Проект USB звуковой карты высокого качества. Основан на микросхеме PCM2706, которая представляет собой 16-битный стерео цифро-аналоговый преобразователь. Этот чип имеет два аналоговых и один цифровой S/PDIF выход, а для его работы необходимо минимальное количество внешних компонентов.
PCM2706 имеет интегрированный USB 1.0 и USB 2.0 интерфейс, и питается непосредственно от USB-порта. PCM2706 является USB Plug-и-Play устройством и не требует установки драйверов под Windows и Mac OS.
Также чип имеет семь линий для управления кнопками:
регулировка громкости;
предыдущий и следующий трек;
начало воспроизведения/пауза;
остановка воспроизведения;
приглушение звука(mute).
Для использования этих функций вам не понадобится дополнительного программного обеспечения или драйверов, всё работает сразу же после подключения PCM2706 к USB.
Технические характеристики:
Напряжение питания: 5В
Интерфейс: USB 1.1, USB 2.0
Выходной интерфейс: наушники, S/PDIF
Частота дискретизации: 32 кГц, 44 кГц, 48 кГц
ОСШ: 98 дБ
Коэффициент нелинейных искажений: 0,006%
Выходная мощность аналогового выхода: 12 мВт
Потребляемая мощность: 35 - 45 мА
ОС: Windows 98, ME, 2000, XP и т.д., Mac OSX
Структурная схема PCM2706:
Схема ЦАПа:
Компоненты:
PCM2706 - 32-контактном корпусе TQFP - 1 шт
Кварцевый резонатор 12 МГц - 1 шт
Резистор 1 МОм - 1 шт
Резистор 3.3 кОм - 4 шт
Резистор 1.5 кОм - 2 шт
Резистор 22 Ом - 2 шт
Резистор 15 Ом - 2 шт
Конденсатор 100 мкФ - 2 шт
Конденсатор 47 мкФ - 2 шт
Конденсатор 1 мкФ - 4 шт
Конденсатор 22 нФ - 2 шт
Конденсатор 27 пФ - 2 шт
Ферритовый фильтр(L1) - 1шт
Кнопки, разъёмы - по вашему усмотрению
Печатная плата:
Фото готового ЦАПа:
Вольный перевод от , специально для
ЦАП – цифро-аналоговые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования дискретного (цифрового) сигнала в непрерывный (аналоговый) сигнал. Преобразование производится пропорционально двоичному коду сигнала.
Классификация ЦАП
По виду выходного сигнала : с токовым выходом и выходом в виде напряжения;
По типу цифрового интерфейса : с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;
По числу ЦАП на кристалле : одноканальные и многоканальные;
По быстродействию : умеренного быстродействия и высокого быстродействия.
Основные параметры ЦАП:
1. N – разрядность.
2. Максимальный выходной ток.
4. Величина опорного напряжения.
5. Разрешающая способность.
6. Уровни управляющего напряжения (ТТЛ или КМОП).
7. Погрешности преобразования (погрешность смещения нуля на выходе, абсолютная погрешность преобразования, нелинейность преобразования, дифференциальная нелинейность). 8. Время преобразования – интервал времени с момента предъявления (подачи) кода до момента появления выходного сигнала.
9. Время установления аналогового сигнала
Основными элементами ЦАП служат:
Резистивные матрицы (набор делителей с определенным ТКС, с определенным отклонением 2%, 5% и менее) могут быть встроены в ИМС;
Ключи (на биполярных или МОП-транзисторах);
Источник опорного напряжения.
Основные схемы построения ЦАП.
21. Ацп. Общие положения. Частота дискретизации. Классификация ацп. Принцип работы ацп параллельного действия.
По быстродействию АЦП делят на:
1. АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП) – быстродействующие АЦП, имеют сложное аппаратное использование единицы ГГц.разрешение N = 8-12 бит, Fg = десятки МГц
2. АЦП последовательного приближения (последовательного счета) до 10МГц.разрешение N = 10-16 бит, Fg = десятки кГц
3. Интегрирующие АЦП сотни Гц.разрешение N = 16-24 бит, Fg = десятки
4. Сигма-дельта АЦП единицы МГц.разрешение N = 16-24 бит, Fg = сотни Гц
22. Ацп последовательного счета. Принцип действия.
23.
АЦП последовательных приближений.
Принцип действия.
Этот
код с выхода РПП подается на ЦАП, который
выдает соответствующее напряжение
3/4Uвхmах, которое сравнивается с Uвх (на
СС) и результат записывается в тот же
разряд четвертым тактовым импульсом.
Далее процесс продолжается до тех пор,
пока не будут проанализированы все
разряды.
Время преобразования АЦП последовательного приближения:
tпр = 2nTG, где TG – период следования импульсов генератора; n – разрядность АЦП.
Такие АЦП уступают по быстродействию АЦП параллельного типа, однако они более дешевые и потребляют меньшую мощность. Пример: 1113ПВ1.
24. Принцип работы ацп интегрирующего типа.
В основе принципа работы интегрирующего АЦП лежат два основных принципа:
1. Преобразование входного напряжения в частоту или в длительность (время) импульсов
Uвх → f (ПНЧ – преобразователь напряжение-частота)
2. Преобразование частоты или длительности (времени) в цифровой код
f → N; T→ N.
Основную погрешность вносят ПНЧ.
АЦП данного типа осуществляют преобразование в два этапа.
На первом этапе входной аналоговый сигнал интегрируетися и это проинтегрированное значение преобразуется в импульсную последовательность. Частота следования импульсов в этой последовательности или их длительность бывает промодулирована проинтегрированным значением входного сигнала.
На втором этапе эта последовательность импульсов преобразуется в цифровой код - измеряется ее частота или длительность импульсов.
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.
Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 3 =8, у третьего разряда – 2 2 =4, у второго – 2 1 =2 и у младшего (МЗР) – 2 0 =1. Если вес МЗР I МЗР =1 мА, то I СЗР =8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I вых.макс =15 мА и соответствует коду 1111 2 . Понятно, что коду 1001 2 , например, будет соответствовать I вых =9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.
Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением
При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k -м разряде должен быть меньше, чем
D R / R =2 –k
Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде – 0,05% и т.д.
Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.
Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.
Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса
В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление R н, то его входное сопротивление R вх также должно принимать значение R н. Коэффициент ослабления цепи a =U 2 /U 1 при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений:
в соответствии с рис.4.
Поскольку в любом положении переключателей S k они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление R вх =R . Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.
Согласно рис. 4, выходные токи схемы определяются соотношениями
 |
(8) |
 |
(9) |
а входной ток
 |
(10) |
Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей S k соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от U оп линейно (см. (8)), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).
Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R 0 ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R 0 нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, … , 640 Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП. 12-разрядный ЦАП 572ПА2 имеет дифференциальную нелинейность до 0,025% (1 МЗР).
ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей. Тот же 572ПА2 имеет время установления выходного тока при смене входного кода от 000...0 до 111...1, равное 15 мкс. 12-разрядный DAC7611 фирмы Burr-Braun имеет время установления выходного напряжения 10 мкс. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют минимальную мощность потребления. Тот же DAC7611 потребляет всего 2,5 мВт. В последнее время появились модели ЦАП рассмотренного выше типа с более высоким быстродействием. Так 12-разрядный AD7943 имеет время установления тока 0,6 мкс и потребляемую мощность всего 25 мкВт. Малое собственное потребление позволяет запитывать такие микромощные ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ИОН, например, AD5321.
ЦАП на источниках тока
ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рис. 6.
Рис. 6. Схема ЦАП на источниках тока
Весовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. Правый резистор матрицы подключен не к общей шине, как на схеме рис. 4, а к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам VT 0 и VT н, в результате чего ток через VT 0 равен половине тока через VT 1 . Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзистора VT оп и операционного усилителя ОУ1, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзистора VT оп принимает значение I оп. Выходной ток для N -разрядного ЦАП.
 |
(11) |
Характернымипримереми ЦАП на переключателях тока с биполярными транзисторами в качестве ключей являются 12-разрядный 594ПА1 с временем установления 3,5 мкс и погрешностью линейности не более 0,012% и 12-разрядный AD565, имеющий время установления 0,2 мкс при такой же погрешности линейности. Еще более высоким быстродействием обладает AD668, имеющий время установления 90 нс и ту же погрешность линейности. Из новых разработок можно отметить 14-разрядный AD9764 со временем установления 35 нс и погрешностью линейности не более 0,01%.
В качестве переключателей тока S k часто используются биполярные дифференциальные каскады , в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Схема переключателя тока на дифференциальных усилителях приведена на рис. 7.
Дифференциальные каскады VT 1 –VT 3 и VT" 1 –VT" 3 образованы из стандартных ЭСЛ вентилей. Ток I k , протекающий через вывод коллектора выходного эмиттерного повторителя является выходным током ячейки. Если на цифровой вход D k подается напряжение высокого уровня, то транзистор VT 3 открывается, а транзистор VT" 3 закрывается. Выходной ток определяется выражением
Точность значительно повышается, если резистор R э заменить источником постоянного тока, как в схеме на рис. 6. Благодаря симметрии схемы существует возможность формирования двух выходных токов – прямого и инверсного. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют входные ЭСЛ-уровни. Примером может служить 12-ти разрядный МАХ555, имеющий время установления 4 нс до уровня 0,1%. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.
Формирование выходного сигнала в виде напряжения
Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Два из них показаны на рис. 8.
Рис. 8. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП
На рис. 8а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. Поскольку пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R ос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300…400 раз.
Для ЦАП на МОП-ключах с учетом (8) выходное напряжение схемы на рис. 8а.
Обычно сопротивление резистора обратной связи R ос =R . В таком случае
 |
(12) |
Большинство моделей ЦАП имеет значительную выходную емкость. Например, у AD7520 с МОП-ключами в зависимости от входного кода С вых составляет величину 30…120 пФ, у AD565А с источниками тока С вых =25 пФ. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором R ос создает дополнительный полюс частотной характеристики петли обратной связи ОУ, который может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения. Особенно это опасно для ЦАП с МОП-ключами при нулевом входном коде. При R ос =10 кОм частота второго полюса составит около 100 кГц при 100%-ной глубине обратной связи. В таком случае усилитель, частота единичного усиления которого f т превышает 500 кГц, будет иметь явно недостаточные запасы устойчивости. Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору R ос конденсатор С к, емкость которого в первом приближении можно взять равной С вых. Для более точного выбора С к необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия настолько серьезно ухудшают быстродействие схемы, что возникает парадоксальная ситуация: для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.
Ранние модели ЦАП с МОП ключами (AD7520, 572ПА1 и др.) допускают отрицательное напряжение на ключах не свыше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между выходами ЦАП следует включать диод Шоттки, как это показано на рис. 8а.
Для цифро-аналогового преобразователя на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рис.8б). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранено быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой (например, для AD565А в биполярном режиме в пределах ± 1 В). В противном случае транзисторы источников тока могут выйти из линейного режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: R н » 1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ.
Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение резистивной матрицы (рис. 9).
Рис. 9. Инверсное включение ЦАП с МОП-ключами
Для расчета выходного напряжения найдем связь между напряжением U i на ключе S i и узловым напряжением U " i . Воспользуемся принципом суперпозиции. Будем считать равными нулю все напряжения на ключах, кроме рассматриваемого напряжения U i . При R н =2R к каждому узлу подключены справа и слева нагрузки сопротивлением 2R . Воспользовавшись методом двух узлов, получим
Выходное напряжение ЦАП найдем как общее напряжение на крайнем правом узле, вызванное суммарным действием всех U i . При этом напряжения узлов суммируются с весами, соответствующими коэффициентам деления резистивной матрицы R- 2R . Получим
Для определения выходного напряжения при произвольной нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе. Из эквивалентной схемы ЦАП на рис. 10 видно, что
Эквивалентное сопротивление генератора R э совпадает со входным сопротивлением матрицы R- 2R , т.е. R э =R . При R н =2R из (14) получим
Недостатками этой схемы являются: большое падение напряжения на ключах, изменяющаяся нагрузка источника опорного напряжения и значительное выходное сопротивление. Вследствие первого недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Из-за второго недостатка источник опорного напряжения должен обладать низким выходным сопротивлением, в противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Тем не менее, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напряжения, например, в 12-ти разрядном МАХ531, включающем также встроенный ОУ в неинвертирующем включении в качестве буфера, или в 16-ти разрядном МАХ542 без встроенного буфера. 12-ти разрядный ЦАП AD7390 построен на инверсной матрице с буферным усилителем на кристалле и потребляет всего 0,3 мВт мощности. Правда его время установления достигает 70 мкс.
Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах
Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух. Схема простого варианта такого преобразователя приведена на рис. 11. Емкость k -го конденсатора матрицы определяется соотношением
Равный заряд получает и конденсатор С в обратной связи ОУ. При этом выходное напряжение ОУ составит
Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь-нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, снабженные регистром-защелкой, преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе аналого-цифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.
ЦАП с суммированием напряжений
Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. 8.12. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S 0 …S 255 может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение U AB между выводами А и В , то напряжение между выводами W и B составит
U WB =U AB D.
Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Например, микросхема AD8403 содержит четыре восьмиразрядных ЦАП, выполненных по схеме на рис. 8.12, с сопротивлением между выводами А и В 10, 50 либо 100 кОм в зависимости от модификации. При подаче активного уровня на вход “Экономичный режим” происходит размыкание ключа S откл и замыкание ключа S 0 . ИМС имеет вход сброса, которым ЦАП можно установить на середину шкалы. Фирма Dallas Semiconductor выпускает несколько моделей ЦАП (например, сдвоенный DS1867) с суммированием напряжений, у которых входной регистр представляет собой энергонезависимое оперативное запоминающее устройство, что особенно удобно для построения схем с автоматической подстройкой (калибровкой). Недостаток схемы – необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2 N) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе, например, AD5301, AD5311 и AD5321.
|
Администрация портала сайт извиняется за задержку публикации статьи. Слишком много накопилось работы по форуму, да и банальная бытовуха затягивала все сильнее. Обещаем свести все задержки публикации статей и прочих материалов к минимуму. В начале хочется поблагодарить:
Почему котенок? Есть тигр, лев, пантера, нет лучше Рысь, сильная, мощная быстрая, грациозная, красивая, это придел мечтаний, а есть котенок, маленький, глупенький, но уже с характером и он тоже из семейства кошачьих, рысью вряд ли когда нибудь станет, но будет стараться не ударить в грязь ли... простите, мордочкой перед своими соплеменниками. Почему черный? Плата должна была быть черной, но сделали зеленую, ну не называть же зеленый котенок:), это как то противоестественно, вот и остался черный котенок зеленого цвета. |
Писать статьи я не умею с детства, по этому не судите строго, а я постараюсь не растекаться мыслью по окрестным, горизонтальным поверхностям. С чего все началось, со многим известного сайта, имя которого не принято называть и конструкции, которую не принято обсуждать, желание стать ее обладателем придавила, в зародыше, своей мокрой лапкой земноводная подруга. Сам, все сам.
И вот, у меня лежит пяток мелких «таракашек» и зуд в лапках и восторг от победы, моего разума над моими сомнениями и так пять раз. Прошел год, пора двигаться дальше. Изучив на Веге, ветку посвященную Цапострою, поразился многообразию схем и решений. Все, мне нужен новый ЦАП! Какой! КЛАССНЫЙ! Остальное придумаю по ходу. Меня обуяла жажда нового девайса! С этого момента, пропал сон и аппетит! На DiyAudio, зашел случайно, а попав в чиповую лавку Юрия, поразился ценам, обилию, разнообразию.
К сожалению, когда делал выбор, еще не имел полного представления о том, что я хочу, а что действительно хотел не было в наличии. Раз семь, наверное, поменял позиции своего заказа, чем видимо довел Юрия до полного "экстаза", но в итоге заказ был оформлен, утвержден, сформирован, оплачен и отослан, кроме того, мне сделали отличный подарок, за что еще раз огромное, Юрию Спасибо!
Не теряя времени, пока идет посылка, решил заняться схемой и платой. Первоначально у меня была идея, сделать, отдельной платой ресивер, отдельно плату с ЦАП и отдельно выхлоп, те по всякому прямая выгода, проще настроить самостоятельные узлы, можно оперативно заменить любой модуль, и прослушать великое множество комбинаций, но вот червячок, маленький такой, сомнений оставался, с этим черв..., простите с со своими сомнениями я и обратился к Дмитрию. На свои сумбурные вопросы, получил очень развернутый и обстоятельный ответ, честно говоря, был приятно удивлен таким отношением, к совершенно постороннему человеку. Боже как сейчас мне стыдно, за то невежество и тот детский лепет, что я пытался сформулировать в своем первом послании.
С конструкцией разобрался — моноблочная. Двигаемся дальше. Что у меня лучше всего получается, так это всех доставать, своими вопросами. На очереди методика расчета ФНЧ. Нет мне не достаточно программ, мне нужно разобраться самому, в итоге изведя с пол пачки пищей бумаги я в конце концов получив результаты совпадающие с результатами программ, и в очередной раз поняв, что разум великая сила, родилась еще одна программка, для расчета фильтра, но так сказать, для внутреннего потребления. Все это в прочем, как и продолжение, рождения аналоговой части схемы ЦАП, можно проследить на страницах, соответствующей ветки форума . Вся цифровая часть делалась под диктовку Даташитов, с оглядкой на конструкции чужих схем, ну и как водиться, все интересное, пригодилось и мне.
Ну а теперь, то с чего следовало бы начать, Цели и Задачи, которые я перед собой ставил:
- сделать качественный ЦАП, доступный по цене
- без дефицитных комплектующих
- с двумя интерфейсами S/PDIF и TOSLINK
- самодостаточный как отдельное устройство.
Мне кажется, что задумка удалась. Конструктивно, ЦАП состоит из двух плат, первая плата, собственно сам ЦАП, ресивер, преобразователи U/I, ФНЧ и преобразователи питания каждого потребителя. На второй плате расположились, выпрямители, предварительные преобразователи питания и конденсаторы. По здравому размышлению, свой вариант, второй платы, решил не выкладывать, у каждого свои начальные условия (трансформаторы, радиаторы, конденсаторы, диоды), но общие рекомендации, лучше всего посмотреть в статьях Дмитрия(Lynx), посвященных его уникальным конструкциям. В цифровой части применены SMD резисторы типоразмера 0603, в аналоговой MELF резисторы 0204, пленочные конденсаторы WIMA FKP2, электролиты на плате ЦАП Panasonic и Nichkon, разделительный трансформатор самодельный 2 обмотки по 25 витков, витой парой из разобранного UTP кабеля, на ферритовом кольце(родословная данного кольца не установлена).
Схемы.
Схема блока питания:
Схема выходного каскада:
Схема приемника сигнала:
Схема включения PCM1794:
Порядок сборки.
Вот так выглядят заводские печатные платы.
Сначала паяем всю SMD мелочевку (резисторы, конденсаторы, диоды) на нижней стороне платы, особенно тщательно, распаиваем стабилизаторы, проверяя цепи питания на обрыв и замыкания, перевернув плату распаиваем все SMD элементы с верхней стороны (Внимание! Не забывайте про ферритовую бусину, между аналоговой и цифровой землей), после этого все электролиты, разъемы и так же тщательно проверяя все цепи преобразователи двухполярного питания аналоговый части ЦАП. Теперь, последовательно, подавая напряжения на преобразователи проверяем, что мы имеем на выходе с них и то, что нужные напряжения приходят на соответствующие контакты, в общем туда куда они должны идти проверяя по схеме.
Затем запаиваем SN75176, и проверяем прохождение сигнала, не забыв подать питание на плату ЦАП и ответственно сам сигнал, если, что то не так в первую очередь проверьте правильность монтажа трансформатора, я таки умудрился перепутать выводы. Далее распаиваем пленочные конденсаторы, еще одна проверка на КЗ и обрывы. Запаиваем, все, что осталось, проверяем, то что запаяли, устанавливаем джамперы в требуемую конфигурацию, крестимся и подаем питание.
Последняя операция, установить ноль постоянного напряжения, покрутив подстроечные сопротивления. Если все сделано правильно, остается подать сигнал на вход и снять звуковой сигнал на выходе. Немного о звуке, понятно, что все это субъективно.
Устроил небольшое испытание. В процесс тестирования было включено все, что есть в доме или у знакомых(CD, DVD, HD-плеера, ЦАП2705, ЦАП2702(Кит, приобретен на том самом сайте)). Звук с тестового CD от Dynaudio, спасибо Сергею (das). После прослушивания Котенка, все что слушалось, попутно, явно проигрывало, Особенно удивил Провал двух младших ЦАП, понятно, на то они и младшие, но что бы настолько...
Три дня после Нового года, просто вычеркнуты из жизни, с утра включал ЦАП и вечером выключал, такого желания просто сидеть и слушать у меня не было очень давно. Резюмируя высказывания всех кто послушал, звук напористый, верха прозрачные, середина разборчивая и четкая, а низы... бери нож нарезай и накладывай на тарелку, но лишних нет. Не знаю, как будет вести себя ЦАП на фоне более серьезных соперников, но, то, что я получил сейчас, меня очень радует и я счастлив. Теперь небольшие разночтения. Выложенные в статье схема и платы, отличаются от тех, что в итоге получились у меня.
Отличие в схеме, только в типе используемых преобразователей, а выложенная, плата в варианте, для приготовления ее в домашних условиях. Сразу предупреждаю, что в живую проверять я ее не стал. Следуя общим советам, для себя заказал плату на производстве, дорого оно конечно, но удовольствие от сборки и эстетика конечного результата с лихвой все компенсируют. Естественно, что мой, крайний вариант, полностью переработан под промышленное производство и достаточно сильно отличается по дизайну.
P.S. На сегодняшний день собрано три экземпляра Котенка, повторяемость, 100%, при аккуратном монтаже, согласно вышеприведенной инструкции, вся настройка сводилась только к установке 0 постоянного напряжения на выходе. Различия в звучании, последователей, по сравнению с первом экземпляром, если и были, то на слух уловить их не удалось.
Файлы для статьи:
- Печатная плата в формате Sprint-Layout. Black Kitty