崑 山 科 技 大 學 電 機 工 程 學 系 專 題 製 作 USB2.0音效混音器製作 班級:夜2電機4A 指導教授:張慎周 主任 組別:第一組 組長:U980J118 呂昌修 組員:U980J102 吳岳融 U980J103 吳忠諺 U980J105 陳俊丞 U980J122 蔡峰銘 U980J123 黃堯偉
目 錄 第一章 前言 第二章 專題製作步驟 2-1 人員職掌分配 2-2 專題製作甘特圖 第三章 基本原理與設計方法 目 錄 第一章 前言 第二章 專題製作步驟 2-1 人員職掌分配 2-2 專題製作甘特圖 第三章 基本原理與設計方法 3-1 產品構思(機種功能)【圖ㄧ：系統架構圖】 3-2 電氣方塊圖【圖二】 3-3 電位增益圖【圖三】 3-4 電路圖【圖四組圖及各項功能說明】 3-5 PCB佈局圖【圖五組圖】
第四章 實作及程式模擬過程【為第二學期所需完 成之進度】 4-1 硬體實作過程 4-2 軟體操作過程 第五章 結論 參考文獻
第一章.前言： 一般PC或NB的音效卡無法提供較高增益輸出之音頻訊號或是無法承受高入力信號來滿足DJ或錄音室工作者的需求往往專業的錄音設備或撥放裝置須投入較大的資金與資源以及昂貴的儲存媒介與空間，為了讓使用者實踐高效能低成本來完成這些工作，故本組採用USB2.0Hi-speed技術將高入力音頻轉換成數位信號，運用PC之DJ或studio軟體實現信號儲存與撥放功能，更進一步能運用在pub、舞廳等場所實現當DJ的夢想。
第二章 專題製作步驟： 2-1 人員職掌分配 1. 甘特圖:堯偉 2. 外觀圖:俊丞 3. 結構圖:俊丞 4. 機種功能表:俊丞 1. 甘特圖:堯偉 2. 外觀圖:俊丞 3. 結構圖:俊丞 4. 機種功能表:俊丞 5. 電氣方塊圖(含說明):昌修 6. 電位增益圖(Level diagram):昌修 7. 電路圖(含各區塊說明):昌修 8. 元件明細表:堯偉 9. 電氣規格書:岳融
10. PCB 佈局圖:昌修 11. PCB 插件,焊接:峰銘,俊丞,昌修 12. 動作檢查:岳融 13. 問題點記錄:忠諺 14. 對策方式,異常處理:忠諺 15. 機臺組裝:岳融,忠諺 16. 精密測定:峰銘 17. 報告整合:峰銘 18.每週記錄:堯偉
2-2 專題製作甘特圖 1.專題題目探討 2.專題設計 3.外觀,結構圖 5.電氣規格書 4.電氣方塊圖,電位增益圖 99 年 9 月 10 11 12 100 1 2 3 4 5 6 7 1.專題題目探討 2.專題設計 3.外觀,結構圖 4.電氣方塊圖,電位增益圖 5.電氣規格書
6.PCB佈局圖 7.PCB插件,焊接 8.動作檢查 9.機台組裝,精密測定 10.專題報告撰寫,簡報製作與成果展示
第三章 基本原理與設計方法： 3-1產品構思(機種功能) a.採用USB2.0 Hi Speed, 容許96KHz/24bits 取 樣。 b.兩組平衡式(XLR)單聲道輸入,可以外接樂器音 頻信號.(XLR 為三端插座,其信號端子包括 Hot(+),Cold(-)及接地(GND),外部有個卡榫,用 來連接設備的外殼接地, 最大優點為能針對傳 輸線上的共模信號, 進行同相位雜訊抵消，讓 音源不會混入雜訊) 。 c.一組Line /Phonograph 立體聲輸 入.(Phonograph 就是黑膠唱機,依唱頭還分 MM(動磁式) ，MC(動圈式)兩種) 。
d. 兩組立體聲輸出, 其中一組採用非平衡式(就是一般使用紅白色的信號線), 另一組採用平衡式XLR 及平衡式DIN 6 d.兩組立體聲輸出, 其中一組採用非平衡式(就是一般使用紅白色的信號線), 另一組採用平衡式XLR 及平衡式DIN 6.3mm(大頭耳機端子那種) 。 e.兩組獨立音量調整的耳機輸出。 f.系統架構： 『如圖一所示』 1.Audio Input: 樂器,唱機之輸出音頻. 2.Pre Gain AMP: 除了將輸入音頻適度放大外, 並改變 由高輸入阻抗轉為低輸出阻抗,以期減少信號傳輸上的 雜訊干擾. 3.A/D Converter: 低通濾波,類比信號取樣,傅利葉轉換, 量化,編碼後成為數位信號 4.USB2.0 Interface: USB2.0界面傳輸控制器,將數位信 號轉換為USB格式給PC端及PC端USB格式轉數位信號. 5.D/A Converter: 數位信號,解碼,低通濾波,傅利葉轉 換後成為類比信號
圖ㄧ：系統架構圖
3-2 電氣方塊圖: 『如圖二所示』 1.USB Control: 採用Philips ISP1583 USB 2.0 Hi-Speed 傳輸控制器, 並與ATMAL MEGA8515 MCU搭配組成多個串列資料I/O port, 以74HC244完成定址,分配I/O port. 2.電源部份: 以兩只PMOS FET 和一只Bipolar組成兩用電源(可單獨使用DC6V 適配器或直接使用PC 的電源),利用MOS 低內阻特性來做為開關使用. 使用DC-DC 方式, 調整所需電源. 3.信號輸入增益: 採用低雜訊,高開環路增益JRC NJM4580 之運算放大器,將輸入信號調整至所需的錄製電位.
4.A/D & D/A Converter: 採用NXP UDA1345 Codec, 可將類比信號轉成數 位信號給ISP1583,以及來自ISP1583的數位信號轉成類比信號.並接受來自功能處理器的3線控制, 來調整D/A converter音量大小. 5.Function MCU: 採用Freescale MC9S08AW32 8bit處理器,除了與MEGA8515進行狀態連繫外,並負責調整D/A Converter 的音量,主音量LED 位置指示及偵測音量旋鈕位置. 6.Level Meter: 採用Sanyo LA2284 LED驅動IC, 可以根據類比信號大小,來依dB值進行LED 點亮. 7.TPA152: 採用TI TPA152耳機專用IC,具有高電流低輸出阻抗特性,不會因低負載而影響到輸出信號.
圖二：電氣方塊圖
3-3 電位增益圖: 『如圖三所示』 1.該圖最主要用來確認信號輸入一直到輸出之間,有無過荷現象而產生Clipping, 同時也能明確了解整個系統的動態範圍(Dynamic Range)及輸出電位, 因此好的線路設計與佈局, 均可以此圖作為理論依據. 2.動態範圍(Dynamic Range): 信號能處理最大與最小的範圍,通常最小信號理論值為-∞, 但實際上自然界存在雜訊, 加上在線路上可能產生其他諧波因素,所以動態範圍不可能為-∞. 3.切頂限制: 運算放大器採用+/- 15V 雙電壓供應, 除了可以避免開關機時造成的POP Noise, 主要是為了提供較高的峰值輸出, 其計算方法為16V[+8V-(-8V)]/2=8V(Vp), 因OPA 存在1.5V兩只diode 的順向壓降, 故只剩下6.5Vp, 轉換成dBV 值為20*log(6.5/√2)=13.25dBV, 也就是說只要有信號超出這個值, 將會被clip 而產生較大的總諧波失真.
4.電唱機出力,樂器出力：類似這種信號都是非常微弱的，一般介於1mV~10mVrms,所以若要放大至可用信號,其增益要相對提高, 故PCB Layout 需特別注意高輸入阻抗信號之間的串音，以及回授信號的抗干擾，需用地線屏蔽及隔離以求較低失真。 5.A/D，D/A：類比信號進入A/D 時，很重要的一環是輸入不可以被Clip，我們所使用的UDA1345 能承受最大輸入信號為0.5dBV(0dBFS數位信號的”滿刻度”) ，採用16bit量化編碼，理論上動態範圍0~65535(20*log65536=96dB)相當於96dB,所以就算D/A 採用24bit 或32bit，若信號由A/D 進入，而解出來的信號也只達到96dB的動態範圍. 如果數位信號在大於0dBFS 情況下工作，也會造成clip 情形, 所以適當的衰減信號是必須的, 此系統為了能接受+6dBV 的信號，故在A/D 前端特意衰減6dB。
圖三：電位增益圖
3-4 電路圖(含各區塊說明) ：『如圖四各組圖所示』 1.USB2.0 Hi-Speed部份: 請見圖四＆ㄧ，各元件功能說明如下： a.ISP1583BS 為USB 2.0 Hi-Speed Controller,用來處理 Audio digital data 與USB PC 端通訊,可以接受外來MCU 控制內部DMA(Direct Memory Access直接記憶體存取),而減 少程式執行時間。 b.MEGA8515 為ISP1583BS的外置MCU, 除了DMA 存取控制外， 還針對取樣頻率的改變,進行系統時鐘頻率的轉換，該元件 第1及第2pin 用來決定系統時鐘頻率，本系統採用256fs ， 故可以搭配88.2KHz,96KHz，再經過74HC74 除頻( /2)可以 另外得出44.1KHz 及48kKHz 的取樣頻率，以目前市場使用 這四種Sample Rate 已經足夠.另外第5及第7pin為與另一只 MCU以UART(RS232界面)溝通，可以讓另一MCU 知道USB 運行 狀況。
c.74HC244 用來做開機時的定址，當USB 資料(D+/D-)已經完成溝通時，該元件才會被Disable，改採用Audio digital port。 d.74HC4050用來做時鐘及資料的緩衝器，因為IC 在高速運行下可能造成VOH/VOL(輸出高/低位準)不能滿足下一元件允許的VIH/VIL(輸入高/低位準) ，所以加入緩衝器可以確保下一級資料判斷的正確性。 e.74HC4040 用來將系統時鐘進行除以256倍，變成可用的LRCK(立體聲左右通道判定時鐘信號,也相當於Sample Rate的頻率) 。
圖四＆ㄧ：USB2.0 Hi-Speed 線路圖
2.信號輸入與電源供應部份, 請見圖四＆二， 各元件功能說明如下： a.15218(BA15218) IC300A/IC300B 為音頻運放(OPA),當PH/LN 為高電位時，該元件變為增益36.3dB 的逆RIAA曲線(黑膠唱片在刻製時，以1KHz level為基準，於低頻20Hz時衰減20dB，於高頻20KHz時增益20dB，此線路為反轉方式將信號還原，低頻提升, 高頻衰減下讓音域呈現平坦 )非反相放大.當PH/LN為低電位時，OPA 為電壓隨耦器。 b.2068(NJM2068) IC301A/B，IC302A/B為低雜音音頻運放(OPA) ， 採用Balance(平衡式)信號輸入，能夠以高的CMRR 減少外部共模雜訊. 當MIC/LN1,MIC/LN2 為高電位時，提供26dB 非反相放大. 若為低電為時，則為電呀隨耦器. 另外PA1/PA2 為高電為時，提供48V幻象電源供電容式MIC 使用。
c. CAT1117 為可調式DC LDO 轉換器，只能作Step down，故輸出電壓<輸入電壓. 供應3 c.CAT1117 為可調式DC LDO 轉換器，只能作Step down，故輸出電壓<輸入電壓. 供應3.3V給MCU 及Codec 使用。 d.NJM2374AD/AM 為DC-DC switching 轉換器, 利用內置MOSFET 及外部電感，電容進行暫態型充放電，來達到穩定的電壓.48V供應電容式MIC，+/-8V 用來供應OPA IC。
圖四＆二：信號輸入與電源供應線路圖
3.MCU 與CODEC 部份，請見圖四＆三, 各元件功能說明如下： a.MC9S08AW32(MCU) 為主系統控制器， 與MEGA8515 取得溝通後進行相應控制，諸如LED 顯示與輸出音量控制(由內部10bit 的ADC 確認Master A/B 的相對電壓來進行對Codec 音量控制) 。 b.74HC595 為8bit 串列轉並列IC，可將MCU 下達LED 之串列信號轉成並列輸出，來明確表示哪個LED 該亮起。 c.UDA1345TS 為A/D，D/A 的Codec，可將類比信號轉成數位信號(Audio digital signal)傳至ISP1583BS，也能從ISP1583BS 的數位信號轉換成類比信號，並接受MCU 的指令改變輸出音量。
圖四＆三：MCU 與CODEC 線路圖
4.LED 及混音部份，請見圖四＆四，各元件功能說 明如下： a.LA2284 為壓控LED 驅動器，依信號的大小來驅動LED，該原件具有3dB 及5 dB定數驅動功能，所以很精準得知信號的大小。 b.15218(BA15218) IC407 及IC408 的信號來源分別來自兩個CODEC(UDA1345TS) 的輸出， 在這部份進行14dB 的非反相放大,輸出信號除了給後面輸出端子用外， 另外分流至IC400A/B 的混音部份， 這部份線路為加法器， 依Mon. source的電位器選擇耳機想要監聽的信號源(選擇Codec 的信號) ，再送至IC405A/B 與外部類比信號源來選擇想用耳機監聽哪部份(選擇Codec 及外部信號源) ， 再分別送至IC401A/B 與IC406A/B， 來進行兩只耳機的信號輸出增益調整。
c. 值得一提的是， Mon. source 及Mon. Mix. 的混音部份都會有11 c.值得一提的是， Mon. source 及Mon. Mix. 的混音部份都會有11.7dB 的衰減， 這是因為雙方信號輸入之前有連接OPA輸出端口， 因OPA 輸出阻抗接近0Ω，所以分壓的結果造成信號至加法器共接點衰減了11.7dB， 為了彌補衰減值， 利用反相負回授方式， 再將信號放大11.8dB(電阻值關係， 難調整至剛好11.7dB) 。
圖四＆四： LED 及混音線路圖
5.輸出及耳機放大部份，請見圖四＆五，各元件功能說明如下： a.JK303,JK304 為CODEC(IC207) 的輸出,JK307A 為CODEC(IC208) 的輸出. 在開機或關機因OPA 雙電壓供電時間不一時產生的位準偏移，當雙電壓到達穩定時才會有穩定的”零”電位(參考地) ，而OPA 輸出端會有5~15ms的爆音輸出， 為了讓爆音降低， 故在圖中可以看到MUTE 的控制信號， 來推動C4695(2SC4695)電晶體, 讓爆音直接下地。 b.IC303A/B 為將信號做反相， 目的是輸出需要有差動信號(平衡式輸出) ，所以該元件是做180度的相位改變。 d.TPA152(IC304/IC305) 為兩只耳機放大器， 因為耳機一般的DC 阻抗約為32Ω， 若要得到50mW 的功率,其輸出需要1.26Vrms 的電壓, 換算成峰值後其電流需要56mA， 一般OPA 最大只有25mA， 所以使用此高電流輸出IC 比較恰當。
圖四＆五：輸出及耳機放大線路圖
PCB 佈局圖: 共分為控制板與USB板之絲印底層與上層圖,與銅箔底層與上層圖,請見圖五組圖 圖五＆一：控制板上層絲印圖
圖五＆二：控制板上層PCB佈局圖
圖五＆三：控制板下層絲印圖
圖五＆四：控制板下層PCB佈局圖
圖五＆五：USB板上層絲印圖
圖五＆六：USB板上層PCB佈局圖
圖五＆七：USB板下層絲印圖
圖五＆八：USB板下層PCB佈局圖
第四章 實作及程式模擬過程【為第二學期所需完成之進度】 產品演示: 為確認音頻信號是否進入PC, 並確認PC已經將信號至機台播放, 故連接方式如下方塊圖說明,
PCB 半成品
機台成品:
4-1 硬體實作過程 接線說明: 另準備一台USB音效卡,將PC 內的time code 信號傳輸至音效卡上. 將time code 信號送到測試機台上,連接USB線,以便讓time code 信號傳至PC 裡的Traktor DJ 軟體, 做為音樂播放速度的基準信號 連接主音量喇叭及監聽耳機.
4-2 軟體操作過程 使用軟體: Reloop Spin! : 用於USB音效卡,將time code 以類比信號送出,準備做為測試機台之類比信號輸入. Traktor : 用於測試機台上, 依time code 信號來改變音樂播放的速度, 以下為軟體設定.
1.選好輸出通道, Out1/2 為主音量 輸出, Out3/4 為耳機監聽
2. 確認time code 信號分別進入Channel A 與Channel B
3.將音樂分別拉至Deck A 與Deck B
第五章 結論 整整兩個學期的時間，本小組在指導老師 張慎周 主任的指導之下及本組人員大家齊 心協力的配合，加上分工合作的狀態之下已 經將專題的成品製作完成並依照進度完成了 各項測試終於快要告一段落了，此項專題所 研究的成品相信在科技日新月異的時代必然 能夠為相關的音樂工作者帶來一點小小的貢 獻，我想這也是本小組最後的研究目的。
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