USB HiFi声卡USB-Z01设计

宝贝

  USB-Z01是本人自主研发的利用电脑USB接口输出声音信号的设备。USB-Z01以TI的USBDAC芯片PCM2707以及高性能的音频解码器PCM1738为核心实现了高保真的USB声卡设计。USB-Z01具有两种工作模式：低功耗模式以及高保真模式。在低功耗模式下，系统只需接USB线，无需外部供电即可完成USB声卡的全部功能。在此模式下，PCM2707接收USB总线上的数据并且利用内部的DAC直接转换为模拟音频信号，经过TPA152的功率放大之后，直接驱动耳机。而在高保真模式下，系统具有更好的音质、更低的失真、更低的频率延展性。在此模式下，PCM2707接受USB总线上传输的数据并且把声音信号转换为I2S输出给PCM1738。音频解码器PCM1738将I2S格式的信号转换为模拟信号，并且通过后级的极低失真的i/v变换电路、滤波器/功率放大电路实现了驱动耳机、小型音箱的功能。整个系统选用的都是高性能的器件，具有严苛的低噪声设计，在高品质超低纹波的电源的供应下，该USB声卡具有极低的总谐波失真、噪声水平。通过USB-Z01，用户无需购进专门的CD机，即可在PC上聆听到HiFi级的声音。
7 n+ a" J3 a. C
一、 引言
* Q3 }2 J- ~8 ?# @. t. f( h; w     1984年，英国的Adlib Audio公司迈出了PC多媒体化的第一步，他们推出了第一款魔奇声卡，这款声卡的出现让PC拥有了真正的发声能力，不再是PC喇叭滴滴答答的声音。不知不觉，声卡诞生已有二十八年。正因为它的出现，才让我们从电脑的无声世界，走向拥有越来越美妙音效的今天。如果说显卡给我们展现了电脑的绚丽多彩，那么声卡则赋予了电脑灵性。正是由于声卡的存在，电脑才从一台冷冰冰的机器升华为真正意义上的多媒体。时至今日，人们再次开始注重听觉方面的享受。所以现在的用户不仅可以选择的家用级的普通声卡，还可以选择中低端专业声卡和高档家用声卡，甚至不少传统HIFI论坛还涌现出大批大批的使用中高端电脑声卡替代传统碟机的发烧友。
     然而，不同的电脑声卡因为采用AC97的方案，比较突出的就是信噪比较低，其实这个问题并不是因为板载软声卡对音频处理有缺陷造成的，主要是因为主板制造厂商设计板载声卡时的布线不合理，以及用料做工等方面，过于节约成本造成的。
     而独立声卡拥有更多的滤波电容以及功放管，经过数次级的信号放大，降噪电路，使得输出音频的信号精度提升，所以在音质输出效果要好。集成声卡，因受到整个主板电路设计的影响，电路板上的电子元器件在工作时，容易形成相互干扰以及电噪声的增加，而且电路板也不可能集成更多的多级信号放大元件以及降噪电路，所以会影响音质信号的输出，最终导致输出音频的音质相对较差。
     USB-DAC是现有声卡的替代品，它有着自己独特的结构，独特的工作原理，在目前众多电子产品中占领了一席之地，其独立供电系统使其摆脱了主机电源限制，从而让音频信号更加完美的处理，使人们有更好的听觉享受。为众多音乐爱好者，电子爱好者提供了一个新的平台。然而USB声卡也不是没有缺点的，其严重的不足正是来自于USB总线本身。USB总线的速度较慢而且系统级别不高，目前的USB2.0基本解决了速度的问题，但是另一个重要问题就是USB总线的优先级远不如PCI总线，当系统比较繁忙的情况下，USB总线得不到足够的CPU时间，而这一点对于需要实时数据的USB-DAC而言，就导致了声音的断断续续，而不是良好的听觉体验。USB总线采用了共享模式，用户在使用USB接口的时候，会同时外接硬盘、光驱这种同样需要大量数据的设备，而导致USB声卡所享用的数据带宽不够，在跟这些设备同时使用的时候就会出现爆音现象，USB的这些限制也使得USB声卡未能大量应用。
     本着“不惜一切只为了高品质的声音”以及尝试“HiFi系统可以达到的高保真的极限”的想法，本人不惜成本，于2011年5月分左右设计并自主制作了数套HiFi级USB声卡，并将其命名为“USB-Z01”。本文即为此声卡的设计文档。
+ C% D) _" L1 Q& v- c. o- }二、 系统功能描述与方案设计
0 n( V. F4 @4 U1 系统功能概述
* d4 _8 Z' ?% h4 @9 l) ]! E
' ]; @9 u5 i0 Q* r; o- A3 T图 1 系统框架图
! U1 z: I7 X# v: P     如上图所示，系统具有两个输入接口，三个输出接口。
     两个输入接口分别为USB输入接口与SPDIF输入接口。USB接口接收PC传送过来的音频数据，送入后级的DAC中。USB同时接受USB-UART传送过来的给MCU的控制信号，实现对DAC数字衰减器的控制等功能。SPDIF输入接口可以允许用户将外部声源信号（如CD机的输出）接入本系统中，利用本系统的DAC、功率放大器驱动耳机，实现比普通CD机更好的音质效果。也就是说，本系统一共允许两种信号的输入方式：USB输入、SPDIF输入。
     三个输出接口分别为低功耗耳机输出、HiFi耳机输出、SPDIF输出。SPDIF输出将USB传送过来的信号变为I2S数字信号之后变为同轴信号。此时，USB-Z01即变为了USB转SPDIF模块。用户可以通过SPDIF接口的输出接入更高档的耳放中，享受更高品质的音质。低功耗耳机输出在没有外部电源接入的情况下也可以实现较高品质的USB声音解决方案。HiFi耳机输出是USB-Z01系统板的主要部分，系统80%以上的设计均为针对此输出。在外部供电的情况下，系统将USB接收到的数据通过USBDAC转换为I2S数字信号，并且由外部的高品质DAC完成数字到模拟信号的转换过程。
" d. v& b. ^% T2 系统方案设计

图 2 系统顶层硬件电路设计图
6 g' t, H4 T2 f! [0 R( j: L: p     系统采用TI公司的PCM2707来采集和处理USB来的信号，提供了USB转SPDIF同轴信号、I2S音频信号和WAVE波形输出三种音频模式的输出。用户可以通过跳线对PCM2707的输出方式进行配置。
     配置为SPDIF同轴信号输出时，信号将直接经由SPDIF输出接口将USB线传输过来的音频信号送出。
配置为WAVE波形输出时，信号通过较高品质的功率放大器实现低功耗模式下的耳机输出。此处功率放大器采用TI的HiFi级的AB类功率放大器TPA152。由此可知，即便是低功耗模式的耳机输出，也具有较好的音质。事实上也是如此。
     配置为I2S输出时，信号经过多路选择器，进入DAC。多路选择器使用通用的74系列的逻辑芯片74HC157。74HC157允许最低2V的供电电压，并且允许最快达百兆级的传输速率。
: w% O- |. ^8 ]9 L8 I     另外系统还允许SPDIF接口输入。通过SPDIF接口输入的时候，SPDIF信号经过SPDIF接口芯片送入多路选择器74HC157中。由74HC157的选择脚实现SPDIF输入与I2S输入的切换。SPDIF接口芯片选择TI公司的192KHz采样率的转换芯片DIR9001。通过DIR9001实现了将SPDIF信号转换为I2S信号的功能。
     DAC部分负责将前级送入的I2S格式的数字信号转换为模拟音频信号。DAC部分选择TI公司的24bit，192KHz，ADVANCED SEGMENT架构，具有DSD功能和PCM功能的数模转换器PCM1738。PCM1738采用软件控制，具有更高级的灵活性，同时允许用户通过软件对DSD的一些参数进行配置。
     由于DAC部分PCM1738为电流输出，因此系统需要I/V变换部分将电流变化为电压。I/V变换部分采用JFET输入，低噪声，极低Iib的高速放大器OPA2134。
     DAC输出的带宽有限，存在镜像杂波干扰。另外系统也可能引入的高频信号干扰也可能影响系统的保真程度，因此系统增加了差分二阶巴特沃斯低通滤波器，消除高频杂波的干扰。
$ _! x8 j+ w7 J/ v     DAC输出的信号，并不足以直接驱动耳机或者小型的音箱。因此需要一个功率放大器。功率放大部分采用TI公司的电流反馈型，低THD，最大输出250mA的放大器THS3092。
; q0 \) j9 J0 Y2 o, X3 E: Z     整个系统采用精心设计的电源供电，使用12～40V以内的直流、交流电供电均可，并且具有直流电防接反的功能。
三、 系统硬件设计
1 高质量电源设计
     系统供电分为模拟电路电源、数字电路电源两部分。其中模拟电路电源包括+5V、-5V两部分，数字电路电源分为+5V、+3.3V两部分。电源设计原理图整体图如下图所示。
% y' N( L6 G8 [9 e
图 3 系统电源设计
, b/ I$ }- j0 Z: j- e2 X1 W6 ?Ø 纹波
/ r( n) Q5 q$ Z+ q8 O2 L) {     纹波指的是在直流电压中存在的交流成分。对于直流电压，本来应该是一个确定的电压值，然而在很多时候我们所用的直流电压是通过交流电压整流、滤波后得来的，在这个过程中，由于滤波不完全，出来之后的电压就会有剩余有交流成分，而且就是用电池供电的情况下也会因负载的波动而产生波纹。事实上，即便是现阶段最好的基准电压源器件，它的输出电压也是有波纹的。纹波电压的存在会带来噪声，干扰了系统的工作。所以在设计电源的时候要有足够的滤波措施，从而将纹波限制在一定的幅度以内。
     纹波的成分比较复杂，其形态一般为频率高于工频的类似于正弦波的谐波，而另一种则是宽度很窄的脉冲波。在不同的场合，对纹波的要求也就各不一样。比如，对于电容器老练来说，无论是哪一种纹波，只要不是太大，一般对电容的老练质量不会构成影响。然而对程控机电源以及音响设备中所使用的电源，对于第二种，宽度很窄的脉冲不足以推动喇叭的纸盆或话机的听筒从而形成杂音，这种情况就对于这种窄脉冲的要求可以放宽。对于一般形态而言，假若音频范围内存在了类似正弦波的纹波信号，即便其幅度不是太高，但能量却使喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音。对这种形态的纹波应就有一定的要求。另外，对于用于一些控制的场合，由于窄脉冲达到一定的高度时会干扰数字或逻辑控制部件，这样就使得设备运行的可靠性降低了，因此对这种窄脉冲的幅度应有一定的限制，而对类似正弦波的纹波，一般由于其幅度较低，对控制部件的干扰不大。特种电源纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示，可以用绝对量，也可以用相对对量来表示。举个简单的例子，一个电源工作在稳压状态，其输出为100V5A，测得纹波的有效值为10mV，这10mV就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/100V=0.01%，即等于万分之一。
! P& t& G( M  }) K6 s$ b' xØ 模拟电路电源设计
     模拟电路供电采用整流桥+电容倍增器+线性稳压器+低纹波反馈电路的结构。
     其架构如下图所示。

图 4 模拟电路电源设计
Ø 整流电路
     其中整流桥电路如下图所示。
, M; d8 [4 S) j8 p4 Y
图 5 整流桥电路
, }8 Y% Y0 Y  z* v+ F  s0 v     整流桥电路不仅可以完成把交流电变成直流电的功能，而且可以防止电源接头接反。电源电压经过整流桥之后会有1V多的压降，但是此举确保了系统可以交流、直流通用，而且具有防止接反的功能，对于一个高档的电路的设计而言，是值得采用的。
: w" z$ T5 g, k( V; b- v/ _Ø 滤波电路
+ f% c' t5 N' @; J     经过整流桥整流后的到的直流电是具有很大波幅振动的直流电，纹波的存在将会很大程度的影响到后续设计正常稳定的工作。为获得更加好的电源质量，确保后级的线性稳压器工作正常，滤波起到了至关重要的作用。通过滤波电路，尽可能的消除纹波的存在，从而保证电路的稳定性。
* R0 n5 t5 _: W$ R$ {& c/ |     滤波电路的电容容值也是需要经过计算的。计算方法则是根据后级电源的电流大小以及输出电压允许的最小值，根据
; h9 p9 b- `* d
     以及
- N4 u# C4 Q8 j0 X' B8 xE=U Q
     计算得知。
3 {, [: ]. v- \5 R  G. DØ 电容倍增器
    电容倍增器是一个通过BJT或达林顿管将小容量的电容变为“等效”的大容量电容的一种方法。

: ^9 _5 `& R2 @! Z% i图6 电容倍增器基本电路结构
    在本设计中，使用晶体管TIP122和TIP127搭建了电容倍增器。对于 值为1000的TIP122而言，若C1=2200uF，那么电容倍增器电路使得电容相当于2法拉的电容的效果。实际在版测试Q集电极处纹波2V左右，Q发射极纹波4.373mV，电源电压抑制比20log(2/4.373*1000) = 53.205dB。

图 7 电容倍增器实际电路
, [2 B  ^* g  u; _Ø 线性稳压器
    线性稳压器选择NS的LM317与LM337。LM317/LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。
    LM117/LM317 的输出电压范围是 1.2V 至 37V，负载电流最大为 1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317/LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。图8 是LM317的基本应用，通过R1和可调电阻R2，从而得到稳压输出，对应公式
0 B9 ~2 N9 d/ A2 Z
    图9 是LM337的基本连接应用，
! ^0 k/ Q; V3 @# b8 _

2 T6 t# V" P9 k( u+ E
图 8 LM317基本应用
  S; V6 ^/ W6 G! F# I( N
图 9 LM337基本电路
/ ]- b$ A8 a# r( r2 y# I$ {Ø 低纹波反馈电路
  V! \+ [/ D: f9 S0 {: H: E7 I    为了进一步降低电源的纹波，系统采用NE5532搭建了一个负反馈电路。
/ s6 Z  ~% d! g7 Q" ?# G
5 u- V8 ?5 M% s. r& Q图 10 低纹波负反馈电路
    从OUT端出来的电路可能含有极小的纹波。电路中存在的纹波，经过C47、C48耦合到NE5532的输入端，通过NE5532进行放大之后，经过R30接到LM317或者LM337的Adj引脚，起到进一步减小系统纹波的作用。该电路很难调试，因为只要C47、C48的值选择不当（一般为容值过低），就会引入新的极点，引起系统的正反馈，导致最终电源输出是标准的“正弦波”。具体的C47、C48的值还需要在实际电路中调试获得。容值过大，系统容易自己震荡；容值过高，该反馈电路的作用就不明显。但只要调试成功，系统电源的纹波会有更大的下降。如此获得低纹波的+5V和-5V稳压直流点，纹波低于uV级，其电源抑制比大于130dB，如果不考虑温漂等其他指标，如此低的纹波即便作为六位半万用表的参考源都可以。
- ?9 y' f# O' \* y& LØ 数字电路电源设计
, }3 O4 T+ `8 b' f! E. w. k    +5V数字电路电源直接从USB总线取电。

图 11 数字电路电源
6 G; d7 \/ F  J* `& Z4 g    USB总线上的电源具有最大500mA的电流，同时具有较大的纹波。与此同时，USB的即插即用的特性决定了数字电路电源供应可能存在潜在的脉冲冲击。因此需要在数字电路电源上并联较大的退耦电容，以避免以上现象。
; I( h* Q: I  j$ T. s+ Z# s1 s+3.3V数字电路电源从5V数字电路电源中取电，并通过LDO芯片TPS77533变为3.3V。TPS77533是最低压差可达0.2V、具有0.5A输出能力、3.3V输出的电源管理芯片，具有良好的快速响应能力，所以适合作为数字电路电源。电路图如下图所示。
$ d( }9 i2 R/ ^" v2 Y
2 t& l3 q- H0 ]& {, B$ w0 z! k图 12 3.3V数字电路电源
- U* A2 e! s: s1 c2 数字电路设计
    在此数字电路泛指采用数字电源供电的部分的电路。数字电路包括USBDAC、SPDIF输入接口、数字信号多路选择器、高性能DAC的数字部分一共四部分组成。其中信号流为：
' {: |7 c% [) j2 V* r/ c    USBDAC->数字信号多路选择器->高性能DAC
- w8 O; h* a/ g8 ?9 q2 R    SPDIF输入接口->数字信号多路选择器->高性能DAC
具体参考图 1。.
Ø USBDAC设计
    USBDAC采用TI公司的PCM2707。PCM2707提供了USB转SPDIF同轴信号、I2S音频信号和WAVE波形输出三种音频模式的输出，提供了全速USB接口并且兼容USB1.1的协议，支持32KHz、44.1KHz、48KHz三种采样率，自带16bit的Delta-Sigma的立体声DAC，并且具有过采样数字滤波器。PCM2707的引脚接口图如图 13所示。
3 e9 ?3 P4 u2 q. |5 o
4 r9 j( k- T4 [2 u) m" w图 13 PCM2707引脚接口图
    USB-Z01充分的发挥了PCM2707的所有特性，支持USB输入，支持PCM2707所支持的所有的三种格式的输出。通过此举提高了系统的性价比与竞争力。对PCM2707进行配置的引脚如图 14所示。uMute、uVolume+、uVolume-、uFSEL、uSSPND、AudioSourceSelHdr引脚分别负责USBDAC输出的信号的静音、音量增加、音量减小、选择I2S输出/内置DAC输出、系统数据输出指示灯、选择后级耳放电路接受USBDAC的I2S信号/SPDIF输入接口输入的SPDIF信号。

5 `# s7 i8 {, a. K图 14 PCM2707配置引脚
    该部分的设计电路图如图 15所示。当用户需要使用低功耗模式时，通过MCU修改uFSEL的电平的高低即可完成配置为低功耗模式/配置为HiFi模式的功能。当用户需要外部的SPDIF信号的输出时，只需要将系统配置为低功耗输出即可。

) s- f% }; `" r. t5 E图 15 PCM2707电路图
8 G8 q: `$ R0 {9 v' D7 X- s" `. Y    在上述电路中，晶振Y1被并联了一个1M欧姆的电阻。在晶振上并联电阻是一个在电子设备，尤其是USB设备中通用的一种做法，并联一个1M～10M的电阻，有利于晶振的起振。
虽然USB总线上的电源质量不高，但是由于USBDAC主要用来输出数字信号，所以直接选择从总线上取电，将PSEL引脚拉高。
    在低功耗模式下，音频数据直接通过USBDAC内置的DAC转换为模拟信号之后输出。为了保证在低功耗模式下，USB-Z01也能正常工作，特增加了TI公司的HiFi级的AB类功率耳机放大器TPA152。TPA152具有75mW的输出驱动能力，并且内置了中间轨的生成电路，具有过热与过流保护。非常适合直接从USB总线上取电的应用。耳机放大器的具体电路参见图 16。

图 16 低功耗高性能耳机功率放大器
    由于驱动耳机的电压只需要0.7V即可，而USBDAC输出的电压最大值也为这个值，因此只需要做增益为1的电压放大即可。
Ø SPDIF输入接口设计
    SPDIF是SONY、PHILIPS数字音频接口的简称。就传输方式而言，SPDIF分为输出（SPDIF OUT）和输入（SPDIF IN）两种。就传输载体而言，SPDIF又分为同轴和光纤两种，其实他们可传输的信号是相同的，只不过是载体不同，接口和连线外观也有差异。但光信号传输是今后流行的趋势，其主要优势在于无需考虑接口电平及阻抗问题，接口灵活且抗干扰能力更强。通过SPDIF接口传输数码声音信号已经成为了新一代PCI声卡普遍拥有的特点。
- \5 m" ~+ Y6 i* R4 `9 n# T    那么它存在的意义又是什么呢？我们都知道CD唱片上的声音信息是用数字“0”和“1”来表示的。以往CD-ROM在播放唱片的时候，数字格式的音乐首先要经过光驱内部的D/A处理。在转换成模拟信号后，经过我们时常使用的那种四针的模拟信号连线传输到声卡上，然后再进行一系列处理。问题的关键在于，不同的CD-ROM所采用的D/A芯片质量参差不齐，经过劣质D/A转换后输出的模拟信号存在很大失真。所以也就造成了不同型号的光驱在播放唱片时的效果有所差异，在CD解码质量上口碑比较好的当属SONY和CREATIVE的产品，一些杂牌光驱则惨不忍听。为了避免这种问题的发生，目前大多数光驱都在模拟信号输出插针的旁边加上了数字信号输出（Audio Digital）。通过这个两针的接口，唱片声音信号就可直接以数码方式传输到声卡上，将D/A转换交给音频处理芯片来完成。而前提则必须是声卡芯片可以完成相关的转换工作并支持SPDIF IN，能够接收数字信号。CD播放的信噪比就将随之大幅度提升。
% z2 O, K4 L" F% [9 D/ `+ c- i" Q    SPDIF输入接口电路包括接口保护电路与接口转换电路两部分。接口保护电路负责接收SPDIF信号并且将SPDIF信号整形，同时起到防止SPDIF线缆上的静电损坏转换电路的作用。接口保护电路的原理如所示。

* I' \& Z* F9 L4 S图 17 SPDIF接口保护电路
    SPDIF接口保护电路采用74系列的非门组成。SPDIF信号进入系统之后经过75欧姆阻抗匹配电路，首先通过一个高通滤波器（-3dB值为15Hz）进入74HC04中，做两次整形（因为做一次整形，逻辑电平刚好相反）之后送入接口转换电路。高通滤波器的存在同时避免了线缆上存在的高电压的共模信号对系统可能造成的损害。
接口转换电路选择TI公司的支持96KHz、24Bit的数字音频接口转换器DIR9001。DIR9001支持协议为IEC60958-3、JEITA CPR-1205、AES3、EBUtech3250协议的数字音频信号，同时支持24Bit的I2S、MSB-First、24Bit Left-Justfied、MSB-First16、24Bit Right-Justfied等格式的信号输出。

图 18 SPDIF接口转换电路
接口转换电路具体如图 18所示。SPDIF接口提供一个RST引脚，用户给音频解码器提供复位信号。

宝贝

Ø 数字信号多路选择器设计
    由于I2S一共包含四根线缆：BCK、DATA、LRCK、MCK，而74系列的多路选择器74HC157刚好是四路的二选一的多路选择器，而且只需要一个引脚即可控制所有四路信号。非常适合本系统。多路选择器完成了后级耳机放大器接受USB信号/SPDIF输入接口输入的信号的选择的功能。具体设计如图 19所示。
/ l( X3 y: R' F( t2 l; S9 b
# W$ l4 x, L6 j/ u/ \3 N- Y8 V图 19 数字信号多路选择器设计
Ø 高性能DAC设计
    高性能DAC包括数字电路与模拟电路两个部分。在此仅仅介绍数字部分。
' E1 c* b5 z, W0 R; s  a/ k% Q    高性能DAC选择TI公司的PCM1738。PCM1738是TI公司的24Bit、192KHz采样率、采用Advanced Segment技术的立体声数模转换器。具有高达117dB的动态范围，以及高达117dB的信噪比，低至0.0004%的总谐波失真，最高达 的电流输出，提供了10kHz～200kHz采样率的音频信号的支持，支持16Bit、20Bit、24Bit的音频信号，并且支持标准、I2S、Left-Justified、格式的信号，内置的八倍的数字过采样滤波器提供了最大达-82dB的衰减，在通频带内的抖动小于 ，其数字衰减、数字滤波器滚降模式、静音、自动无音量检测、无音量检测信号等都可以通过软件去控制或者访问。
; R3 h1 o, N6 ?6 E. s0 o& g8 z    PCM1738常常见于高级的CD机或者高级的解码器中。

图 20 PCM1738电路设计
: s6 O3 B! i' }" k# b    PCM1738的电路设计图如图 20所示。所有的配置功能通过MCU中的程序实现。具体配置参见本文“嵌入式软件设计”部分。
3 模拟电路设计
& |+ {; h' \! ?    在此模拟电路泛指采用模拟电源供电的部分的电路。
    模拟电路包括高性能DAC、I/V变换电路、低通滤波电路、功率放大电路等部分组成。
+ x9 f' [/ o1 E1 L% I9 b1 q    PCM1738采用电流输出，因此需要在后级添加I/V变换电路。
Ø I/V变换电路
    I/V变换电路是将DAC的输出信号由电流变为电压的电路。
    对于I/V变换电路运放的要求是运放带宽尽量大，输入噪声水平（包括输入电压、电流）尽可能低，输入阻抗尽可能大，输入失调电流尽可能的小，并且必须是单位增益稳定的。这里最理想的是用超低噪声的FET输入运放。USB-Z01选用FET输入级的超低噪声放大器OPA2134。电路图如图 21 I/V变换电路所示。由于OPA2134的输入阻抗为T殴级，因此直接采用反相端输入，这样避免了直接在电流输出端与电流输出公共端直接并联电阻产生的过大的电流导致的I/V变换线性度失真的问题，同时又不会因为运放的漏电流导致声音失真的问题。
    由于DAC输出一共有两路，每路都分为I+与I-两部分，所以共需要4个运放做I/V变换。
0 x8 r9 n* b" F% I- {2 c9 f0 r
6 `1 m. b& |( }) A7 G图 21 I/V变换电路
5 a( F* U: K( d2 n$ FØ 低通滤波电路
; E7 b, }4 E0 j- v! h2 R+ d& S! S    低通滤波电路采用差分式的二阶巴特沃斯低通滤波器。此滤波器的截止频率设计指标是120KHz。
但是作为最常用的USB数据输入模式而言，USBDAC输出的信号的采样率最高仅48KHz，因此做截止频率为22KHz的低通滤波器可能会更好。选择22KHz一方面是因为22KHz频率在人耳的听觉范围之外，22KHz截止频率的低通滤波器也有效的滤除了DAC产生的信号的镜像频率噪声。而且为了配合这个HiFi级的USB-Z01的诞生而购买的拜亚动力的耳机DT235的频响上限也是22KHz。
/ }; k7 K! z' y9 G- s# H& Y; D    设计的120KHz的截止频率是针对SPDIF输入模式的。120KHz的频率虽然超出了人耳可以分辨的范围（20Hz～20KHz），但是人体仍然对超出20KHz的声音有感觉，而且这种感觉对于听觉体验也有很重要的作用。120KHz的滤波器也有效的滤除了192KHz采样率下的镜像频率噪声。
    如果做一个程控滤波器效果可能会更好，但是120KHz的滤波器也已经足够。

9 ~" j! N, v! G" |' ~7 p图 22 二阶巴特沃斯低通滤波器
    滤波器的设计如图 22所示。
Ø 功率放大电路
5 ?+ L" P+ q7 V9 _$ M2 W$ i    功率放大电路包括前置放大器与功率放大器两部分。
    前置放大器主要负责电压放大。电压放大采用可更换的双列直插式插座，方便更换运放更换USB-Z01的音色。

+ ]' z6 p' a' o6 a图 23 前置放大器电路设计
    前置放大器要求放大器具有较低的失调电压、较低的总谐波失真等指标，主要完成电压放大的功能。如果I/V变换设计合理，将最大电压设定为0.7V左右，那么只用耳机时可以不需要这一级。但是考虑到输出接口可能还会用来驱动音箱，高阻抗耳机等设备（有些耳机的阻抗可能高达600欧姆，远超过普通耳机的50欧姆），0.7V的电压驱动能力不足。而且前置放大器可以采用双列直插插座，方便更换。这里有个疑问，在I/V变换级采用双列直插插座为什么不可以呢？
    因为I/V变换部分对电流敏感，而经常插拔部分的阻抗可能会发生改变，影响电流的正常变换。而前置放大器仅仅只是电压放大，因为电流非常小，所以阻抗的改变对电压的改变也非常小，所以前置放大器还是有必要的。
    功率放大器采用单片THS3092的解决方案。THS3092是TI公司的一款低失真（66dBc at 10MHz）、低噪声（2nV/sqrtHz）、极高压摆率（5700V/us）、宽带（160MHz）、大电流输出（250mA）、高电压（正负5V～正负15V）的电流反馈型放大器。
  }" v2 X/ w: v, U( K& z    THS3092常常用于xDSL驱动器中，但是THS3092内部的设计结构原理（参见图 24）与普通耳机放大器的对管搭建的AB类放大器的结构原理完全一致，而且具有极好的性能与指标（250mA输出、极低的噪声与失真、极宽的带宽），我们完全没有任何理由反对采用xDSL Driver做音频段的功率放大器。不过由于电流反馈放大器设计不当容易烧毁，且极高带宽的放大器不容易做稳定，因此可能不容易调试，但是只要布线合理，再加上积累的调试技巧，使用电流反馈型放大器做音频范围内的功率放大器完全没有任何问题。在实际测试中也发现，使用电流反馈型放大器做的功率放大器，高频清澈而通透，低频雄浑有力而又不浑浊，完全符合心中所想的对功率放大器的要求。
    THS3092作为功率放大器，外部电路简单，电路设计图如图 25所示。图中并联的2pF的电容在反馈电阻上搭建了一个简单的高通滤波器，有效的避免了自激震荡的出现。
9 C6 w( X6 ]( L1 }( ~5 o
$ V5 o* F. p  f/ o% t8 [图 24 电流反馈放大器内部工作原理
$ S& c* g6 f- I  m/ B) y
图 25 功率放大器电路设计
% p: c$ H3 n2 j2 m7 Y0 @- `' `! t/ O( ]4 可扩展性设计
    系统采用了两个输入端口（USB输入，SPDIF接口输入），三个输出端口（低功耗耳机输出接口、HiFi耳机输出接口、SPDIF接口输出接口）。并且通过配置，可以将自动输出的SPDIF信号接入到系统的SPDIF输入接口中，同样也可以在HiFi耳机输出接口获得HiFi级的声音。
    另外系统还充分的利用了每个器件的功能，暂时无用的功能都采用引脚连接出来，方便以后扩展使用。如PCM2707中uMute、uVolume+等接口。
    USB-Z01采用了软件控制的高性能DAC芯片PCM1738，可以方便的进行固件升级，并且允许用户通过编写的上位机软件完成对USB-Z01的控制功能。
# A% f' m2 v5 W8 Z7 g, T2 c4 N    系统的电源允许直流、交流输入，而且具有防止接反的功能，可以在各种电源环境中使用。
    USB-Z01对可能需要自行更换器件的部分采用了双列直插插座，可以方便的通过更换器件获得不同的声音的音色。
3 a; ^8 Q* {% B; D: Y5 z" x四、 系统软件设计
& s' Y+ c- q$ p5 T- j$ ~) n, e1 嵌入式软件设计
' I4 G9 x* ~4 X, ?$ g    USB-Z01的很多配置都是通过MCU执行。可以配置的内容包括：低功耗模式下静音、音量加、音量减、USBDAC工作模式；HiFi模式下静音、左右声道的音量、静音检测、数字滤波器滚降模式控制、数字滤波器负载控制、输入数字信号格式、采样率选择、输出相位反转控制、DAC工作状态控制、系统时钟控制、系统复位控制、数字滤波器偏置控制。另外MCU还可以控制USB-Z01的输入接口、输出接口。
) @4 \2 J2 U$ ]+ R3 o9 Y! Z
* D( ]+ [1 L3 ?5 N$ n4 P2 [图 26 软件工作流程图
    MCU选用SST公司的51内核的单片机SST89E516。SST89E516采用5V供电，直接从USB总线取电。采用Keil开发。软件运行流程图参见图 26 软件工作流程图。
2 上位机软件设计
    上位机软件负责与MCU进行通信，通过给MCU发送控制指令，让MCU控制USB-Z01的工作，从而实现“中央控制端”的作用。上位机软件采用MFC开发，其UI界面如图 27所示。
' M, F0 _) L. e7 _% @( B
图 27 上位机控制软件UI图
3 N6 x1 _- W  v$ C7 f' \. X0 W* f    通信的指令目前一共分为六种：获取左声道音量、获取右声道音量、获取输出模式、设置左声道音量、设置右声道音量、设置输出方式。每次设置左声道或者右声道音量时，系统都会执行一次读取所有配置参数的指令，更新界面上的数据状态。
    上位机的软件以及MCU中的软件下载，请参见附件。
) ~8 |/ [/ _0 h1 |五、 系统整体效果
: @7 y4 s  B- ~- a* E% y    原本设计采用的前级放大器是OPA2111。但是经过更换之后发现AD817的听感更好，因此改选用AD817作为前级放大器。PC上采用Adobe Audition3.0生成0.1Hz～30KHz的正弦波（步进值：10倍），在输出端用示波器测量，结果正弦波的失真度都小于0.2%（FFT计算得知）。当输入端没有信号时，输出端的噪声电压极低（低于泰克示波器TDS1002B的最低测出范围）。因此声卡的音质达到了预期的水平。
6 Q* }/ T+ `9 u& O, L  C
图 28 系统整体图

图 29 USBDAC芯片PCM2707及USB接口

8 X- i4 f5 A- x2 L# d, v4 w图 30 电源部分
; B7 y+ D! P( x4 M# H7 `
图 31 高性能DAC——PCM1738
: B/ y/ m5 m* L- Y/ L
图 32 前级放大器AD817
8 V" t4 Y& f0 y* p- H2 C, S6 ]. a六、 结束语
    USB-Z01是自己纯DIY的一套自认为是HiFi级的声卡设备。从电路设计验证、PCB设计制作、元器件选型采购焊接、整机调试、书写文档，前后花掉大约2个月的时间，挤占了本来应该做本科毕业设计的大约三分之一的时间。在这两个月的时间里，几乎每天除了吃饭，全部精力都投入到USB-Z01的设计中。
    感谢HZKJ大学DGDZ创新中心老师以及同学们的支持，以及TI公司的样片支持。没有你们的支持，我的USB-Z01的诞生或许会历经更多的坎坷。
    即便在制作的过程中遇见了各种各样的形形色色的坎坷，但是我依然会坚持在追求HiFi的道路上走下去。追求HiFi，其实不在于对声卡、对耳机这些所谓的“设备”的型号的要求，真正的HiFi其实是一种精神，一种对完美孜孜不倦的追求。

轩子

欣赏!!!!!