2024年4月28日发(作者：仉梓瑶)
一种高性能USB声卡的设计与制作
李征
【摘 要】设计并制作了一款USB声卡.该声卡采用PCM2706C芯片将数字音频信
号转换为12S信号,传入音频DAC芯片CS4398进行数模转换,再将输出的差分音
频信号送入音频运放OPA1612进行放大驱动耳机发出声音.通过实物调试,该声卡
具有高保真、音量可调、外观美丽、功耗低等特点,具有较高的实用价值.
【期刊名称】《新余学院学报》
【年(卷),期】2018(023)005
【总页数】4页(P30-33)
【关键词】声卡;USB;PCM2706C;CS4398
【作 者】李征
【作者单位】安徽电子信息职业技术学院,安徽蚌埠233030
【正文语种】中 文
【中图分类】TN912
声卡是实现数字/音频信号相互转换的一种硬件，其质量好坏决定了声音的表现力。
受限于集成化和成本的控制，目前普及的箱内板载声卡已不能满足人们对声音质量
的需求，主要是因为机箱内的电磁噪声对于声卡这种带有模拟电路的设备很容易产
生干扰，致使声音信噪比降低，加上笔记本电脑逐渐普及，又不能通过加装板卡式
独立声卡来改善音质，使用USB外置声卡成了提高音频质量最合适的方案。
1 系统总体方案设计
本USB声卡的硬件电路主要由数字信号接收、数字/模拟信号转换及模拟信号放大
三部分组成，具体框图如图1所示。
图1 USB声卡系统框图
音频信号一般以数字形式存储于介质中，通过音频信号接收电路将数字音频信号转
换成I2S信号，数模信号转换电路的作用是将I2S信号转换成模拟音频信号，转化
后的模拟音频信号通过模拟信号放大电路的放大，从而驱动负载发出声音。
2 硬件电路设计
2.1 电源电路
该系统的电源电路主要由三部分组成，分别是给整个系统供电的USB5V电路、音
频信号接收和数模信号转换所需的3.3V电源电路、模拟信号放大所需的-5V电路。
2.1.1 5V电源电路
电脑的USB接口可输出电压为+5V、电流为500 mA的直流电，可以作为VCC
为本设计的电路供电。该系统使用最新的Type-C作为USB接口，连接图如图2
所示，在模拟地和数字地之间加入了两个电感磁珠，以减少数字电路和模拟电路之
间的干扰所引起的底噪。
图2USB接口连线图
2.1.2 3.3V电源电路
TLV1117是TI的一款正电压低压差线性稳压器，最大输出电流可达800mA，精
度高、稳定性好，被广泛应用于电源电路中。本设计采用3.3V的固定输出电压板，
图3为TLV1117的应用电路，3脚+5V输入，2脚3.3V输出，3脚接地。
图33.3V电路
2.1.3 -5V电源电路设计
LM2663M是一款TI的开关电容型电压转换器，只需使用两个低成本电容就可将
1.5V至5.5V范围内的正电压转换为相应的负电压，当工作电流在200mA时转换
效率可达86%。图4为LM2663M的应用电路，输入电压为+5V，输出电压为-
5V，为OPA1612提供负电压。
图 4 -5V电源电路
2.2 数字音频信号接收电路
数字音频信号接收电路的主要作用是将数字音频信号转换为I2S信号，其电路如图
5所示。该电路的核心元件是TI公司的PCM2706C元件，该芯片具有符合
USB2.0规范、支持I2S输出、内置时钟及采样率高等特性，广泛应用于单芯片
USB立体声音声卡中。
图5 数字音频信号接收电路
2.3 数字/模拟信号转换电路
数字/模拟信号转换电路的作用是将PCM2706C芯片输出的I2S信号转换为差分
音频输出信号，具体电路见图6所示。该电路的核心元件为Cirrus Logic公司的
CS4398芯片，CS4398是Cirrus Logic的旗舰级立体声数/模转换器，性能优异，
广泛应用于高端的音乐播放器和CD机中。CS4398的DATA、BCK、LRCK、
MCK引脚分别与PCM2706C的I2S输出相连，CS4398输出左右声道差分音频
信号，传入后经OPA1612进行运算放大。
图6 数字/模拟信号转换电路
2.4 模拟信号放大电路
模拟信号放大电路如图7所示，CS4398输出的差分音频信号分别传入OPA1612
的A、B通道进行运算放大。在电源引脚附近放置0.1uF的旁路电容可减少从噪声
电源或高阻抗电源中耦合进来的误差。输出端串联了一个阻值为2kΩ的双联电位
器，可以调节音量大小，再通过耳机接口将音频传入耳机。
图7 模拟信号放大电路
2.5 RGB灯带电路
为了给声卡增加一些装饰，增加了一条RGB灯带，由四颗七彩LED灯珠组成。四
颗灯珠并联，每个灯珠工作电压为3V，电流2mA，则每个灯珠需串联一个1kΩ
的限流分压电阻，+5V供电由USB提供，电路如图8所示。
图8 RGB灯带电路
3 PCB的设计
3.1 元件的选择
本设计使用的芯片有：线性稳压器TLV1117、电压转换器LM2663M、I2S信号
转换器PCM2706C、音频数模转换器CS4398、音频运放OPA1612，均为贴片
封装。选用了近年来最新推出支持双面插入的Type-C USB接口。为了保证高保
真音质，笔者选用在高端音频设备中使用的阻容元件，如718电子厂的误差为±1%
的色环电阻、ALPS 09型电位器、ELNA音频电解电容、WIMA补品电容。
3.2 PCB布线
使用Altium Designer对PCB进行布线设计，考虑体积的大小，采用双面布线，
其顶层布局布线图和打样的成品PCB图分别如图9和图10所示。
图9 顶层布局布线图
图10 打样的成品PCB图
4 系统测试
4.1 系统测试过程
焊接完成后如图11所示。首先进行外观检测，即将电路板与原理图进行对照，检
查各元器件是否焊接正确，有无虚焊漏焊等现象。外观检测完毕后，利用万用表检
查VCC、3.3V有无对地短路，确认无电源短路后，连接电脑USB接口通电，检
测各芯片供电是否正常，元器件有无异常发热情况，若有异常现象，应立即断电检
查。确认电路工作正常后，插上耳机、连接电脑、播放音乐，调节电位器测试耳机
是否有声音、音量是否可调节。功能正常后，进行音质测试，音质效果明显比手机
和电脑要好，听感上没问题，几乎听不到底噪。
图11 USB声卡成品图
4.2 系统功耗的测试
USB声卡通电后没接入音频信号的功耗情况如图12所示，其工作电压为5.04V，
工作电流为0.09A，瞬间功耗为0.45W左右，而接入音频信号后，平均每小时耗
电90mah左右。
图12 USB声卡瞬间功耗结果
5 结语
通过电路设计、元件选型、PCB设计以及实物的焊接与调试，完成了USB声卡的
设计与制作。该声卡接入音频信号后能够驱动耳机发出高保真音乐，达到了预期效
果，具有较高的实用价值。
参考文献：
【相关文献】
[1]钟文祥.USB 外置声卡特点及主流产品(一) [J].音响技术，2007(5):55-56．
[2]赵璐，吴蒙. 基于CC8531的USB无线声卡设计[J].计算机技术与发展，2016(10):156-159.
[3]管康．高保真USB 外置声卡的设计[J].无线互联科技，2012(2):96-96．
[4]周静雷，马彪，马文宁．USB 声卡设计[J].电子测量技术，2012(10):127-130．
2024年4月28日发(作者：仉梓瑶)
一种高性能USB声卡的设计与制作
李征
【摘 要】设计并制作了一款USB声卡.该声卡采用PCM2706C芯片将数字音频信
号转换为12S信号,传入音频DAC芯片CS4398进行数模转换,再将输出的差分音
频信号送入音频运放OPA1612进行放大驱动耳机发出声音.通过实物调试,该声卡
具有高保真、音量可调、外观美丽、功耗低等特点,具有较高的实用价值.
【期刊名称】《新余学院学报》
【年(卷),期】2018(023)005
【总页数】4页(P30-33)
【关键词】声卡;USB;PCM2706C;CS4398
【作 者】李征
【作者单位】安徽电子信息职业技术学院,安徽蚌埠233030
【正文语种】中 文
【中图分类】TN912
声卡是实现数字/音频信号相互转换的一种硬件，其质量好坏决定了声音的表现力。
受限于集成化和成本的控制，目前普及的箱内板载声卡已不能满足人们对声音质量
的需求，主要是因为机箱内的电磁噪声对于声卡这种带有模拟电路的设备很容易产
生干扰，致使声音信噪比降低，加上笔记本电脑逐渐普及，又不能通过加装板卡式
独立声卡来改善音质，使用USB外置声卡成了提高音频质量最合适的方案。
1 系统总体方案设计
本USB声卡的硬件电路主要由数字信号接收、数字/模拟信号转换及模拟信号放大
三部分组成，具体框图如图1所示。
图1 USB声卡系统框图
音频信号一般以数字形式存储于介质中，通过音频信号接收电路将数字音频信号转
换成I2S信号，数模信号转换电路的作用是将I2S信号转换成模拟音频信号，转化
后的模拟音频信号通过模拟信号放大电路的放大，从而驱动负载发出声音。
2 硬件电路设计
2.1 电源电路
该系统的电源电路主要由三部分组成，分别是给整个系统供电的USB5V电路、音
频信号接收和数模信号转换所需的3.3V电源电路、模拟信号放大所需的-5V电路。
2.1.1 5V电源电路
电脑的USB接口可输出电压为+5V、电流为500 mA的直流电，可以作为VCC
为本设计的电路供电。该系统使用最新的Type-C作为USB接口，连接图如图2
所示，在模拟地和数字地之间加入了两个电感磁珠，以减少数字电路和模拟电路之
间的干扰所引起的底噪。
图2USB接口连线图
2.1.2 3.3V电源电路
TLV1117是TI的一款正电压低压差线性稳压器，最大输出电流可达800mA，精
度高、稳定性好，被广泛应用于电源电路中。本设计采用3.3V的固定输出电压板，
图3为TLV1117的应用电路，3脚+5V输入，2脚3.3V输出，3脚接地。
图33.3V电路
2.1.3 -5V电源电路设计
LM2663M是一款TI的开关电容型电压转换器，只需使用两个低成本电容就可将
1.5V至5.5V范围内的正电压转换为相应的负电压，当工作电流在200mA时转换
效率可达86%。图4为LM2663M的应用电路，输入电压为+5V，输出电压为-
5V，为OPA1612提供负电压。
图 4 -5V电源电路
2.2 数字音频信号接收电路
数字音频信号接收电路的主要作用是将数字音频信号转换为I2S信号，其电路如图
5所示。该电路的核心元件是TI公司的PCM2706C元件，该芯片具有符合
USB2.0规范、支持I2S输出、内置时钟及采样率高等特性，广泛应用于单芯片
USB立体声音声卡中。
图5 数字音频信号接收电路
2.3 数字/模拟信号转换电路
数字/模拟信号转换电路的作用是将PCM2706C芯片输出的I2S信号转换为差分
音频输出信号，具体电路见图6所示。该电路的核心元件为Cirrus Logic公司的
CS4398芯片，CS4398是Cirrus Logic的旗舰级立体声数/模转换器，性能优异，
广泛应用于高端的音乐播放器和CD机中。CS4398的DATA、BCK、LRCK、
MCK引脚分别与PCM2706C的I2S输出相连，CS4398输出左右声道差分音频
信号，传入后经OPA1612进行运算放大。
图6 数字/模拟信号转换电路
2.4 模拟信号放大电路
模拟信号放大电路如图7所示，CS4398输出的差分音频信号分别传入OPA1612
的A、B通道进行运算放大。在电源引脚附近放置0.1uF的旁路电容可减少从噪声
电源或高阻抗电源中耦合进来的误差。输出端串联了一个阻值为2kΩ的双联电位
器，可以调节音量大小，再通过耳机接口将音频传入耳机。
图7 模拟信号放大电路
2.5 RGB灯带电路
为了给声卡增加一些装饰，增加了一条RGB灯带，由四颗七彩LED灯珠组成。四
颗灯珠并联，每个灯珠工作电压为3V，电流2mA，则每个灯珠需串联一个1kΩ
的限流分压电阻，+5V供电由USB提供，电路如图8所示。
图8 RGB灯带电路
3 PCB的设计
3.1 元件的选择
本设计使用的芯片有：线性稳压器TLV1117、电压转换器LM2663M、I2S信号
转换器PCM2706C、音频数模转换器CS4398、音频运放OPA1612，均为贴片
封装。选用了近年来最新推出支持双面插入的Type-C USB接口。为了保证高保
真音质，笔者选用在高端音频设备中使用的阻容元件，如718电子厂的误差为±1%
的色环电阻、ALPS 09型电位器、ELNA音频电解电容、WIMA补品电容。
3.2 PCB布线
使用Altium Designer对PCB进行布线设计，考虑体积的大小，采用双面布线，
其顶层布局布线图和打样的成品PCB图分别如图9和图10所示。
图9 顶层布局布线图
图10 打样的成品PCB图
4 系统测试
4.1 系统测试过程
焊接完成后如图11所示。首先进行外观检测，即将电路板与原理图进行对照，检
查各元器件是否焊接正确，有无虚焊漏焊等现象。外观检测完毕后，利用万用表检
查VCC、3.3V有无对地短路，确认无电源短路后，连接电脑USB接口通电，检
测各芯片供电是否正常，元器件有无异常发热情况，若有异常现象，应立即断电检
查。确认电路工作正常后，插上耳机、连接电脑、播放音乐，调节电位器测试耳机
是否有声音、音量是否可调节。功能正常后，进行音质测试，音质效果明显比手机
和电脑要好，听感上没问题，几乎听不到底噪。
图11 USB声卡成品图
4.2 系统功耗的测试
USB声卡通电后没接入音频信号的功耗情况如图12所示，其工作电压为5.04V，
工作电流为0.09A，瞬间功耗为0.45W左右，而接入音频信号后，平均每小时耗
电90mah左右。
图12 USB声卡瞬间功耗结果
5 结语
通过电路设计、元件选型、PCB设计以及实物的焊接与调试，完成了USB声卡的
设计与制作。该声卡接入音频信号后能够驱动耳机发出高保真音乐，达到了预期效
果，具有较高的实用价值。
参考文献：
【相关文献】
[1]钟文祥.USB 外置声卡特点及主流产品(一) [J].音响技术，2007(5):55-56．
[2]赵璐，吴蒙. 基于CC8531的USB无线声卡设计[J].计算机技术与发展，2016(10):156-159.
[3]管康．高保真USB 外置声卡的设计[J].无线互联科技，2012(2):96-96．
[4]周静雷，马彪，马文宁．USB 声卡设计[J].电子测量技术，2012(10):127-130．