Открытие входов звуковой карты

Прошло уже несколько лет с тех пор как первый раз «открыл входа» звуковой карте по статье О.Шмелёва «Компьютерный измерительный комплекс» [1]. Очень удобная и, я бы даже сказал, нужная вещь при настройке и проверке всевозможных звуковых трактов с помощью программ типа SpectraLab или SpectraPLUS. Постоянные уровни посмотреть, АЧХ проверить, да и просто записать временной файл в память для последующего сравнения или внимательного просматривания сигналов – очень даже часто приходится делать… Но каждый раз, как пользуюсь этой звуковой картой, думаю, что надо было вынести входной разъём на переднюю панель системника, поставить переключатели «входной делитель на 10» (или даже на 100) и «открытый/закрытый вход». То есть, приблизиться к привычным удобствам осциллографа.

И тут случайно попалась в руки старая PCI-ная звуковая карточка VIA TREMOR. Ну, всё, думаю, теперь точно входной блок сделаю. Размещу все дополнительные детали в корпусе от старого CD-привода, поставлю на его рожице переключатели и соединю всё это со звуковой картой куском сигнального кабеля от монитора – в нём много проводников, он экранированный, а некоторые проводники даже дважды – всё должно получиться…

Начал курочить привод…

Да, сначала, наверное, надо объяснить, зачем что-то переделывать в звуковой карте, когда кажется, что чего же там сложного – убери конденсаторы по входу, и получишь «открытый вход». Но дело в том, что на входных ножках кодека присутствует постоянное напряжение (около 2,5 вольт), нужное ему для работы. Если оно равно внутреннему образцовому потенциалу, относительно которого аналого-цифровой преобразователь отслеживает изменения входного сигнала, то горизонтальная линия, рисуемая осциллографом программы, будет идти по нулевой отметке шкалы. Если уменьшить это напряжение, допустим, на 1 В, то и горизонтальная линия осциллографа уплывёт вниз на 1 В. И получается, что если просто убрать конденсатор из входной цепи, то подключаемый источник сигнала, в случае отсутствия у него на выходе конденсатора, будет просаживать это постоянное напряжение. Поэтому и приходится добавлять дополнительные цепи чтоб «обойти» это препятствие. Задача, в общем, несложная и решается на уровне начального изучения схемотехники с применением операционных усилителей (рис.1) [2]. Если нижний по схеме вывод резистора R2 будет заземлён, то при подаче на вход ОУ сигнала уровнем 0,25 В, на выходе получаем уровень, равный 0,25*(1+(R3/R2). Если же при одинаковых сопротивлениях резисторов R2 и R3 на нижний вывод резистора R2 подать постоянное отрицательное напряжение 2,5 В, то на выходе ОУ получим постоянное положительное напряжение 2,5 В. Если номинал резистора R1 не превышает 100 кОм, то при применении в данной схеме операционных усилителей общего назначения с достаточно большим входным сопротивлением, можно сказать, что входное сопротивление каскада равно сопротивлению резистора R1.

Рис.1

Конечная схема входного блока получилась небольшая. Половину места на плате занимают стабилизатор питания и фильтры. Без них здесь не обойтись – ключевые преобразователи питания компьютера и процессора создают большой электромагнитный «фон», который наводится на любой находящийся в корпусе системника проводник, будь он питающий или сигнальный.

Но, начнём по порядку.

Итак, начал курочить привод. Отпилил лишнюю пластмассу – места свободного много… Прикинул, что и как будет крепиться… По схеме (рис.2) сигналы со входного разъёма J поступают на переключатели S1 и S2, коммутирующие открывание или закрывание входов. При размыкании переключателей нижняя частота среза по уровню -3 dB становится около 1,2 Гц если не включены делители на 10 (S3 и S4) и около 3 Гц при включении этих делителей. Все переключатели раздельные, т.е. не спаренные - это позволяет выбирать разные режимы в разных каналах. От того, включены или нет делители на 10, зависит входное сопротивление блока. При их разомкнутом состоянии Rвходное примерно равно 86 кОм (R1+R3+R7 или R2+R4+R8), а при замкнутом – 37 кОм (R1+R3+R5 или R2+R4+R6). Конечно, можно эту часть схемы выполнить и по-другому, например, как показано на рисунке 3 - чтобы при включении делителя на 10 входное сопротивление увеличивалось так же в 10 раз (примерно) - до 870 кОм. Но при этом надо учитывать изменение частоты среза фильтра НЧ, образованного резисторами R1R5 и суммарной ёмкостью, состоящей из ёмкости ограничительных диодов, входной ёмкости операционного усилителя и ёмкости монтажа . Здесь важно не столько то, что частоты начинают «заваливаться», сколько то, что сдвиг фазы сигнала начинается уже с 3-5 кГц, а это уже бывает критично при некоторых фазных измерениях. При расчёте этих цепей удобно пользоваться программой RFSim99 (файл для расчёта прилагается во вложении к статье).

Рис.2

Рис.3

Вернёмся к схеме на рисунке 2. Диоды VD1…VD12 защищают ОУ от больших входных сигналов, ограничивая их по амплитуде до уровня 1,7-2,2 вольта. В зависимости от того, с какой чувствительностью по входу применяется звуковая карта, может понадобиться установка цепочек из меньшего количества последовательных диодов.

Как видно по схеме, резисторы, обеспечивающие вышеуказанные входные сопротивления блока, являются так же делителями входного сигнала даже без включения S3 и S4. Это сделано специально для компенсации усиления, вызванного неодинаковостью сопротивлений резисторов в обратной связи операционных усилителей (R2 и R3 по нумерации рисунка 1). Происходит это из-за того, что R2 в реальной схеме по рисунку 2 состоит из нескольких – R9,R11,R12,R16 и R19, выполняющих функцию образования на выходе блока напряжения +2,5 В и позволяющих менять его уровень в пределах от 2,4 до 2,6 В. Это необходимо для коррекции дрейфа выходного напряжения +2,5 В, появляющегося с прогревом элементов как во входном блоке, так и в кодеке звуковой карты. Так же, при работе в программе SpectraPLUS иногда возникает потребность сместить один из графиков по вертикали, что можно сделать, крутанув один из движков резисторов R11 и R14, установленных на передней панели блока.
 
На выходах ОУ стоят делители R21R23 и R22R24, ослабляющие сигнал примерно на 3,5 dB. Сделано это для того, чтобы ослабить шумы, возникающие в ОУ. Этого можно и не делать и убрать R21 и R22, но тогда надо увеличить сопротивления резисторов R19 и R20 примерно до 6,8 кОм для того, чтобы на выходе блока постоянное напряжение было +2,5 В. Резисторы R23 и R24 установлены не на плате входного блока, а в звуковой карте на входе кодека. Это позволяет ослабить наводки на сигнальные проводники соединительного кабеля.

Стабилизатор -5 В - стандартная микросхема 7905. Можно поставить и слаботочную 79L05. Фильтрация напряжений 12 В выполнена на LRC элементах. Все электролитические конденсаторы желательно применить с ёмкостью более 1000 мкФ, а дроссели с индуктивностью более 47 мкГн, но в разумных пределах – иначе, при большой индуктивности, импульсные помехи будут проходить через дроссель по межвитковой ёмкости.

Все детали, кроме входного разъёма J, переключателей S1…S4, конденсаторов С1 и С2 и резисторов R11, R13 установлены на фольгированной односторонней печатной плате размером 110х60 мм (рис.4) (файл платы в формате программы Sprint-Layout 5.0 находится во вложении к статье). Монтаж платы – поверхностный, никаких отверстий сверлить не надо, даже для выводных деталей. Все диоды – КД522 (или КД521) с почти полностью откушенными выводами. Резисторы R1, R2, R5 и R6 – МЛТ, одним выводом припаяны к печатной дорожке, а к другому припаяны провода, идущие от переключателя. Все остальные резисторы и все керамические конденсаторы – smd 0805. Все электролитические конденсаторы лежат на плате и приклеены к ней термоклеем. Дроссели в фильтрах можно применить как отечественные выводные, так и импортные. Операционные усилители - КР140УД608, можно заменить на любые другие общего назначения, главное, чтоб они имели входное сопротивление более 300-400 кОм.

Рис.4

Настраивать собранную плату с подпаянными переменными резисторами можно на столе, впаяв резисторы R23 и R24 и подав на плату двуполярное напряжение от лабораторного источника питания. Убедившись в наличии питания на выводах ОУ и -5 В, надо настроить резисторами R12R14 уровень +2,5 В в точках соединений выходных делителей R21R23 и R22R24. Если что-то не так, подобрать сопротивления R19 и R20. Затем нужно проверит входные цепи, подавая на вход переменные и постоянные напряжения и контролируя их на выходе ОУ. При желании иметь другой коэффициент деления нужно подобрать сопротивления резисторов R5 и R6.

Переключатели S1…S4 марки МТ1 можно заменить на П1Т-1-1. Закреплены они на металлической пластине подходящего размера (рис.5). Пластина коротким проводником соединяется с корпусом CD привода. Конденсаторы С1 и С2 – К73-17 ёмкостью 1,5 мкФ на напряжение 160 В, припаяны прямо к выводам S1 и S2. Входное гнездо используется родное CD привода (3,5 мм). Резисторы R11 и R14 взяты с плат старых мониторов. Впаяны в небольшую платку, которая вставляется в предварительно пропиленные пазы в передней части пластмассового каркаса привода (рис.6).

Рис.5

Рис.6

Под размер пластикового каркаса была выпилена монтажная плата из фольгированного текстолита (рис.7). Чтобы она встала по месту, в ней пропилены пазы и просверлены отверстия. Можно, конечно, сделать плату и не из текстолита, но для того чтобы она нормально крепилась, её толщина должна быть около 1,5 мм.

Рис.7

Плата входного блока установлена на монтажной на латунных стойках от материнских плат (рис.8). Под шляпку крепёжных винтов подложены гетинаксовые шайбы, чтобы «земля» платы гальванически не соединилась с корпусом привода, а через него с корпусом системника. Если этого не делать, то через соединительный кабель получится «земляная петля», на которую будут наводиться помехи от электромагнитных импульсов преобразователей.

Рис.8

Схема коммутации входного блока со звуковой картой показана на рисунке 9. Соединение «земель» обоих устройств происходит только по одному проводу – светло-коричневому.

Рис.9

На рисунках 10, 11 и 12 показан общий вид и питающий разъём, установленный на задней стенке пластикового каркаса. Разъём взят со старой видеокарты – выпилен прямо с куском печатной платы. Все «земельные» проводники, соединяющие некоторые ножки разъёма между собой, перерезаны. Это сделано всё по той же причине – «земли» должны соединяться в одном месте на звуковой карте. Показанная печатная плата немного отличается от приведенной выше в тексте - на фото вариант с питанием ОУ напряжениями +/-5В и некоторые отличия в дополнительных SMD компонентах, но это не принципиально.

Рис.10

Рис.11

Рис.12

Как я уже говорил, звуковая карта использовалась старая - VIA TREMOR с кодеком VТ1617A. Её чувствительность около 1 V(rms) – дальше она начинает сильно перегружаться. Карта оказалась очень шумливой в используемом компьютере (рис.13) и потребовала небольшой доработки, связанной с фильтрацией питания.

Рис.13

Сначала перерезал дорожки питания микросхем VT1723 и VT1617 (красные метки соответственно слева и справа по рисунку 14):

Рис.14

Затем навесным монтажом, прямо на плате, распаял CLC фильтр для VT1723 и стабилизатор для VT1617 (рис.15, рис.16 и рис.17). Слева на рисунке 15 буква «А» и следующие за ней цифры – это указаны номера контактов шины PCI со стороны «А».

Рис.15

Рис.16

Рис.17

На рисунке 17 виден проводник, идущий от левой ножки резистора МЛТ ко 2 контакту шины PCI. Это подключение к +12 В. Тонкий провод МГТФ аккуратненько подпаивается к самому краю контактной дорожки. Если получится большая капля припоя – то она может мешать устанавливать карту, упираясь в пластиковый корпус разъёма. На рисунке 18 более подробно показано место припайки провода к контакту -12 В.

Рис.18

Если, вдруг, у карты на шине не окажется контактов +/- 12 В, то их можно сделать, вырезав из медной фольги и приклеив клеем БФ. Так пришлось делать на карте C-MEDIA по питанию -12 В. Прошло уже более трёх лет, сейчас она стоит уже в третьем компьютере и выдержала за это время несколько десятков «передёргиваний».

На рисунке 19 общее фото доработанной карты VIA TREMOR. Виден закреплённый двумя винтами кусок текстолита, к которому жестко закреплён кабель. Обе поверхности этой крепёжной платы заземлены, а на одной из них вырезаны площадки, к которым подпаиваются провода. Входные конденсаторы по линейному входу выпаяны, а к пятачкам дорожек, что идут в кодек, припаяны провода МГТФ, идущие к сигнальным (красному и зелёному) проводам кабеля. Все оплётки, экраны и свободные проводники кабеля припаяны к «земле» на крепёжной плате.

Рис.19

После всех этих экзекуций и установки дополнительных электролитических конденсаторов по питанию в разных местах звуковой платы, шумы стали меньше (рис.20), но, к сожалению, всё равно осталась помеха частотой 46,88 Гц и её нечётные гармоники. Они, конечно, уменьшились почти в два раза, но это не тот результат, который хотелось бы получить.

Рис.20

Чем образована эта помеха, пока не разобрался. Но, учитывая, что её уровень менее 100 мкВ (rms), а на частотах выше 1 кГц её гармоники ниже 110 dB, то вполне можно не принимать её во внимание, особенно в режиме осциллографа. Конечно, не удержался и посмотрел, что она из себя представляет. На рисунке 21 видно, что помеха носит цифровой характер, возникает синхронно в обоих каналах и имеет примерно одинаковый уровень – скорее всего, наводится от преобразователя питания процессора. Помогла установка резисторов R23R24 3,9 кОм от входов кодека на землю (при работе вместе со входным блоком). Уровень основной частоты упал до -90 dB, а гармоники выше 5-той ослабились почти до уровня шума. Подпайка дополнительных электролитических конденсаторов по питанию в звуковой карте и керамических по питанию процессора и в блоке питания ощутимых результатов не принесла. Экранировка карты мягкой жестью и «отвязка» от корпуса компьютера тоже не увенчались успехом.

Рис.21

На графике заметно плавное увеличение потенциала в положительную сторону. На самом деле это смещение связанно с нестабильностью питания ОУ и оно не плавное, а хаотичное и находится в диапазоне частот от 0 до 10 Гц. Но уровень этих низкочастотных флуктуаций достаточно мал – не более 1-2 мВ, и при желании, легко лечится установкой стабилизаторов напряжения питания ОУ (такой вариант печатной платы тоже есть во вложении).

На рисунке 22 помеха с предыдущего рисунка, но увеличенная по времени:

Рис.22

При использовании совместно с входным блоком другой звуковой карты (на кодеке CMI8738) эта помеха отсутствует. Возможно, что у карты VIA некорректно разведена «земля» - уж очень там всё примитивно…

Теперь про установки параметров в программе SpectraPLUS и её калибровке. Говорят, что в сети есть описание, как это надо делать правильно, но мне с ним «пересечься» не удалось, поэтому пришлось вспоминать метрологию. И насколько вспомнил, для того чтобы пользоваться устройством как измерительным прибором, надо привязать шкалы программы к реально присутствующим уровням сигналов на входе (здесь рассматриваем звуковую карту и входной блок уже как единое целое).

Образцовый синусоидальный сигнал частотой 1 кГц взял с генератора низкой частоты Г3-118. Уровень контролировал вольтметром прибора ВР-11А и осциллографом. Схема соединений показана на рисунке 23.

Рис.23

Сначала в меню общей громкости программы Windows находим нужную звуковую карту и в настройках выбираем её для работы на вход и ставим галочку только напротив строки «Лин. вход». Движок-регулятор, отвечающий за чувствительность, выставляем пока в среднее положение.

Теперь в программе SpectraPLUS нужно сделать основные установки. Выбираем нужную звуковую карту в меню Device Selection в окне Input Device (путь Option – Device…). Подтверждаем. Потом выбираем режим Real Time в пункте Mode, режим Spectrum в пункте View, затем в меню Processing Settings (путь Option – Settings…), выставляем установки, как на рисунке 24. Здесь главное, что мы сделали – это выбрали частоту дискретизации звуковой карты (48000), размер FFT, от которого зависит число доступных спектральных линий, выбрали 16-ти битную разрядность и отображение на экране двух каналов сразу - Stereo. Подтверждаем.

Рис.24

Далее идём в меню Amplitude Calibration (путь Option - Calibration…), выбираем установки, как на рисунке 25, но в окнах Detected levels (Percent full scale) в левом и правом каналах выставляем числа «60» - их потом, скорее всего, придётся корректировать. Здесь мы выставили значения шкалы Y (rms), поправочный коэффициент для подгонки входного образцового уровня к значению 0 dBVrms и включили учет этого коэффициента. Подтверждаем.

Рис.25

Затем, на чистом поле шкалы анализатора спектра щёлкаем правой кнопкой мышки и заходим в свойства экранов анализатора, выбрав «Properties». Делаем установки по рисунку 26. Здесь в отделе Plot Options в окне Plot Top выставляется максимальное значение шкалы Y (0 dBVrms), а ниже, в окне Plot Range – её ранжирование, т.е. на сколько будет отличаться её нижнее значение от верхнего (в данном случае, на 130 dB). В отделе Frequency Span в окне Start (Hz) выбирается нижняя отображаемая граница сетки частот (шкала X), а в окне Stop (Hz) – верхняя. Подтверждаем.

Рис.26

После всех этих установок, включив генератор НЧ и выставив на резисторе (по рисунку 23) уровень 1 В, можно запустить анализатор спектра и посмотреть, насколько отличается измеренное значение от реального. Если никаких сигналов на экране нет, то это означает, что или карта не выбрана, или не тот вход выбран. Если на экране виден сигнал на нужной частоте, то нужно ещё раз сходить в Windows-киё настройки громкости и поставить там движок чувствительности входа в минимальное положение, при котором сигнал ещё проходит (у меня это совсем «в ноль»).

Для удобства контроля и более точной установки лучше вывести на экран окно утилиты, измеряющую пиковую амплитуду (путь Utilites - Peak Amplitude) и заходя в меню Amplitude Calibration (путь Option - Calibration…), подкорректировать значения в окнах Detected levels (Percent full scale) обоих каналов так, чтобы утилита показывала значение, близкое к 0 dBVrms (рис.27). Также надо вывести ещё окно утилиты, измеряющей нелинейные искажения (путь Utilites - Total Harmonic Distortion (THD)), и меняя выходной уровень с генератора НЧ, посмотреть в какой момент начинают появляться сильные искажения.

Рис.27

Проверить, что калибровка прошла успешно можно, ослабив уровень входного сигнала на известное значение – например, у Г13-118 есть дискретный аттенюатор и при ослаблении им сигнала на 50 dB, видим, что анализатор тоже показал значение -50 dBVrms (рис 28).

Рис.28

Теперь надо бы посмотреть, при каком уровне входного сигнала карта показывает минимальные искажения (рис.29) и проводить контроль и измерение аппаратуры на уровнях, близких этому значению. Например, для карты VIA TREMOR это значения от -16 до -30dB, для карты C-MEDIA на кодеке 8738 – от -16 до -40dB. При этих уровнях сигналов коэффициент искажений не превышает или находится около 0,01%.

Рис.29

Проверка соответствия уровней сигналов в режиме осциллографа на рисунке 30. Видно, что амплитуда синусоиды около 1,41 В, что соответствует показаниям в 1 В мультиметром ВР-11А.

Рис.30

Теперь проверяем работу с постоянными напряжениями - схема по рисунку 31. С двуполярного блока питания разнополярные напряжения подаются на переменный резистор, с движка которого выставляемое напряжение уходит во входной блок. Контроль производится всё тем же мультиметром ВР-11А. В принципе, вышеописанную калибровку и выставление поправочных коэффициентов можно проводить и при контроле постоянного напряжения в режиме осциллографа и использовать для этого и для настройки платы всего один прибор - тестер.

Рис.31

Пример изменений постоянного уровня показан на рисунке 32. Начальное состояние - один вольт отрицательный, затем подаются полвольта отрицательные, потом ноль, полвольта положительные, один вольт и полтора вольта. При потенциале более 1,5 В начинают работать входные ограничительные диоды. Так при подаче 1,8 В программа показывает уровень 1,6 В. Это, конечно, всего 12% погрешности, но дальше она ещё больше возрастает, а при измерениях до 1,5 В не превышает 2-3%.

Рис.32

Общий вид входного блока на рисунке 33.

Рис.33

Окончательную проверку работоспособности звуковой карты с открытым входом провёл, контролируя изменения сетевого напряжения 220 В. Была собрана простая схема (рис.34) и подключена к одному из входов. Другой вход никуда не подключался, а использовался как контроль дрейфа нулевого значения шкалы.

Рис.34

В итоге за 30 минут записи получились графики, показанные на рисунке 35. Верхний - изменения в сети, нижний – контроль дрейфа нулевого значения шкалы. Видно, что шкалы никуда не плавают, по крайней мере, на таких градациях визуально не заметно. Всплески на графиках – это помехи от включения/выключения освещения, паяльника и прочей электроники – провода до исследуемого выпрямителя были длинными и неэкранированными.

Рис.35

Некоторые соображения о конструкции, пока не воплотившиеся в жизнь.

На используемой родной платке CD-шника кроме стерео разъёма присутствуют ещё детали, относящиеся к его выходной звуковой части, т.е. микросхема операционных усилителей, сдвоенный резистор регулировки громкости (2х18 кОм) и другая мелочёвка. Думается, что этот резистор можно использовать. Например, поставить его во входной цепи одного из каналов, тем самым получив небольшую, но плавную регулировку чувствительности (рис.36). В такой схемотехнике получается максимальное дополнительное ослабление на 3 dB при отключенном делителе на 10, и на 6 dB при включенном делителе.

Рис.36

Если использовать переключатели S1…S4 сдвоенного типа (на каждый канал), то второй парой контактов можно коммутировать питание светодиодов, индицирующих состояния переключателей.

Возможно, следует на переднюю панель поставить и выходной звуковой разъём – всё-таки, при работе программой SpectraPLUS часто используются и выходные сигналы.

Хорошо бы сделать стабилизированное питание +/-9 В для ОУ. Это уменьшает влияние изменений +/-12 В и, соответственно, шумы входного блока на частотах ниже 10 Гц. Пробовал питать напряжениями с пятивольтовых стабилизаторов, но очень сильно повышаются шумы микросхем на средних частотах.

Скорее всего, при применении современных ОУ параметры входного блока можно улучшить.

В конце хочу напомнить, что корпус компьютера при подобных измерениях должен быть заземлённым. В противном случае при подключении входного блока к заземлённому устройству возможен выход из строя как ОУ блока, так и микросхем звуковой карты.

Во вложении – две схемы в формате программы Splan7, два варианта печатной платы для Sprint-Layout 5.0 (для ЛУТ – зеркалить!) и файл для перерасчёта сопротивления входного делителя для программы RFSim99.

Литература, ссылки:
1.   Шмелёв О. «Компьютерный измерительный комплекс». Журнал «Радио» №6, 2007 год, стр. 27.
2.   Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника». Москва, изд. «Мир», 1982 год.

Андрей Гольцов, r9o-11, г. Искитим, весна 2014.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout