интернета или написать самому. Несмотря на солидный возраст (первые документы датированы аж 2006 годом), микросхема способна выдавать очень разнообразные звуки – от простых заигрываний с фильтрами до сложных алгоритмов реверберации с различными модуляциями и задержками.
![](https://habrastorage.org/webt/cd/jk/o9/cdjko9ucr8tese9h70rgxyre7ke.jpeg)
DSP-чип FV-1 в своем великолепии
Проектов по этой теме было уже много, но на просторах Рунета я не видел реализации со встроенными программатором и USB, с помощью которого можно легко прошивать память разными прошивками. Конечно же, на сайте производителя FV-1 уже была отладочная плата, и буквально во время проработки концепции на сайте pedalpcb появился еще один открытый проект отладочной платы с программатором.
Мне же хотелось упаковать все это в форм-фактор стандартного гитарного эффекта и добавить несколько фишек, которые стали популярны в гитарном мире:
- добавить отключаемый буфер на входе;
- организовать переключение на реле с мягкой кнопкой;
- избавиться от надоедливого щелчка во время переключения эффекта;
- расположить коммутацию сверху, чтобы сэкономить место в педалборде.
Функциональная схема
После проработки концепции устройства полезно составить функциональную схему – блок-схему, наглядно поясняющую, как будет работать устройство, и как в нем взаимодействуют отдельные части.
Составлять такие схемы удобно, например в бесплатной программе yED или в платной Microsoft Visio. Подробно на плюсах и минусах программ останавливаться не будем, а перейдем непосредственно к получившейся схеме.
![](https://habrastorage.org/webt/dy/ee/z8/dyeez8z60k0m0jwbb0zaccip9to.jpeg)
Функциональная схема shape mimic
Давайте я вкратце расскажу, как это должно работать. Гитарный сигнал поступает на DPDT-переключатель, которым выбирается тип обхода устройства (с буфером или без). Далее сигнал поступает на реле, которое управляется микроконтроллером. Если эффект выключен, то реле прокидывает сигнал сразу на выход. А если эффект включен, то сигнал делится на две половины, одна из которых попадает на FV-1, а другая – на микшер. Потом на микшер попадает и обработанный сигнал с выхода FV-1. В микшере они смешиваются и попадают сначала на усилитель, а затем через еще один буфер на выход. Оптопара, которая на короткое время замыкает сигнал на землю, нужна для того, чтобы заглушить щелчки и шум в аудиотракте, которые неизменно появляются во время переключения.
Через miniUSB можно прошивать микросхему памяти, в которой хранятся эффекты для FV-1. Выбор эффекта происходит с помощью переключателя SPDT, а управление параметрами эффекта – с помощью трех потенциометров. В качестве питания используются стандартные для гитарных эффектов 9В DC, которые после стабилизаторов дают 3,3 В и 5 В для питания элементов схемы.
![](https://habrastorage.org/webt/cz/2s/kq/cz2skq1bvamxcedwczdk1g0lzyy.jpeg)
Как это работает на самом деле
После составления функциональной схемы я рекомендую подумать о том, какие ключевые компоненты вам потребуются. В моем случае с FV-1 все понятно, а в качестве управляющего микроконтроллера я выбрал PIC16F630, т. к. ранее не работал с этими микроконтроллерами и мне было интересно попробовать. В итоге работать с PIC мне не очень понравилось, и в следующий раз управление я буду делать на STM32. В качестве реле я выбрал NA5W-K, а в качестве оптопары – TLP222G. Такой выбор обусловлен тем, что идею управления на реле я подсмотрел в статье на сайте Coda-Effects. Я подумал, что начинать знакомство с подобным типом байпаса следует с таких же компонентов. Для буферов и усилителя отлично подойдут TL072 – малошумящие, распространенные и недорогие операционные усилители.
После того как примерный список составлен, можно переходить к разработке принципиальной схемы, с помощью которой мы практически полностью утвердим наш список компонентов.
Принципиальная схема
Принципиальная электрическая схема нужна для того, чтобы описать во всех подробностях электрические связи между компонентами в устройстве. Она не показывает физического расположения элементов, но четко указывает, какие выводы будут соединяться между собой. Про софт, в котором можно разрабатывать такие схемы, мы подробно поговорим в следующей статье, когда коснемся разработки печатных плат.
Отличным стартом для разработки собственных схем являются типовые схемы включения из даташитов. У меня же под рукой было еще несколько готовых референс-проектов на FV-1 (PedalPCB и Universe Zen), большой топик с форума Guitar-Gear, реализация релейного байпаса с Coda-Effects и популярная схема буфера на TL071. Теперь, имея на руках уже готовую функциональную схему, мне достаточно просто воссоздать все эти блоки, а затем соединить их согласно моей концепции. На практике это напоминает конструктор лего.
![](https://habrastorage.org/webt/s6/iw/vn/s6iwvn4g56qkw6vtrsgfnewfpxw.jpeg)
Выдержка из даташита DSP-микросхемы FV-1
Я советую разделять схему на несколько листов по функциональному смыслу – так повышается читаемость и появляется некая инкапсуляция. У меня получилось разделить проект на схему питания, основную схему FV-1, схему с программатором и схему управления и реле.
Если в получившейся схеме возникнут какие-то ошибки, то их можно будет решить на этапе проработки макета и симуляции, после чего скорректировать принципиальную схему. Покажу вам кусочек основной схемы с FV-1, и плавно перейдем к вопросу закупки компонентов.
![](https://habrastorage.org/webt/uo/i8/1_/uoi81_pqn8in-pch8dbywinuccw.jpeg)
Небольшой фрагмент принципиальной схемы shape mimic
Закупка компонентов
Я бы рекомендовал закупать ключевые компоненты заранее, еще до разработки макета или печатной платы. Под ключевыми я понимаю те компоненты, которым трудно найти аналоги и которые определяют конструкцию и функционал устройства. Может возникнуть ситуация, что нужного компонента не окажется у поставщиков, а ждать его придется долго. В то же время, вполне возможно, что такой компонент можно было бы заменить на аналогичный. Похожая ситуация может возникнуть и с разными корпусами некоторых микросхем: вы разрабатывали под один корпус, а у поставщика есть только другой. В коммерческой и многосерийной разработке последнее, конечно, не такая уж проблема, но в условно «домашней» разработке это может быть важно. Поэтому стоит заранее подбирать элементную базу и узнавать цены и возможность поставки.
![](https://habrastorage.org/webt/ox/lt/tn/oxlttnojts3gy4h2od2wipf9vb0.jpeg)
Дейл покупает компоненты после изготовления печатной платы
Итак, после создания принципиальной схемы мы уже можем получить список компонентов для закупки, но где их, собственно, закупать? Давайте проведем небольшой обзор магазинов, в которых можно купить все необходимое.
Начнем, пожалуй, с интернет-магазина «Терраэлектроника». В последнее время я заказываю большинство компонентов здесь. Мне очень нравятся широкий ассортимент, цены и скорость доставки. Из минусов – информация по остаткам на сайте не всегда соответствует действительности, но на мой взгляд, это мелочь. В общем, я рекомендовал бы начать закупку отсюда.
Далее можно обратить внимание на тот же «Чип и Дип». У них большой выбор и много магазинов в Москве. Однако цены намного выше остальных, а еще стоимость компонентов в интернет-магазине сильно отличается от того, что вы увидите, придя в магазин. Доставка дороже чем у «Терраэлектроника», а срок доставки – дольше. Тем не менее иногда я заказываю некоторые позиции здесь.
Есть еще и своеобразный магазин «КВАРЦ». Сайт у них, конечно, давно устарел и поиск реализован неудобно, но иногда там можно найти очень интересные и эксклюзивные позиции.
Еще есть Mouser Electronics. Лично я не заказывал компоненты оттуда для своих «домашних» проектов. Из плюсов могу отметить, пожалуй, очень большой ассортимент и удобный параметризированный поиск. Из минусов – не все компоненты поставляются в Россию. Если вы имели опыт покупки с Mouser для своих проектов, то обязательно напишите в комментариях.
В качестве альтернативы Mouser Electronics можно обратить внимание на LCSC, который чем-то похож на последних, но заказывать оттуда проще, а цены ниже. Опять же, я не заказывал ничего у этих ребят, но периодически подумываю это сделать.
Ну и куда же без AliExpress! Тут китайский интернет-магазин бьет все остальные и по количеству, и по стоимости. Однако не надо забывать, что на AliExpress можно наткнуться на недобросовестных продавцов, которые поставляют поддельные компоненты. Некоторые продавцы любят зарабатывать на доверчивых музыкантах, которые в погоне за «тем самым звуком» пытаются урвать винтажные микросхемы, мистически звучащие полевики и особые германиевые диоды, да еще и подешевле. Поэтому не удивляйтесь, если вместо дорогого полевика 2N5457 вам придет какой-нибудь перемаркированный биполярный транзистор. Но если внимательно подходить к выбору, то на AliExpress можно найти много всего интересного.
Макетирование и симуляция устройства
Теперь поговорим о макетировании нашего устройства. Это важный этап, который помогает проверить концепцию в деле. Если вы заранее не понимаете, как примерно должно работать ваше устройство, или же есть какие-то участки схемы, в которых вы сомневаетесь, то проводите макетирование или хотя бы симуляцию.
Для создания макета отлично подойдет макетная плата – компоненты на ней соединяются без всякой пайки.
![](https://habrastorage.org/webt/wi/mv/e8/wimve89sypsfrea3okdtot0apas.jpeg)
Макетная плата и устройство на макетной плате
Я решил практически полностью пропустить этап макетирования, ограничившись лишь воссозданием части схемы с управляющим контроллером и реле. На этом этапе, глядя на размер получившейся схемы, я уже предполагал, что мне будет легче сделать тестовую версию платы, и отладить возможные ошибки прямо на ней, после чего исправить и заказать новую версию. Но в большинстве случаев лучше сделать полноценный макет.
![](https://habrastorage.org/webt/sd/o3/7a/sdo37adny_jzkjn_u3m168chkui.jpeg)
Мой макет педали фуз-дисторшн — клон Wolf Computer с модификациями
Если вы планируете использовать какой-нибудь микроконтроллер, то подумайте о покупке отладочной платы. Рекомендую обратить внимание на STM32, но если совсем не знакомы с embedded-разработкой, то Arduino тоже прекрасный выбор.
![](https://habrastorage.org/webt/ed/tf/fi/edtffir6ddkqlzkfwub9pji70y4.jpeg)
Отладочные платы STM32 Nucleo и Arduino Uno
Давайте подумаем, зачем нам вообще нужен макет:
- позволяет проверить жизнеспособность идеи;
- его можно пощупать;
- помогает определиться с компонентами;
- его можно использовать в качестве референса во время отладки;
- вскрывает множество подводных камней;
- дает пищу для размышлений;
- позволяет менять и добавлять фичи на ходу;
- иногда макет решает поставленную задачу.
Помимо создания макета, можно прибегнуть еще и к симуляции отдельных узлов или всего устройства. Давайте рассмотрим несколько программ и сервисов для симуляции электрических схем.
К примеру, есть отличная программа LTSpice – бесплатная, с легким интерфейсом, а главное, обладает большим набором инструментов и компонентов.
![](https://habrastorage.org/webt/v6/yv/hf/v6yvhfudq5xsvcurx2uolhv6nki.jpeg)
Программа LTSpice
В качестве альтернативы есть Multisim. Инструментарий в нем больше, но бесплатная лицензия доступна только для студентов.
![](https://habrastorage.org/webt/gx/p5/wa/gxp5wamtife8a0hqcigdy-rca58.jpeg)
Программа Multisim
Еще можно обратить внимание на Proteus, в котором куда больше инструментов для симуляции цифровых схем, чем в Multisim и LTSpice. Программа тоже платная, но есть бесплатная пробная версия с тестовыми схемами.
![](https://habrastorage.org/webt/le/dx/d5/ledxd5cs_7_kfzqova14966ixbk.jpeg)
Программа Proteus
Еще существует условно-бесплатный онлайн-сервис Circuit Lab. Несомненный плюс которого в том, что он позволяет быстро засимулировать что-то очень простое, ничего не устанавливая.
![](https://habrastorage.org/webt/fk/jg/xl/fkjgxl3xvpd-egte9psix3048zg.jpeg)
Онлайн-сервис Circuit Lab
Есть приложение EveryCircuit под Android и iOS, поэтому если работаете с планшетом или под рукой нет компьютера, то можно воспользоваться им.
![](https://habrastorage.org/webt/xe/f5/sf/xef5sfluwakuoptge4xigqsrr68.jpeg)
Приложение EveryCircuit
Итог
Мы поговорили о том, что такое электронное устройство на примере стереохоруса от Dunlop. Проработали концепт будущего устройства. Составили функциональную схему, а затем переложили ее на электрическую принципиальную схему. Получили список компонентов, и узнали, где их можно приобрести. А еще определили, зачем нам может понадобиться макет и где можно просимулировать поведение отдельных участков схемы.
В следующей статье мы поговорим о печатных платах и программах для их проектирования. Затронем тему разработки корпуса и оснасток для своего устройства. Поговорим про верификацию и отладку, а затем посмотрим на финальный результат.
Если вы интересуетесь гитарными эффектами, то подписывайтесь на мою группу «ВКонтакте» и страницу в «Инстаграм» (zaytechnika). Оставляйте ваши комментарии и вопросы, буду рад ответить!
AntonioMichaelAlvarez
Из браузерных симуляторов электрических цепей могу подсказать ещё такой: www.falstad.com/circuit/circuitjs.html
Раньше у автора была версия в виде Java-апплета, но позже её адаптировали под HTML5.