告诉你怎么自己制作USB驱动+供电的耳放

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最近单位手头任务基本上完成,有点空闲时间了,就会想着折腾点啥,曾经弄过USB驱动+供电的耳放,效果不怎么理想,底噪有点大(和USB供电有直接关系),这就想起了,重新折腾一个。

首先说一下机器的工作原理:

先看简单流程图:

芯片

PC端,安装好CM108B兼容声卡驱动后,应用程序,将音频文件,解释成为USB数据流,到本声卡的CM108B芯片,芯片接收USB音频数据流(不稳定),并通过内部时钟,进一步编码成为I2S音频数据,传输到TLV320AIC23B。

TLV320AIC23B,内部DAC将I2S数据,转换为音频输出,并送到耳机放大器,输出。

N76E003,负责播放状态和MIC插入等的检测,并切换CM108B到相应工作状态,同时,根据按钮、上电等,通过I2C控制TLV320AIC23B的增益和静音、开机冲击消除等。

很明显,这里从PC端--声卡I2S输出,都是纯数字操作,中间不会引人任何附加噪音和其他不可知失真,唯有I2S编码的时钟稳定性,会造成jitter失真,因此这里选择CM108B也是因为该芯片jitter参数和高档芯片比并不差,处于中档以上水平。同时为了进一步控制jitter,采用了外接有源晶振并用AMS1117-3.3单独供电。获得最大稳定性。

TLV320AIC23B内部DAC SNR=100dB 耳放 SNR=97dB,这个指标,已经超过CD音乐标准。所以实现Hi-Fi应该不是问题。对于48KHz采样音频,TLV320AIC23B提供96KHzDAC采样率,也就是2倍过采样,也完全符合中档Hi-Fi信源标准了。

而上面的所有过程,除了jitter失真、就唯有TLV320AIC23B把I2S数据转换为音频的失真过程,这里TLV320AIC23B的DAC部分 Total harmonic distortion(总谐波失真)=−92dB (1KHz -3dB)该指标也虽非非常惊人,但也是相当可以了。

这样构成的系统,根据上面所述,做一个小小的Hi-Fi耳放,完全足够了。唯一担心的就是电源条件,毕竟采用的是USB直接供电,而USB供电质量大家都明白,虽然采用了一片AMS1117-3.3为音频部分单独供电,还必须对音频地和数字地进行进一步处理,加强退偶滤波,并且稍大退偶电容全部采用钽电容。

作为这类东西的主控管理芯片。N76E003硬件够齐全,体积小,关键是性价比高,主控就是它了。

准备搞的东西,体积应该很小,因此,音量控制什么的都只能用按钮,而舍弃数字音量控制常用的飞梭。

TLV320AIC23B的控制,可以选择SPI也可以选择I2C,本着越简单越好的原则,就I2C了,003通过I2C,控制TLV320AIC23B的初始化、增益、静音、过采样率、掉电。

TLV320AIC23B是3.3V供电,考虑LDO数字部分可以共用,N76E003供电也采用3.3V。

下面是主控部分线路。经过修改,取消了PMOS开关,后级软关机都由单片机进行,且把CM108B的MODE和MSEL引脚也进入单片机,测试是否可以由单片机软控。PDSW和RUN引脚分别用于检测关机信号和工作状态,通过MIC插坐,引入3.3V的MIC插入信号,如果MODE可以软控,这里就是一个检测端口。另外就是3个按钮端口和2个I2C端口加上编程端口、串口了。

芯片

TLV320AIC23B的I2S解码、耳放部分

继续:

I2S解码、耳放选择TLV320AIC23B,

由于只使用了I2S解码输出部分,其他指标直接无视,具体如下:

DAC信噪比:DAC SNR (Typ) (dB):100

立体声耳放部分:

0分贝输出:0-dB full-scale output voltage 1.0 VRMS

输出功率:Maximum output power 32Ω 30mW 16Ω 40mW

信噪比:Signal-to-noise ratio, A-weighted (see Note 4) AVDD = 3.3 V ≥90 dB 标准97dB

电源抑制比:Power supply rejection ratio 1 kHz, 100 mVpp 50 dB

带开关机噪音抑制和数字静音。

想来这个芯片做个数字解码耳放应该是够了。

下面是线路图

芯片

CM108B USB 声卡部分:

USB声卡芯片选择CM108B,有完善的ASIO 声卡驱动(HI-FI的前提)性价比高,功能多,抖动jitter数据中等水平,作为一款SOUND-I2S接口,在HI-FI范围应用,完全足够了。为了进一步降低jitter失真,采用单独电源供电的有源12MHz晶振。

实际上只用了内部 SOUND CARD I2S编码部分硬件资源,其余只选择了一个简易MIC输入,好方便网络音频使用,其余全部咔嚓。

考虑到声卡芯片和单片机是同时即插即用,因为没测试过是不是可以通过MCU的IO来控制该2种模式,故保留2种跳线选择,(选择声卡纯耳机模式、耳麦模式和电脑混音器路径选择,适应最多功能应用和最精简模式)实际做板子会连接2个IO口,测试是不是能够由单片机来控制完成。

线路图:

芯片

今天开始做PCB,突然想到,单片机可以sleep,而TLV320AIC23B有Power Down Control 功能,那么CM108B的PDSW输出控制信号,只需要引入到N76E003中断,或N76E003轮询,就可以实现后面级Power Down功能,很明显这样的话,Q1的PMOS管开关就完全不需要了,上传的线路就不改了,这部分大家直接无视,另外把CM108B的PDSW输出连接到N76E003的IO,后级的Power Down功能由N76E003软控就好。

等PCB做好,上传PCB图。

看线路有点复杂,其实器件并不多,可弄到的盒子就这么大,板子必须配合,所以器件排的非常空闲,不过这样也好处理混乱的AGND和GND分块,可以更充分考虑音频干扰什么的。板子上所有看上去像电解电容的东东,全部都是钽电容,一个是提高性能,另一个就是为了降低高度。

板子实际大小:85*55mm。

板子焊接好了,大家上眼,就这么个样子:

板子上面由于都是钽电容,所以很多大电容并联的0.1直接暂时忽略。

MIC输入部分,不是整个测试的重点,果断暂时不弄。

单片机程序也只是纯粹的TLV320AIC23B初始化,其他什么都没写。

下面开始测试:

第一次插入USB,电脑没认,怀疑没有焊接好,对USB插座再进行一次补焊。

插入电脑,设备顺利出现。CM108B,系统自己认识,基本驱动直接就装上了。

接着就是安装ASIO驱动:AudioDevice on USB Bus 2.8.40

也顺利完成。一路好消息:

下面上基础波形测试:

MCLK和SCK信号,采样44.1KHz 32Bit IIS SCK频率=2.8224MHz,至少示波器直读还是非常准的,看波形速度限制非常合适,无明显过冲,波形稳定,这是Hi-Fi的基本保障。

IIS的LRCK和DATA。没什么好说的,反正就是干净利落。

下面就说一下调试过程:

IIS波形、上位机程序都正常。

N76E003程序只做了最简单的,就是官方IIC MASTER 范例直接改改就用。

控制单元也是很简单,就0x00-0x09 和0x0F 共10个单元,其中好几个还可以用上电缺省值。

IIC地址对了,ACK正确了,IIC通信正常。。

按照官方数据表,初始化完成,对不起,耳机完全无声。

检查输出直流电压,0V,说明完全不能工作,仔细回头检查线路,发现自己大意了。本身因为不需要LINE输入和MIC输入。所以画图纸时候,把TLV320AIC23B的20、19、18直接给接地了。但是芯片内部可都是直流耦合,直接接地造成的结果就是连中位滤波16脚VMID电压=0.直流电位问题肯定就在这,

仔细的挑起20-18脚,直接掰断或者悬空都成。再测量VMID,上电慢慢上升到1.6V,耳放电压也正常=1.6V,到这里直流状态完全正常,可耳放就是不开声。

继续折腾,对Analog Audio Path Control (Address: 0000100)单元修改,开启MIC单元和LINE的模拟通路,用镊子钳触碰LINE端子和MIC端子,欢乐的咔咔嗡嗡声在耳机里面清晰发声。说明整个模拟通道已经正确工作了。可为什么DAC就是没声音呢?

芯片

官方文档里面,Digital Audio Path Control (Address: 0000101)单元的D3位,功能叫DACM DAC soft mute 0 = Disabled 1 = Enabled。

因为音量控制寄存器里面,D6-D0 为音量数值,=0是MUTE。这里有MUTE了,那么101寄存器这里的soft mute 我就理解为软静音,也就是静音不是突然没声,而是慢慢的静音。这个功能应该是不错,当然要使能,所以D3单元没有修改,就用的缺省值1.它哪怕这里1=MUTE,那么我肯定不会这么理解了。

因为耳放就是不开声,没办法,说不定这个soft mute 是一个画蛇添足的独立软件静音位呢,关闭试试看马上修改该位=0,重启单片机...............................

哈...耳边传来甘雅丹的爱情海....................。

天蓝了,一片明亮。

甘雅丹那毫无杂质的声音,在ZST双动铁耳机表现出来,咋感觉有点甜呢?

接着当然就是一系列试听,插着耳机,插拔USB,耳机里面有非常轻微的1-2声咔嚓,完全听不见冲击。

关闭foobar输出。增益开到最大,耳机完全无声,反正我是听不出来,AMS1117-3.3的 0.003%输出噪音加上TLV320AIC23B的50dB 电源抑制比的威力就体现出来了。完全感觉不到电源就是由USB直接供电的。太干净了。

配器、声像、定位那是相当满意,人声有点毒,完全离场独立成像。

顺便吐槽一下这个网购的ZST耳机,音质什么的都非常对得起价格,可声场实在有点太小了,所有东西貌似都只在脑袋那么大的地方发声。

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