Как сделать внешнюю звуковую карту. Собираем качественный ЦАП уровня hi-end из недорогого набора

Будучи «счастливым» обладателем интегрированной звуковой подсистемы, я все же мечтал о хорошей звуковой карте, и даже подумать не мог, что ее можно сделать своими руками в домашних условиях. Однажды, бороздя просторы Всемирной сети, наткнулся на описание звуковой карты с USB интерфейсом на микросхеме РСМ2702 фирмы Burr-Brown и, просмотрев прайсы фирм, торгующих радиодеталями, понял, что это пока не для нас - о ней никто ничего не знал. Позже мой компьютер был собран в небольшом корпусе microATX, в котором не хватало места даже для старенькой Creative Audigy2 ZS. Пришлось искать что-то небольшое и желательно внешнее с интерфейсом USB. И тут снова наткнулся на чип РСМ2702, который уже активно использовали и хвалили за качество воспроизведения музыки - при правильной схемотехнике звук был куда приятней, чем у той же Audigy2 ZS. Снова поиск по прайсам, и о чудо, искомая микросхема есть в наличии по цене около 18 «вражеских денег». В итоге была заказано парочка чипов для экспериментов, так сказать, послушать, что там наваяли буржуйские «ЦАПостроители».

Итак, что же за зверь этот контроллер РСМ2702, от легендарной фирмы Burr-Brown, который покорила сердца аудиофилов во всем мире своими топовыми решениями? Интересно, на что способно бюджетное решение?

По данным технической документации на микросхему (pcm2702.pdf) мы имеем цифро-аналоговый преобразователь (digital-to-analog converter - DAC) с интерфейсом USB со следующими характеристиками:

• Разрядность 16 бит;
• Частота дискретизации 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц;
• Динамический диапазон 100 дБ;
• Отношение сигнал/шум 105 дБ;
• Уровень нелинейных искажений 0,002%;
• Интерфейс USB1.1;
• Цифровой фильтр с 8-ми кратной передискретизацией;
• Работает со стандартным драйвером USB audio device.

Теперь про само устройство. Для начала был собран простенький вариант по рекомендуемой производителем схеме с небольшими изменениями в питании. Получилась маленькая «звуковуха» с питанием от USB.

Но худа без добра не бывает и я нашел в Сети схему простого и качественного LPF на транзисторах, автор которой утверждал о приличном звучании, даже не хуже дорогих операционных усилителей. Решил попробовать. В качестве усилителя для наушников поставил микросхему LM1876 - младшую двухканальную «сестру» легендарной LM3886 с таким же звучанием но меньшей мощностью. Данная микросхема позволяет, увеличив коэффициент усиления, подключать колонки.

Получилась вот такая схема - USB-DAC_PCM2702_Sch.pdf , чертеж печатной платы - USB-DAC_PCM2702_Pcb.pdf в зеркальном отображении для переноса изображения лазерно-утюжным методом на медную фольгу, так называемый ЛУТ (подробней можно почитать в Интернете), чертеж расположения элементов и перемычек на плате, а также схема подключения регулятора громкости - USB-DAC_PCM2702.pdf .

В собранном виде плата выглядит так:

В схеме предусмотрено отключение аналогового питания PCM2702 и выхода фильтра от разъемов Х5, Х6 если не подключен USB кабель к разъему Х1. Это сделано для того, чтобы низкое выходное сопротивление фильтра не мешало сигналу подаваемому на эти разъемы при использовании устройства как усилителя для наушников. При подключении аналоговое питание ЦАП подается через транзистор VT2, которым управляет транзистор VT1, если есть напряжение на разъеме USB, то оба транзистора открыты. Выходы фильтров подключаются к разъемам на задней панели через реле К1, которое тоже управляется питанием с USB. Реле я использовал V23079-A1001-B301 фирмы AXICOM. Если нет подобного реле, то вместо него можно поставить обычный переключатель с двумя контактными группами. Вместо транзистора VT2 тоже можно поставить переключатель, а все элементы, отвечающие за коммутацию питания, впаивать не потребуется, только желательно через тот же переключатель коммутировать и само питание USB.

Питается усилитель и аналоговая часть от внешнего источника питания напряжением 12-15 В и 0,5 А переменного тока, подключаемого через разъем Х2 на задней панели.

Все резисторы SMD, резисторы R20, R22 типоразмером 1206, резисторы R13, R14 типоразмером 2010 вместо них можно установить перемычки, все остальные резисторы типоразмером 0805. Все керамические конденсаторы SMD типоразмером 0805, все электролитические конденсаторы с максимальной рабочей температурой 105 °С и малым внутренним сопротивлением, с рабочим напряжением 16 В, конденсаторы С6, С7 с максимальным рабочим напряжением 25-35 В. Большинство разъемов выпаяны с старой аппаратуры точной маркировки сказать не могу, ориентируйтесь по внешнему виду. Резистор регулятора громкости подключается двухжильным экранированным проводом, два канала сигнала и земля по экрану, резистор неизвестного китайского происхождения сопротивлением 20 кОм группы В (с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки).

Еще хочу немного рассказать, как паять микросхемы в таком маленьком корпусе. Некоторые ошибочно считают, что такие микросхемы нужно паять паяльниками маленькой мощности и тонким жалом. Очень весело наблюдать, когда люди затачивают жало, как шило и пытаются им паять каждую ножку в отдельности. На самом деле все легко и просто. Для начала устанавливаем микросхему в нужном положении, придерживаем рукой или фиксируем клеем, припаиваем один их крайних выводов, далее центруем, если нужно, и припаиваем противоположный вывод. Если спаяется несколько выводов вместе, то это не страшно. Паяльник берется мощностью 30-50 Вт с луженым, свеже-заточенным жалом под углом около 45°, и не жалеем флюса или канифоли. Флюс желательно не активный, иначе придется очень тщательно отмывать плату пытаясь вымыть его из-под микросхемы. Маленькой каплей припоя прогреваем все ноги, начиная с одного края и постепенно, по мере прогрева, сдвигаем паяльник в сторону не запаянных выводов, сгоняя на них лишний припой, при этом плату можно держать под углом, чтобы припой под действием силы тяжести сам стекал вниз. Если припоя не хватит - взять еще капельку, если много, то с помощью тряпки снимаем весь припой, что есть на жале паяльника, и не жалея флюса снимаем лишнее с выводов микросхемы. Таким образом, если плата нормально протравленная, хорошо зачищенная и обезжирена, то пайка проходит в течении 1-3 минуты и получается чистой, красивой и равномерной, что видно на моей плате. Но для большей уверенности рекомендую потренироваться на горелых платах от разной компьютерной техники с микросхемами, имеющими примерно такой же шаг выводов.

Рекомендую сначала не впаивать микросхемы D2 и D6 и элементы, которые могут мешать при их установке. В первую очередь необходимо спаять узлы, отвечающие за питание, прозвонить цепи питания на предмет короткого замыкания, подключить к порту USB и подать переменное напряжение 14 В с блока питания на Х2. На будущих выходах микросхем стабилизаторов должно быть следующие напряжения:

• D1: +3,3 В;
• D3: +12 В;
• D4: -12 В;
• D5: +5 В.

При первом подключении РСМ2702 к компьютеру, система находит новое устройство - Динамики USB Burr-Brown Japan PCM2702.

Немного о сборке всего устройства в корпус. Самое сложное это установка переменного резистора регулятора громкости. Передняя панель крепиться к шасси за выступ, который проходит вдоль тыльной стороны панели и имеет довольно серьезную толщину. Этот выступ нужно срезать ножовкой по металлу или фрезерным станком в том месте, где будет крепиться регулятор громкости, но при этом нужно быть очень осторожным, так как можно поцарапать покрытие алюминия из-за чего панель потеряет свою привлекательность. Затем сверлим отверстие для крепления резистора, место для которого прикидываем по положению ручки, которая будет надеваться на этот самый резистор. С лицевой стороны немного убираем ребра возле отверстия, чтобы гайка достала резьбы на основании резистора. Есть еще одна проблемка - центр панели не совпадает с центром внутренней камеры шасси, и резистор регулятора громкости упирается в корпус. Пришлось поднять панель на 2-3 мм, для чего срезал дремелем угол выступа для крепления.

Не буду подробно описывать все действия с панелью и шасси. Те, кто может сделать сам такого рода устройство, всё поймёт по фотографиям. Где нужно были посверлены отверстия и нарезана резьба, под панель при установке было подложено по 2 шайбы возле каждого винта, чтобы поднять ее на 2 мм. В шасси также посверлены отверстия и нарезана резьба для крепления платы. Микросхемы D3, D4 и D6 прижаты к шасси винтами М2.5, при этом D4 и D6 нужно изолировать от панели с помощью пластины слюды или другого теплопроводящего диэлектрика или использовать микросхемы с изолированным корпусом, как D6 в моём случае. Задняя панель сделана из пластмассовой заглушки от системного блока. Все это подробней можно рассмотреть на фото.

Схема Звуковой карты изображена на рисунке 1

Рисунок 1 – Схема Звуковой карты

Звуковой сигнал с микрофона или плеера подается на один из входов звуковой карты. Это аналоговый сигнал. Он поступает на входной микшер, который служит для смешивания сигналов, если их поступает на вход несколько. Затем сигнал с входного микшера поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), с помощью которого происходит оцифровка аналогового сигнала, т.е. преобразование его в дискретный двоичный сигнал.

Потом цифровые данные поступают в сердце звуковой платы - процессор (DSP - Digital Signal Processor). Этот процессор управляет обменом данными с компьютером через шину PCI материнской платы.

Когда центральный процессор компьютера выполняет программу записи звука, то цифровые данные поступают через шину PCI либо прямо на жесткий диск, либо в оперативную память компьютера. Присвоив этим данным имя, мы получим звуковой файл.

При воспроизведении этого звукового файла данные с жесткого диска через шину PCI поступают в сигнальный процессор звуковой платы, который направляет их на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Цифро-аналоговый преобразователь преобразует двоичный сигнал в аналоговый. Электрический сигнал, получившийся в результате преобразования, поступает на выходной микшер . Этот микшер идентичен входному и управляется при помощи той же самой программы. Сигнал с выходного микшера поступает на линейный выход звуковой карты и выход на звуковые колонки, подключив к которому колонки или наушники мы слышим звук.

На любой универсальной мультимедийной звуковой карте есть встроенный синтезатор - устройство, которое синтезирует звуки заданных частот и тембров. Он используется также для управления работой электромузыкальных инструментов на основе стандарта MIDI (например синтезатор) .

MIDI стандарт(stands) для Цифрового Интерфейса Музыкальных Инструментов (Musical Instrument Digital Interface), - это стандартный протокол оборудования и программного обеспечения для возможности соединения (обмена информацией) музыкальных инструментов друг с другом. События посылаемые сквозь шину MIDI могут также сохранятся в MIDI-файлах для последующего редактирования и проигрывания.

Чтобы использовать его в качестве музыкального инструмента к MIDI-порту подключают MIDI-клавиатуру , либо автономный синтезатор, который может служить в качестве клавиатуры.

Таким образом, основные выполняемые функции звуковой карты состоят в следующем:

• преобразовывать звуковые сигналы (аналоговые сигналы), поступающие с микрофона, магнитофона и других внешних аудиоустройств в цифровую форму, что необходимо для дальнейшей обработки в компьютере;
• преобразовывать цифровые сигналы, сформированные в компьютере, в аналоговые сигналы, пригодные для воспроизведения в акустических системах;
• подвергать сигналы обработке: выделять или подавлять в сигнале те или иные частоты, создавать эффекты гулкого помещения, многократного эха (реверберация), размножения источников звука (хорус) и другие;
• синтезировать музыкальные звуки, характерные для традиционных музыкальных инструментов, и звуки инструментов, которым в природе аналогов нет;
• синтезировать человеческий голос и, вообще, произвольно заданные звуки: поезда, выстрела, дождя и т.д.;
• обеспечивать двухканальный (стерео) режим, регулировку уровня громкости по каждому из каналов в отдельности;
• обеспечивать микширование (смешивание) сигналов от нескольких источников;
• обеспечивать возможность подключения других звуковых карт, музыкальных синтезаторов, микшеров и т.п. посредством специального стандартного соединения (интерфейса MIDI).

Встала передо мной задача сделать по возможности простую и компактную звуковую USB карту. Мой выбор пал на микросхему PCM2900. Она все умеет, что мне необходимо, да и потом как-то я с ней уже сталкивался. Выходной усилитель я построил на LM386.

Итак, все схемы начерчены, плата разведена. Приступим к сборке.

Распечатываем из проекта нижнюю сторону платы на глянцевой бумаге. Необходимо заранее подготовить лист фольгированного текстолита и зачистить мелкой наждачной бумагой, чтобы убрать все мелкие царапины и загрязнения а затем обезжирить. Распечатанный листок прикладываем рисунком к текстолиту. Во избежание случайного сдвига рисунка необходимо закрепить его например наклейкой.

Далее переводим рисунок на текстолит используя . Описывать метод полностью не вижу смысла, информации и на этом сайте более чем достаточно. После травления просверливаю все необходимые переходные и технологические отверстия согласно проекту.

Вытравливал я только нижнюю сторону. Верхнюю полностью закрыл от раствора скотчем. Так как дорожек у меня на верхней стороне не много, я решил их выполнить навесными проводками. Во избежание замыкания ножек выводных элементов и проводов на верхнем слое с заливкой, сверлом большого диаметра убираем медь вокруг каждого переходного отверстия.

Соединяем дорожками все отверстия согласно чертежу

Затем после промывки платы спиртом приступаем к монтажу всех элементов на нижнем слое платы и еще раз промываем. Не лишним будет использование ультразвуковой ванны для этих целей, правда не у всех есть возможность.

Затем все элементы на верхнем слое

После этого еще раз все промыть и проверить на возможные ошибки. Ну а теперь и первое включение. В микросхеме PCM2900 уже встроены драйвера для WINDOWS. При подключении к компьютеру в системе данное устройство в качестве устройства воспроизведения и устройства записи определяется как USB Audio CODEC.

Затем подготавливается корпус, выпиливаются и просверливаются все необходимые отверстия и плата устанавливается в корпус.

Никаких надписей на корпусе я правда не делал, что не очень удобно, но можно привыкнуть.по поводу качества звучания конкретных цифр сказать не могу. Ничего не замерял и даже не знаю как. Но на слух не плохо, чуть лучше чем встроенная звуковая карта. Я думаю можно было и лучшего добиться, если использовать вместо выходных LM386 хорошие ОУ. Но я попробовал сделать из того, что было у меня.

У меня были изменения в плате которые я делал уже после изготовления - я уменьшил коэффициент усиления выходных микросхем с 200 до 20. И все равно оказалось многовато. Благо для таких изменений понадобилось всего лишь выпаять конденсаторы C25 и С26.

Список радиоэлементов

Как оказалось, сделать внешнюю USB звуковую карту несложно и недорого. В этой статье расскажу как ее делал я.

Предыстория:

Пару лет назад в интернете на одном из форумов мне на глаза попалась тема про аудио ЦАПы. Я очень сильно загорелся идеей спаять аудиокарту(!) и с большим интересом начал читать описания различных конструкций. От их повторения меня отталкивали сложные (я не представлял, откуда буду вытаскивать «квадратную шину» I2C на компьютере или где взять S/PDIF) схемы и дорогие (это было самым веским аргументом) компоненты. Материала по данной тематике на русском языке и сейчас очень мало…

Через пару месяцев я нашел простую конструкцию на чипе PCM2702 и, самое главное, с подключением к компьютеру по USB. Я не испугался SSOP корпуса микросхемы, но испугался цены — более 500 рублей за штуку. Также я боялся испортить такую дорогую микросхему своей неопытностью (перегрев, статика… мало ли?). Стал искать другие решения. И наткнулся на конструкцию на PCM2705. Это тоже USB-кодек, но с более низкими характеристиками, по сравнению с PCM2702-й.

Микросхему нашел в толкучке на одном из форумов. Заказал себе и другу по одной. Не помню точно по какой цене, но не более 150р за штуку.

Схему повторил почти один-в-один с первоисточником. А у него там почти чистый даташит.

Плата:

Сделал свой вариант печатной платы. Лазерно-утюжную технологию я тогда уже освоил.

Первый запуск:

Запаял (думал не смогу запаять пятимиллиметровым жалом, но спасибо DI-HALT"у за идею с микроволной).

Дрожащими руками подключил к компьютеру… ОС обнаружила новое устройство. Установила драйвера. Подключил наушники — поёт! Да и притом ничуть не хуже, чем встроенная в ноут звуковуха. А даже лучше! По крайней мере, я услышал разницу на НЧ. На ВЧ не заметил. Но и наушники у меня не лучшего качества.

Другу тоже спаял, подключил и… не работает. Менял конденсаторы в обвязке кварца — не помогло, поменял сам кварц — заработало!

Пользуешься?

Пользуюсь. Иногда включаю его, когда хочется более качественного звука. Включал бы почаще, но неудобно пользоваться им — корпус так и не сделал, ноут туда-сюда таскаю…

Модернизация:

Если применить внешний блок питания с малошумящими стабилизаторами, звучание станет лучше, т.к. питание на шине USB содержит в себе очень много различных помех. Также можно поэкспериментировать с резисторами R7, R8 — поставить меньше и увеличить конденсаторы C12, C13 — улучшится передача низких частот.

Еще можно было вывести S/PDIF, но мне некуда было приткнуть дорожку на печатной плате, да и не нужен он был мне тогда. А так, на 5-ом выводе микросхемы он находится.

Двухсторонняя, грамотно спроектированная печатная плата была бы не во вред данной конструкции. Так как под «землю» будет отведен целый слой меди — это сократит пути возвратного тока и уменьшит уровень помех. На данный момент, если рядом с этим ЦАПом лежит мобильник и принимает входящий вызов или сообщение, то в наушниках хорошо слышны всем знакомые «ты-ты-ты-ты… ты-ты-ты-ты… ты-ы-ы-ы-ы.....».

Не могу найти PCM2705...

Аналогами PCM2705 является линейка PCM2704-2707. Кратко о них:
PCM2704: 28-Pin SSOP, Headphone and S/PDIF Output, External ROM Interface
PCM2705: 28-Pin SSOP, Headphone and S/PDIF Output, Serial Programming Interface
PCM2706: 32-Pin TQFP, Headphone and S/PDIF Output, I2S Interface, External ROM Interface
PCM2707: 32-Pin TQFP, Headphone and S/PDIF Output, I2S Interface, Serial Programming Interface

Можно использовать любую из них, по качеству они одинаковы.
Даташит прилагаю в архиве вместе со схемой и платой (открывать в Sprint Layout 5).