Преобразователь частоты дискретизации
Когда произошла цифровая революция, сначала в виде эффект-процессоров, а затем в виде магнитной ленты для цифровой записи и записи на жёсткий диск, то входы и выходы всё ещё оставались аналоговыми. В основном это было связано с тем, что большая часть используемого оборудования оставалась аналоговой, однако же и потому, что аналоговые соединения удобнее. При использовании аналогового оборудования вас беспокоят лишь две вещи: полное сопротивление и уровень. Обычно уровни можно контролировать, поэтому до тех пор, пока выходное полное сопротивление было относительно низким, а входное полное сопротивление было относительно высоким, можно было соединить практически любые два вида оборудования. Ещё больше облегчало жизнь то, что использовались только два типа соединения (симметричное и несимметричное), и их тоже можно было соединить между собой, хотя такое соединение, конечно же, нельзя назвать оптимальным. В области цифровой техники существует большее количество вариантов соединения, которые зачастую несовместимы.
В цифровом оборудовании для передачи данных с одного чипа на другой обычно используются три сигнала: цифровой поток, составляющий канал данных, тактовый сигнал разделения каналов, тактовый сигнал загрузки битов. Обычный формат передачи данных показан на рисунке 1. В этом примере двоичные разряды сигнала посылаются по порядку загрузки MSB (старший разряд загружается первым). Если кадр данных состоит из 16 бит, то первым посылается бит 15, а бит 0 — последним. Тактовый сигнал загрузки битов определяет, когда бит информации достоверен и может быть считан. Считывание бита происходит в тот момент, когда синхронизирующий импульс битов переходит с высокого уровня на низкий. Тактовый сигнал разделения каналов обозначает то какая часть сигнала передаётся (левая или правая). Тактовый сигнал разделения каналов изменяет состояние в начале каждого кадра, высокий уровень используется для левого канала, а низкий — для правого. Обратите внимание на то, что существует пространство для 32 бит, а загрузка старшего бита выровнена относительно тактового разделения каналов. Пространство между младшим значащим битом и старшим значащим битом заполнено нулями.
Рисунок 1
Три сигнала плюс земля означают, что для для передачи двухканального сигнала необходимы четыре кабеля (или связи). Это прекрасный вариант внутренней связи, но не так удобно для передачи данных между компонентами. В целях стандартизации соединений между цифровым оборудованием, и для того чтобы использовались лишь два кабеля были введены форматы AES/EBU и s/pdif. Эти форматы позволяют передавать цифровые аудиоданные одним потоком. Цифровые передающие и принимающие устройства должны преобразовывать используемые сигналы согласно протоколам AES/EBU или s/pdif.
Передача цифровых данных между двумя компонентами может быть синхронной или асинхронной. При синхронной передаче как передающая, так и принимающая сторона используют работают с использованием идентичных циклических промежутков времени. Такую связь можно осуществить в том случае, если обе стороны используют один главный генератор тактовых импульсов, или если принимающая сторона использует тактовый сигнал, восстанавливаемый из переданных данных. Например, последний способ обычно используется для цифровой передаче между двумя устройствами для цифровых аудио кассет стандарта DAT. Передающее устройство запускает внутренний генератор тактовых импульсов и посылает сигнал s/pdif, в то время как записывающая сторона запускает восстановленные тактовые импульсы битов и тактовый сигнал разделения импульсов по каналам.
Работа оборудования в синхронном режиме возможна не всегда. Например, такой вариант не представляется возможным, если мы хотим изменить частоту дискретизации записи, или когда две единицы оборудования используют собственные генераторы тактовых импульсов. В этот момент в работу должны быть включены преобразователи частоты дискретизации. Очевидно, что они необходимы для изменения частоты дискретизации, скажем, когда нам необходимо преобразовать частоту квантования записи с 48 кГц на 44, 1 кГц. Кроме того, преобразователи частоты дискретизации нужны в том случае, когда две единицы оборудования работают на одной скорости дискретизации, но используют различные генераторы тактовой частоты. Это связано с тем, что даже кварцевые генераторы несовершенны и разные генераторы не всегда выдают абсолютно одинаковую частоту. Небольшая разница частоты приведёт к потере нескольких кадров. Такой тип искажения проявится в виде неприятных для слуха щелчков.
Преобразователь частоты дискретизации, описанный в этой статье, получает на вход сигнал s/pdif (или AES/EBU) с частотой от 25 до 50 кГц, и даёт на выходе сигнал s/pdif с частотой дискретизации 44, 1 кГц. (Выходная частота может быть изменена посредством замены выходного генератора). В преобразователи применяются три главных микросхемы: приёмник, преобразователь частоты и передатчик. Все остальные компоненты стандартные и доступны в большинстве магазинов радиодеталей (см. список компонентов). Передатчик и приёмник цифровых данных — стандартные микросхемы CS8402 и CS8412, производства компании Crystal Semiconductor. Это многоцелевые микросхемы и для лёгкости монтажа поставляются вместе с гнездом. Собственно преобразователь это микросхема AD1890 производства компании Analog Devices. Этот чип завоевал широкую популярность и используется во многих доступных на рынке преобразователях частоты дискретизации. Преобразователь обладает высоким качеством, и для проведения преобразования частоты дискретизации в дополнение к нему требуется только внешний генератор.
В следующем разделе описана аппаратная часть и соединения для работы по протоколу s/pdif. Изменения, необходимые для работы по протоколу AES/EBU будут представлены в последнюю очередь.
Описание аппаратной части
В этом разделе не содержится детального описания работы схемы, а лишь дано объяснение аппаратной части и краткое описание функции каждого используемого вывода. Если вам нужна дополнительная информация об используемых микросхемах, то их полное описание содержится в проспекте компании Crystal Semiconductor. Страницы посвящённые чипам CS8412 и CS8402 доступны в сети по адресу http://www.crystal.com/pub/da.htm#. Полный справочный лист технических данных на микросхему AD1890 опубликован компанией Analog Devices и доступен в сети по адресу http://www.analog.com.
Если вы посмотрите на рисунок 2, то вы увидите, что схема очень проста. Микросхем AD1890 посылает новые данные на CS8402 для передачи выходного s/pdif-сигнала.
Рисунок 2
CS8412 принимает входной сигнал s/pdif на выводах 9 и 10, и даёт выходы синхронизации битов, синхронизации разброса по каналам и собственно данные на выводах 12, 11, и 26 соответственно. Этот чип способен давать на выходе данные и тактовые импульсы в различных форматах. Используемый выходной формат указывается на выводах 17, 18, 23 и 24, и представляет собой то же самое, что было изображено на рисунке 1. Вывод 28 является флагом нарушения корректности и подаёт сигнал в том случае, если полученные данные не подлежат конвертированию в аналоговый сигнал. Вывод 20 используется для восстановления тактовой синхронизации.
Большая часть соединений с AD1890 это управляющие сигналы, необходимые для считывания и записи данных в желаемом формате. Выводы 10, 11, и 12 контролируют способ чтения данных, а выводы 17, 18 и 19 управляют способом вывода данных. Данные, тактовые сигнал и тактовый сигнал разделения каналов подаются на выводы 3, 4 и 6 соответственно. Тактовый импульс 16 МГц подаётся на вход AD1890 на вывод 2 для проведения внутренних операций по преобразованию частоты дискретизации. Затем чип передаёт новые данные на CS8402 в том же формате, в котором было произведено чтение данных на CS8412.
Выводы 21, 22 и 23 на микросхеме CS8402 определяют выходной формат, считанный микросхемой. Наряду с аудио данными и тактовыми сигналами в стандартах AES/EBU и s/pdif передаётся дополнительная информация. Некоторая часть этой информации одинакова для обоих стандартов, а некоторая часть отличается. Например, такие данные как частота дискретизации или параметры предыскажения могут быть пересланы в обоих форматах, но время дня или код адреса можно передать только по протоколу AES/EBU. Прочие данные, такие как код защиты от несанкционированного копирования пересылаются в формате s/pdif. Микросхема может передавать данные как в формате AES/EBU так и в формате s/pdif, и полностью контролирует дополнительные данные, если подключена к внешнему микропроцессору. Некоторые из контрольных выводов микросхемы передают часть дополнительной информации и при отсутствии микроконтроллера. Самая важная дополнительная информация — частота дискретизации, используемый формат (AES/EBU или s/pdif) и наличие/отсутствие защиты от несанкционированного копирования. Соединение согласно формату s/pdif описано в настоящем разделе и представлено на рисунке 2. Изменения, необходимые для профессионального режима описаны в следующем разделе.
Сигнал на выводе 2 требуется для работы в непрофессиональном режиме. Выводы 3 и 24 определяют информацию о частоте дискретизации. При низком уровне на обоих выводах частота дискретизации составляет 44, 1 кГц, а если на выводе 3 высокий уровень, а на выводе 24 низкий, то частота дискретизации составляет 48 кГц. Высокий уровень на выводе 4 назначает защиту от несанкционированного копирования, а низкий уровень даёт разрешение на копирование. Вывод 5 — вход тактовых импульсов, частота которого должна быть в 128 раз выше выходной частоты. Это означает 5, 6448 МГц для того, чтобы получить на выходе 44, 1 кГц, и 6, 144 МГц для выходной частоты 48 кГц.
Профессиональный режим
На диаграмме 2 показано распределение входных/выходных сигналов для непрофессионального формата s/pdif. Схему можно легко преобразовать для работы в формате AES/EBU. Входы и выходы, соединенные с принимающим и передающим чипами, должны быть изменены так, как показано на рисунке 3. Изменения на выводах CS8412 или AD1890 не требуются. На CS8402 необходимо провести следующие изменения: на выводе 2 микросхемы CS8402 низкий уровень вместо высокого. Вывод 3 теперь определяет, передаётся ли аудио данные или дополнительная информация, и для обычной работы с аудио данными требуется высокий уровень. Выводы 1 и 4 определяют информацию о частоте дискретизации. Если на обоих выводах высокий уровень, то это дает указание на то, что нет конкретного указания на тип данных. На вывод 1 низкий уровень, а на выводе 4 —высокий, если частота составляет 48 кГц, и на вывод 1 высокий уровень, а на выводе 4 — низкий, если частоты составляет 44, 1 кГц. Выводы 13 и 14 указывают на использование предварительной коррекции. Если на обоих выводах высокий уровень, то предварительная коррекция не будет использоваться. В этом случае по умолчанию принимающее устройство не будет осуществлять предварительную коррекцию, хотя в дальнейшем можно включить эту функцию вручную.
Рисунок 3
Заключение
Теперь, когда описание схемы завершено, давайте приступим к его сборке. Если вы уже работали с микросхемами, то вы уже об этом знаете, но поскольку используемые микросхемы достаточно дороги, предупреждение будет целесообразным. Используемые в схеме чипы чувствительны к статическому электричеству. Это означает, что статическое электричество может привести к их выходу из строя, и потому с ними необходимо обращаться очень аккуратно. При обращении с микросхемами необходимо использовать антистатические манжеты, которые можно купить в большинстве магазинов электроники. Хорошая новость заключается в том, что при использовании гнёзд для микросхем, можно сначала собрать всю схему, и только затем монтировать компоненты, чувствительные к статическому электричеству.
При сборке схемы, все соединения должны быть насколько это возможно более короткими. Особенно это касается тактовых генераторов микросхем AD1890 и CS8402, которые должны быть установлены как можно ближе к микросхемам. Одним из упрощений может быть замена блока питания 5 В на блок питания, показанный на рисунке 2. Это упростит схему и не повысит её стоимости. Единственное требование заключается в том, чтобы на выходе обеспечивался ток по меньшей мере 300 мА.
Генератор для CS8402A может иметь одно или два значения частоты, в зависимости от частоты дискретизации, которую вам необходимо получить на выходе.
a. Для выходной частоты 48 кГц : 6, 144 МГц b. Для выходной частоты 44, 1 кГц : 5, 6448 МГц
Генератор 6.144 МГц может быть заказан у любого поставщика кварцевых генераторов, таких как Digi-Key (каталожный номер SE1226-ND). Частота 5, 6448 МГц не является стандартной, и необходимый генератор может быть приобретен по специальному заказу. Такой генератор можно заказать у компании JAN Crystals in Ft. Myers, Florida, каталожный номер JANXO-BACN5.6448. Цена такого генератора составляет $13 плюс расходы по доставке. Генератор 16 МГц для AD1890 можно также заказать у компании Digi-Key, каталожный номер SE1211-ND.
Список компонентов для преобразователя частоты дискретизации
Если не указано иначе, то каталожные номера относятся к элементам компании Radio Shack
1) Одна печатная (или макетная) плата (276-147, обрезать до размера примерно 11 х 9, 5 см);
2) Четыре подставки для платы (276-195);
3) Гнёзда типа DIP: Два (2) для микросхем AD1890 и CS8412 с 28 выводами. (276-1997) Digi-Key # ED4628-ND, одно (1) для микросхемы CS8402, 24 вывода (компания Radio Shack не поставляет гнёзда под микросхемы с 24 выводами. Однако можно использовать гнёзда под 14-выводные микросхемы. 276-1999) Digi-Key # ED4324-ND; два (2) 8-выводных для генераторов (276-1995) Digi-Key # ED4308-ND;
4) Корпус (270-253)
5) Один трансформатор (6, 3 В или 12 В, отвод от средней точки, 300 мА минимум), (273-1365); Allied каталожный номер # 967-1013. 6, 3 В 600 мА;
6) Один стабилизатор напряжения 5 В, (276-1770)
Digi-Key # NJM7805FA-ND;
7) Один выпрямитель (276-1161) или четыре диода (276-1102),
Digi-Key # 1N4002GICT-ND;
8) Один конденсатор блока питания 4700 мкФ, (16 В минимум) (272-1022)
Digi-Key # P5238-ND
9) Один сетевой кабель, (278-1255)
Digi-Key # Q114-ND;
10) Один выключатель, (275-617)
Allied # 717-0521;
11) Один плавкий предохранитель с задержкой срабатывания 1 А,
Digi-Key # F304-ND;
12) Один патрон предохранителя, (270-364);
13) Один резистор 75 Ом,
Digi-Key # 75.0XBK-ND;
14) Один резистор 1000 Ом, (271-1118);
15) Один резистор 374 Ом,
Digi-Key # 75.0XBK-ND;
16) Один резистор 90, 9 Ом,
Digi-Key # 90.9XBK-ND;
17) Два конденсатора 0, 01 мкФ (272-1065),
Digi-Key # EF1103-ND;
18) Пять конденсаторов 0, 1 мкФ (272-109),
Digi-Key #P4201-ND;
19) Один конденсатор 0, 047 мкФ (272-134),
Digi-Key # EF1473-ND;
20) Один выходной трансформатор, Scientific Conversions, каталожный номер #SC916--01 или Schott Corporation, каталожный номер 67125450;
21) Два разъёма типа RCA (274-346);
22) Один генератор 6, 144 МГц (или 5, 6448 МГц),
Digi-Key # SE1226-ND. (см. выше по поводу генератора 5, 6448 МГц);
23) Один генератор 16 МГц,
Digi-Key # SE1211-ND;
24) Один высокочастотный дроссель (273-102). В качестве высокочастотного дросселя на рисунке 2 может использоваться любая катушка индуктивности выше 10 мкГн;
25) Микросхема Analog Devices AD-1890JP,
Allied, # 6305;
26) Микросхема Crystal Semiconductor CS8412CP,
Insight Electronics;
27) Микросхема Crystal Semiconductor CS8412CP,
Insight Electronics.
Допуск по резисторам 5% или меньше, мощность 0, 25 Вт или выше