Usb-Audio-Dac Elektor(German).pdf

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COM PUTER
USB-Audio-DAC
Mini-Soundkarte für PC
Die Schaltung ist ideal für PCs und Laptops, die
über keine Soundkarte, wohl aber einen freien
USB-Anschluss verfügen. Aber auch für andere
Anwendungen und allerlei Experimente erweist
sich die Mini-Soundkarte als nützlich.
Die Schaltung ist bemerkenswert
kompakt, da sie einen hochintegrier-
ten D/A-Wandler beherbergt, der
lediglich zwei externe Opamps und
ein paar diskrete Bauteile benötigt.
Einfacher Aufbau ist aber nicht
gleichbedeutend mit geringer Qua-
lität des USB-Audio-DACs, ganz im
Gegenteil.
Der Audio-DAC verfügt über ein
USB-Interface, das die 1.0-Spezifika-
tionen erfüllt. Es akzepiert 16 bit
breite USB-Stereo- und Mono-Daten-
ströme und ist mit einem Digitalfilter
mit achtfacher Überabtastung aus-
gestattet. Die Schaltung verfügt über
einen so genannten e nhanced multi-
level delta-sigma-modulator , der sich
für Sampling-Frequenzen von 32 kHz,
44,1 kHz und 48 kHz eignet. Dane-
ben versieht er noch seinen Dienst
als digitaler Abschwächer,
beherrscht soft mute und verfügt
über eine optische Suspend- und
Playback-Anzeige. Die USB-Sound-
karte benötigt unter Windows 98
und höher keine eigenen Treiber.
Gut und schön, doch zu welchen
klanglichen Resultaten führen diese
Features? Sie können den Mess-
Ergebnissen entnehmen, dass diese
Resultate erstaunlich gut sind.
16
Elektor
12/2000
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COM PUTER
D/A-Wandler mit USB
Die Schaltung wird durch einen zweikanali-
gen Single-chip-D/A-Wandler mit integrier-
tem USB-Interface-Controlller beherrscht.
Bild 1 zeigt das Innenleben dieses Burr-
Brown-Wandlers mit der Bezeichnung
PCM2702. Ausführliche Informationen dazu
enthält das Datenblatt in der Heftmitte.
Die Steuer- und Dateninformationen werden
dem PCM2702 über die USB-Anschlüsse D+
und D- zugeführt. Alle Daten vom und zum IC
werden mit maximaler Geschwindigkeit
übermittelt. V BUS (Pin 8) und DGNDU (Pin 9)
sind ebenfalls mit dem USB verbunden. V BUS
nimmt keinerlei Leistung auf und detektiert
lediglich den Busanschluss.
Der PCM2702 verfügt über zwei Interfaces,
die jeweils durch ihre spezifische Einstellung
definiert werden. Interface #0 kennt nur die
Einstellung #0, die ein Standard-Audio-
Steuerungs-Interface beschreibt. Die wich-
tigsten drei Anschlüsse des Interfaces dieser
Einstellung sind Ein- und Ausgangspin und
die features unit . Der Eingangspin akzepiert
Zweikanal-Audio-Datenströme, der Aus-
gangspin ist als speaker definiert. Die feature-
unit unterstützt die Lautstärke- und die
Mute-Regelung.
Bild 1. Blockschaltbild des Single-chip-D/A-Wandlers PCM2702.
Mess-Ergebnisse
(ermittelt bei 0 dB, 44,1 kHz, wenn nicht anders angegeben)
Eingangssignal
USB-Audiodaten
Nominelle Ausgangsspannung
62 % V CC (1,096 V eff bei 5,000 V)
Frequenzbereich (belastet mit 10 k
Ω
)
5 Hz ... f S /2 (f S = 32/44,1/48 kHz)
Amplitude bei 20 kHz
–0,25 dB
Der eingebaute digitale Lautstärke-
Abschwächer arbeitet in Stufen von 1 dB im
Bereich 0,0 dB bis -64 dB. Dabei wird jeder
Kanal getrennt eingestellt, es ist aber auch
eine Master-Regelung für beide Kanäle
gleichzeitig möglich. Beim Stummschalten ist
dies natürlich sowieso der Fall.
Interface #1 kennt drei Einstellungen. Ein-
stellung #0 korrespondiert mit zero band-
width , einer Art Mute-Funktion. Einstellung
#1 wählt ein 16-bit-Stereo-, Einstellung #2
ein 16-bit-Mono-Signal.
Der PCM2702 fordert einen 12-MHz-Takt, um
den USB-Datenverkehr und alle Audio-Funk-
tionen abzuwickeln. In dieser Schaltung über-
nimmt die Aufgabe ein externer Quarz und
ein interner Oszillator, es ist aber auch mög-
lich, einen externen Takt über Anschluss XTI
einzuspeisen.
Das IC umfasst einen automatischen Power-
up-Reset, die die Logik beim Einschalten
initialisiert. Ist dies geschehen und die Schal-
tung am USB angeschlossen, kann der
PCM2702 Audiodaten empfangen.
Bandbreite Analogfilter (2. Ordnung Tschebytscheff)
30 kHz
Ausgangsimpedanz
100 Ω
Signal/Rausch-Verhältnis
>101 dB(A)
THD+N
(1 kHz, B=80 kHz)
<0,0035 %
(20 kHz, B = 80 kHz)
<0,025 %
IMD
(60 Hz/7kHz = 4:1)
<0,006 %
Kanaltrennung
>116 dB
Sperrband-Abschwächung digitales Filter
>82 dB
Stromaufnahme
<60 mA
Die Verzerrungswerte sehen ohne Ausnahme gut aus, ebenso das Signal/Rausch-
Verhältnis. Die Frequenzcharakteristik (gemessen mit einer Test-CD) weist für
eine Soundkarte einen außerordenlich flachen Verlauf auf. Wie im Diagramm zu
sehen, besteht die einzige Unrgelmäßigkeit in einer kleinen Zunahme der Ampli-
tude im oberen Frequenzbereich. Diese vom Tschebytscheff-Ausgangsfilter verur-
sachte Welligkeit ist aber nur aufgrund der feinen Skalierung der Amplitudenskala
sichtbar und liegt unter 0,25 dB!
+2
+1.75
+1.5
+1.25
+1
+0.75
+0.5
+0.25
d
r
-0
-0.25
Standard-Applikation
-0.5
-0.75
-1
Die Schaltung in Bild 2 entspricht größten-
teils der des Evaluation-Boards DEM-
PCM2702 von Burr-Brown. Neben dem IC
beschränkt sich der Einsatz aktiver Bauteile
auf zwei BC-Transistoren und einen Span-
-1.25
-1.5
-1.75
-2
20
50
100
200
500
1k
2k
5k
10k
20k
000169 - 14
Hz
12/2000
Elektor
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COM PUTER
5V
PLAYBACK
SUSPEND
D3
D4
D1
8
C5
C7
C8
C9
C10
C18
IC2
2x
1N4148
10µ
63V
100n
100n
100n
100n
470n
D2
4
R6
R7
IC2 = OPA 2353UA
2x
BC557B
T1
T2
R9
R1
C13
C1
C2
270p
10µ
63V
100n
R8
10k0
R10
8k25
2
L
C14
R11
100 Ω
1
4
2
10 11
17
25
27
22
IC2a
C12
3
3µ3
R12
1n5
K1
R2
22 Ω
R3
22 Ω
R4
22 Ω
12
ZERO
23
C11
100n
VOUTL
6
7
8
3
D+
21
D-
IC1
2
VCOM
VBUS
PCM2702
1
19
VOUTR
C6
10µ
63V
16
15
14
13
TEST0
TEST1
TEST2
TEST3
4
C15
5
C17
R16
100 Ω
R17
USB
7
1n5
IC2b
R13
10k0
R15
8k25
XTI
XTO
6
3µ3
R
5
3
9
1
28
18 24 26 20
R5
1M
X1
R14
C16
270p
C3
C4
18p
18p
12MHz
5V
C26
C23
IC3
78L05
>9V DC
>8V AC
22n
22n
B1
C25
C24
22n
22n
C22
C21
C19
C20
470µ
25V
100n
100n
10µ
63V
B80C1500
000169 - 12
Bild 2. Die erstaunlich einfache Schaltung der Mini-USB-Soundkarte.
K1
H2
C21
IC3
IC1
B1
C19
C25
C26
C23
C24
C12
C13
R16
R17
R11
R12
H4
R
L
OUT2
OUT1
Bild 3. Da beide ICs SMDs sind, kann die doppelseitige Platine schön klein gehalten werden. Herausragend: die USB-Buchse.
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Elektor
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COM PUTER
nungsregler. Ein paar passive Kom-
ponenten runden das Ganze ab.
Kleine Unterschiede zum DEM gibt
es dennoch. So finden sich auf unse-
rer Platine keine Buchsen für die Ver-
sorgungsspannung und den Audio-
Ausgang.
Statt dessen lässt sich an den bei-
den mit einem ~Zeichen versehenen
Lötnägeln entweder ein Stecker-
netzteil (Polarität spielt keine Rolle)
oder ein kleiner Netztrafo an-
schließen (>8 V eff , >0,5 VA). Ein
Gleichrichter samt Spannungsregler
ist auf der Platine vorhanden. Hat
man die Wahl, sollte man sich für ein
gutes, stabilisiertes Steckernetzteil
entscheiden, da die Unterdrückung
der Welligkeit des Spannungsreglers
IC3 unter 50 dB liegt.
Zum Anschluss der aktiven Laut-
sprecher oder einer Audio-Lei-
stungsendstufe kann eine Mini-Klin-
kenbuchse, aber auch eine Cinch-
Buchse verwendet werden. An den
Lötnägel lässt sich aber auch gut ein
Koaxial-Kabel (mit Cinch-Steckern
auf der Gegenseite) befestigen.
Da die USB-Mini-Soundkarte einen
relativ hohen Strom von ungefähr 60
mA fordert, sollte man sie nicht aus
dem USB-Port versorgen. Mit einem
zweiten USB-Gerät ist der zulässige
Wert von 100 mA schnell überschrit-
ten. Gegen die Versorgung aus
einem USB-Hub ist natürlich nichts
einzuwenden. Der PCM2702 verfügt
über eine großzügige Entkopplung
der Versorgungsspannung, so dass
zusätzliche (SMD-) Kondensatoren
überflüssig sind. Zur HF-Entkopp-
lung werden wie üblich keramische
100-nF-Kondensatoren (Rastermaß 5
mm) eingesetzt.
Beim Oszillator stellen C3 und C4 die
kapazitive Last des Quarzes dar (hier
C3/2 + C PARASITÄR mit C3 = C4). An
XTO lässt sich die Frequenz über-
prüfen, sie sollte höchstens 500 ppm
abweichen.
Bei diesem Audio-DAC werden keine
Sallen&Key-, sondern Multiple-Feed-
back-Filter (MFB) eingesetzt, so dass
dankenswerterweise der Ausgang
V COM und somit eine Gleichspan-
nungskopplung zwischen DAC und
Filter eingesetzt werden kann.
Dadurch sind die Opamps genau auf
die halbe Versorgungsspannung ein-
gestellt. Ein Vorteil der MFB-Filter
stellt außerdem ihre geringe Emp-
findlichkeit für Bauteiltoleranzen dar.
Die halbe Versorgungsspannung
wird durch C11 zusätzlich HF-ent-
koppelt. Da es sich hier nur um Filter
2. Ordnung handelt, lässt sich durch-
aus eine Tschebytscheff-Charakteri-
stik anwenden: Bei einer Welligkeit
von nur 0,25 dB erzielt man eine
deutlich geringere Bandbreite des
Ausgangsfilters und damit bessere
Unterdrückung von Mischprodukten
außerhalb des Audiospektrums als
bei anderen Filtercharakteristika.
Als Verstärker im Ausgangsfilter ver-
wenden wir wie im Original rausch-
Zubehör im Netz
Bei Burr-Brown findet man nicht nur die
kompletten Datenblätter der beiden einge-
setzten ICs, des PCM2702 unter
www.burr-brown.com/downloads/
DataSheets/PCM2702.pdf
sowie des sehr interessanten Doppel-
Opamps OPA2353UA unter
www.burr-brown.com/downloads/
DataSheets/PCM353.pdf
sondern auch ein Filterprogramm, mit dem
man die bekannten Sallen&Key- und die hier
eingesetzten MFB-Filter berechnen bezie-
hungsweise modifizieren kann. Dazu lädt
man das Programmpaket FilterPro als kom-
primierte Datei von der Adresse
www.burr-brown.com/
applications/filter.zip
die unter anderem das DOS-Programm fil-
ter2.exe enthält.
In filter2.exe lassen sich diverse Filterpara-
meter, unter anderem auch der Filtertyp von
Tschebytscheff über Butterworth bis Bessel
einstellen und exakte wie E-96-Werte der
Widerstände berechnen. Die Kondensatoren
werden dabei innerhalb der E12-Reihe auto-
matisch angepasst, man kann aber auch sel-
ber Werte eintragen, die man mit einem
genauen C-Meter ermittelt hat. Bei den
gewählten 1%-igen EMZ-Kondensatoren,
die beispielsweise bei Stein Music unter
www.steinmusic.de/bau.htm
erhältlich sind, dürfte dies aber kaum nötig
sein.
arme Hochgeschwindigkeit-Opamps mit
CMOS-Eingängen, die sich für asymmetri-
sche +5-V-Versorgung eignen und deren Ein-
und Ausgänge sich bis an diese Versor-
gungsspannungsgrenzen aussteuern lassen
(Rail-to-Rail). Die Opamps, die in einem
gemeinsamen SO-Gehäuse stecken, können
einen Ausgangsstrom von 40 mA liefern.
Am Ausgang der Mini-Soundkarte ist eine
Gleichspannungskopplung natürlich nicht
möglich, die 3,3-µF-MKT-Kondensatoren C14
und C17 (RM 5 mm oder 7,5 mm!) sorgen für
die Trennung. R11/R16 dämpfen die kapazi-
tive Belastung der Opamp-Ausgänge,
R12/R17 sorgen dafür, dass C14/C17 immer
geladen werden. Diese Maßnahme verhindert
den Knall in den Lautsprechern, wenn DAC
und Endstufe im schon eingeschalteten
Zustand verbunden werden.
Zwei LEDs geben den Status der Schaltung
an. D3 leuchtet auf, wenn der PCM2702
Audiodaten behandelt (Playback), während
D4 leuchtet, wenn der USB den Audio-Daten-
strom zum Wandler unterbricht.
Stückliste
C18 = 470 n, RM5
C22 = 470 µ /25 V stehend
C23...C26 = 22 n keramisch, RM5
Widerstände:
R1 = 1k5
R2...R4 = 22 Ω
R5 = 1 M
R6 = 470 Ω
R7 = 680
Halbleiter:
D1,D2 = 1N4148
D3 = High-efficiency-LED, grün
D4 = High-efficiency-LED, rot
B1 = B80C1500, runde Bauform
T1,T2 = BC557B
IC1 = PCM2702E (SSOP-28), Burr-
Brown
IC2 = OPA2353UA (SO-8), Burr-
Brown
IC3 = 78L05
Ω
R8,R9,R13,R14 = 10k0
R10,R15 = 8k25
R11,R16 = 100 Ω
R12,R17 = 220 k
Kondensatoren:
C1,C6,C10,C20 = 10
/63 V stehend
C2,C5,C7...C9,C11,C19,C21 = 100
n keramisch, RM5
C3,C4 = 18 p
C12,C15 = 1n5, 1 % (EMZ)
C13,C16 = 270 p, 1 % (EMZ)
C14,C17 = 3
µ
Außerdem:
K1 = USB-Buchse, Typ B, für
Platinenmontage
X1 = Quarz 12 MHz
Platine EPS000169-1 (siehe Service-
Seiten in der Heftmitte)
µ
3 MKT, RM5/7,5
12/2000
Elektor
19
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COM PUTER
Aufbau und Installation
serieller Bus Controller
ein USB-
Gerät ( Bild 4c ).
Verfügt der Computer schon über
eine andere Soundkarte, wird der
USB-Audio-DAC unter Systemsteue-
rung - Multimedia auf der Kartei-
karte Audio als Bevorzugtes Gerät
für die Wiedergabe aktiviert.
In der Regel ist das CD-ROM-Lauf-
werk analog über ein Audio-Kabel
mit der internen Soundkarte verbun-
den, damit man Audio-CDs über den
PC hören kann. Soll dies über die
USB-Soundkarte passieren, muss
man in den Eigenschaften von Multi-
media - Musik-CD ein Häkchen bei
Digitales CD-Audio für dieses Gerät
aktivieren eintragen ( Bild 4d ).
Die Platine für die Mini-Soundkarte
ist mit 46
74 mm 2 rund ein Drittel
größer als das Burr-Brown-Original.
Dies aber mit gutem Grund, denn in
der Elektor-Schaltung werden hoch-
wertige, aber großvolumige Polypro-
pylen- und MKT-Kondensatoren statt
billiger und Platz sparender (Tantal-)
Elkos eingesetzt.
Die größte Schwierigkeit beim Auf-
bau dürfte die Bestückung der bei-
den SMD-ICs sein. Während der
Umgang mit dem Doppel-Opamp im
normalen SO-Gehäuse schon fast
Lötalltag ist, erfordert der DAC im
SSO-Gehäuse eine sehr feine Löt-
spitze und eine ruhige Hand, da die
Anschlüsse im 0,65-mm-Raster
angebracht sind. Verwenden Sie
Entlötlitze, um ein Zuviel an Lötzinn
zu entfernen. Lassen Sie dem Bauteil
immer ausreichende Abkühlzeit!
Wenn beide SMDs erst einmal orden-
lich befestigt sind, ist der Rest - ohne
Ausnahme bedrahtete Standardbau-
teile - nur noch ein Kinderspiel.
Wir haben die Installation des USB-
Audio-DACs unter Windows 98SE
vorgenommen. Ab Windows 98 sind
passende Standard-Treiber für USB-
Audio-Playback vorhanden.
Zum Test schließt man zunächst eine
9-V-Blockbatterie an, die rote LED
(D4) muss aufleuchten. Beim Verbin-
den mit dem PC über ein USB-Kabel
Typ A-B verlischt die rote LED, auf
dem Monitor erscheint die Meldung
Burr-Brown Japan PCM2702 , direkt
danach das Fenster des Hardware-
Assistenten , der einen neuen Treiber
für ein USB-Gerät sucht ( Bild 4a ).
Der Treiber wird aus der Liste instal-
liert (man benötigt unter Umständen
die Windows-CD-ROM),
anschließend erscheint wiederum
der Hardware-Assistent , der nun
nach einem Treiber für ein USB-
Audio-Gerät sucht ( Bild 4b ). Wieder
wählt man den empfohlenen Treiber,
installiert ihn und öffnet
anschließend den Geräte-Manager
unter Einstellungen - Systemsteue-
rung - System . Unter Audio-, Video-
und Gamecontroller sollte nun ein
USB-Audiogerät , unter Universeller
⋅
a
Praktische Tipps
Viele ältere PCs aus Vor-ATX-Zeiten
verfügen schon über einen USB-Con-
troller, nutzen aber das Interface
nicht: Der entsprechende acht- oder
zehnpolige Pfostenverbinder auf
dem Motherboard ist nicht belegt.
Es gibt aber verschiedenartige, fer-
tig verkabelte Slotbleche mit zwei
USB-Ports Typ A im Handel. Sollte
kein Slot mehr frei sein, so kann man
kurzerhand das Slotblech mit der
seriellen/parallelen Schnittstelle ent-
fernen, die beiden Verbinder an den
dafür vorgesehenen Gehäuseaus-
brüchen anbringen und den frei wer-
denden Platz für den USB nutzen.
Uns sind drei Belegungen des 8/10-
poligen Pfostenverbinders bekannt,
es mag aber noch die eine oder
andere Variante zu finden sein. Sollte
die Anschlussbelegung nicht im
Handbuch oder im Platinenaufdruck
dokumentiert sein, hilft nur auspro-
bieren. Die Metallhülsen im Verbin-
der lassen sich gut auswechseln,
wenn man die Kunststofflippen vor-
sichtig verbiegt. Zieht man dabei am
Kabel, löst sich die Metallhülse frei-
willig aus der Fassung.
b
c
(000169)rg
Bild 4. Die abgebildeten Fenster erleichtern den Weg durch die Installation der
USB-Soundkarte am PC.
d
20
Elektor
12/2000
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