Генерация звука через внешний ЦАП в схемах на микроконтроллере

March 24, 2014 by admin Комментировать »

В душе у каждого человека «сидит» композитор, только вырваться наружу ему не всегда удаётся. Вот и приходится довольствоваться прослушиванием чужих мелодий да напеванием через караоке популярных песен. Тем не менее, любой электронщик имеет все шансы попробовать свой талант в создании музыки, используя звуковые возможности MK и внешний узел ЦАП.

Теоретически ЦАП предназначен для преобразования цифровых кодов в аналоговую величину, например, в напряжение, ток, сопротивление. Алгоритм работы ЦАП заключается в суммировании образцовых напряжений и токов пропорционально весовым разрядам. В двоичном коде, характерном для MK, «вес» от разряда к разряду изменяется ровно в 2 раза.

Для понимания физики процессов, происходящих в звуковом ЦАП, иногда предлагают весьма необычные сравнения и аналогии [2-92]. Например, надо мысленно представить себе переменный резистор, подключённый крайними выводами к источнику питания. Со среднего вывода резистора напряжение подаётся на обычный наушник (Рис. 2.60, а). Если очень-очень быстро крутить движок переменного резистора R1 в такт музыке, пропорционально частоте и громкости, то в наушнике BF1 появится высококачественный звук. И это действительно так!

Рис. 2.60. Схемы имитации звукового ЦАП: а) на переменном резисторе; б) на ключах.

Разумеется, нормальному человеку выполнить столь быстрое и точное вращение не под силу. Нужен робот или, на крайний случай, MK, который вместе с внешними навесными элементами сможет сымитировать работу идеального «пеменника». Для этого в схему замещения вводятся многочисленные постоянные резисторы и переключатели (Рис. 2.60, б).

Если вспомнить, внутри MK уже имеются электронные ключи, то остаётся лишь программно коммутировать их со скоростью, достаточной для воспроизведения звука в диапазоне 20…20000 Гц. В итоге получается преобразование номера электронного ключа (цифра) в напряжение на наушнике (аналог).

Основой рассмотренного ЦАП являются резисторы R1…Rn, которые конфигурируются следующими способами:

•                 «параллельно», на матрице резисторов «2R», где сопротивление последующего и предыдущего резисторов отличаются ровно в 2 раза;

•                 «последовательно», на матрице «R-2R», где число резисторов вдвое больше, зато в каждой половине они имеют одинаковые номиналы: R и 2R;

•                 «нелинейно», с изменяющимися по определённому закону резисторами.

Разрядность ЦАП, как правило, кратна числу 4, например, 8, 12, 16, 24, 32. Следовательно, MK должен иметь точно такое же количество свободных выходных линий. При этом чем больше разрядность, тем ближе форма выходного сигнала к синусоиде, тем меньше размер «ступенек» импульсов и тем проще ФНЧ, их сглаживающий, однако тем выше требования к точности резисторов.

Задача MK сводится к тому, чтобы выбрать из памяти очередной отсчёт амплитуды, разложить его на двоичные разряды, выставить получившиеся уровни на линиях порта, выдержать паузу 5…200 МК с, определяющую дискретизацию сигнала во времени, и повторить процедуру заново с новым отсчётом.

Для справки, в персональных компьютерах используют следующие стандартные частоты дискретизации звукового сигнала: 5.500; 7.333; 8.000; 11.025; 16.000; 18.900; 22.050; 31.250; 31.500; 44.056; 48.000; 96.000; 192.000 кГц. Соответственно, пауза времени между между выборками должны составлять 5.2…180 МК с. Быстродействие современных MK общего назначения позволяет генерировать звук во всём диапазоне указанного ряда, правда низкий объём внутренней памяти резко ограничивает длительность звучания, особенно при высоких битрейтах.

Схемы генерации звука через внешний ЦАП можно разделить на три группы:

•                 параллельные резисторные (Рис. 2.61, а…з);

•                 последовательные резисторные (Рис. 2.62, а…з);

•                 с интегральными микросхемами (Рис. 2.63, а…д).

Рис. 2.61. Схемы генерации звука через параллельные резисторные ЦАП (начало):

а) классический ЦАП с матрицей резисторов «2R». Резисторы R1…R8через внутренние ключи MK фактически соединяются параллельно друг с другом (отсюда и название «параллельный» ЦАП). Телефон BF1 служит нагрузкой и одновременно выполняет функцию ФНЧ. На линиях MK выставляются ВЫСОКИЕ/НИЗКИЕ уровни очередного байта амплитуды сигнала. Допускается вместо НИЗКИХ уровней переводить MK в режим входа с Z-состоянием, но при этом появляется амплитудная нелинейность («логарифмический» ЦАП). Здесь и далее во всех схемах внешних ЦАП резисторы в делителях желательно использовать с допуском ±(0.5…2)%. От этого зависит точность преобразования и температурная стабильность;

б) добавление звукового сигнала от ЦАП в уже существующий тракт RJ1, C2. Конденсатор C1 сглаживает «ступеньки» импульсов. Резисторы R9, R10 определяют амплитуду сигнала; О

О Рис. 2.61. Схемы генерации звука через параллельные резисторные ЦАП (продолжение):

в) с коллектора и эмиттера транзистора VT1 снимаются противофазные сигналы ЦАП. Для сглаживания «ступенек» импульсов требуется дополнительный внешний ФНЧ. Резистором R9 устанавливается рабочая точка транзистора K77, чтобы в сигналах на выходе не наблюдалось ограничений по амплитуде;

г) резисторы Л/…Л# задают напряжение на базе транзистора VT1. Громкоговоритель BA1 выполняет функцию ФНЧ (инерция диффузора). Переменным резистором ЛР регулируется громкость звука. Схема обладает узким линейным диапазоном ЦАП, поскольку при выставлении на выходах MK кодов выборок, близких к максимуму (11111111) или минимуму (00000000), транзистор VT1 входит в насыщение или в отсечку;

д) имитатор «органного» звучания по 8 каналам, каждый из которых отличается по частоте в 2 раза. Для формирования партитуры требуется специальное компьютерное программное обеспечение. Смеситель сигналов собран на ОУ DA1. Устройство можно также использовать как ЦАП, правда, с низкой разрядностью из-за одинаковых сопротивлений в 8 каналах; О

е) широкодиапазонный генератор «цифрового синуса». Шкала сдвоенного переменного резистора R1 градуируется по частоте в трёх диапазонах: 20…200 Гц, 0.2…2 кГц, 2…20 кГц. Диапазоны переключаются НИЗКИМИ уровнями на трёх нижних линиях MK. Внутренний АЦП MK измеряет напряжение на резисторе R1.7, затем MK переводит напряжение в частоту. После этого восемь верхних линий MK сверху-вниз заполняются «бегущим столбиком» ВЫСОКИХ уровней, затем «бегущим столбиком» НИЗКИХ уровней и т.д. Итого образуется 16 «ступенек» синусоиды, полный цикл которой равен периоду генерируемого сигнала. Резистор R12 синхронно изменяет частоту среза ФНЧ, собранном на элементах 7?7.2, R10, C1..C3, что позволяет снизить уровень побочных гармоник;

ж) особенность данного ЦАП заключается в применении резисторов 7?7…7?Рсдопуском ±5%. Однако их последовательное и параллельное включение обеспечивает суммарную точность примерно в 2 раза выше. Резистором R10 регулируется амплитуда сигнала. Ёмкость конденсатора фильтра C7 зависит от частоты генерации звука. Конденсатор должен отсутствовать, если ЦАП используется для формирования телевизионного видеосигнала;

з) генератор сигналов треугольной формы. Матрица «2R» заменяется матрицей «R» с резисторами R  одинакового сопротивления. Каждой «ступеньке» треугольника соответствует определённое число ВЫСОКИХ уровней, выставленных на верхних линиях MK. Амплитуду треугольного сигнала можно уменьшить на один или два порядка за счёт комбинации уровней на трёх нижних линиях MK.

Рис. 2.62. Схемы генерации звука через последовательные резисторные ЦАП (начало):

а) классический ЦАП с матрицей резисторов «R-2R». Резисторы R1…R16могут иметь другие номиналы, но главное, чтобы сопротивления резисторов Л/…Л9были ровно в 2 раза больше, чем R10…R16. Для сглаживания «ступенек» импульсов требуется внешний ФНЧ. На выходах MK, в отличие от параллельного ЦАП, выставляются ВЫСОКИЕ/НИЗКИЕ уровни без Z-состояния;

б) унификация сопротивлений резисторов R1…R25приводит к повышению точности преобразования, поскольку сопротивление двух последовательно включённых резисторов будет иметь статистически меньший уход от номинала, чем у одного резистора. Рекомендуемая точность резисторов ±(1…2)%. Для уменьшения габаритов матрицы следует применить чип-резисторы;

в) повторитель напряжения на ОУ DA1.1 обеспечивает высокое входное сопротивление для матрицы «R-2R». Первым ФНЧ служит конденсатор С/, вторым — интегратор на ОУ DA1.2 с параллельной цепочкой R18, C2, определяющей частоту среза; О

О Рис. 2.62. Схемы генерации звука через последовательные резисторные ЦАП (продолжение).

г)         организация стереозвучания через две одинаковые резисторные матрицы «R-2R» и два идентичных пассивных ФНЧ на цепочках R33, C3 и R34, C4\

д) ЦАП на интегральной сборке высокоточных резисторов R3. Частота среза ФНЧ задаётся конденсаторами C7, C3, которые подключаются к общему проводу через транзисторы VT1, VT3. Эмиттерный повторитель на транзисторе КГ2сужаетдинамический диапазон  ВЫх на 0.7 В. Для его расширения следует перейти на двухполярное питание аналогично Рис. 2.61, в;

е)         применение мощного буферного повторителя DA1 повышает (хотя и не намного) инструментальную точность ЦАП за счёт меньшего влияния нагрузки на выходные уровни;

ж)        аналогично Рис. 2.62, б, но с меньшим числом резисторов, поскольку применяется их паллельное, а не последовательное включение; О

О Рис. 2.62. Схемы генерации звука через последовательные резисторные ЦАП (окончание):

з)          эмиттерный повторитель на транзисторе VT1 и MK питаются от разных напряжений. Это позволяет повысить линейность преобразования ЦАП и расширить динамический диапазон, поскольку транзистор VT1 будет работать без насыщения и отсечки.

Рис. 2.63. Схемы генерации звука через внешние интегральные ЦАП (начало):

а)         восьмиразрядный ЦАП на микросхеме DA1 (фирма Texas Instruments) имеет вход «R» для плавного регулирования амплитуды выходного сигнала. Транзистор VT1 служит эмиттерным провторителем, что позволяет использовать высокоомный резистор R2\

б)         программно-аппаратный ЦАП на базе интегратора DA2, охваченного обратной связью через внутренний 10-разрядныйАЦП MK. Напряжение 6 вых формируется зарядом/разрядом конденсатора C1. Динамический диапазон составляет 0…3.1 В. Ключи микросхемы DA1 включаются кратковременно только в те моменты, когда напряжение f/BbIX надо изменить; О

О Рис. 2.63. Схемы генерации звука через внешние интегральные ЦАП (окончание):

в) подключение к MK внешнего «японского» ЦАП DA1 (16 бит, стерео, но используется режим моно). ОУ DA2.1 служит повторителем, а ОУ DA2.2 — активным фильтром Sallen-Key;

г) DA1— 12-разрядный последовательный ЦАП фирмы Burr-Brown. Усилитель на микросхеме Д42обеспечивает выход на наушники ( НАУШ) и сигнал в линию (UmH);

д)восьмиразрядный ЦАП на микросхеме DA1 (фирма National Semiconductor) работает в паре с ОУ DA2. Диапазон генерируемых частот 0…30 кГц, выходное напряжение 4 В, неравномерность АЧХ не более 0.3 дБ, КНИ = 0.0076% на частоте 1 кГц.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты