Breakout-Board für MIDI-I/O – mit DIN- oder Klinkenbuchsen

11. Juni 2019, 11:49 Uhr



Etwa 35 Jahre nach seiner Einführung wurde Anfang 2019 die Version 2.0 des Musical Instrument Digital Interface (MIDI) angekündigt. MIDI 2.0 bringt viele neue Eigenschaften mit sich, von denen zwei neue Anschlüsse betreffen. Ein neues universelles Breakout-Board für ein MIDI-Interface ist also fällig - und hier haben wir es schon!

Als dieser Artikel im April 2019 geschrieben wurde, war die Spezifikation für MIDI 2.0 noch nicht freigegeben. Wir werden daher nicht zu sehr ins Detail gehen, doch eines wissen wir schon genau: Der neue Standard ist zu 100 % kompatibel zu MIDI 1.0.

Jack in the Box!

Um ehrlich zu sein, wurde der die Steckverbinder betreffende Teil der neuen Spezifikation schon im Sommer 2018 veröffentlicht. In einem Letter of Agreement for Recommended Practice wurden die Tip-Ring-Sleeve-(TRS-)Verbinder, auf Englisch kurz „Audio Jack“ und auf Deutsch „Klinke“ genannt, als Buchse/Stecker-Kombination für MIDI-Verbindungen freigegeben und die Verkabelung zum traditionellen 5-poligen DIN-Verbinder standardisiert. Die neuen Steckverbinder dürfen Durchmesser von 3,5 mm und 2,5 mm haben, wobei der letztere Typ der empfohlene ist. Die Motivation für diesen Standard ist klar und größenbedingt, denn die altehrwürdige DIN-Buchse ist zu sperrig, um in moderne, flache, smartphoneartige Geräte zu passen.

Neu, neu, alles ganz neu!

Das hier vorgestellte MIDI-Breakout-Board (BoB) kann mit allen der drei Buchsentypen bestückt werden, DIN, TRS-3,5 oder TRS-2,5. Außerdem unterstützt das BoB HF-Erdung und Systeme mit 3,3-V-Signalen. Die gleiche Platine kann entweder als MIDI-In oder MIDI-Out (oder MIDI-Thru, was dasselbe wie Out ist) konfiguriert werden.

Die Schaltung des MIDI-I/O-BoB in Bild 1 umfasst all diese Konfigurationsmöglichkeiten. Wegen der EMI/EMC- und HF-Erdung gibt es einige Bauteile mehr als in einem typischen MIDI-Interface.

 
Bild 1. Diese leicht verwirrte/verwirrende Schaltung des MIDI-I/O-BoB erhält man,
wenn drei verschieden konfigurierbare Schaltungsversionen zu einem Schaltbild kombiniert werden.

Erdschleifen versus EMV

Die ursprüngliche MIDI-1.0-Spezifikation besagt folgendes, um Erdschleifen zwischen den Geräten zu vermeiden: „The grounding shield connector on the MIDI jacks should not be connected to any circuit or chassis ground.” Im Jahr 2014 wurde diese Bestimmung jedoch gelockert und eine Verbindung zwischen den Schirmen von MIDI-Out und MIDI-Thru-Verbindern zur Erde optional erlaubt, um die EMI/EMC-Eigenschaften zu verbessern. Die Abschirmungen der MIDI-In-Anschlüsse dürfen aber nur über einen kleinen Kondensator geerdet werden, niemals direkt. Dies berücksichtigt unser MIDI-I/O-BoB auch in Form der 100-nF-Kondensatoren C1 und C2. Diese Kondensatoren können Sie bei MIDI-In verwenden oder nicht, bei MIDI-Out (oder Thru) ersetzt man sie durch 0-Ω-Widerstände.

HF-Störungen vermeiden

Die Ferritperlen L1 und L2 dämpfen HF-Störungen, können aber ebenfalls durch 0-Ω-Widerstände ersetzt werden. R3 und R4 sind abhängig von der Konfiguration und werden nur bei MIDI-Out (und Thru) benötigt. Um zu verhindern, dass die Widerstände versehentlich auf ein MIDI-In-Modul montiert werden, sind sie an der gleichen Stelle wie der Optokoppler IC1 platziert.

Ein Optokoppler für MIDI-In

Der Optokoppler ist sehr schnell und garantiert geringe Latenzzeiten zwischen In und Thru bei der Verkettung mehrerer MIDI-Geräte und damit eine gute Signalqualität. Die Diode D1 schützt den Optokoppler vor verpolten Signalen.

R2 ist der Ausgangswiderstand für den Open-Collector-Ausgang von IC1. Sie können den Wert verringern, um die Geschwindigkeit leicht zu verbessern, aber auf Kosten einer höheren Stromaufnahme. Die minimale Versorgungsspannung von IC1 beträgt 3 V, was die untere VCC-Grenze für die MIDI-In-Konfiguration setzt (der Maximalwert für IC1 liegt bei nicht weniger als 16 V).

C3 entkoppelt die Versorgungsspannung und ist hier eher aus Gewohnheit als aus Notwendigkeit in die Schaltung aufgenommen, aber man kann ja nie wissen, welche Kabel- oder Leiterbahnlängen an K4 angeschlossen werden (man sollte sie ebenso aus Gewohnheit so kurz wie möglich halten).

Der 0-Ω-Widerstand R5 hat einzig die Funktion, die Abschirmungen von K2 und K4 zu trennen beziehungsweise zu verbinden, ohne versehentlich alles auf GND zu legen. Er darf nur zusammen mit K2 montiert werden!

Weniger Bauteile bei MIDI-Out/Thru

Ein MIDI-Out- oder MIDI-Thru-Modul besitzt weniger Bauteile, da IC1, D1 und R2 entfallen. In diesen Konfigurationen ist R3 ein 0-Ω-Widerstand, der R1 mit VCC verbindet. R4 begrenzt den MIDI-Ausgangsstrom.

Die Werte von R1 und R4 sind abhängig von VCC. Für eine Versorgungsspannung von 5 V sind es 220 Ω. Dies entspricht dem traditionellen MIDI-Ausgang für 5-V-Systeme. Für 3,3-V-Systeme müssen die Widerstandswerte berechnet werden.

Bei seiner Einführung legte der MIDI-Standard einen Strom von 5 mA über die Optokoppler-LED des MIDI-Eingangs fest, damit die LED gut sichtbar leuchtet. Moderne Optokoppler benötigen in der Regel nicht so viel Strom (unserer nur 1,6 mA), aber da ein moderner MIDI-Out doch in der Lage sein muss, auch einen altertümlichen MIDI-Eingang zu treiben, sind 5 mA erforderlich.

Ein MIDI-Eingang präsentiert sich als 220-Ω-Widerstand in Reihe mit einer LED. Der MIDI-Standard geht von einer LED-Durchlassspannung von bis zu 1,9 V aus. Das bedeutet, dass der Ausgangssignalpegel

VTX ≥ 0,005 × 220 + 1,9 = 3,0 V

betragen muss. Zusammen mit der Kurzschlussstrombegrenzung R4 (R3 ist ja 0 Ω) wird ein Spannungsabfall verursacht, der von VTX überwunden werden muss.

VTX – 3,0 ≥ 0,005 × (R1+R4)

Mit VTX = 3,3 V können wir berechnen:

R1 + R4 = 0,3 / 0,005 = 60 Ω

Die MIDI Manufacturers Association schlägt R1 = 33 Ω und R4 = 10 Ω, zusammen also 43 Ω vor, um gegen alle möglichen Widerstandstoleranzen sowie Versorgungs- und Ausgangsspannungen gewappnet zu sein.

Kurzschlüsse vermeiden

Ein leicht zu übersehendes Detail ist der Strom durch R1 und R4, wenn der angeschlossene MIDI-Eingang defekt und aus irgendeinem Grund gegen GND kurzgeschlossen ist:

VCC / R1 = 3,3 / 33 = 0,1 A

PR1 = (0,1)2 × 33 = 330 mW

Da R1 an die Stromversorgung des Senders angeschlossen ist, die leistungsfähig genug sein kann, um diesen Strom von 100 mA auch tatsächlich zu liefern, muss R1 für 0,5 W ausgelegt sein.

Ähnliches gilt für R4 (ein 1,2-W-Typ wäre erforderlich), allerdings wird der Strom von einem Open-Collector- oder Open-Drain-Ausgang mit einem Pull-Up-Widerstand geliefert. Dieser Widerstand hat üblicherweise einen Wert von einigen hundert Ohm und begrenzt seinerseits den Strom, so dass als Nennleistung von R4 0,25 W ausreichend sein sollte. Seien Sie dennoch immer vorsichtig, wenn Sie 3,3-V-MIDI-Out über einen digitalen Treiber steuern. Diese Einschränkung gilt nicht für 5-V-MIDI-Out.

Schlussendlich...

Die obige Beschreibung zeigt, dass man auch bei einfachen Schaltungen viele Dinge beachten muss, vor allem, wenn man Geräte unterschiedlicher Herkunft und Epochen miteinander verbinden möchte. Einen kompletten Satz von neun Bauteil-Bestückungstabellen für alle Konfigurationen des MIDI-I/O-BoBs finden Sie auf Elektor Labs.

 

Im Elektor-Shop

Breakout-Board MIDI-I/O, konfiguriert als Eingang, teilbestücktes Modul 
Breakout-Board MIDI-I/O, Leerplatine
 

Technische Daten


* eine Platine für MIDI In, MIDI Out und MIDI Thru
* konfigurierbar für 5-V- und 3,3-V-Systeme
* für DIN- und Klinkenbuchsen (2,5 mm und 3,5 mm Durchmesser)
* kompatibel mit dem neuesten MIDI-Standard
 

Infos zum Projekt


Tags: MIDI, Klinke, TRS, DIN, Breakout-Board
Schwierigkeit: Einsteiger
Werkzeuge: Lötkolben
Zeitbedarf: etwa 1 Stunde
Kosten: etwa 15 €

 


Stückliste MIDI In


Widerstände:
Alle SMD 0805
R1 = 220 Ω
R2 = 1 k
R5* = 0 Ω
 
Kondensatoren:
Alle SMD 0805
C1,C2,C3 = 100 n
 
Induktivitäten:
Alle SMD 0805
L1,L2 = Ferritperle, 1 kΩ @ 100 MHz
 
Halbleiter:
D1 = BAT54
IC1 = H11L1 oder vergleichbar
 
Außerdem:
K1* = 5-polige DIN-Buchse, 180°
K2* = 3-polige Klinkenbuchse, Durchmesser 3,5 mm
K3* = 3-polige Klinkenbuchse, Durchmesser 2,5 mm
K4 = 3-polige Stiftleiste, Raster 0,1’’
Platine 190070-1 aus dem Elektor-Shop

 

Stückliste MIDI Out / MIDI Thru, 5 V

Widerstände:
Alle SMD 0805
R1,R4 = 220 Ω
R3,R5* = 0 Ω
 
Kondensatoren:
Alle SMD 0805
C1,C2 = 0 Ω*
C3 = 100 n
 
Induktivitäten:
Alle SMD 0805
L1,L2 = Ferritperle, 1 kΩ @ 100 MHz
 
Außerdem:
K1* = 5-polige DIN-Buchse, 180°e
K2* = 3-polige Klinkenbuchse, Durchmesser 3,5 mm
K3* = 3-polige Klinkenbuchse, Durchmesser 2,5 mm
K4 = 3-polige Stiftleiste, Raster 0,1’’
Platine 190070-1 aus dem Elektor-Shop
 
MIDI Out / MIDI Thru, 3,3 V
Widerstände:
Alle SMD 0805
R1 = 33 Ω, 0,5 W
R3,R5* = 0 Ω
R4 = 10 Ω, 0,25 W
 
Kondensatoren:
Alle SMD 0805
C1,C2 = 0 Ω*
C3 = 100 n
 
Induktivitäten:
Alle SMD 0805
L1,L2 = Ferritperle, 1 kΩ @ 100 MHz
 
Außerdem:
K1* = 5-polige DIN-Buchse, 180°
K2* = 3-polige Klinkenbuchse, Durchmesser 3,5 mm
K3* = 3-polige Klinkenbuchse, Durchmesser 2,5 mm
K4 = 3-polige Stiftleiste, Raster 0,1’’
Platine 190070-1 aus dem Elektor-Shop
(190070​)
 
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