Tee itse S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin

Tee itse S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin

Tee itse Jukka Hietala 2002 S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin Cd-soittimesta, dvd-soittimesta ja erityisesti tietokoneesta saa yleensä paremman äänen kuulokkeisiin erillisellä kuulokevahvistimella. Tietokoneissa analogiset liitännät ovat lähes poikkeuksetta niin huonosti toteutettuja, ettei niiden käyttö hifikuunteluun ole järkevää. Siksi tässä esiteltävässä kuulokevahvistimessa on analogisten liitäntöjen lisäksi digitaalinen S/PDIF-liitäntä. Sen avulla kuulokevahvistin voidaan liittää muihinkin laitteisiin, esim. digitaaliseen satelliittivastaanottimeen tai suoraan cd-rom-asemaan. Laite koostuu kahdesta osasta: D/Amuuntimesta ja varsinaisesta kuulokevahvistimesta. Kuulokevahvistin perustuu aiemmin suunnittelemaani erittäin yksinkertaiseen, mutta suorituskyvyltään hyvään kytkentään ja siihen on lisätty D/A-muuntimen tarvitsemat liitännät. Molemmat ovat samankokoisella ( 85 mm x 53 mm ) piirilevyllä ja ne voidaan sijoittaa päällekkäin pieneen koteloon. Käyttäjälle näkyvät liittimet ja potentiometri kiinnitetään koteloon ja juotetaan johdoilla piirilevyille, koska näin voidaan käyttää vapaavalintaista koteloa ja liittimiä, eikä piirilevyihin kohdistu käytön aiheuttamaa rasitusta. Laite toimii näytteenottotaajuuksilla 32, 44.1, 48, 88.2 ja 96 khz, joten se soveltuu moneen muuhunkin käyttöön kuin cd-levyjen kuunteluun. S/PDIF-liitäntä toimii myös TTL-tasoisella signaalilla. Osien hinta jää kokonaisuudessaan alle 50 euroon, joten hinta-laatu -suhde on enemmän kuin kohdallaan. Rakentaminen onnistuu henkilöltä, jolla on hieman kokemusta elektroniikkalaitteiden kasaamisesta ja sorminäppäryyttä. D/A-muunnin D/A-muunnin muodostuu neljästä mikropiiristä ja oheiskomponenteista. S/PDIF-signaali tuodaan liittimestä K3 75 ohmin koaksiaalikaapelilla piirilevylle, jossa sen päätetään 75 ohmin kuormaan. Piirillä IC1, joka on Philipsin 74HC04- invertteri ja oheiskomponenteilla muutetaan siihen tuleva S/PDIF-signaali TTL-tasoiseksi, josta se edelleen viedään IC2:een. IC1 saa 5 voltin käyttöjännitteen jänniteregulaattorilta IC4 häiriönpoistokelan L1 läpi. Kytkentä on niin herkkä, että se toimii myös TTL-tasoisella tulosignaalilla, jota mm. tietokoneiden cd-rom-asemat antavat. IC2 on Texas Instrumentsin DIR1701. Se on digitaalinen audiovastaanotin, joka vastaanottaa TTL-tasoisen S/PDIF-signaalin ja dekoodaa sen D/A-muuntimen ymmärtämään muotoon. Varsinaisen 16-bittisen audiodatan lisäksi IC2 muodostaa S/PDIF-signaalista D/A-muuntimen tarvitsemat tahdistussignaalit ja jälkivaimennuksesta kertovan signaalin. IC2 lukkiutuu siihen tulevaan TTL-tasoiseen S/PDIF-signaaliin ja suodattaa jitteriä eli ajastuksen värinää pienemmäksi. Ts. IC2 ja siihen tuleva S/PDIF-signaali käyvät keskimäärin samaan tahtiin, mutta IC2:sta D/A-muuntimelle menevä järjestelmäkellosignaali on taajuudeltaan stabiilimpi. Tähän käytetään SpAct -järjestelmää ( Sampling Period Adaptive Controlled Tracking ), joka toimii 100 MHz:n kellotaajuudella. IC2:n vaatima n. 3,3 voltin käyttöjännite muodostetaan zenerdiodilla D1 ja vastuksella R4. Digitaalisen osan jännite viedään piiriin kelan L2 läpi, joka estää IC2:sta mahdollisesti lähtevien häiriöiden leviämisen muualle kytkentään. IC3 on Texas Instrumentsin D/A-muunnin PCM1725. Se saa IC2:sta näytteenottotaajuuteen nähden 256-kertaisen järjestelmäkellopulssin eli cd-levyä kuunneltaessa se on 11,2896 MHz. D/A-muunnos perustuu 8-kertaiseen ylinäytteistykseen ja kolmannen asteen 5-tasoiseen deltasigmamodulaattoriin. Ne toimivat 64- kertaisella näytteenottotaajuudella. Tältä osin järjestelmä muistuttaa SACD:tä, sillä siinäkin käytetään deltasigmamodulointia ja samalla taajuudella. IC3 hoitaa tarvittaessa myös joidenkin cd-levyjen vaatiman jälkivaimennuksen. Tiedon jälkivaimennuksen tarpeesta se saa myös piiriltä IC2. D/A-muuntimen digitaalisen suodattimen päästökaistan aaltoilu on enintään ±0,17 db ja vaimennus noin puoli desibeliä taajuudella 0,454 kertaa näytteenottotaajuus. Tämä vastaa cd- Jukka Hietala 2002 Tee itse S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin 2

kuuntelussa taajuutta 20 020 Hz. Tätä suuremmat taajuudet suodatetaan digitaalisella suodattimella jyrkästi, jotta häiriöt eivät haittaa kuuntelua. Sisäisen analogiasuotimen vaimennus 20 khz:n taajuudella on 0,16 db, 100 khz:n kohdalla 3 db ja 10 MHz:n taajuudella jo 60 db. Muuntimen lähdöt, vasen ja oikea kanava viedään johtimilla kuulokevahvistimen piirilevylle, jossa niistä suodatetaan pois 2,5 voltin tasajännite. Sama tasajännite on liitännässä CAP, jota ei kytketä kuulokevahvistimeen, vaan se on varalla muuta käyttöä varten. Tarkemmat tiedot piireistä IC2 ja IC3 löytyvät niiden datasivuilta, jotka saa pdf-muodossa osoitteesta www.ti.com. Osat haltuun Piirit IC2 ja IC3 saa erittäin helposti tilaamalla ne näytteinä Texas Instrumentsilta osoitteesta www.ti.com. UPS toimittaa näytteet muutamassa päivässä perille tilausosoitteeseen, eikä koko homma maksa yhtään mitään. Näytepiirejä voi tilata kerrallaan kolme kappaletta kutakin, eikä niitä saa myydä. Tilausta varten pitää rekisteröityä antamalla yhteystiedot, joihin vaaditaan myös tilaavan yrityksen nimi. Yksityishenkilö voi tilata toiminimellä, mutta myös oppilaitos käy hyvin, ja voit tilata siitä huolimatta kotiosoitteeseen. Muut osat saa ainakin Partco Oy:stä ja liittimet K1 ja K2 kullattuina Biltemasta. Liittimet, kotelon ja potentiometrin voi tietenkin valita oman maun mukaan, mutta on pidettävä huoli, että ne mahtuvat yhdessä piirilevyjen kanssa käytettävään koteloon. Jos käytät pelkkää D/Amuunninta omassa projektissa, muista D/Amuuntimen lähdöissä oleva 2,5 voltin tasajännite. Kuulokevahvistin Kuulokevahvistin perustuu audiokäyttöön tarkoitettuun vähäkohinaiseen NE5532- operaatiovahvistimeen. Jännitevahvistusta säädetään muuttamalla takaisinkytkentää potentiometrilla P1. D/A-muuntimelta tulevaa signaalia vahvistetaan 6,6 db enemmän, koska D/Amuuntimen lähtöjännite on noin puolet tavallisen cd-soittimen lähtöjännitteestä. Kytkennän kaistanleveyttä ei ole rajoitettu, koska sitä ei ole havaittu tarpeelliseksi. Kuulokevahvistimen piirilevyllä on myös käyttöjännitteen tasasuuntaukseen ja suodatukseen liittyvät komponentit sekä tietenkin sulake. D/Amuunnin ottaa tarvitsemansa 55 ma:n virran kuulokevahvistimen piirilevyltä. Virran koko laite saa ulkoisesta Mascotin vaihtovirtalähteestä, ja se on suuruudeltaan n. 120 ma. Piirilevyt kotikonstein Molemmat piirilevyt onnistuvat kotikonstein ilman mitään erikoislaitteita. Kannattaa käyttää valmiiksi lakattua piirilevyä, koska valmiiksi lakatut ovat tasalaatuisia ja ne on helppo valottaa kotikonstein. Valotusta varten tulosta vähintään 300 dpi:n lasertulostimella kaksi kalvoa samasta piirilevystä. Jos mahdollista, säädä tulostimen tummuus maksimiin. Korjaa tulostimen mahdollisesti jättämät reiät mustalla kalvotussilla ja leikkaa kalvoja paljon pienemmiksi. Teippaa kalvot tarkasti päällekkäin siten, että pienempi kalvo jää valotuksessa päällimmäiseksi. Tämän jälkeen sahaa 1 cm liian pitkä piirilevyn pala ja poraa ylimääräiseen osaan reikä johtoa varten. Siisti viilalla sahatut reunat ja reikä, jotta ne eivät jää kantamaan kalvoa ja siten huonontamaan valotustulosta. Valotus tapahtuu hämärässä huoneessa ottamalla lakkapinnan suojamuovi pois ja laittamalla piirilevy pöydälle lakkapuoli ylöspäin, sen päälle teipatut kalvot ja päällimmäiseksi kirkas cdlevykotelon kansi painoksi. Cd-levykotelon kansi riittää, kun kalvot on leikattu pieniksi. Valotukseen tarvitaan UV-valoa. Sitä saa piirilevyvalotuslaitteen lisäksi tavallisesta loisteputkesta. 11 watin loisteputkella varustetusta pöytälampusta UV-valoa tulee sen verran, että 6,5 sentin valotusetäisyydellä Partco Oy:stä ostettu levy valottui 20 minuutissa. Kehitystä ja syövytystä varten pujota piirilevyssä olevaan reikään n. 20 cm pitkä sähköjohto, josta levyä voi liikuttaa astioissa. Kehitys tapahtuu luonnollisesti natriumhydroksidilla, jota sekoitetaan veteen ohjeen mukaisesti. Partco Oy:n ohjeen mukaisessa seoksessa levy kehittyi sitä hiljalleen seoksessa liikuttaen parissa minuutissa. Kehityksen lopussa kannattaa nostella levyä ja katsella sitä tarkemmin. Levyn pesun jälkeen anna sen kuivua ja korjaa tussilla sahatun reunan epätasainen jälki. Jukka Hietala 2002 Tee itse S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin 3

Syövytykseen käytetään ferrikloridia, jota sekoitetaan veteen niin paljon, kuin siihen liukenee. Levy syöpyy seoksessa n. 10 minuutissa. Kuten kehityksessä niin myös syövytyksen loppuvaiheessa kannattaa tarkkailla prosessin edistymistä, eikä syövyttää liikaa. Parempi että D/Amuuntimen piirilevyllä pintaliitoskomponentille IC2 tulevat ohuet johtimet jäävät yhteen, kuin että ne syöpyvät pois. Kehityksessä ja syövytyksessä käytettävät nesteet kannattaa laittaa talteen varoitusteksteillä varustettuihin muovipulloihin, koska niitä voi käyttää uudelleen. Syövytyksen jälkeen pese levy ja sahaa siitä ylimääräisen osa irti. Sahatun reunan viilauksen ja saippuoidulla teräsvillalla tapahtuvan kuparin kiillotuksen jälkeen poraa reiät 1 millimetrin terällä. Tavallinen pienoisporakone on tähän hommaan kätevin. Kuulokevahvistimen rakentaminen Rakentaminen kannattaa aloittaa helpommasta eli kuulokevahvistimesta. Kuulokevahvistimella ei ole mitään ehdotonta kasausjärjestystä, mutta helpointa on aloittaa pienimmistä komponenteista. Komponenttien oikeat paikat näet osasijoittelukuvasta ja arvot osaluettelosta. Laita elektrolyyttikondensaattorit, IC:t ja diodit oikein päin. Jos asennat molemmat piirilevyt ohjeen mukaiseen koteloon, poraa piireille IC2 ja IC3 niin isot reiät, että ne voidaan asentaa isompien kondensaattorien tasalle tai alemmas. Viimeisenä juota liittimille ja potentiometrille menevät sopivan pituiset johdot, muttei D/Amuuntimelle meneviä johtoja. Kun kaikki komponentit on juotettu, tinaa piirilevyn johtimet reilusti. Tarkasta juotokset ennen jännitteen kytkemistä. Kytke jännite verkkolaitteesta ja mittaa kuulokeliitännän tasajännite, joka on enintään muutama millivoltti. Tämän jälkeen testaa kuulokevahvistimen toiminta analogisilla tuloilla ja kuulokkeilla. D/A-muuntimen rakentaminen Rakentamisessa hyödylliset välineet. Vasemmalta oikealle: juoksutetussi, piirilevykynä, Weller-juottokolvin kapeampi kärki ja tinaimusukka. D/A-muuntimen kasaus kannattaa aloittaa pintaliitoskomponenteista, joiden juottaminen sopivilla välineillä on melko helppoa. Mittaa ensin piirilevyn IC2:lle ja IC3:lle tulevat kapeat johtimet yleismittarilla ja korjaa mahdolliset oikosulut mattoveitsellä. Valotuksessa käytetystä kalvosta ja kytkentäkaaviosta näet, mitkä paikat kuuluu olla yhdessä. Tarkasta vielä kertaalleen ja levitä juoksutetta alueelle jossa on ko. johtimia ja tinaa ohuet johtimet ja hieman leveämpiäkin kevyesti. Ime tina pois tinaimusukalla ja tarkasta yleismittarilla. Levitä jälleen juoksutetta piirilevylle sekä myös IC2:n ja IC3:n jalkoihin. Huomaa, että analogiset tulot ovat dc-kytkettyjä, eli niihin kytketty tasajännite vahvistuu myös. Käytännössä ehjien laitteiden linjalähdöissä ei Pintaliitoskomponenttien paikat piirilevyn kuparipuolella. esiinny tasajännitekomponenttia ja siksi dckytkentä ei aiheuta ongelmia. Tässä kytkennässä Aloita juottaminen laittamalla IC3 tarkasti oikeaan ei tarvita suodatuskondensaattoreita ja sen alarajataajuus kohtaan piirilevylle ja tinaa mahdollisimman on 0 hertsiä. läheltä jalkaa 8, mutta älä koske piiriin. Tina menee johdinta pitkin piirin jalkaan ja piiri kiinnittyy siihen kolvilla koskematta. Juota vastaa- Jukka Hietala 2002 Tee itse S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin 4

vasti loput jalat ja korjaa oikosulut tinaimusukalla. Tarkasta oikosulut yleismittarilla. Mitään lähimarketista ostettua kertakäyttökolvia ei kannata käyttää, koska ne ovat liian kuumia ja polttavat juoksutteen eikä niihin saa kunnollisia kärkiä. Kapealla kärjellä varustettu laadukas perustermostaattikolvi riittää hyvin. Esim. Wellerin 60-wattinen verkkovirtakolvi vakiota kapeammalla kärjellä on toimiva, edullinen ja lähes ikuinen ratkaisu. IC2 on työläämpi, koska siinä on enemmän jalkoja ja ne ovat tiheämmässä. Juota samalla menetelmällä aloittaen jalasta 28 ja korjaa lopuksi liika tina tinaimusukalla ja oikosulut mattoveitsellä. Tarkasta jälleen yleismittarilla. Mittaa myös, että jokainen jalka on kiinni oikeassa johtimessa. Hyvät mittapäät syntyvät pieniin hauenleukoihin laitetuista nuppineuloista. Tehokkaasta suurennuslasista on hyötyä tutkittaessa juotosten laatua. Varo kolhimasta pintaliitospiirejä juottaessasi muita komponentteja, ettei komponenttien jalat väänny. Kytke kuulokevahvistimeen verkkolaitteesta jännite, jolloin myös D/A-muunnin saa jännitteensä. Tämän jälkeen kytke liittimeen K3 S/PDIF-signaali ja kokeile laitteen toiminta. Toiminnan aikana naputtele piirilevyjä - erityisesti pintaliitoskomponentteja - huonojen juotosten paljastamiseksi. Kun laite toimii, on aika koteloida se. Irrota liittimet johdoista ja poraa niille sopivat reiät koteloon oheisten kuvien mukaisesti. Käsiporakonetta käytettäessä aloita pienellä, esim. 2 mm:n terällä ja ennen lopullista kokoa poraa vielä n. 6 mm:n terällä. Asenna liitin K3 koteloon ja juota siihen koaksiaalikaapeli. Tämän jälkeen asenna muut liittimet. Asenna kuulokevahvistimen piirilevy aivan kotelon pohjalle vaikka kulmista liimaamalla ja juota siitä sopivasti lyhennetyt johdot liittimiin. Juota koaksiaalikaapelin vapaa pää D/A-muuntimeen ja kiinnitä sen piirilevy kotelon kattoon. Sopivassa asennossa molemmat piirilevyt mahtuvat ohjeen mukaiseen koteloon, mutta pidä huoli ettei komponentit osu toisiinsa. Väliin kannattaa laittaa sähköteippiä. Sulje kotelo, testaa laitteen toiminta ja liimaa kumitassut sen pohjaan. Nyt laite on valmis nautittavaksi. Laiteen etupaneelissa ovat liitin K5 ja potentiometri P1. IC2 ja IC3 piirilevyllä. Tässä mittakaavassa kolvilla tehdyt juotokset näyttävät tökeröiltä. IC3:n jalat ovat vääntyneet piirilevyn osuttua pöytään, mutta laite toimii edelleen oikein. Tässä johtimia ei ole tinattu kokonaan. Poraa piirille IC4 niin isot reiät, että saat sen mahdollisimman matalalle. Tinaa piirilevyn loput johtimet ja tarkasta juotokset. Kytke D/Amuuntimeen kuulokevahvistimesta tuleva johdot VDC ja GND. Vastaavasti kytke D/Amuuntimen lähdöt VOUTL, VOUTR ja GND kuulokevahvistimen vastaaviin kohtiin. Viimeisenä juota liittimestä K3 piirilevylle tuleva 75 ohmin koaksiaalikaapeli, koska se katkeaa helposti. Laitteen takapaneeli. Virtaliittimen K4 oikealla puolella ovat analogiset liitännät K1 ja K2 ja niiden alapuolella digitaalinen liitäntä K3. Jukka Hietala 2002 Tee itse S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin 5

Liittimien paikat kotelossa D/A-muuntimen piirilevy tulee kotelon kanteen ja yhdistetään johdoilla kuulokevahvistimeen. 10 K5 9 P1 18 20 S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format) Etupaneelin liittimen K5 ja potentiometrin P1 paikat. Reikien φ vastaavasti 9 mm ja 10 mm. 10 K4 K1 17 25 34 Takapaneelin liittimien paikat. Reikien φ 8 mm. Kuulokevahvistin 7 K3 Piirilevyjen sijainti kotelossa D/A-muunnin 9 Takapaneeli Kuva ylhäältä K2 16 S/PDIF on Sonyn ja Philipsin kehittämä digitaalisen äänen siirtoon tarkoitettu rajapinta. Se on määriteltiin aluksi standardissa IEC-958 ammattikäyttöön ja kuluttajille tarkoitettuina versioina. Vuonna 1998 standardi nimettiin standardiksi IEC-60958 ja siihen lisättiin mahdollisuus monikanavaäänen siirtoon. Siirtomediana S/PDIF käyttää RCA- tai BNCliittimillä varustettua 75 ohmin koaksiaalikaapelia tai Toslink-liittimillä varustettua muovikuitua. Jännitetaso 75 ohmin kuormaan on ±0,5 ±1 V. Signaali on BMCkoodattua (biphase-mark-code) kanttiaaltoa, jonka taajuuskaista on 100 khz 6 MHz. BMC-koodattu signaali sisältää yhteen moduloituna datan ja kellosignaalin ja sen nopeus on kaksinkertainen varsinaiseen dataan nähden eli cd-kuuntelussa 3,072 Mbit/s. Optinen siirto tapahtuu 1 mm paksussa muovikuidussa käyttäjälle vaarattomana punaisena valona, joka saadaan ledistä. Kuidussa tapahtuva siirto eroaa sähköisestä vain OSI-mallin fyysisellä kerroksella. Suurin siirtoetäisyys 75 ohmin koaksiaalikaapelissa on vähintään 10 m ja muovikuidussa enintään 10 m. Käytettävä siirtotapa ei vaikuta äänenlaatuun, koska molemmat siirtävät täsmälleen saman datan. Jos siirtovirheitä, tapahtuu, ei sitä voi olla huomaamatta äänessä. Mitään bassojen ja diskanttien vaimentumista, stereokuvan huonontumista tai syvyysvaikutelman katoamista ei kerta kaikkiaan voi tapahtua, ellei tällaisiksi lueta kokonaan kadonnutta ääntä tai selviä napsahduksia. Optisen median etuna on galvaaninen erotus ja sähköisen etuna hinta, sillä lyhyillä etäisyyksillä voidaan käyttää tavallista audiokäyttöön tarkoitettua RCA-kaapelia. Etupaneeli Kuulokevahvistimen piirilevy tulee kotelon pohjalle komponenttipuoli ylöspäin. A/D-muuntimen piirilevy tulee kotelon kattoon (kanteen) kuparipuoli ylöspäin. Jänniteregulaattorit ovat takapaneelin puoleisessa päässä. Jukka Hietala 2002 Tee itse S/PDIF-liitännällä varustettu kuulokevahvistin 6