COMPUTER
USB-Audio-DAC
Mini-Soundkarte f�r PC
Die Schaltung ist ideal f�r PCs und Laptops, die
�ber keine Soundkarte, wohl aber einen freien
USB-Anschluss verf�gen. Aber auch f�r andere
Anwendungen und allerlei Experimente erweist
sich die Mini-Soundkarte als n�tzlich.
Die Schaltung ist bemerkenswert
kompakt, da sie einen hochintegrier-
ten D/A-Wandler beherbergt, der
lediglich zwei externe Opamps und
ein paar diskrete Bauteile ben�tigt.
Einfacher Aufbau ist aber nicht
gleichbedeutend mit geringer Qua-
lit�t des USB-Audio-DACs, ganz im
Gegenteil.
Der Audio-DAC verf�gt �ber ein
USB-Interface, das die 1.0-Spezifika-
tionen erf�llt. Es akzepiert 16 bit
breite USB-Stereo- und Mono-Daten-
str�me und ist mit einem Digitalfilter
mit achtfacher �berabtastung aus-
gestattet. Die Schaltung verf�gt �ber
einen so genannten enhanced multi-
level delta-sigma-modulator, der sich
f�r Sampling-Frequenzen von 32 kHz,
44,1 kHz und 48 kHz eignet. Dane-
ben versieht er noch seinen Dienst
als digitaler Abschw�cher,
beherrscht soft mute und verf�gt
�ber eine optische Suspend- und
Playback-Anzeige. Die USB-Sound-
karte ben�tigt unter Windows 98
und h�her keine eigenen Treiber.
Gut und sch�n, doch zu welchen
klanglichen Resultaten f�hren diese
Features? Sie k�nnen den Mess-
Ergebnissen entnehmen, dass diese
Resultate erstaunlich gut sind.
16 Elektor 12/2000
COMPUTER
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. Ausf�hrliche Informationen dazu
enth�lt das Datenblatt in der Heftmitte.
Die Steuer- und Dateninformationen werden
dem PCM2702 �ber die USB-Anschl�sse D+
und D- zugef�hrt. Alle Daten vom und zum IC
werden mit maximaler Geschwindigkeit
�bermittelt. VBUS (Pin 8) und DGNDU (Pin 9)
sind ebenfalls mit dem USB verbunden. VBUS
nimmt keinerlei Leistung auf und detektiert
lediglich den Busanschluss.
Der PCM2702 verf�gt �ber zwei Interfaces,
die jeweils durch ihre spezifische Einstellung
definiert werden. Interface #0 kennt nur die
Bild 1. Blockschaltbild des Single-chip-D/A-Wandlers PCM2702.
Einstellung #0, die ein Standard-Audio-
Steuerungs-Interface beschreibt. Die wich-
tigsten drei Anschl�sse des Interfaces dieser
Einstellung sind Ein- und Ausgangspin und
Mess-Ergebnisse
die features unit. Der Eingangspin akzepiert
(ermittelt bei 0 dB, 44,1 kHz, wenn nicht anders angegeben)
Zweikanal-Audio-Datenstr�me, der Aus-
gangspin ist als speaker definiert. Die feature-
Eingangssignal USB-Audiodaten
unit unterst�tzt die Lautst�rke- und die
Nominelle Ausgangsspannung 62 % VCC (1,096 Veff bei 5,000 V)
Mute-Regelung.
Frequenzbereich (belastet mit 10 k&!) 5 Hz ... fS/2 (fS = 32/44,1/48 kHz)
Amplitude bei 20 kHz  0,25 dB
Der eingebaute digitale Lautst�rke-
Bandbreite Analogfilter (2. Ordnung Tschebytscheff) 30 kHz
Ausgangsimpedanz 100 &! Abschw�cher arbeitet in Stufen von 1 dB im
Signal/Rausch-Verh�ltnis >101 dB(A)
Bereich 0,0 dB bis -64 dB. Dabei wird jeder
THD+N (1 kHz, B=80 kHz) <0,0035 %
Kanal getrennt eingestellt, es ist aber auch
(20 kHz, B = 80 kHz) <0,025 %
eine Master-Regelung f�r beide Kan�le
IMD (60 Hz/7kHz = 4:1) <0,006 %
gleichzeitig m�glich. Beim Stummschalten ist
Kanaltrennung >116 dB
dies nat�rlich sowieso der Fall.
Sperrband-Abschw�chung digitales Filter >82 dB
Interface #1 kennt drei Einstellungen. Ein-
Stromaufnahme <60 mA
stellung #0 korrespondiert mit zero band-
width, einer Art Mute-Funktion. Einstellung
Die Verzerrungswerte sehen ohne Ausnahme gut aus, ebenso das Signal/Rausch-
#1 w�hlt ein 16-bit-Stereo-, Einstellung #2
Verh�ltnis. Die Frequenzcharakteristik (gemessen mit einer Test-CD) weist f�r
ein 16-bit-Mono-Signal.
eine Soundkarte einen au�erordenlich flachen Verlauf auf. Wie im Diagramm zu
sehen, besteht die einzige Unrgelm��igkeit in einer kleinen Zunahme der Ampli- Der PCM2702 fordert einen 12-MHz-Takt, um
tude im oberen Frequenzbereich. Diese vom Tschebytscheff-Ausgangsfilter verur-
den USB-Datenverkehr und alle Audio-Funk-
sachte Welligkeit ist aber nur aufgrund der feinen Skalierung der Amplitudenskala
tionen abzuwickeln. In dieser Schaltung �ber-
sichtbar und liegt unter 0,25 dB!
nimmt die Aufgabe ein externer Quarz und
ein interner Oszillator, es ist aber auch m�g-
+2
lich, einen externen Takt �ber Anschluss XTI
+1.75
einzuspeisen.
+1.5
+1.25
Das IC umfasst einen automatischen Power-
+1
up-Reset, die die Logik beim Einschalten
+0.75
initialisiert. Ist dies geschehen und die Schal-
+0.5
+0.25 tung am USB angeschlossen, kann der
d
B -0
PCM2702 Audiodaten empfangen.
r
-0.25
-0.5
-0.75 Standard-Applikation
-1
-1.25
Die Schaltung in Bild 2 entspricht gr��ten-
-1.5
teils der des Evaluation-Boards DEM-
-1.75
-2 PCM2702 von Burr-Brown. Neben dem IC
20 50 100 200 500 1k 2k 5k 10k 20k
Hz 000169 - 14
beschr�nkt sich der Einsatz aktiver Bauteile
auf zwei BC-Transistoren und einen Span-
12/2000 Elektor 17
COMPUTER
5V
PLAYBACK SUSPEND
D3 D4
D1
8
C10
C5 C7 C8 C9 C18
IC2
2x
10�
1N4148 100n 100n 100n 100n 470n
D2 4
63V
R6 R7
IC2 = OPA 2353UA
2x
BC557B
T1 T2
R9
R1
C13
C1
C2
270p
10� 100n
R8 R10
63V
2
L
C14
10k0 8k25
R11
1
4 2 10 11 17 25 27 22
100&!
IC2a
C12
3
3�3
R12
1n5
K1
R2 12
ZERO
22&!
23
C11 100n
VOUTL
6
3 D+
R3
7 21
D-
22&! VCOM
2 IC1
8
VBUS
1 R4 PCM2702 19
VOUTR
C6 10�
22&!
63V
16 14
TEST0 TEST2
4
15 13
C15
TEST1 TEST3
5
C17
R17
R16
USB
7
1n5
100&!
R13 R15 IC2b
XTI XTO
6
3�3
10k0 8k25
R
5 3 9 1 28 18 24 26 20
R14
R5
C16
1M
X1
270p
C3 C4
18p 18p
12MHz
5V
C26 C23
IC3
78L05
>9VDC 22n 22n
B1
>8VAC C25
C24
22n 22n
C22 C20
C21 C19
470� 100n 100n 10�
B80C1500
25V 63V
000169 - 12
Bild 2. Die erstaunlich einfache Schaltung der Mini-USB-Soundkarte.
K1
H2
C21 IC3
IC1
B1 C19
C25 C23
C26 C24
C12
C13
R16 R11
H4
R17 R12
OUT2 OUT1
R L
Bild 3. Da beide ICs SMDs sind, kann die doppelseitige Platine sch�n klein gehalten werden. Herausragend: die USB-Buchse.
18 Elektor 12/2000
D4
D3
H1
USB
D1
000169-1
C1
R7
R6
>8VAC
>9VDC
D2
C22
R4
R3
R2
C2
R1
T2
T1
~
X1
C5
R5
C4
C3
C10
C20
C6
C7
C9
C11
C8
~
R13
R15
R14
R10
R9
R8
IC2
C18 C14
C15
C16
C17
H3
470
&!
680
&!
10k0
1k5
VDD
VCC
VCCL
VDDC
VCCR
VCCP
SSPND
PLYBCK
220k
220k
DGND
DGNDC
DGNDU
AGNDR
AGNDL
AGNDP
AGND
10k0
000169-1
(C) ELEKTOR
T
T
COMPUTER
nungsregler. Ein paar passive Kom- der Versorgungsspannung, so dass
ponenten runden das Ganze ab. zus�tzliche (SMD-) Kondensatoren Zubeh�r im Netz
Kleine Unterschiede zum DEM gibt �berfl�ssig sind. Zur HF-Entkopp-
Bei Burr-Brown findet man nicht nur die
es dennoch. So finden sich auf unse- lung werden wie �blich keramische
kompletten Datenbl�tter der beiden einge-
rer Platine keine Buchsen f�r die Ver- 100-nF-Kondensatoren (Rasterma� 5
setzten ICs, des PCM2702 unter
sorgungsspannung und den Audio- mm) eingesetzt.
www.burr-brown.com/downloads/
Ausgang. Beim Oszillator stellen C3 und C4 die
DataSheets/PCM2702.pdf
Statt dessen l�sst sich an den bei- kapazitive Last des Quarzes dar (hier
sowie des sehr interessanten Doppel-
den mit einem ~Zeichen versehenen C3/2 + CPARASIT�R mit C3 = C4). An
Opamps OPA2353UA unter
L�tn�geln entweder ein Stecker- XTO l�sst sich die Frequenz �ber-
www.burr-brown.com/downloads/
netzteil (Polarit�t spielt keine Rolle) pr�fen, sie sollte h�chstens 500 ppm
DataSheets/PCM353.pdf
oder ein kleiner Netztrafo an- abweichen.
sondern auch ein Filterprogramm, mit dem
schlie�en (>8 Veff, >0,5 VA). Ein Bei diesem Audio-DAC werden keine
man die bekannten Sallen&Key- und die hier
Gleichrichter samt Spannungsregler Sallen&Key-, sondern Multiple-Feed-
eingesetzten MFB-Filter berechnen bezie-
ist auf der Platine vorhanden. Hat back-Filter (MFB) eingesetzt, so dass
hungsweise modifizieren kann. Dazu l�dt
man die Wahl, sollte man sich f�r ein dankenswerterweise der Ausgang
man das Programmpaket FilterPro als kom-
gutes, stabilisiertes Steckernetzteil VCOM und somit eine Gleichspan-
primierte Datei von der Adresse
entscheiden, da die Unterdr�ckung nungskopplung zwischen DAC und
www.burr-brown.com/
der Welligkeit des Spannungsreglers Filter eingesetzt werden kann.
applications/filter.zip
IC3 unter 50 dB liegt. Dadurch sind die Opamps genau auf
die unter anderem das DOS-Programm fil-
Zum Anschluss der aktiven Laut- die halbe Versorgungsspannung ein-
ter2.exe enth�lt.
sprecher oder einer Audio-Lei- gestellt. Ein Vorteil der MFB-Filter
In filter2.exe lassen sich diverse Filterpara-
stungsendstufe kann eine Mini-Klin- stellt au�erdem ihre geringe Emp-
meter, unter anderem auch der Filtertyp von
kenbuchse, aber auch eine Cinch- findlichkeit f�r Bauteiltoleranzen dar.
Tschebytscheff �ber Butterworth bis Bessel
Buchse verwendet werden. An den Die halbe Versorgungsspannung
einstellen und exakte wie E-96-Werte der
L�tn�gel l�sst sich aber auch gut ein wird durch C11 zus�tzlich HF-ent-
Widerst�nde berechnen. Die Kondensatoren
Koaxial-Kabel (mit Cinch-Steckern koppelt. Da es sich hier nur um Filter
werden dabei innerhalb der E12-Reihe auto-
auf der Gegenseite) befestigen. 2. Ordnung handelt, l�sst sich durch-
matisch angepasst, man kann aber auch sel-
Da die USB-Mini-Soundkarte einen aus eine Tschebytscheff-Charakteri-
ber Werte eintragen, die man mit einem
relativ hohen Strom von ungef�hr 60 stik anwenden: Bei einer Welligkeit
genauen C-Meter ermittelt hat. Bei den
mA fordert, sollte man sie nicht aus von nur 0,25 dB erzielt man eine
gew�hlten 1%-igen EMZ-Kondensatoren,
dem USB-Port versorgen. Mit einem deutlich geringere Bandbreite des
die beispielsweise bei Stein Music unter
zweiten USB-Ger�t ist der zul�ssige Ausgangsfilters und damit bessere
www.steinmusic.de/bau.htm
Wert von 100 mA schnell �berschrit- Unterdr�ckung von Mischprodukten
erh�ltlich sind, d�rfte dies aber kaum n�tig
ten. Gegen die Versorgung aus au�erhalb des Audiospektrums als
sein.
einem USB-Hub ist nat�rlich nichts bei anderen Filtercharakteristika.
einzuwenden. Der PCM2702 verf�gt Als Verst�rker im Ausgangsfilter ver-
�ber eine gro�z�gige Entkopplung wenden wir wie im Original rausch-
arme Hochgeschwindigkeit-Opamps mit
CMOS-Eing�ngen, die sich f�r asymmetri-
sche +5-V-Versorgung eignen und deren Ein-
und Ausg�nge sich bis an diese Versor-
C18 = 470 n, RM5
St�ckliste
C22 = 470 �/25 V stehend gungsspannungsgrenzen aussteuern lassen
C23...C26 = 22 n keramisch, RM5
Widerst�nde: (Rail-to-Rail). Die Opamps, die in einem
R1 = 1k5
gemeinsamen SO-Geh�use stecken, k�nnen
Halbleiter:
R2...R4 = 22 &!
einen Ausgangsstrom von 40 mA liefern.
D1,D2 = 1N4148
R5 = 1 M
Am Ausgang der Mini-Soundkarte ist eine
D3 = High-efficiency-LED, gr�n
R6 = 470 &!
Gleichspannungskopplung nat�rlich nicht
D4 = High-efficiency-LED, rot
R7 = 680 &!
m�glich, die 3,3-�F-MKT-Kondensatoren C14
B1 = B80C1500, runde Bauform
R8,R9,R13,R14 = 10k0
und C17 (RM 5 mm oder 7,5 mm!) sorgen f�r
T1,T2 = BC557B
R10,R15 = 8k25
die Trennung. R11/R16 d�mpfen die kapazi-
IC1 = PCM2702E (SSOP-28), Burr-
R11,R16 = 100 &!
tive Belastung der Opamp-Ausg�nge,
Brown
R12,R17 = 220 k
IC2 = OPA2353UA (SO-8), Burr- R12/R17 sorgen daf�r, dass C14/C17 immer
Brown
Kondensatoren: geladen werden. Diese Ma�nahme verhindert
IC3 = 78L05
C1,C6,C10,C20 = 10 �/63 V stehend
den Knall in den Lautsprechern, wenn DAC
C2,C5,C7...C9,C11,C19,C21 = 100
und Endstufe im schon eingeschalteten
Au�erdem:
n keramisch, RM5
Zustand verbunden werden.
K1 = USB-Buchse, Typ B, f�r
C3,C4 = 18 p
Zwei LEDs geben den Status der Schaltung
Platinenmontage
C12,C15 = 1n5, 1 % (EMZ)
an. D3 leuchtet auf, wenn der PCM2702
X1 = Quarz 12 MHz
C13,C16 = 270 p, 1 % (EMZ)
Audiodaten behandelt (Playback), w�hrend
Platine EPS000169-1 (siehe Service-
C14,C17 = 3�3 MKT, RM5/7,5
D4 leuchtet, wenn der USB den Audio-Daten-
Seiten in der Heftmitte)
strom zum Wandler unterbricht.
12/2000 Elektor 19
COMPUTER
serieller Bus Controller ein USB-
Aufbau und Installation
Ger�t (Bild 4c).
Die Platine f�r die Mini-Soundkarte Verf�gt der Computer schon �ber
ist mit 46�"74 mm2 rund ein Drittel eine andere Soundkarte, wird der
gr��er als das Burr-Brown-Original. USB-Audio-DAC unter Systemsteue-
Dies aber mit gutem Grund, denn in rung - Multimedia auf der Kartei-
der Elektor-Schaltung werden hoch- karte Audio als Bevorzugtes Ger�t
wertige, aber gro�volumige Polypro- f�r die Wiedergabe aktiviert.
pylen- und MKT-Kondensatoren statt In der Regel ist das CD-ROM-Lauf-
billiger und Platz sparender (Tantal-) werk analog �ber ein Audio-Kabel
Elkos eingesetzt. mit der internen Soundkarte verbun-
a
Die gr��te Schwierigkeit beim Auf- den, damit man Audio-CDs �ber den
bau d�rfte die Best�ckung der bei- PC h�ren kann. Soll dies �ber die
den SMD-ICs sein. W�hrend der USB-Soundkarte passieren, muss
Umgang mit dem Doppel-Opamp im man in den Eigenschaften von Multi-
normalen SO-Geh�use schon fast media - Musik-CD ein H�kchen bei
L�talltag ist, erfordert der DAC im Digitales CD-Audio f�r dieses Ger�t
SSO-Geh�use eine sehr feine L�t- aktivieren eintragen (Bild 4d).
spitze und eine ruhige Hand, da die
Anschl�sse im 0,65-mm-Raster
Praktische Tipps
angebracht sind. Verwenden Sie
Entl�tlitze, um ein Zuviel an L�tzinn Viele �ltere PCs aus Vor-ATX-Zeiten
zu entfernen. Lassen Sie dem Bauteil verf�gen schon �ber einen USB-Con-
immer ausreichende Abk�hlzeit! troller, nutzen aber das Interface
b
Wenn beide SMDs erst einmal orden- nicht: Der entsprechende acht- oder
lich befestigt sind, ist der Rest - ohne zehnpolige Pfostenverbinder auf
Ausnahme bedrahtete Standardbau- dem Motherboard ist nicht belegt.
teile - nur noch ein Kinderspiel. Es gibt aber verschiedenartige, fer-
Wir haben die Installation des USB- tig verkabelte Slotbleche mit zwei
Audio-DACs unter Windows 98SE USB-Ports Typ A im Handel. Sollte
vorgenommen. Ab Windows 98 sind kein Slot mehr frei sein, so kann man
passende Standard-Treiber f�r USB- kurzerhand das Slotblech mit der
Audio-Playback vorhanden. seriellen/parallelen Schnittstelle ent-
Zum Test schlie�t man zun�chst eine fernen, die beiden Verbinder an den
9-V-Blockbatterie an, die rote LED daf�r vorgesehenen Geh�useaus-
(D4) muss aufleuchten. Beim Verbin- br�chen anbringen und den frei wer-
den mit dem PC �ber ein USB-Kabel denden Platz f�r den USB nutzen.
Typ A-B verlischt die rote LED, auf Uns sind drei Belegungen des 8/10-
dem Monitor erscheint die Meldung poligen Pfostenverbinders bekannt,
Burr-Brown Japan PCM2702, direkt es mag aber noch die eine oder
danach das Fenster des Hardware- andere Variante zu finden sein. Sollte
Assistenten, der einen neuen Treiber die Anschlussbelegung nicht im
c
f�r ein USB-Ger�t sucht (Bild 4a). Handbuch oder im Platinenaufdruck
Der Treiber wird aus der Liste instal- dokumentiert sein, hilft nur auspro-
liert (man ben�tigt unter Umst�nden bieren. Die Metallh�lsen im Verbin-
die Windows-CD-ROM), der lassen sich gut auswechseln,
anschlie�end erscheint wiederum wenn man die Kunststofflippen vor-
der Hardware-Assistent, der nun sichtig verbiegt. Zieht man dabei am
nach einem Treiber f�r ein USB- Kabel, l�st sich die Metallh�lse frei-
Audio-Ger�t sucht (Bild 4b). Wieder willig aus der Fassung.
w�hlt man den empfohlenen Treiber, (000169)rg
installiert ihn und �ffnet
anschlie�end den Ger�te-Manager
unter Einstellungen - Systemsteue-
rung - System. Unter Audio-, Video-
und Gamecontroller sollte nun ein
USB-Audioger�t, unter Universeller
Bild 4. Die abgebildeten Fenster erleichtern den Weg durch die Installation der
d USB-Soundkarte am PC.
20 Elektor 12/2000