DIY自己制作的USB声卡

DIY自己制作的USB声卡声卡零件与电路图
USB 电子管声卡主电路原理图USB 电子管声卡电源电路原理图
USB 电子管声卡印刷电路图主要零件介绍
1.主芯片PCM2702E
图6.主芯片PCM2702E(手工焊接)
PCM2702 D/A芯片的基本规格特性
兼容USB 1.0
支持16bit 32 KHz/44.1 KHz/48 KHz 取样
动态范围:100dB
噪信比:150db(典型值)
THD+N:0.002%
内部集成有独立的12MHz时钟发生器
内建8× Oversampling 数字滤波
采用双电源供电.其中模拟部分为+5V;数字部分为+3.3V
采用SSOP-28封装形式
PCM2702是一块单片数模转换芯片.它有两个数模转换输出通道和一个一体化的USB 接口控制器.该接口符合USB1.0标准.它采用最新开发研制的SPActTM(采样期内自适应控制跟踪)系统.该系统能够从USB接口的音频数据中分离出一个稳定的、偏差较小的时钟信号以协调PLL和DAC工作.
PCM2702主要由三部分组成:一个是Burr-Brown公司研制的增强型多层次δ-σ调制器,
一个是8×重复采样数字插值滤波器,还有一个模拟输出低通滤波器.
PCM2702可以接收48KHz、44KHz和32KHz采样速率的16位立体声或单声道音频数据,芯片内部集成有数字电位器的软件静音功能,通过USB的音频等级需求可以控制电位器和静音功能.
图7.PCM2702的引脚排列
PCM2702的参数:
TA=25℃,VCC=VCCL=VCCR=VCCP=5.0V,VDD=VDDC=3.3V,fs=44.1KHz,信号频率1kHz,16位数据. 管脚8、13、14、15、16分别为VBUS、TEST3、TEST2、TEST1和TEST0;管脚10、11、12、28分别是PL YBCK、SSPND、ZERO和XTO.
参数中的动态性能取决于标准主机的信号质量,并随系统不同而不同,动态性能的各项参数是用一台Shibasoku#725 THD测量仪测得的.该仪器的特点是带有400Hz的高通滤滤器、30kHz的低通滤波器、通用模式且具有20kHz的带宽限制.通过交流耦合器的模拟输出端负载为5kΩ或更大.
PCM2702的工作原理:
图8.PCM2702的组成框图
控制信号和音频数据信号均通过D+(6脚)和D-(7脚)送入PCM2702中心.所有数据都以全速输入或输出.USB总电源VBUS(8脚)和USB数字地DGNDU(9脚)均与USB总线相连,由于VBUS仅用来分离芯片与USB总线的连接,所以VBUS不消耗USB总线电源功率.
图B音频功能逻辑框图
PCM2702有两个接口,每一个接口都由一些可供选择的设置成.接口#0有一个备选设置,备选设置#0是一标准的音频控制接口,该接口有一个端口.PCM2702有下列三个端口,输入端口(IT)、输出端口(OT)和功能单元(FU).输入端口定义为“USB”数据流(口类型0×0101),输入端口可以接2个通道的音频流,这2个通道分别可作为音频流的左右声道的压缩数据传输通道.输出端口为“扬声器”端口(端口类型0×0301.)
功能控制单元支持音量控制和静音控制功能.内建的数字音量控制电位器可根据音频级别的具体要求以步进量为1.0dB在0.0dB~64.0dB之间进行调节.每个声道可独立设置,同时也支持主音量控制,内建的数字静音控制器也可以根据音频等级的具体要求进行操作,以支持主静音控制,但不支持单独的声道进行调节控制.
接口#1有3个可选择的设置:#0备选设置是零带宽设置;#1设置是16位立体声设置,它是一个可操作性设置;#2设置是16位单声道设置,也是一个可操作性设置.PCM2702有两个终
端,即:控制终端(EP#0)和同步音频数据流终端(EP#2).控制终端是默认终端,常用来根据标准USB需求和USB音频等级的具体需求对PCM2702的所有功能进行控制.同步音频数据流终端是音频吸收终端,它接收来自PCM的音频数据流和接收重配的传输模式.
图10.12MHz晶振连接图
PCM2702需要一个12MHz(±500ppm)的时钟来协调USB和音频功能控制部分的工作.该时钟信号可由内部集成的12MHz晶振提供,也可以从XTI(脚1)输入12MHz内部时钟信号(如图10所示),12MHz晶体谐振器与一个1MΩ电阻和两个小电容一起连至XTI和XTO,电容值的大小取决于具体的晶体谐振器的负载.如果使用内部时钟则应从XTI输入,而且XTO 必须悬空,XTI脚时钟信号的逻辑电平为+3.3V,而不是5V.图11是外部12MHz时钟连接电路.
图11.外部12MHz时钟输入
PCM2702包含一个内部电源接通恢复电路.当VDD电平大于2.0V时,该电路将自动恢复起始数字逻辑电平,整个过程大约需要350μs.为确保接电时序的正常工作,VDD电压必须在10ms内升至2.0V.
当电路完成起始电平的恢复并在USB总线接通后,PCM2702设置准备完毕.当建立和USB总线的连接后,PCM2702准备接收USB音频数据.在待音频数据送来时,模拟输出设置为双零点零标志,ZERO(脚12)为高电平.
当接收到音频数据后,PCM2702将第一批数据包(含1ms的音频数据)存贮到一个内部存
贮器中,当检测到头帧后,PCM2702开始回放.
图12.播放停止分离时序图
当主机完成或停止音频回放时,PCM将在最后传输的音频数据接收后停止播放,PCM2702的播放停止和分离时序如图12所示.
PL YBCK、SSPND和ZERO标志定义如下:
PL YBCK:当PCM音频输入数据正在播放时,PL YBCK(脚10)为低电平有效;
SSPND:USB接口处于挂起状态时,SSPND(脚11)低电平有效;
ZERO:如果PCM音频输入数据持续102个采样周期为0,则进入ZERO状态.ZERO(脚12)为高电平有效.
PCM2702的应用
图13.PCM2702的典型应用电路
这个PCM2702芯片,根最近的一些主流整合型Audio D/A芯片的特性相比都毫不逊色,属于音响级的DAC芯片,跟一般声卡上所用的D/A芯片相比性能好很多,输出音质比起多数
专业录音卡都不会输,可以算是高档次的电脑声源之一.那为什么很少见到厂商推出使用这款D/A芯片的声卡呢?原因是这个芯片的价格太高.以成本效益来说,几乎根本没有厂商愿意利用这个芯片,低阶的整合型D/A芯片的单价或许只有这个芯片的1/10;而且在一般的电脑应用上,标榜多声道的产品大行其道,纯两声道的产品很难在市场上销售,这也是一个主要的原因.因而,这个体质极佳的USB接口的D/A芯片,在价格的因素下,自然很难成为消费性电子市场的宠儿,不过优异的音质输出却是我们选用这个芯片的主要原因.使用方便,音质优异,结构简单,都是这个芯片的优点.但是PCM2702E最早是为USB喇叭使用而开发的芯片,可以把通过USB接口传输的音频数字信号转换成模拟信号,经过放大以后,就成为我们听到的声音.接上USB连接线,操作系统就会检测到这个设备——USB音效设备,对电脑来说,这个就是“USB喇叭”,所有系统发出的“声音”都通过USB接口传输音频数字信号到这个USB DAC,在转换成两声道的模拟信号.由于D/A芯片的特性的缘故,只有两声道,而比如一般声卡所具备支持的LINE IN、MAC IN、SPDIF数字输出、录音、MIDI等功能它都不具备,也不能通过一次接两张卡来实现四声道,它是一个单纯的USB数字信号输入,模拟信号输出的只有两声道放音功能的装置,在功能上是无法取代传统声卡的,因而称之为USB DAC.跟一般的DAC的差别就在PCM2702仅仅只能接收USB数字信号,而不像一般的DAC可以接收SPDIF与光纤等等的数字输入,也因为如此,它只能用在具有USB接口的的电脑上,而不管是桌上型电脑或者是笔记本电脑.
PCM2702可用于标准的独立USB音频扬声器、CRT/LCD一体化USB音频扬声器,USB 音频放大器等各种USB音频设备中.台湾的KECES曾生产了基于PCM2702E的USB声卡,但与hifi制作的声卡不同,采用了运放而不是电子管,使声卡的体积较小,在音质方面也有所区别,各具特色.
2.电子管6N11J
图15.6N11J电子管
6N11电子管原本用于电子管电视机或电子管高频VHF放大的Cascode线路.该管制作非常精致,二层带齿的云母片、单柱圆表除气环,尤其是方形灰色短屏使它和别的管子不同,由于三极部分距离很近,因此用不锈钢片屏蔽将它们隔离开,并与9脚相接,使二边串扰减到最小.为使噪音低、隔离度好,焊机时9脚要妥善接地,该管的管脚排列见下图所示:
图16.6N11管脚图
现代很多电子管名厂如Audio Research、Conrad Johnson、Sonic Frontiers及近期的几个
品牌的国产前极都使用该管,由此可见它的声音自然有可取之处.
6N11的最大屏极电压为130V,灯丝供电为 6.3×0.34(V×A),它的最大屏极耗散功率为2.2W,最大阴极电流22mA,灯丝与阴极间击穿电压为+/-130V,屏极工作电压为90V,屏极电流约10mA,阴极电阻为90欧,跨导为12.5gm;放大因数约30u.
近几年来该管在电子管放大器应用日见频繁,尤其是在SRPP(分流调节推挽线路)前极放大器中,土炮烧友对其已达到“非用不可”的地步,由于媒介的大力渲染以及市场的需要,一枚国产6N11售价已由八九元炒至三四十元.与6N11技术指标近似的国外同类管还有6DJ8、ECC88、6H11N、CV2492、6922、E88CC、cca、从名称来区分,6N11和6DJ8、ECC88、CV2492是同一类管能互相更换的管子(6H11N是前苏联管),而6922、E188C、E88CC是更高屏压的同类管(屏极工作电压为220V,屏极电流15mA,灯丝电压6.3V,灯丝电流0.36A),cca(或CCA)则是厂方依照6922或E88CC的参数造出来的特别版.
随着国内外Hi-Fi界的交流,上述不少电子管在国内都可以购到,尽管它们的技术参数相似也因生产厂家和制作工艺的不同而呈现出不同的产品质素与声音表现.目前,6N11已广泛应用于音响器材,其放大能力属中u管(u=30),同时其EP-IP特性曲线优良,比12A系列更精良.它的声音比其他不同类型的电子管显得快速而分析力高,音染极少,拾取微弱信号的能力强,并以音色通艉、消澈而著称,若和胆味浓烈的12AX7相比,12AX7就好像是属音响界的Jadis 派(音色浓烈,音染味重),6N11则属Cello派(没有自己的音色、味淡、传真度高),各有各风格.
这次制作的USB声卡上采用的是国产北京6N11J(后缀J表示为军用级),它的除气剂碟上的金属片是方形的,在结构上的用料它与6DJ8也不相同,最大区别是6N11的屏极呈银金属色,而6DJ8却是石墨料.另外,国产6N11身形稍肥大,这个管子在重放合唱的场合中有一定的现场感,人声表现尚可,中频质感有一定水平,但声场纵深度较为欠缺,层次细节不足.
3.耦合电容
提起耦合电容,那么就要先说这次制作的USB声卡的三个版本:豪华版、增强版和普通版,它们的区别也就是在使用的耦合电容、滤波电容上.所有的三个版本的USB电子管声卡的电阻均使用的是国营893厂生产的精密6色环金属膜电阻,电源变压器均使用从成都崇达电子专门定制的50W环牛.
图17.豪华版
图18.豪华版的耦合电容
豪华版的耦合电容使用的是SCR Solen的音响专用MKP电容,分别是0.22μF和3.3μF(普通版是2.2μF).
图19.豪华版的滤波电容
滤波电容使用ELNA音频专用补品电解电容、松下金字高速电解电容,褪耦电容使用三洋OS半导体固体电解电容、Philips橙色聚丙烯电容.
图20.增强版
图21.增强版的滤波电容
增强版的滤波电容使用松下工业品高速电解电容,褪耦电容使用三洋OS半导体固体电解电容和德国黑WIMA.
耦合电容使用的是成都宏明电子(国营719厂)的军品级CL41和CFR06AR金属化聚碳酸脂电容,分别是0.33μF和2.5μF(普通版分别是0.22μF和2.2μF).
图23.普通版
图24.普通版的耦合电容
普通版的耦合电容使用的是成都宏明电子(国营719厂)的音响专用MKP(金属化聚丙烯)电容,分别是0.22μF和2.2μF.
图25.普通版的滤波电容
为何使用昂贵的SCR Solen电容呢?用SCR Solen电容可以使MP3的听感变好——Solen 的低音松散缺乏冲击力和气势,中音厚实的有些过分,高频朦胧柔化,像蒙了一层薄纱.听MP3,特别是码率低的MP3的时候,SCR Solen的音色特点对MP3毛躁的声音在很大程度上起了弥补作用,让MP3的声音听起来很柔和甜美,富有音乐感.但是在听高质量的APE或者W A V文件时,宏明音响专用MKP电容的声音清晰度,速度感和力度感十足,高频清丽有很强的质感,听弦乐尤其爽.如果单纯听APE或者CD的话,基本上可以认为SCR Solen是昂贵的垃圾,要知道其价格是宏明(国内一流的电容生产厂)同等容量电容的10倍以上.正因为如此,再加上某些品牌型号的电容在市场上难以寻觅,有价无货,因而豪华版和增强版都作为不同搭配而表现不同性能的存在,仅仅各做了一块样品,倒是普通版做了将近40块了.
组装调试
图26.最初的测试版本
最初的测试版本看上去比普通版都要“缩水”的多
由于稳压芯片7812发热量很大,在所有的版本上都安装了黑色的散热片,以保证能正常工作.4个LM317稳压芯片直立安插在PCB上,外观摸样跟MOSFET管几乎一样.
图27.测试版改进的部分
由于测试版的效果不理想,在后续的调试中改动了部分电路、增加了左边的耦合电容以及更换了滤波电容
图28.测试版采用了飞线,方便调试
图29.测试版效果试听
听起来用起来如何
笔者拿到USB声卡,迫不及待的接上电源,PCB上的PWR灯与SSPND指示灯随之亮起,接上USB线,很顺利的进入Windows XP并马上就辨认出USB Audio Device,不必另外安装驱动程序(实际上在Windows 98SE、Windows Me、Windows 2000下都不需要安装驱动程序,真正的即插即用),SSPND灯随之熄灭,播放时PlyBK灯也会发亮,功能与效果一切正常.
图30.工作中的豪华版USB电子管声卡图31.设备管理器对设备的识别
图32.设备属性
图33.设备驱动显示
马上播放电脑里的MP3,配上惠威的M200有源音箱,觉得音质还不错,轻易胜过一般的娱乐用声卡,但因为播放的是网上下载的一些MP3,所以也只是觉得比声卡好听而已,并没有很惊艳的感觉,换上直接从CD抓下来的W A V文件和从网上下载的APE(一种无损压缩的音频文件)与高码率的MP3,果然与常规声卡有了明显的区别!
与常规声卡最明显的差异在于USB电子管声卡里面出来的是充满音乐味,高解析度而又很柔和的声音,让人有一直听下去的欲望.而笔者的常规声卡(笔者目前使用的是Creative的SB Live!标准版CT4620和Diamond的MX400)与之相比就显得声音干冷毛躁,没有耐心去仔细品味音乐了.
结束语
这款USB电子管声卡的优点就不必再说了,但是“缺点”也是很明显的:作为DIY的作品,没有外壳,还要附带一个庞大的电源,使用有些不方便——按照hifi的说法就是“DIY的东西,为了音质效果,不向其它任何因素妥协,从而放弃了采用USB供电和机箱电源供电的方案,采用外置也减少了一些不必要的干扰”.。