Главная › Тарифы › Схема аудио цап. Берём контроль над ситуацией в свои руки. По быстродействию АЦП делят на

Схема аудио цап. Берём контроль над ситуацией в свои руки. По быстродействию АЦП делят на

Всем привет. Сегодня хочу поговорить о достаточно неплохом USB ЦАПе начального уровня.

Данное устройство должно заинтересовать следующие категории людей:

1) Пользователи ноутбуков и стационарников с вышедшей из строя встроенной аудио картой.

2) Пользователи ноутбуков, производитель которых не полностью добавил поддержку Windows 10.
Это как раз мой случай, подробнее:

Раскрыть пояснение

На работе выдали «новый» б/у ноутбук, в замен моего Lenovo T420 который работал на Windows 7 и находился в очень хорошем состоянии, но не совместимый с Windows 10, на который компания решила перейти полностью, по ряду соображений (официально из-за безопасности, но понятно что тут ещё фактор поддержки и совместимости сыграл роль, не только со стороны Microsoft).

Выдали мне HP Revolve 810, который вроде бы совместим с Windows 10. Всё вроде бы есть, но официального драйвера именно на звуковуху нет! Так как аудио достаточно редкое, фирма IDT:
HDAUDIO\FUNC_01&VEN_111D&DEV_76E0&SUBSYS_103C21B3&REV_1003
(такие чипы ещё любил ставить Intel на свои матерински), дрова найти особо негде.

На форуме HP наткнулся на ссылку на совместимый драйвер от такого же пользователя как и я, при этом он говорит что драйвер кривоват…
Так как драйвер взят непонятно где, да и ещё не ясно насколько хорошо работает, решил не ставить его на рабочий ноут, и пришлось мне довольствоваться стандартным виндовым драйвером.

Как показала практика, пользоваться стандартным, автоматически установленным драйвером на аудио можно, но звук будет похуже, чем мог бы быть с драйвером.
Если у вас настольная плата, то при эксплуатации такого драйвера могут возникунть проблемы с работоспособностью линейного входа, а так же с другими функциями. Кроме того, при работе на «стандартном» драйвере нет эквалайзера, который, в прочем, можно покрутить например при использовании foobar2000.
После Lenovo T420, на тех же наушниках, звук меня не устроил. Да вроде играет, да вроде без искажений, но музыку не очень хочется слушать из-за того что она подаётся как то сухо, без прежнего эмоционального окраса что ли.

3) Как альтернативная аудио карта на портативных устройствах под управлением Android (условно называю аудио картой, так как на сабже нет микрофонного входа, привычного для такой категории устройств). По поводу IOS не могу сказать, возможно там тоже заведётся.

4) Пользователей прочих устройств у которых нет аудио на борту, и на которых имеется совместимая ОС.

Ранее, на данном сайте уже рассматривались похожие устройства, но в таком исполнении я не нашёл, посмотрев среди ранее обозреваемых.

Сразу же отмечу, что есть более доступный аналог этого ЦАПа:
, стоимостью примерно в 2 раза ниже, но и качество изготовления с материалами там похуже… Думал купить её для сравнения, но пока не стал, так как в любом случае буду переделывать выход (а это лишнее время), и пока не наигрался с первым ЦАП-ом.

На Aliexpress, к слову, цапы на PCM2704 раза в 2 дороже, и есть там в основном «большие» варианты, те которые с оптическим выходом и RCA.

Перейдём к обозреваемому ЦАП-у
Плата выполнена очень качественно. Текстолит очень толстый, пайка достаточно аккуратная, флюс отмыт. Выглядит платка весьма симпатично, но лучше, всё же, что бы она была в корпусе. Производитель не по жадничал и поставил танталовые конденсаторы в выходной фильтр. Смотрите сами:

Эксплуатация и впечатления о работе.
Начать работать с ЦАП-ом очень просто. Ручная установка каких либо драйверов не требуется. Под Windows XP/7/10 драйвер подхватывался автоматически.

В отличии от встроенного аудио, ЦАП играет ощутимо громче, при том же уровне громкости. Играет достаточно качественно, немного лучше чем встроенное в мой ноутбук аудио, но разница не особо ощутима, на уровне погрешности.

Со слов коллеги, с ноутбуком Lenovo, которому повезло с наличием realtek (и соответственно полноценных дров под десятку), на его ноутбуке встройка поинтересней данного ЦАПа.

Лично на мой взгляд, сабжу не хватает «мясца» (почерпнул эту достаточно подходящую аллегорию на каком то «аудио форуме») и детализации, по крайней мере при использовании наушников с импедансом 32Ом.

Наушнички у меня так себе, но и не самый шлак:

Это Pioneer SE-MJ21.

Специально для тестов, с большой скидкой были приобретены дополнительные наушники, адаптированные для портативной техники, в том числе заточенные для техники от производителя яблочной продукции:

В этих наушниках, видимо из-за высокой чувствительности, ЦАП орёт ещё сильнее, звук более приятен и интересен если слушать звук на той же громкости что и в предыдущих наушниках, но не особо сильно.

Видимо сказывается низкая мощность встроенного в PCM2704C усилителя и достаточно большие искажения при работе на 32Ом нагрузку. Сам ЦАП по аудиофильским меркам так себе, что подтверждается в параметрах из даташита.
Более «крутого» ЦАПа у меня сейчас нет, что бы сравнить их в лоб.

Я не отношу себя к аудиофилам, но всё же, зачастую их слова не лишены смысла, даже если они расходятся с данными из документации, но такое судя по всему редкое событие.
Как я уже отметил, сабж построен на PCM2704C , так же есть более старая версия чипа PCM2704, без приставки «C», который TI не рекомендует для новых проектов. Насколько я понял при достаточно поверхностном изучении даташита, особых отличий между чипами нет, распиновка и характеристики одинаковые.

Работа под Android:
Под Android ЦАП работает, определяется телефоном в течении секунд 5 и дальше понеслась.
Я провел лишь беглое тестирование, опробовав пару плееров. Все они, звук через ЦАП воспроизводят, но не могут управлять громкостью, поэтому громкость на максимуме.
Нужно покопаться ещё в настройках, но сделать это я сейчас не могу, так как тестировал бегло, на чужих смартфонах, из-за того что мой красный рис «кончился» около двух недель назад, а почта России морозит посылку в Москве уже неделю, сил моих нет больше тянуть с обзором)). Позже думаю дополню обзор или выпущу отдельную заметку под Android, с примечанием о регулировке звука.

Под Linux не проверял работоспособность, но работать должно. Если кто то из муськовчан сильно заинтересован, то могу проверить.

Дело было вечером, делать было нечего… Кастомизация.

Решил городить простенький усилитель (тестовый макет, не более того) на доступных сдвоенных операционных усилителях, предназначенных для аудио, вдруг он «раскачает» выхлоп, подумал я.
Так получилось, что у меня таких микросхем было две, и обе разные. Одна NE5532P купленная в локальном чип и дипе за 15р, и OPA2134 купленная пару лет назад на taobao, походу настоящая).
Когда собирал усилитель, собрал сначала один канал, и несколько дней гонял его с разными ОУ, оперативно передёргивая их из заранее предусмотренной для этих целей панельки, прямо в ходе прослушивания. Звучание было разное, но об этом в другом разделе.

В «законченном проекте» (думаю всё только начинается, если мне не будет лень) использую две NE5532AP, из чип и дипа, они по 21р).

Получилось вот такое «творение», предназначенное для обкатки и тестов:

Здесь много длинных проводов, но это лишь в менее значимых частях схемы, вход сделан максимально коротким (кроме электролита) и в экране.

Один из каналов:

Здесь питание импульсное, от powerbank-а, одна из первых реализаций. Подробнее о питании ниже.

Схемотехника усилителя.
Так имеющийся миниджек (культурно сделанный) затерялся где то дома, было принято решение подпаяться к соответствующим ногам чипа для получения входного сигнала на усилитель.
Согласно документации, ноги 14-15 отвечают за вывод сигнала с ЦАП. Подпаивался к этим ногам с помощью относительно тонкого 50Ом антенного кабеля: . При этом, к самой ноге паял тонкий, медный лакированный провод, толщиной примерно 0.2мм (микрометра нету у меня, поэтому не могу точно сказать, да и не столь важно это) и уже им подпаивался к жиле кабеля. Экран кабеля паял на GND платы, который обнаружился между двумя керамическими конденсаторами, идентичными для каждого их каналов.

Сам усилитель основан на следующей, незамысловатой схеме включения сдвоенного ОУ в качестве усилителя для наушников, рассмотренного компанией BB (TI):

Схема взята от сюда:

На вход данной схемы была добавлена последовательная цепочка из резистора 4.7К и электролитического конденсатора 10мкФ. Конденсатор подключается плюсом к входному сигналу.
Так же, был добавлен резистор между не инвертирующим входом первого ОУ и землёй.

Вот итоговая схема:

Как паял и как настраивал.

Пару лет назад я паял предусилитель для динамического микрофона, и извлёк из этого кое какой опыт:
Во первых, если делается тестовый макет, в том числе с навесным монтажом, проводные соединения должны быть как можно короче и по возможности минимизированы. Расстояние между компонентами так же должно быть минимальным.
Слаботочные входные цепи должны быть экранированы и не должны пересекаться с питанием.
Всё это поможет снизить входной, собственный шум усилителя.

Первоначально, напаял переменных резисторов для тестирования входного фильтра и для подстройки коэффициента усиления, несмотря на то что обычно его задают заранее, а мощность уже регулируют переменным резистором, находящимся на входе, перед фильтром.
В конечном варианте макета, оставил лишь по переменнику 4.7К соединённому последовательно с резистором 3.3К, для каждого канала, в цепи задающий коэффициент усиления.
Кроме этого, пришлось повозиться с входным фильтром, в поисках оптимальных параметров. Здесь я подглядел в схему этого агрегата:
Нашёл в своих запасах около десятка разных конденсаторов. Это были бумажные, электролиты, плёночные и другие:

Конденсаторы

В итоге, понравилось звучание электролита 63V 10мкФ, перед которым был поставлен резистор 4.7К.

О питании

В данной схеме ОУ необходимо запитывать от двух полярного источника питания.
Необходим был преобразователь из одно полярного напряжения в двух полярное.
С Ebay, сейчас где то идёт специализированная микросхема для этих целей, но взята она была просто сравнить разницу с относительно нормальным двухполярным питанием (которое я планировал собрать сам), так как на данном сайте её успешно оттестировал Kirich и выявил что она «шумновата», что не есть гуд для аудио. Как приедет проверю и отпишусь.

В итоге, за основу была взята данная схема:

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?

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

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине, пропорциональной значению кода.

ЦАП применяются для связи цифровых управляющих систем с устройствами, которые управляются уровнем аналогового сигнала. Также, ЦАП является составной частью во многих структурах аналого-цифровых устройств и преобразователей.

ЦАП характеризуется функцией преобразования. Она связывает изменение цифрового кода с изменением напряжения или тока. Функция преобразования ЦАП выражается следующим образом

U вых - значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду N вх , подаваемому на входы ЦАП.

U мах - максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода N мах

Величину К цап , определяемую отношением , называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.

Если величину N вх представить через значения весов его разрядов, функцию преобразования можно выразить следующим образом

, где

i - номер разряда входного кода N вх ; A i - значение i -го разряда (ноль или единица); U i – вес i -го разряда; n – количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).

Вес разряда определяется для конкретной разрядности, и вычисляется по следующей формуле

U ОП -опорное напряжение ЦАП

Принцип работы большинства ЦАП - этосуммирование долей аналоговых сигналов (веса разряда), в зависимости от входного кода.

ЦАП можно реализовать с помощью суммирования токов, суммирования напряжений и деления напряжений. В первом и втором случае в соответствии со значениями разрядов входного кода, суммируются сигналы генераторов токов и источников Э.Д.С. Последний способ представляет собой управляемый кодом делитель напряжения. Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации.

Способы реализации ЦАП с взвешенным суммированием токов

Рассмотрим построение простейшего ЦАП с взвешенным суммированием токов.

Этот ЦАП состоит из набора резисторов и набора ключей. Число ключей и число резисторов равно количеству разрядов n входного кода. Номиналы резисторов выбираются в соответствии с двоичным законом. Если R=3 Ом, то 2R= 6 Ом, 4R=12 Ом, и так и далее, т.е. каждый последующий резистор больше предыдущего в 2 раза. При присоединении источника напряжения и замыкании ключей, через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам, благодаря соответствующему выбору их номиналов, тоже будут распределены по двоичному закону. При подаче входного кода N вх включение ключей производится в соответствии со значением соответствующих им разрядов входного кода. Ключ замыкается, если соответствующий ему разряд равен единице. При этом в узле суммируются токи, пропорциональные весам этих разрядов и величина вытекающего из узла тока в целом будет пропорциональна значению входного кода N вх .

Сопротивление резисторов матрицы выбирают достаточно большое (десятки кОм). Поэтому для большинства практических случаев для нагрузки ЦАП играет роль источника тока. Если на выходе преобразователя необходимо получить напряжение, то на выходе такого ЦАП устанавливается преобразователь "ток-напряжение", например, на операционном усилителе

Однако при смене кода на входах ЦАП меняется величина тока, отбираемая от источника опорного напряжения. Это является главным недостатком такого способа построения ЦАП. Такой метод построения можно использовать только в том случае, если источник опорного напряжения будет с низким внутренним сопротивлением. В другом случае в момент смены входного кода изменяется ток, отбираемый у источника, что приводит к изменению падения напряжения на его внутреннем сопротивлении и, в свою очередь, к дополнительному напрямую не связанному со сменой кода изменению выходного тока. Исключить этот недостаток позволяет структура ЦАП с переключающимися ключами

В такой структуре имеется два выходных узла. В зависимости от значения разрядов входного кода соответствующие им ключи подключаются к узлу, связанному с выходом устройства, или к другому узлу, который чаще всего заземляется. При этом через каждый резистор матрицы ток течет постоянно, независимо от положения ключа, а величина тока, потребляемого от источника опорного напряжения, постоянна.

Общим недостатком обеих рассмотренных структур является большое соотношение между наименьшим и наибольшим номиналом резисторов матрицы. Вместе с тем, не смотря на большую разницу номиналов резисторов необходимо обеспечивать одинаковую абсолютную точность подгонки как самого большого, так и самого маленького по номиналу резистора. В интегральном исполнении ЦАП при числе разрядов более 10 это обеспечить достаточно трудно.

От всех указанных выше недостатков свободны структуры на основе резистивных R-2R матриц

При таком построении резистивной матрицы ток в каждой последующей параллельной ветви меньше чем в предыдущей в два раза. Наличие только двух номиналов резисторов в матрице позволяет достаточно просто осуществлять подгонку их значений.

Выходной ток для каждой из представленных структур пропорционален одновременно не только величине входного кода, но и величине опорного напряжения. Часто говорят, что он пропорционален произведению этих двух величин. Поэтому такие ЦАП называют умножающими. Такими свойствами будут обладать все ЦАП, в которых формирование взвешенных значений токов, соответствующих весам разрядов, производится с помощью резистивных матриц.

Кроме использования по прямому назначению умножающие ЦАП используются как аналого-цифровые перемножители, в качестве кодоуправляемых сопротивлений и проводимостей. Они широко применяются как составные элементы при построении кодоуправляемых (перестраиваемых) усилителей, фильтров, источников опорных напряжений, формирователей сигналов и т.д.

Основные параметры и погрешности ЦАП

Основные параметры, которые можно увидеть в справочнике:

1. Число разрядов – количество разрядов входного кода.

2. Коэффициент преобразования – отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала для линейной функции преобразования.

3. Время установления выходного напряжения или тока – интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходное напряжение или ток окончательно войдут в зону шириной младшего значащего разряда (МЗР ).

4. Максимальная частота преобразования – наибольшая частота смены кода, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам.

Существуют и другие параметры, характеризующие исполнение ЦАП и особенности его функционирования. В их числе: входное напряжение низкого и высокого уровня, ток потребления, диапазон выходного напряжения или тока.

Важнейшими параметрами для ЦАП являются те, которые определяют его точностные характеристики.

Точностные характеристики каждого ЦАП, прежде всего, определяются нормированными по величине погрешностями.

Погрешности делятся на динамические и статические. Статическими погрешностями называются погрешности, остающиеся после завершения всех переходных процессов, связанных со сменой входного кода. Динамические погрешности определяются переходными процессами на выходе ЦАП, возникшими вследствие смены входного кода.

Основные типы статических погрешностей ЦАП:

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального значения, соответствующего конечной точке шкалы функции преобразования. Измеряется в единицах младшего разряда преобразования.

Напряжение смещения нуля на выходе – напряжение постоянного тока на выходе ЦАП при входном коде, соответствующем нулевому значению выходного напряжения. Измеряется в единицах младшего разряда. Погрешность коэффициента преобразования (масштабная) –связанная с отклонением наклона функции преобразования от требуемого.

Нелинейность ЦАП – отклонение действительной функции преобразования от оговоренной прямой линии. Является самой плохой погрешностью с которой трудно бороться.

Погрешности нелинейности в общем случае разделяют на два типа – интегральные и дифференциальные.

Погрешность интегральной нелинейности – максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной. Фактически при этом рассматривается усредненная функция преобразования. Определяют эту погрешность в процентах от конечного диапазона выходной величины.

Дифференциальная нелинейность связана с неточностью задания весов разрядов, т.е. с погрешностями элементов делителя, разбросом остаточных параметров ключевых элементов, генераторов токов и т.д.

Способы идентификации и коррекции погрешностей ЦАП

Желательно, чтобы коррекция погрешностей производилось при изготовлении преобразователей (технологическая подгонка). Однако, часто она желательна и при использовании конкретного образца БИС в том или ином устройстве. В этом случае коррекция проводится введением в структуру устройства кроме БИС ЦАП дополнительных элементов. Такие методы получили название структурных.

Самым сложным процессом является обеспечение линейности, так как они определяются связанными параметрами многих элементов и узлов. Чаще всего осуществляют подгонку только смещения нуля, коэффициента

Точностные параметры, обеспечиваемые технологическими приемами, ухудшаются при воздействии на преобразователь различных дестабилизирующих факторов, в первую очередь – температуры. Необходимо помнить и о факторе старения элементов.

Погрешность смещения нуля и масштабная погрешность легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразователя. Необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения, если ЦАП является умножающим.

Методы коррекции с тестовым контролем заключаются в идентификации погрешностей ЦАП на всем множестве допустимых входных воздействий и добавлением, рассчитанных на основе этого поправок, к входной или выходной величине для компенсации этих погрешностей.

При любом методе коррекции с контролем по тестовому сигналу предусматриваются следующие действия:

1. Измерение характеристики ЦАП на достаточном для идентификации погрешностей множестве тестовых воздействий.

2. Идентификация погрешностей вычислением их отклонений по результатам измерений.

3. Вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин или требуемых корректирующих воздействий на корректируемые блоки.

4. Проведение коррекции.

Контроль может проводиться один раз перед установкой преобразователя в устройство с помощью специального лабораторного измерительного оборудования. Может проводиться и с помощью специализированного оборудования встроенного в устройство. При этом контроль, как правило, проводится периодически, все то время пока преобразователь не участвует непосредственно в работе устройства. Такая организация контроля и коррекции преобразователей может осуществляться при его работе в составе микропроцессорной измерительной системы.

Основной недостаток любого метода сквозного контроля – большое время контроля наряду с разнородностью и большим объемом используемой аппаратуры.

Определенные тем или иным способом величины поправок хранятся, как правило, в цифровой форме. Коррекция же погрешностей с учетом этих поправок может проводиться как в аналоговой, так и цифровой форме.

При цифровой коррекции поправки добавляются с учетом их знака к входному коду ЦАП. В результате на вход ЦАП поступает код, при котором на его выходе формируется требуемое значение напряжения или тока. Наиболее простая реализация такого способа коррекции состоит из корректируемого ЦАП, на входе которого установлено цифровое запоминающее устройство (ЗУ) . Входной код играет роль адресного. В ЗУ по соответствующим адресам занесены, заранее рассчитанные с учетом поправок, значения кодов, подаваемые на корректируемый ЦАП.

При аналоговой коррекции кроме основного ЦАП используется еще один дополнительный ЦАП. Диапазон его выходного сигнала соответствует максимальной величине погрешности корректируемого ЦАП. Входной код одновременно поступает на входы корректируемого ЦАП и на адресные входы ЗУ поправок. Из ЗУ поправок выбирается соответствующая данному значению входного кода поправка. Код поправки преобразуется в пропорциональный ему сигнал, который суммируется с выходным сигналом корректируемого ЦАП. Ввиду малости требуемого диапазона выходного сигнала дополнительного ЦАП по сравнению с диапазоном выходного сигнала корректируемого ЦАП собственными погрешностями первого пренебрегают.

В ряде случаев возникает необходимость проведения коррекции динамики работы ЦАП.

Переходная характеристика ЦАП при смене различных кодовых комбинаций будет различной, иными словами – различным будет время установления выходного сигнала. Поэтому при использовании ЦАП необходимо учитывать максимальное время установления. Однако в ряде случаев удается корректировать поведение передаточной характеристики.

Особенности применения БИС ЦАП

Для успешного применения современных БИС ЦАП недостаточно знать перечень их основных характеристик и основные схемы их включения.

Существенное влияние на результаты применения БИС ЦАП оказывает выполнение эксплуатационных требований, обусловленных особенностями конкретной микросхемы. К таким требованиям относятся не только использование допустимых входных сигналов, напряжения источников питания, емкости и сопротивления нагрузки, но и выполнение очередности включения разных источников питания, разделение цепей подключения разных источников питания и общей шины, применение фильтров и т.д.

Для прецизионных ЦАП особое значение приобретает выходное напряжение шума. Особенность проблемы шума в ЦАП заключается в наличии на его выходе всплесков напряжения, вызванных переключением ключей внутри преобразователя. По амплитуде эти всплески могут достигать нескольких десятков значений весов МЗР и создавать трудности в работе следующих за ЦАП устройств обработки аналоговых сигналов. Решением проблемы подавления таких всплесков является использование на выходе ЦАП устройств выборки-хранения (УВХ ). УВХ управляется от цифровой части системы, формирующей новые кодовые комбинации на входе ЦАП. Перед подачей новой кодовой комбинации УВХ переводится в режим хранения, размыкая цепь передачи аналогового сигнала на выход. Благодаря этому всплеск выходного напряжения ЦАП не попадает на вывод УВХ , которое затем переводится в режим слежения, повторяя выходной сигнал ЦАП.

Специальное внимание при построении ЦАП на базе БИС необходимо уделять выбору операционного усилителя, служащего для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение. При подаче входного кода ЦАП на выходе ОУ будет действовать ошибка D U , обусловленная его напряжением смещения и равная

где U см – напряжение смещения ОУ ; R ос – величина сопротивления в цепи обратной связи ОУ ; R м – сопротивление резистивной матрицы ЦАП (выходное сопротивление ЦАП), зависящее от величины поданного на его вход кода.

Поскольку отношение изменяется от 1 до 0, ошибка, обусловленная U см , изменяется в приделах (1...2)U см . Влиянием U см пренебрегают при использовании ОУ, у которого .

Вследствие большой площади транзисторных ключей в КМОП БИС существенная выходная емкость БИС ЦАП (40...120 пФ в зависимости от величины входного кода). Эта емкость оказывает существенное влияние на время установления выходного напряжения ОУ до требуемой точности. Для уменьшения этого влияния R ос шунтируют конденсатором С ос .

В ряде случаев на выходе ЦАП необходимо получать двуполярное выходное напряжение. Этого можно добиться введением на выходе смещения диапазона выходного напряжения, а для умножающих ЦАП переключением полярности источника опорного напряжения.

Следует обратить внимание, что если вы используете интегральный ЦАП, имеющий число разрядов большее чем вам нужно, то входы неиспользуемых разрядов подключают к земляной шине, однозначно определяя на них уровень логического нуля. Причем для того, чтобы работать по возможности с большим диапазоном выходного сигнала БИС ЦАП за таковые разряды принимают разряды, начиная с самого младшего.

Один из практических примеров применения ЦАП- это формирователи сигналов разной формы. Сделал небольшую модель в протеусе. С помощью ЦАП управляемого МК (Atmega8, хотя можно сделать и на Tiny), формируются сигналы различной формы. Программа написана на Си в CVAVR. По нажатию кнопки формируемый сигнал меняется.

БИС ЦАП DAC0808 National Semiconductor,8 –разрядный, высокоскоростной, включена согласно типовой схеме. Так как выход у него токовый, с помощью инвертирующего усилителя на ОУ преобразуется в напряжение.

В принципе можно даже вот такие интересные фигуры, что-то напоминает правда? Если выбрать разрядность по больше, то получится более плавные

Список литературы:
1. Бахтияров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи/Под ред. Г.Д.Бахтиярова - М.: Сов. радио. – 1980. – 278 с.: ил.
2. Проектирование аналого-цифровых контрольно-управляющих микропроцессорных систем.
3. О.В. Шишов. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та 1995. - с.

Ниже вы можете скачать проект в

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:

часть монтажа выполнена паутинкой на "слепышах", а не на печати, что положительно отражается на качестве звука, но, увы, не будет доступно в серийных образцах;
я не экономлю на мелочах типа сетевого фильтра или шунтирующих ёмкостей, в чём, кстати, не раз доводилось уличать всеми признанные авторитеты;
"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.