Стимулятор E-Stim 2B очень удачная и востребованная модель. Возможно, понимание работы сего устройства поможет в создании собственных элктростимуляторов. На основе анализа дорожек печатной платы, была составлена электрическая принципиальная схема E-Stim 2B. Схема, с некоторыми пояснениями, приводится в статье.
Прошу учесть, что могут содержаться некоторые неточности в описании работы прибора или ошибке в восстановленной схеме. Для лучшего восприятия, схема условно разбита на блоки.
Питание E-Stim 2B
Питаться устройство может от батареи 9 В типа «Крона»/«Корунд» или внешнего адаптера напряжением до 12 В.
Стабилизатор DS (LE50A) выдаёт напряжение 5 В, которое питает микроконтроллер, микросхему усилителя и другие элементы. Нестабилизированное напряжение 9 В…12 В используется для стимулирования (после предварительно повышения трансформаторами).
Точка Us – обозначает стабилизированное напряжение 5 В, а Un – повышенное нестабилизированное.
Два диода VD1 и VD2, включенные параллельно, обеспечивают развязку источников питания. Допускается одновременное подключение двух источников.
При питании от источника 12 В стимуляция будет сильнее, чем от батареи 9 В.
В качестве VD1 применяется 1N5818, маркировку VD2 разобрать не удалось (1N40??). Диод VD1 установлен на плате вертикально и спрятан под термоусадочной трубкой.
Цепь питание самого микроконтроллера показана на следующем рисунке.
Питание подается на выводы 11 и 12 микроконтроллера. Конденсатор C2 сглаживает пульсации.
На выводе 2 контролируется напряжение источника питания, что позволяет определять степень разряженности батареи. Резисторы R1-R2 образуют делитель напряжения. Напряжение на выводе 2 микроконтроллера определяется формулой:
U2 = Un * R2 / (R1+R2) = Un * 0,3125
Для чего нужна цепочка R3-R4 и что контролируют выводы 1 и 7 – неизвестно. Место под джемпер JP на печатной плате есть, но сам он не установлен.
Дисплей E-Stim 2B
Дисплей HG1 двухстрочный по 16 символов. Сигналы индикации на дисплей идут напрямую с микроконтроллера.
Подстроечный резистор R6 на 10 кОм (3362P-1-103LF) служит для настройки контрастности.
Сам дисплей питается стабилизированным напряжением. Подсветка дисплея обеспечивается нестабилизированным питанием через резистор R7 на 100 Ом. Ключ на транзисторе VT1 (BC548) и резистор R5 на 100 кОм служат для включения / отключения подсветки дисплея по управляющему сигналу с микроконтроллера.
Органы управления E-Stim 2B
Особых пояснений тут не требуется, все понятно из схемы.
Ручки управления EN1–EN3 – это энкодеры. Скорее всего Bourns PEC16-4220F-N0024. Но на замену, если что, подойдут и RONGLAN SOUNDWELL EC16.
Светодиоды мерцают в такт стимуляции.
Обработка аудио-сигналов в E-Stim 2B
В стимуляторе E-Stim 2B встроена функция интерпретации внешних аудио сигналов и преобразования их в сигналы электростимуляции.
Внешний сигнал может приходить как по аудиокабелю с плеера, так и браться со встроенного в E-Stim 2B микрофона.
Для усиления аудиосигналов используется микросхема OP1 (LP324N) содержащая 4 операционных усилителя. Два операционных усилителя (OP1.1 и OP1.2) служат для усиления левого и правого каналов стереосигнала с кабеля.
Усилитель OP1.3 усиливает сигнал с микрофона.
С разъема кабеля есть прямое подключение к контактам 25 и 26 микроконтроллера. Это используется не для обработки звука, а при обновлении прошивки микроконтроллера или управлении E-Stim 2B с компьютера через интерфейсный кабель «2B Digital link Interface».
Четвёртый операционный усилитель OP1.4 не задействован, его 12 и 13 входы замкнуты на минус.
По идее, питание микросхемы LP324N должно осуществляться через выводы 4 и 11. Однако, какого-либо подключения к 11 ноге на печатной плате нет, и это очень странно.
На 4 вывод подается «+» стабилизированного напряжения.
Дополнение от 24.04.2019
Все три усилителя (OP1.1, OP1.2 , OP1.3) подключены по неинвертирующей схеме. Пары резисторов R17, R18, а также R21, R22 и R26, R27 образуют делители напряжения, которые задают опорное напряжение на неинверсных входах ОУ.
Номиналы всех упомянутых резисторов раны 33 кОм, опорное напряжение будет равно 2,5 В:
Uоп. = 5 В * (33 К + 33 К)/33 К = 2,5 В
Рассчитаем коэффициенты усиления К:
K op1.1 (микрофон) = R29 / R28 + 1 = 220 кОм / 1 кОм + 1 = 221
K op1.2 (левый канал) = R20 / R19 + 1 = 33 кОм / 2,7 кОм + 1 = 13,22
K op1.3 (правый канал) = R24 / R23 + 1 = 33 кОм / 2,7 кОм + 1 = 13,22
Результатом работы усилителей будет преобразование сигналов в прямоугольные импульсы, которые в дальнейшем обрабатываются микроконтроллером.
Порог переключения всех усилителей определён опорным напряжением в 2,5 В. При входном сигнале ниже 2,5 В (с учетом коэффициента усиления), на выходе будет 0 В, при сигнале выше 2,5 В (с учетом коэффициента усиления) — 5 В.
Схема стимуляции в E-Stim 2B
Два идентичных канала для стимуляции. Рассматривать будем только канал A.
Интегрирующая RC-цепь с постоянной времени 0,47 сек. образована элементами R30, C12.
Напряжение с конденсатора C12 усиливается транзисторами VT2, VT6 и поступает на трансформатор TV1.
Заряжающие конденсатор C12 импульсы, через резистор R30, поступают с объединенных выходов микроконтроллера 9 и 16.
Ключом на транзисторе VT3 управляют импульсы с выхода 23 микроконтроллера.
Получается, что в формировании стимулирующих импульсов участвуют два сигнала от микроконтроллера. Первый (выводы 9 и 16) заряжает конденсатор, второй (вывод 23) – в нужные моменты коммутирует прохождение напряжения с конденсатора на усилитель.
В качестве выходных трансформаторов TV1, TV2 применены трансформаторы Eagle LT700 (Audio Output Transformer, мощность 0.25 Вт, импенданс 1.2 кОм/3.2 Ом, сопротивление 70 Ом/0.5 Ом, соотношение 19.4 близко к теоретическому на частоте 1 кГц).
Схема E-Stim 2B полностью
На фотографию печатной платы E-Stim 2B добавлены обозначения элементов, которые соответствуют приведенной схеме. Эти обозначения не совпадают с нанесенными производителем обозначениями на печатной плате.
Схема целиком на рисунке ниже.
Работа E-Stim 2B – это не только схема, но и прошивка микроконтроллера PIC (18F4520-I/P). Оригинальную прошивку из микроконтроллера не вытащить (точнее это очень дорого). Те обновления прошивок, что доступны на сайте производителя, зашифрованы. Они расшифровываются загрузчиком, который уже сидит в памяти микроконтроллера, но доступа к нему нет.
Номиналы элементов
Микроконтроллер
PIC – 18F4520-I/P (MicroCHIP)
Стабилизатор
DS – LE50A
Операционный усилитель
OP1 – LP324N
Диоды
VD1 – 1N5818
VD2 – 1N4001
Транзисторы
VT1-VT5 – BC548
VT6, VT7 – BD438
Резисторы
R1, R29 – 220 кОм, 1% – красный, красный, черный, оранжевый, коричневый
R2-R5, R11-R16 – 100 кОм, 1% – коричневый, черный, черный, оранжевый, коричневый
R6 – 3362P-1-103LF – 10 кОм, подстроечный
R7 – 100 Ом, 1% – коричневый, черный, черный, черный, коричневый
R8-R9, R19, R23, R31, R33 – 2.7, кОм 1% – красный, фиолетовый, черный, коричневый, коричневый
R10, R25, R30, R32 – 10 кОм, 1% – коричневый, черный, черный, красный, коричневый
R17-R18, R20–R22, R24, R26-R27, R36-R37 – 33 кОм, 1% – оранжевый, оранжевый, черный, красный, коричневый
R28 – 1 кОм, 1% – коричневый, черный, черный, коричневый, коричневый
R34-R35 – 30 Ом, 1% – оранжевый, черный, черный, золотой, коричневый
Конденсаторы
C1, C4, C7, C9-C10 – 10 мкФ, 16 В, электролитический
C2 – 0.1 мкФ, скорее всего керамический
C3, C6 – 1 мкФ, 50 В, электролитический
C5, C8, C11 – 4.7 нФ, скорее всего керамический
C12-C13 – 47 мкФ, 16 В, электролитический
Дисплей
HG1 – LCD 1602
Энкодеры
EN1–EN3 – Bourns PEC16-4220F-N0024 или RONGLAN SOUNDWELL EC16
Трансформаторы
TV1-TV2 – Eagle LT700
Замечания и предложения приветствуются…
Цепочка R3-R4 и выводы 1 и 7 – нужны для перевода контроллера в режим программирования (скорее всего).
Попытался симулировать схему в Протеусе (ver.2B106.2bfx) — к сожалению работает только начальная заставка, выходы не работают, реакции на кнопки и энкодеры нет.