Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
18−bitowy przetwornik C/A audio
18−bitowy przetwornik
C/A audio, część 1
kit AVT−853
DoúÊ skrzÍtnie omijaliúmy
dotychczas w†EP zagadnienia
cyfrowego audio, a†to ze
wzglÍdu na niebotyczne
trudnoúci ze stabilnym
zaopatrzeniem siÍ
w†podzespo³y. Sytuacja uleg³a
zmianie, w†zwi¹zku z†czym
rozpoczynamy od projektu
stosunkowo ³atwego
w†wykonaniu, lecz bardzo
efektownego - kompletnego
konwertera audio C/A
z†wejúciami: optycznym
i†liniowym, z procesorem
sygna³owym zapewniaj¹cym
korekcjÍ odtwarzanego
sygna³u, zintegrowanym
z†filtrem, modu³em
nadprÛbkowania,
wzmacniaczem
s³uchawkowym...
Zanim zajmiemy siÍ najsmacz-
niejszym k¹skiem, czyli opisem
architektury przetwornika, nieco
miejsca poúwiÍcimy przybliøeniu
standardu interfejsu I
2
S, ktÛry jest
wykorzystywany w†sprzÍcie popu-
larnym i†profesjonalnym do prze-
sy³ania w†postaci cyfrowej sygna-
³u audio pomiÍdzy uk³adami two-
rz¹cymi tor jego przetwarzania.
- SD (Serial Data) - szeregowo
przesy³ane dane z†nadajnika do
odbiornika z†prÍdkoúci¹ wyzna-
czon¹ przez SCK. W†szerego-
wym strumieniu danych s¹
zmultipeksowane dane dla ka-
na³u lewego i†prawego. D³ugoúÊ
ramki danych nie jest na sztyw-
no okreúlona i†zaleøy od moø-
liwoúci oraz wymagaÒ systemu
audio. Jedynemu ograniczeniu
podlega minimalna d³ugoúÊ
prÛbki dla kaødego kana³u - nie
moøe byÊ krÛtsza niø 7†bitÛw.
Za³oøenia standardu I
2
S narzu-
caj¹ koniecznoúÊ stosowania
w†systemie obrÛbki danych audio
Co to jest I
2
S?
W†cyfrowych systemach audio
do przesy³ania sygna³Ûw wyko-
rzystywany jest specjalny interfejs
szeregowy nosz¹cy nazwÍ I
2
S (od
Inter-IC Sound). Do przesy³ania
danych (prÛbek düwiÍku) wyko-
rzystywane s¹ 3†linie (
rys. 1
):
- SCK (Serial ClocK) - sygna³ ze-
garowy synchronizuj¹cy transmis-
jÍ danych i jednoczeúnie okreú-
laj¹cy bitow¹ prÍdkoúÊ transmisji.
Sygna³ SCK zawsze jest wytwa-
rzany przez Mastera systemu.
- WS (Word Select) - sygna³ okreú-
laj¹cy, ktÛrego kana³u dane s¹
w†danej chwili przesy³ane
(WS=0 - kana³ lewy, WS=1 -
kana³ prawy). Sygna³ WS jest
wytwarzany zawsze przez Mas-
tera systemu. CzÍstotliwoúÊ tego
sygna³u okreúla czÍstotliwoúÊ
dostarczania kompletnych prÛ-
bek do kolejnego modu³u w†to-
rze obrÛbki danych.
Master
Nadajnik
SCK
WS
SD
Odbiornik
Master
Nadajnik
SCK
WS
SD
Odbiornik
Master
Dowolny
sterownik
Nadajnik
SCK
WS
SD
Odbiornik
Rys. 1. Możliwe konfiguracje
systemu I
2
S.
50
Elektronika Praktyczna 2/2000
P R O J E K T Y
18−bitowy przetwornik C/A audio
C/A!), twÛrcy standardu
I
2
S zaproponowali proste,
a†przy tym bardzo sku-
teczne rozwi¹zanie za-
pewniaj¹ce bezkonflikto-
w¹ wspÛ³pracÍ uk³adÛw
o†rÛønej ìd³ugoúciî. DziÍ-
ki temu cyfrowy filtr ìob-
rabiaj¹cyî sygna³y 24-bi-
towe moøe przygotowywaÊ dane
dla 16-bitowego przetwornika C/
A i†nie spowoduje to øadnych
zak³ÛceÒ w†odtwarzanym sygnale.
Jak to jest moøliwe? W†standar-
dzie I
2
S dane s¹ przesy³ane w†ko-
lejnoúci od MSB (najbardziej zna-
cz¹cy bit) do LSB (najmniej zna-
cz¹cy bit). Konstrukcja interfejsÛw
w†uk³adach I
2
S jest taka, øe wy-
bieraj¹ one z†przesy³anego s³owa
tylko tak¹ liczbÍ bitÛw (pocz¹w-
szy od MSB), jak¹ s¹ w†stanie
ìobs³uøyÊî. W†przypadku, gdy
przesy³anych jest wiÍcej bitÛw niø
jest w†stanie odebraÊ uk³ad od-
biorczy, to nadmiarowe bity s¹ po
prostu ignorowane. Jeøeli przesy-
³anych bitÛw jest mniej niø moøe
ìobs³uøyÊî uk³ad odbiorczy, to
w†miejsce bitÛw mniej znacz¹cyh
s¹ wstawiane zera. Kaødorazowa
zmiana adresu kana³u (sygna³ WS)
potwierdzana jest jednym taktem
zegarowym, podczas ktÛrego øad-
ne dane nie s¹ przesy³ane.
W†gÛrnej czÍúci
rys. 3
przed-
stawiony zosta³ przebieg charakte-
Podstawowe parametry i właściwości
przetwornika:
rozdzielczość: 16/18/20 bitów,
wejście S/PDIF optyczne (TOSLink) oraz
RCA,
wyjścia: słuchawkowe (minijack) i dwa
wyjścia audio RCA,
Rys. 2. Sposób przesyłania danych w I
2
S.
automatyczne dostosowanie się
przetwornika do długości ramki danych,
64−krotne nadpróbkowanie,
wbudowany procesor DSP umożliwiający
regulację barwy dźwięku i głośności oraz
“inteligentne” wzmocnienie basów,
jednego modu³u, ktÛry bÍdzie
spe³nia³ rolÍ Mastera. Odpowiada
on za wyznaczenie tempa przesy-
³ania danych i†decyduje o†przes³a-
niu okreúlonej grupy bitÛw do
jednego z†dwÛch kana³Ûw prze-
twarzania. Moøliwe s¹ rÛøne kon-
figuracje w³¹czenia Mastera w†sys-
tem, co doskonale widaÊ na rys.
1.
amplituda sygnału wyjściowego audio:
0,64V (na 32
odstęp sygnału od szumu: 90dB,
zniekształcenia nieliniowe: 0,05%,
napięcie zasilania: 9..15VDC,
pobór prądu: 120mA.
ryzuj¹c kompletny transfer danych
dla jednej prÛbki düwiÍku w†oby-
dwu kana³ach. Trzy kolejne prze-
biegi przedstawiaj¹ transfery da-
nych rÛwnie czÍsto stosowane
w†uk³adach przystosowanych do
pracy w†systemach cyfrowego au-
dio, nosz¹ce nazwÍ
LSB Justified
.
Nie s¹ one zgodne ze standardem
I
2
S, a†to ze wzglÍdu na odwrÛcon¹
kolejnoúÊ bitÛw danych w†ramce,
brak ìpustegoî impulsu zegarowe-
go po zmianie adresu kana³u da-
nych i†odwrotn¹ polaryzacjÍ syg-
na³u selekcji kana³Ûw WS.
Przyk³ad transmisji trzech ko-
lejnych ramek danych przedsta-
wiono na
rys. 2
. CzÍstotliwoúÊ
zmian poziomu sygna³u WS wy-
nika z†przyjÍtej czÍstotliwoúci tak-
towania przesy³ania bitÛw
f
SCK
oraz d³ugoúci s³owa
N
i†wynosi:
f
WS
=f
SCK
/N
Jak wczeúniej wspomniano,
d³ugoúÊ ramki danych moøe byÊ
rÛøna, zazwyczaj wynosi 16..24
bitÛw. Poniewaø producenci uk³a-
dÛw w†bardzo szybkim tempie
wprowadzaj¹ coraz to doskonalsze
uk³ady cyfrowej obrÛbki danych
oraz coraz ìgÍstszeî przetworniki
(np. Crystal Semiconductors pro-
ponuje juø 30-bitowe konwertery
ìSerceî przetwornika
- TDA1548
Wykorzystany w†projekcie
uk³ad jest niezwyk³y, poniewaø
w†jednej obudowie integruje kom-
pletny tor obrÛbki i†konwersji syg-
na³u z†postaci cyfrowej do analo-
gowej, z†moøliwoúci¹ bezpoúred-
niego wysterowania s³uchawek.
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 uøytkownika, zachowuj¹
siÍ one jak regulatory analogowe.
Nastawy regulatorÛw moøna zmie-
niaÊ za pomoc¹ zwyk³ych poten-
cjometrÛw, co jest sposobem nad
wyraz wygodnym.
Wejúcie korekcji brzmienia ba-
sÛw (AD3S) jest 3-stanowym wej-
úciem analogowym, ktÛre umoø-
liwia wybranie jednej z†trzech
charakterystyk korekcji: p³ask¹,
basy silnie wzmocnione, basy
lekko wzmocnione. Wejúcie
AD3S moøna sterowaÊ za pomo-
c¹ prze³¹cznika z†po³oøeniem ze-
rowym lub standardowego ìpo-
tencjometruî.
Modu³ cyfrowej regulacji g³oú-
noúci wspÛ³pracuje z†modu³em
miÍkkiego wyciszania. Jego cha-
rakterystyka t³umienia ma kszta³t
zbliøony do rosn¹cej czÍúci krzy-
wej cosinus, sk³adaj¹cej siÍ 32
z†krokÛw. Czas wyciszania sygna-
³y wynosi ok. 23ms.
Zastosowane w†uk³adzie cyfro-
we filtry, liniowy interpolator,
konwertery czÍstotliwoúci prÛbko-
wania (z uk³adami prÛbkuj¹co-
pamiÍtaj¹cymi) oraz bloki
eliminacji zak³ÛceÒ szumowych
pochodz¹cych od prÛbkowania po-
zwalaj¹ na tyle poprawiÊ charak-
terystykÍ widmow¹ konwertowa-
nego sygna³u, øe dobrej jakoúci
sygna³ audio moøna otrzymaÊ po
jednostopniowej filtracji w†filtrze
dyskretnym RC. Wypadkow¹ cha-
rakterystykÍ pasmow¹ filtrÛw za-
13
14
9
8
7
Interfejs wejœciowy
16
15
22
21
20
19
MUTE
DEEM
AD3S
ADVC
ADBB
ADTR
12
Cyfrowy regulator g³oœnoœci
Modu³ "miêkkiego" wyciszania
Regulator
g³oœnoœci,
barwy
i pola
dŸwiêku
SYSCLK
Generator
czêstotliwoœci
17
CLSEL
Modu³ modyfikacji brzmienia
V
DDA
1 f
S
5
MODE0
Pierwszy stopieñ filtrowania
6
2 f
S
OP4
18
AD
ref
MODE1
Drugi stopieñ filtrowania
4 f
S
Interpolator liniowy
V
SSA
8 f
S
Modu³ 8-krotnego
nadpróbkowania
Modu³ 8-krotnego
nadpróbkowania
Modu³ kszta³towania
szumów
Modu³ kszta³towania
szumów
Enkoder
11
V
SSD
Enkoder
10
V
DDD
FILTCL
4
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
26
FILTCR
1.8 nF
CEXT1
R
CONV1
R
CONV2
1.8 nF
CEXT2
1.2k
1.2k
Klucze
wyjœciowe
Klucze
wyjœciowe
3
OP1
OP2
27
VOL
VOR
Napiêcie
referencyjne
V
DDA
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
6 k
V
ref
25
TDA1548T
24
10
µF
6 k
OP3
V
SSA
V
SSA
1
28
2
23
V
SSO
V
DDO
V
COM
V
DDA
V
SSA
Rys. 4. Schemat wewnętrzny układu TDA1548T.
Na wejúciu uk³adu TDA1548
znajduje siÍ konfigurowalny inter-
fejs szeregowy, ktÛry moøe praco-
waÊ w†jednym z†czterech trybÛw:
- zgodnym z†I
2
S, dziÍki czemu
wbudowany w†uk³ad przetwor-
nik C/A, uk³ad konwersji prÛb-
kowania oraz filtry dolnoprze-
pustowe automatycznie dopaso-
wuj¹ siÍ do liczby bitÛw w†do-
starczanych prÛbkach,
- trzy tryby
LSB Justified
: 16, 18
i†20-bitowy.
WybÛr trybu pracy jest moø-
liwy dziÍki zmianie stanÛw lo-
gicznych na wyprowadzeniach
oznaczonym IF1 i†IF2. W†
tab. 1
znajduje siÍ tablica prawdy dla
tych wejúÊ.
Po konwersji sygna³u z forma-
tu I
2
S na wewnÍtrzny format
uk³adu TDA1548, jest on podda-
wany kilku modyfikacjom:
- deemfazie, jeøeli jest taka ko-
niecznoúÊ,
- dwustopniowej modyfikacji bar-
wy düwiÍku (niskie
i†wysokie),
- regulacji poziomu g³oú-
noúci z†moøliwoúci¹
miÍkkiego wyciszenia,
- trzystopniowej korekcji
brzmienia basÛw, ktÛra
minimalizuje wp³yw
niedoskona³oúci prze-
twarzania sygna³Ûw
o†najniøszych czÍstotli-
woúciach przez s³u-
chawki oraz g³oúniki
o†niewielkich úredni-
cach membrany.
Cyfrowe regulatory
barwy i†natÍøenia düwiÍ-
ku s¹ sterowane z†wejúÊ
analogowych, ktÛre wy-
posaøono w†analogowy
multiplekser oraz 6-bito-
wy przetwornik A/C.
CzÍstotliwoúÊ skanowa-
nia wejúÊ wynosi
Charakterystyka filtru
z 64-krotnym nadpróbkowaniem
Rys. 5. Charakterystyka filtrów w układzie TDA1548.
Charakterystyka filtru
ze 128-krotnym nadpróbkowaniem
Rys. 6. Charakterystyka filtrów z dwukrotnie
większą częstotliwością nadpróbkowania.
52
Elektronika Praktyczna 2/2000
18−bitowy przetwornik C/A audio
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
P1, P2, P3: 10k
Ω
R2, R12, R13: 100
R3, R11, R16: 10k
Ω
R5: zwora
R6, R10: 2,2
(1) Poziom -60dB
(2) Poziom 0dB
R7: 18k
Ω
R9: 270
Ω
R14, R17, R18: 1k
Ω
R19, R20, R21: 470
Rys. 7. Charakterystyka przedstawiająca zniekształcenia sygnału na wyjściu
TDA1548.
F/25V
C3, C5, C6, C8, C10, C15, C18,
C19: 100nF
C4, C11: 47
stosowanych w†uk³adzie TDA1548
przedstawiamy na
rys. 5
. Dla
porÛwnania, na
rys. 6
znajduje
siÍ charakterystyka nieco lepszego
filtru ze 128-krotnym naprÛbko-
waniem.
Tak wiÍc znaczne skompliko-
wanie wewnÍtrznej struktury prze-
twornika zaowocowa³o radykal-
nym uproszczeniem jego uk³adu
aplikacyjnego. Uzyskanie dobrych
parametry przetwarzania umoøli-
wi³a takøe specjalna technika kon-
wersji C/A oparta na czterech (po
dwa na kana³) 5-bitowych klu-
czach pr¹dowych, ktÛra zapewnia
ci¹g³¹ autokalibracjÍ i†duø¹ linio-
woúÊ przetwarzania. Przetworniki
tego typu s¹ powszechnie stoso-
wane w†innych uk³adach firmy
Philips z†konwersj¹ audio C/A
(np. TDA1305, TDA1545 itp.).
Zastosowane w†nich rozwi¹zania
zapewniaj¹ niezwykle niski po-
ziom zniekszta³ceÒ nieliniowych
i†duøy odstÍp sygna³u od szumu
(
rys. 7
).
Najpowaøniejsz¹ wad¹ uk³adu
TDA1548 - przynajmniej z†punktu
widzenia autora - jest jego obu-
dowa, poniewaø dostÍpne s¹ tylko
dwie jej wersje, obydwie przysto-
sowane do montaøu powierzch-
niowego (SO28 i†SSOP28).
Opis uk³adu przetwornika
Schemat elektryczny przetwor-
nika znajduje siÍ na
rys. 8
. Ze
wzglÍdu na wykorzystanie w†prze-
tworniku uk³adÛw o†duøej skali
integracji, ca³y tor audio sk³ada
siÍ z†zaledwie dwÛch uk³adÛw
scalonych: US2 i†US3. Rola spe³-
niana przez US3 w†przetworniku
jest oczywista - konwertuje on
dane z†postaci cyfrowej (w†forma-
cie I
2
S) na wyfiltrowany sygna³
audio. Kondensatory C17 i†C20
wraz z†wewnÍtrznymi wzmacnia-
czami operacyjnymi wbudowany-
mi w†TDA1548 spe³niaj¹ rolÍ wyj-
úciowych filtrÛw pierwszego rzÍ-
du, ktÛre usuwaj¹ resztki sygna-
³Ûw zak³Ûcaj¹cych przebieg audio.
Poniewaø interfejs I
2
S zosta³
pomyúlany jako lokalna magistrala
danych s³uø¹ca do przesy³ania
danych pomiÍdzy uk³adami w†ob-
rÍbie jednego urz¹dzenia, w†prze-
tworniku pracuj¹cym jako nieza-
leøne urz¹dzenie niezbÍdne by³o
zastosowanie konwertera sygna³u
S/PDIF na I
2
S. Zadanie to realizuje
uk³ad US2 (YM3623B firmy Yama-
ha). Jest to odbiornik S/PDIF pier-
wszej generacji, doúÊ czu³y na
zak³Ûcenia sygna³u wejúciowego ty-
pu
jitter
, co objawia siÍ nieco
mniejsz¹ niø w†nowoczesnych kon-
strukcjach stabilnoúci¹ odtworzo-
nego sygna³u SCK. Jak jednak
wykaza³y nasze doúwiadczenia, po-
tencjalna niestabilnoúÊ jest na tyle
ma³a, øe nawet w†ma³o sprzyjaj¹-
cych warunkach uøytkownik nie
bÍdzie jej w†stanie us³yszeÊ. Syg-
na³ do wejúcia US2 podawany jest
z†wyjúcia odbiornika optycznego
TORX173 (TO1) lub z†wyjúcia pros-
tego wzmacniacza wykonanego na
F/16V
F/16V
C9, C21: 10
F/16V
F/16V
C17, C20: 1,2nF
C22, C24: 100
F/16V
C23: 10nF
Półprzewodniki
D1: 1N4148
D2..D4: LED prostokątne
M1: 1,5A/50V
US1: 74HC04
US2: YM3623B
US3: TDA1548TZ
US4: 7805
US5: MAX604CPA
TO1: TORX173/176
Różne
Gn1..Gn3: pojedyncze złącza
Cinch do druku
Gn4: gniazdo minijack stereo do
druku
JP1: 3 goldpiny + jumper
SW1: przełącznik trzypozycyjny
z “zerem”
X1: 16MHz
Zl1A, Zl1B: kompletne, 4−stykowe
złącze szpilkowe
Zl2A, Zl2B: kompletne, 6−stykowe
złącze szpilkowe
Radiator dla US4
Tab. 1. Możliwe tryby pracy
interfejsu szeregowego w TDA1548.
IF1 IF2 Tryb pracy
0 0 zgodny z I
2
S
0 1 16−bitowy z wyrównaniem do
LSB
1 0 18−bitowy z wyrównaniem do
LSB
1 1 20−bitowy z wyrównaniem do
LSB
bramkach US1A i†US1B. Jako US1
moøna stosowaÊ tylko uk³ady z†ro-
dziny 74HC! Selekcji wejúcia ak-
tywnego w†danej chwili moøna
dokonaÊ za pomoc¹ jumpera JP1.
Uk³ad US2 na podstawie wcho-
dz¹cego sygna³u S/PDIF samo-
czynnie wykrywa jego czÍstotli-
Elektronika Praktyczna 2/2000
53
R1: 75
R4: 10
R8: 1M
R15: 12k
Kondensatory
C1, C2: 470
C7: 4,7
C12: 8,2nF
C13, C14: 10pF
C16: 22
18−bitowy przetwornik C/A audio
woúÊ prÛbkowa-
nia oraz zastoso-
wanie podczas
zapisu preemfa-
zy. Na podsta-
wie tych infor-
macji automa-
tycznie w³¹cza
modu³ cyfrowej
deemfazy (w
US3) i†za pomo-
c¹ diod úwiec¹-
cych D2..4 wska-
zuje czÍstotliwoúÊ prÛbkowania.
Ogromn¹ zalet¹ uk³adu US2 s¹
ìzaszyteî w†nim mechanizmy de-
tekcji b³ÍdÛw w†odbieranym syg-
nale, co pozwala na automatyczne
ich maskowanie poprzez wycisze-
nie sygna³u audio. Odpowiada za
to sygna³ na wejúciu
MUTE
US3.
Wszystkie elementy, z†wyj¹t-
kiem US3, s¹ zasilane stabilizo-
wanym napiÍciem 5V. RolÍ sta-
bilizatora spe³nia uk³ad US4, ktÛ-
rego wejúcie jest zasilane z mos-
tka prostowniczego M1. Zadaniem
tego mostka jest zabezpieczenie
urz¹dzenia przed odwrÛceniem
polaryzacji napiÍcia zasiaj¹cego,
a†nie jego prostowanie. Do zasi-
lania przetwornika naleøy stoso-
waÊ zasilacz pr¹du sta³ego. Kon-
densatory elektrolityczne C1 i†C2
dodatkowo filtruj¹ napiÍcie na
wejúciu stabilizatora US4, ograni-
czaj¹c tÍtnienia, ktÛre mog³yby
byÊ s³yszalne.
Poniewaø uk³ad TDA1548 opra-
cowano z†myúl¹ o†sprzÍcie przenoú-
nym, jest przystosowany do zasi-
lania napiÍciem o†niskiej wartoúci
- zalecane jest 3..3,3V. Uk³ad US5
jest stabilizatorem o†niskim spadku
napiÍcia pomiÍdzy wejúciem i†wyj-
úciem, dziÍki czemu zapewnia na
swoim wyjúciu stabilne napiÍcie
o†wartoúci 3,3V. NapiÍcie to jest
wykorzystywane tylko do zasilania
przetwornika US3.
Potencjometry P1..3 s³uø¹ do
regulacji barwy düwiÍku i†g³oú-
noúci wyjúciowego sygna³u audio.
Regulacje wp³ywaj¹ zarÛwno na
wyjúcie s³uchawkowe, jak i†na
wyjúcia Cinch-RCA.
Piotr Zbysiñski, AVT
piotr.zbysinski@ep.com.pl
Rys. 8. Schemat elektryczny 18−bitowego przetwornika C/A.
Wzory p³ytek drukowanych w for-
macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie
pod adresem:
http://www.ep.com.pl/
pcb.html
oraz na p³ycie CD-EP02/
2000 w katalogu
PCB
.
54
Elektronika Praktyczna 2/2000
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl hannaeva.xlx.pl
18−bitowy przetwornik
C/A audio, część 1
kit AVT−853
DoúÊ skrzÍtnie omijaliúmy
dotychczas w†EP zagadnienia
cyfrowego audio, a†to ze
wzglÍdu na niebotyczne
trudnoúci ze stabilnym
zaopatrzeniem siÍ
w†podzespo³y. Sytuacja uleg³a
zmianie, w†zwi¹zku z†czym
rozpoczynamy od projektu
stosunkowo ³atwego
w†wykonaniu, lecz bardzo
efektownego - kompletnego
konwertera audio C/A
z†wejúciami: optycznym
i†liniowym, z procesorem
sygna³owym zapewniaj¹cym
korekcjÍ odtwarzanego
sygna³u, zintegrowanym
z†filtrem, modu³em
nadprÛbkowania,
wzmacniaczem
s³uchawkowym...
Zanim zajmiemy siÍ najsmacz-
niejszym k¹skiem, czyli opisem
architektury przetwornika, nieco
miejsca poúwiÍcimy przybliøeniu
standardu interfejsu I
2
S, ktÛry jest
wykorzystywany w†sprzÍcie popu-
larnym i†profesjonalnym do prze-
sy³ania w†postaci cyfrowej sygna-
³u audio pomiÍdzy uk³adami two-
rz¹cymi tor jego przetwarzania.
- SD (Serial Data) - szeregowo
przesy³ane dane z†nadajnika do
odbiornika z†prÍdkoúci¹ wyzna-
czon¹ przez SCK. W†szerego-
wym strumieniu danych s¹
zmultipeksowane dane dla ka-
na³u lewego i†prawego. D³ugoúÊ
ramki danych nie jest na sztyw-
no okreúlona i†zaleøy od moø-
liwoúci oraz wymagaÒ systemu
audio. Jedynemu ograniczeniu
podlega minimalna d³ugoúÊ
prÛbki dla kaødego kana³u - nie
moøe byÊ krÛtsza niø 7†bitÛw.
Za³oøenia standardu I
2
S narzu-
caj¹ koniecznoúÊ stosowania
w†systemie obrÛbki danych audio
Co to jest I
2
S?
W†cyfrowych systemach audio
do przesy³ania sygna³Ûw wyko-
rzystywany jest specjalny interfejs
szeregowy nosz¹cy nazwÍ I
2
S (od
Inter-IC Sound). Do przesy³ania
danych (prÛbek düwiÍku) wyko-
rzystywane s¹ 3†linie (
rys. 1
):
- SCK (Serial ClocK) - sygna³ ze-
garowy synchronizuj¹cy transmis-
jÍ danych i jednoczeúnie okreú-
laj¹cy bitow¹ prÍdkoúÊ transmisji.
Sygna³ SCK zawsze jest wytwa-
rzany przez Mastera systemu.
- WS (Word Select) - sygna³ okreú-
laj¹cy, ktÛrego kana³u dane s¹
w†danej chwili przesy³ane
(WS=0 - kana³ lewy, WS=1 -
kana³ prawy). Sygna³ WS jest
wytwarzany zawsze przez Mas-
tera systemu. CzÍstotliwoúÊ tego
sygna³u okreúla czÍstotliwoúÊ
dostarczania kompletnych prÛ-
bek do kolejnego modu³u w†to-
rze obrÛbki danych.
Master
Nadajnik
SCK
WS
SD
Odbiornik
Master
Nadajnik
SCK
WS
SD
Odbiornik
Master
Dowolny
sterownik
Nadajnik
SCK
WS
SD
Odbiornik
Rys. 1. Możliwe konfiguracje
systemu I
2
S.
50
Elektronika Praktyczna 2/2000
P R O J E K T Y
18−bitowy przetwornik C/A audio
C/A!), twÛrcy standardu
I
2
S zaproponowali proste,
a†przy tym bardzo sku-
teczne rozwi¹zanie za-
pewniaj¹ce bezkonflikto-
w¹ wspÛ³pracÍ uk³adÛw
o†rÛønej ìd³ugoúciî. DziÍ-
ki temu cyfrowy filtr ìob-
rabiaj¹cyî sygna³y 24-bi-
towe moøe przygotowywaÊ dane
dla 16-bitowego przetwornika C/
A i†nie spowoduje to øadnych
zak³ÛceÒ w†odtwarzanym sygnale.
Jak to jest moøliwe? W†standar-
dzie I
2
S dane s¹ przesy³ane w†ko-
lejnoúci od MSB (najbardziej zna-
cz¹cy bit) do LSB (najmniej zna-
cz¹cy bit). Konstrukcja interfejsÛw
w†uk³adach I
2
S jest taka, øe wy-
bieraj¹ one z†przesy³anego s³owa
tylko tak¹ liczbÍ bitÛw (pocz¹w-
szy od MSB), jak¹ s¹ w†stanie
ìobs³uøyÊî. W†przypadku, gdy
przesy³anych jest wiÍcej bitÛw niø
jest w†stanie odebraÊ uk³ad od-
biorczy, to nadmiarowe bity s¹ po
prostu ignorowane. Jeøeli przesy-
³anych bitÛw jest mniej niø moøe
ìobs³uøyÊî uk³ad odbiorczy, to
w†miejsce bitÛw mniej znacz¹cyh
s¹ wstawiane zera. Kaødorazowa
zmiana adresu kana³u (sygna³ WS)
potwierdzana jest jednym taktem
zegarowym, podczas ktÛrego øad-
ne dane nie s¹ przesy³ane.
W†gÛrnej czÍúci
rys. 3
przed-
stawiony zosta³ przebieg charakte-
Podstawowe parametry i właściwości
przetwornika:
rozdzielczość: 16/18/20 bitów,
wejście S/PDIF optyczne (TOSLink) oraz
RCA,
wyjścia: słuchawkowe (minijack) i dwa
wyjścia audio RCA,
Rys. 2. Sposób przesyłania danych w I
2
S.
automatyczne dostosowanie się
przetwornika do długości ramki danych,
64−krotne nadpróbkowanie,
wbudowany procesor DSP umożliwiający
regulację barwy dźwięku i głośności oraz
“inteligentne” wzmocnienie basów,
jednego modu³u, ktÛry bÍdzie
spe³nia³ rolÍ Mastera. Odpowiada
on za wyznaczenie tempa przesy-
³ania danych i†decyduje o†przes³a-
niu okreúlonej grupy bitÛw do
jednego z†dwÛch kana³Ûw prze-
twarzania. Moøliwe s¹ rÛøne kon-
figuracje w³¹czenia Mastera w†sys-
tem, co doskonale widaÊ na rys.
1.
amplituda sygnału wyjściowego audio:
0,64V (na 32
odstęp sygnału od szumu: 90dB,
zniekształcenia nieliniowe: 0,05%,
napięcie zasilania: 9..15VDC,
pobór prądu: 120mA.
ryzuj¹c kompletny transfer danych
dla jednej prÛbki düwiÍku w†oby-
dwu kana³ach. Trzy kolejne prze-
biegi przedstawiaj¹ transfery da-
nych rÛwnie czÍsto stosowane
w†uk³adach przystosowanych do
pracy w†systemach cyfrowego au-
dio, nosz¹ce nazwÍ
LSB Justified
.
Nie s¹ one zgodne ze standardem
I
2
S, a†to ze wzglÍdu na odwrÛcon¹
kolejnoúÊ bitÛw danych w†ramce,
brak ìpustegoî impulsu zegarowe-
go po zmianie adresu kana³u da-
nych i†odwrotn¹ polaryzacjÍ syg-
na³u selekcji kana³Ûw WS.
Przyk³ad transmisji trzech ko-
lejnych ramek danych przedsta-
wiono na
rys. 2
. CzÍstotliwoúÊ
zmian poziomu sygna³u WS wy-
nika z†przyjÍtej czÍstotliwoúci tak-
towania przesy³ania bitÛw
f
SCK
oraz d³ugoúci s³owa
N
i†wynosi:
f
WS
=f
SCK
/N
Jak wczeúniej wspomniano,
d³ugoúÊ ramki danych moøe byÊ
rÛøna, zazwyczaj wynosi 16..24
bitÛw. Poniewaø producenci uk³a-
dÛw w†bardzo szybkim tempie
wprowadzaj¹ coraz to doskonalsze
uk³ady cyfrowej obrÛbki danych
oraz coraz ìgÍstszeî przetworniki
(np. Crystal Semiconductors pro-
ponuje juø 30-bitowe konwertery
ìSerceî przetwornika
- TDA1548
Wykorzystany w†projekcie
uk³ad jest niezwyk³y, poniewaø
w†jednej obudowie integruje kom-
pletny tor obrÛbki i†konwersji syg-
na³u z†postaci cyfrowej do analo-
gowej, z†moøliwoúci¹ bezpoúred-
niego wysterowania s³uchawek.
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 uøytkownika, zachowuj¹
siÍ one jak regulatory analogowe.
Nastawy regulatorÛw moøna zmie-
niaÊ za pomoc¹ zwyk³ych poten-
cjometrÛw, co jest sposobem nad
wyraz wygodnym.
Wejúcie korekcji brzmienia ba-
sÛw (AD3S) jest 3-stanowym wej-
úciem analogowym, ktÛre umoø-
liwia wybranie jednej z†trzech
charakterystyk korekcji: p³ask¹,
basy silnie wzmocnione, basy
lekko wzmocnione. Wejúcie
AD3S moøna sterowaÊ za pomo-
c¹ prze³¹cznika z†po³oøeniem ze-
rowym lub standardowego ìpo-
tencjometruî.
Modu³ cyfrowej regulacji g³oú-
noúci wspÛ³pracuje z†modu³em
miÍkkiego wyciszania. Jego cha-
rakterystyka t³umienia ma kszta³t
zbliøony do rosn¹cej czÍúci krzy-
wej cosinus, sk³adaj¹cej siÍ 32
z†krokÛw. Czas wyciszania sygna-
³y wynosi ok. 23ms.
Zastosowane w†uk³adzie cyfro-
we filtry, liniowy interpolator,
konwertery czÍstotliwoúci prÛbko-
wania (z uk³adami prÛbkuj¹co-
pamiÍtaj¹cymi) oraz bloki
eliminacji zak³ÛceÒ szumowych
pochodz¹cych od prÛbkowania po-
zwalaj¹ na tyle poprawiÊ charak-
terystykÍ widmow¹ konwertowa-
nego sygna³u, øe dobrej jakoúci
sygna³ audio moøna otrzymaÊ po
jednostopniowej filtracji w†filtrze
dyskretnym RC. Wypadkow¹ cha-
rakterystykÍ pasmow¹ filtrÛw za-
13
14
9
8
7
Interfejs wejœciowy
16
15
22
21
20
19
MUTE
DEEM
AD3S
ADVC
ADBB
ADTR
12
Cyfrowy regulator g³oœnoœci
Modu³ "miêkkiego" wyciszania
Regulator
g³oœnoœci,
barwy
i pola
dŸwiêku
SYSCLK
Generator
czêstotliwoœci
17
CLSEL
Modu³ modyfikacji brzmienia
V
DDA
1 f
S
5
MODE0
Pierwszy stopieñ filtrowania
6
2 f
S
OP4
18
AD
ref
MODE1
Drugi stopieñ filtrowania
4 f
S
Interpolator liniowy
V
SSA
8 f
S
Modu³ 8-krotnego
nadpróbkowania
Modu³ 8-krotnego
nadpróbkowania
Modu³ kszta³towania
szumów
Modu³ kszta³towania
szumów
Enkoder
11
V
SSD
Enkoder
10
V
DDD
FILTCL
4
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
26
FILTCR
1.8 nF
CEXT1
R
CONV1
R
CONV2
1.8 nF
CEXT2
1.2k
1.2k
Klucze
wyjœciowe
Klucze
wyjœciowe
3
OP1
OP2
27
VOL
VOR
Napiêcie
referencyjne
V
DDA
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
Kalibrowane
(16-stopniowe)
Ÿród³a pr¹dowe
6 k
V
ref
25
TDA1548T
24
10
µF
6 k
OP3
V
SSA
V
SSA
1
28
2
23
V
SSO
V
DDO
V
COM
V
DDA
V
SSA
Rys. 4. Schemat wewnętrzny układu TDA1548T.
Na wejúciu uk³adu TDA1548
znajduje siÍ konfigurowalny inter-
fejs szeregowy, ktÛry moøe praco-
waÊ w†jednym z†czterech trybÛw:
- zgodnym z†I
2
S, dziÍki czemu
wbudowany w†uk³ad przetwor-
nik C/A, uk³ad konwersji prÛb-
kowania oraz filtry dolnoprze-
pustowe automatycznie dopaso-
wuj¹ siÍ do liczby bitÛw w†do-
starczanych prÛbkach,
- trzy tryby
LSB Justified
: 16, 18
i†20-bitowy.
WybÛr trybu pracy jest moø-
liwy dziÍki zmianie stanÛw lo-
gicznych na wyprowadzeniach
oznaczonym IF1 i†IF2. W†
tab. 1
znajduje siÍ tablica prawdy dla
tych wejúÊ.
Po konwersji sygna³u z forma-
tu I
2
S na wewnÍtrzny format
uk³adu TDA1548, jest on podda-
wany kilku modyfikacjom:
- deemfazie, jeøeli jest taka ko-
niecznoúÊ,
- dwustopniowej modyfikacji bar-
wy düwiÍku (niskie
i†wysokie),
- regulacji poziomu g³oú-
noúci z†moøliwoúci¹
miÍkkiego wyciszenia,
- trzystopniowej korekcji
brzmienia basÛw, ktÛra
minimalizuje wp³yw
niedoskona³oúci prze-
twarzania sygna³Ûw
o†najniøszych czÍstotli-
woúciach przez s³u-
chawki oraz g³oúniki
o†niewielkich úredni-
cach membrany.
Cyfrowe regulatory
barwy i†natÍøenia düwiÍ-
ku s¹ sterowane z†wejúÊ
analogowych, ktÛre wy-
posaøono w†analogowy
multiplekser oraz 6-bito-
wy przetwornik A/C.
CzÍstotliwoúÊ skanowa-
nia wejúÊ wynosi
Charakterystyka filtru
z 64-krotnym nadpróbkowaniem
Rys. 5. Charakterystyka filtrów w układzie TDA1548.
Charakterystyka filtru
ze 128-krotnym nadpróbkowaniem
Rys. 6. Charakterystyka filtrów z dwukrotnie
większą częstotliwością nadpróbkowania.
52
Elektronika Praktyczna 2/2000
18−bitowy przetwornik C/A audio
WYKAZ ELEMENTÓW
Rezystory
P1, P2, P3: 10k
Ω
R2, R12, R13: 100
R3, R11, R16: 10k
Ω
R5: zwora
R6, R10: 2,2
(1) Poziom -60dB
(2) Poziom 0dB
R7: 18k
Ω
R9: 270
Ω
R14, R17, R18: 1k
Ω
R19, R20, R21: 470
Rys. 7. Charakterystyka przedstawiająca zniekształcenia sygnału na wyjściu
TDA1548.
F/25V
C3, C5, C6, C8, C10, C15, C18,
C19: 100nF
C4, C11: 47
stosowanych w†uk³adzie TDA1548
przedstawiamy na
rys. 5
. Dla
porÛwnania, na
rys. 6
znajduje
siÍ charakterystyka nieco lepszego
filtru ze 128-krotnym naprÛbko-
waniem.
Tak wiÍc znaczne skompliko-
wanie wewnÍtrznej struktury prze-
twornika zaowocowa³o radykal-
nym uproszczeniem jego uk³adu
aplikacyjnego. Uzyskanie dobrych
parametry przetwarzania umoøli-
wi³a takøe specjalna technika kon-
wersji C/A oparta na czterech (po
dwa na kana³) 5-bitowych klu-
czach pr¹dowych, ktÛra zapewnia
ci¹g³¹ autokalibracjÍ i†duø¹ linio-
woúÊ przetwarzania. Przetworniki
tego typu s¹ powszechnie stoso-
wane w†innych uk³adach firmy
Philips z†konwersj¹ audio C/A
(np. TDA1305, TDA1545 itp.).
Zastosowane w†nich rozwi¹zania
zapewniaj¹ niezwykle niski po-
ziom zniekszta³ceÒ nieliniowych
i†duøy odstÍp sygna³u od szumu
(
rys. 7
).
Najpowaøniejsz¹ wad¹ uk³adu
TDA1548 - przynajmniej z†punktu
widzenia autora - jest jego obu-
dowa, poniewaø dostÍpne s¹ tylko
dwie jej wersje, obydwie przysto-
sowane do montaøu powierzch-
niowego (SO28 i†SSOP28).
Opis uk³adu przetwornika
Schemat elektryczny przetwor-
nika znajduje siÍ na
rys. 8
. Ze
wzglÍdu na wykorzystanie w†prze-
tworniku uk³adÛw o†duøej skali
integracji, ca³y tor audio sk³ada
siÍ z†zaledwie dwÛch uk³adÛw
scalonych: US2 i†US3. Rola spe³-
niana przez US3 w†przetworniku
jest oczywista - konwertuje on
dane z†postaci cyfrowej (w†forma-
cie I
2
S) na wyfiltrowany sygna³
audio. Kondensatory C17 i†C20
wraz z†wewnÍtrznymi wzmacnia-
czami operacyjnymi wbudowany-
mi w†TDA1548 spe³niaj¹ rolÍ wyj-
úciowych filtrÛw pierwszego rzÍ-
du, ktÛre usuwaj¹ resztki sygna-
³Ûw zak³Ûcaj¹cych przebieg audio.
Poniewaø interfejs I
2
S zosta³
pomyúlany jako lokalna magistrala
danych s³uø¹ca do przesy³ania
danych pomiÍdzy uk³adami w†ob-
rÍbie jednego urz¹dzenia, w†prze-
tworniku pracuj¹cym jako nieza-
leøne urz¹dzenie niezbÍdne by³o
zastosowanie konwertera sygna³u
S/PDIF na I
2
S. Zadanie to realizuje
uk³ad US2 (YM3623B firmy Yama-
ha). Jest to odbiornik S/PDIF pier-
wszej generacji, doúÊ czu³y na
zak³Ûcenia sygna³u wejúciowego ty-
pu
jitter
, co objawia siÍ nieco
mniejsz¹ niø w†nowoczesnych kon-
strukcjach stabilnoúci¹ odtworzo-
nego sygna³u SCK. Jak jednak
wykaza³y nasze doúwiadczenia, po-
tencjalna niestabilnoúÊ jest na tyle
ma³a, øe nawet w†ma³o sprzyjaj¹-
cych warunkach uøytkownik nie
bÍdzie jej w†stanie us³yszeÊ. Syg-
na³ do wejúcia US2 podawany jest
z†wyjúcia odbiornika optycznego
TORX173 (TO1) lub z†wyjúcia pros-
tego wzmacniacza wykonanego na
F/16V
F/16V
C9, C21: 10
F/16V
F/16V
C17, C20: 1,2nF
C22, C24: 100
F/16V
C23: 10nF
Półprzewodniki
D1: 1N4148
D2..D4: LED prostokątne
M1: 1,5A/50V
US1: 74HC04
US2: YM3623B
US3: TDA1548TZ
US4: 7805
US5: MAX604CPA
TO1: TORX173/176
Różne
Gn1..Gn3: pojedyncze złącza
Cinch do druku
Gn4: gniazdo minijack stereo do
druku
JP1: 3 goldpiny + jumper
SW1: przełącznik trzypozycyjny
z “zerem”
X1: 16MHz
Zl1A, Zl1B: kompletne, 4−stykowe
złącze szpilkowe
Zl2A, Zl2B: kompletne, 6−stykowe
złącze szpilkowe
Radiator dla US4
Tab. 1. Możliwe tryby pracy
interfejsu szeregowego w TDA1548.
IF1 IF2 Tryb pracy
0 0 zgodny z I
2
S
0 1 16−bitowy z wyrównaniem do
LSB
1 0 18−bitowy z wyrównaniem do
LSB
1 1 20−bitowy z wyrównaniem do
LSB
bramkach US1A i†US1B. Jako US1
moøna stosowaÊ tylko uk³ady z†ro-
dziny 74HC! Selekcji wejúcia ak-
tywnego w†danej chwili moøna
dokonaÊ za pomoc¹ jumpera JP1.
Uk³ad US2 na podstawie wcho-
dz¹cego sygna³u S/PDIF samo-
czynnie wykrywa jego czÍstotli-
Elektronika Praktyczna 2/2000
53
R1: 75
R4: 10
R8: 1M
R15: 12k
Kondensatory
C1, C2: 470
C7: 4,7
C12: 8,2nF
C13, C14: 10pF
C16: 22
18−bitowy przetwornik C/A audio
woúÊ prÛbkowa-
nia oraz zastoso-
wanie podczas
zapisu preemfa-
zy. Na podsta-
wie tych infor-
macji automa-
tycznie w³¹cza
modu³ cyfrowej
deemfazy (w
US3) i†za pomo-
c¹ diod úwiec¹-
cych D2..4 wska-
zuje czÍstotliwoúÊ prÛbkowania.
Ogromn¹ zalet¹ uk³adu US2 s¹
ìzaszyteî w†nim mechanizmy de-
tekcji b³ÍdÛw w†odbieranym syg-
nale, co pozwala na automatyczne
ich maskowanie poprzez wycisze-
nie sygna³u audio. Odpowiada za
to sygna³ na wejúciu
MUTE
US3.
Wszystkie elementy, z†wyj¹t-
kiem US3, s¹ zasilane stabilizo-
wanym napiÍciem 5V. RolÍ sta-
bilizatora spe³nia uk³ad US4, ktÛ-
rego wejúcie jest zasilane z mos-
tka prostowniczego M1. Zadaniem
tego mostka jest zabezpieczenie
urz¹dzenia przed odwrÛceniem
polaryzacji napiÍcia zasiaj¹cego,
a†nie jego prostowanie. Do zasi-
lania przetwornika naleøy stoso-
waÊ zasilacz pr¹du sta³ego. Kon-
densatory elektrolityczne C1 i†C2
dodatkowo filtruj¹ napiÍcie na
wejúciu stabilizatora US4, ograni-
czaj¹c tÍtnienia, ktÛre mog³yby
byÊ s³yszalne.
Poniewaø uk³ad TDA1548 opra-
cowano z†myúl¹ o†sprzÍcie przenoú-
nym, jest przystosowany do zasi-
lania napiÍciem o†niskiej wartoúci
- zalecane jest 3..3,3V. Uk³ad US5
jest stabilizatorem o†niskim spadku
napiÍcia pomiÍdzy wejúciem i†wyj-
úciem, dziÍki czemu zapewnia na
swoim wyjúciu stabilne napiÍcie
o†wartoúci 3,3V. NapiÍcie to jest
wykorzystywane tylko do zasilania
przetwornika US3.
Potencjometry P1..3 s³uø¹ do
regulacji barwy düwiÍku i†g³oú-
noúci wyjúciowego sygna³u audio.
Regulacje wp³ywaj¹ zarÛwno na
wyjúcie s³uchawkowe, jak i†na
wyjúcia Cinch-RCA.
Piotr Zbysiñski, AVT
piotr.zbysinski@ep.com.pl
Rys. 8. Schemat elektryczny 18−bitowego przetwornika C/A.
Wzory p³ytek drukowanych w for-
macie PDF s¹ dostÍpne w Internecie
pod adresem:
http://www.ep.com.pl/
pcb.html
oraz na p³ycie CD-EP02/
2000 w katalogu
PCB
.
54
Elektronika Praktyczna 2/2000