cyfrowe głośniki USB.pdf

P R O J E K T Y

Cyfrowe głośniki USB

kit AVT−808

Tak, tak, Drodzy

Czytelnicy, nadesz³a era

szeregowej magistrali USB.

Dotychczas wiÍkszoúÊ

uøytkownikÛw komputerÛw

traktowa³a USB jako bardzo

oryginalny, ale rÛwnie

nieuøyteczny sk³adnik ich

wyposaøenia.

Ten artyku³ jest pierwszym,

sprowadzaj¹cym USB pod

ìelektroniczne strzechyî.

Prezentujemy w†nim bowiem

bardzo interesuj¹ce

urz¹dzenie, ktÛre - dotychczas

w†nieco innej formie - sta³o

siÍ juø standardowym

wyposaøeniem wspÛ³czesnego

komputera. Chodzi oczywiúcie

o†kartÍ düwiÍkow¹.

Ze wzglÍdu na wagÍ tego

tematu, do USB bÍdziemy

wracali w†EP jeszcze

wielokrotnie.

Poniewaø o†magistrali USB jest

dostÍpnych niewiele informacji,

wiÍc rozpoczniemy od jej krÛtkiej

prezentacji. Dodatkowe materia³y

zawieraj¹ce specyfikacje USB mo-

øecie znaleüÊ na naszej stronie

WWW: www.ep.com.pl/ftp .

modemÛw itp. jest (czasami... po-

winno byÊ) nadzwyczaj proste. Co

wiÍcej - urz¹dzenia USB moøna

do³¹czaÊ i†od³¹czaÊ w†dowolnym

momencie i†to bez koniecznoúci

wy³¹czania lub restartowania kom-

putera! Mechanizmy sterowania

prac¹ magistrali USB zapewniaj¹

zautomatyzowanie procesu insta-

lacji niezbÍdnych driverÛw w†sys-

temie operacyjnym komputera -

hosta oraz pe³ne bezpieczeÒstwo

elektryczne wszystkich urz¹dzeÒ

do³¹czonych do magistrali.

W†skrÛcie rzecz ujmuj¹c, USB

zapewnia prawdziwe Plug & Play ,

ktÛrego wersje ìprototypoweî

znajduj¹ siÍ we wnÍtrzach wiÍk-

szoúci wspÛ³czesnych kompute-

rÛw PC. Znamy je prawda?

Powyøsze zalety przyÊmiewa

kilka, co prawda drobnych, k³o-

potÛw, z†ktÛrymi trzeba siÍ liczyÊ

podczas korzystania z†USB.

Pierwszy z†k³opotÛw, to ko-

niecznoúÊ wyposaøenia komputera

w†system operacyjny, dla ktÛrego

USB jest tak samo standardowym

interfejsem, jak Centronics lub

RS232. Kryterium to spe³nia na

pewno ìmakowyî system opera-

cyjny MacOS w†wersji od 8.1

(moøe niøsze takøe, tego nie wiem)

oraz Windows 98. Niestety, ³ata-

nie Windows 95 udostÍpnionym

przez Microsoft patchem z†USB

nie ma øadnego sensu, poniewaø

Blaski i†cienie USB

Jeden z†redakcyjnych wspÛ³-

pracownikÛw, przygotowuj¹c arty-

ku³ o†tajnikach USB (znajduje siÍ

on na str. 79), w†niezwykle trafny

sposÛb zinterpretowa³ akronim

USB jako Uporz¹dkowany Szere-

gowy Ba³agan (w oryginale Uni-

versal Serial Bus). Nie oznacza to

jednak, øe przyjÍta przez twÛrcÛw

USB koncepcja lub jej realizacja

s¹ z³e. Po prostu zg³Íbienie za-

sady dzia³ania tego - na pozÛr

prostego - ³¹cza szeregowego wi¹-

øe siÍ z†radykalnym odrzuceniem

dotychczasowego sposobu myúle-

nia o†transmisji szeregowej, zna-

nej wiÍkszoúci CzytelnikÛw z opi-

su z³¹cza RS232.

Ide¹ twÛrcÛw USB by³o stwo-

rzenie uniwersalnego sposobu ko-

munikowania siÍ pomiÍdzy kom-

puterem a†rÛønorodnymi urz¹dze-

niami zewnÍtrznymi. W†standar-

dzie zdefiniowano szereg klas ty-

powych urz¹dzeÒ peryferyjnych,

dziÍki ktÛrym do³¹czenie np. ka-

mery wideo, klawiatury, myszki,

skanera, cyfrowych g³oúnikÛw,

Podstawowe parametry i cechy

charakterystyczne cyfrowych głośników

USB z układem DS4201:

napięcie zasilania: 8..25VDC;

pobór prądu z linii 5V: 90mA;

pobór prądu z linii 3,3V: 40mA;

możliwość odtwarzania wszystkich dźwięków

“naturalnych” dla Windows, w tym także

z płyt DVD;

współpracuje ze wszystkimi komputerami

wyposażonymi w interfejs USB zgodny

z zaleceniami v 1.0 (MAC/PC);

interfejs USB urządzenia zgodny jest ze

specyfikacją HID Audio USB;

częstotliwość próbkowania: 44,1/48kHz;

rozdzielczość przetwornika: 8/16 bitów;

pasmo przenoszenia części audio (po filtrze):

0,4 x częstotliwość próbkowania;

napięcie wyjściowe: 2,5Vpp.

Elektronika Praktyczna 3/99

Cyfrowe głośniki USB

Cyfrowe głośniki USB

Rys. 1. Schemat blokowy układu DS4201.

- zapewnienia poprawnej wymia-

ny informacji z†hostem USB;

- przetworzenia stereofonicznego

sygna³u audio przesy³anego po-

przez USB do postaci analogo-

wej (wraz z†precyzyjn¹ filtracj¹);

- zmiksowania przetworzonego do

postaci analogowej sygna³u cyf-

rowego z†sygna³ami z†dwÛch ze-

wnÍtrznych ürÛde³ analogowych

(np. mikrofonu i†CD).

Tak wiÍc w†jednej obudowie

DIP28 znajduje siÍ wszystko, co

jest niezbÍdne do zbudowania

doskona³ej jakoúci "cyfrowych

g³oúnikÛw", co w†nomenklaturze

USB oznacza coú w†rodzaju karty

düwiÍkowej.

OprÛcz modu³Ûw bezpoúrednio

zwi¹zanych z†obrÛbk¹ sygna³Ûw

audio, we wnÍtrzu DS4201 znaj-

duje siÍ rozbudowany (wymagany

przez standard) system zarz¹dza-

nia zasilaniem, dwa generatory

wspÛ³pracuj¹ce z†oscylatorami

kwarcowymi, modu³ polaryzacji

wzmacniaczy audio oraz bufory

dla sygna³u wyjúciowego.

DziÍki zintegrowaniu tak wielu

funkcji w†uk³adzie DS4201, kom-

pletne cyfrowe g³oúniki moøna

zbudowaÊ tak prosto, jak widaÊ

to na rys. 2 .

Sygna³ z†magistrali USB jest

podawany na wejúcie transceive-

ra USB, ktÛry znajduje siÍ we

wnÍtrzu US1 (linie D+ i D-).

Modu³ transceivera jest zasilany

napiÍciem 3,3V z†wyjúcia stabili-

jest to twÛr sztuczny dla systemu

operacyjnego, nie uwzglÍdniaj¹cy

przyjÍtej w†USB klasyfikacji urz¹-

dzeÒ peryferyjnych. Tak wiÍc po-

siadacze PC-tÛw s¹ skazani na

zakup Windows 98, co jest o†tyle

ma³o bolesne, øe jest to system

znacznie bardziej stabilny od Win-

dows 95.

Drugi k³opot, na ktÛry natkn¹-

³em siÍ kilkukrotnie, to niepopraw-

na praca interfejsÛw USB wbudo-

wywanych w†p³yty g³Ûwne. K³opo-

ty wystÍpowa³y zarÛwno w†p³ytach

wielu producentÛw, w†tym takøe

Intela, jednego z†inicjatorÛw po-

wstania USB. NajczÍúciej powtarza-

j¹cym siÍ objawem tych k³opotÛw

by³o zawieszanie siÍ inicjowania

pracy komputera przez BIOS-y

Plug & Play , kiedy do portu USB

by³o pod³¹czone opisane dalej urz¹-

dzenie. Podobne zjawisko wystÍpo-

wa³o takøe po do³¹czeniu klawia-

tury USB firmy Cherry oraz termo-

metru USB opracowanego przez

firmÍ Cypress (zestaw opisany

w†EP12/98). Po wy³¹czeniu w†BIO-

S-ie funkcji Plug & Play k³opoty za-

zwyczaj ustÍpowa³y.

Opis urz¹dzenia

Poniewaø jestem zagorza³ym fa-

nem nowoczesnych rozwi¹zaÒ,

prezentowane w†artykule urz¹dze-

nie sk³ada siÍ w†zasadzie z†jed-

nego uk³adu scalonego - DS4201.

Jest on po pierwsze bardzo ìm³o-

dyî, a po drugie dobrze zrobiony.

Powsta³ w†laboratoriach firmy Dal-

las. Schemat blokowy tego uk³adu

znajduje siÍ na rys. 1 .

W†strukturze DS4201 znajduje

siÍ wszystko, co jest niezbÍdne do:

Rys. 2. Schemat elektryczny urządzenia.

Elektronika Praktyczna 3/99

Cyfrowe głośniki USB

Cyfrowe głośniki − co to oznacza?

Nie, nie nastąpił przełom w technologii produkcji głośników! “Cyfrowe głośniki” jest

nazwą wywodzącą się z nomenklatury zawartej w opisie standardu USB, skwapliwie

podchwyconą przez specjalistów od marketingu.

Przez “cyfrowe głośniki” należy rozumieć zestaw audio z wejściem cyfrowym, skła−

dający się ze zwykłych (lepszych lub gorszych) głośników ze standardową membraną,

zasilanych przez wzmacniacz audio, na którego wejście podawany jest sygnał analogowy

będący wynikiem konwersji C/A wykonanej przez konwerter dołączony (oczywiście

poprzez specjalny interfejs) do szyny USB.

Rys. 3. Charakterystyka

częstotliwościowa wyjściowego filtru

dolnoprzepustowego w układzie

DS4201.

z†wejúÊ analogowych, co nieco

ogranicza uniwersalnoúÊ ca³ego

urz¹dzenia.

Na wejúciu tego stabilizatora

zastosowano mostek Graetza oraz

kondensator filtruj¹cy C20. Pomi-

mo tego nie zalecam stosowania

zasilania napiÍciem zmiennym,

poniewaø grozi to wprowadzeniem

zak³ÛceÒ z sieci energetycznej.

Mostek M1 zapobiegnie natomiast

moøliwoúci uszkodzenia urz¹dze-

nia w†przypadku odwrÛcenia po-

laryzacji zasilania.

O†aplikacji DS4201 najwaøniej-

sze juø powiedziano, ale naleøy

jeszcze pochwaliÊ konstruktorÛw

firmy Dallas.

Jak juø wczeúniej wspomnia-

³em, we wnÍtrzu DS4201 znajduj¹

siÍ filtry dolnoprzepustowe, ktÛre

zapobiegaj¹ przedostawaniu siÍ do

odtwarzanego sygna³u zak³ÛceÒ

bÍd¹cych wynikiem przetwarzania

C/A. Poniewaø waønym kryterium

przyjÍtym przez projektantÛw

uk³adu, by³o ograniczenie liczby

zewnÍtrznych elementÛw i†maksy-

malne u³atwienie pracy producen-

tom gotowych urz¹dzeÒ, zrezyg-

nowano z†typowych filtrÛw ana-

logowych na rzecz ³atwych do

upakowania w†krzemie filtrÛw

z†kluczowanymi pojemnoúciami.

Nie maj¹ one samych zalet, ale

obiecana przez firmÍ Dallas cha-

rakterystyka transmisyjna takiego

filtru ( rys. 3 ) wygl¹da nad wyraz

obiecuj¹co. Prawda?

zatora US2. NapiÍcie wejúciowe

tego stabilizatora jest pobierane

z†linii USB. Jest to moøliwe,

poniewaø w†4-øy³owym kablu

USB, oprÛcz dwÛch linii danych

(transfer rÛønicowy), znajduj¹ siÍ

takøe: linia zasilania (napiÍcie

5V) oraz masy. W†egzemplarzu

modelowym jako US2 zastosowa-

no uk³ad MAX604 firmy Maxim,

lecz w†oferowanych przez AVT

zestawach dostarczane bÍd¹ nie-

co inne (taÒsze!) uk³ady -

MIC5207-3,3 - produkowane przez

firmÍ Micrel. Moøna oczywiúcie

zastosowaÊ dowolny inny stabi-

lizator o†napiÍciu wyjúciowym

3,3V, naleøy jednak pamiÍtaÊ,

aby dobraÊ taki, ktÛry ma moø-

liwie ma³y pr¹d spoczynkowy

oraz pracuje poprawnie przy sto-

sunkowo ma³ej rÛønicy pomiÍdzy

napiÍciem wejúciowym i†wyjúcio-

wym (tylko 1,7V!).

Stabilizator US3 spe³nia rolÍ

pomocnicz¹ i†zasila czÍúÊ uk³adu

DS4201 odpowiadaj¹c¹ za obrÛbkÍ

sygna³Ûw analogowych podawa-

nych na wejúcia LMC/RMC (wej-

úcie mikrofonowe) oraz LAUX/

RAUX (wejúcia uniwersalne). Moø-

liwa jest inna konfiguracja

DS4201, w†ktÛrej jest on zasilany

tylko z†linii USB, ale wtedy nie

jest moøliwe miksowanie sygna³u

przetwarzanego z†sygna³ami

Przekazywanie danych

audio

Uwaøni Czytelnicy EP wiedz¹

juø z†pewnoúci¹, øe specyfikacja

USB przewiduje dwie szybkoúci

pracy interfejsÛw urz¹dzeÒ pery-

feryjnych: 1,5Mb/s (wolne) lub

12Mb/s (szybkie). W†zaleønoúci od

szybkoúci interfejsu urz¹dzenia

peryferyjnego odpowiednio s¹ po-

laryzowane linie D+/D-. Na rys.

4 jest pokazany sposÛb polaryza-

cji linii dla 12Mb/s.

Do przes³ania danych z†kompu-

tera do uk³adu DS4201 nie wy-

starczy niestety sam interfejs USB

wbudowany w†p³ytÍ g³Ûwn¹. Wy-

nika to z†faktu, øe transfer danych

w†tym standardzie sk³ada siÍ

z†wielu faz i†jest doúÊ skompliko-

wany. W†PC-cie ìpilnujeî Upo-

rz¹dkowanego Szeregowego Ba³a-

ganu zestaw driverÛw systemo-

wych. Standard USB jest silnie

zhierarchizowany i†- podobnie jak

wszystkie systemy sieciowe - sk³a-

da siÍ z†wielu, wzajemnie ze sob¹

wspÛ³pracuj¹cych warstw, spoúrÛd

ktÛrych kaøda odpowiada za reali-

zacjÍ pewnego fragmentu ca³ego

zadania. SposÛb sterowania uk³adu

DS4201 prezentuje rys. 5 , na ktÛ-

Rys. 4. Zewnętrzna konfiguracja

szybkiego portu USB.

Rys. 5. Uproszczony sposób komunikowania się warstw funkcjonalnych

w przetworniku audio.

Elektronika Praktyczna 3/99

Cyfrowe głośniki USB

w†EP0 (EP od ang. End Point,

a†nie od Elektroniki Praktycz-

nej), ktÛry jest miejscem zawie-

raj¹cym komplet informacji

o†tym urz¹dzeniu. W³aúnie do

EP0 zwraca siÍ host po do³¹-

czeniu nowego urz¹dzenia do

USB i†po ìodpytaniuî go o†wy-

magania znajduje i†instaluje

w†systemie operacyjnym odpo-

wiednie drivery, umoøliwiaj¹ce

obs³ugÍ do³¹czonego sprzÍtu

przez oprogramowanie. Kolejne

EPx s¹ koÒcÛwkami dla innych

kana³Ûw (w nomenklaturze USB

zwanych rurami) informacyj-

nych i†kaøde urz¹dzenie USB

moøe mieÊ ich wiele.

Po do³¹czeniu do komputera

PC prezentowanego urz¹dzenia,

Windows 98 wykorzystuje dwa

wirtualne kana³y transmisji da-

nych: do EP0 (musi! - tÍdy

ìprzebiegaî inicjalizacja) i†do

EP1 (dane audio oraz nastawy

g³oúnoúci dla miksera audio).

Kana³ do EP2 jest wykorzysty-

wany w†przypadku, kiedy ma-

gistrala USB z†przyczyn niezaleø-

nych nie jest w stanie zapewniÊ

po³¹czenia izochronicznego, czyli

gwarantuj¹cego sta³¹ szybkoúÊ

transferu danych do odtwarzania.

Ca³e szczÍúcie, øe nie jest to

nasz problem...

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1: 1,5k

R4: 10k

Ω

R6..R13: 10k

(R6, R8, R10, R12

montowane opcjonalnie, wchodzą

w skład kitu)

Konensatory

C1, C2, C3, C4: 33pF

C5, C6, C7, C8, C9, C10, C21:

4,7

F/16V

C11: 1

F/16V

C13, C14, C16, C17, C18: 100nF

C15, C19, C22: 47

F/16V

F/35V

Półprzewodniki

US1: DS4201

US2: MIC5207−3,3

US3: 78M05 lub podobny

M1: 1A/50V mostek prostowniczy

Różne

X1: 12MHz

X2: 12,288MHz

Gn1: złącze USB typu B do druku

Gn2, Gn3, Gn4: podwójny cinch

do druku

Gn5: gniazdo zasilania do druku

radiator

Rys. 6. Rozmieszczenie elementów na

płytce drukowanej.

rym wyraünie widaÊ (uproszczo-

ny!) podzia³ na warstwy, nato-

miast poziome linie przedstawiaj¹

wirtualny przep³yw danych.

Ze wzglÍdu na z³oøonoúÊ spo-

sobu przekazywania danych nie

bÍdÍ go tutaj omawia³, przybliøÍ

tylko bardzo waøne (dla USB)

punkty oznaczone na rys. 5 sym-

bolami EP0, EP1 itd.

£atwo jest sobie wyobraziÊ, øe

dane musz¹ mieÊ sk¹d i†dok¹d

p³yn¹Ê. Punkty EPx w†urz¹dzeniu

peryferyjnym oznaczaj¹ wirtualne

cele przesy³anej informacji. Kaøde

urz¹dzenie USB jest wyposaøone

wanie dzielnikÛw napiÍcia (np. 1/

2 jak w opisywanym uk³adzie).

Na schemacie elektrycznym (rys.

2) ich lokalizacjÍ zaznaczono sza-

rymi kropkami. Jeøeli nie bÍd¹

wykorzystywane, to w†miejsce re-

zystorÛw R6, R8, R10 i†R12 na-

leøy wlutowaÊ zwory.

Montaø

Poniewaø aplikacja uk³adu

DS4201 jest niezwykle prosta,

p³ytka drukowana jest jednostron-

na i†stosunkowo niewielka. Widok

mozaiki úcieøek znajduje siÍ na

wk³adce wewn¹trz numeru, a†roz-

mieszczenie elementÛw na p³ytce

widaÊ na rys. 6 .

Montaø elementÛw jest na

tyle prosty, øe nie powinien

sprawiÊ øadnych k³opotÛw, takøe

mniej wprawnym wykonawcom.

Pod uk³ad US1 warto zastosowaÊ

podstawkÍ. W†przypadku wyko-

rzystania jako US2 uk³adu

MAX604, takøe dla niego warto

postaraÊ siÍ o†podstawkÍ, co u³at-

wi ewentualne naprawy. Stabili-

zator US3 jest przykrÍcony do

niewielkiego radiatora, ktÛry jest

niezbÍdny w†przypadku zasilania

urz¹dzenia napiÍciem o†wartoúci

wiÍkszej niø 12V.

Poniewaø amplituda sygna³u

na wejúciach AUX i†MIC nie

powinna przekraczaÊ wartoúci

2,55Vpp, producent zaleca stoso-

Rys. 7. Widok okna menedżera

urządzeń po włączeniu interfejsu

USB.

Rys. 8. Typowy kabel USB ze

złączami "A" i "B".

Elektronika Praktyczna 3/99

Ω

R2, R3: 24

R5: 2

C12: 22

C20: 1000

Cyfrowe głośniki USB

Rys. 9. Widok okna sygnalizującego

wykrycie urządzenia USB.

NastÍpnie musicie za-

instalowaÊ Windows 98.

Program instalacyjny

rzeczywiúcie prowadzi

uøytkownika komputera

ìza rÍkÍî i†nie zadaje zbyt

wielu pytaÒ. Po instalacji

Windows 98 warto spraw-

dziÊ, czy host USB jest

widoczny dla systemu

operacyjnego - naj³atwiej

to zrobiÊ wybieraj¹c MÛj

Komputer/Panel Sterowa-

nia/System ( rys. 7 ).

Jeøeli poradziliúcie so-

bie z†instalacj¹, przecho-

dzimy do sedna sprawy,

czyli do³¹czenia do z³¹cza

USB naszych cyfrowych

g³oúnikÛw. Do po³¹czenia

komputera z†dowolnymi

peryferiami niezbÍdny bÍ-

dzie specjalny kabel za-

koÒczony z†jednej strony

wtykiem typu ìAî, z†drugiej ìBî

( rys. 8 ). Przed pod³¹czeniem urz¹-

dzenia do komputera naleøy do

gniazda Gn1 do³¹czyÊ zasilacz,

a†do gniazd LOUT i†ROUT (Gn4)

g³oúniki z†wbudowanym wzmac-

niaczem m.cz. (np. zintegrowa-

nym z†îkomputerowymiî g³oúni-

kami).

Teraz dopiero naleøy po³¹czyÊ

kablem USB przetwornik z†kom-

puterem. Windowsy samoczynnie

wykryj¹ fakt pojawienia siÍ nowe-

go urz¹dzenia, co spowoduje wy-

úwietlenie okna jak na rys. 9 .

W†dalszej kolejnoúci system zaø¹-

da w³oøenia do napÍdu CD-ROM

instalacyjnej p³yty Windows 98

i†samoczynnie skopiuje drivery

dostosowane do rodzaju do³¹czo-

nego urz¹dzenia.

Uruchomienie - jeøeli dok³ad-

nie zmontujecie ca³oúÊ - sprowa-

dza siÍ do zainstalowania drive-

rÛw w†komputerze!

Na koniec - jak to

zrobiÊ w†Windows 98?

Teoretycznie instalacja drive-

rÛw jest bardzo prosta. Przecieø

Windows 98 rozwi¹øe wszystkie

Twoje problemy...

Rozpoczynamy od uruchomie-

nia interfejsu USB, co wymaga

zajrzenia do setupu BIOS-a. Po-

niewaø nie istnieje standard opi-

suj¹cy te programy od strony

interfejsu uøytkownika, musicie

poradziÊ sobie sami. Zazwyczaj

USB w³¹cza siÍ w†menu zwi¹za-

nym z†innymi portami I/O, nosz¹-

cym nazwÍ np. Peripherials .

Rys. 12. Okno ustawiania

parametrów odtwarzania

dźwięków.

Po skopiowaniu driverÛw war-

to sprawdziÊ, czy system napraw-

dÍ widzi cyfrowe g³oúniki ( rys. 10

oraz rys. 11 ).

Po poprawnej instalacji, w†le-

wej czÍúci paska zadaÒ pojawia

siÍ ikonka symbolizuj¹ca g³oúnik,

ktÛra udostÍpnia regulacjÍ g³oú-

noúci i†balansu odtwarzanego syg-

na³u ( rys. 12 ). Pozostaje jeszcze

tylko przypisaÊ ( Panel Sterowa-

nia/DüwiÍki ) wybrane pliki düwiÍ-

kowe rÛønym zdarzeniom w†Win-

dows i†koniec...

Piotr Zbysiński, AVT

Testy cyfrowych g³oúnikÛw USB

przeprowadziliúmy na komputerze

zbudowanym w†oparciu o†p³ytÍ

NMC, udostÍpnion¹ przez firmÍ

SEI-Elbatex.

Rys. 10. Okno menedżera urządzeń

po zainstalowaniu driverów dla

wyjścia audio.

Rys. 11. Okno "Multimedia"

z widocznymi głośnikami USB.

Elektronika Praktyczna 3/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: