18-bitowy przetwornik C/A audio
P R O J E K T Y
18-bitowy przetwornik
C/A audio, część 1
kit AVT-853
Zanim zajmiemy siÍ najsmacz- - SD (Serial Data) - szeregowo
niejszym kąskiem, czyli opisem przesyłane dane z nadajnika do
DośĘ skrzÍtnie omijaliÅ›my architektury przetwornika, nieco odbiornika z prÍdkoÅ›ciÄ… wyzna-
miejsca poÅ›wiÍcimy przybliÅ‚eniu czonÄ… przez SCK. W szerego-
dotychczas w EP zagadnienia
standardu interfejsu I2S, ktÛry jest wym strumieniu danych sÄ…
cyfrowego audio, a to ze
wykorzystywany w sprzÍcie popu- zmultipeksowane dane dla ka-
wzglÍdu na niebotyczne
larnym i profesjonalnym do prze- nału lewego i prawego. DługośĘ
trudności ze stabilnym
syłania w postaci cyfrowej sygna- ramki danych nie jest na sztyw-
zaopatrzeniem siÍ
Å‚u audio pomiÍdzy ukÅ‚adami two- no okreÅ›lona i zaleÅ‚y od moÅ‚-
w podzespoły. Sytuacja uległa
rzÄ…cymi tor jego przetwarzania. liwoÅ›ci oraz wymagaÒ systemu
zmianie, w zwiÄ…zku z czym
audio. Jedynemu ograniczeniu
rozpoczynamy od projektu
Co to jest I2S? podlega minimalna długośĘ
stosunkowo Å‚atwego
W cyfrowych systemach audio prÛbki dla kaÅ‚dego kanaÅ‚u - nie
w wykonaniu, lecz bardzo
do przesyÅ‚ania sygnaÅ‚Ûw wyko- moÅ‚e byĘ krÛtsza niÅ‚ 7 bitÛw.
efektownego - kompletnego rzystywany jest specjalny interfejs Załołenia standardu I2S narzu-
szeregowy noszÄ…cy nazwÍ I2S (od cajÄ… koniecznośĘ stosowania
konwertera audio C/A
Inter-IC Sound). Do przesyÅ‚ania w systemie obrÛbki danych audio
z wejściami: optycznym
danych (prÛbek düwiÍku) wyko-
i liniowym, z procesorem
rzystywane sÄ… 3 linie (rys. 1):
sygnałowym zapewniającym
- SCK (Serial ClocK) - sygnał ze- Master
korekcjÍ odtwarzanego
SCK
garowy synchronizujÄ…cy transmis-
WS
sygnału, zintegrowanym
Nadajnik
Odbiornik
jÍ danych i jednoczeÅ›nie okreÅ›-
SD
z filtrem, modułem
lajÄ…cy bitowÄ… prÍdkośĘ transmisji.
nadprÛbkowania,
Sygnał SCK zawsze jest wytwa-
Master
wzmacniaczem SCK
rzany przez Mastera systemu.
WS
Nadajnik
słuchawkowym... Odbiornik
- WS (Word Select) - sygnał okreś-
SD
lajÄ…cy, ktÛrego kanaÅ‚u dane sÄ…
Master
w danej chwili przesyłane
(WS=0 - kanał lewy, WS=1 -
Dowolny
sterownik
kanał prawy). Sygnał WS jest
wytwarzany zawsze przez Mas-
SCK
tera systemu. CzÍstotliwośĘ tego
WS
Nadajnik
Odbiornik
sygnaÅ‚u okreÅ›la czÍstotliwośĘ
SD
dostarczania kompletnych prÛ-
bek do kolejnego modułu w to- Rys. 1. Możliwe konfiguracje
rze obrÛbki danych. systemu I2S.
Elektronika Praktyczna 2/2000
50
18-bitowy przetwornik C/A audio
C/A!), twÛrcy standardu
Podstawowe parametry i właściwości
I2S zaproponowali proste, przetwornika:
a przy tym bardzo sku- rozdzielczość: 16/18/20 bitów,
wejście S/PDIF optyczne (TOSLink) oraz
teczne rozwiÄ…zanie za-
RCA,
pewniajÄ…ce bezkonflikto-
wyjścia: słuchawkowe (minijack) i dwa
wÄ… wspÛÅ‚pracÍ ukÅ‚adÛw
wyjścia audio RCA,
o rÛÅ‚nej ìdÅ‚ugoÅ›ciî. DziÍ-
automatyczne dostosowanie siÄ™
ki temu cyfrowy filtr ìob- przetwornika do dÅ‚ugoÅ›ci ramki danych,
Rys. 2. Sposób przesyłania danych w I2S.
64-krotne nadpróbkowanie,
rabiajÄ…cyî sygnaÅ‚y 24-bi-
wbudowany procesor DSP umożliwiający
jednego moduÅ‚u, ktÛry bÍdzie towe moÅ‚e przygotowywaĘ dane
regulacjÄ™ barwy dz
więku i głośności oraz
speÅ‚niaÅ‚ rolÍ Mastera. Odpowiada dla 16-bitowego przetwornika C/
 inteligentne wzmocnienie basów,
on za wyznaczenie tempa przesy- A i nie spowoduje to Å‚adnych
amplituda sygnału wyjściowego audio:
0,64V (na 32&!),
Å‚ania danych i decyduje o przesÅ‚a- zakÅ‚ÛceÒ w odtwarzanym sygnale.
odstęp sygnału od szumu: 90dB,
niu okreÅ›lonej grupy bitÛw do Jak to jest moÅ‚liwe? W standar-
zniekształcenia nieliniowe: 0,05%,
jednego z dwÛch kanaÅ‚Ûw prze- dzie I2S dane sÄ… przesyÅ‚ane w ko-
napięcie zasilania: 9..15VDC,
twarzania. MoÅ‚liwe sÄ… rÛÅ‚ne kon- lejnoÅ›ci od MSB (najbardziej zna-
pobór prądu: 120mA.
figuracje włączenia Mastera w sys- czący bit) do LSB (najmniej zna-
tem, co doskonale widaĘ na rys. czÄ…cy bit). Konstrukcja interfejsÛw ryzujÄ…c kompletny transfer danych
1. w ukÅ‚adach I2S jest taka, Å‚e wy- dla jednej prÛbki düwiÍku w oby-
Przykład transmisji trzech ko- bierają one z przesyłanego słowa dwu kanałach. Trzy kolejne prze-
lejnych ramek danych przedsta- tylko takÄ… liczbÍ bitÛw (poczÄ…w- biegi przedstawiajÄ… transfery da-
wiono na rys. 2. CzÍstotliwośĘ szy od MSB), jakÄ… sÄ… w stanie nych rÛwnie czÍsto stosowane
zmian poziomu sygnaÅ‚u WS wy- ìobsÅ‚uÅ‚yĘî. W przypadku, gdy w ukÅ‚adach przystosowanych do
nika z przyjÍtej czÍstotliwoÅ›ci tak- przesyÅ‚anych jest wiÍcej bitÛw niÅ‚ pracy w systemach cyfrowego au-
towania przesyÅ‚ania bitÛw fSCK jest w stanie odebraĘ ukÅ‚ad od- dio, noszÄ…ce nazwÍ LSB Justified.
oraz długości słowa N i wynosi: biorczy, to nadmiarowe bity są po Nie są one zgodne ze standardem
fWS=fSCK/N prostu ignorowane. JeÅ‚eli przesy- I2S, a to ze wzglÍdu na odwrÛconÄ…
Jak wczeÅ›niej wspomniano, Å‚anych bitÛw jest mniej niÅ‚ moÅ‚e kolejnośĘ bitÛw danych w ramce,
dÅ‚ugośĘ ramki danych moÅ‚e byĘ ìobsÅ‚uÅ‚yĘî ukÅ‚ad odbiorczy, to brak ìpustegoî impulsu zegarowe-
rÛÅ‚na, zazwyczaj wynosi 16..24 w miejsce bitÛw mniej znaczÄ…cyh go po zmianie adresu kanaÅ‚u da-
bitÛw. PoniewaÅ‚ producenci ukÅ‚a- sÄ… wstawiane zera. KaÅ‚dorazowa nych i odwrotnÄ… polaryzacjÍ syg-
dÛw w bardzo szybkim tempie zmiana adresu kanaÅ‚u (sygnaÅ‚ WS) naÅ‚u selekcji kanaÅ‚Ûw WS.
wprowadzajÄ… coraz to doskonalsze potwierdzana jest jednym taktem
ukÅ‚ady cyfrowej obrÛbki danych zegarowym, podczas ktÛrego Å‚ad- ìSerceî przetwornika
oraz coraz ìgÍstszeî przetworniki ne dane nie sÄ… przesyÅ‚ane. - TDA1548
(np. Crystal Semiconductors pro- W gÛrnej czÍÅ›ci rys. 3 przed- Wykorzystany w projekcie
ponuje juł 30-bitowe konwertery stawiony został przebieg charakte- układ jest niezwykły, poniewał
w jednej obudowie integruje kom-
pletny tor obrÛbki i konwersji syg-
nału z postaci cyfrowej do analo-
gowej, z mołliwością bezpośred-
niego wysterowania słuchawek.
Schemat blokowy jego wnÍtrza
przedstawiono na rys. 4.
Rys. 3. Różne formaty wejściowe układów cyfrowego systemu audio.
Elektronika Praktyczna 2/2000
51
18-bitowy przetwornik C/A audio
IF1 IF2 DATA WS BCK
1,38kHz. Tak wiÍc, z punktu wi-
dzenia ułytkownika, zachowują
13 14 9 8 7
siÍ one jak regulatory analogowe.
16
Interfejs wejS
ciowy MUTE
15
Nastawy regulatorÛw moÅ‚na zmie-
Regulator DEEM
22
12 głoS
noS
ci,
Cyfrowy regulator głoS
noS
ci niaĘ za pomocą zwykłych poten-
AD3S
SYSCLK
barwy
21
Generator
ModuÅ‚ "miÄ™kkiego" wyciszania ADVC cjometrÛw, co jest sposobem nad
i pola
częstotliwoS
ci
20
17
dx
więku ADBB
CLSEL
wyraz wygodnym.
19
Moduł modyfikacji brzmienia ADTR
Wejście korekcji brzmienia ba-
VDDA
1 fS
sÛw (AD3S) jest 3-stanowym wej-
5
MODE0 Pierwszy stopień filtrowania
Å›ciem analogowym, ktÛre umoÅ‚-
18
2 fS
6 OP4 ADref
MODE1 liwia wybranie jednej z trzech
Drugi stopień filtrowania
charakterystyk korekcji: płaską,
4 fS
basy silnie wzmocnione, basy
Interpolator liniowy
VSSA
8 fS lekko wzmocnione. Wejście
AD3S mołna sterowaĘ za pomo-
Moduł 8-krotnego Moduł 8-krotnego
nadpróbkowania nadpróbkowania
cą przełącznika z połołeniem ze-
rowym lub standardowego ìpo-
11
Moduł kształtowania Moduł kształtowania
tencjometruî.
VSSD
szumów szumów
Moduł cyfrowej regulacji głoś-
10
Enkoder Enkoder VDDD
noÅ›ci wspÛÅ‚pracuje z moduÅ‚em
miÍkkiego wyciszania. Jego cha-
Kalibrowane Kalibrowane
rakterystyka tłumienia ma kształt
FILTCL 4 26 FILTCR
(16-stopniowe) (16-stopniowe)
zbliÅ‚ony do rosnÄ…cej czÍÅ›ci krzy-
x
ródła prądowe x
ródła prądowe
RCONV1 wej cosinus, skÅ‚adajÄ…cej siÍ 32
RCONV2
1.8 nF 1.8 nF
z krokÛw. Czas wyciszania sygna-
CEXT2
CEXT1
1.2k 1.2k
Klucze Klucze
Å‚y wynosi ok. 23ms.
3
wyjS
ciowe wyjS
ciowe 27
OP1 OP2
VOL VOR Zastosowane w układzie cyfro-
Napięcie
referencyjne we filtry, liniowy interpolator,
VDDA
Kalibrowane Kalibrowane
konwertery czÍstotliwoÅ›ci prÛbko-
(16-stopniowe) (16-stopniowe)
x
ródła prądowe x
ródła prądowe
wania (z ukÅ‚adami prÛbkujÄ…co-
6 k
Vref 25
pamiÍtajÄ…cymi) oraz bloki
eliminacji zakÅ‚ÛceÒ szumowych
10
6 k
OP3
µF pochodzÄ…cych od prÛbkowania po-
zwalają na tyle poprawiĘ charak-
TDA1548T
VSSA VSSA
terystykÍ widmowÄ… konwertowa-
1 28 2 23 24
nego sygnału, łe dobrej jakości
sygnał audio mołna otrzymaĘ po
VSSO VDDO VCOM VDDA VSSA
jednostopniowej filtracji w filtrze
Rys. 4. Schemat wewnętrzny układu TDA1548T.
dyskretnym RC. WypadkowÄ… cha-
Na wejÅ›ciu ukÅ‚adu TDA1548 - dwustopniowej modyfikacji bar- rakterystykÍ pasmowÄ… filtrÛw za-
znajduje siÍ konfigurowalny inter- wy düwiÍku (niskie
fejs szeregowy, ktÛry moÅ‚e praco- i wysokie),
waĘ w jednym z czterech trybÛw: - regulacji poziomu gÅ‚oÅ›- Charakterystyka filtru
z 64-krotnym nadpróbkowaniem
- zgodnym z I2S, dziÍki czemu noÅ›ci z moÅ‚liwoÅ›ciÄ…
wbudowany w ukÅ‚ad przetwor- miÍkkiego wyciszenia,
nik C/A, ukÅ‚ad konwersji prÛb- - trzystopniowej korekcji
kowania oraz filtry dolnoprze- brzmienia basÛw, ktÛra
pustowe automatycznie dopaso- minimalizuje wpływ
wujÄ… siÍ do liczby bitÛw w do- niedoskonaÅ‚oÅ›ci prze-
starczanych prÛbkach, twarzania sygnaÅ‚Ûw
- trzy tryby LSB Justified: 16, 18 o najniÅ‚szych czÍstotli-
i 20-bitowy. wościach przez słu- Rys. 5. Charakterystyka filtrów w układzie TDA1548.
WybÛr trybu pracy jest moÅ‚- chawki oraz gÅ‚oÅ›niki
liwy dziÍki zmianie stanÛw lo- o niewielkich Å›redni-
Charakterystyka filtru
gicznych na wyprowadzeniach cach membrany.
ze 128-krotnym nadpróbkowaniem
oznaczonym IF1 i IF2. W tab. 1 Cyfrowe regulatory
znajduje siÍ tablica prawdy dla barwy i natÍÅ‚enia düwiÍ-
tych wejśĘ. ku są sterowane z wejśĘ
Po konwersji sygnaÅ‚u z forma- analogowych, ktÛre wy-
tu I2S na wewnÍtrzny format posaÅ‚ono w analogowy
układu TDA1548, jest on podda- multiplekser oraz 6-bito-
wany kilku modyfikacjom: wy przetwornik A/C.
- deemfazie, jeÅ‚eli jest taka ko- CzÍstotliwośĘ skanowa-
Rys. 6. Charakterystyka filtrów z dwukrotnie
niecznośĘ, nia wejśĘ wynosi
większą częstotliwością nadpróbkowania.
Elektronika Praktyczna 2/2000
52
18-bitowy przetwornik C/A audio
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
P1, P2, P3: 10k&!
R1: 75&!
R2, R12, R13: 100&!
R3, R11, R16: 10k&!
R4: 10&!
R5: zwora
(1) Poziom -60dB
R6, R10: 2,2&!
(2) Poziom 0dB
R7: 18k&!
R8: 1M&!
R9: 270&!
R14, R17, R18: 1k&!
R15: 12k&!
R19, R20, R21: 470&!
Rys. 7. Charakterystyka przedstawiająca zniekształcenia sygnału na wyjściu Kondensatory
TDA1548.
C1, C2: 470µF/25V
C3, C5, C6, C8, C10, C15, C18,
stosowanych w układzie TDA1548 Opis układu przetwornika
C19: 100nF
przedstawiamy na rys. 5. Dla Schemat elektryczny przetwor-
C4, C11: 47µF/16V
porÛwnania, na rys. 6 znajduje nika znajduje siÍ na rys. 8. Ze
C7: 4,7µF/16V
siÍ charakterystyka nieco lepszego wzglÍdu na wykorzystanie w prze-
C9, C21: 10µF/16V
filtru ze 128-krotnym naprÛbko- tworniku ukÅ‚adÛw o duÅ‚ej skali
waniem. integracji, cały tor audio składa C12: 8,2nF
Tak wiÍc znaczne skompliko- siÍ z zaledwie dwÛch ukÅ‚adÛw
C13, C14: 10pF
wanie wewnÍtrznej struktury prze- scalonych: US2 i US3. Rola speÅ‚- C16: 22µF/16V
twornika zaowocowało radykal- niana przez US3 w przetworniku
C17, C20: 1,2nF
nym uproszczeniem jego układu jest oczywista - konwertuje on
C22, C24: 100µF/16V
aplikacyjnego. Uzyskanie dobrych dane z postaci cyfrowej (w forma-
C23: 10nF
parametry przetwarzania umołli- cie I2S) na wyfiltrowany sygnał
Półprzewodniki
wiła takłe specjalna technika kon- audio. Kondensatory C17 i C20
D1: 1N4148
wersji C/A oparta na czterech (po wraz z wewnÍtrznymi wzmacnia-
D2..D4: LED prostokÄ…tne
dwa na kanał) 5-bitowych klu- czami operacyjnymi wbudowany-
M1: 1,5A/50V
czach prÄ…dowych, ktÛra zapewnia mi w TDA1548 speÅ‚niajÄ… rolÍ wyj-
US1: 74HC04
ciÄ…gÅ‚Ä… autokalibracjÍ i duÅ‚Ä… linio- Å›ciowych filtrÛw pierwszego rzÍ-
US2: YM3623B
wośĘ przetwarzania. Przetworniki du, ktÛre usuwajÄ… resztki sygna-
US3: TDA1548TZ
tego typu sÄ… powszechnie stoso- Å‚Ûw zakÅ‚ÛcajÄ…cych przebieg audio.
US4: 7805
wane w innych układach firmy Poniewał interfejs I2S został
US5: MAX604CPA
Philips z konwersją audio C/A pomyślany jako lokalna magistrala
TO1: TORX173/176
(np. TDA1305, TDA1545 itp.). danych słułąca do przesyłania
Zastosowane w nich rozwiÄ…zania danych pomiÍdzy ukÅ‚adami w ob- Różne
zapewniajÄ… niezwykle niski po- rÍbie jednego urzÄ…dzenia, w prze- Gn1..Gn3: pojedyncze zÅ‚Ä…cza
ziom znieksztaÅ‚ceÒ nieliniowych tworniku pracujÄ…cym jako nieza- Cinch do druku
i duÅ‚y odstÍp sygnaÅ‚u od szumu leÅ‚ne urzÄ…dzenie niezbÍdne byÅ‚o Gn4: gniazdo minijack stereo do
druku
(rys. 7). zastosowanie konwertera sygnału
Najpowałniejszą wadą układu S/PDIF na I2S. Zadanie to realizuje JP1: 3 goldpiny + jumper
TDA1548 - przynajmniej z punktu układ US2 (YM3623B firmy Yama- SW1: przełącznik trzypozycyjny
widzenia autora - jest jego obu- ha). Jest to odbiornik S/PDIF pier- z  zerem
dowa, poniewaÅ‚ dostÍpne sÄ… tylko wszej generacji, dośĘ czuÅ‚y na X1: 16MHz
dwie jej wersje, obydwie przysto- zakÅ‚Ûcenia sygnaÅ‚u wejÅ›ciowego ty- Zl1A, Zl1B: kompletne, 4-stykowe
sowane do montaÅ‚u powierzch- pu jitter, co objawia siÍ nieco zÅ‚Ä…cze szpilkowe
niowego (SO28 i SSOP28). mniejszą nił w nowoczesnych kon- Zl2A, Zl2B: kompletne, 6-stykowe
strukcjach stabilnością odtworzo- złącze szpilkowe
nego sygnału SCK. Jak jednak
Radiator dla US4
Tab. 1. Możliwe tryby pracy
wykazały nasze doświadczenia, po-
interfejsu szeregowego w TDA1548.
tencjalna niestabilnośĘ jest na tyle bramkach US1A i US1B. Jako US1
IF1 IF2 Tryb pracy
mała, łe nawet w mało sprzyjają- mołna stosowaĘ tylko układy z ro-
0 0 zgodny z I2S
cych warunkach ułytkownik nie dziny 74HC! Selekcji wejścia ak-
0 1 16-bitowy z wyrównaniem do
bÍdzie jej w stanie usÅ‚yszeĘ. Syg- tywnego w danej chwili moÅ‚na
LSB
nał do wejścia US2 podawany jest dokonaĘ za pomocą jumpera JP1.
1 0 18-bitowy z wyrównaniem do
z wyjścia odbiornika optycznego Układ US2 na podstawie wcho-
LSB
TORX173 (TO1) lub z wyjścia pros- dzącego sygnału S/PDIF samo-
1 1 20-bitowy z wyrównaniem do
LSB
tego wzmacniacza wykonanego na czynnie wykrywa jego czÍstotli-
Elektronika Praktyczna 2/2000
53
18-bitowy przetwornik C/A audio
wośĘ prÛbkowa-
nia oraz zastoso-
wanie podczas
zapisu preemfa-
zy. Na podsta-
wie tych infor-
macji automa-
tycznie włącza
moduł cyfrowej
deemfazy (w
US3) i za pomo-
cą diod świecą-
cych D2..4 wska-
zuje czÍstotliwośĘ prÛbkowania.
Ogromną zaletą układu US2 są
ìzaszyteî w nim mechanizmy de-
tekcji bÅ‚ÍdÛw w odbieranym syg-
nale, co pozwala na automatyczne
ich maskowanie poprzez wycisze-
nie sygnału audio. Odpowiada za
to sygnał na wejściu MUTE US3.
Wszystkie elementy, z wyjÄ…t-
kiem US3, sÄ… zasilane stabilizo-
wanym napiÍciem 5V. RolÍ sta-
bilizatora speÅ‚nia ukÅ‚ad US4, ktÛ-
rego wejście jest zasilane z mos-
tka prostowniczego M1. Zadaniem
tego mostka jest zabezpieczenie
urzÄ…dzenia przed odwrÛceniem
polaryzacji napiÍcia zasiajÄ…cego,
a nie jego prostowanie. Do zasi-
lania przetwornika naleły stoso-
waĘ zasilacz prądu stałego. Kon-
densatory elektrolityczne C1 i C2
dodatkowo filtrujÄ… napiÍcie na
wejściu stabilizatora US4, ograni-
czajÄ…c tÍtnienia, ktÛre mogÅ‚yby
byĘ słyszalne.
Poniewał układ TDA1548 opra-
cowano z myÅ›lÄ… o sprzÍcie przenoÅ›-
nym, jest przystosowany do zasi-
lania napiÍciem o niskiej wartoÅ›ci
- zalecane jest 3..3,3V. Układ US5
jest stabilizatorem o niskim spadku
napiÍcia pomiÍdzy wejÅ›ciem i wyj-
Å›ciem, dziÍki czemu zapewnia na
swoim wyjÅ›ciu stabilne napiÍcie
o wartoÅ›ci 3,3V. NapiÍcie to jest
wykorzystywane tylko do zasilania
przetwornika US3.
Potencjometry P1..3 słułą do
regulacji barwy düwiÍku i gÅ‚oÅ›-
ności wyjściowego sygnału audio.
Regulacje wpÅ‚ywajÄ… zarÛwno na
wyjście słuchawkowe, jak i na
wyjścia Cinch-RCA.
Piotr Zbysiński, AVT
[e-mail]
Wzory płytek drukowanych w for-
macie PDF sÄ… dostÍpne w Internecie
pod adresem: http://www.ep.com.pl/
pcb.html oraz na płycie CD-EP02/
2000 w katalogu PCB.
Rys. 8. Schemat elektryczny 18-bitowego przetwornika C/A.
Elektronika Praktyczna 2/2000
54