USB－DAC设计USB声卡设计-论文

USB－DAC设计USB声卡设计-论文 USB－DAC设计USB声卡设计 【摘要】 电脑发展到今天，人们越来越注重听觉方面的享受,但常用的声卡现都不能很好的让声音的美感体现出来，特别在功率放大方面表现的就更为突出，随之 而的USB声卡就可以解决这个问题，USB声卡以USB-DAC为核心。 【关键词】：USB-DAC，音频,声卡 ABSTRACT The computer develops today, the people pay great attention the sense of hearing aspect more and more enjoyment, but the commonly used sound card performance cannot very good let the sound the esthetic sense manifest, displays specially in the power amplification aspect is more prominent, along with it, but the USB sound card may solve this problem, the USB sound card take USB-DAC as a core. 【KEY WORD】: USB-DAC, audio, voice-clip 目 录 引言 5页 一、DAC讨论 5页 二、USB-DAC的作用 5页 三、设计目标 5页 USB-DAC结构图 5页 USB-DAC工作原理 6页 主要芯片介绍： USB输入（PCM2707） 7页 数字信号接收（DIR9001） 9页 USB信号处理（PCM1793） 11页 其它辅助电路 13页 调试结果 14页 附录 14页 参考文献 15页 致谢 15页 引言： 一、DAC讨论 在现在重多的USB－DAC电路中，经过研究探讨得出，USB－DAC大致可以分为两类，一类电脑内部的DAC也就是声卡，一类就是外界独立的DAC。现在对独立的DAC进行简单的讨论。 它的优点在于： 1）由于具有独立的供电设计，所以使得它可以完全不依赖主机充满干扰的电源 输出， 2）由于它具有自己独立的音频控制芯片，所以它完全可以脱离电脑作为一个独 立的解码/编码设备来使用，为CD/DVD等各种设备提供支持。而这不仅是前一种 USB 声卡做不到的，更是任何一种内置声卡做不到的。 然而事物有优点必有其缺点，USB声卡也有其不可忽略的严重不足。这种不足来 自于USB总线本身。 二、USB-DAC的作用： USB-DAC是目前新一代的声卡替代品，它凭借自己独特的结构，独特的工作原理， 在电子产品中独占一席，它的独特性在于它是外界电源供电，因此摆脱计算机内 部供电的限止，可以让音频信号处理的更加完美，让人们有更好的听觉享受。 三、设计目标： 通过对电子元件的选择，完成电路原理图的设计，然后搭建电路最终完成设计,设计后通过电脑USB接口输入数字信号,或者输入同轴信号，通过USB-DAC通过音频放大,最终以声音的形式放出。 USB-DAC结构图(图1) 图1USB-DAC工作原理 整体介绍：本电路提供USB信号和同轴信号两种信号输入，更加合理和方便的满 足现实生活，在信号输入后把信号送入信号缓冲芯片（DIR9001），接下来对信号判断（74HC157），判断是USB信号还是同轴信号，若是USB信号，则送入数据处理芯片（PCM1793）进行处理，处理后的模拟信号直接送入放大级（2134）进行简单的放大，接下来信号及可输出，但本设计为了更加方便生活，更贴进实 际，对输出的信号又作一个双向选择及，一路信号直接输出，另一路信号经过 OPA2604进一步放大，以便驱动大的音响设备，下面就电路主要工作芯片及其工 作原理具体介绍： 在输入级： 有两种输入端口，一个是USB输入端口；一个是同轴信号输入端口； 当输入为USB输入时候，通过芯片PCM2707（下附芯片介绍），及外围元件，对 USB信号处理，使它变成可供解码芯片PCM1793（下附芯片介绍）所用的信号。 780 USB－DAC设计USB声卡设计 当输入为同轴信号时候，首先通过芯片74HC04进行信号的驱动能力提升，让信 号具有一定的带负载能力，以供接下来的电路使用。 信号处理及选择： 在上述两种信号输入后，信号进入DIR90001（下附芯片介绍）进行缓冲等待接 下来的电路对其进行判断，是USB信号，还是同轴信号，这就需要电路中的 74HC157来进行判断选择了，在选择过后，若是同轴信号，则直接进入放大级， 若是USB信号则进入PCM1793进行处理，处理后才可进入接下来的放大级。 放大级： 本电路左右声道通过分别通过双运放OPAMP2604进行初级放大， 放大后的信号，可以输出使用，然而电路考虑到实际运用，故此分为两路，一路 直接输出供耳机使用，另一路进下放大，以便外接音箱设备使用。 主要芯片介绍： 1） USB输入部分（PCM2707） 本机通过德州仪器（Texas Instruments）出品的芯片PCM2707(图2)实现电脑声音信号接收。通过USB界面接收电脑讯号，直接采用I2S输出方式由同为德州仪器出品的数模传换（DAC）芯片PCM1793作声音解码，最后通过Line Out（ＲＣＡ座）或耳机放大器输出声音！ 这个USB-DAC的核心是利用芯片PCM2707来进行USB信息输入的，它可以通过 USB1.1直接控制设备,无须外加软件代码，这样可以改良设备的独立性，避免额 外的设备，PCM类的dac芯片，可被电脑直接识别并且电路简单。 PCM2707引角图如下图所示：（其中XT1，XT0是外加时钟，D+，D-是USB的数字信号输入端） 图2 PCM2707内部框图(图3)： 图3 PCM2707在电路中的应用(图4)： 图4 本电路信号输出后供给PCM1793用。 2）同轴输入部分（缓冲）（DIR9001） 本机设有 同轴(Coaxial)数码输入端，通过比CS8414、CS8412CP更好的DIR9001数字接收芯片，接收由同轴线连接CD/DVD器材的数字音频信号。即可通过本机 的DAC晶片PCM1793作声音解码，用于连接一般的CD/DVD转盘，声音将有显注提升！而且一样可以通过Line Out输出连接到外置扩音机或经由耳放输出到耳 机去享受音乐。 数据接收器件选择的是TI公司最新的DIR9001数字音频接收芯片，Very Low Jitter System Clock Output (50 ps Typically)，该芯片能兼容到最高96KHZ采样频率的音频数据信号，其提供的接口能够兼容当前任何类型的得尔塔-西格玛数字/模拟音频转换器件。超低的jitter（震动）,使得Dir9001拥有了非常好听的声音,同时,也是目前几款常用的数字接受芯片里,jitter最低的。本次MINI USB特别采用了一个新型的元件！就是 TI出品的DIR9001，这是一个数字接收芯片，作用和CS8414、CS8412CP一样！处理得当，声音比前两者明显好多 了！国外已有不少地方，已做出DIR9001替换CS8412CP的模组。 DIR9001引角图(图5)： 图5 DIR9001在电路中的运用(图6)： USB－DAC设计USB声卡设计 此电路的输出由UOUT，COUT输出，直接供给功放电路使用 3）解码部分（PCM1793） 本机的DAC晶片PCM1793(图7)作声音解码，用于连接一般的CD/DVD转盘，声音将有显注提升，而且一样可以通过Line Out输出连接到外置扩音机或经由耳放 输出到耳机去享受音乐。另外它也是音响专用功放作为核心电源单转双IC,USB整机和一张CD大小差不多,便于携带！而且可以外接大容量电池作供电。 基本参数：产品描述: 具有 USB 接口、耳机输出和 S/PDIF 输出的立体声音频 DAC ，分辨率(Bits): 24 ，# DACs: 2 ，通道数: 2 ，信噪比(类型) (dB): 113，最大采样比率(kHz): 113 ，输入/输出: 0 / 2 ，数字音频接口: USB, I2S ，控 制接口: HID ，Pd (类型) (mW): 175 ，模拟电源(V): 4.35 - 5.25 ，数字电源（达到五伏时）(V): 4.35 - 5.25 ，音频: Yes ，附加特征: S/PDIF 输出 ，DAC: Yes ，封装: 32TQFP PCM1793引脚图： 图7 PCM1793在电路中应用(图8)： 图8 此部分为解码电路，输出分为左右声道，分别为12、13、18、17脚。输出后此信号就可以被功放电路使用了。 4）其它辅助电路（功放大器、同轴信号输入、数据的选择、电源、以及线路的 输出） 功放大器(Headphone Amp)： 本机耳扩部份参照SOLO耳放线路并作改进，除了 可作音效卡、DAC的耳放外，还可外接大量器材。本机采用Omron讯号专用继电器(Relay) 作信号设换，由Line In(RCA端子座)输入外接模拟(Analog)信号！例如CD/DVD机的声音输出，现有DAC的模拟信号、甚至是IPod的声音输出(需要 转接头 经Lineout输出信号) ！而且当用家提供一个更好的电源时，本机耳 扩的声音将会进一步提升！而且本机耳放的运算放大器(OP) 使用DIP封装，各用家可自行换上别的OP（运放）调音，即便是很多高级声卡，都使用贴片封装 OP，不能更换。电路如下图所示： 以及若干电阻,电容,电感,接口,开关,晶振等。 调试结果： 声音的音质方面明显优于机器的内置声卡，但是当机器繁忙（通常称作机器卡， 或是死机）时候此USB－DAC会停止响应这可能与操作系统给予USB较低的执行等级吧。但通常机器是很少出现这种现象的，所以此设计符合设计要求。 附录 USB-DAC重要元件，以及其芯片PDF网址 参考文献 1：新编电子线路设计实用手册。 2：周训雪等编，模拟电子技术，西安电子科技大学出版社。 3：朱正伟、刘非等编，数字电路逻辑设计，清华大学出版社。 4：崔玮等编，PROTEL99SE，海洋出版社。 5：芯片资料查找。 致谢 本论文是在xx老师的指导下和本组9名同学的共同研究下完成的。本论文从选 题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此， 谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢 xx老师、xxxxxxxxxxxxxxxx以及组外同学xx的指导和帮助；感谢学校领导给予 的资金、设计场地以及实验器材的帮助！