USB-audiokorttien suunnittelu ja valmistus

[pinppi]

En nyt keksi tähän hätään parempaa otsikkoa. Muokkaan jos se ei kelpaa.

Aloitetaan historialla ja siitä miten kaikki sai alkunsa:

Kasasin joulukuussa 2018 pöytäkoneen opiskelijabudjetilla. Emolevyksi tuli täälläkin muistaakseni hehkutettu assrockin b450 lankku. ASRock B450M Pro4, mATX-emolevy - 94,90€

Jimmsinkin listauksessa on audion kohdalle mainittu Realtek ALC892. Paperilla varmaan ihan ok codec kun äkkiseltään googlettaa. Käytännössä kuitenkin itse olin ensimmäisestä kuulokkeiden liittämisestä lähtien pettynyt audion erittäin pahviselta kuulostavaan laatuun ja matalaan äänenvoimakkuuden tasoon vaikka nupit löisi kaakkoon ja jouduin ensimmäistä kertaa elämässäni tosissaan miettimään, että pitääkö tässä hommata vielä erikseen erillinen äänikortti. Tiesin, että vika ei ole kuulokkeissa koska kyseessä ovat jotkut hi-res pioneerit ja kuitenkin kyseiset kuulokkeet olivat omiin korviin aivan loistavan laadukkaat "parin tuhannen euron arvoisen" (parin sadan) käytetyn yritysläppärin kanssa. Päädyin siihen lopputulokseen että ALC892 = paskaa tai viallinen tässä tapauksessa.

No juuri valmistuneena elektroniikka-asentajana googletteluiden jälkeen ja amazonit/ebayt/aliexpressit läpi kahlanneena päädyin siihen lopputulokseen, että piirränpä itse scheman ja suunnittelen piirilevyn toki tietysti nettiä paljon apuna käyttäen. Törmäsin amazonissa ja muissakin paikassa niin usein tähän ja siitä syystä päätin ottaa mallia ainakin piirin osalta: Random ebay-kortti

Piirin datalehti löytyy texas instrumentsin sivuilta ja kyseiseltä datalehdeltä löytyy myös esimerkki kytkentä. No kyseistä kytkentää ja parin muun kyseisen piirin esimerkkikytkennän kopioineena lopputuloksena toimiva kortti. Komponenttien tilaaminen, suunnittelu ja piirilevyjen tilaaminen lcsc/easyeda/jlcpcb sivustoilta. Helppoa kuin se kuuluisa heinänteko. Kotelonkin koko viritykselle suunnittelin ja kyhäsin pikaisesti 3D-tulostimen avulla.

Yritin suunnitella kaiken mahdollisimman pitkäikäiseksi ja komponentit valitsin tätä silmällä pitäen. Pääpiirteissään valitsin samsungin ja muiden ainakin omaan korvaan ja pikaisten googletteluiden perusteella laadukkaiden valmistajien komponentteja.

No se siitä historiasta. Alla pari kuvaa tuohon räpellykseen liittyen. Kuten sanottu niin toimiva, vaikka ei varmasti mikään insinööritason työ olekaan. Joku pieni sivuääni löytyy silloin tällöin ja en tiedä mistä johtuu. Itseäni ei haittaa kun ei ole millään tasolla häiritsevä, mutta tiedoksi jos jotakuta sattuisi kiinnostamaan ja lähtisi tätä kopioimaan . Ehkä jossain on tapahtunut moka ja joku osaa ja jaksaa oikaista. Ja kyllä tiedostan, että levyllä on mute-napin paikka ja ledejäkään ei ole.


Kyseisen codecin näytteenottotaajuus on 48Khz jne, mutta pieksee kyllä kaikin puolin laadussa verrattuna tuohon emolevyyn liimatun kikkareen. Kuulokkeet kun ovat tuohon kytketty niin windowsin 30-40/100 äänenvoimakkuus on omaan metallilla pilattuihin korviin riittävä. Kun kuulokkeet kytkee suoraan koneen etu/takapaneeliin niin saa kyllä lyödä äänenvoimakkuuden täysille ja silti se on tasoa "meh" puhumattakaan jo edellä mainitusta pahvisuudesta.

No kuten monessa muussakin asiassa niin tässäkin nälkä kasvaa syödessä. Varmasti tältä elektroniikan rakentelu/diy alueelta löytyy joku muu samasta aiheesta kiinnostunut. Mikä olisi seuraava piiri mikä pieksisi tämän 100-0, kuten tämä pieksee emolevyn oman 100-0? Itsellä kävi mielessä PCM3070 ja kyseinen piiri myöskin Texas Instrumentsilta.

Pidetään keskustelu asiallisena. Olen kuitenkin vain elektroniikka-asentaja ja diy kiinnostaa lähinnä harrastuksena.

 

[nilikka]

Alun disclaimer: En siis ole insinööri, mutta elektroniikan kanssa on tullut puuhasteltua ja työt löytyy livetekniikan parista.

Näin äkkiseltään piirilevyltäsi pistää silmään erillisen ison maalayerin puute. Nykyään kun piirilevyjä saa pienissä erissä halvalla 2 kerroksisina ja kohtuulliseen hintaan jopa 4 kerroksisina, en näe mitään syytä jättää sitä lisäämättä. Auttaa välittömästi ulkoisten häiriöiden poistossa.

Toinen on metallinen, maadoitettu kotelo, sillä se blokkaa tehokkaasti kaiken radiotaajuisen häiriön. Piirissäsi kaikki kulkee balansoimattomana piirin ja kuulokeliittimen luonteesta johtuen, joten kaikki vedot piirilevyllä erityisesti analogipuolella toimivat antenneina häiriöitä puoleensa imevinä. Tähän siis nuo iso maataso ja maadoitettu metallinen kotelo auttaisivat. Jos vielä tämän jälkeen tulee häiriötä, lisäisin virtapuolelle (eli usb:n vbusiin) lisää häiriönpoistoa. Enemmän on enemmän. Myös AGND:n erottamista muista voisi harkita, niin että kuulokkeiden ja mikrofonin maa kelluisi usb:n maahan verrattuna. Tästä ei tosin piirin datalehdessä mainita mitään, joten käytännön toimiminen on hyvin kysymysmerkki.

Tämän jälkeen suuntaisin tutkimisen softapuolelle; onko piiri conffattu oikein, onko ajurit ajantasalla ja onko niiden kanssa jokin määrity väärin?

Noin muuten näyttäisi omaan silmään ihan järkevälle; audiopuolen tärkeät konkat on ainakin skemassa laadukkaita jne.

 

[pinppi]

Hyvä vinkki ja iso kiitos. Kaikkea ei aina vain tule hiffattua, mutta menee kyllä korvan taakse tuo gnd-vinkki ja pitää yrittää oppia virheistä! Pitäisi varmaan e-asentajana tuo tietääkin mutta näin ne vain unohtuu ja jää huomiotta. Tosiaan tuota häiriöääntä ei kyllä kuule vaikka kun pelailee/kuuntelee musiikkia, mutta joskus se tulee esiin kun on hiljaista eli esim. musa loppuu ja samaan aikaa lukee vaikka esimerkkinö iltalehteä, silloinkaan se ei tosin ole itseäni häiritsevä. Lyö kuitenkin laudalta tuon toisen vaihtoehdon eli kuulokkeet suoraan koneeseen kiinni.

Tosiaan olen ollut tarpeeksi tyytyväinen tähänkin eikä ideana ole (ehkä) tehdä tästä samasta piiristä v1.1 levyä. Ihan ammattitaitoa ylläpitäen ja uutta oppien kiikarissa olisi joku uudella "paremmalla" piirillä varustettu levy. Jos tiedossa hyvä ja suht "simppeli" piiri niin otan kyllä sen tiedon myös suurella kiitoksella vastaan

 

[zepi]

Hyvä vinkki ja iso kiitos. Kaikkea ei aina vain tule hiffattua, mutta menee kyllä korvan taakse tuo gnd-vinkki ja pitää yrittää oppia virheistä! Pitäisi varmaan e-asentajana tuo tietääkin mutta näin ne vain unohtuu ja jää huomiotta. Tosiaan tuota häiriöääntä ei kyllä kuule vaikka kun pelailee/kuuntelee musiikkia, mutta joskus se tulee esiin kun on hiljaista eli esim. musa loppuu ja samaan aikaa lukee vaikka esimerkkinö iltalehteä, silloinkaan se ei tosin ole itseäni häiritsevä. Lyö kuitenkin laudalta tuon toisen vaihtoehdon eli kuulokkeet suoraan koneeseen kiinni.

Tosiaan olen ollut tarpeeksi tyytyväinen tähänkin eikä ideana ole (ehkä) tehdä tästä samasta piiristä v1.1 levyä. Ihan ammattitaitoa ylläpitäen ja uutta oppien kiikarissa olisi joku uudella "paremmalla" piirillä varustettu levy. Jos tiedossa hyvä ja suht "simppeli" piiri niin otan kyllä sen tiedon myös suurella kiitoksella vastaan

Vaihtuuko häiriöääni jos esim. skrollaat jotain nettisivua tai jos siellä pyörii jotain mainoksia tai jos ajat esim. CPU- / GPU-rasitustestiä?

 

[pinppi]

Tuo häiriöääni ei ole jatkuva ja koko ajan läsnäoleva. Tällä hetkellä ei yhtään mitään vaikka kuinka scrollaisi, ja ajoin myöskin superposition bencharmkin eikä mitään ylimääräistä kyllä kuulu. Itse asiassa nyt kun mainitsit niin esim. youtubessa tuo ilmiö tulee esiin. Pysäyttämällä, jatkamalla ja taas pysäyttämällä tuon ilmiön huomaa parhaiten...

 

[Ploro]

Nopeasti kuvaa katsottuna niin pari "parannusta" tuon GND tason lisäksi. En ole audio juttuja tehnyt, mutta jotain hajua leiskauksesta on.

1. Ainakin kaikki bypass konkat tulisi laittaa mahdollisimman lähelle pinniä johon ne kuuluu. Esimerkkinä C5/6 tulisi laittaa niin lähelle piirin pinnejä kuin vain saat. Onko nuo konkat 1206 koteloita? Voisit vaihtaa ne pienempään jotta saat ne lähemmäksi ja leiskaa tiiviimmäksi. Esim 0805 ja 0603 pitäisi vielä onnistua kolvamaan käsin
2. Kun sinulla sitten on se maataso siellä bottomissa niin "kaikki" maat lyhyellä vedolla läpiviennin kautta maatasoon.
3. Analogi signaaleille voisi miettiä "omaa" maatasoa toppiin joka yhdistetään vain yhdestä pisteestä muutamalla läpiviennillä bottomin tasoon.
4. Ainakin USB liittimeen voisi miettiä jotain ESD suojausta (esim TVS diodit).

Vinkkinä, että siinä TI:n datalehdessä on jopa esimerkki leiska.

Sitten kun mietit paremman tekoa niin, mitä tarkempi se ADC on, sitä enemmän pitää sitä leiskaa miettiä, tai kaikki lisäbitit resoluutioon katoaa "huonoon leiskaan".

 

[PornReindeer]

Hieno projekti ja hyviä vinkkejä.
AGND:sta pysyisin erossa, yleensä peruselektroniikassa sillä vain huonontaa tilannetta verrattuna yhteen kunnolliseen maahan vaikka tietäisikin mitä olisi tekemässä.
Input-konkitus on aika kevyt, ilman uutta levyäkin voisi usbin powerilinjaan juotella pari konkkaa ja katsoa auttaako. Onko tuo kela ihan oikea kela? Vaihtaisin sen ennemmin ferriittiin, joka on hieman riskivapaampi suodatuskäytössä.

 

[pinppi]

Tännehän tulee valtavasti hyviä vinkkejä.

Vinkkinä, että siinä TI:n datalehdessä on jopa esimerkki leiska.

No kävinpä katsomassa tuota datalehteä. Pari sivua ylempänä tuota layout examplea on typical application ja sen mukaan tämän tein . Pitäisi malttaa ja käydä datalehti kunnolla läpi ja loppuun asti. Suuret kiitokset kuitenkin.

 

[Ploro]

Hieno projekti ja hyviä vinkkejä.
AGND:sta pysyisin erossa, yleensä peruselektroniikassa sillä vain huonontaa tilannetta verrattuna yhteen kunnolliseen maahan vaikka tietäisikin mitä olisi tekemässä.
Input-konkitus on aika kevyt, ilman uutta levyäkin voisi usbin powerilinjaan juotella pari konkkaa ja katsoa auttaako. Onko tuo kela ihan oikea kela? Vaihtaisin sen ennemmin ferriittiin, joka on hieman riskivapaampi suodatuskäytössä.

En tarkoittanut erillistä "AGND:tä" vaan saman GND tason luotia analog hässäkän ympärille joka yhdistettään

Hieno projekti ja hyviä vinkkejä.
AGND:sta pysyisin erossa, yleensä peruselektroniikassa sillä vain huonontaa tilannetta verrattuna yhteen kunnolliseen maahan vaikka tietäisikin mitä olisi tekemässä.
Input-konkitus on aika kevyt, ilman uutta levyäkin voisi usbin powerilinjaan juotella pari konkkaa ja katsoa auttaako. Onko tuo kela ihan oikea kela? Vaihtaisin sen ennemmin ferriittiin, joka on hieman riskivapaampi suodatuskäytössä.

En siis tarkoittanut erillistä AGND:tä vaan analogi seteille omaa tasoa toppiin joka vedetään yhdestä pisteestä bottomiin. Eli, että se topin maa vedetään ”tähtipisteellä” kiinni ja kaikki on sitten samassa maatasossa kiinni.

Audio ja analogi on ihan oma taiteenlajinsa joka on melkoista mustaamagiaa.

En väitä tuon parantavan tilannetta, enkä ole ikinä audio juttuja tehnyt. Yleisesti puhuen, jonkun esim 16 bit resoluution analog signaaliin mittaaminen (niin, että siitä ei levyllä muutu 10 bittinen) vaatii jo vähän miettimistä.

Elektroniikasta kirjoittaminen suomeksi on myös yllättävän vaikeaa.

 

[PornReindeer]

En siis tarkoittanut erillistä AGND:tä vaan analogi seteille omaa tasoa toppiin joka vedetään yhdestä pisteestä bottomiin. Eli, että se topin maa vedetään ”tähtipisteellä” kiinni ja kaikki on sitten samassa maatasossa kiinni.

Audio ja analogi on ihan oma taiteenlajinsa joka on melkoista mustaamagiaa.

En väitä tuon parantavan tilannetta, enkä ole ikinä audio juttuja tehnyt. Yleisesti puhuen, jonkun esim 16 bit resoluution analog signaaliin mittaaminen (niin, että siitä ei levyllä muutu 10 bittinen) vaatii jo vähän miettimistä.

Itseasiassa en ollut päivittänyt sivua (ja lukenut viestiäsi) ennen vastaustani, tuohon analogimaahan viitattiin jo aikaisemmin.

Mutta joka tapauksessa lasken tuollaiset mainitsemasi tietystä paikasta yhdistetyt digitaali- ja analogiamaat yleiseen AGND-puuhasteluun ja pysyn kannassani että kannattaa pysyä eroa jos ei tiedä mitä tekee. Ns. "oikein tehtynäkään" monessakaan sovelluksessa siitä ei ole hyötyä ja voi suorastaan olla haittaa. En sano että kaikissa tilanteissa hyödytön, mutta lähtökohtaisesti suosittelisin harrastelijalle yhtä maata ja siihen maadoituksen tekemistä hyvin.

 

[Ploro]

Itseasiassa en ollut päivittänyt sivua (ja lukenut viestiäsi) ennen vastaustani, tuohon analogimaahan viitattiin jo aikaisemmin.

Mutta joka tapauksessa lasken tuollaiset mainitsemasi tietystä paikasta yhdistetyt digitaali- ja analogiamaat yleiseen AGND-puuhasteluun ja pysyn kannassani että kannattaa pysyä eroa jos ei tiedä mitä tekee. Ns. "oikein tehtynäkään" monessakaan sovelluksessa siitä ei ole hyötyä ja voi suorastaan olla haittaa. En sano että kaikissa tilanteissa hyödytön, mutta lähtökohtaisesti suosittelisin harrastelijalle yhtä maata ja siihen maadoituksen tekemistä hyvin.

Amen.

Pinpille suosittelen leiskausta uudestaan ajatuksen kanssa. Sulla on schema jo valmiina niin on helppo harjoitella tekemällä tuo leiska uudestaan. Voit sitten vertailla alkuperäistä ja ”uutta”. Saat varmaan myös paljon pienempään kokoon tuon piirilevyn.

Vaihtele vastukset ja konkat pienempiin koteloihin niin tulee sitten harjoitusta myös kolvaukseen. Vaihda vaikka kaikki 1206 kotelot 0805 ja pistä muutama 0603 niin tulee sekin koitettua. Siitä on sitten helppo päättää seuraavaan projektiin, että mitä on helppo kolvailla ja mitä ei.

 

[pinppi]

Vaihtele vastukset ja konkat pienempiin koteloihin niin tulee sitten harjoitusta myös kolvaukseen. Vaihda vaikka kaikki 1206 kotelot 0805 ja pistä muutama 0603 niin tulee sekin koitettua. Siitä on sitten helppo päättää seuraavaan projektiin, että mitä on helppo kolvailla ja mitä ei.

Juu kokemusta on molemmista koteloinneista kyllä entuudestaankin. Tähän projektiin valikoitui 1206 lähinnä sen takia, että juotostyö itsessään olisi sellainen "kevyt sunnuntaijuottelu" eli mentiin sieltä missä aita on matalin. Käsittääkseni jlcpcb:ltä, mistä nämäkin levyt on tilattu saisi myös pientä lisämaksua vastaan smd-komponentit valmiiksi juotettuina levylle. Eli senkään puolesta ei kyllä jäisi tuosta komponenttien koteloinnin koosta kiinni.

Tässä on tullut todella hyvää vinkkiä ja palautetta, mutta olen kuitenkin itse kallistunut siihen suuntaan, että yritän ottaa nöyrästi virheistä opiksi ja täältä saadun opin pyrin yhdistämään seuraavaan "paremmalla piirillä" varustettuun levyyn. Itse olen sitä mieltä, että vaikka tästä nyt väsäisin pienemmän v1.1 levyn ja korjaisin kaikki muutkin suunnitteluvirheet ja asiat mitä en aikaisemmin osannut ottaa huomioon, niin tällä piirillä se itselle tärkeä asia eli äänenlaatu ei kuitenkaan tule muuttumaan riittävän merkittävästi. Eniten tässä itseäni siis kiinnostaisikin päästä vertailemaan rinta rinnan paremmalla piirillä varustettua (ainakin paperilla) levyä ja tätä nykyistä.

Ei kuitenkaan ole täysin ilmaista lähteä tilailemaan jokainen komponentti pienempänä ja uudet levyt. Mieluummin säästäisin nuo rahat mahdollisesti ja todennäköisesti seuraavan levyn kanssa tapahtuviin mokiin.