Высококачественный USB аудио-адаптер своими руками. Параллельные цап

Простейшим цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) является одноразрядный преобразователь. В качестве такого ЦАП может служить простой усилитель-ограничитель, в качестве которого можно применить . Особенно хорошо подойдет выполненный по КМОП технологии, так как в данной технологии выходные токи единицы и нуля равны. такого цифро-аналогового преобразователя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема одноразрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

Одноразрядный ЦАП преобразует в аналоговую форму знак числа. Для цифро-аналогового преобразования на очень высокой частоте дискретизации, во много раз превышающей частоту Котельникова, такого преобразователя вполне достаточно, однако, в большинстве случаев для качественного цифро-аналогового преобразования требуется большее количество разрядов. Известно, что двоичное число описывается следующей формулой:

(1)

Для преобразования цифрового двоичного кода в напряжение можно воспользоваться данной формулой непосредственно, т. е. применить аналоговый сумматор. Токи будем задавать при помощи резисторов. Если резисторы будут отличаться друг от друга в два раза, то и токи тоже будут подчиняться двоичному закону, как показано в формуле (1). Если на выходе регистра будет присутствовать логическая единица, то она будет преобразована в ток, соответствующий двоичному разряду при помощи резистора. В этом случае напряжений будет работать в качестве цифроаналогового преобразователя. Схема ЦАП, работающего по описанному принципу, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема четырехразрядного цифро-аналогового преобразователя с суммированием весовых токов

На схеме, приведенной на рисунке 2, потенциал второго вывода равен нулю. Это обеспечивается параллельной отрицательной обратной связью, которая уменьшает входное сопротивление операционного усилителя. Коэффициент передачи выбирается при помощи резистора, включенного с выхода на вход операционного усилителя. Если требуется единичный коэффициент передачи, то это сопротивление должно быть равно параллельному сопротивлению всех резисторов, подключенных к выходам параллельного регистра. В описанном устройстве ток младшего разряда будет в восемь раз меньше тока старшего разряда. Для уменьшения влияния входных токов реального операционного усилителя между его неинвертирующим входом и общим проводом включается резистор с сопротивлением равным параллельному включению всех остальных резисторов.

Учитывая, что на выходе всех разрядов регистра присутствует или нулевое напряжение или равное напряжению питания, на выходе операционного усилителя напряжение будет действовать в диапазоне от нуля до минус напряжения питания. Это не всегда удобно. Если нужно, чтобы устройство работало от одного источника питания, то ее нужно немного изменить. Для этого на неинвертирующий вход операционного усилителя подадим напряжение, равное половине питания. Его можно получить от резистивного делителя напряжения. Ток нуля и ток единицы выходного каскада регистра в новой схеме должны совпадать. Тогда на выходе операционного усилителя напряжение будет меняться в диапазоне от нуля до напряжения питания. Схема цифро-аналогового преобразователя с однополярным питанием приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Цифро-аналоговый преобразователь с однополярным питанием

В схеме, приведенной на рисунке 3, стабильность выходного тока и напряжения обеспечивается стабильностью напряжения питания параллельного регистра. Однако обычно напряжение питания цифровых микросхем сильно зашумлено. Этот шум будет присутствовать и в выходном сигнале. В многоразрядном цифро-аналоговом преобразователе это нежелательно, поэтому его выходные ключи запитываются от высокостабильного малошумящего . В настоящее время подобные микросхемы выпускаются рядом фирм. В качестве примера можно назвать ADR4520 фирмы Analog Devices или MAX6220_25 фирмы Maxim Integrated.

При изготовлении многоразрядных цифро-аналоговых преобразователей необходимо изготавливать резисторы с высокой точностью. Раньше это достигалось лазерной подгонкой резисторов. В настоящее время в качестве источников тока обычно используются не резисторы, а генераторы тока на полевых транзисторах. Применение полевых транзисторов позволяет значительно сократить размеры кристалла ЦАП. При этом для увеличения тока транзисторы соединяют параллельно. Это позволяет добиться высокой точности соответствия токов двоичному закону (i 0 , 2i 0 , 4i 0 , 8i 0 и т.д.). Высокая скорость преобразования достигается при малом сопротивлении нагрузки. Схема преобразователя цифрового кода в выходной ток, работающего по описанному принципу приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Внутренняя схема ЦАП с суммированием токов

Естественно, электронные ключи, показанные на рисунке 4, тоже представляют собой полевые транзисторы. Однако если их показать на схеме, то можно запутаться где ключ, а где генератор тока. Так как полевой транзистор может одновременно работать в качестве генератора тока и электронного ключа, то их часто объединяют, а двоичный закон формируют при помощи , как это показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Внутренняя схема ЦАП с суммированием одинаковых токов

В качестве примера микросхем, где используется решение с суммированием тока, можно назвать ЦАП AD7945. В ней суммирование токов применяется для формированиястарших разрядов. Для работы с младшими разрядами используется . Для преобразования выходного тока в напряжение обычно применяется операционный усилитель, однако его скорость нарастания выходного напряжения оказывает существенное влияние на быстродействие цифро-аналогового преобразователя в целом. Поэтому схема ЦАП с операционным усилителем используется только в широкополосных схемах, таких как преобразование звукового или телевизионного сигнала.

Рисунок 6. Цифро-аналоговый преобразователь двоичный код-напряжение

Литература:

Вместе со статьей "Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) с суммированием токов" читают:

http://сайт/digital/R2R/

http://сайт/digital/sigmaadc.php

Главное в нашем деле - взять верный старт! Я не обязан заботиться о выстраивании линейки продуктов от дешёвого ширпотреба до самого что ни на есть high-end"а. Поэтому могу позволить себе сразу выбрать понравившийся чип цифро-аналогового преобразователя и строить дизайн вокруг него. Итак, за основу был взят "мистический ЦАП" как его называют в Сети. Я не буду делать из маленькой микросхемы большого секрета, но давайте всё же для начала сохраним интригу.

Построить хороший ЦАП для себя любимого я собирался ещё с прошлого столетия, но как-то всё руки не доходили и более приоритетные задачи брали верх. И вот тут-то мне на радость появился заказчик, с одной стороны способный оценить хороший звук, с другой же стороны - согласный мириться с некоторым уровнем "самодельщины" в законченном устройстве. Естественно я приложу все усилия, чтобы мои клиенты остались довольны своим выбором. Что теряют мои "pre-production" изделия по сравнению с серийными аппаратами раскрученных брендов - так это:

1. часть монтажа выполнена паутинкой на "слепышах", а не на печати, что положительно отражается на качестве звука, но, увы, не будет доступно в серийных образцах;
2. я не экономлю на мелочах типа сетевого фильтра или шунтирующих ёмкостей, в чём, кстати, не раз доводилось уличать всеми признанные авторитеты;
3. "брэнд" мой ещё не слишком широко известен в узких кругах 🙂

На старт, внимание...

С чего начать? Правильно, лучше всего с готового устройства, пусть даже и простенького, но содержащего ключевые компоненты. В Китае за US$ 50 был приобретён неплохой в общем-то набор для самостоятельной сборки ЦАП. Как я уже , китайский экономический гений не отличается особыми техническими талантами, так что всё в том наборе было по-минимуму, в точности по datasheet"ам. Разве что питание создатели набора выстроили, как им казалось, прямо-таки очень качественное: навтыкали "КРЕНок" гирляндами. Зато к наборам прилагались весьма сообразные R-core трансформаторы.

На данном этапе не стояла задача как-то особо управлять цифровым приёмником или ЦАП"ом, поэтому жёстко зашитая минималистская цепочка S/PDIF->I2S->DAC меня вполне устроила.

Сознательно не стремился найти ЦАП с USB входом. Причина простая: компьютер фонит очень сильно и пускать весь этот мусор в аудио-аппарат нету никакого желания. Конечно, есть методы, но мне до сих пор так и не попалось ни одного ЦАП с грамотной развязкой USB входа (аппараты за 1К зелёных и выше, а так же изделия российских аудио-"левшей" не в счёт).

Считаю необходимым отметить, что несмотря на все мои придирки к схемотехнике и т.п., качество исполнения печатной платы просто отличное!

Берём контроль над ситуацией в свои руки

В документации на ЦАП в одном месте написано, что ножку аналогового питания надо зашунтировать электролитом в 10мкФ и керамикой 0.1мкФ. На схеме нога 18 именно так и зашунтирована.

Чуть дальше в том же документе сказано, что вход на ножке 17 желательно зашунтировать электролитом в 10мкФ и керамикой 0.1мкФ. Разработчик поступил в полном соответствии, исполнительный товарищ, просто молодец!

Ещё в одном месте документации сказано, что 17 ногу можно завести прямиком на аналоговое питание. Что и видим на схеме 🙂

Что самое забавное, не только в схеме, но и на печатной плате всё так и разведено: с двумя электролитами и двумя конденсаторами по 0.1мкФ, с коротышом прямо между 17 и 18 ногами чипа (дорожка к конденсаторам от 17 ноги уходит под корпус микросхемы):

Всё пришло именно таким вот грязненьким с завода. Как я это отмывал - отдельная история 🙂

Для особо любопытных: шаг ножек корпуса микросхемы - 0.65мм.

У друга моего Вадича-Борисыча попалась мне как-то ВКонтакте шикарная картинка: "сопротивление бесполезно ". Вот, навеяло, оно тут так же бесполезно, как дублированные шунтирующие конденсаторы на схемке выше, перерисовал "схему" специально для Вас:

Мне же необходимо было управлять тем, что происходит на 17-й ножке. Пришлось резать по живому. Хорошо ещё не под чипом завели перемычку - перспектива отпаивать одну ножку SSOP корпуса как-то не радует.

Посредственность - за борт

Какой цифро-аналоговый преобразователь обходится без операционных усилителей?

Правильно, только качественный ЦАП . Так что скромный фильтр на NE5532 я просто не стал напаивать. Может и стоило, чтобы было что послушать для сравнения и удостовериться, насколько неубедительно играют глубокие петлевые ООС... Но у меня уже есть CD-проигрыватель от маститого производителя, который очень старательно отыгрывает весьма посредственный звук ОУ, хоть и спрятанных за звучным названием HDAM и упаяных в экранчики. Да и других подобных "образцов" достаточно.

Учиться, учиться, и... думать!

Пожалуй на всех без исключения ЦАП от производителей из "поднебесной" наблюдаю одни и те же паровозы из "КРЕНок" (фото справа не моё, выловлено в Сети). Включая веером последовательные стабилизаторы напряжения разработчики, очевидно, пытаются добиться лучшей развязки по питанию и уменьшения проникновения помех из цифровой части в аналоговую. К сожалению, в массах отсутствует то, что я называю "токовым мышлением" в схемотехнике. На самом-то деле всё просто и... немножко грустно.

Посмотрите на какую-нибудь LM317 со стороны выхода. Наверняка найдёте 10мкФ электролит и ещё немного мелких емкостей. Теперь давайте прикинем постоянную времени в этой цепи: достаточно заглянуть в datasheet и убедиться, что выходное сопротивление "кренки" весьма невелико, чего и добивались разработчики интегрального стабилизатора. Точно считать, честно признаюсь, сейчас лень, но помехи с частотами скажем от 100КГц и ниже кренка "видит" прямо на своём выходе, сиречь управляющем электроде и, как её и спроектировали - передаёт эти пульсации "наверх по команде", старательно пытаясь удержать напряжение на своём выходе.

Колебания тока попадают на выход более высоковольтного стабилизатора. Следуя той же логике всё ещё достаточно высокочастотные изменения тока практически беспрепятственно гуляют по всей цепочке стабилизаторов. И свистят и шумят на всё окружение.

Единственное рациональное зерно в применении двух линейных стабилизаторов подряд я вижу лишь в том, что маленькие точные стабилизаторы обычно не переносят высоких входных напряжений, а наборы для само-сборки ЦАП"ов часто попадают в руки паяльщиков-такелажников, которые нередко даже не утруждаются заглянуть в доки на применённые компоненты. И наборы те по-прежнему должны работать...

Распространение достаточно высокочастотных помех легко предотвратить добавив в схему... обыкновенных резисторов. Простые RC фильтры по входу линейных стабилизаторов обеспечат прекрасную развязку ВЧ пульсаций в обе стороны, резко сократив "расстояние" по схеме, докуда доберутся броски тока (включая и "земляной" провод!)

Так что питание претерпело серьёзные изменения на плате. Увы, не обошлось без пары перерезанных дорожек и навесного монтажа.

Иногда маленький резистор много эффективней, нежели большой конденсатор:

Относимся с уважением к наследию предков

Вместо тупого моста ставим супер-быстрые диоды в выпрямитель, что ощутимо снижает "удары" тока в моменты запирания диодов. Этот приём достаточно популярен и вполне осмыслен, так что воспользуемся им и мы:

Кстати, именно непонимание того, как развязать линейные стабилизаторы по ВЧ и приводит дотошных разработчиков к тому, что на каждый блок схемы начинают ставить отдельный трансформатор. Другое весьма популярное, но тоже затратное решение проблемы последовательных стабилизаторов: использование связок источник тока - параллельный стабилизатор. В данном случае с развязкой всё в порядке, только вот мощности рассеивать приходится с немалым запасом.

Не будем требовать слишком много от "кита"

Для описания серии экспериментов с различными стабилизаторами нужна отдельная статья. Здесь лишь отмечу, что к чести разработчиков из Поднебесной, выбранный ими LDO стабилизатор lm1117, возможно, наилучший вариант из серийно выпускаемых и относительно доступных интегральных стабилизаторов. Всякие 78ХУ, LM317 и иже с ними просто отдыхают из-за несообразно большого выходного импеданса (мерял на 100КГц). Увы, в ту же корзину пошли и прецизионные LP2951. Чуть лучше ведёт себя TL431 в схеме шунтирующего стабилизатора, но там своя история: TL431 бывают очень разные, в зависимости от того, кто их делал. 1117 выигрывает с большим опережением. Увы, он же оказывается и самым шумным стабилизатором. Урчит, пищит и с нагрузкой и без.

Пришлось собирать стабилизатор самому, на дискретных компонентах. Всего из двух скромных транзисторов, следуя идеологии HotFET, удалось "выжать" всё то, что в интегральном исполнении требует десятков транзисторов и всё одно не дотягивает. Конечно, для обеспечения работы "сладкой парочки" потребовалось ещё несколько активных компонентов... но это опять уже совсем другая история.

Интересный результат макросъёмки: невооружённым глазом не заметил, что плата не до конца отмылась от флюса .

Полимеры правят балом

Последней доработкой, направленной на достижение наиболее верной передачи звука, стало "выглаживание" питания.

В критических местах были заменены обычные (пусть и неплохие ChemiCon) алюминиевые электролиты из набора - на твердотельные алюминиевые Sanyo OS-CON. Поскольку собирал два одинаковых набора в параллель, была возможность устроить "А/Б" тестирование. Разница на грани слышимости, но она есть! Без сигнала с обычными электролитами, на (очень) большом усилении, в наушниках присутствовало некое "шумовое пространство". Полимерные электролиты переносят нас в абсолют.

Sanyo OS-CON - фиолетовые бочонки без надпила на крышке.

Не хочешь думать головой - работай руками

Практически на всех платах и наборах ЦАП с применением цифрового приёмника CS8416 китайцы ставят тумблер, чтобы пользователь мог выбрать между оптическим и медным входом S/PDIF (фото справа - типичный пример, выловленный в Сети). Так вот: не нужен там переключатель, микросхема приёмника вполне может слушать два входа безо всякой помощи извне, будь то грубый тумблер или мудрый микроконтроллер.

Делюсь с Вами трюком, подсмотренным на демо-плате от самих Cristal Semiconductor. Достаточно подключить к примеру медный S/PDIF к RXN, а выход оптического TOSLINK приёмника - к RXP0.

Надеюсь, не надо объяснять, как такое работает? 😉

Даже в референтном дизайне фирмачи напахали, забыли-таки шунтирующий конденсатор в питании TORX 🙁

Экономия или безграмотность?

Очень полезно бывает почитать документацию производителей, особенно тех, что делают те самые микросхемки, на которые потом молются аудиофилы. Раскрываю самый секретный секрет: reference design board, evaluation board и тому подобные "пробнички" от производителей обычно содержат в себе примеры грамотного применения тех самых микросхем. Причём покупать все эти платы совсем не обязательно, да и ценники на такие "образцы" бывают самые разные: и 50, и 400, и за тысячу зелёных могут перевалить. Но, дорогие мои разработчики, документация на все эти платы выложена в открытом доступе! Ладно, хорош поучать.

Итак, чего недочитали китайцы, или на чём они сэкономили: скромные шунтирующие керамические конденсаторчики в 1000пФ в параллель к 10мкФ и 0.1мкФ. Казалось бы - зачем, ведь такими емкостями мы шунтируем частоты от десятков мегагерц и выше. Аудио-диапазон принято считать до 20кГц, ну до сотни кГц. Но цифровую-то часть в цифро-аналоговом преобразователе никто не отменял. Так вот именно помехи на десятках мегагерц беспрепятственно гуляют по недорогим самостройным ЦАП"ам, заставляя дрожать в страхе все PLL и создавая тем самым идеальные условия для возникновения наводящего ужас ДЖИТТЕРА.

Ещё один популярный способ сэкономить на спичках

Подавляющее большинство производителей как источников цифрового аудио-сигнала, так и цифро-аналоговых преобразователей экономят 30...50 центов на каждом устройстве. Расплачиваемся за это мы, пользователи. Подробности читать .

Какой high-end без ламп?

Веселят меня полчища tube-DAC и tube-headphone-amplifier"s в ценовом диапазоне от полутора сотен до сотен долларов, наводнившие рынок в последнее время. Видать нравится народу, как шипит и искажает лампочка при 15...24 вольт анодного. Впрочем, разбор всех болячек подобных ЦАП"ов и псевдо-ламповых усилителей для наушников - тема для отдельной статьи, да не одной.

(фото справа для примера, у меня такого лампоцапа нет)

Богатая тема. Я тут лишь по верхам пробежался, аналоговую часть вообще не затронул. А уж как интересно бывает развести правильно "землю" или организовать простое и при том удобное управление аппаратом. И чего стоят одни аттенюаторы - их ведь можно выбирать разного сопротивления, строить по разным топологиям, включать в разных частях тракта. Согласование источников с нагрузкой - очень, очень интересный, знаете ли, вопрос!... Но на сегодня пора мне уже закругляться.

BOM, или Bill of Materials

Конечно, пятьюдесятью долларами дело не ограничивается. Керамические конденсаторы из набора были заменены плёнкой. Диоды Шоттки, качественные электролиты, да много ещё чего пришлось добавить, не говоря уже о корпусе. Ну и, конечно, мой усилитель HotFET: всего 2 (два) каскада усиления от выхода ЦАП до наушников или выхода на усилитель. Ни много ни мало, а только в самом усилителе 32 транзистора насчитал в стерео варианте. Да транзисторы все - JFET"ы да depletion MOSFET"ы. Никак в полтинник зелёных не укладываюсь даже по комплектующим 🙂 Причём заметьте, это безо всякой аудиофильской эзотерики. Ну да на этот счёт у меня тоже есть своё мнение. Ведь есть же люди, считающие, что поставив "правильные" компоненты - любую схему можно заставить звучать. Если Вы, дорогой читатель, из их рядов - научите, я прислушаюсь, поспорю, отслушаю и расскажу всем о своих опытах прямо на этом сайте.

Так где же обещанная халява???

Друзья, эта статья - просто размышления, заметки на полях, была написана по горячим следам переделки китайскоЦАПа. Сам я больше в такую авантюру ни за что не ввяжусь: хоть и получилось неплохо, но обошлось слишком дорого по времени и по затраченным усилиям. И никому не советую. Когда разбирался с тем набором - яд просто сочился, что и отразилось в статье 🙂 Прошу прощения за слегка надменный стиль изложения, и ежели не оправдал ваши ожидания и не предложил раздачу почти бесплатных хайендных цапов населению 😉

Если же Вам было интересно - дайте знать, пожалуйста. Материала в закромах ещё много, а вот силы, мотивацию публиковать да оформлять всё это дают в основном отзывы, комментарии моих читателей.

ЦАП – цифро-аналоговые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования дискретного (цифрового) сигнала в непрерывный (аналоговый) сигнал. Преобразование производится пропорционально двоичному коду сигнала.

Классификация ЦАП

По виду выходного сигнала : с токовым выходом и выходом в виде напряжения;

По типу цифрового интерфейса : с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;

По числу ЦАП на кристалле : одноканальные и многоканальные;

По быстродействию : умеренного быстродействия и высокого быстродействия.

Основные параметры ЦАП:

1. N – разрядность.

2. Максимальный выходной ток.

4. Величина опорного напряжения.

5. Разрешающая способность.

6. Уровни управляющего напряжения (ТТЛ или КМОП).

7. Погрешности преобразования (погрешность смещения нуля на выходе, абсолютная погрешность преобразования, нелинейность преобразования, дифференциальная нелинейность). 8. Время преобразования – интервал времени с момента предъявления (подачи) кода до момента появления выходного сигнала.

9. Время установления аналогового сигнала

Основными элементами ЦАП служат:

Резистивные матрицы (набор делителей с определенным ТКС, с определенным отклонением 2%, 5% и менее) могут быть встроены в ИМС;

Ключи (на биполярных или МОП-транзисторах);

Источник опорного напряжения.

Основные схемы построения ЦАП.

21. Ацп. Общие положения. Частота дискретизации. Классификация ацп. Принцип работы ацп параллельного действия.

По быстродействию АЦП делят на:

1. АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП) – быстродействующие АЦП, имеют сложное аппаратное использование единицы ГГц.разрешение N = 8-12 бит, Fg = десятки МГц

2. АЦП последовательного приближения (последовательного счета) до 10МГц.разрешение N = 10-16 бит, Fg = десятки кГц

3. Интегрирующие АЦП сотни Гц.разрешение N = 16-24 бит, Fg = десятки

4. Сигма-дельта АЦП единицы МГц.разрешение N = 16-24 бит, Fg = сотни Гц

22. Ацп последовательного счета. Принцип действия.

23. АЦП последовательных приближений. Принцип действия.

Этот код с выхода РПП подается на ЦАП, который выдает соответствующее напряжение 3/4Uвхmах, которое сравнивается с Uвх (на СС) и результат записывается в тот же разряд четвертым тактовым импульсом. Далее процесс продолжается до тех пор, пока не будут проанализированы все разряды.

Время преобразования АЦП последовательного приближения:

tпр = 2nTG, где TG – период следования импульсов генератора; n – разрядность АЦП.

Такие АЦП уступают по быстродействию АЦП параллельного типа, однако они более дешевые и потребляют меньшую мощность. Пример: 1113ПВ1.

24. Принцип работы ацп интегрирующего типа.

В основе принципа работы интегрирующего АЦП лежат два основных принципа:

1. Преобразование входного напряжения в частоту или в длительность (время) импульсов

Uвх → f (ПНЧ – преобразователь напряжение-частота)

2. Преобразование частоты или длительности (времени) в цифровой код

f → N; T→ N.

Основную погрешность вносят ПНЧ.

АЦП данного типа осуществляют преобразование в два этапа.

На первом этапе входной аналоговый сигнал интегрируетися и это проинтегрированное значение преобразуется в импульсную последовательность. Частота следования импульсов в этой последовательности или их длительность бывает промодулирована проинтегрированным значением входного сигнала.

На втором этапе эта последовательность импульсов преобразуется в цифровой код - измеряется ее частота или длительность импульсов.

Итак, прежде всего, хочу выразить большую благодарность хорошему человеку (в целях конспирации не называю, кто это:)), который в рамках новогоднего проекта Кот-Мороз 2012 прислал мне подарок. Кроме прочих полезностей, внутри обнаружился чип PCM1794 от Burr-Brown. Здоровый интерес взял верх, и я, отложив в сторону все, чем занимался до этого, начал искать информацию о том, что это такое и с чем его едят. Выяснилось, что данный чип применяется для построения высококачественных цифро-аналоговых преобразователей, которые преобразуют цифровой аудио-поток в аналоговый аудио-сигнал с максимально возможным качеством. Также выяснилось, что подобные устройства от ведущих производителей (Cyrus, Cambridge Audio, Hegel и др.) стоят очень немалых денег, как и сам чип не дешевый. Интерес возрос вдвойне - за что аудио-маньяки и аудиофилы готовы отдавать бешеные деньги - за красивую оболочку и дизайн или все-таки за действительно качественный звук?

Данная область электроники для меня оказалась новой и, чтоб сильно не углубляться в дебри цифро-аналогового преобразования (как выяснилось потом, углубиться все-таки пришлось), решил сначала поискать в сети готовые самодельные конструкции ЦАП. Прежде всего, искал конструкции с применением имеющегося у меня чипа. Как выяснилось, данная тема активно развивается на разных форумах о качественном звуке (в частности - Вегалаб). Просмотрев несколько схем, отчаялся - так как, мне оказалось проблематично на территории Украины приобрести необходимые комплектующие. Но, как это часто бывает, чисто случайно наткнулся на один забугорный ресурс , где оказалось много конструкций ЦАП. Из описанных там отдельных модулей удалось собрать единую схему ЦАП, к которой нашлись комплектующие в доступных мне Интернет-магазинах и базах (пришлось заказывать из нескольких). Об этой конструкции и хочу рассказать.

Большинство современной аудио-аппаратуры имеет выход для передачи цифрового аудио-потока, именуемый S/PDIF. Также цифровой выход может присутствовать в звуковых картах для ПК и материнских платах. Есть он и в старых моделях компьютерных CD-ROM (с кнопками Плей/пауза, стоп, в некоторых моделях еще и с переключением треков).

Данный стандарт был разработан компаниями SONY и PHILIPS и расшифровывается как Sony / Philips Digital Interface . Является совокупностью спецификаций протокола низкого уровня и аппаратной реализации, описывающих передачу цифрового звука между различными компонентами аудиоаппаратуры. Цифровой сигнал может передаваться по коаксиальному 75-омному кабелю (выход обозначается COAX) или по оптоволоконному кабелю (выход обозначается TOSLINK или OPTICAL) (рис.1). Оптический выход обычно закрыт заглушкой.

Рис.1

Формат S/PDIF подразумевает передачу цифрових аудио сигналов от одного устройства к другому без процедуры преобразования в аналоговый сигнал, что позволяет избежать ухудшения качества звука.

Схема.

Предварительно нарисовал блок-схему ЦАП (рис. 2):

Рис. 2 блок-схема ЦАП

S/PDIF to I2S receiver - это приемник/преобразователь цифрового аудио-потока из S/PDIF в двунаправленную асинхронную шину с последовательной передачей данныхI2S (Inter-IC Sound or Integrated Interchip Sound), может иметь в своем составе несколько цифровых входов, которые коммутируются программно или хардварно, цифровой фильтр, подавление джиттера, и еще много чего полезного. Данные из шины поступают, собственно в сам ЦАП (DAC), где и преобразуются в аудио-сигнал. Выход ЦАП - дифференциальный, токовый. Далее сигналы левого и правого каналов поступают в преобразователь ток/напряжение (I/U+ single-endedout) и после него - на выход устройства, которое имеет несимметричный заземленный выход. После него стерео-сигнал можно подавать на предварительный усилитель или усилитель мощности. Следует заметить, что усилитель мощности и акустика должны быть если не HI-END качества, то близкого к нему. Каждое из устройств этой блок-схемы имеет свой собственный высококачественный источник питания (особенно это касается аналоговой части). Это нужно для исключения взаимного проникновения помех, которые могут возникать при работе отдельных модулей устройства.

Согласно блок-схеме, в программном комплексе KiСad была нарисована принципиальная схема ЦАП(рис.з). Устройство имеет два цифровых входа: коаксиальный и оптический. Из коаксиального входа S/PDIFINPUTцифровой аудио-поток поступает через развязывающий трансформатор Т1 и конденсатор С47 на вход RXP0 (вывод 4) микросхемы декодера U9 CS8416, из оптического - через микросхему опто-приемника U10 и конденсатор С46 на вход RXP1(вывод 3) микросхемы U9. Таким образом имеем возможность подключить два источника цифрового аудио-сигнала. Входы RXP2 и RXP3 не используются и заземлены на корпус с помощью джамперов JP11 и JP12 (если вдруг входов окажется мало, то к ним аналогичным образом можно подключить еще два источника цифрового аудио-сигнала через развязывающий трансформатор или опто-приемник). Выбор цифрового входа осуществляется с помощью джамперов JP5 и JP6 (см. таблицу 1 ниже. В принципе, это не есть гуд, так как если устройство будет упаковано в корпус, то возникнут определенные неудобства с переключением входов. В таком случае или выводить джамперы на заднюю стенку, или пользоватся только одним входом. Пока оставил как есть).

Микросхема U9 CS8416 имеет последовательный цифровой выход аудио и широкие возможности управления как программно (по шине I2C) так и аппаратно, с помощью джамперов, подключенных к определенным ножкам микросхемы.

Рис.3 Принципиальная схема ЦАП

В данном случае реализован аппаратный метод управления. Для этого 26 ножка SDOUT микросхемы подключена через резистор R38 на корпус. В этом режиме функции чипа ограничены, но зато не требуется подключения внешнего управляющего контроллера. Микросхема IC2 - это супервизор питания для микросхемы декодера. С выхода микросхемы преобразованный цифровой аудио-поток через резисторы R27-R30 поступает в шину и, далее, в микросхему ЦАП ІС1, при этом имеется возможность выбрать джамперами JP8 и JP10 один из четырех форматов: 24-bit I2S, 24-bit right-justified, 24-bit, left-justified, Direct AES3. Джамперы JP1-JP4 служат для конфигурирования микросхемы ЦАП. С выхода ЦАП сигналы левого и правого каналов через преобразователи ток/напряжение на резисторах R7-R10 приходят на входы малошумящего операционного усилителя TL072 (U5)и далее, через токоограничивающие резисторы R19, R20 - на аудио-выход ЦАП.

Схема питается от блока питания, показанного на рис.4

Рис.4 Блок питания ЦАП

Блок питания построен с применением маломощных стабилизаторов с малым падением напряжения серии LE00 от ST. Стабилизаторы U6, U7, U8 питают микросхему декодера, U1, U2 - микросхему ЦАП, U3, U4 - операционный усилитель.

Этот ЦАП был собран исключительно ради эксперимента и для того, чтоб услышать как оно звучит (о прослушивании и впечатлениях ниже). Один мой коллега, услышав звук, издаваемый этим устройством, загорелся желанием собрать себе такой же, но чипа PCM1794 так и не удалось найти в продаже - только под заказ, и только с бешеными накрутками (в одном интернет-магазине цена под заказ была в районе 80$). Но не беда - в свободной продаже нашелся чип WM8740 от Wolfson - это также 24-битный ЦАП с частотой дискретизации до 192кГц, и почти на порядок дешевле. Эта микросхема успешно состыковалась с входной частью предыдущей схемы, в итоге имеем еще одну схему ЦАП:

Сборка и настройка

Оба ЦАП выполнены на печатных платах из двухстороннего стеклотекстолита - на одной стороне дорожки, на второй оставляем слой фольги в качестве экрана и соединяем его с общим проводом.

(Здесь на рисунках ПП видны артефакты преобразования - это результат вытягивания рисунка ПП из KiCad. В самом проекте KiCad файлы ПП нормальные)

Монтаж выполняем в такой последовательности: сначала собираем источники питания - впаиваем все диодные мосты, фильтрующие конденсаторы, стабилизаторы. Вместо стабилизаторов серии LE00 можно использовать стабилизаторы серий L78Lxx, UA78Lxx. Затем подключаем сетевой трансформатор. Трансформатор используется тороидальный мощностью 6 -10 Вт с напряжениями на вторичных обмотках 9В и 12Вх2 (Я когда заказывал эти трансформаторы - подходящего по мощности и напряжениям в наличии не оказалось. Пришлось заказывать два меньшей мощности и перематывать вторички на нужное напряжение. Это, кстати самая дорогостояща деталь в этой конструкции).

Далее включаем в сеть и проверяем напряжения на стабилизаторах согласно схеме. Если нет спецэффектов и все напряжения в норме, двигаемся дальше (спецэффекты могут быть, если неправильно впаять 79L12 - у них расположение выводов отличается от 78хх).

Собираем входную часть - впаиваем микросхему декодера CS8416 с обвязкой, входные цепи - входной трансформатор, оптический приемник с соответствующими элементами. Тут нужно сказать несколько слов о трансформаторе и оптическом приемнике. Погуглив примененные в (1) эти изделия, понял что приобрести их не удастся. Только под заказ и только по зверским ценам. Будем применять то, что удалось найти. Входной трансформатор был выдран из какой-то ВЧ платы made in USSR. Параметры его не определялись - был впаян как есть. Ориентировочно - это ферритовое кольцо типоразмера 10х6х6, скорее всего из ВЧ феррита. На нем намотаны две обмотки проводом 0,1мм в шелковой изоляции в количестве 15 - 20 витков каждая. Оптический приемник ищется в Интернет-магазинах по кодовому названию GQ-04 и стоит в районе 2$. Если вы попытаетесь найти какой-либо даташит на это произведение китайской промышленности, и даже если вам это удастся - не верьте! Во всем, что мне удалось найти неправильно указано расположение и цоколевка выводов, причем во всех по разному. Методом великого Научного Тыка было определено правильное подключение, - оно нарисовано во второй схеме ЦАП.

Согласно таблице конфигурируем перемычками микросхему декодера:

Цифровые входы
		Вход
		RXP0 - электрический
		RXP1 - оптический
		RXP2 - дополнительный
		RXP3 - дополнительный
Формат выходных данных
		Формат
		24-bit, left-justified
		24-bit, right-justified
System clock RMCK (SCK)
		Частота
Phase Detector Update Rate selection

Внимательно смотрим под линзой нет ли замыканий между контактами микросхемы, тщательно отмываем остатки флюса в районе ее установки. Затем подключаем нашу наполовину собранную плату к какому-либо источнику S/PDIF. У меня таким оказался китайский DVD-плеер. Можно подключать сразу два входа одновременно, электрический и оптический - они переключаются перемычками RXSEL 1, RXSEL 0. Подаем питания на плату. Если все правильно сделано должен гореть светодиод Power, а Error должен потухнуть. Если горит Error, то ищем плохой контакт в соединительном кабеле (входы очень чувствительны и при любом некачественном/плохом контакте получим Error), или еще раз внимательно смотрим таблицу. Также можно получить Error, если неправильно выставлена частота перемычкой RMCK . Можно потыкать осциллографом в некоторые точки:

Вот так выглядит S/PDIF после трансформатора:

А такую картину можно наблюдать на выходной шине:

Заключительным этапом сборки является установка на плату микросхемы ЦАП и операционного усилителя с соответствующей обвязкой. РСМ1794 из первой схемы также требует конфигурации согласно таблице:

Пин, джампер				Аудио формат
				Формат	Стерео/моно
				Right-justified 16bit
				Right-justified 24bit
				Left-justified /Slow
				Right-justified 16bit/Slow
				Digital filter bypass
					моно, левый
					моно, левый
				Right-justified 16bit	моно, левый
				Right-justified 24bit	моно, левый
					моно, правый
					моно, правый
				Right-justified 16bit	моно, правый
				Right-justified 24bit	моно, правый

Как видим из таблицы, данная микросхема имеет широчайшие возможности для построения ЦАП различных конфигураций. Здесь важно установить формат данных такой же как и в микросхеме декодера.

О резисторах R7 - R16. Когда плата уже была собрана и вовсю тестировалась, прочитал в (1) о их качестве и точности: «They should be high quality carbon resistors». Нее, мы о таких и слыхом не слыхивали. Впаял обычные выводные миниатюрные. Их нужно попарно подбирать с одинаковыми номиналами, однако этого делать тоже не стал. Электролитические конденсаторы, кроме тех, что в фильтре блока питания - танталовые SMD, остальные керамические.

Все, теперь можно подключать к выходу какой-либо усилитель и что-то слушать.

Несколько фото платы:

Далее нужно было упаковать все это в какой-либо корпус. После недолгих раздумий, выбор пал на валявшийся без дела дохлый DVD-проигрыватель китайского происхождения. Из него было удалено все, оставлен только сетевой кабель и выключатель питания. На задней стенке корпуса имеем уже готовые отверстия для всех необходимых входных и выходных разъемов. С передней панели удалена наклейка с надписями. Сама панель и задняя стенка корпуса обтянута с помощью утюга декоративной самоклеящейся фактурной пленкой «под кожу».

Так, как органов управления никаких нет, на передней панели будут только два светодиода: «Power» - зеленого цвета свечения и «Error» - красного цвета. А чтоб панель не выглядела скучно добавил кое-какие надписи и подсветку сзади. Для этого распечатал на прозрачной пленке шаблон с надписями. В качестве подсветки - куски светодиодной ленты белого цвета свечения, другой под руками не оказалось. Но белый цвет не понравился, решил поэкспериментировать и напечатать светофильтр. Для этого, опять же, на прозрачной пленке на струйном принтере был напечатан прямоугольник чистого синего цвета. Но плотность оказалась недостаточной. Тогда пропустил еще 2 раза - как раз в самый раз. На фото компоненты передней панели:

Подсветка смонтирована на куске стеклотекстолита: с одной стороны приклеиваем светодиодные ленты, с другой - монтируем обычный стабилизатор на 7812 для ее питания. Стабилизатор подключается к отдельной обмотке трансформатора питания.

Порядок сборки передней панели такой: с задней стороны панели прикручивается на стойках на некотором удалении (1,5 см) плата с подсветкой, с передней стороны сначала устанавливаем кусок белой офисной бумаги в размер, для рассеивания света от светодиодов, затем светофильтр, шаблон с надписями и прижимаем все это также вырезанным по месту куском оргстекла толщиной 1,5 - 2 мм. с помощью тоненьких болтиков (М2, М2,5). Для пущей важности, и чтоб головки винтов не портили вид, заклеиваем оргстекло зеркальной пленкой, которой обычно любители лютого автотюнинга заклеивают стекла в своих пепелацах.

Если честно, то в течении часа просто сидел и слушал, причем все подряд - от классики до откровенной попсы, а Nightwish вообще порвал. Сразу вспомнился звук от вертушки Вега - 006 Hi-fi, на которой отец вертел Boney-M и Песняров. Хорошо знакомые композиции зазвучали совершенно по-новому, чувствуется колоссальный подъем высоких и средних частот и эффект присутствия - как будто прямо на живом концерте. Лучше всего звучат простые оригинальные CD-диски в формате cda, чуть хуже - mp3 (хотя mp3 бывает разное - если правильно закодировано, то разницы почти не чувствуется). Затем прослушивание переместилось к коллеге, который аудио-фил от мозга до костей и цифровые источники звука для него не существуют - только пластинки и катушки, а усилитель - только ламповый. Подключили ЦАП к самодельному ламповому усилителю, акустика также самодельная, шарообразная, источник сигнала все тот же DVD-плеер. Удивлению коллеги не было предела - как же так, разве может цифра звучать так же, как и пластинка??? Он все слушал, сравнивал звук с вертушки, затем с катушечного магнитофона, затем с ЦАП-а, потом в обратном порядке - это дело затянулось далеко за полночь. Особенно удивился, когда воткнули в DVD оригинальный диск Pink Floyd, привезенный кем-то когда-то из Англии, и от басов начала сыпаться пыль с ковров. В итоге вердикт аудио-фила таков (он все-таки не изменил своим принципам): 1 место - пластинка, 2-е - катушка, 3-е - ЦАП, все остальные источники цифрового звука забракованы. Ну а мои, не аудиофильские, но любящие качественный звук, уши разницы практически не чувствуют.

Затем пришла очередь вводить, так сказать, сей девайс в эксплуатацию. Использовать DVD в качестве источника звука экономически не выгодно: никаких денег не хватит постоянно покупать оригинальные диски или болванки для нарезания музыки (к слову, даже нарезанная с оригинального диска копия звучит хуже, чем оригинал). Поэтому было решено подключить ЦАП к ПК. Сейчас можно качать из интернетов огромное количество качественной музыки в lossless формате. До этого в моем ПК стояла звуковая карта Creative SB Audigy 7.1SE, и качество звука, издаваемого из нее, меня вполне устраивало (хотя на малых громкостях прослушивались шумы от винчестеров и куллеров), пока не услышал звук из ЦАП. Попытка подключить ЦАП к цифровому выходу этой карты завершилась неудачей. Как выяснилось, Creative подмешивает к чистому S/PDIF какую-то «отсебятину» (хорошо просматривается осциллографом) и расшифровать этот поток могут только ЦАП фирмы Creative. Тут же была извлечена из закоулков на свет божий старая сетевая карта (собственно от нее понадобились только планка и разъем) и превращена в S/PDIF-планку:

Как вам эта статья?

Вот электрическая схема самодельного цифроаналогового преобразователя, которая использует микросхему PCM2707 - готовый модуль USB DAC. Он определяется как USB Audio Class 1.0 устройство и не требует каких-либо особых драйверов.

Схема изготовлена по даташиту, только добавлено пару индикаторных светодиодов, чтобы было видно когда устройство выключено и подключено к компьютеру. Ещё поставили дроссель на USB 5V линии, чтобы подавить любой высокочастотный шум, теоретически способный просочиться по питанию DAC.

При монтаже ЦАП старайтесь использовать радиодетали для поверхностного монтажа. Большинство пассивных компонентов (резисторы, конденсаторы, ферритовые кольца) типоразмера 0805.

На микросхеме PCM2707 имеется возможность задействовать кнопки управления громкости, воспроизведения, паузы и пропуска песни на компьютере, к которой блок присоединен. В данном варианте не планируется использовать эти функции, но добавлены контактные штыри на случай, если задействуем чего-то в будущем.

А это вид собранной печатной платы декодера USB DAC, которая сразу же заработала при первом подключении. В данном случае используются наушники для прослушивания музыки, но можно подключить любой самодельный усилитель .