Звуковая карта это схема
Перед изобретением звуковой карты, персональный компьютер (далее –ПК) мог сделать всего лишь один звук – однотонный звуковой сигнал. Конечно, он мог изменить частоту звукового сигнала и его продолжительность, но он не мог изменить его объем или создать звуки другой тональности.
Изначально звуковой сигнал в ПК действовал, прежде всего, как сигнал различного рода предупреждения. Позже, разработчики пытались создать музыку для самых ранних компьютерных игр, используя звуковые сигналы различных частот и длин. Эта музыка не была особенно реалистична, кто–то возможно вспомнит звуковое сопровождение самых ранних игр для ПК.
Но к нашему счастью, звуковые возможности компьютеров их так сказать их многоголосность значительно увеличилась в 1980-ых, когда несколько производителей представили расширительные платы, предназначенные для управления звуками. Сегодня, компьютер со звуковой картой это норма, он может сделать намного больше, чем однотональный звуковой сигнал (в современных материнских платах также используется небольшой динамик для воспроизведения звуков). ПК может воспроизводить 3-D аудио в играх или объемный звук в DVD. Также предусмотрена возможность записать звук из внешних источников таких как микрофон, плеер и др.
В этой серии статей постараюсь рассказать как звуковая карта позволяет компьютеру создавать и записывать высококачественный звук.
Аналог по сравнению с цифрой.
Звуки, которые мы слышим и компьютерные данные звуков существенно отличаются. Аналоговый звук состоит из волн, которые перемещаются по воздуху. Люди слышат звуки, когда эти волны физически вибрируют и «бьют» по их барабанным перепонкам. Компьютеры, для воспроизведения звука в цифровой форме, генерируют электрические импульсы, которые представляют 0 и 1. Как и видеокарта, звуковая карта выполняет роль преобразователя между цифровой информацией внутреннего компьютерного мира и аналоговой информацией внешнего мира.
Самая обычная звуковая карта почти всегда изготавливается на печатной плате, использует четыре компонента, чтобы преобразовать аналоговую и цифровую информацию межу собой, это:
Вместо отдельных ADC и DAC, некоторые звуковые карты используют микросхему кодера/декодера, так называемый CODEC, который выполняет обе функции.
Предположим, вы хотите использовать свой компьютер, чтобы записать свою речь. Первое что вы делаете, это говорите в микрофон, который в свою очередь подключен к звуковой карте. ADC преобразовывает аналоговые волны вашей речи в цифровые данные, которые может понять компьютер. Чтобы проделать это он выбирает и оцифровывает произносимый вами звук, производя измерения волны через короткие интервалы времени.
Число измерений в секунду, называется частотой дискретизации и измеряется в Гц. Чем выше частота дискретизации карты, тем более точно она записывает звуки.
Далее вы захотели воспроизвести свою запись через динамики, DAC выполнил те же самые шаги, что и ADC только наоборот. С точными измерениями и быстрой частотой дискретизации, в результате восстановленный аналоговый сигнал может быть почти идентичным исходной звуковой волне. Но, даже очень высокие частоты дискретизации все же вызывают некоторое ухудшение качества звука. Физический процесс движущегося звука через провода также может вызвать его искажение.
Производители звуковых карт используют для оценки качества звуковой карты два вида измерений, это:
- Суммарный коэффициент гармонических искажений (THD), выраженный в процентах;
- Соотношение сигнал/шум (SNR), измеренный в децибелах.
И для THD и для SNR, меньшие значения указывают на лучшее качество. Некоторые карты также поддерживают цифровой ввод, позволяя сохранять цифровые записи, не преобразовывая их в аналоговый формат.
В следующей статье рассмотрим другие компоненты звуковых карт. А эту статью можете обсудить в комментариях.
Звуковая карта (звуковая плата, звуковой адаптер) - это компьютерный модуль, предназначенный для ввода/вывода аудио сигнала.
Звуковая карта преобразует аналоговый сигнал звука в цифровой сигнал, который поступает в компьютер, и наоборот.
Виды звуковых карт
Интегрированные – встроенные в системную плату, малопроизводительны, работают за счет ОЗУ и ЦПУ
Внутренние – отдельное устройство, вставленное в слот расширения на системной плате
Внешние – подключаемые извне
Устройство звуковой карты
- Аналого-цифровой преобразователь - это устройство, превращающее входящий в аудиокарту звук (электрические звуковые колебания) в цифровую форму
- Цифроаналоговый преобразователь - это устройство, превращающее звук, существующий внутри компьютера цифровой форме, в электрические звуковые колебания на выходе
- Микшеры - выполняют подключение или отключение источников и приемников звуковых сигналов, регулируют их уровень, смешивают сигналы
- Цифровой эквалайзер – устраняет недостатки преобразования звука, акустики и помещения
- Аудиопроцессор
- Производитель, модель
- Частота ЦАП
- Разрядность ЦАП
- Формат карты
- Интерфейс подключения
- Отношение сигнал/шум
- PCI-E (PCI-Express) — стандартная шина.
- USB — используется для подсоединения внешних звуковых карт, как к ноутбуку, так и к стационарному ПК.
- FireWire — используется для подсоединения внешних звуковых карт и обеспечивает высокую пропускную способность.
- PCMCIA, или PC Card, — чаще всего применяется в ноутбуках для подключения периферийных устройств.
- ExpressCard — это стандарт, пришедший на смену PCMCIA (PC Card) и отличающийся большей скоростью передачи данных.
- 16-битный ЦАП
- Частота преобразования – 32, 44,1 и 48 кГц
- Выход S/PDIF
- Тактовый генератор 12 МГц
Характеристики звуковой карты
Производитель - сегодня на рынке большой перечень производителей, например:
Частота ЦАП - определяет максимальную частоту звукового сигнала, которая примерно равна половине частоты дискретизации.
Для речи может быть достаточно 6-8 кГц, для музыки среднего качества - 20-25 кГц, для высококачественного звучания необходимо 44 кГц и больше.
Разрядность ЦАП – разpядность цифрового представления звука – количество бит информации, с помощью которого кодируется звук (8, 16, 24 бит).
Формат звуковой карты - количество каналов звучания (колонок) необходимое для воспроизведения стереозвука.
Сегодня 2.0, 4.0, 5.1, 7.1
Канал низкочастотных эффектов требует лишь часть от пропускной способности других каналов обозначается как «.1» - реализуется с помощью специального устройства - сабвуфер.
Интерфейс подключения
Отношение сигнал/шум - позволяет понять взаимное отношение мощности сигнала и мощности шума на входе/выходе прибора.
При выборе лучшей звуковой карты значение этого показателя должно быть как можно больше (желательно от 85 до 121 дБ), тогда количество посторонних шумов будет минимальным.
Звуковая карта – важная часть персонального компьютера. Без этого устройства нельзя слушать музыку в хорошем качестве и просматривать кинофильмы с несколькими звуковыми дорожками. Любителям компьютерных игр, аудио контроллер обеспечивает полное погружение в виртуальный мир. Аудио карта необходима для подключения микрофонов и музыкальных инструментов. В продаже имеется много контроллеров разного уровня, тем не менее, многие опытные пользователи предпочитают изготовить звуковую карту своими руками.
Из чего можно сделать звуковую карту
Как сделать звуковую карту внешней. После завершения монтажных работ нужно проверить работоспособность аудио платы. Сначала проверяется напряжение питания на ЦАП. Далее устройство подключается к компьютеру. В ОС Windows имеются все драйверы, которые будут установлены после подключения карты к порту USB. Звуковой контроллер PCM2902 определяется, как USB Audio codec. Далее в Диспетчере устройств, в строке «Звуковые, видео и игровые устройства» находим USB Audio codec. Осталось выполнить несколько простых настроек.
В Панели управления открывается пункт «Звук» и там, на вкладке «Воспроизведение», USB Audio codec устанавливается устройством по умолчанию. Далее в меню «Свойства», на вкладке «Дополнительно» выставляется формат: 16 бит 48000 Гц (Диск DVD). Далее в пункте «Звук» нужно открыть вкладку запись и выбрать микрофон USB Audio codec по умолчанию. Затем нужно открыть «Свойства» и вкладку «Прослушать». Там должны быть установлены указанные параметры.
Поле этого, во вкладке «Дополнительно» устанавливается следующий формат: 2 канал, 16 бит, 48000 Гц (Диск DVD). На этом настройка цифро-аналогового адаптера, сделанного своими руками, заканчивается. К аналоговому выходу подключаются наушники или вход НЧ усилителя. Используя технические принципы, аудио плату USB можно сделать на базе любого цифро-аналогового преобразователя.
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.
Схема:
Плата:
Сделал свой вариант печатной платы. ЛУТ 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:
Не могу найти PCM2705.
Можно использовать любую из них, по качеству они одинаковы.
Даташит прилагаю в архиве вместе со схемой и платой (открывать в Sprint Layout 5).
Началось все как обычно, от нефиг делать от избытка свободного времени я решил сделать что-то эдакое. Тут я вспомнил, что друзья жалуются в дискорде на мой микрофон, слышны какие-то цифровые помехи, а если начать копировать файлы на компьютере то вообще. Купить нормальную звуковую карту? Это не про нас.
Кого заинтересовало прошу под кат.
Как сделать внешнюю звуковую карту своими руками
Более сложная и качественная звуковая карта для ПК изготовленная своими руками реализуется на цифро-аналоговом преобразователе РСМ2902-Е. Для обеспечения качественной работы устройства нужно не использовать питание от USB, а подавать напряжение на VCCCI от внешнего стабилизатора с напряжением 3,3 В. Чтобы снизить искажения, в устройстве использован диод VD1,который повышает напряжение до 3,5 В. Помехи от компьютера снижаются разделением «земли» на цифровую и аналоговую. Для управления громкостью и снижения уровня используются кнопки управления. Для питания аналоговой и цифровой части схемы лучше использовать отдельные стабилизаторы. Светодиод LED2 показывает состояние микросхемы. Когда контроллер работает в нормальном режиме, он не светится. Индикатор LED1 загорается при подключении аудио платы к порту. На качество входного сигнала заметно влияют конденсаторы С3 и С4, поэтому они должны быть плёночными. Выходные аналоговые сигналы снимаются с пассивного LC фильтра. Он обеспечивает частоту среза 28 кГц и очищает сигнал от шумов цифрового квантования.
Аудио коннекторы
После ищем сами коннекторы для наушников и микрофона. Я лично предпочитаю CUI для аудио и простых бытовых коннекторов питания 5.5, всегда их ставлю, конечно же поиск на digikey (Connectors, Interconnects > Barrel — Audio Connectors).
В моем случае у меня уже был готов компонент в библиотеке под SJ2-3574A-SMT т.к. раньше я его уже использовал, можно было бы выбрать разноцветные (у CUI есть), но мне не хотелось (для себя же делаю, как-нибудь разберусь).
Обычно последовательно ставят конденсаторы (0.47uF или 1uF, можно 4.7uF), это может быть тантал или керамика, но лучше всего использовать пленочные. В референс схеме в даташите предлагают 470uF, что слишком уж много, выбираем 0.47uF (если нужны очень низкие басы то можно и 1uF). Пленочные конденсаторы есть в SMD корпусах, что очень удобно, я поставил ECP-U1C474MA5 в корпусе 1206.
Ну и по мелочи
Сам USB конектор конечно же от Molex, ещё можно от TE или Wurth. Или поискать и у других, но я считаю что подобные конекторы лучше выбирать у этих трех, остальные хороши, но в другом.
Так же я решил, что если столько денег ушло на чистое питание, то делать надо все хорошо до конца, и развязка цифровой земли и аналоговой не исключение. Более того, вместо обычной перемычки на плате я поставил фильтр BLM15 (при разводки платы разделение земли лучше пододвинуть поближе к главной земле, т.е. к GND выводу нашего изолятора по питанию, там и должна расходится цифровая и аналоговая земля)
Внешняя звуковая карта своими руками
Внешняя звуковая карта USB своими руками
ЮСБ звуковую карту своими руками можно реализовать на микросхеме РСМ2705. Конструкция имеет минимальное количество дискретных элементов. В схеме не используется цифровой выход, но его всегда можно задействовать. Он находится на 5 пине микросхемы. При увеличении конденсаторов С14 и С15 улучшается передача низких частот. +5 В с USB преобразуется в напряжение 3,3 В с помощью отдельного стабилизатора и подаётся через дроссель и конденсаторы фильтра.
Многоканальная звуковая карта своими руками
Обеспечить питанием многоканальную звуковую карту изготовленную своими руками, лучше всего с помощью внешних источников. Для этого используются малогабаритные сетевые адаптеры для внешних устройств. Они могут быть любого типа, но должны выдавать 9 В постоянного напряжения. В схеме применяются два адаптера, которые подключаются к стабилизаторам на микросхемах LM317. Они включаются по классической схеме.
Подстроечные резисторы R2 и R4 служат для точной установки напряжения +5 В на выходах стабилизаторов. Конденсаторы С1 и С8 имеют ёмкость 10 мкф Х 25 В. С4,С11 – 100 nf. Остальные конденсаторы – 1000,0 Х 25 В. Система питания собирается на отдельной печатной плате.
Выбор микросхемы кодека
Вообще я не любитель делать электронику из чего попало, даже для себя, особенно из китайских компонентов с али, по этому первым делом идем на digikey и ищем что-нибудь. Первой мыслью было взять полноценную микросхему кодека и подключить его к STM32, а уж от него USB. В принципе это не сложно, но в какой-то момент я понял, что не хочу так заморачивайся и решил найти что-то «все в одном». Гугл настойчиво выдавал CM108 от C-Media Electronics, производитель в Тайване. Что ж, ну ладно, пусть будет так
Кодек требует себе EEPROM, и даже предлагает конкретную, аналог от STMicroelectronics M93C46-WMN6TP быстро нашелся на том же digikey (Integrated Circuits (ICs) > Memory). На всякий случай подключил его питание через фильтр, чтобы не привел нам ничего плохого в питание кодека.
Так же кварц, и т.к. я любитель сделать все по меньше и компактней то ставлю серию ABM3 (ABM3-12.000MHZ-B2-T) 5 на 3.2 мм (не ставить же гигантский HC-49)
Гальваническая развязка по питанию
А теперь самое интересное
CM108 имеет 2 режима, 100mA и 500mA, разумеется я выбрал по жирнее, чтобы с размахом, 500mA * 5V = 2.5W, немного с запасом нам нужно найти развязку где-то на 3W, выставляем параметры (в разделе Power Supplies — Board Mount > DC DC Converters) и смотрим, что по дешевле, так же не забывая отсеивать производителей, которым вы не очень доверяете. Выбор пал на CC3-0505SF-E от TDK (хотя мне очень хотелось поставить от мураты!). Стоит он жирно, 11 баксов, но ничего не поделаешь.
После него я поставил фильтр, не забывая про конденсаторы 0.01uF и 0.001uF чтобы отсеять всякую ВЧ ересь т.к. она пролезает даже через гальванику. Ещё 100uF электролит, он точно лишним не будет.
Развязка интерфейса
Развязка питания это хорошо, но не помешает развязать и сам USB интерфейс. В разделе Digital Isolators (Isolators > Digital Isolators) можно найти подходящее, я выбрал ADUM4160 от Analog Devices.
Не забываем подтянуть DATA P на USB интерфейсе к 3.3V, т.к. это говорит хосту (ПК), что в порт воткнули девайс и надо бы начать с ним работать, по-хорошему в микросхеме эта подтяжка должна быть внутри, но её почему-то нет.
USB звуковая карта своими руками
Аудио устройства, подключаемые через порт USB, имеют различную конструкцию. Самые простые контроллеры вставляются непосредственно в разъём. Более сложные и многофункциональные устройства подключаются к порту с помощью кабеля. Причин для изготовления аудио системы может быть несколько. Это высокая стоимость промышленных образцов или плохое качество звука, получаемое от интегрированного в материнскую плату, чипсета. Чаще всего стараются изготовить своими руками звуковую карту юсб, чтобы использовать её для ноутбука. В этих устройствах, особенно в старых моделях, используются интегрированные микросхемы низкого уровня, которые работают на встроенный динамик и не могут обеспечить качественного звучания.
Заключение
Ну, на этом все, плату я развел в 4 слоя стандартного класса, после подготовки производства она будет стоить около 130р. Так же 4 слоя лучше в плане того, что полигоны питания, земли и цифровой земли лучше делать собственно полноценными полигонами, по-хорошему вообще на каждое питание свой слой, но у меня питание и цифровая земля на одном.
От идеи до полной разводки ушло где-то полтора часа. Плата вышла размером 22 на 66 мм.
Честно говоря, пока писал статью уже расхотелось заказывать плату (ну как всегда), так что пусть будет хотя бы статья.
P.S. Частенько убиваю время вот так разводя разные проекты, от простых беспроводных зарядок до разводки процессоров и… оставляю их пылится в папке жесткого диска т.к. теряю интерес в большинстве случаев (и потому что it's free, не надо тратить деньги на компоненты). Если вам интересны такие статьи то можете предлагать свои идеи для следующих проектов
Как сделать звуковую карту своими руками
Для изготовления самодельного USB устройства используются микросхемы РСМ27-РСМ29. Это цифро-аналоговые преобразователи, которые обеспечивают выход на наушники или малогабаритные колонки, высококачественного звукового сопровождения. РСМ2705 представляет собой стереофонический ЦАП с интерфейсом USB. Предназначен для обработки стереофонического сигнала. Контроллер не требует прошивки, но имеется возможность изменения ID производителя или устройства. В цифро-аналоговом преобразователе реализована синхронизация аудио сигнала из синхроимпульсов предаваемой информации по интерфейсу USB. Встроенная фазовая автоподстройка частоты позволяет получить очень малую величину девиации по частоте и фазе. Основные характеристики микросхемы:
Читайте также: