MagicQuartz TechDemo

MagicQuartzテクノロジーのデモンストレーション

導入

このリポジトリには、独自のMagicQuartzファームウェアを実行できるターンテーブルスピードボックスのオープンソースハードウェア設計が含まれています。ハードウェアの設計は、2つの部分で構成されています。

• 3Dプリント可能なエンクロージャーを生成するために使用できるOpenSCADモデル。
• 回路図とPCBを含むメインボードのKICADデザイン。

Speedboxは、クラスDオーディオアンプとトロイダルトランスに基づいた単純なAC電源インバーターを実装し、電圧をステップアップします。レコードプレーヤーの速度は、生成されたAC周波数を変更することにより制御されます。これにより、標準のレコード速度（16、33、45、および78 rpm）と光学センサーを使用したリアルタイム速度補正を電子切り替えることができます。このアプローチは、ACモーターを備えたターンテーブルでのみ機能することに注意してください。

このデバイスは、「Advanced Power Management」（APM）を含むMagicQuartzバージョン1.0「Phoenix」の最も重要な機能をサポートしています。ただし、LCDバックライトとファンのスタンバイがなく、ハードウェア側のポップ抑制を実装していません。

ライセンス

このリポジトリの情報とファイルは、CERN-OHL-S V2オープンソースライセンスの下で提供されます（詳細はここをクリックしてください）。

免責事項

このリポジトリの唯一の目的は、MagicQuartzファームウェアの機能を実証するために、簡単に生成できるハードウェア設計を提供することです。これまで、この設計は、電気の安全性、電磁コンプライアンス（EMC）、および火災の安全性に関して評価されていません。この設計に基づいて製造されたデバイスは、エンドユーザーには適していません。

このデバイスの構築と操作に関連するいくつかの深刻な危険があります。十分な知識がない場合は、デバイスを構築または操作しようとしないでください。このリポジトリの情報は、意図的にアセンブリの指示を構成しないことに注意してください。また、CERN-OHL-S V2ライセンスのセクション6と以下の安全性に関する考慮事項にも注意してください。

ハードウェアデザイン

安全上の考慮事項

• このデバイスは高電圧を生成することができ、死亡を含む火災や重傷を引き起こす可能性があります。
• このデバイスは、パルス幅変調（PWM）を使用して高電流を切り替え、他の電子機器や無線機器との干渉を引き起こす可能性があります。
• デバイスはITネットワーク（Isolé-Terre）を作成します。これは、アプライアンスの数（つまり、モーターまたはターンテーブルなど）と、デバイスに安全に接続される断熱タイプに影響を及ぼします。
• 測定を実行するときは非常に注意してください！オシロスコープを使用して、変圧器の高電圧側を測定しようとしないでください！低電圧側で信号を完全に検証できるため、これを行う必要はありません。この点で、デジタルアンプの負の出力は地面に接続されていないことにも注意してください。 ArduinoのUSBポートやPCの上に、回路が接地されている間に測定を実行するときに、オシロスコープやその他の機器を損傷するという深刻なリスクがあります。該当する場合はガルバニックアイソレーターを使用します。
• デバイスが接続されたコンポーネントに損傷を与えるという深刻なリスクがあります。例としては、ストロボランプがあります。これは、電圧スパイクまたは過剰な電圧、または位相シフトコンデンサに依存する固定周波数ACモーターによって簡単に損傷する可能性があります。また、PWMキャリア信号がステレオシステムのオーディオパスを通過し、スピーカーに損害を与えるリスクもあります。さらに、ソフトウェア側のポップ抑制が使用されていますが、デバイスの電源を入れたときに電圧スパイクが発生することに注意してください。このため、ターンテーブルがオンになる前にデバイスをオンにする必要があります。
• 個々のプレハブモジュール（特にアンプ、ステップダウンコンバーター、マイクロコントローラーボード）には、さまざまなメーカーとさまざまな品質の電子コンポーネントが含まれている場合があります（セクション「既知の問題」を参照）。ハードウェアの障害が発生した場合、これはさらに予期せぬ結果的な損傷につながる可能性があります。したがって、組み立てられたデバイスは無人で操作しないでください。
• 3Dプリントされた成分の機械的、電気的、化学的特性は、時間とともに変化または劣化する可能性があることに注意してください。

OpenSCAD 3Dモデル

OpenSCADファイルを使用して、デバイスを事実上探索し、3Dプリントを物理的なエンクロージャーに3Dプリントすることができます。

注：正面のシンボルが正しく表示されていない場合、「Symbola」フォントをインストールする必要があります（Ubuntuパッケージ名： fonts-symbola ）。

部品の概要と印刷メモ

以下の表は、3Dモデルのすべての3Dプリント可能な部分の概要といくつかのメモを示しています。印刷時間は合計で約22時間であることに注意してください（Ultimaker 2）。

STLファイルはreleaseフォルダーでご利用いただけますが、OpenSCADで簡単に生成できます。変数render_components falseに設定し、変数generateの値をそれぞれの部品番号に変更します。次に、F5を押してパーツをプレビューし、F6をレンダリングし、F7をSTLファイルをエクスポートします。高速コンピューターでも、レンダリングプロセスにはかなりの時間がかかる場合があることに注意してください。また、生成されたオブジェクトはすでに印刷用に適切に方向付けられていることに注意してください。

Curaバージョン5.1.1から5.3.0で、特に「バック」部分で印刷に問題がありました。スライサーはいくつかの重要なアーティファクトを作成し、予想どおりにテキストを処理しませんでした（テキストの最後のレイヤーは予想どおり印刷されていません）。 4.13.1に戻りました。

以下の表に加えて：

• 「ツリー」サポートを使用してすべての部品を印刷します。
• 「グリッド」インフィルパターンを使用してすべての部品を印刷します（パート3を除く、メモを参照）。
• 0.2 mm層の高さですべての部品を印刷します（パート8を除く、メモを参照）。
• 接着型「ブリム」ですべての部品を印刷します（パート8を除く、メモを参照）。

パートNR。	名前	提案された色	メモ /例外
1	下のプレート	黒	「ツリー」サポートなしで印刷することができます。
1	ボトムプレート（マテリアルセーバー）	黒	フィラメントを節約しますが、頑丈ではありません。 「ツリー」サポートなしで印刷することができます。
2	前部下部	白	「サポートx/y距離」を1.6 mmに設定して、スライサーが空気インレットでサポートを作成しないようにします。
3	フロントセンターパーツ	透明	「稲妻」インフィルパターンを使用して、「石英のような」外観を作成します。
4	前部上部	白
5	カバー	茶色	装飾的なフォイルを適用する予定がない場合は、このバリアントを印刷してください。
5	カバー（マテリアルセーバー）	（どれでも）	装飾的なホイルがエッジに適切に接着しない場合は、端の表面をわずかに下に砂で覆います。
6	足（印刷4x）	銀	「Brim」なしで印刷される場合があります。
7	電圧計カバー	正面として
8	ボタンアセンブリ	銀	強度を改善するために0.1 mm以下で印刷し、接着サポート（BRIM）を使用しないでください。上層のアイロンを有効にします。
9	戻る	白
10	ダミーソケット	戻って	「縁」なしで印刷します。
11	光学センサーケース	黒

コンポーネント

使用するコンポーネントは、OpenSCADおよびKICADプロジェクトから簡単に識別できる必要があります。これがすぐに明らかではないコンポーネントの場合、いくつかの詳細を次に示します。

• ネジ：すべての部品は、2.2x9.5 mmを使用するLCDおよび電圧計カバーを除き、2.9x9.5 mmの「DIN 7981 CH」、2.9x9.5 mmタイプのセルフタッピングネジと一緒に保持できます。もちろん、DINネジは同様の互換性のあるネジでも置き換えることができます。
• ケーブルタイ：エンクロージャーは、トランス、内部ファン（アンプタイプ2にのみ使用）、高電圧ネジ端子など、さまざまなコンポーネントをケーブルタイで取り付け、ACアウトケーブルを保護するように設計されています。エンクロージャーの中央にあるバーを使用して、ケーブルタイでワイヤを取り付けることができます。
• アンプ： OpenSCADデザインは現在、TDA7498およびTPA3116D2チップに基づいた2種類のデジタルパワーアンプボードの調整をサポートしています（以下のレンダリングを参照）。最初のタイプは非常に脆弱であるようで、約28Vが必要です。 2番目のタイプはより堅牢で、24Vでうまく機能しますが、ノイズが多く、より良いヒートシンクが必要です。ただし、他のタイプに対応するために設計を変更することができます。カスタム開発に使用できる3番目の「プレースホルダー」タイプもあります。
• トロイド変圧器： "RKT 5012"（50VA、220V〜2x12V）と入力します。両方のアンプチャネルに負荷を分配するために、アンプの2つの出力チャネルを介して2つの12V変圧器巻線を並行して駆動できます。その場合、2つの巻線が実際に並行して逆に駆動され、逆ではないことを確認することが重要です。アンプの「r+、r-、l+、l-」の接続シーケンスが与えられた場合、作業配線シーケンスはRKT 5012の「赤、黄、青、緑」です。注意！操作中、220Vのタッピングはライブです。
• ACボルトメーター： 「YB27A」、60-300V ACと入力し、元の住宅から削除されました。電圧計はライブであり、電気ショックのリスクがあることに注意してください。ワイヤを拡張または交換する必要がある場合は、適切な電圧定格があることを確認してください。
• 電源スイッチ： 「KCDI-101」と入力します。
• DC/DCコンバーターボード： LM2596Sに基づくステップダウン電圧レギュレーターボード（以下の「既知の問題」も参照）。
• ヒューズ：ヒューズ1は回路全体をカバーし、実装された電力評価に従ってサイズを立てる必要があります。たとえば、50VAトランスと24Vの電源が使用されている場合、2Aヒューズが適切な場合があります。ヒューズ2は、上のコンポーネントを保護し、「Mega 2560 Pro」ボードに接続するために使用されます。したがって、125MAの急速に作用するヒューズを使用することは合理的です。

KICAD回路図とPCB

このリポジトリには、メインボード用の電子回路も含まれています。 PCBは、迅速なプロトタイピング用に設計されており、たとえば小さなCNCまたはエッチングで片面に生成できます。ただし、オプションの上部銅層を使用して、シールドを改善できます。もちろん、PCBはあらゆるPCBメーカーが製造することもできます。

メインボードは、「Mega 2560 Pro」ボード（概略図でU1と表される）の周りに構築されています。著者の知る限り、このボードはもともとRobotdynによって開発されました。残念ながら、それはもはや利用できないようですが、他の企業による再メーキは広く利用可能です。 RobotdynのWebページのアーカイブバージョンについては、ここをクリックしてください。

電子回路は非常にシンプルで、自明である必要があります。ただし、次のポイントはいくつかの特別な側面を説明しています。

• 電源：コネクタJ2（「電力」）は、ピン2および3を介して外部電源からメインボードに電力を供給するために使用されます（通常、概略図の「+24V」とラベル付けされたアンプの電圧要件に応じて）コネクタJ2は、ピン1および4を介してアンプボードの電源にも使用されます。J2のピン1は、アンプ電流を測定するために使用される2番目の地面（GND1）に接続されていることに注意してください（以下を参照）。
• DC/DCコンバーターボード：上記のように、メインボードには24-32V（「+24V」とラベル付け）が付属しています。ただし、U1ボードには、7V〜12Vの電圧が必要です（「+7.5V」とラベル付け）。線形レギュレータとの大きな電圧の差を克服することは実用的ではないため、コネクタJ3（ "DC/DC"）を使用して、外部DC/DCステップダウンコンバーターボードを接続できます（OpenSCADデザインを参照）。 U1は、オンボード線形電圧レギュレータ（AMS1117）を使用して5Vを作成します。エンクロージャーは、ファンを強化するために特に2番目のDC/DCコンバーターボードに対応できます。ただし、ファンが最初のボードからの電圧でうまく実行された場合、この最初のコンバーターボードに接続することもできます。
• Jumper "Enable APM"： U1のデジタルピンD27をGNDに引っ張ることができます（ジャンパーJ1 "Enable APM"が閉じられています）。現在のセンシング回路が利用可能であることをファームウェアに伝えます。
• 電流測定：電流測定は次のように機能します。電力セクション（デジタルアンプボード）の電流は、抵抗R4（0.15オーム、3W）を横切る電圧降下を介して測定されます。測定された電圧は、C7およびR5を介してローパスフィルターされ、U2Aを介してマイクロコントローラーのADCで簡単に測定できる電圧レベルになります。
• ローパスフィルター： PWMローパスフィルターセクションは、単純なRCフィルターを使用して、マイクロコントローラーからPWM信号を1つまたは2つのアナログ正弦波に変換します。フィルターは、約200 Hzのカットオフ周波数を持つように設計されており、可能なAC周波数のいずれかを通過するのに十分な高さですが、PWMキャリア信号をブロックします。フィルターは、デュアルフェーズインバーターが実装される場合に2回実装されます（追加の変圧器と別のエンクロージャーが必要です）。単相構成の場合、1つのフィルターセクションのみを装備し、アンプの入力で2つのチャネルをブリッジすることをお勧めします。これにより、ユーザーがファームウェアの位相シフトを誤って変更した場合、アンプに損傷を与えるリスクがなくなります。

ブロック図

これは、すべての内部接続の概要を提供するブロック図です。

既知の問題

AMS1117電圧レギュレータ

「Mega 2560 Pro」ボードは、疑わしい品質の「AMS1117」5V電圧レギュレーターを使用する場合があります（この興味深いブログ投稿を参照）。レギュレータは、完全または部分的な内部ショートで故障し、回路の残りの部分に入力電圧（7.5V）を渡すことができます。これは、他のコンポーネント（Atmega2560を含む）を損傷するだけでなく、生成された正弦波信号のレベルを上げる可能性もあります。その結果、インバーターは過度の電圧を生成し、ターンテーブルを損傷する可能性があります。

この問題は、AMS1117を、Texas InstrumentsによるLM1117などの有名なメーカーからの別の「1117」タイプのレギュレーターに置き換えたり、台湾半導体によるTS11117に置き換えることで克服できます。もちろん、この部品は、評判の良い電子販売業者から購入する必要があります。古いレギュレーターは、余分な新鮮なはんだを3つのピンに塗り、すべてを加熱し、はんだ鉄で拭き取ることで、簡単に脱細胞化できます。

レギュレーターに応じて、追加の10UFタンタルコンデンサをレギュレーターの入力と出力に追加する必要がある場合があります（データシートを参照）。 TS1117に基づくこのような変更は、この画像に示されています：画像/TS1117-Modification.jpg。 2つの新しい黄色のタンタルコンデンサと追加のヒューズに注意してください（以下を参照）。コンデンサの極性を注意深く観察してください！

より洗練された（そしておそらくオーバーザトップ）ソリューションは、クローバー回路とヒューズをデザインに追加することです。クローバーサーキットは、「Mega 2560 Pro」の小さなピギーバックボードとして提供できます。このようなアドオンは、https：//github.com/sebmate/littlejimmyで入手できます。 SpeedBox：Images/LittleJimmy.jpgに取り付けられた写真があります。

ヒューズは実際にはクローバー回路にのみ必要ですが、一般的に追加することには何の問題もありません。上記のブロック図とエンクロージャーの背面パネルは、このヒューズを組み込むためにすでに拡張されています。上記のように、回路は7.5Vで約100mAを描画しているため、125MAの急速に作用するヒューズを使用することは妥当です。

LM2596S DC/DCコンバーターボード

これらの安価なステップダウンボードは、おそらく元のLM2596S ICを使用していません（詳細については、このリンクを参照してください）。しかし、これまでのところ、私はこれらに問題がありませんでした。上記のCrowbar回路は、「Mega 2560 Pro」ボードに設置された場合、このようなLM2596S DC/DCコンバーターボードの障害の可能性に対するある程度の保護を提供します。

部品リスト

部品リストは、ディレクトリparts-listsで利用できます。

リストの1つは、ドイツのエレクトロニクスディストリビューターライヒェルト用です。このリストは、このリンクを介して直接アクセスすることもできます：https：//www.reichelt.de/my/2038407。このリストには、不可欠ではない代替部品も含まれています。したがって、リストは盲目的に注文しないでください。私はライヒェルトと提携しておらず、あなたの便利さのためにこのリストのみを提供していることに注意してください。部品は、他のベンダーから低価格で利用できる場合があります。

アセンブリノート

• すべての部品が配置されたら、アセンブリが約2晩かかると仮定します。
• メインボードとディスプレイの組み合わせは、他に接続されることなく完全にテストできます（リアパネル、アンプ、DC/DCコンバーターへのケーブルなど）。これは、USBを介して「Mega 2560 Pro」ボードに電力を供給することで機能します。
• ディスプレイの手動配線は非常に時間がかかります。コネクタベースのソリューションを使用することをお勧めします。 16のディスプレイラインすべてが必要なわけではないことに注意してください。
• DC/DCコンバーターを介してメインボードとファンを接続および電源にする前に、事前にそれらの電圧を設定することが不可欠です（例えば、上記のように7.5Vに）。
• ヒューズホルダーの指定されたネジは長すぎて、背面パネルを突破する可能性があります。ヒューズホルダーを取り付けるときは注意して、より短いネジの使用を検討してください。
• 組み立てられたデバイスの写真はimagesフォルダーで入手できます。これらは、Littlejimmy回路と2番目のヒューズによる最新の改訂をまだ示していないことに注意してください。

初期化手順

次の手順では、最初にデバイスをセットアップする方法について説明します。

• 初めて電源を入れる前に、アンプボードボリュームコントロールを完全に下にします。
• ファームウェアを点滅させてモーターセットアップを実行するためのMagicQuartzドキュメントのセクション4「Getting Ort」の指示に従ってください。
• 「モーターセットアップ」ルーチンが波形（パラメーターWaveForm ）について尋ねると、これを2に設定します。
• 電圧（パラメーターVoltageMtOn ）の設定に関しては、ドキュメントでは、スピードボックスにインストールされているインバーターがレベルコントロールを持っているかどうかに依存するというドキュメントが述べています。持っています：それはアンプのボリューム制御です。ドキュメントの説明に従って進みます。Voltagemton VoltageMtOn 1に設定し、目的の電圧（例えば220V）に到達するまで、アンプのボリューム制御をゆっくりと慎重に上げます。アンプが保護状態に切り替わる場合は、再試行してください。
• インバーターのシャットダウン検出は、 RampingSpeed値が低すぎてインバーターを再起動することにより、ソフトウェアドキュメントのセクション4.3で説明されているようにテストできます。機能しない場合、ファームウェアの測定された電流値が測定範囲の下端（0〜1023）にある場合、R7を470 KOHMなどの高い値抵抗器に置き換えることができます。