DE19545237A1

DE19545237A1 - Empfangsschaltung für digitale Audiosignale

Info

Publication number: DE19545237A1
Application number: DE19545237A
Authority: DE
Inventors: Werner Baudisch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1995-11-22
Publication date: 1997-05-28

Description

Das Patent betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Geräte zur Audiosignalverarbeitung, deren Signalverarbeitung digital durchgeführt wird, werden zunehmend auch mit digitalen Schnittstellen versehen. Für die Verbindung einzelner Geräte untereinander haben sich Schnittstellen durchgesetzt, bei denen die digitalen Signale in einem seriellen Datenformat übertragen werden, in dem außer den Audiodaten noch eine Reihe von Non- Audio Daten mit übertragen werden. Der logische Aufbau derartiger serieller Datentelegramme ist unter anderem in den Vorschriften AES3 (1992) sowie EBU Tech 3250-E (1992) beschrieben.

Hinsichtlich der physikalischen Realisierung der Schnittstellen werden folgende Verfahren benutzt:

(1) Optische Schnittstellen
(2) Unsymmetrische elektrische Schnittstellen
(3) Symmetrische elektrische Schnittstellen

Symmetrische elektrische Schnittstellen werden noch unterteilt in:

(3.1) Erdsymmetrische Schnittstellen
(3.2) Symmetrisch erdfreie Schnittstellen

Die technischen Spezifikationen für (3.1) sind in der Richtlinie AES3 von 1992 definiert, diejenigen von (3.2) in der EBU-Richtlinie Tech 3250-E von 1992.

Die Erfindung betrifft eine symmetrisch erdfreie Schnittstelle nach (3.2).

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer typischen Schnittstelle nach (3.2).

Fig. 2 ein Schaltbild einer typischen Schnittstelle nach (3.2) ergänzt um einige parasitäre Komponenten des verwendeten Transformators

Fig. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schnittstelle

Fig. 4 ein Schaltbild einer verbesserten erfindungsgemäßen Schnittstelle.

Für die Dimensionierung einer Schnittstelle sind folgende, in den oben angegebenen Richtlinien festgeschriebene, physikalische Parameter von Bedeutung:
Quellwiderstand des Senders im Frequenzbereich 100 kHz-6 MHz: 110 Ohm +/- 20%
Eingangswiderstand des Empfängers im Frequenzbereich 100 kHz-6 MHz: 110 Ohm +/- 20%
Nenneingangsspannung 5 Vss
Maximale Eingangsspannung 7 Vss
Gleichtaktspannungen im Frequenzbereich 0 Hz-20 kHz mit einer Maximalamplitude von 14 Vss sollen keine Datenverfälschungen ergeben.

Die EBU-Richtlinie fordert außerdem einen erdfreien Eingang.

Bei der Dimensionierung der Schaltung ist zu berücksichtigen, daß aufgrund des verwendeten Datenformats des seriellen Telegramms bei gegebener Abtastfrequenz FS des digitalen Audiosignals im Datensignal nur Periodendauern mit den Werten

1/(FS _* 128), 2/(FS _* 128) und 3/(FS _* 128)

sowie Kombinationen von halben Periodendauern der oben angegebenen Signale vorkommen können.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß als Empfangsbausteine solche Bausteine verwendet werden, die eingangsseitig RS422 Spezifikationen erfüllen.

Die für den Anwendungsfall relevanten Daten sind hierbei:
Eingangswiderstand <= 10 kOhm
Gleichtaktspannungsbereich -7 V bis 12 V
Eingangsempfindlichkeit +/- 200 mVss.

Die in Fig. 1 angegebene Schaltung, veröffentlicht in "Digital Audio Products Data Book, Januar 1994, Hrsg: Crystal Semiconductor Corporation, S. 6-65′′, erfüllt die geforderten Spezifikationen nach EBU Tech 3250-E:
Der Transformator (4) sorgt für die Erdfreiheit nach EBU Tech 3250-E, der Widerstand (3) bestimmt im wesentlichen den Eingangswiderstand der Schaltung. Die übrigen Spezifikationen werden durch den Einsatz eines Empfängerbausteins (R) nach RS422 Spezifikationen erfüllt.

Der in der Schaltung verwendete Transformator (4) besitzt unter anderem folgende, in Fig. 2 dargestellte parasitäre Eigenschaften:
Die Hauptinduktivität des Transformators liegt dem Eingangswiderstand (3) parallel und verringert dadurch den Eingangswiderstand zu tiefen Frequenzen hin. Um die geforderten Spezifikationen nach EBU Tech 3250-E zu erfüllen, darf daher die Hauptinduktivität Mindestwerte nicht unterschreiten. In der Praxis haben sich Werte von 1 mH-4 mH durchgesetzt, die gewisse Sicherheitsreserven beinhalten.

Durch die für diese Induktivität erforderliche Windungszahl ergibt sich eine Koppelkapazität Ck zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, die bei konventionellen Transformatoren üblicherweise zwischen 50 pF und 100 pF liegt.

Vorhandene Gleichtaktsignale an den Eingängen (1, 2) der Schaltung werden auch bei ansonsten ideal symmetrischem Transformator über diese parasitäre Koppelkapazität auf die Sekundärseite des Transformators gekoppelt.

Weiterhin besitzt der Transformator neben der Hauptinduktivität noch eine parasitäre Streuinduktivität Lstr, die zusammen mit dem Widerstand (3) zu einem Tiefpaßverhalten mit einer Signalverzögerung führt, die prinzipiell unerwünscht ist.

Neben den unerwünschten physikalischen Eigenschaften besitzt ein Transformator die Eigenschaft, ein relativ großes, schweres und teueres Bauteil zu sein.

Im Folgenden wird gezeigt, daß man auf den Transformator verzichten kann und dennoch eine Potentialtrennung erhält, die der des Transformators gleichwertig ist. Die verwendete Schaltung ist kostengünstiger, kleiner und leichter und besitzt eine kleinere Signalverzögerung. Der Eingangswiderstand ist praktisch frequenzunabhängig. Außerdem werden durch die Schaltung eventuell vorhandene niederfrequente Gegentakt- Störsignale unterdrückt.

Das Schaltbild der verwendeten Schaltung zeigt Fig. 3.

Hierin werden anstelle des Transformators (4) zwei Kondensatoren (5) + (6) verwendet. Der den Eingangswiderstand der Schaltung bildende Widerstand (3) wird direkt an die Eingangsklemmen (1, 2) der Schaltung angeschlossen. Eine derartige Schaltungsanordnung ist grundsätzlich bekannt, sie ist beispielsweise in der oben angeführten Literatur als symmetrische Eingangsschaltung ohne Transformator angegeben. Die dort verwendeten Kondensatoren haben Kapazitätswerte von je 10 nF. In der erfindungsgemäßen Schaltung sind dagegen die Kapazitätswerte der Kondensatoren (5) und (6) so gewählt, daß sie etwa jeweils dem halben Wert der parasitären Koppelkapazität eines typische Transformators nach Fig. 1 entsprechen, das heißt, sie liegen bei einigen 10 pF.

Die so gebildete Schaltung koppelt daher Gleichtaktsignale, die an den Eingängen (1, 2) der Schaltung liegen mit der gleichen Koppelkapazität wie ein Transformator an die Eingänge des RS422 Bausteins.

Für Differenzsignale stellt die Eingangsschaltung, gebildet aus den Koppelkondensatoren und dem Eingangswiderstand des Empfängerbausteins einen Hochpaß dar, dessen 3 dB- Eckfrequenz deutlich unterhalb 1 MHz liegt.

Damit werden bei den in der Audiotechnik vorkommenden Abtastfrequenzen zwischen 32 KHz und 48 kHz die hieraus resultierenden Datentelegrammfrequenzen praktisch ungedämpft übertragen und können von dem RS422 Baustein verarbeitet werden.

Werden für die Kondensatoren solche Typen verwendet, die eine Spannungsfestigkeit besitzen, die der von typischen Transformatoren entspricht, so besitzt eine derartige Schaltung die gleiche Spannungsfestigkeit sowie die gleiche Entkopplung wie eine vergleichbare Transformatorlösung. Die Spannungsfestigkeit der Schaltung kann durch Verwendung hochspannungsfester Kondensatoren relativ leicht erhöht werden. Dies ist mit Transformatoren nur aufwendig erreichbar.

Die bei der Transformatorlösung vorhandene Signalverzögerung durch die Tiefpaßcharakteristik der Anordnung entfällt.

Außerdem werden tieffrequente Störspannungen, auch wenn sie nicht als Gleichtaktspannungen sondern als Differenzspannungen auftreten, durch die Hochpaßcharakteristik der Schaltung gedämpft.

Für die Gleichtaktunterdrückung der Schaltung ist die durch die Toleranzen der Koppelkondensatoren und den Eingangswiderstand des Empfangsbausteins einerseits und die Hochpaßdämpfung andererseits sich ergebende Differenzspannung zwischen den Eingängen (7, 8) des Empfangsbausteins (R) bei Gleichtaktansteuerung an den Eingangsklemmen sowie die Eingangsempfindlichkeit des Bausteins relevant.

Für die Anforderungen nach EBU Tech 3250-E werden für den dort angegebenen Frequenz- und Spannungsbereich die geforderten Daten durch die vorhandene Hochpaßdämpfung schon bei sehr großen Bauteiletoleranzen erreicht. Durch Verwendung eng tolerierter Kondensatoren kann die Eingangsunsymmetriedämpfung über die Anforderungen nach EBU Tech 3250-E hinaus weiter erhöht werden. Die Eingangsunsymmetriedämpfung kann weiterhin durch das Hinzufügen eines Widerstandes (8) erhöht werden (Fig. 4).

Dieser ist so zu dimensionieren, daß die untere Grenzfrequenz der Gesamtanordnung noch keine relevante Dämpfung der tieffrequenten Anteile des seriellen Datentelegramms ergibt.

Im Vergleich mit Transformatorlösungen ist zu berücksichtigen, daß auch bei diesen die effektive Gleichtaktunterdrückung des Systems bei hohen Frequenzen und hohen Eingangsspannungen im wesentlichen durch den Gleichtakteingangsspannungsbereich des RS422 Empfangsbausteins begrenzt wird.

Eine weitere Reduzierung der Systemkosten kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß die Koppelkondensatoren (5) und (6) nicht als diskrete Bauteile realisiert werden, sondern als gedruckte Kondensatoren Teil einer Leiterplatte sind.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung besteht darin, daß man mehrere Schaltungen ohne einen eigenen Abschlußwiderstand eingangsseitig parallel schalten und mit einem gemeinsamen Abschlußwiderstand versehen kann. Diese Vorgehensweise führt bei Transformatorlösungen zu einer unerwünschten Verringerung des Eingangswiderstandes bei tiefen Frequenzen.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Empfang serieller digitaler Audiosignale mit einem symmetrischem Eingang E über den Eingangsklemmen (1, 2) und einem unsymmetrischen Ausgang A über den Ausgangsanschlüssen (10, M) mit einem Empfangsbaustein (R) mit RS422 Eingangscharakteristik und zwei Eingangsklemmen (7, 8), wobei die Eingangsklemmen (1, 2) der Schaltungsanordnung mit den Eingangsklemmen (7, 8) des RS422 Empfangsbausteins über zwei gleiche Kondensatoren (5), (6) verbunden sind und über den Eingangsklemmen (1, 2) ein ohmscher Widerstand (3) als Leitungsabschlußwiderstand geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzfrequenz des aus der Reihenschaltung der beiden Kondensatoren und dem Gegentakt- Innenwiderstand des RS422-Empfangsbausteins gebildeten Hochpasses im Frequenzbereich 100 kHz < fg < 6 MHzliegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über den Eingangsklemmen (7, 8) des Rs422 Empfangsbausteins ein Widerstand (9) geschaltet ist, der die Gleichtaktunterdrückung der Schaltung bei toleranzbehafteten Kondensatoren verbessert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzfrequenz im Bereich 800 kHz < fg < 2 MHz liegt

4. Schaltungsanordnung nach einer der oben angegebenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelkondensatoren (5, 6) durch Leiterplattenflächen gebildet werden.

5. Schaltungsanordnung nach einem der obengenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsabschlußwiderstand (3) entfällt, um mehrere Stufen eingangsseitig parallel zu schalten.

6. Schaltungsanordnung nach einem der obengenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen symmetrischen Ausgang hat.