Високоякісний USB аудіоадаптер своїми руками. Паралельні цап Саморобний вхідний трансформатор для цап
Ігор ГУСЄВ, Андрій МАРКІТАНОВ
Гаврило був аудіофілом,
Гаврило ЦАПи створював...
Справді, чому б нам не зробити ЦАП своїми руками? Чи це потрібно взагалі? Звичайно! Зовнішній конвертор стане в нагоді, в першу чергу, власникам CD-програвачів, випущених 5 - 10 років тому. Техніка цифрової обробки звуку розвивається бурхливими темпами, і ідея оживити саунд старенького, але улюбленого апарату з допомогою зовнішнього ЦАПа є дуже привабливою. По-друге, такий пристрій може принести велику користь тим, хто має недорогу модель, оснащену цифровим виходом, - це шанс підняти його звучання на новий рівень.
Не секрет, що, створюючи недорогий CD-програвач, розробник перебуває в жорстких фінансових рамках: йому потрібно і транспорт краще вибрати, і оснастити новинку будь-яким сервісом по максимуму, вивести на передню панель побільше кнопок з багатофункціональним індикатором і т.д. жорстким законам ринку апарат не продаватиметься. Через рік, як правило, з'явиться новий, який часом нічим не кращий за старий за звучанням (а часто й гіршим), і так до нескінченності. А більшість великих фірм зазвичай змінюють весь модельний ряд щовесни.
На якісний ЦАП та аналогову частину схеми виділених коштів зазвичай не вистачає, і багато виробників на цьому відверто економлять. З цього правила є, щоправда, винятки, коли такі рішення приймаються навмисно, будучи елементом технічної політики фірми.
Наприклад, добре відома нашим аудіофілам японська С.Є.С. ставить у свої моделі CD2100 і CD3100 дорогий транспорт з великою кількістю ручних регулювань, застосовуючи при цьому простенький ЦАП, що явно за класом не відповідає механіці. Ці апарати позиціонуються фірмою як транспорт із контрольним аудіотрактом і спочатку призначені для роботи із зовнішнім конвертором. Дещо інша ситуація з програвачами ТЕАС VRDS 10 - 25. Встановлюючи висококласний привід і дорогі мікросхеми ЦАП TDA1547 (DAC 7), інженери чомусь вирішили заощадити на вихідних каскадах. Одна російська фірма, знаючи про цю особливість моделей, робить апгрейд, замінюючи аналогову частину схеми.
Про авторів
Андрій Маркитанов, інженер КБ звукотехніки "Три В" з Таганрога. Розробляє та впроваджує у виробництво ЦАПи під маркою «Markan», постійний учасник виставок «Російський Hi-End». Любить нестандартні рішення, стежить за аудіомодою, завжди в курсі останніх досягнень у галузі цифрової схемотехніки. На згадку знає розпинування багатьох чіпів Crystal, Burr-Brown та Philips.
Трохи теорії
Отже, вирішено – робимо ЦАП. Перш ніж ми почнемо розглядати схему, не зайве розшифрувати деякі загальноприйняті скорочення:
S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format)- стандарт цифрової передачі звукових даних між пристроями (асинхронний інтерфейс із самосинхронізацією). Також існує оптичний варіант TosLink (від слів Toshiba та Link). Таким інтерфейсом оснащуються практично всі моделі недорогих CD-плеєрів, але зараз він вважається застарілим. Існують досконаліші інтерфейси, які застосовуються в дорогих апаратах, але ми поки що про них говорити не будемо.
DAC (ЦАП)- Цифро-аналоговий перетворювач.
IIS (Inter IC Signal bus)стандарт на синхронний інтерфейс між елементами схеми в межах одного пристрою.
PLL (Phase Locked Loop, ФАПЧ)- система фазового автопідстроювання частоти.
Emphasis- Попередження.
В даний час для формату CD Audio існує два абсолютно різні способи цифро-аналогового перетворення: однобітовий та мультибітовий. Не вдаючись до подробиць кожного з них, відзначимо, що в переважній більшості дорогих моделей DAC використовується мультибітове перетворення. Чому у дорогих? Для гідної реалізації такого варіанту потрібно якісне багатоканальне джерело живлення, складна процедура налаштування вихідних фільтрів, у деяких моделях вона виконується вручну, а в розвинених країнах робота кваліфікованого фахівця дешево коштувати не може.
Проте однобітові перетворювачі мають чимало шанувальників, т.к. у них своєрідний характер подачі звуку, деякі особливості якого важко досягти за допомогою існуючої мультибітової технології. До них можна віднести більш високу лінійність однобітових ЦАПів на малих рівнях сигналу, а отже – кращу мікродинаміку, чітке детальне звучання. У свою чергу, аргументом прихильників мультибітових ЦАПів є сильніший емоційний вплив на слухача, масштабність і відкритість звуку, що добре відтворюються т.зв. «драйв» та «чес», що особливо цінується шанувальниками року.
За ідеєю, для ідеальної роботи однобітових ЦАПів потрібна дуже висока тактова частота. У разі, тобто. 16 біт та 44,1 кГц, вона повинна становити близько 2,9 ГГц, що є абсолютно неприйнятним значенням з технічної точки зору. За допомогою математичних трюків та всіляких перерахунків її вдається зменшити до прийнятних значень у межах кількох десятків мегагерц. Мабуть, цим пояснюються деякі особливості звучання однобітових ЦАПів. То який же краще? Ми опишемо обидва варіанти, а який вибрати - вирішуйте самі.
Головне, чим ми керувалися при розробці схеми, - її гранична простота, що дозволяє зрозуміти ідею і реалізувати її в конкретній конструкції, навіть не досвідченому в цифровій техніці аудіофілу. Тим не менш, ЦАП, що описується, здатний помітно облагородити звучання бюджетного апарату, оснащеного коаксіальним цифровим виходом. Якщо ваш плеєр такого не має, то нескладно буде організувати його самостійно. Для цього в більшості випадків достатньо встановити на задній стінці роз'єм RCA і підпаяти його сигнальний пелюстка до місця на платі. Як правило, базовий варіант motherboard робиться на кілька моделей відразу, тільки набивається по-різному, і на ній має бути місце для впаювання гнізда цифрового виходу. Якщо це не так, доведеться шукати схему апарату – в авторизованих сервіс-центрах, на радіоринках чи в Інтернеті. Надалі цей макет може послужити об'єктом докладання зусиль для його подальшого поліпшення і дозволить нарешті домогтися «ніжного серпанку над чистим чином».
Майже всі апарати подібного призначення будуються на подібній елементній базі, вибір елементів для розробника не такий вже й широкий. З доступних у Росії назвемо мікросхеми Burr-Brown, Crystal Semiconductors, Analog Devices, Philips. З приймачів S/PDIF сигналу сьогодні за прийнятними цінами більш-менш доступні CS8412, CS8414, CS8420 від Crystal Semiconductors, DIR1700 від Burr-Brown, AD1892 від Analog Devices. Вибір самих ЦАПів дещо ширший, але в нашому випадку оптимальним є використання CS4328, CS4329, CS4390 з перетворенням дельта-сигма, вони найбільш повно відповідають критерію якість/ціна. Широко поширені в High End мультибітові чіпи Burr-Brown РСМ63 вартістю 96 доларів або сучасніші PCM1702 вимагають ще й певних типів цифрових фільтрів, які теж недешеві.
Отже, вибираємо продукцію Crystal Semiconductors, а документацію на мікросхеми з докладним описом, розпинуванням і таблицями станів можна завантажити з сайту www.crystal.com.
| Деталі перетворювача | ||
|---|---|---|
| Опір | ||
| R1 | 220 | 1/4 w |
| R2 | 75 | 1/4 w |
| R3 | 2k | 1/4 w |
| R4 - R7 | 1k | 1/4 w |
| R8, R9 | 470k | 1/4 w вуглець |
| Конденсатори | ||
| З 1 | 1,0 мкФ | кераміка |
| С2, С4, С8, С9 | 1000 мкФ х 6,3 В | оксидні |
| С3, С5, С7, С120 | 1 мкФ | кераміка |
| С6 | 0,047 мкФ | кераміка |
| С10, С11 | 1,0 мкФ | К40-У9 (папір) |
| Напівпровідники | ||
| VD1 | АЛ309 | червоний світлодіод |
| VT1 | КТ3102А | n-p-n транзистор |
| U1 | CS8412 | приймач цифрового сигналу |
| U2 | 74HC86 | TTL-буфер |
| U3 | CS4390 | ЦАП |
Переходимо до схеми
Отже, залишається питання: яку схему вибрати? Як уже говорилося, вона повинна бути нескладною, доступною для повторення і мати достатній потенціал якості звучання. Також є обов'язковим наявність перемикача абсолютної фази, що дозволить краще узгодити ЦАП з іншими елементами звукового тракту. Ось оптимальний, на наш погляд, варіант: цифровий приймач CS8412 та однобітовий ЦАП CS4390 вартістю близько $7 за корпус (краще постаратися знайти варіант DIP, це помітно полегшить монтаж). Цей ЦАП застосовується у відомій моделі програвача Meridian 508.24 і досі Crystal вважається кращим. У мультибітовому варіанті використовується чіп Philips TDA1543. Схема однобітового перетворювача виглядає так:
Резистори R1-R7 малогабаритні, будь-якого типу, а ось R8 та R9 краще взяти серії ВС або імпортні вуглецеві. Електролітичні конденсатори С2, С4, С8, С9 повинні бути номіналом не менше 1000 мкФ з робочою напругою 6,3 – 10 В. Конденсатори С1, С3, С5, С6, С7 – керамічні. С10, С11 бажано застосувати К40-У9 або МБГЧ (папір в олії), але підійдуть і плівкові К77, К71, К73 (перераховані в порядку зменшення пріоритету). Трансформатор Т1 – для цифрового аудіо, дістати його не проблема. Можна спробувати застосувати трансформатор від несправної комп'ютерної плати. На схемі не показано підключення живлення мікросхеми U2, мінус подається на 7 ніжку, а плюс - на 14-ю.
Для максимального використання звукового потенціалу схеми бажано дотримуватись наступних правил монтажу. Всі з'єднання до загального дроту (позначений значком GND) краще зробити в одній точці, наприклад, на виведенні мікросхеми 7 U2. Найбільшу увагу слід приділити вхідному вузлу цифрового сигналу, який включає вхідне гніздо, елементи С1, Т1, R2 і висновки 9,10 мікросхеми U1.
Необхідно використовувати максимально короткі з'єднання та висновки компонентів. Те саме стосується вузла, що складається з елементів R5, C6 і висновків 20, 21 мікросхеми U1. Електролітичні конденсатори з відповідними керамічними шунтами повинні бути встановлені в безпосередній близькості від живлення мікросхем і з'єднані з ними провідниками мінімальної довжини. На схемі не показані ще один електроліт та керамічний конденсатор, які підключаються безпосередньо на висновки живлення 7 та 14 мікросхеми U2. Необхідно також з'єднати між собою висновки 1, 2, 4, 5, 7, 9, 10 мікросхеми U2.
Після набуття деякого досвіду ви зможете на слух підбирати величину та тип електролітичних та керамічних конденсаторів, що стоять у ланцюгах живлення на кожній конкретній ділянці.
Тепер кілька слів про роботу самої схеми. Світлодіод D1 служить для індикації захоплення цифровим приймачем сигналу U1 з транспорту і наявності помилок зчитування. У процесі нормального відтворення він не повинен світитися. Контакти S1 перемикають абсолютну фазу сигналу на виході, це аналогічно до зміни полярності акустичних кабелів. Змінюючи фазування, ви можете помітити, як воно впливає на звучання всього тракту. У ЦАП є також схема корекції де-емфазиса (висновок 2/U3), і хоча дисків з пре-эмфазисом випущено небагато, така функція може стати в нагоді.
Тепер про вихідні ланцюги. Безпосереднє підключення мікросхеми ЦАП до виходу тільки через роздільні конденсатори можливе, оскільки в мікросхемі CS4390 вже є вбудований аналоговий фільтр і вихідний буфер. За аналогічним принципом побудовані чіпи CS4329 та CS4327, хорошу аналогову частину також мав ЦАП CS4328. Якщо ви знаєте, як зробити якісні ФНЧ і узгоджуючі каскади, варто спробувати свої сили на чудовій мікросхемі CS4303, яка на виході має цифровий сигнал і дає можливість побудови апарату, що відмінно звучить, якщо, наприклад, до неї підключити ламповий буфер з кенотронним живленням.
Але повернемось до нашої CS4390. Принцип побудови однобітових ЦАП передбачає наявність у внутрішніх ланцюгах живлення значних по амплітуді імпульсних перешкод. Для зменшення їх впливу вихідний сигнал вихід таких ЦАПов практично завжди роблять за диференціальною схемою. Нас же в даному випадку не цікавлять рекордні показники за значенням сигнал/шум, тому ми використовуємо лише один вихід для кожного каналу, що дозволяє уникнути застосування додаткових аналогових каскадів, які можуть негативно вплинути на звук. Амплітуда сигналу на вихідних гніздах цілком достатньо для нормальної роботи, а вбудований буфер непогано справляється з таким навантаженням, як міжблочний кабель і вхідний опір підсилювача.
Тепер поговоримо про живлення нашого пристрою. Звук – це просто модульоване джерело живлення і нічого більше. Яке харчування, такий звук. Цьому питанню намагатимемося приділити особливу увагу. Початковий варіант стабілізатора живлення для нашого пристрою показано на рис.2
Переваги цієї схеми - у простоті та зрозумілості. При загальному випрямлячі використовуються різні стабілізатори для цифрової та аналогової частин схеми – це обов'язково. Між собою вони розв'язані по входу фільтром, що складається із С1, L1, С2, С3. Замість п'ятивольтових стабілізаторів 7805 краще поставити регульовані LM317 з відповідними резистивними дільниками в ланцюзі виводу, що управляє. Розрахунок номіналів опорів можна знайти в будь-якому довіднику лінійних мікросхем. LM317 у порівнянні з 7805 мають ширший частотний діапазон (не забувайте, що по ланцюгах живлення у нас йде не тільки постійний струм, а й широкосмуговий цифровий сигнал), менші внутрішні шуми та спокійнішу реакцію на імпульсне навантаження. Справа в тому, що при появі імпульсної перешкоди (а їх по живленню мабуть-невидимо!) схема стабілізації, охоплена глибоким негативним зворотним зв'язком (вона необхідна для отримання високого коефіцієнта стабілізації та малого вихідного опору), намагається її компенсувати. Як належить для схем з ООС, виникає загасаючий коливальний процес, на який накладаються перешкоди, що знову прийшли, і в результаті вихідна напруга постійно стрибає вгору-вниз. Звідси випливає, що з живлення цифрових схем бажано використовувати стабілізатори на дискретних елементах, які містять ОС. Звичайно, в такому випадку вихідний опір джерела буде значно вищим, тому вся відповідальність за боротьбу з імпульсними перешкодами перекладається на конденсатори, що шунтують, які з цим завданням справляються непогано, і це благотворно позначається на звучанні. Крім того, явно вимальовується необхідність застосування кожного виведення живлення цифрових мікросхем окремого стабілізатора разом з елементами розв'язки по живленню (аналогічно L1, С2, С3 на рис.2).
У ЦАПах Markan так і зроблено, причому фільтр із додатковим придушенням цифрових перешкод і випрямляч працюють від окремої обмотки мережевого трансформатора, а для додаткової розв'язки цифрової та аналогової частин схеми навіть використовуються різні трансформатори. Так само робиться і для подальшого вдосконалення нашого ЦАПу, хоча спочатку можна використовувати схему на рис.2, вона забезпечить початковий рівень якості звучання. У випрямлячі краще використовувати швидкі діоди Шоттки.
Мультибітовий варіант схеми
Зазвичай мультибітові ЦАПи вимагають для роботи кількох джерел напруги різної полярності і чимало додаткових дискретних елементів. Серед великої різноманітності мікросхем зупинимо свій вибір на Philips TDA1543. Цей ЦАП є «бюджетною» версією чудової мікросхеми TDA 1541, коштує копійки та доступний у роздрібному продажу у нас у країні.
Мікросхема TDA 1541 застосовувалася в CD-програвачі Arcam Alpha 5, який свого часу зібрав безліч призів, хоча його ж сильно і лаяли - допотопний ЦАП, сильні перешкоди, але як звучить! Ця мікросхема також досі застосовується у програвачах Naim. TDA1543 чудово підходить для нашої мети, т.к. для нього необхідне лише одне джерело живлення +5 В і не вимагає додаткових деталей. Відпаюємо CS4390 від цифрового приймача і на її місце підключаємо TDA 1543 відповідно до схеми на рис. 3.
Тут потрібно дати кілька додаткових роз'яснень. Всі мультибітові ЦАП мають струмовий вихід, і для перетворення сигналу в напругу існують кілька схемотехнічних рішень. Найбільш поширене - операційний підсилювач, підключений входом, що інвертує, до виходу ЦАПа. Перетворення струм-напруга здійснюється за рахунок ОС, що його охоплює. За теорією він працює чудово, і такий підхід вважається класичним - його можна зустріти у рекомендованих варіантах включення будь-якого мультибітового ЦАП. Але якщо говорити про звучання, то все не так просто. Для реалізації цього методу на практиці потрібні дуже якісні ОУ з хорошими швидкісними характеристиками, наприклад, AD811 або AD817, які коштують понад $5 за штуку. Тому в бюджетних конструкціях частіше надходять по-іншому: просто підключають до виходу ЦАП звичайний резистор, і струм, проходячи ним, буде створювати падіння напруги, тобто. повноцінний сигнал. Величина цієї напруги буде прямо пропорційна величині резистора і струму, що через нього протікає. Незважаючи на простоту і витонченість цього методу, він поки не отримав широкого застосування у виробників дорогої апаратури, т.к. також має безліч підводних каменів. Головна проблема в тому, що струмовий вихід ЦАПів не передбачає наявності напруги на ньому і зазвичай захищений діодами, включеними зустрічно-паралельно і вносять значні спотворення сигнал, що отримується на резисторі. Серед відомих виробників, які все ж таки зважилися на такий метод, слід виділити фірму Kondo, яка у своєму M-100DAC ставить резистор, намотаний срібним дротом. Очевидно, що він має дуже маленький опір та амплітуда вихідного сигналу також дуже мала. Для отримання стандартної амплітуди використовують кілька лампових каскадів посилення. Ще однією відомою фірмою з нетрадиційним підходом до питання перетворення струм-напруга є Audio Note. У своїх ЦАП вона застосовує для цих цілей трансформатор, в якому струм, що проходить через первинну обмотку, викликає магнітний потік, що призводить до появи на вторинній обмотці напруги сигналу. Такий же принцип реалізовано в деяких ЦАП серії «Markan».
Але повернемося до TDA 1543. Схоже, розробники цієї мікросхеми з якихось причин не встановили захисні діоди на виході. Це відкриває перспективу використання резисторного перетворювача ток-напруга. Опір R2 та R4 на рис. 3 – саме для цього. При зазначених номіналах амплітуда вихідного сигналу становить близько 1, чого цілком достатньо для безпосереднього підключення ЦАП до підсилювача потужності. Слід зазначити, що здатність навантаження нашої схеми не дуже велика і при несприятливих умовах (велика ємність міжблочного кабелю, малий вхідний опір підсилювача потужності та ін) звучання може бути злегка затиснутим по динаміці і «розмазаним». У цьому випадку допоможе вихідний буфер, схему та конструкцію якого ви можете вибрати з безлічі існуючих варіантів. Може статися, що в деяких варіантах мікросхеми TDA 1543 захисні діоди все-таки встановлені (хоча в специфікаціях таких відомостей немає, і конкретні екземпляри нам також не траплялися). У цьому випадку вдасться зняти з неї сигнал амплітудою не більше 0,2 В і доведеться використовувати вихідний підсилювач. Для цього необхідно в 5 разів зменшити номінал резисторів R2 та R4. Конденсатори С2 та С4 на рис. 3 утворюють фільтр першого порядку, що усуває ВЧ-перешкоди з аналогового сигналу і формує потрібну АЧХ у верхній частині діапазону.
У багатьох конструкціях ЦАПів використовуються цифрові фільтри, що значно полегшує завдання розробнику при проектуванні аналогової частини, але при цьому ЦФ лягає більша частина відповідальності за кінцеве звучання апарату. Останнім часом від них почали відмовлятися, оскільки грамотний аналоговий фільтр ефективно пригнічує ВЧ-шуми і негаразд згубно впливає на музичність. Саме так зроблено в ЦАПах Markan, в яких використовується звичайний фільтр третього порядку з лінійною фазовою характеристикою, виконаний на LC-елементах. У схемі на рис. 3 для простоти застосований аналоговий фільтр першого порядку, якого в більшості випадків цілком достатньо, особливо якщо ви використовуєте ламповий підсилювач потужності та ще й без зворотних зв'язків. Якщо ж у вас транзисторна апаратура, то цілком можливо, що доведеться збільшити порядок фільтра (проте не перестарайтеся, занадто крута схема обов'язково погіршить звучання). Відповідні схеми та формули для розрахунку ви знайдете у будь-якому пристойному радіоаматорському довіднику.
Зверніть увагу, що резистори R2, R4 та конденсатори C2, C4 знаходяться саме в тому місці, де зароджується аналоговий звук. High End починається саме звідси і, як то кажуть, «далі скрізь». Від якості цих елементів (особливо від резисторів) великою мірою залежатиме звучання всього апарату. Резистори необхідно ставити вуглецеві ПС, ВУЛІ або боровуглецеві БЛП (попередньо підібравши їх за однаковістю опорів за допомогою омметра), застосування імпортної екзотики також вітається. Конденсатори допустимі будь-якого типу із зазначених вище. Усі з'єднання мають бути мінімальної довжини. Зрозуміло, якісні вихідні роз'єми також потрібні.
Що ж у нас вийшло?
Я раніше погано співав куплети,
хрипів, репетував і брехав мотив…(Дж. К. Джером, «Троє в човні,
крім собаки»)
Не полінуюся нагадати, що перед першим включенням пристрою необхідно ретельно перевірити весь монтаж. Регулятор гучності підсилювача при цьому потрібно встановлювати в мінімальне положення та плавно збільшувати гучність, якщо перешкоди, свист та фон на виході відсутні. Будьте уважні та обережні!
Загалом для однобітових ЦАП характерно дуже м'яке, приємне звучання, з безліччю тонких деталей. Здається, весь свій звуковий потенціал вони кидають на допомогу солісту, відтісняючи інших учасників музичного твору кудись на задній план. Великі оркестри дещо «зменшуються» за складом музикантів, страждають на міць і масштабність їхнього звучання. Мультибітові ЦАПи приділяють однакову увагу всім учасникам музичної дії, не віддаляючи та не виділяючи нікого з них. Динамічний діапазон ширший, звучання більш рівне, але в той же час дещо відсторонене.
Наприклад, при відтворенні через мультибітовий ЦАП добре відомої пісні I Put A Spell on You у виконанні Creedence Clearwater Revival чудово передається її енергетика, потужний потік емоцій просто зачаровує, стає зрозумілим задум її творців, ми гостро відчуваємо, що вони хотіли нам сказати. Дрібні деталі дещо змащені, але на тлі описаних вище домінуючих характеристик такої подачі звуку це не видається серйозним недоліком. При відтворенні цієї ж пісні через однобітовий ЦАП картина дещо інша: звучання не настільки масштабне, сцена дещо відсунута назад, зате чудово чути подробиці звуковидобування, дрібні штрихи. Добре передається момент, коли музикант наближає гітару до комбіка, домагаючись легкого самозбудження підсилювача. Натомість при прослуховуванні Елвіса Преслі чудово розкривається все багатство його голосу. Добре помітно, як він змінювався з віком, емоційний вплив на слухача також сильний, а дещо відсунутий на задній план акомпанемент органічно вписується в загальну картину.
Так що вибір типу ЦАП залишається за вами, в обох варіантів є як сильні, так і слабкі сторони, істина, зрозуміло, лежить десь посередині. Незважаючи на простоту, звуковий потенціал описаних схем досить високий, і при творчому виконанні наведених рекомендацій кінцеві результати вас не повинні розчарувати. Бажаємо успіху!
На запитання розробник схеми
Будучи «щасливим» володарем інтегрованої звукової підсистеми, я все ж таки мріяв про хорошу звукову карту, і навіть подумати не міг, що її можна зробити своїми руками в домашніх умовах. Одного разу, боровши простори Всесвітньої мережі, натрапив на опис звукової карти з USB інтерфейсом на мікросхемі РСМ2702 фірми Burr-Brown і, переглянувши прайси фірм, що торгують радіодеталями, зрозумів, що це поки не для нас - про неї ніхто нічого не знав. Пізніше мій комп'ютер був зібраний в маленькому корпусі microATX, в якому не вистачало місця навіть для старої Creative Audigy2 ZS. Довелося шукати щось невелике та бажано зовнішнє з інтерфейсом USB. І тут знову натрапив на чіп РСМ2702, який вже активно використовували і хвалили за якість відтворення музики - при правильній схемотехніці звук був набагато приємніший, ніж у тієї ж Audigy2 ZS. Знову пошук по прайсах, і про диво, мікросхема, що шукається, є в наявності за ціною близько 18 «ворожих грошей». У результаті було замовлено кілька чіпів для експериментів, так би мовити, послухати, що там навояли буржуазні «ЦАПобудівники».
Отже, що за звір цей контролер РСМ2702, від легендарної фірми Burr-Brown, який підкорила серця аудіофілів у всьому світі своїми топовими рішеннями? Цікаво, на що здатне бюджетне рішення?
За даними технічної документації на мікросхему (pcm2702.pdf), ми маємо цифро-аналоговий перетворювач (digital-to-analog converter - DAC) з інтерфейсом USB з наступними характеристиками:
- Розрядність 16 біт;
- Частота дискретизації 32 кГц, 44,1 кГц та 48 кГц;
- Динамічний діапазон 100 дБ;
- Відношення сигнал/шум 105 дБ;
- Рівень нелінійних спотворень 0,002%;
- Інтерфейс USB1.1;
- Цифровий фільтр з 8-кратною передискретизацією;
- Працює із стандартним драйвером USB audio device.
Тепер про сам пристрій. Для початку був зібраний простенький варіант за схемою, що рекомендується виробником, з невеликими змінами в харчуванні. Вийшла маленька "звуковуха" з живленням від USB.
Але такий пристрій не був закінченим і вимагав зовнішній підсилювач, та й навушники нормально розгойдувати не могло. Пізніше було замінено материнську плату іншу, з нормальним HAD-кодеком і гарним розведенням плати. Аудіотракт був позбавлений сторонніх шумів і шурхіт, та й якість вихідного сигналу була не гірша ніж у РСМ2702. І, мабуть, цих рядків не було, якби мені на очі не попалася така ось скринька:
Це система пасивного охолодження для HDD, але для мене в першу чергу це шикарний корпус для радіоапаратури. Я відразу зрозумів, що в ньому буде щось зібрано, наприклад, звукова карта з підсилювачем, благо з охолодженням проблем не повинно бути. Багато думав над схемотехнікою девайсу. З одного боку хотілося високої якості, а з іншого - не хотілося платити більше, ніж коштують готові звукові плати від Creative. Основне питання виникло по LPF та підсилювачу для навушників, адже високоякісні комплектуючі для цих цілей можуть коштувати стільки ж, як сама РСМ2702, а то й більше. Наприклад, ціна на високоякісні операційні підсилювачі для LPF – ОРА2132 та OPA627, коштують близько 10 та 35 доларів відповідно. Мікросхеми підсилювача для навушників - AD815 або TPA6120, я зовсім не знайшов у прайсах, причому ціни на них теж не маленькі.
Але погана без добра не буває і я знайшов у Мережі схему простого і якісного LPF на транзисторах, автор якої стверджував про пристойне звучання, навіть не гірше за дорогі операційні підсилювачі. Вирішив спробувати. Як підсилювач для навушників поставив мікросхему LM1876 - молодшу двоканальну «сестру» легендарної LM3886 з таким же звучанням, але меншою потужністю. Ця мікросхема дозволяє, збільшивши коефіцієнт посилення, підключати колонки.
Вийшла ось така схема - USB-DAC_PCM2702_Sch.pdf, креслення друкованої плати - USB-DAC_PCM2702_Pcb.pdf в дзеркальному відображенні для перенесення зображення лазерно-прасним методом на мідну фольгу, так званий ЛУТ (детальніше можна почитати в Інтернеті), на платі, а також схема підключення регулятора гучності - USB-DAC_PCM2702.pdf.
У зібраному вигляді плата виглядає так:
Небагато розповім, як це все працює, якщо раптом знайдуться охочі зібрати подібний агрегат. Схема включення PCM2702 стандартна - LPF є фільтром Саллена-Кея, ФНЧ другого порядку з одиничним посиленням, оскільки активний елемент працює як повторювач, то без проблем можна використовувати емітерний або і повторювач. Тут є поле для експериментів. Можна підібрати тип транзисторів, який більше подобається по звуку - я, тестуючи з того що було, зупинився на КТ3102Е в металевому корпусі (VT3, VT4 - дивіться схему USB-DAC_PCM2702_Sch). Елементи фільтра найбільше впливають звук, особливо конденсатори С25, С26, С31, С32. Знавці цієї справи рекомендують ставити плівкові конденсатори WIMA FKP2, полістирол фольговий FSC або радянські ПМ. Але в наявності не знайшлося нічого нормального і довелося ставити те, що було, а вже потім я змінив на краще. На платі передбачені контактні майданчики як під вивідні, так і SMD конденсатори. Резистори R9, R10, R11, R12 потрібні попарно ідентичні, навіщо беремо резистори з точністю 1% чи підбираємо пари з допомогою мультиметра. Я підбирав із кількох десятків резисторів з точністю 5%, тому що не було часу чекати, поки привезуть із точністю 1%. Номінали резисторів і конденсаторів можна підбирати за звучанням, як вам більше подобається, але єдина умова - пара повинна бути однаковою, щоб кожен канал не співав по-своєму.
У схемі передбачено відключення аналогового живлення PCM2702 та виходу фільтра від роз'ємів Х5, Х6, якщо не підключений USB кабель до роз'єму Х1. Це зроблено для того, щоб низький вихідний опір фільтра не заважало сигналу, що подається на ці роз'єми при використанні пристрою як підсилювача для навушників. При підключенні аналогове живлення ЦАП подається через транзистор VT2, яким керує транзистор VT1, якщо є напруга на роз'єм USB, то обидва транзистора відкриті. Виходи фільтрів підключаються до роз'ємів на задній панелі через реле К1, яке також керується живленням з USB. Реле я використав V23079-A1001-B301 фірми AXICOM. Якщо немає подібного реле, замість нього можна поставити звичайний перемикач з двома контактними групами. Замість транзистора VT2 теж можна поставити перемикач, а всі елементи, що відповідають за комутацію живлення, не потрібно впаювати, тільки бажано через той же перемикач комутувати і саме живлення USB.
Живиться підсилювач і аналогова частина від зовнішнього джерела живлення напругою 12-15 і 0,5 А змінного струму, що підключається через роз'єм Х2 на задній панелі.
Саме джерело живлення було зроблено зі звичайного стабілізованого БП на 12 0,5 А шляхом викидання всього зайвого.
У підсилювачі також потрібно підбирати попарно резистори R15-R18, якими визначається коефіцієнт посилення (лівий канал Кул = R17/R15, Куп = R18/R16). Якщо не планується використання навушників можна підключати динаміки, тоді потрібно зменшити опір резисторів R15, R16 до 4,7-10 кОм, можна ще трохи збільшити опір R17, R18. Таким чином, можна буде отримати номінальну вихідну потужність близько 2х5 Вт. Якщо запитати мікросхему D6 напругою +/- 20...25 В, що береться відразу після випрямляча з конденсаторів С6, можна отримати максимальну вихідну потужність 2 х 18 Вт, але для цього потрібно буде поставити діоди VD2, VD3 на струм не менше 3А , Замінити запобіжник F2 на струм не менше 3А, збільшити ємність конденсатів С6, С7 в два рази і використовувати трансформатор в блоці живлення більшої потужності, приблизно 16 В 4 А змінного струму.
Всі резистори SMD, резистори R20, R22 типорозміром 1805 080 С та малим внутрішнім опором , з робочою напругою 16 В, конденсатори С6, С7 з максимальною робочою напругою 25-35 В. Більшість роз'ємів випаяні зі старої апаратури точного маркування сказати не можу, орієнтуйтеся на вигляд. Резистор регулятора гучності підключається двожильним екранованим дротом, два канали сигналу і земля по екрану, резистор невідомого китайського походження опором 20 кОм групи В (з експоненційною залежністю опору від кута повороту ручки).
Ще хочу трохи розповісти, як паяти мікросхеми у такому маленькому корпусі. Деякі помилково вважають, що такі мікросхеми потрібно паяти паяльниками маленької потужності та тонким жалом. Дуже весело спостерігати, коли люди заточують жало, як шило і намагаються їм паяти кожну ніжку окремо. Насправді все легко та просто. Для початку встановлюємо мікросхему в потрібному положенні, притримуємо рукою або фіксуємо клеєм, припаюємо один з крайніх висновків, далі центруємо, якщо потрібно, і припаюємо протилежний висновок. Якщо спаяється кілька висновків разом, це не страшно. Паяльник береться потужністю 30-50 Вт із лудженим, свіжо-заточеним жалом під кутом близько 45°, і не шкодуємо флюсу чи каніфолі. Флюс бажано не активний, інакше доведеться дуже ретельно відмивати плату, намагаючись вимити його з-під мікросхеми. Маленькою краплею припою прогріваємо всі ноги, починаючи з одного краю і поступово, в міру прогріву, зрушуємо паяльник у бік незапаяних висновків, зганяючи на них зайвий припій, при цьому плату можна тримати під кутом, щоб припій під дією сили тяжіння сам стікав вниз. Якщо припою не вистачить - взяти ще крапельку, якщо багато, то за допомогою ганчірки знімаємо весь припій, що є на жалі паяльника, і не шкодуючи флюс знімаємо зайве з висновків мікросхеми. Таким чином, якщо плата нормально протруєна, добре зачищена та знежирена, то пайка проходить протягом 1-3 хвилини і виходить чистою, красивою та рівномірною, що видно на моїй платі. Але для більшої впевненості рекомендую потренуватися на горілих платах від різної комп'ютерної техніки з мікросхемами, які мають приблизно такий самий крок висновків.
Рекомендую спочатку не впаювати мікросхеми D2 та D6 та елементи, які можуть заважати при їх установці. В першу чергу необхідно спаяти вузли, що відповідають за живлення, продзвонити ланцюги живлення на предмет короткого замикання, підключити до USB-порту і подати змінну напругу 14 В з блоку живлення на Х2. На майбутніх виходах мікросхем стабілізаторів має бути наступна напруга:
- D1: +3,3;
- D3: +12;
- D4: -12;
- D5: +5 ст.
При першому підключенні РСМ2702 до комп'ютера система знаходить новий пристрій - динаміки USB Burr-Brown Japan PCM2702.
Після автоматичного встановлення драйвера в диспетчері пристроїв, з'явиться новий пристрій - Динаміки USB. Це означає, що все працює, тому що потрібно і можна включати музику, відео або навіть запускати ігри.
Система автоматично передає звук на мікросхему РСМ2702 при її підключенні до комп'ютера і повертає вихідний стан при відключенні плати, для відновлення відтворення потрібно просто перезапустити потрібну програму. Гучність регулюється стандартним регулятором гучності Windows. Я перевіряв працездатність плати лише під системою Windows XP SP2.
Небагато про складання всього пристрою в корпус. Найскладніше це встановлення змінного резистора регулятора гучності. Передня панель кріпиться до шасі за виступ, який проходить вздовж тильного боку панелі та має досить серйозну товщину. Цей виступ потрібно зрізати ножівкою по металу або фрезерним верстатом в тому місці, де буде кріпитися регулятор гучності, але при цьому потрібно бути дуже обережним, так як можна подряпати алюмінієве покриття, через що панель втратить свою привабливість. Потім свердлимо отвір для кріплення резистора, місце для якого прикидаємо за положенням ручки, яка одягатиметься на цей самий резистор. З лицьового боку трохи прибираємо ребра біля отвору, щоб гайка дістала різьблення на підставі резистора. Є ще одна проблема - центр панелі не збігається з центром внутрішньої камери шасі, і резистор регулятора гучності впирається в корпус. Довелося підняти панель на 2-3 мм, для чого зрізав дрімотю кут виступу для кріплення.
Не буду докладно описувати всі дії з панеллю та шасі. Ті, хто може зробити сам такого роду пристрій, все зрозуміє за фотографіями. Де потрібно було посвердлено отвори і нарізано різьблення, під панель при встановленні було підкладено по 2 шайби біля кожного гвинта, щоб підняти її на 2 мм. У шасі також посвердлені отвори та нарізане різьблення для кріплення плати. Мікросхеми D3, D4 і D6 притиснуті до шасі гвинтами М2.5, при цьому D4 і D6 потрібно ізолювати від панелі за допомогою пластини слюди або іншого теплопровідного діелектрика або використовувати мікросхеми із ізольованим корпусом, як D6 в моєму випадку. Задня панель зроблена із пластмасової заглушки від системного блоку. Все це докладніше можна побачити на фото.
Більшість схем паралельних ЦАП засноване на підсумовуванні струмів, сила кожного з яких пропорційна вазі цифрового двійкового розряду, причому повинні сумуватися лише струми розрядів, значення яких рівні 1. Нехай, наприклад, потрібно перетворити двійковий чотирирозрядний код аналоговий сигнал струму. У четвертого, старшого значущого розряду (ЗЗР) вага дорівнюватиме 2 3 =8, у третього розряду – 2 2 =4, у другого – 2 1 =2 і у молодшого (МЗР) – 2 0 =1. Якщо вага МЗР IМЗР = 1 мА, то IЗЗР = 8 мА, а максимальний вихідний струм перетворювача Iвих.макс =15 мА і відповідає коду 11112. Зрозуміло, що коду 1001 2 наприклад буде відповідати Iвих = 9 мА і т.д. Отже, потрібно побудувати схему, що забезпечує генерацію та комутацію за заданими законами точних вагових струмів. Найпростіша схема, що реалізує зазначений принцип, наведено на рис. 3.
Опір резисторів вибирають так, щоб при замкнутих ключах через них протікав струм, що відповідає вазі розряду. Ключ має бути замкнутий тоді, коли відповідний йому біт вхідного слова дорівнює одиниці. Вихідний струм визначається співвідношенням
При високій розрядності ЦАП токозадаючі резистори повинні бути узгоджені з високою точністю. Найбільш жорсткі вимоги по точності пред'являються до резистори старших розрядів, оскільки розкид струмів у них не повинен перевищувати струму молодшого розряду. Тому розкид опору в k-м розряді має бути менше, ніж
D R /R=2 –k
З цієї умови випливає, що розкид опору резистора, наприклад, у четвертому розряді не повинен перевищувати 3%, а в 10-му розряді – 0,05% і т.д.
Розглянута схема при всій її простоті має цілий букет недоліків. По-перше, при різних вхідних кодах струм, що споживається від джерела опорної напруги (ІОН), буде різним, а це вплине на величину вихідної напруги ІОН. По-друге, значення опорів вагових резисторів можуть відрізнятися в тисячі разів, а це робить дуже скрутною реалізацію цих резисторів напівпровідникових ІМС. Крім того, опір резисторів старших розрядів багаторазрядних ЦАП може бути порівнянним з опором замкнутого ключа, а це призведе до похибки перетворення. По-третє, у цій схемі до розімкнених ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їхню побудову.
Ці недоліки усунуті у схемі ЦАП AD7520 (вітчизняний аналог 572ПА1), розробленому фірмою Analog Devices у 1973 році, яка в даний час є по суті промисловим стандартом (за нею виконано багато серійних моделей ЦАП). Вказана схема представлена на рис. 4. Як ключі тут використовуються МОП-транзистори.
Мал. 4. Схема ЦАП з перемикачами та матрицею постійного імпедансу
У цій схемі завдання вагових коефіцієнтів ступенів перетворювача здійснюють за допомогою послідовного поділу опорної напруги за допомогою резистивної матриці постійного імпедансу. Основний елемент такої матриці є дільником напруги (рис. 5), який повинен задовольняти наступній умові: якщо він навантажений на опір Rн, то його вхідний опір Rвх також має набувати значення Rн. Коефіцієнт ослаблення ланцюга a = U 2 /U 1 при цьому навантаженні повинен мати задане значення. При виконанні цих умов отримуємо такі вирази для опорів:
відповідно до рис.4.
Оскільки в будь-якому положенні перемикачів S kвони з'єднують нижні висновки резисторів із загальною шиною схеми, джерело опорної напруги навантажено на постійний вхідний опір Rвх = R. Це гарантує незмінність опорної напруги за будь-якого вхідного коду ЦАП.
Згідно рис. 4 вихідні струми схеми визначаються співвідношеннями
 |
(8) |
 |
(9) |
а вхідний струм
 |
(10) |
Оскільки нижні висновки резисторів 2 Rматриці за будь-якого стану перемикачів S kз'єднані із загальною шиною схеми через низький опір замкнутих ключів, напруги на ключах завжди невеликі, в межах кількох мілівольт. Це спрощує побудову ключів і схем керування ними та дозволяє використовувати опорну напругу з широкого діапазону, у тому числі й різної полярності. Оскільки вихідний струм ЦАП залежить від UОплінійно (див. (8)), перетворювачі такого типу можна використовувати для множення аналогового сигналу (подаючи його на вхід опорної напруги) на цифровий код. Такі ЦАП називають перемножуючими(MDAC).
Точність цієї схеми знижує та обставина, що з ЦАП, мають високу розрядність, необхідно узгоджувати опори R 0 ключів із розрядними струмами. Особливо це важливо для ключів старших розрядів. Наприклад, у 10-розрядному ЦАП AD7520 ключові МОП-транзистори шести старших розрядів зроблені різними за площею та їх опір R 0 наростає згідно з двійковим кодом (20, 40, 80, … , 640 Ом). Таким способом зрівнюються (до 10 мВ) падіння напруги на ключах перших шести розрядів, що забезпечує монотонність та лінійність перехідної характеристики ЦАП. 12-розрядний ЦАП 572ПА2 має диференційну нелінійність до 0,025% (1 МЗР).
ЦАП на МОП ключах мають відносно низьку швидкодію через велику вхідну ємність МОП-ключів. Той самий 572ПА2 має час встановлення вихідного струму при зміні вхідного коду від 000...0 до 111...1, що дорівнює 15 мкс. 12-розрядний DAC7611 фірми Burr-Braun має час встановлення вихідної напруги 10 мкс. У той самий час ЦАП на МОП-ключах мають мінімальну потужність споживання. Той самий DAC7611 споживає всього 2,5 мВт. Останнім часом з'явилися моделі ЦАП розглянутого вище типу із вищою швидкодією. Так 12-розрядний AD7943 має час встановлення струму 0,6 мкс і споживану потужність лише 25 мкВт. Мале власне споживання дозволяє запитувати такі мікропотужні ЦАП прямо від джерела опорної напруги. При цьому вони можуть навіть не мати висновку для підключення ІОН, наприклад AD5321.
ЦАП на джерелах струму
ЦАП на джерелах струму мають більш високу точність. На відміну від попереднього варіанту, в якому вагові струми формуються резисторами порівняно невеликого опору і, як наслідок, залежать від опору ключів та навантаження, в даному випадку вагові струми забезпечуються транзисторними джерелами струму, що мають високий динамічний опір. Спрощену схему ЦАП на джерелах струму наведено на рис. 6.
Мал. 6. Схема ЦАП на джерелах струму
Вагові струми формуються за допомогою резистивної матриці. Потенціали баз транзисторів однакові, а щоб були рівними і потенціали емітерів всіх транзисторів, площі їх емітерів роблять різними відповідно до вагових коефіцієнтів. Правий резистор матриці підключений немає загальної шини, як у схемі рис. 4, а до двох паралельно включених однакових транзисторів VT 0 та VTн, внаслідок чого струм через VT 0 дорівнює половині струму через VT 1 . Вхідна напруга для резистивної матриці створюється за допомогою опорного транзистора VTоп та операційного підсилювача ОУ1, вихідна напруга якого встановлюється таким, що колекторний струм транзистора VTоп набуває значення Iоп. Вихідний струм для N-Розрядного ЦАП.
 |
(11) |
Характерними прикладами ЦАП на перемикачах струму з біполярними транзисторами як ключі є 12-розрядний 594ПА1 з часом встановлення 3,5 мкс і похибкою лінійності не більше 0,012% і 12-розрядний AD565, що має час встановлення 0,2 мкс. Ще більш високою швидкодією має AD668, що має час встановлення 90 нс і ту ж похибку лінійності. З нових розробок можна відзначити 14-розрядний AD9764 з часом встановлення 35 нс та похибкою лінійності не більше 0,01%.
Як перемикач струму S kчасто використовуються біполярні диференціальні каскади, В яких транзистори працюють в активному режимі. Це дозволяє скоротити час встановлення до одиниць наносекунд. Схема перемикача струму на диференціальних підсилювачах наведено на рис. 7.
Диференціальні каскади VT 1 –VT 3 та VT" 1 –VT" 3 утворені зі стандартних ЕСЛ вентилів. Струм I k, що протікає через виведення колектора вихідного емітерного повторювача є вихідним струмом комірки. Якщо на цифровий вхід D kподається напруга високого рівня, то транзистор VT 3 відкривається, а транзистор VT" 3 закривається. Вихідний струм визначається виразом
Точність значно підвищується, якщо резистор Rе. замінити джерелом постійного струму, як у схемі на рис. 6. Завдяки симетрії схеми існує можливість формування двох вихідних струмів – прямого та інверсного. Найбільш швидкодіючі моделі таких ЦАП мають вхідні ЕСЛ-рівні. Прикладом може бути 12-ти розрядний МАХ555, має час встановлення 4 нс рівня 0,1%. Оскільки вихідні сигнали таких ЦАП захоплюють радіочастотний діапазон, вони мають вихідний опір 50 або 75 ом, який повинен бути узгоджений з опором хвильовим кабелю, що підключається до виходу перетворювача.
Формування вихідного сигналу у вигляді напруги
Існує кілька способів формування вихідної напруги для ЦАП із підсумовуванням вагових струмів. Два їх показано на рис. 8.
Мал. 8. Формування напруги по струмовому виходу ЦАП
На рис. 8а наведена схема з перетворювачем струму на напругу на операційному підсилювачі (ОУ). Ця схема придатна всім ЦАП з струмовим виходом. Оскільки плівкові резистори, що визначають вагові струми ЦАП, мають значний температурний коефіцієнт опору, резистор зворотного зв'язку Rос слід виготовляти на кристалі ЦАП і в тому ж технологічному процесі, що зазвичай робиться. Це дозволяє знизити температурну нестабільність перетворювача у 300...400 разів.
Для ЦАП на МОП-ключах з урахуванням (8) вихідна напруга схеми на рис. 8а.
Зазвичай опір резистора зворотного зв'язку Rос = R. В такому випадку
 |
(12) |
Більшість моделей ЦАП мають значну вихідну ємність. Наприклад, AD7520 з МОП-ключами в залежності від вхідного коду Звих становить величину 30 ... 120 пФ, у AD565А з джерелами струму Звих = 25 пФ. Ця ємність спільно з вихідним опором ЦАП та резистором Rос створює додатковий полюс частотної характеристики петлі зворотного зв'язку ОУ, який може викликати нестійкість як самозбудження. Особливо це небезпечно для ЦАП з МОП-ключами за нульового вхідного коду. При Rос = 10 кОм частота другого полюса складе близько 100 кГц при 100% глибині зворотного зв'язку. У такому разі підсилювач, частота одиничного посилення якого fт перевищує 500 кГц, матиме явно недостатні запаси стійкості. Для збереження стійкості можна увімкнути паралельно резистори Rос конденсатор Здо, ємність якого у першому наближенні можна взяти рівною Звих. Для більш точного вибору Знеобхідно провести повний аналіз стійкості схеми з урахуванням властивостей конкретного ОУ. Ці заходи настільки серйозно погіршують швидкодію схеми, що виникає парадоксальна ситуація: для підтримки високої швидкодії навіть недорогого ЦАП може знадобитися відносно дорогий швидкодіючий (з малим часом встановлення) ОУ.
Ранні моделі ЦАП з МОП ключами (AD7520, 572ПА1 та ін) допускають негативну напругу на ключах не більше 0,7 В, тому для захисту ключів між виходами ЦАП слід включати діод Шоттки, як це показано на рис. 8а.
Для цифро-аналогового перетворювача на джерелах струму перетворення вихідного струму на напругу може бути зроблено за допомогою резистора (рис.8б). У цій схемі неможливе самозбудження та збережена швидкодія, проте амплітуда вихідної напруги має бути невеликою (наприклад, для AD565А у біполярному режимі в межах ± 1 В). В іншому випадку транзистори джерел струму можуть вийти з лінійного режиму. Такий режим забезпечується за низьких значень опору навантаження: Rн» 1 ком. Для збільшення амплітуди вихідного сигналу ЦАП у цій схемі до її виходу можна підключити підсилювач, що не інвертує, на ОУ.
Для ЦАП з МОП-ключами, щоб отримати вихідний сигнал як напруги, можна використовувати інверсне включення резистивної матриці (рис. 9).
Мал. 9. Інверсне включення ЦАП з МОП-ключами
Для розрахунку вихідної напруги знайдемо зв'язок між напругою U iна ключі S iта вузловою напругою U"i. Скористаємося принципом суперпозиції. Будемо вважати рівними нулю всі напруги на ключах, крім напруги, що розглядається U i. При Rн = 2 Rдо кожного вузла підключені праворуч та зліва навантаження опором 2 R. Скориставшись методом двох вузлів, отримаємо
Вихідну напругу ЦАП знайдемо як загальну напругу на крайньому правому вузлі, спричинене сумарною дією всіх U i. При цьому напруги вузлів сумуються з вагами, що відповідають коефіцієнтам розподілу резистивної матриці. R- 2R. Отримаємо
Для визначення вихідної напруги при довільному навантаженні скористаємося теоремою про еквівалентний генератор. З еквівалентної схеми ЦАП на рис. 10 видно, що
Еквівалентний опір генератора Rе збігається з вхідним опором матриці R- 2R, тобто. Rе = R. При Rн = 2 Rз (14) отримаємо
Недоліками цієї схеми є: велике падіння напруги на ключах, навантаження джерела опорної напруги, що змінюється, і значний вихідний опір. Внаслідок першого недоліку за цією схемою не можна включати ЦАП типу 572ПА1 або 572ПА2, але можна 572ПА6 та 572ПА7. Через другий недолік джерело опорної напруги повинен мати низький вихідний опір, в іншому випадку можлива немонотонність характеристики перетворення. Тим не менш, інверсне включення резистивної матриці досить широко застосовується в ІМС ЦАП з виходом у вигляді напруги, наприклад, в 12-розрядному МАХ531, що включає також вбудований ОУ в неінвертуючому включенні в якості буфера, або в 16-розрядному МАХ542 без вбудованого буфера . 12-розрядний ЦАП AD7390 побудований на інверсній матриці з буферним підсилювачем на кристалі і споживає всього 0,3 мВт потужності. Щоправда його час встановлення сягає 70 мкс.
Паралельний ЦАП на конденсаторах, що перемикаються.
Основою ЦАП цього є матриця конденсаторів, ємності яких співвідносяться як цілі ступеня двох. Схема простого варіанта такого перетворювача наведено на рис. 11. Ємність k-го конденсатора матриці визначається співвідношенням
Рівний заряд отримує і конденсатор Зу зворотному зв'язку ОУ. При цьому вихідна напруга ОУ становитиме
Для зберігання результату перетворення (постійної напруги) протягом скільки-небудь тривалого часу до виходу ЦАП цього типу слід підключити пристрій вибірки-зберігання. Зберігати вихідну напругу необмежений час, як це можуть робити ЦАП з підсумовуванням вагових струмів, забезпечені регістром-клапанцем, перетворювачі на комутованих конденсаторах не можуть через витік заряду. Тому вони застосовуються, переважно, у складі аналого-цифрових перетворювачів. Іншим недоліком є велика площа кристала ІМС, яку займає подібна схема.
ЦАП із підсумовуванням напруг
Схема восьмирозрядного перетворювача з підсумовуванням напруги, що виготовляється у вигляді ІМС, наведена на рис. 8.12. Основу перетворювача становить ланцюг із 256 резисторів рівного опору, з'єднаних послідовно. Висновок Wчерез ключі S 0 …S 255 може підключатися до будь-якої точки цього ланцюга в залежності від вхідного числа. Вхідний двійковий код Dперетворюється дешифратором 8х256 в унітарний позиційний код, що безпосередньо управляє ключами. Якщо докласти напруги U AB між висновками Аі У, то напруга між висновками Wі Bскладе
U WB = U AB D.
Перевагою цієї схеми є мінімальна диференціальна нелінійність і гарантована монотонність властивості перетворення. Її можна використовувати як резистора, що підлаштовується цифровим кодом. Випускається кілька моделей таких ЦАП. Наприклад, мікросхема AD8403 містить чотири восьмирозрядних ЦАП, виконаних за схемою на рис. 8.12, з опором між висновками Аі У 10, 50 чи 100 ком залежно від модифікації. При подачі активного рівня на вхід “Економічний режим” відбувається розмикання ключа Sвимкнення та замикання ключа S 0 . ІМС має вхід скидання, яким ЦАП можна встановити на середину шкали. Фірма Dallas Semiconductor випускає кілька моделей ЦАП (наприклад, здвоєний DS1867) з підсумовуванням напруг, у яких вхідний регістр є енергонезалежним оперативним запам'ятовуючим пристроєм, що особливо зручно для побудови схем з автоматичним підстроюванням (калібруванням). Недолік схеми – необхідність виготовляти на кристалі велику кількість (2 N) узгоджених резисторів. Тим не менш, в даний час випускаються 8, 10 і 12-розрядні ЦАП даного типу з буферними підсилювачами на виході, наприклад, AD5301, AD5311 і AD5321.
Проект USB звукової карти найвищої якості. Заснований на мікросхемі PCM2706, яка є 16-бітовим стерео цифро-аналоговим перетворювачем. Цей чіп має два аналогові та один цифровий S/PDIF вихід, а для його роботи необхідна мінімальна кількість зовнішніх компонентів.
PCM2706 має інтегрований USB 1.0 та USB 2.0 інтерфейс, і живиться безпосередньо від USB-порту. PCM2706 є USB Plug-і-Play пристроєм і не потребує встановлення драйверів під Windows та Mac OS.
Також чіп має сім ліній для керування кнопками:
регулювання гучності;
попередній та наступний трек;
початок відтворення/пауза;
зупинка відтворення;
приглушення звуку (mute).
Для використання цих функцій вам не знадобиться додаткового програмного забезпечення або драйверів, все працює відразу після підключення PCM2706 до USB.
Технічні характеристики:
Напруга живлення: 5В
Інтерфейс: USB 1.1, USB 2.0
Вихідний інтерфейс: навушники, S/PDIF
Частота дискретизації: 32 кГц, 44 кГц, 48 кГц
ОСШ: 98 дБ
Коефіцієнт нелінійних спотворень: 0,006%
Вихідна потужність аналогового виходу: 12 мВт
Потужність: 35 - 45 мА
ОС: Windows 98, ME, 2000, XP і т.д., Mac OSX
Структурна схема PCM2706:
Схема ЦАП:
Компоненти:
PCM2706 - 32-контактний корпус TQFP - 1 шт
Кварцовий резонатор 12 МГц – 1 шт
Резистор 1 МОм - 1 шт
Резистор 3.3 ком - 4 шт
Резистор 1.5 ком - 2 шт
Резистор 22 Ом - 2 шт
Резистор 15 Ом - 2 шт
Конденсатор 100 мкФ – 2 шт
Конденсатор 47 мкФ – 2 шт
Конденсатор 1 мкФ – 4 шт
Конденсатор 22 нФ – 2 шт
Конденсатор 27 пФ – 2 шт
Ферритовий фільтр (L1) - 1шт
Кнопки, роз'єми - на вашу думку
Друкована плата:
Фото готового ЦАПу:
Вільний переклад від , спеціально для
Я добре пам'ятаю своє босоноге радіоаматорське дитинство. Тоді не було цих ваших інтернетів, проте були журнали «Юний технік», «Моделіст-конструктор», «Радіо».
Компоненти діставали на звалищах, біля бариг, іноді й у магазинах. Модельний ряд аудіотехніки був дуже широкий. Мої товариші, кому пощастило мати вдома апаратуру промислового виробництва, мірялися сторінками паспортів своїх магнітофонів, підсилювачів та програвачів, де було вказано характеристики.
Чарівні слова «Рівень шумів», «КНІ», «Вихідна потужність» розбурхували наші уми і не давали спокійно спати.
А апарат із Японії – це було потужне враження. Просто їм володіти. Це було стильніше за останню модель ойфону* зараз для сучасної молоді – однозначно.
* під цим терміном я маю на увазі будь-який електронний пристрій, що подовжує, збільшує, а так само дозволяє відчути себе крутіше оточуючих, або бути не гірше. Соррі, відволікся.
Хоча зустрічав я дітлахів – своїх ровесників – досі ойфонами міряються. А хто не мав можливості купити – робили самі. І часом навіть краще, ніж заводське. Природно виміряти параметри було неможливо, але порівнювали на слух і раділи, як діти. Хоча що згадувати? Дітьми ми тоді були!
Минув час, можливостей побільшало. Хтось, втіливши мрію дитинства, нарешті купив собі BMW, від імені АС від Martin Logan. А хтось, як я, продовжує робити техніку своїми руками. І справа не в тому, що я не можу дозволити собі Logan, а в тому, що зробити своїми руками – це цікавіше. Тут важливий результат, а процес. А так купиш, поставиш, і витиратимеш пил раз на тиждень. Часу вже не так багато, як у дитинстві. Тут іноді до ліжка доповзти. Про що я? Ах да. Знов відволікся!
Ну добре. Зробив. Запустив. На слух усе гаразд. Але ж треба й поміряти! А то хтось одразу показує все тх своєї вироби, а тут і показати то нічого... А як поміряти?
Потужність підсилювача – легко. Посилення також. А ось горезвісний рівень шуму та коефіцієнт нелінійних спотворень? Купувати для цього вимірник нелінійних спотворень? Для одного виміру? Сенс? Тягти залізницю в лабораторію? Тож лабораторію ще знайти треба. І що міряти? Як?
Чи є нелінійні, чи є гармонійні спотворення? Зрозуміло, що ці поняття різні, а в оцінці характеристик аудіотракту вони, за малих значень, будуть приблизно однакові. Але потрібний не аналіз, а кількісне значення. Іноземці переважно оперують терміном THD (Total Harmonic Distortion). Та й засоби вимірювання у вигляді комп'ютера та програм під нього вимірюють саме цей параметр. У даташитах вказується він. На форумах та оглядах пристроїв знову він. Тож є сенс оцінювати саме цей параметр.
За моїми спостереженнями, вже стало стандартом "de facto" використовувати для домашніх вимірювань програму RMAA.
Я давно почав підозрювати, що "у консерваторії щось не так". Це було ще кілька років тому. Creative Live мене вже розчарував і з АЦП залишилася тільки вбудована звуковуха. І ось я вирішив провести виміри. Завантажив RMAA, зробив шнури, приготувався. І... Облом.
Результат виміру власних параметрів вбудованого звуку був настільки шедевральним, що я, ридаючи і стукаючи головою об стіл, тільки зусиллям волі не викинув системник з вікна.
Пошкодував колекцію музики на дисках. -70Дб шуму і THD в 0.25% по кільцю це навіть не hi-fi. Той самий результат дала коробочка на РСМ2906. Як із цим жити щось?
Тому я закинув ідею вимірів. Купити зовнішню дорогу картку, за наявності кількох ЦАП, щоб подивитись на циферки я ніяк не міг себе змусити. Поїти? Добре! Подобається? Прекрасно!
Але нарешті і на моїй вулиці перекинулася фура з пивом і чіпсами! В мого товариша з'явилася зовнішня картка. Ну я і вирішив струсити зі шнурів пил, і, заради інтересу, все ж таки поміряти те, що я накреативив останнім часом.
Ось цей аксесуар. Creative X-Fi THX. Судячи з відгуків та описів – для вимірювання має підійти.
Ну а тепер я спробую поміряти те, що в мене залишилося живим. Справа в тому, що деяку частину пристроїв, описаних у попередніх частинах моїх статей, я або роздав охочим, або розібрав, або якось доопрацював. Насамперед поховав все РСМ2704-2707. Одна залишилася як тестове джерело SPDIF/I2S.
Те саме спіткало і TDA1541, крім однієї, що в парі з SM5813 збирає пил на полиці. Швидше за все, я не вмію їх готувати, але звук їх мені не дуже подобається.
Тест №1
У тесті брали участь цап, зібрані мною у різний час, та частково ті, що ще не зібрані.1.TDA1541 + SM5813+ вихлоп даташит на AD822 AD827 (тиснув що було, так і залишилося)
2. PCM1702+DF1706+ Даташитний (РСМ1702) вихлоп на 4х (!) ОУ ОРА2604.
описаний подібний, але на РСМ63. Відрізняється розведенням плати під іншою ЦАП.
3. AD1865+DF1706+ вихлоп на радянських вимірювальних трансформаторах, химерно пофарбованих мною в чорний колір. Транси ці є ось ще не фарбовані.
4. Один із останніх. Диференціальний ЦАП на 2х РСМ1700 + SM5842 + SRC4192+вихлоп даташит. На момент вимірів він лежав у мене, розмазаний по столу без корпусу.
Всі ЦАП працювали від джерела SPDIF EDEL USB Audio interface SPDIF. Режим виміру 16 біт 48 кгц. (Вище не тягне ТДА1541)
Так доречі! Серед вас немає когось, хто знайомий з розробниками цієї звуковухи Creative? Якщо, будь ласка, забіть їм цвях у голову від мого імені, я цвях відшкодую. Чи руки по лікоть тупою ножівкою? А?
Це ж яким треба бути геніальним, щоб з аудіопристрою остаточно випиляти частоту, кратну 44кгц??? То як ходити без однієї ноги? Сюрприз такий трохи несподіваний був для мене. Я розумію, що у маркетолога смартфон і він через нього слухає, але не так вже й зовсім...
Гаразд, мірятимемо тим, що є. Як працює програма, і, як вважає, я не знаю. Але щось помірялося. Я, з вашого дозволу, по ходу справи коментуватиму те, що наколгоспив.
Результат
Очевидно, він цілком очікуваний. Для мене. Я думав буде дуже гірше. Графіки цікавіші.
АЧХ:
Тут видно незрозумілий спад у ТДА1541 і підйом у АД1865. Ну з АД1865 зрозуміло, там на виході трансформатор, і схоже десь є резонансний ланцюг. Або на вході чи на виході. По звуку все чудово.
Шум:
Тут яскраво видно горб на 50Гц. Ніяк і нічим не забирається. ЦАП і комп'ютер на загальній землі, в одній розетці, нуль окремо, SPDIF розв'язаний скрізь через трансформатор. Фільтри за правилами. Положення вилки в розетці на картину не впливає. Вухом не чути. Дивно...
Ну і THD+noise:
Тут видно, що шлейф гармонік лізе у ТДА1541 і трохи нижче у АД1865. Інші непогано. Що не так у 1541 – не можу сказати, вихлоп зроблений за датасітом. Міняти ОУ не став, було бажання просто виміряти. Як я вже казав, я не вмію їх готувати. А ось у АД1865 схоже дається взнаки трансформатор. Тож його вибір та узгодження з ЦАП та з ОУ – завдання не просте навіть на перший погляд.
Гаразд. Так як звуковуху я брав на якийсь час, треба спробувати інші варіанти.
Потрібно перевірити вплив джерела та способу подачі цифри на результат вимірювань.
Тест №2
Тепер тестую два пристрої:1.ЦАП на РСМ58з вихлопом "рогів - дискрет", описаним :
2. Останній виріб на РСМ1700у диференціальному включенні.
Обидва апарати зібрані за однаковою топологією, SRC4192 працює в режимі "output port master 256fs", тактова частота 24.576.000мгц для сітки, кратної 48кгц. SM5824 із половинною частотою (на повній працює зі збоями).
Використані два джерела цифрового сигналу: EDEL USB Audio interface та Phantom USB Interface на TAS1020. Режим 16*48 та 24*64.
Тут відразу виліз одвірок виміру від Creative:
Дані для 16*48.
І для 24*96.
Вражаюча різниця в рівні шумів. Обидва ЦАП випередили Creative за шумами.
Ось графіки шумів:
16*48:
та 24*96:
я не думаю, що це пов'язано з роботою цап, там же SRC все усереднює, а ось АЦП у Creative на 24*96 явно працює в кращому для нього режимі, тому менше відсеб'ятини.
Проте THD незмінно, що й зрозуміло.
16*48:
та 24*96:
Причину такої поведінки РСМ58 тут пояснити не складно. Вихлоп "Рогов" на зібраний був на тому, що є, без підбору по h21, тому і звучання у нього "гармонійніше".
До речі, його звучання мені подобається більше, ніж РСМ1700 з даташитним вихлопом. Хоча за виміром остання явно краща.
Зате в цьому випадку зрозуміло одне - джерело цифрового сигналу на вплив не впливає. Я навіть через ASIO прогнав. Не думаю, що роздільної здатності цієї вимірювальної системи, так само як і самих моїх ЦАП вистачить, щоб вловити різницю в джерелах, якщо вона є.
На слух я її не чую.
Тест №3
Мені цікаво було потикати різні ОУ. І порівняти. Я розумію, що з технічного погляду це не правильно, що потрібно підбиратиномінали деталей, корегувати схему та плату під конкретний ОУ, але тут був суто спортивний інтерес.
Як на зло, під рукою не було великого вибору одиночних ОУ, тому тест виявився не таким розширеним, як хотілося.
ЦАП той самий – РСМ1700.
У секції I/U були випробувані AD811 та LT1363 (їх було більше 4х), у секції фільтра – OPA627, LME49990, LT1122.
THD:
Тут картину зіпсувала лише LME49990, яка чомусь показала сильно завищений рівень і гармонік, і інтермодуляційних спотворень.
Я не стверджую, що їй не місце у фільтрі, але схоже під неї треба вже ретельно підбирати номінали та обв'язування. На дозвіллі займуся, якщо вимірку не відберуть.
Ну і в ув'язненні літр бальзаму для любителів та професіоналів.
Зустрічайте! Дельта та сигма! Лід та полум'я! Жерсть і пластик!
Це мої.
SPDIF. Там нічого іншого немає.
24 біти, 96 кгц.
1.АК4113 + 2*РСМ1794Ау моно режимі.
2. АК4113 + АК4396.
Вихлоп скрізь – датає. Посилений буфером на BUF634 зі струмом спокою 30мА.
Тут, крім невеликих дефектів монтажу та розведення, навіть коментувати нічого.
АЧХ:
Шум:
THD:
Підвищений IMD у АК4396 я думаю обумовлений роботою підсумовуючого ОУ, режим і обв'язку якого потрібно підбирати ретельніше. Тип ОУ не пам'ятаю, корпус було розкривати лінощі.
І тому що вони у мене не в роботі, а на полиці – то не знаю, чи займусь коли, чи швидше перезберу в іншій якості.
Які висновки я зробив для цих результатів?
Я давно для себе виробив термін "комфортне звучання". Якщо я вважав колись те, що чим нижче THD, тим воно комфортніше – ні. Прямо протилежно. Може, в інших і не так. Цим же, напевно, можна пояснити любов людей до ламп у підсилювачах. Лампи додають у сигнал свої гармоніки, причому низьких порядків, як чутніші, цим гармонізують звук.Сам я пересів на камені в усилках, зайва "гармонізація" порівняно з камінням у моїх очах програла.
Істина все одно десь поряд.
Разом:
1. До монстрів цапобудування мені ще дуже далеко крокувати.2. На якість звуку ЦАП найсильніше впливає аналогова частина. Так як струм на виході Дельта-Сигми більший, ніж у Мультбітному ЦАП, то режим роботи ОУ в каскаді перетворювача струм/напруга буде іншим, шумів і наведень менше. Тип ОУ теж важливий, але з цим треба розбиратися.
3. Живлення та розведення. Від цього залежить шум та інше. Хоча на слух все чудово. За особистим спостереженням, якщо не маєш удома безехової камери, то цей параметр не такий важливий. Влітку, через прочинене вікно, я чую шум і крики дітей з вулиці, хоча сиджу в навушниках.
Про який шум -90Дб можна говорити?
Якщо засунути вухо в пищалку в паузі та викрутити гучність на максимум – чути легкий шум. Фона 50/100Гц немає. Енергозбереження, комп'ютери, дешеві DVD, WI-FI, GPRS, GPS та інше S ніхто вже не скасує, або в полі, де до найближчої ЛЕП 5-10км. Але це для запеклих...
4. Низький THD у дельт – некомфортне звучання. Ну не можу я змусити її слухати, якщо паралельно з нею працює РСМ58, і переключити два ЦАП - це одне клацання селектора на преді. Не перемикаю.
5. Якщо потрібно THD як у датасіті – краще купити готове у гуру або у відомого виробника. Приготувати самому цифру з кількома нулями досить складно, а іноді в домашніх умовах і неможливо, якщо у вас немає в підвалі лінії виробництва багатошарових ПП, або сусід цим не займається випадково. Якщо не потрібно, робіть самі – це цікаво!
Для тих, кому цікаво, що там за ЦАП на РСМ1700
Схема аналогічна ЦАП на РСМ58. Додано можливість роботи від чотирьох входів. SPDIF coax, SPDIF optical, I2S, I2S master/slave для роботи з EDEL. Мультиплексування входів на SN74LVC1G125. Повна перевірена підтримка 24*192.Повна гальванічна розв'язка I2S входів через ADuM1400 та IL715. SPDIF ресивер АК4113. Так як АК4113 не може регенерувати клок вище 128fs в режимі 192кгц, його клок не використовується, а дані проходять відпрацювання в SRC4192 із зовнішнім клацанням від TCXO на 40.000мГц.
Реклок на три частоти – синхронний на 24.576000мГц, 22.579400мГц та асинхронний на 40.000000мГц.Хоббі-радіоелектроніка.
Захопився залізом ще з раннього дитинства, чим завдавав чимало клопоту батькам.
Чи не брали в радіогурток у 4 класі,т.к. у школі ще не викладали фізику (ось такі були правила).
Зараз займаюся ремонтом та налаштуванням комп'ютерів, у вільний час щось паяю або збираю-розбираю:)
Читацьке голосування
