EP 2006_07.pdf

(28563 KB) Pobierz

659923988 UNPDF

659923988.136.png

Cyfrowy tor akustyczny

Cyfrowy tor akustyczny ,

część 1

Procesor audio

AVT–935

Do tego, że technika cyfrowa

jest wszechobecna zdążyliśmy się

już chyba wszyscy przekonać.

Nie dziwi już nas fakt, że

nawet w sprzęcie audio więcej

jest układów cyfrowych, niż

analogowych. Nic nie stoi

na przeszkodzie, by wykonać

cały tor akustyczny – od

gniazda sygnału wejściowego

(cyfrowego oczywiście), aż do

samego głośnika bez układów

analogowych.

Rekomendacje:

w tej części artykułu

prezentujemy cyfrowy procesor

audio, który powinien

zainteresować wszystkich

miłośników nowych technik

stosowanych w sprzęcie

akustycznym. Projekt, który

z założenia był pewnym

eksperymentem, może służyć

jako inspiracja do własnych

konstrukcji.

Muszę przyznać, że technika

audio fascynowała mnie od mo-

mentu, kiedy zacząłem się zajmo-

wać elektroniką. Początki nie były

łatwe, i sukcesem było zbudowanie

prostego wzmacniacza mocy. Potem

w miarę zdobywanego doświadcze-

nia udawało mi się uzyskiwać co-

raz lepszą jakość dźwięku. W pew-

nym momencie postanowiłem

„ulepszyć” dość leciwy odtwarzacz

CD i zbudować zewnętrzny prze-

twornik cyfrowo–analogowy. Prze-

twornik powstał, a jakość dźwięku

wydawała się dużo lepsza. Ponie-

waż przetwornik gdzieś się zapo-

dział, to dzisiaj trudno mi powie-

dzieć, czy była rzeczywiście dużo

lepsza, czy tylko bardzo chciałem

by taka była. Potem budowałem

inne przetworniki i wydawało się,

że jest to wszystko, co można

zrobić na poziomie amatorskim

lub półprofesjonalnym. Tak było

do momentu, kiedy zobaczyłem

opis cyfrowego procesora audio

– układu TAS3001 ﬁrmy Texas

Instruments. Układ wydał mi się

tak prosty w zastosowaniu, a jed-

nocześnie bardzo przemyślany, że

pomyślałem o zbudowaniu czegoś

w rodzaju „cyfrowego przedwzmac-

niacza” dla odtwarzacza CD. Tak

powstał opisywany już w EP4/2003

cyfrowy procesor audio AVT566.

Układ ten był dość rozbudowany,

bo oprócz odbiornika S/PDIF i pro-

cesora zawierał przetwornik DAC

PCM1710, a pozwalał tylko na ob-

róbkę sygnału cyfrowego podanego

na jedno z wejść SDIN1 lub SDI-

N2. Żeby analogowe sygnały z tu-

nera AM/FM, magnetofonu analogo-

wego itp. mogły być przetwarzane

przez układ TAS3001 musiały być

zamieniane na postać cyfrową do-

datkowym przetwornikiem analogo-

wo–cyfrowym. Oczywiście było to

możliwe, ale kosztem rozbudowy-

wania i przez to skomplikowania

układu.

Nie kryję, że program próbkowy

TI (niestety nieistniejący już dla

nas) pomógł mi w zaprojektowaniu

i zbudowaniu o wiele bardziej funk-

cjonalnego i prostszego w budowie

procesora audio z wykorzystaniem

układu TAS3004.

Opisywany procesor jest przy-

kładem pokazującym ogromne

możliwości technologii digitalizacji

analogowych sygnałów audio i to

w zastosowaniach w sprzęcie po-

wszechnego użytku. Śmiem twier-

dzić, że tego typu układy już dziś

konkurują z ich analogowymi od-

powiednikami – także scalonymi

– możliwościami, jakością i pewnie

ceną końcowego wyrobu. Popatrz-

my, zatem co jest takiego niezwy-

kłego w tym procesorze.

PODSTAWOWE PARAMETRY

• Płytka o wymiarach 218x58 mm

• Zasilanie 8 V (DC lub AC)

• Wejścia S/PDIF i analogowe

• Rozdzielczość przetwornika A/C i C/A 24

bity

• Regulacja cyfrowa:

- głośność -70...+18 dB co 0,5 dB

- tonów niskich i wysokich ±15 dB co

0,5 dB

• Funkcje dodatkowe: mute, ﬁltr „kontur”,

wstępna regulacja poziomu sygnału wej-

ściowego

• Ustawianie stałych parametrów z kompute-

ra przez interfejs RS232

Opis układu

Schemat procesora został po-

kazany na rys. 1 . Sygnał cyfrowy

w formacie S/PDIF jest podawany

na złącze ZL1 i dalej na wejście

bramki U8A układu 74HC04. Za-

leżnie od konﬁguracji zworek J1

i J2 bramka U8A jest albo buforem

(napęd CD–ROM), albo wzmac-

niaczem liniowym (odtwarzacz

CD). Jako odbiornik wykorzysta-

łem sprawdzony już i opisywany

10

Elektronika Praktyczna 7/2006

P R O J E K T Y

659923988.147.png

659923988.158.png

659923988.169.png

Cyfrowy tor akustyczny

Rys. 1. Schemat elektryczny procesora

Elektronika Praktyczna 7/2006

11

659923988.001.png

659923988.012.png

659923988.023.png

659923988.034.png

659923988.045.png

659923988.056.png

659923988.067.png

659923988.078.png

659923988.089.png

659923988.095.png

659923988.096.png

659923988.097.png

659923988.098.png

659923988.099.png

659923988.100.png

659923988.101.png

659923988.102.png

659923988.103.png

659923988.104.png

659923988.105.png

659923988.106.png

659923988.107.png

659923988.108.png

659923988.109.png

659923988.110.png

659923988.111.png

659923988.112.png

659923988.113.png

659923988.114.png

659923988.115.png

659923988.116.png

659923988.117.png

659923988.118.png

659923988.119.png

659923988.120.png

659923988.121.png

659923988.122.png

659923988.123.png

659923988.124.png

659923988.125.png

659923988.126.png

659923988.127.png

659923988.128.png

659923988.129.png

659923988.130.png

659923988.131.png

659923988.132.png

659923988.133.png

659923988.134.png

659923988.135.png

659923988.137.png

659923988.138.png

659923988.139.png

659923988.140.png

659923988.141.png

659923988.142.png

659923988.143.png

659923988.144.png

659923988.145.png

659923988.146.png

659923988.148.png

659923988.149.png

659923988.150.png

659923988.151.png

659923988.152.png

659923988.153.png

659923988.154.png

659923988.155.png

659923988.156.png

659923988.157.png

659923988.159.png

659923988.160.png

659923988.161.png

659923988.162.png

659923988.163.png

659923988.164.png

659923988.165.png

659923988.166.png

659923988.167.png

659923988.168.png

659923988.170.png

659923988.171.png

659923988.172.png

659923988.173.png

659923988.174.png

659923988.175.png

659923988.176.png

659923988.177.png

659923988.178.png

659923988.179.png

659923988.002.png

659923988.003.png

659923988.004.png

659923988.005.png

659923988.006.png

659923988.007.png

659923988.008.png

659923988.009.png

659923988.010.png

659923988.011.png

659923988.013.png

659923988.014.png

659923988.015.png

659923988.016.png

659923988.017.png

659923988.018.png

659923988.019.png

659923988.020.png

659923988.021.png

659923988.022.png

659923988.024.png

659923988.025.png

659923988.026.png

659923988.027.png

659923988.028.png

659923988.029.png

659923988.030.png

659923988.031.png

659923988.032.png

659923988.033.png

659923988.035.png

659923988.036.png

659923988.037.png

659923988.038.png

659923988.039.png

659923988.040.png

659923988.041.png

659923988.042.png

659923988.043.png

659923988.044.png

659923988.046.png

659923988.047.png

659923988.048.png

659923988.049.png

659923988.050.png

659923988.051.png

659923988.052.png

659923988.053.png

659923988.054.png

659923988.055.png

659923988.057.png

659923988.058.png

659923988.059.png

659923988.060.png

659923988.061.png

659923988.062.png

659923988.063.png

659923988.064.png

659923988.065.png

659923988.066.png

659923988.068.png

659923988.069.png

659923988.070.png

659923988.071.png

659923988.072.png

659923988.073.png

659923988.074.png

659923988.075.png

659923988.076.png

659923988.077.png

659923988.079.png

659923988.080.png

659923988.081.png

Cyfrowy tor akustyczny

Rys. 2. Schemat blokowy układu TAS3004

bralibyśmy jako master układ U2

TAS3004, to zostałby uaktywniony

wewnętrzny układ oscylatora i on

stałby się źródłem zegara syste-

mowego. Oczywiście częstotliwość

tego oscylatora jest określona przez

mnożnik i częstotliwość próbkowa-

nia. Dla fs=48 kHz i mnożnika 256

fxtal=12,288 MHz. Wybór mnożnika

jest określany stanem wyprowadze-

nia CLKSEL: stan niski – mnożnik

256, stan wysoki – mnożnik 512.

W naszym układzie ze-

gar systemowy jest odtwarza-

ny w pętli PLL z wejściowe-

go strumienia danych S/PDIF

przez odbiornik DIR1703. Taka sy-

tuacja powoduje, że układ odbiorni-

ka automatycznie staje się układem

master. Ma to swoje dobre strony:

dla różnych częstotliwości próbko-

wania zegar systemowy jest uzyski-

wany z układu PLL odbiornika U1.

Wiemy już jak dane cyfrowe tra-

ﬁają z odbiornika U1 do procesora

U2. Zobaczmy, co się dzieje z nimi

dalej. Schemat blokowy TAS3004

został pokazany na rys. 2 . Już na

pierwszy „rzut oka” widać, że

układ ma dużo większe możliwo-

ści niż wspomniany już wcześniej

TAS3001. Przede wszystkim ma

wbudowane 24–bitowe przetworniki:

analogowo–cyfrowy i cyfrowo–analo-

gowy. Taki układ, który umożliwia

przetwarzanie sygnału w obie strony

nazywany jest kodekiem.

Przetwornik cyfrowo – ana-

logowy zamienia sygnał cyfrowy

z wewnętrznego procesora DSP

(powiemy o nim później) na po-

stać analogową. W rozwiązaniu

z TAS3001 rolę tę spełniał ze-

wnętrzny przetwornik PCM1710.

Drugi z przetworników – analogo-

wo–cyfrowy – zamienia analogo-

wy sygnał stereofoniczny na po-

stać cyfrową. Wszystko to razem

powoduje, że procesor TAS3004

może przetwarzać cyfrowo nie tyl-

ko sygnał danych cyfrowych audio

z portu szeregowej magistrali, ale

także z wejść analogowych. Znacz-

nie to upraszcza budowę urządzeń,

w których źródłem sygnału jest na

przykład odtwarzacz CD, analogo-

wy tuner AM/FM lub magnetofon

analogowy.

Wróćmy jednak do sygnału da-

nych z wejścia SDIN1. Jak wynika

z rys. 2, jest to jeden z trzech moż-

liwych sygnałów podawanych na

wejście cyfrowego miksera umoż-

liwiającego miksowanie sygnałów

układ DIR1703. Niestety TI za-

przestał jego produkcji z powodu

błędów w identyﬁkacji wejściowego

sygnału S/PDIF w momencie, kiedy

zmieniana jest częstotliwość prób-

kowania na przykład z 44,1 kHz na

48 kHz. W przypadku, kiedy sygnał

wejściowy nie zmienia częstotliwo-

ści próbkowania ta wada nie jest

istotna i dla działania opisywanego

układu nie ma znaczenia.

Wyjściowe sygnały odbiornika:

LRCK (identyﬁkacji kanałów), BCK

(zegar taktujący przesyłaniem da-

nych) i DATA (sygnał danych) two-

rzą standardową lokalną magistralę,

którą przesyłane są cyfrowe dane

audio do portu procesora TAS3004

(układ U2). Sygnał identyﬁkacji jest

połączony do linii LRCKO, dane

do wejścia SDIN1, a zegar taktujący

transmisją do linii SCLKO. Celo-

wo użyłem tu określenia linii por-

tu, a nie wejścia portu, bo linie te

mogą być dwukierunkowe. Magistra-

la do przesyłania danych audio jest

zorganizowana według zasady ma-

ster–slave. TAS3004 może być ukła-

dem master i wtedy jest źródłem

wszystkich sygnałów zegarowych.

Wtedy wspomniane linie portu są

wyjściami. Jeżeli TAS3004 pracuje

jako slave, to linie stają się wej-

ściami. O tym w jakim trybie pra-

cuje port decyduje stan linii !FM/S.

Jeżeli jest w stanie niskim, to wymu-

szony jest tryb slave (zworka J9).

W wielu systemach (chodź nie

we wszystkich) magistrala jest uzu-

pełniona dodatkowym sygnałem ze-

gara systemowego – master clock.

Jest to sygnał zegarowy o standar-

dowej wielokrotności częstotliwości

próbkowania fs. Układ master ma-

gistrali również jest źródłem sygna-

łu zegara systemowego. Jeżeli wy-

12

Elektronika Praktyczna 7/2006

659923988.082.png

659923988.083.png

659923988.084.png

659923988.085.png

659923988.086.png

659923988.087.png

659923988.088.png

659923988.090.png

659923988.091.png

659923988.092.png

659923988.093.png

Cyfrowy tor akustyczny

o poziomach ustawia-

nych od pełnego wy-

ciszenia do wzmocnie-

nia +18 dB. Dodatko-

wo można wykorzystać

mikser jako selektor

wejść. Poziom sygnału

jednego ze źródeł trze-

ba ustawić na żąda-

ną wartość, a pozosta-

łe wyciszyć. W trakcie

prac nad urządzeniem

wykorzystałem mikser

do jeszcze jednej dość

ważnej funkcji: do

wyrównywania pozio-

mów każdego ze źródeł

i ewentualnego tłumie-

nia sygnału wejściowe-

go, żeby zapobiec prze-

sterowaniu następnych

układów przez zbyt

duży poziom. Chociaż

układ miksera w zasadzie nie zo-

stał wykorzystany zgodnie ze swo-

ją nazwą, to okazał się elementem

praktycznie niezastąpionym.

Dwa stereofoniczne sygnały

z wyjścia miksera są podawane na

2 niezależnie pracujące procesory

DSP. Procesory DSP są kolejnym

elementem TAS3004 decydującym

o jego dużych możliwościach i ela-

styczności. Wszystkie ustawienia

sterujące pracą procesorów są wpi-

sywane do układu przez magistra-

lę I 2 C. Pierwszym, możliwym roz-

wiązaniem, jakie się nasuwa jest

sterowanie poprzez tą magistralę

sterownikiem mikroprocesorowym,

lub nawet komputerem. Oczywi-

ście jest to możliwe, ale konstruk-

torzy układu przewidzieli też inną,

zaskakującą możliwość. TAS3004

został wyposażony w 8–bitowy mi-

krokontroler sterujący pracą magi-

strali I 2 C, tak, że może ona pra-

cować w trybie master. Nie jest

wtedy potrzebny żaden zewnętrzny

sterownik, a wszystkie nastawy są

pobierane z odpowiednio zaprogra-

mowanej popularnej zewnętrznej

pamięci EEPOM 24C04, do której

dostęp jest możliwy właśnie przez

magistralę I 2 C. Wszystkie regulacje

odbywają się za pomocą klawiatury

dołączonej do linii portów GPIO0...

GPIO5. Sposób programowania tej

pamięci i dołączania klawiatury

jest dokładnie opisany w doku-

mentacji układu. Przyznam, że ten

sposób programowania wydał mi

się bardzo interesujący i początko-

wo chciałem go wykorzystać. Jed-

nak potem zdecydowałem się na

sterownik z mikrokontrolerem, któ-

ry daje jednak większe możliwości

eksperymentowania i ewentualnego

wyposażenia w inne funkcje: wy-

świetlacz, sterowanie pilotem itp.

Po wyzerowaniu układu TA-

S3004, magistrala I 2 C pracuje jako

master i wysyła adres master na

magistralę. Jeżeli jest do niej pod-

łączona pamięć, to układ odpo-

wiada potwierdzeniem i pozostaje

w tym trybie. Jeżeli jednak brak

jest potwierdzenia, to oznacza,

że może być podłączony sterow-

nik, układ przechodzi w tryb slave

i jest gotowy do odbierania danych

ze sterownika.

Pierwszym elementem w torze

danych procesora DSP jest zespół

siedmiu kaskadowo połączonych

ﬁltrów cyfrowych. Charakterystyka

każdego z ﬁltrów jest określona za-

leżnością: b 0 +b 1 z –1 +b 2 z –2

H(z)=——————————

a 0 +a 1 z –1 +a 2 z –2

pozwalają na precyzyjne określenie

charakterystyki: typu ﬁltru (pasmo-

wy, Butterworth’a, szelfowy), pa-

sma przepustowego i wzmocnienia

(tłumienia) w zaprogramowanym

paśmie. Za ﬁltrami umieszczone są

układy regulacji barwy tonu. Tony

niskie i wysokie można regulować

w zakresie od –15 dB do +15 dB

z rozdzielczością 0,5 dB. Ostatnim

ogniwem w torze audio jest układ

regulacji siły głosu (poziomu),

z którym skojarzone są układy ﬁltru

kontur i kompresora/ekspandera dy-

namiki. Siła głosu jest regulowana

w zakresie od –70 dB do +18 dB

z krokiem co 0,5 dB. Dodatkowo

można wymusić programowo stan

zupełnego wyciszenia (mute).

Sygnał danych audio z wyjścia

procesora DSP kierowany jest na

wyprowadzenie SDOUT1 i jedno-

cześnie na wejście wewnętrzne-

go 24–bitowego przetwornika cy-

frowo–analogowego. Na wyjściach

przetwornika dostępne są niesyme-

tryczne, analogowe sygnały AOUTL

i AOUTR. Wyjście SDOUT2 zawie-

ra sumę kanałów prawego i lewego

i może być wykorzystane w syste-

mie 2.1 (dwa kanały stereo i sub-

woofer) po przeﬁltrowaniu dolno-

przepustowym, na przykład przez

ﬁltr zewnętrznego procesora TA-

S3001.

Na wejściu przetwornika analo-

gowo–cyfrowego umieszczony jest

analogowy multiplekser przełącza-

jący analogowy, niesymetryczny sy-

gnał wejściowy z dwu wejść A lub

B (wejścia RINA, LINA oraz RI-

Elektronika Praktyczna 7/2006

13

Rys. 3. Schemat blokowy procesora DSP

(a0=1)

Każdy ze współczynników b0,

b1, b2, a1 i a2 jest określony

przez wartość zapisaną w 3 baj-

tach (24 bity). Dla zaprogramowa-

nia każdego z ﬁltrów przewidziano

w pamięci układu 15 bajtów: 5

współczynników po 3 bajty. Trzeba

też dodać, że charakterystyka ﬁltru

dla każdego z kanałów stereofonicz-

nych jest programowana niezależ-

nie. Zaprogramowanie wszystkich

siedmiu ﬁltrów wymaga zapisania

15*7*2=210 bajtów, a więc całkiem

sporo. Wpisywane współczynniki

659923988.094.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

EP 2006_01.pdf (55455 KB)
EP 2006_03.pdf (73096 KB)
EP 2006_02.pdf (41918 KB)
EP 2006_04.pdf (45496 KB)
EP 2006_05.pdf (36207 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin