关于USB声卡的设计研究

关于USB声卡的设计研究 史一玮 ( 江南大学通信与控制工程学院 江苏无锡 2 1 4 1 2 2 ) 摘 要: U S B 声卡电路由 U S B 接口、电源、D / C 转换、滤波、音频放大和耳机接口六部分组成。产品整体本着稳定、安全实用和 通用的原则。USB 接口采用通用 USB 接口, 只要用一根普通数据线便可将本产品与电脑连接。 关键词: U S B 声卡 中图分类号: T P 3 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 4 - 0 9 8 X ( 2 0 0 9 ) 1 1 ( a ) - 0 0 3 0 - 0 2 1 设计简介 的连续负载电流。(2)PCM2704。声卡的主要 转换部分 : P C M 2 0 7 4 , 将计算机输 D / A 1.1 设计目标 设计一个通过USB接口与计功能就是将计算机输出的数字信号转换成 出的数字信号转换为模拟音频信号。 电 , , : L P 2 9 8 5 - 3 3 , U S B 即实现数模转换。所以选用将输算机连接音频模拟信号源转换部分 更换方便,通用性强,音频效果好的USB声卡。PCM2704来实现此项功能,同时其具有一体入的5V 电压转换为稳定的 3. 3V 电压。 1.2 指标要求 化的USB接口,可接收16位立体声和单声道带通滤波部分 : O P A 23 5 3 , 对转换的音 , 滤掉毛刺噪音, 频信号进行滤波处理并使US B声卡要求具有较好的 D /A 转换功 US B音频数据 ,音质效果好 ,可以满足一般 其在20Hz—20kHz的频率范围内保持声音 , (3)OPA2353 能即将电脑输出的数字信号还原为人耳用户的要求。。为了保证声卡对 声音的高品质还原与保持,产品需要对转换能感知的模拟声音信号 。信噪比要求达到 的纯净和高保真。8 0 d B , 以上频率响应应大于人感知范围 音频放大部分 : T P A 1 5 2 , 对转换的模 ,,的音频信号进行滤波处理滤掉毛刺噪音(20Hz—20kHz),声道隔离度要达到70dB以 拟信号进行放大以使其满足要求。 并使其在20Hz—20KHz的频率范围内保持 , 输出功率和电源消耗都应较小。 上 3 . 1. 2 不同功能单元之间的接口设计 ,所以选用OPA2353。 声音的纯净和高保真 USB声卡设计用到的接口有通用的USBOPA2353精密放大器设计组成二阶反馈型 2 设计 接口 ,3.5mm耳机接口 ,其他功能单元之间 滤波电路对转换的音频信号进行滤波。其滤 的连接只需电路板中的导线连接即可。 ,噪声低。(4)TPA152。由于产品 2.1 系统设计与理论计算 波效果优良 转换的模拟信号最后输出到耳机,而初始信 US B声卡由USB接口、电源、D/A转换、 3 . 1 . 3 电路设计 ,就需要对 US B接口( 见图1)滤波、音频放大和耳机接口组成。号太弱以至于人耳不听清晰听见2.2 设计方案论证 产品设计过程中共涉及初始模拟信号进行放大以获得满足要求的 U S B 接口电路中 , R 1 用来确定其工作 速度,L101滤除高频,和C101、C102、C110一 到四块芯片 , 信号。起将电压稳定在5V。 分别是 L P 2 9 8 5 - 3 3 , P C M 2 7 0 4 , O P A 2 3 5 3 , T P A 1 5 2 立体声音频功率放大器的音 ( 见图2) T P A 1 5 2 . 频频带的 20 Hz — 20 KHz ,是一个 P C 系统理 电源 , 电源采用稳压芯片L P2985- 33想的输出缓冲音频编解码器输出的音频。本电路 (1)LP2985-33。由于产品采用USB输出 噪音低。并采用8引脚SOIC封装减少电路板 U S B 的 5 V 电压调节稳定为 3 . 5V电压源 ,而所用器件的工作电压都为 3.中此芯片将 3V,所以我们选用LP2985-33芯片将5V电源 空间 , 便于自动化装配。 3V。压差极小:280mV(满负载电流150mA) , 3.3VLP2985-33 7 m V ( 1 m A ) ; 输入电压范围 : 1 6 V ; I Q :器件工作电压。低电压转换成 线性稳压器电压输出稳定,为低压降稳压输 3 系统实现 8 5 0 u A ( 满负载电流 1 5 0 m A ) ; 关闭电流 : 0 . 。其将5V 电压转换为 3. 01uA;低噪声:30uV( RMS ) (10nF 旁路电容) ; 3.1 硬件设计 出提供了可靠保证 3V稳压电压(误差为1%)。其还能提供150mA电容的E SR越小,越稳定。对电流过大和温 3 . 1 . 1 系统结构 度过高都有保护功能。 D / A 转换 ( 见图 3 ) , 计算机输出的是数字信号需要将其 转化为模拟信号 。本设计采用的 D / A 转换 芯片是 P CM27 04,具有一体化的 US B接口 , 可接收 1 6 位立体声和单声道 U S B 音频数 据 , 动态范围为 9 8 d B ; 信噪比 : 9 8 d B ; : 0 . 0 0 6 , ( R L > 1 0 k ? ) , 0 . 0 2 5 % ( R L = 3 2 ? ) ; 采用双电 源供电 , 模拟部分为 4 . 5 , 5 . 5 V ; 数字部分 为 3 . 0 , 3 . 6 V ? ; 取样频率 : 3 2 , 4 4 . 1 , 4 8 k H z ; 图2 电源 时钟脉冲 12MHz。 ( 见图4 ) 滤波器 O P A 2 3 5 3 : 运算放大器芯片 : 工作电 压 : 2 . 7 , 5 . 5 V , 高转换率 : 2 2 V / n , 低噪声 : 5 n V / H z , L O W N O I S E : 0 . 0 0 0 6 % , 带宽 : 4 4 M H z 。 音频放大( 见图5 ) T P A 1 5 2 : ; : 7 5 m W ; 音频放大输出功率 T H D + N : 0 . 2 % ( 3 2 - W l o a d , 2 0 H z - 2 0 k H z ) , 0.01%(10kWloads20Hz-20kHz);温度和短路 。增益 = - ( R 1 3 / R 1 1 ) , C 8 与 R 1 1 构成高 保护通滤波器 , f H = 1 / ( 2 π R 1 1 C 8 ) , f H ? 2 0 H z , C 8 = 0 . 4 0 μ F , 所以 0 . 4 7 μ F ? C 8 ? 1 μ F . 旁路电容C 10 一是将启动时产生的噪声转 化为次声波, 二是通过与输出信号的耦合, 降低有电源产生的噪声 , 芯片内部有一 160kΩ的电阻, 为满足以上两个功能, 应满 ( 下转 3 2 页 ) 图5 音频放大 科技创新导报 Science and Technology InnovationHerald 30 2009 NO.31 Science and Technology Innovation Herald I T 技 术 D i m s l i c e O b j 1 A s A u t o C A D . s l i c e O b j 1 . c o l o r = A u t o C A D . A c a d ap p . Z o o m E x te n t s ( ) Acad3DSolid A C A D _ C O L O R . a c R e d E n d S ub sliceObj1 = Spring.SliceSolid(slicePt1, C a s e " 绿色" S u b C o n n e c t i o n A u t o C A D ( ) ' 启动 s li ce P t2 , s li c eP t 3, T r ue ) sliceObj1.color=AutoCAD.AC AD_ CO L - A u t o C A D O R . a c G r e e n S pr i n g. D el e t e( ) O n E r r o r Re s u m e N e x t C a s e " 蓝色" A c a d a p p = G e t O b j e c t ( , " A u t o C A D . ' 簧丝顶部端面 ,s li c eP t 1 = s pr i ng P at h .C o or di n at e ( ( N Application" ) s l i c e O b j 1 . c o l o r = A u t o C A D . + 2 ) * M y s t e p ) A C AD _ C O L O R . a c Bl u e I f E r r . N u m b e r T h e n E r r . C l e a r ( ) sliceP t2(0) = slicePt1(0) + 1: sliceP t2 End Select ( 1) = sli ceP t1( 1) A c a d ap p . Z o o m E x te n t s ( ) Acadapp = Cr eateObject(" AutoCAD. E n d S ub Application" ) slic eP t2( 2) = slice P t1( 2) : slic eP t3 ( 0) = sliceP t1(0) Sub delete3DSolid( ) '删除非三维实体 I f E r r . N u m b e r T h e n sliceP t3(1) = slicePt1(1) + 1: sliceP t3 对象 M s g B o x ( " 不能运行 A u t o C A D , 请检查 ( 2) = sli ceP t1( 2) O n E r r o r Re s u m e N e x t 是否安装了 A u t o C A D " ) D i m r e t u r n O b j A s D i m s l i c e O b j 2 A s A u t o C A D . A u t o C A D . E xi t S u b Acad3DSolid Ac ad E n ti ty E n d I f s l i c e O b j 2 = s l i c e O b j 1 . S l i c e S o l i d F o r E a c h r e t u r n O b j I n A c a d a p p . E n d I f ( s li ce P t 1, s li ce P t 2, s li ce P t 3, T r u e) Activ eDocumen t.ModelS pace A c a d a p p . V i s i b l e = T r u e ' 界面可视sliceObj2.Delete() I f r et ur nObj.Obje ctName<> " AcDb3- A c a d a p p . W i n d o w S t a t e = A u t o C A D . S e l e c t C a s e M e . C o m b o B o x 1 . T e x t . dS oli d" T h en A c W i n d o w S t a t e . a c M a x ' 界面最大化 T r i m r e t u r n O b j . D e le t e ( ) Ap pA ct iva te ( A cad ap p. Ca pti on ) '显示 E n d I f A u t o C A D 界面 C a se " 黑色 " N e x t E n d S ub C a s e " 红色" 在主板上的, 一旦坏了更换十分不方便, 而 芯片和设计界构的内置声卡更好的音质表( 上接 3 0 页 ) 现。实际上,它完成了当初CNR声卡所想作 以通用US B接口与电脑连接的外置声卡则 足1/ ( 160 kΩ*C1 0) ?1/( C8*R1 1) .C 11、C12 而没能做成的事 , 其必然会拥有广阔的市 显得既方便又变于更换 。同时由于没有笔 与负载构成高通滤波器 , f ( h i g h ) = 1 / ( 2 π场。而且, 本产品设计时就采用贴片电容电 记本内部空间的限制 , 它可以设计更为复 阻等器件 , 适合工业化大型生产 。综上 , R L C 1 1 ) , R 1 5 、R 1 6 防止接通电源时 C 1 1 、杂的模拟电路并采用更好的屏蔽设计 , 从 USB声卡会是一个成功的商业产品。 C12迅速充电产生噪声, 而R17、R18则是确 而大幅度地提升音质, 就算是像那个“闪盘 保 C 11 、C 12 完全放电 , 减小噪声。 声卡”一样不作任何加强设计, 脱离了机箱 内部的高电磁干扰环境以及使用US B的独 参考文献4 结语 立供电 , 这本身对于声卡音质的提升就是 [1] 康华光 . 电子技术基础模拟部分 ( 第五 由于笔记本电脑的声卡一般都是嵌入 巨大的。所以,US B声卡应该有比使用相同版 ) [ M] . 北京 : 高等教育出版社 , 2 00 7 . [2] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛技能 训 [ M ] . 北京 : 北京航空航天大学出版 社 , 2 0 0 7 . [3] 刘天旺 .P r ot el 99S E 电路设计应用教程 [ M ] . 北京 : 电子工业出版社 , 2 0 0 7 . [4] 朱云芳 江桦 翟旭等 . P r o t e l 9 9 S E 电 路设计与制版[ M] .北京: 机械工业出版 社 , 2 0 0 7 . [5] w w w . t i . c o m . L P 2 9 8 5 - 3 3 . P D F P C M 2 7 0 4 . P D F O P A 2 3 5 3 . P D F T P A 1 5 2 . P D . 图1 U SB 接口 图4 滤波器 图3 D / A 转换 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 32