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Ein neuer Artikel, der noch nicht ganz fertig ist. Es soll noch einige Arbeit hier hinein gesteckt werden, z. B. auch eine englische Übersetzung.
Übersicht
Aufbau
Schaltung
Daten/Leistung
Anschluss
an den PC
Masseschleifen
und galvanische Trennung
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Der ADDA-USB enthält als Kern den USB-CODEC PCM2902 von TI (Burr-Brown). Dieses IC bietet:
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Unterstützt werden vom PCM2902 unterschiedliche Abtastraten bis zu 48 kHz bei 16 und 8 Bit Auflösung in Mono oder Stereo (S/PDIF nur 32/44,1/48 kHz, 16 Bit, Stereo).
Die technischen Daten preiswerter, moderner Codecs (= Coder/Decoder = ADC/DAC) wie dem PCM2902 sind verglichen zu den Anfängen der digitalen Audiotechnik und auch dem, was in der Heimelektronik Stand der Technik ist, außerordentlich gut. Dennoch, ein eher preiswertes All-In-One-IC wie dieses kann sich nicht mit wirklich guten ICs vergleichen (siehe mein Projekt AD2496 und DA2496).
(Anklicken für vergrößerte
Darstellung, 215 kByte)
Um den Kern, das IC PCM2902, sind angeordnet:
Prototypen baue ich gerne auf Lochrasterplatine
so auf, dass mir der Aufbau schlussendlich auch optisch gefällt.
Das Aussehen gut gemachter Elektronik hat mich von Anfang an fasziniert
und vielleicht auch wesentlich zu meinem Hobby (und später
Beruf) beigetragen, und so bemühe ich mich, dass auch meine
Prototypen meinen optischen Ansprüchen genügen. Aber
es steckt viel Arbeit in der Planung
der Verdrahtung und deren Ausführung, mehr sogar als
in einem normalen Layout!
Aus reiner Sparsamkeit habe ich für den Prototyp keine Leiterplatte mit einseitiger Massefläche verwendet, und gehofft, dass ich nicht am falschen Ende gespart habe. Den Messwerten nach zu urteilen, habe ich Glück gehabt. Ob es mit Massefläche besser geht, wird sich (wahrscheinlich?) noch herausstellen.
Bis auf den PCM2902 sind alle Bauteile bedrahtet, so dass sie sich nicht nur leichter verarbeiten lassen, sondern vor allen Dingen auch einfacher bzw. in kleinen Stückzahlen erhältlich sind. Der PCM2902 ist allerdings im SSOP 28-Gehäuse auf eine Adapterplatine, und das ist löttechnisch schon eine Herausforderung. Es gibt leider keine modernen Audio-ADCs und DACs mehr im DIL-Gehäuse. Die Beschränkung auf bedrahtete Bauteile ist auch der Grund dafür, dass ich von der Schaltung des TI-Demoboards abgewichen bin, denn dessen ICs sind ausschließlich in SMD-Gehäusen erhältlich.
Hier klicken, um die Gesamtschaltung zu sehen (1570 x 1110 Pixel,
aber nur 37 kByte).
Externe Refernzspannung
Zur Erzeugung der externen Referenzspannung, die für eine erheblich verbesserte Signalqualität wichtig ist, ist ein 3,3 V-Low-Drop-Regler vorgesehen. Mit R6 / R7 wird seine Ausgangsspannung auf 3,6 V angehoben, damit die interne Referenzspannung des PCM2902 deaktiviert wird. Was passiert, wenn man auf die externe Referenzspannung verzichtet, wird im Kapitel Daten/Leistung gezeigt.
Ein- und Ausgangsverstärker und -filter
Für die Ein- und Ausgangsverstärker habe ich TLC272 eingesetzt. Die sind relativ preiswert, leicht erhältlich und arbeiten gut mit 5 V. Ihre Ausgangsstrom ist allerdings zu gering, um niederohmige Kopfhörer direkt zu betreiben. Sie als 2-polige Tiefpassfilter mit 0 dB Verstärkung geschaltet. Besonders der Ausgangsverstärker sollte besser 3-polig werden, denn der PCM2902 generiert heftige Störspannungen außerhalb des Nutzfrequenzbereichs, die auch am am Ausgang des Filters noch deutlich sichtbar (aber nicht hörbar) sind. Mit C26 bzw. C30 werden Reste der 12 MHz abgebaut, die bei einem guten Leiterplattenlayout wahrscheinlich garnicht erst entstehen würden.
S/PDIF Ein- und Ausgänge
Ein SN75179 wird als Full-Duplex Empfänger- und Treiber-IC für die S/PDIF Receiver und Transmitter verwendet. Es verbraucht relativ viel Strom. Besser ist in dieser Beziehung z. B. ein MAX3462. Die S/PDIF-Standards verlangen für den Koax-Ausgang Transformatorkopplung, aber prinzipiell funktioniert das Ausgang auch ohne Trafo einwandfrei, wenn die Anschlüsse 1/4 und 2/3 miteinander verbunden werden.
Der Quarzoszillator - mein Sorgenkind
Probleme gibt es mit dem Quarzoszillator. In 2 völlig verschiedenen Versuchsaufbauten, mit völlig unterschiedlichen Bauelementen, wurde die selbe Beobachtung gemacht: Der Oszillator schwingt an, der USB-Host weckt den PCM2902 aus dem Suspend-Modus auf und in diesem Moment setzt der Oszillator aus. Pin XO geht high, über R8 wird auch XI high gezogen, und so bleibt der Oszillator stehen. Das ist theoretisch überhaupt nicht möglich, denn zwischen XI und XO liegt lt. Datenblatt ein einfacher Inverter, aber es passiert dennoch hin und wieder. Hier muss ich noch einmal bei TI nachhaken.
Inkompatibilitäten zu den USB-Spezifikationen
Die bisherige Schaltung unterstützt nicht den Suspend-Modus. Dazu muss mit dem SSPND-Sinal die Stromversorgung sämtlicher peripheren Schaltungsteile abgeschaltet werden, also aller ICs 2 bis 7 und der LED, denn im Suspend-Mode darf das USB-Gerät nur max. 500 uA aufnehmen. Außerdem darf beim Einstecken des USB-Steckers oder beim Verlassen des Suspend-Modus nur maximal soviel Strom fließen, wie ein 10 uF Kondensator parallel zu einem 44 Ohm-Widerstand aufnehmen würde. Auch das ist in dieser Versuchsschaltung noch nicht vollständig USB-kompatibel und wird ein einem "richtigen" Layout berücksichtigt.
Kritisch ist die Stromaufnahme: Sie darf maximal 100 mA betragen, denn soviel Strombedarf signalisiert der PCM2902 in der Version, wie ich ihn kaufen kann, dem Host. Zwar nimmt mein Muster nur 91 mA (mit MAX3462) auf, aber lt. Datenblätter der beteiligten ICs müssten es typischerweise eigentlich deutlich mehr als 100 mA sein. Glück gehabt?
Messaufbau:
Ausgehend davon, dass mein AD2496 in seinen technischen Daten denen des DACs und Analog-Ausgangs des ADDA-USB überlegen ist, habe ich ihn als Mess-ADC verwendet. Dessen Digitalausgang wurde mit Digitaleingang des ADDA-USB verbunden, so dass die gewandelten Werte auf dem PC analysiert werden konnten. Die Analyse eines klirrarmen Signals über den AD2496 sieht wie folgt aus:
Die 2. Harmonische dürfte noch ein Rest aus dem verwendeten Sinusgenerator sein. 0,0006% Klirrfaktor entsprechen -104 dB.
Analog-Ausgang:
Ein 600 Hz-Signal vom DAC das ADDA-USB gewandelt sieht mit diesem Aufbau gemessen wie folgt aus:
Der im Datenblatt angegebenen typische Wert von 0,005% THD+N (Klirrfaktor + Störspannung) wird trotz des Aufbaus ohne Massefläche erreicht. Das ist erfreulich. Der Klirrfaktor ist mit ca. 0,0033% (-99 dB) um einen Faktor 6 höher als der bei der Messung des AD2496 (wobei dort vermutlich der Generator und nicht der ADC die Hauptursache ist). Höherwertige Op-Amps und Wandler zahlen sich hier aus.
Analog Eingang:
Als Quelle wurde der gleiche Generator wie für die obige Referenzmessung verwendet. Was sich mit dem besseren AD2496 erreichen lässt, ist oben zu sehen, was sich mit dem ADC des ADDA-USB ergibt, hier:
Der Klirrfaktor ist ca. 8-mal höher als der des AD2496, aber mit ca. 0,005% (-88dB) immer noch recht gut. THD+N liegt ebenfalls deutlich unterhalb der Spezifikation von 0,01%. Auch erfreulich.
Im Datenblatt wird statt der Verwendung der internen Referenzspannungsquelle eine externe empfohlen, weil sich damit der Wert für THD+N um den Faktor 10 (von 0,1% auf 0,01%) senken lassen soll. Tatsächlich sehen die Messwerte für den ADC ohne externe Referenzspannungsquelle vergleichsweise katastrophal aus:
Offensichtlich schlägt ein 1 kHz-Signal (1 ms Frame-Timing vom USB) auf die interne Referenzspannung durch und lässt sich nicht mit externen Elkos o. Ä. unterdrücken. Mit diesen 1 kHz werden sämtliche Eingangssignale multipliziert und so ergeben sich Unmengen an Mischprodukten, die als Störsignale bei der THD+N-Messung erscheinen.
Plug an Play
Ein solches Gerät ist ein Plug-and-Play-Gerät in seiner schönsten Form. Ich habe es an zwei Windows XP-PCs betrieben. Wird es das erste Mal an den USB angeschlossen, wird es als Audio-Interface erkannt, automatisch installiert und, solange es angeschlossen bleibt, als zentrales Audiogerät verwendet. Alle Audioein- und -ausgaben gehen also nicht mehr über das PC-eigenen Soundgerät (Soundkarte) sondern über das USB-Gerät. Das bietet natürlich weniger Möglichkeiten als ein modernes Sound-IC, aber dass ist ja auch nicht das Ziel.
Mit einem Trick ist es mir gelungen, auch beide Sound-Ausgänge gleichzeitig und getrennt in Betrieb zu halten: Startet man den Winamp mit einem Gerät, arbeitet er auf diesem Gerät (hier: interne Ausgabe) auch dann weiter, wenn ein anderes Gerät (hier: ADDA-USB) die Kontrolle übernimmt, und zwar so lange, bis mindestens Pause aktiviert wir. Im Prinzip ist das eine unvollständige Implementation der Windows-Audiofunktionen des Winamps. Mit dem Mediaplayer funktioniert soetwas nicht. Aber so konnte ich gleichzeitig über dem PC Musik hören und die Messungen machen.
Lautstärkeeinstellung und Stummschaltung
Die Lautstärke lässt sich mit den 3 Tasten einstellen, und, was ich als außerordentlich positiv empfinde, der PCM2902 bietet eine echte logarithmische Lautstärkeeinstellung (65 dB)! Die übliche lineare Lautstärkeeinstellung der anderen Sound-ICs nervt mich gewaltig, ich empfinde sie teilweise als unbrauchbar.
Umschaltung zwischen analogem und S/PDIF-Eingang
Die Umschaltung zwischen S/PDIF-Eingang und analogem Eingang erfolgt automatisch bei Erkennung eines gültigen S/PDIF-Signals. Bei Nutzung des S/PDIF-Koax-Eingangs sollte der optische Eingang abgedeckt sein, denn Fremdlicht kann das Signal von der Cinch-Buchse stören. Wenn S/PDIF-Signale anliegen, bei dem die Copyright-Bits das Signal als eine Kopie eines kopiergeschützten Signals kennzeichnen, wird ebenfalls auf den analogen Eingang geschaltet.
Masseschleifen und galvanische Trennung
Zunächst ganz allgemein ausgedrückt: Wenn eine Audioquelle, deren Signalmasse an Schutzerde angeschlossen ist, mit einem Audio"empfänger", der ebenfalls an Schutzerde angeschlossen ist, verbunden wird, ergeben sich üblicherweise mehr oder weniger starke Brummstörungen im Ton. Speziell bei PCs sieht diese Brummschleife wie folgt aus: Der PC ist direkt an Schutzerde angeschlossen, der Verstärker ist über den Antennenanschluss eines eingebauten oder separat angeschlossenen Tuners mit Schutzerde verbunden. Beide sind, wie man sagt, "galvanisch" miteinander verbunden. (Auch wenn Fernsehgerät und Radio miteinander verbunden werden besteht diese Gefahr, denn beide haben oft einen eigenen, schutzgeerdeten Antennenanschluss.) Abhilfe bringt nur die galvanische Trennung, z. B. die Antenne abziehen oder über einen Trafo anzukoppeln.
Die Signalmassen USB-Audiogeräte sind leider konstruktionsbedingt ebenfalls mit der PC-Masse verbunden. Mit NF-Transformatoren oder speziellen Schaltungen lässt sich diese Problematik erheblich entschärfen, oft aber unter Inkaufnahme anderer Nachteile. Lediglich der digitale Anschluss der Audiogeräte kann wirkliche Abhilfe bringen. Die optischen ein- und Ausgänge bewirken ohnehin eine perfekte Trennung, aber leider sind die Kabellängen auf ca. 10 m beschränkt. Der Koax-S/PDIF-Anschluss kann über eine sehr viel längeres Kabel angeschlossen werden. Laut S/PDIF-Standards sollen die Ausgänge mit Trenntrafos ausgerüstet sein, und so ist es im ADDA-USB auch vorgesehen. Bei dem Mainboard meines PCs, auf dem ebenfalls ein S/PDIF-Ausgang vorhanden ist, hat sich der Hersteller an dieser Stelle gespart, und ich denke, diese Nachlässigkeit wird auch Stand der Technik bei anderen Mainboardherstellern sein. Bei separaten Soundkarten erwarte bzw. erhoffe ich eine sorgfältigere Ausführung.
| Letzte Aktualisierung: 22. April 2005 | Fragen? Anregungen? Mailt mir! | Uwe Beis |