Ламповый цап своими руками схема. Основные типы статических погрешностей ЦАП

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?

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

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

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

На старт, внимание...

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

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

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

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

Берём контроль над ситуацией в свои руки

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

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

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

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

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

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

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

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

Посредственность - за борт

Какой цифро-аналоговый преобразователь обходится без операционных усилителей?

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

Учиться, учиться, и... думать!

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

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

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

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

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

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

Иногда маленький резистор много эффективней, нежели большой конденсатор:

Относимся с уважением к наследию предков

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

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

Не будем требовать слишком много от "кита"

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

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

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

Полимеры правят балом

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

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

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

Не хочешь думать головой - работай руками

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

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

Надеюсь, не надо объяснять, как такое работает? 😉

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

Экономия или безграмотность?

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

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

Ещё один популярный способ сэкономить на спичках

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

Какой high-end без ламп?

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

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

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

BOM, или Bill of Materials

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

Так где же обещанная халява???

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

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

Будучи «счастливым» обладателем интегрированной звуковой подсистемы, я все же мечтал о хорошей звуковой карте, и даже подумать не мог, что ее можно сделать своими руками в домашних условиях. Однажды, бороздя просторы Всемирной сети, наткнулся на описание звуковой карты с USB интерфейсом на микросхеме РСМ2702 фирмы Burr-Brown и, просмотрев прайсы фирм, торгующих радиодеталями, понял, что это пока не для нас - о ней никто ничего не знал. Позже мой компьютер был собран в небольшом корпусе microATX, в котором не хватало места даже для старенькой Creative Audigy2 ZS. Пришлось искать что-то небольшое и желательно внешнее с интерфейсом USB. И тут снова наткнулся на чип РСМ2702, который уже активно использовали и хвалили за качество воспроизведения музыки - при правильной схемотехнике звук был куда приятней, чем у той же Audigy2 ZS. Снова поиск по прайсам, и о чудо, искомая микросхема есть в наличии по цене около 18 «вражеских денег». В итоге была заказано парочка чипов для экспериментов, так сказать, послушать, что там наваяли буржуйские «ЦАПостроители».

Итак, что же за зверь этот контроллер РСМ2702, от легендарной фирмы Burr-Brown, который покорила сердца аудиофилов во всем мире своими топовыми решениями? Интересно, на что способно бюджетное решение?

По данным технической документации на микросхему (pcm2702.pdf) мы имеем цифро-аналоговый преобразователь (digital-to-analog converter - DAC) с интерфейсом USB со следующими характеристиками:

• Разрядность 16 бит;
• Частота дискретизации 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц;
• Динамический диапазон 100 дБ;
• Отношение сигнал/шум 105 дБ;
• Уровень нелинейных искажений 0,002%;
• Интерфейс USB1.1;
• Цифровой фильтр с 8-ми кратной передискретизацией;
• Работает со стандартным драйвером USB audio device.

Характеристики оказались весьма неплохими, особенно порадовала поддержка частоты дискретизации 44,1 кГц, которая является стандартной для большинства аудио-форматов, в то время как Creative Audigy2 ZS были лишены возможности работать на этой частоте. Процессор звуковой платы Creative проводил передискретизацию потоков с частотой 44,1 кГц в поток с частотой 48 кГц, причем, не всегда по оптимальному алгоритму, что выражалось в потере качества воспроизведения музыки. Большой плюс РСМ2702 заключается в том, что для восстановления исходного состояния сигнала после цифровой обработки используется внешний фильтр низких частот - LPF (low-pass filter- LPF), от которого сильно зависит качество звука. У большинства бюджетных решений LPF встроенный, и мы получаем на выходе уже восстановленный аудио-сигнал, при этом нет возможности хоть как-то повлиять на данный процесс.

Теперь про само устройство. Для начала был собран простенький вариант по рекомендуемой производителем схеме с небольшими изменениями в питании. Получилась маленькая «звуковуха» с питанием от USB.

Но такое устройство не являлось законченным и требовало внешний усилитель, да и наушники нормально раскачать не могло. Позже была заменена материнская плата на другую, с нормальным HAD-кодеком и хорошей разводкой платы. Аудиотракт был лишен посторонних шумов и шорохов, да и качество выходного сигнала было не хуже чем у РСМ2702. И, наверное, этих строк не было, ели бы мне на глаза не попался такой вот ящичек:

Это система пассивного охлаждения для HDD, но для меня, в первую очередь, это шикарный корпус для радиоаппаратуры. Я сразу понял, что в нем будет что-то собрано, например, звуковая карта с усилителем, благо с охлаждением проблем не должно быть. Много думал над схемотехникой девайса. С одной стороны хотелось высокого качества, а с другой - не хотелось платить больше чем стоят готовые звуковые платы от Creative. Основной вопрос возник по LPF и усилителю для наушников, ведь высококачественные комплектующие для этих целей могут стоить столько же, как сама РСМ2702, а то и больше. Например, цена на высококачественные операционные усилители для LPF - ОРА2132 и OPA627, стоят порядка 10 и 35 долларов соответственно. Микросхемы усилителя для наушников - AD815 или TPA6120, я вовсе не нашел в прайсах, причем, цены на них тоже не маленькие.

Но худа без добра не бывает и я нашел в Сети схему простого и качественного LPF на транзисторах, автор которой утверждал о приличном звучании, даже не хуже дорогих операционных усилителей. Решил попробовать. В качестве усилителя для наушников поставил микросхему LM1876 - младшую двухканальную «сестру» легендарной LM3886 с таким же звучанием но меньшей мощностью. Данная микросхема позволяет, увеличив коэффициент усиления, подключать колонки.

Получилась вот такая схема - USB-DAC_PCM2702_Sch.pdf , чертеж печатной платы - USB-DAC_PCM2702_Pcb.pdf в зеркальном отображении для переноса изображения лазерно-утюжным методом на медную фольгу, так называемый ЛУТ (подробней можно почитать в Интернете), чертеж расположения элементов и перемычек на плате, а также схема подключения регулятора громкости - USB-DAC_PCM2702.pdf .

В собранном виде плата выглядит так:

Немного расскажу, как это все работает, если вдруг найдутся желающие собрать подобный агрегат. Схема включения PCM2702 стандартная - LPF представляет собой фильтр Саллена-Кея, ФНЧ второго порядка с единичным усилением, поскольку активный элемент работает как повторитель, то без проблем можно использовать эмиттерный или истоковый повторитель. Тут уже есть поле для экспериментов. Можно подобрать тип транзисторов, который больше нравится по звуку - я, тестируя из того что было в наличии, остановился на КТ3102Е в металлическом корпусе (VT3, VT4 - смотрите схему USB-DAC_PCM2702_Sch). Элементы фильтра больше всего влияют на звук, особенно конденсаторы С25, С26, С31, С32. Знатоки этого дела рекомендуют ставить пленочные конденсаторы WIMA FKP2, фольговый полистирол FSC или советские ПМ. Но в наличии не нашлось ничего нормального и пришлось ставить то, что было, а уже потом я поменял на лучшее. На плате предусмотрены контактные площадки, как под выводные, так и SMD конденсаторы. Резисторы R9, R10, R11, R12 нужны попарно идентичные, для чего берем резисторы с точностью 1% или подбираем пары с помощью мультиметра. Я подбирал из нескольких десятков резисторов с точностью 5%, так как не было времени ждать, пока привезут с точностью 1%. Номиналы резисторов и конденсаторов можно подбирать по звучанию, как больше вам нравится, но единственное условие - пара должна быть одинаковой, чтобы каждый канал не пел по-своему.

В схеме предусмотрено отключение аналогового питания PCM2702 и выхода фильтра от разъемов Х5, Х6 если не подключен USB кабель к разъему Х1. Это сделано для того, чтобы низкое выходное сопротивление фильтра не мешало сигналу подаваемому на эти разъемы при использовании устройства как усилителя для наушников. При подключении аналоговое питание ЦАП подается через транзистор VT2, которым управляет транзистор VT1, если есть напряжение на разъеме USB, то оба транзистора открыты. Выходы фильтров подключаются к разъемам на задней панели через реле К1, которое тоже управляется питанием с USB. Реле я использовал V23079-A1001-B301 фирмы AXICOM. Если нет подобного реле, то вместо него можно поставить обычный переключатель с двумя контактными группами. Вместо транзистора VT2 тоже можно поставить переключатель, а все элементы, отвечающие за коммутацию питания, впаивать не потребуется, только желательно через тот же переключатель коммутировать и само питание USB.

Питается усилитель и аналоговая часть от внешнего источника питания напряжением 12-15 В и 0,5 А переменного тока, подключаемого через разъем Х2 на задней панели.

Сам источник питания был сделан с обычного стабилизированного БП на 12 В 0,5 А путем выбрасывания всего лишнего.

В усилителе также нужно подбирать попарно резисторы R15-R18, которыми задается коэффициент усиления (левый канал Кул = R17/R15, Куп = R18/R16). Если не планируется использование наушников то можно подключать динамики, тогда нужно уменьшить сопротивление резисторов R15, R16 до 4,7-10 кОм, можно еще немного увеличить сопротивление R17, R18. Таким образом, можно будет получить номинальную выходную мощность около 2 х 5 Вт. Если запитать микросхему D6 напряжением +/- 20...25 В, которое берется сразу после выпрямителя с конденсаторов С6, С7 можно получить максимальную выходную мощность 2 х 18 Вт, но для этого нужно будет поставить диоды VD2, VD3 на ток не меньше 3А, заменить предохранитель F2 на ток не меньше 3А, увеличить емкость конденсатов С6, С7 в два раза и использовать трансформатор в блоке питания большей мощности, примерно 16 В 4 А переменного тока.

Все резисторы SMD, резисторы R20, R22 типоразмером 1206, резисторы R13, R14 типоразмером 2010 вместо них можно установить перемычки, все остальные резисторы типоразмером 0805. Все керамические конденсаторы SMD типоразмером 0805, все электролитические конденсаторы с максимальной рабочей температурой 105 °С и малым внутренним сопротивлением, с рабочим напряжением 16 В, конденсаторы С6, С7 с максимальным рабочим напряжением 25-35 В. Большинство разъемов выпаяны с старой аппаратуры точной маркировки сказать не могу, ориентируйтесь по внешнему виду. Резистор регулятора громкости подключается двухжильным экранированным проводом, два канала сигнала и земля по экрану, резистор неизвестного китайского происхождения сопротивлением 20 кОм группы В (с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки).

Еще хочу немного рассказать, как паять микросхемы в таком маленьком корпусе. Некоторые ошибочно считают, что такие микросхемы нужно паять паяльниками маленькой мощности и тонким жалом. Очень весело наблюдать, когда люди затачивают жало, как шило и пытаются им паять каждую ножку в отдельности. На самом деле все легко и просто. Для начала устанавливаем микросхему в нужном положении, придерживаем рукой или фиксируем клеем, припаиваем один их крайних выводов, далее центруем, если нужно, и припаиваем противоположный вывод. Если спаяется несколько выводов вместе, то это не страшно. Паяльник берется мощностью 30-50 Вт с луженым, свеже-заточенным жалом под углом около 45°, и не жалеем флюса или канифоли. Флюс желательно не активный, иначе придется очень тщательно отмывать плату пытаясь вымыть его из-под микросхемы. Маленькой каплей припоя прогреваем все ноги, начиная с одного края и постепенно, по мере прогрева, сдвигаем паяльник в сторону не запаянных выводов, сгоняя на них лишний припой, при этом плату можно держать под углом, чтобы припой под действием силы тяжести сам стекал вниз. Если припоя не хватит - взять еще капельку, если много, то с помощью тряпки снимаем весь припой, что есть на жале паяльника, и не жалея флюса снимаем лишнее с выводов микросхемы. Таким образом, если плата нормально протравленная, хорошо зачищенная и обезжирена, то пайка проходит в течении 1-3 минуты и получается чистой, красивой и равномерной, что видно на моей плате. Но для большей уверенности рекомендую потренироваться на горелых платах от разной компьютерной техники с микросхемами, имеющими примерно такой же шаг выводов.

Рекомендую сначала не впаивать микросхемы D2 и D6 и элементы, которые могут мешать при их установке. В первую очередь необходимо спаять узлы, отвечающие за питание, прозвонить цепи питания на предмет короткого замыкания, подключить к порту USB и подать переменное напряжение 14 В с блока питания на Х2. На будущих выходах микросхем стабилизаторов должно быть следующие напряжения:

• D1: +3,3 В;
• D3: +12 В;
• D4: -12 В;
• D5: +5 В.

Далее необходимо проверить функционирование узла отключения аналогового питания ЦАП на транзисторах VT1, VT2. Если все нормально тогда впаиваем микросхемы D2 и D6 проверяем на наличие связей там, где нужно и отсутствие там, где не нужно и все, можно пробовать послушать что вышло.

При первом подключении РСМ2702 к компьютеру, система находит новое устройство - Динамики USB Burr-Brown Japan PCM2702.

После автоматической установки драйвера в диспетчере устройств, появится новое устройство - Динамики USB. Это значит, что все работает, так как нужно и можно включать музыку, видео или даже запускать игры.

Система автоматически передает звук на микросхему РСМ2702 при ее подключении к компьютеру и возвращает в исходное состояние при отключении платы, для возобновления воспроизведения нужно просто перезапустить нужную программу. Громкость регулируется стандартным регулятором громкости ОС Windows. Я проверял работоспособность платы только под системой Windows ХР SP2.

Немного о сборке всего устройства в корпус. Самое сложное это установка переменного резистора регулятора громкости. Передняя панель крепиться к шасси за выступ, который проходит вдоль тыльной стороны панели и имеет довольно серьезную толщину. Этот выступ нужно срезать ножовкой по металлу или фрезерным станком в том месте, где будет крепиться регулятор громкости, но при этом нужно быть очень осторожным, так как можно поцарапать покрытие алюминия из-за чего панель потеряет свою привлекательность. Затем сверлим отверстие для крепления резистора, место для которого прикидываем по положению ручки, которая будет надеваться на этот самый резистор. С лицевой стороны немного убираем ребра возле отверстия, чтобы гайка достала резьбы на основании резистора. Есть еще одна проблемка - центр панели не совпадает с центром внутренней камеры шасси, и резистор регулятора громкости упирается в корпус. Пришлось поднять панель на 2-3 мм, для чего срезал дремелем угол выступа для крепления.

Не буду подробно описывать все действия с панелью и шасси. Те, кто может сделать сам такого рода устройство, всё поймёт по фотографиям. Где нужно были посверлены отверстия и нарезана резьба, под панель при установке было подложено по 2 шайбы возле каждого винта, чтобы поднять ее на 2 мм. В шасси также посверлены отверстия и нарезана резьба для крепления платы. Микросхемы D3, D4 и D6 прижаты к шасси винтами М2.5, при этом D4 и D6 нужно изолировать от панели с помощью пластины слюды или другого теплопроводящего диэлектрика или использовать микросхемы с изолированным корпусом, как D6 в моём случае. Задняя панель сделана из пластмассовой заглушки от системного блока. Все это подробней можно рассмотреть на фото.

Игорь ГУСЕВ, Андрей МАРКИТАНОВ

Гаврила был аудиофилом,
Гаврила ЦАПы создавал…

Действительно, почему бы нам не сделать ЦАП своими руками? Нужно ли это вообще? Конечно! Внешний конвертор пригодится, в первую очередь, владельцам CD-проигрывателей, выпущенных 5 - 10 лет назад. Техника цифровой обработки звука развивается бурными темпами, и идея оживить саунд старенького, но любимого аппарата с помощью внешнего ЦАПа представляется весьма заманчивой. Во-вторых, такое устройство может принести большую пользу тем, у кого есть недорогая модель, оснащенная цифровым выходом, - это шанс поднять его звучание на новый уровень.

Не секрет, что, создавая недорогой CD-проигрыватель, разработчик находится в жестких финансовых рамках: ему нужно и транспорт поприличнее выбрать, и оснастить новинку всяким сервисом по максимуму, вывести на переднюю панель побольше кнопок с многофункциональным индикатором и т.д., иначе по жестким законам рынка аппарат не будет продаваться. Через год, как правило, появится новый, который подчас ничем не лучше старого по звучанию (а зачастую и хуже), и так до бесконечности. А большинство крупных фирм обычно меняют весь модельный ряд каждую весну…

На качественный ЦАП и аналоговую часть схемы выделенных средств обычно не хватает, и многие производители на этом откровенно экономят. Из этого правила есть, правда, исключения, когда подобные решения принимаются намеренно, являясь элементом технической политики фирмы.

Например, хорошо известная нашим аудиофилам японская С.Е.С. ставит в свои модели CD2100 и CD3100 дорогой транспорт с большим количеством ручных регулировок, применяя при этом простенький ЦАП, явно по классу не соответствующий механике. Эти аппараты позиционируются фирмой как транспорт с контрольным аудиотрактом и изначально предназначены для работы с внешним конвертором. Несколько иная ситуация с проигрывателями ТЕАС VRDS 10 - 25. Устанавливая высококлассный привод и дорогие микросхемы ЦАП TDA1547 (DAC 7), инженеры почему-то решили сэкономить на выходных каскадах. Одна российская фирма, зная об этой особенности моделей, делает апгрейд, заменяя аналоговую часть схемы.

Об авторах

Андрей Маркитанов, инженер КБ звукотехники «Три В» из Таганрога. Разрабатывает и внедряет в производство ЦАПы под маркой «Markan», постоянный участник выставок «Российский Hi-End». Любит нестандартные решения, следит за аудиомодой, всегда в курсе последних достижений в области цифровой схемотехники. На память знает распиновку многих чипов Crystal, Burr-Brown и Philips.

Немного теории

Итак, решено - делаем ЦАП. Прежде чем мы начнем рассматривать схему, нелишне будет расшифровать некоторые общепринятые сокращения:

S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format) - стандарт на цифровую передачу звуковых данных между устройствами (асинхронный интерфейс с самосинхронизацией). Также существует оптический вариант TosLink (от слов Toshiba и Link). Таким интерфейсом оснащаются практически все модели недорогих CD-плейеров, но сейчас он считается устаревшим. Существуют более совершенные интерфейсы, применяемые в дорогих аппаратах, но мы пока о них говорить не будем.

DAC (ЦАП) - цифро-аналоговый преобразователь.

IIS (Inter IC Signal bus) - стандарт на синхронный интерфейс между элементами схемы в пределах одного устройства.

PLL (Phase Locked Loop, ФАПЧ) - система фазовой автоподстройки частоты.

Emphasis - предыскажения.

В настоящее время для формата CD Audio существует два совершенно различных способа цифро-аналогового преобразования: однобитовый и мультибитовый. Не вдаваясь в подробности каждого из них, отметим, что в подавляющем большинстве дорогих моделей DAC используется мультибитовое преобразование. Почему в дорогих? Для достойной реализации такого варианта требуется качественный многоканальный источник питания, сложная процедура настройки выходных фильтров, в некоторых моделях она выполняется вручную, а в развитых странах работа квалифицированного специалиста дешево стоить не может.

Однако однобитовые преобразователи также имеют немало поклонников, т.к. у них своеобразный характер подачи звука, некоторые особенности которого трудно достижимы с помощью существующей мультибитовой технологии. К ним можно отнести более высокую линейность однобитовых ЦАПов на малых уровнях сигнала, а следовательно - лучшую микродинамику, отчетливое детальное звучание. В свою очередь, аргументом сторонников мультибитовых ЦАПов является более сильное эмоциональное воздействие на слушателя, масштабность и открытость звука, отлично воспроизводятся т.н. «драйв» и «чес», что особо ценится любителями рока.

По идее, для безупречной работы однобитовых ЦАПов требуется очень высокая тактовая частота. В нашем случае, т.е. 16 бит и 44,1 кГц, она должна составлять около 2,9 ГГц, что является абсолютно неприемлемым значением с технической точки зрения. С помощью математических трюков и всевозможных пересчетов ее удается уменьшить до приемлемых значений в пределах нескольких десятков мегагерц. Видимо, этим и объясняются некоторые особенности звучания однобитовых ЦАПов. Так какой же лучше? Мы опишем оба варианта, а уж какой выбрать - решайте сами.

Главное, чем мы руководствовались при разработке схемы, - ее предельная простота, позволяющая понять идею и реализовать ее в конкретной конструкции даже не искушенному в цифровой технике аудиофилу. Тем не менее, описываемый ЦАП способен заметно облагородить звучание бюджетного аппарата, оснащенного коаксиальным цифровым выходом. Если ваш проигрыватель такового не имеет, то несложно будет организовать его самостоятельно. Для этого в большинстве случаев достаточно установить на задней стенке разъем RCA и подпаять его сигнальный лепесток к соответствующему месту на плате. Как правило, базовый вариант motherboard делается на несколько моделей сразу, только «набивается» по-разному, и на ней должно быть место для впайки гнезда цифрового выхода. Если это не так, придется искать схему аппарата - в авторизованных сервис-центрах, на радиорынках или в Интернете. В дальнейшем этот макет может послужить объектом приложения усилий для его дальнейшего улучшения и позволит, наконец, добиться «нежной дымки над чистым образом».

Практически все аппараты подобного назначения строятся на схожей элементной базе, выбор элементов для разработчика не так уж и широк. Из доступных в России назовем микросхемы Burr-Brown, Crystal Semiconductors, Analog Devices, Philips. Из приемников S/PDIF сигнала сейчас по приемлемым ценам более-менее доступны CS8412, CS8414, CS8420 от Crystal Semiconductors, DIR1700 от Burr-Brown, AD1892 от Analog Devices. Выбор самих ЦАПов несколько шире, но в нашем случае оптимальным представляется использование CS4328, CS4329, CS4390 с преобразованием дельта-сигма, они наиболее полно отвечают критерию качество/цена. Широко распространенные в High End мультибитовые чипы Burr-Brown РСМ63 стоимостью 96 долларов или более современные PCM1702 требуют еще и определенных типов цифровых фильтров, которые тоже недешевы.

Итак, выбираем продукцию Crystal Semiconductors, а документацию на микросхемы с подробным их описанием, распиновкой и таблицами состояний можно скачать с сайта www.crystal.com.

Детали преобразователя
Сопротивления
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 углерод
Конденсаторы
С1	1,0 мкФ	керамика
С2, С4, С8, С9	1000 мкФ х 6,3 В	оксидные
С3, С5, С7, С120	1 мкФ	керамика
С6	0,047 мкФ	керамика
С10, С11	1,0 мкФ	К40-У9 (бумага)
Полупроводники
VD1	АЛ309	красный светодиод
VT1	КТ3102А	n-p-n транзистор
U1	CS8412	приемник цифрового сигнала
U2	74HC86	TTL-буфер
U3	CS4390	ЦАП

Переходим к схеме

Итак, остается вопрос: какую же схему выбрать? Как уже говорилось, она должна быть несложной, доступной для повторения и обладать достаточным потенциалом качества звучания. Также представляется обязательным наличие переключателя абсолютной фазы, что позволит лучше согласовать ЦАП с остальными элементами звукового тракта. Вот оптимальный, на наш взгляд, вариант: цифровой приемник CS8412 и однобитовый ЦАП CS4390 стоимостью около $7 за корпус (лучше постараться найти вариант DIP, это заметно облегчит монтаж). Этот ЦАП применяется в известной модели проигрывателя Meridian 508.24 и до сих пор у Crystal считается лучшим. В мультибитовом варианте используется чип Philips TDA1543. Схема однобитового преобразователя выглядит следующим образом:

Резисторы R1-R7 малогабаритные, любого типа, а вот R8 и R9 лучше взять серии ВС или импортные углеродистые. Электролитические конденсаторы С2, С4, С8, С9 должны быть номиналом не менее 1000 мкФ с рабочим напряжением 6,3 - 10 В. Конденсаторы С1, С3, С5, С6, С7 - керамические. С10, С11 желательно применить К40-У9 или МБГЧ (бумага в масле), но подойдут и пленочные К77, К71, К73 (перечислены в порядке уменьшения приоритета). Трансформатор Т1 - для цифрового аудио, достать его не проблема. Можно попробовать применить трансформатор от неисправной компьютерной сетевой платы. На схеме не показано подключение питания микросхемы U2, минус подается на 7-ю ножку, а плюс - на 14-ю.

Для максимального использования звукового потенциала схемы желательно придерживаться следующих правил монтажа. Все соединения к общему проводу (помечен значком GND) лучше произвести в одной точке, например, на выводе 7 микросхемы U2. Наибольшее внимание следует уделить входному узлу цифрового сигнала, который включает в себя входное гнездо, элементы С1, Т1, R2 и выводы 9,10 микросхемы U1.

Необходимо использовать максимально короткие соединения и выводы компонентов. То же самое относится к узлу, состоящему из элементов R5, C6 и выводов 20, 21 микросхемы U1. Электролитические конденсаторы с соответствующими керамическими шунтами должны быть установлены в непосредственной близости от выводов питания микросхем и соединены с ними проводниками минимальной длины. На схеме не показаны еще один электролит и керамический конденсатор, которые подключаются непосредственно на выводы питания 7 и 14 микросхемы U2. Необходимо также соединить между собой выводы 1, 2, 4, 5, 7, 9, 10 микросхемы U2.

После приобретения некоторого опыта вы сможете на слух подбирать величину и тип электролитических и керамических конденсаторов, стоящих в цепях питания на каждом конкретном участке.

Теперь несколько слов о работе самой схемы. Светодиод D1 служит для индикации захвата цифровым приемником U1 сигнала с транспорта и наличия ошибок считывания. В процессе нормального воспроизведения он светиться не должен. Контакты S1 переключают абсолютную фазу сигнала на выходе, это аналогично изменению полярности акустических кабелей. Меняя фазировку, вы сможете заметить, как она влияет на звучание всего тракта. В ЦАПе имеется также схема коррекции де-эмфазиса (вывод 2/U3), и хотя дисков с пре-эмфазисом выпущено не много, такая функция может пригодиться.

Теперь о выходных цепях. Непосредственное подключение микросхемы ЦАП к выходу только через разделительные конденсаторы возможно, поскольку в микросхеме CS4390 уже есть встроенный аналоговый фильтр и даже выходной буфер. По аналогичному принципу построены чипы CS4329 и CS4327, хорошую аналоговую часть также имел ЦАП CS4328. Если вы знаете, как сделать качественные ФНЧ и согласующие каскады, стоит попробовать свои силы на великолепной микросхеме CS4303, которая на выходе имеет цифровой сигнал и дает возможность построения отлично звучащего аппарата, если, например, к ней подключить ламповый буфер с кенотронным питанием.

Но вернемся к нашей CS4390. Принцип построения однобитовых ЦАПов предполагает наличие во внутренних цепях питания значительных по амплитуде импульсных помех. Для уменьшения их влияния на выходной сигнал выход таких ЦАПов практически всегда делают по дифференциальной схеме. Нас же в данном случае не интересуют рекордные показатели по значению сигнал/шум, поэтому мы используем только один выход для каждого канала, что позволяет избежать применения дополнительных аналоговых каскадов, которые могут отрицательно повлиять на звук. Амплитуда сигнала на выходных гнездах вполне достаточна для нормальной работы, а встроенный буфер неплохо справляется с такой нагрузкой, как межблочный кабель и входное сопротивление усилителя.

Теперь поговорим о питании нашего устройства. Звук - это просто модулированный источник питания и ничего больше. Каково питание, таков и звук. Этому вопросу постараемся уделить особое внимание. Начальный вариант стабилизатора питания для нашего устройства показан на рис.2

Достоинства этой схемы - в простоте и понятности. При общем выпрямителе используются разные стабилизаторы для цифровой и аналоговой частей схемы - это обязательно. Между собой они развязаны по входу фильтром, состоящим из С1, L1, С2, С3. Вместо пятивольтовых стабилизаторов 7805 лучше поставить регулируемые LM317 с соответствующими резистивными делителями в цепи управляющего вывода. Расчет номиналов сопротивлений можно найти в любом справочнике по линейным микросхемам. LM317 по сравнению с 7805 имеют более широкий частотный диапазон (не забывайте, что по цепям питания у нас идет не только постоянный ток, но и широкополосный цифровой сигнал), меньшие внутренние шумы и более спокойную реакцию на импульсную нагрузку. Дело в том, что при появлении импульсной помехи (а их по питанию видимо-невидимо!) схема стабилизации, охваченная глубокой отрицательной обратной связью (она необходима для получения высокого коэффициента стабилизации и малого выходного сопротивления), пытается ее скомпенсировать. Как положено для схем с ООС, возникает затухающий колебательный процесс, на который накладываются вновь пришедшие помехи, и в результате выходное напряжение постоянно прыгает вверх-вниз. Отсюда следует, что для питания цифровых схем желательно использовать стабилизаторы на дискретных элементах, не содержащие ОС. Конечно, в таком случае выходное сопротивление источника будет значительно выше, поэтому вся ответственность за борьбу с импульсными помехами перекладывается на шунтирующие конденсаторы, которые с этой задачей справляются неплохо, и это благотворно сказывается на звучании. Кроме того, явно вырисовывается необходимость применения для каждого вывода питания цифровых микросхем отдельного стабилизатора вместе с элементами развязки по питанию (аналогично L1, С2, С3 на рис.2).

В ЦАПах Markan так и сделано, причем фильтр с дополнительным подавлением цифровых помех и выпрямитель работают от отдельной обмотки сетевого трансформатора, а для дополнительной развязки цифровой и аналоговой частей схемы даже используются разные трансформаторы. Так же делается и для дальнейшего усовершенствования нашего ЦАПа, хотя для начала можно использовать схему на рис.2, она обеспечит начальный уровень качества звучания. В выпрямителе лучше применять быстрые диоды Шоттки.

Мультибитовый вариант схемы

Обычно мультибитовые ЦАПы требуют для своей работы нескольких источников напряжения разной полярности и немалого количества дополнительных дискретных элементов. Среди большого разнообразия микросхем остановим свой выбор на Philips TDA1543. Этот ЦАП является «бюджетной» версией великолепной микросхемы TDA 1541, стоит копейки и доступен в розничной продаже у нас в стране.

Микросхема TDA 1541 применялась в CD-проигрывателе Arcam Alpha 5, в свое время собравшем множество призов, хотя его же сильно и ругали - допотопный ЦАП, сильные помехи, но ведь как звучит! Эта микросхема также до сих пор применяется в проигрывателях Naim. TDA1543 великолепно подходит для наших целей, т.к. для него необходим только один источник питания +5 В и он не требует дополнительных деталей. Отпаиваем CS4390 от цифрового приемника и на ее место подключаем TDA 1543 в соответствии со схемой на рис. 3.

Здесь необходимо дать несколько дополнительных разъяснений. Все мультибитовые ЦАПы имеют токовый выход, и для преобразования сигнала в напряжение существуют несколько схемотехнических решений. Наиболее распространенное - операционный усилитель, подключенный инвертирующим входом к выходу ЦАПа. Преобразование ток-напряжение осуществляется за счет ОС, его охватывающей. По теории он работает замечательно, и такой подход считается классическим - его можно встретить в рекомендованных вариантах включения любого мультибитового ЦАПа. Но если говорить о звучании, то тут все не так просто. Для реализации этого метода на практике требуются очень качественные ОУ с хорошими скоростными характеристиками, например AD811 или AD817, которые стоят более $5 за штуку. Поэтому в бюджетных конструкциях чаще поступают по-другому: просто подключают к выходу ЦАПа обычный резистор, и ток, проходя по нему, будет создавать падение напряжения, т.е. полноценный сигнал. Величина этого напряжения будет прямо пропорциональна величине резистора и току, через него протекающему. Несмотря на кажущуюся простоту и изящество этого метода, он пока не получил широкого применения у производителей дорогой аппаратуры, т.к. также имеет множество подводных камней. Главная проблема в том, что токовый выход ЦАПов не предусматривает наличия напряжения на нем и обычно защищен диодами, включенными встречно-параллельно и вносящими значительные искажения в получаемый на резисторе сигнал. Среди известных производителей, которые все-таки решились на такой метод, следует выделить фирму Kondo, которая в своем M-100DAC ставит резистор, намотанный серебряной проволокой. Очевидно, что он имеет очень маленькое сопротивление и амплитуда выходного сигнала также очень мала. Для получения стандартной амплитуды используется несколько ламповых каскадов усиления. Еще одной известной фирмой с нетрадиционным подходом к вопросу преобразования ток-напряжение, является Audio Note. В своих ЦАПах она применяет для этих целей трансформатор, в котором ток, проходящий через первичную обмотку, вызывает магнитный поток, приводящий к появлению на вторичной обмотке напряжения сигнала. Такой же принцип реализован в некоторых ЦАПах серии «Markan».

Но вернемся к TDA 1543. Похоже, что разработчики этой микросхемы по каким-то причинам не установили защитные диоды на выходе. Это открывает перспективу для использования резисторного преобразователя ток-напряжение. Сопротивления R2 и R4 на рис. 3 - как раз для этого. При указанных номиналах амплитуда выходного сигнала составляет около 1 В, чего вполне достаточно для непосредственного подключения ЦАПа к усилителю мощности. Следует отметить, что нагрузочная способность нашей схемы не очень велика и при неблагоприятных условиях (большая емкость межблочного кабеля, малое входное сопротивление усилителя мощности и др.) звучание может быть слегка зажатым по динамике и «размазанным». В этом случае поможет выходной буфер, схему и конструкцию которого вы можете выбрать из множества существующих вариантов. Может случиться, что в некоторых выпускаемых вариантах микросхемы TDA 1543 защитные диоды все-таки установлены (хотя в спецификациях таких сведений нет, и конкретные экземпляры нам также не попадались). В этом случае удастся снять с нее сигнал амплитудой не более 0,2 В, и придется использовать выходной усилитель. Для этого необходимо в 5 раз уменьшить номинал резисторов R2 и R4. Конденсаторы С2 и С4 на рис. 3 образуют фильтр первого порядка, устраняющий ВЧ-помехи из аналогового сигнала и формирующий нужную АЧХ в верхней части диапазона.

Во многих конструкциях ЦАПов используются цифровые фильтры, что значительно облегчает задачу разработчику при проектировании аналоговой части, но при этом на ЦФ ложится большая часть ответственности за конечное звучание аппарата. В последнее время от них стали отказываться, поскольку грамотный аналоговый фильтр эффективно подавляет ВЧ-шумы и не так пагубно влияет на музыкальность. Именно так сделано в ЦАПах «Markan», в которых используется обычный фильтр третьего порядка с линейной фазовой характеристикой, выполненный на LC-элементах. В нашей схеме на рис. 3 для простоты применен аналоговый фильтр первого порядка, которого в большинстве случаев вполне достаточно, особенно если вы используете ламповый усилитель мощности, да еще и без обратных связей. Если же у вас аппаратура транзисторная, то вполне возможно, что придется увеличить порядок фильтра (однако не переусердствуйте, слишком крутая схема обязательно ухудшит звучание). Соответствующие схемы и формулы для расчета вы найдете в любом приличном радиолюбительском справочнике.

Обратите внимание, что резисторы R2, R4 и конденсаторы C2, C4 находятся именно в том месте, где зарождается аналоговый звук. High End начинается именно отсюда и, что называется, «далее везде». От качества этих элементов (особенно от резисторов) в огромной степени будет зависеть звучание всего аппарата. Резисторы необходимо ставить углеродистые ВС, УЛИ или бороуглеродистые БЛП (предварительно подобрав их по одинаковости сопротивлений с помощью омметра), применение импортной экзотики также приветствуется. Конденсаторы допустимы любого типа из указанных выше. Все соединения должны быть минимальной длины. Разумеется, качественные выходные разъемы также необходимы.

Что же у нас получилось?

Я раньше скверно пел куплеты,
хрипел, орал и врал мотив…

(Дж. К. Джером, «Трое в лодке,
не считая собаки»)

Не поленюсь напомнить, что перед первым включением устройства необходимо тщательно проверить весь монтаж. Регулятор громкости усилителя при этом нужно устанавливать в минимальное положение и плавно увеличивать громкость, если помехи, свист и фон на выходе отсутствуют. Будьте внимательны и аккуратны!

В целом для однобитовых ЦАПов характерно очень мягкое, приятное звучание, с обилием тонких деталей. Кажется, что весь свой звуковой потенциал они бросают на помощь солисту, оттесняя других участников музыкального произведения куда-то на задний план. Большие оркестры несколько «уменьшаются» по составу музыкантов, страдают мощь и масштабность их звучания. Мультибитовые ЦАПы уделяют одинаковое внимание всем участникам музыкального действия, не отдаляя и не выделяя никого из них. Динамический диапазон шире, звучание более ровное, но в то же время несколько более отстраненное.

Например, при воспроизведении через мультибитовый ЦАП хорошо известной песни «I Put A Spell on You» в исполнении Creedence Clearwater Revival великолепно передается ее энергетика, мощный поток эмоций просто завораживает, становится понятным замысел ее создателей, мы остро чувствуем, что они хотели нам сказать. Мелкие детали несколько смазаны, но на фоне описанных выше доминирующих характеристик такой подачи звука это не кажется серьезным недостатком. При воспроизведении этой же песни через однобитовый ЦАП картина несколько иная: звучание не столь масштабно, сцена несколько отодвинута назад, зато отлично слышны подробности звукоизвлечения, мелкие штрихи. Хорошо передается момент, когда музыкант приближает гитару к комбику, добиваясь легкого самовозбуждения усилителя. Зато при прослушивании Элвиса Пресли великолепно раскрывается все богатство его голоса. Хорошо заметно, как он менялся с возрастом, эмоциональное воздействие на слушателя также сильно, а несколько отодвинутый на задний план аккомпанемент органично вписывается в общую картину.

Так что выбор типа ЦАПа остается за вами, у обоих вариантов есть как сильные, так и слабые стороны, истина, разумеется, лежит где-то посередине. Несмотря на простоту, звуковой потенциал описанных схем достаточно высок, и при творческом выполнении приведенных рекомендаций конечные результаты вас разочаровать не должны. Желаем успеха!

На вопросы разработчик схемы

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