ЦАП перфекциониста (часть II)

Как упоминалось ранее, наш ЦАП перфекциониста конструктивно состоит из 4-х блоков (соответственно 4-х печатных плат). Первый блок содержит приёмник цифрового сигнала и драйвер дисплея. Его конструкция и схема были описаны в первой части статьи.

Второй блок содержит довольно много узлов нашей конструкции:

• цифровой фильтр,
• микросхемы ЦАП,
• преобразователь I/U,
• выходные фильтры,
• схему управления и реле режима «MUTE» (приглушение).

Сегодня рассмотрим подробно построение цифрового фильтра, ЦАП и преобразователя ток-напряжение.

Принципиальная схема блока приведена на рисунке:

Внешний вид собранного блока:

Цифровой фильтр.

В схеме используется цифровой фильтр фирмы Burr-Brown — микросхема  DF1704. Его основные характеристики:

• работает с частотой дискретизации 32-96 кГц;
• может быть использован в качестве режекторного фильтра с затуханием 115 дБ;
• разрядность входных данных: 16/20/24 бит;
• разрядность выходных данных: 16/18/20/24 бит;
• обеспечивает автоматическое определение тактовой частоты;
• реализует режим «MUTE» (приглушение);
• обеспечивает цифровой деэмпфазис;
• может выполнять функцию цифрового аттенюатора.

Различные форматы входных и выходных данных могут быть установлены как аппаратными, так и программными средствами. В нашем ЦАП режимы устанавливаются аппаратно, так как они не меняются в ходе эксплуатации устройства. Различные DIP-переключатели, расположенные на плате устройства, потребуется установить в необходимые положения только один раз. При этом остаётся возможность оперативно изменять режимы работы фильтра при проведении измерений или изменении конфигурации устройства.

Стоит обратить внимание, что все измерения приведённые в этой статье выполнены при установке конфигурации фильтра «по умолчанию».

Единственным плюсом при программной конфигурации является возможность регулировки громкости с диапазоном в 256 шагов по 0,5 дБ для каждого канала.

Пожалуй, самой важной настройкой цифрового фильтра является формат принимаемых данных, то есть, I2S.

DIP-переключатель S2 имеет четыре группы контактов и конфигурирует порты 11-13, которые имеют двойные функции. Если на выводе 10 установлен высокий уровень, то фильтр переходит в режим программного управления и выводам 11-13 соответствуют обозначения  MD, MC, и ML. В данной конструкции этот режим не используется, однако при необходимости переключатель S2 можно заменить разъёмом и через него  управлять режимами фильтра посредством микроконтроллера.

Выводы 10-13 имеют внутренние «подтягивающие» резисторы, поэтому для установки низкого уровня достаточно замыкания выводов на общую шину. Для установки режима аппаратной конфигурации фильтра необходимо замкнуть 1-S2 для установки низкого уровня на выводе 10. Вывод 13 в таком режиме не используется.
Вывод 12 (LRIP) определяет уровни для раздельной передачи данных для каждого канала. В режиме I2S такая конфигурация не требуется.

Вывод 11 (СКО) определяет частоту сигнала на выводе 9 (CLKO), которая может быть равна тактовой XTI или в два раза меньше XTI/2. В данном ЦАП не используется.

Можно подключить кварцевый генератор к контактам XT1 и XT0, но это бессмысленно, так как тактовая частота XTI обеспечивается высокоточным задающим генератором (МСК) в IC1 с платы цифрового приёмника. Сигнал XTI может иметь ряд значений: 256Fs, 384Fs, 512Fs и 768Fs. Его максимальное значение для 512Fs при частоте дискретизации 96 кГц составляет 49,152 МГц. Частота кварцевого генератора в блоке приёмника составляет 24,576 МГц. На самом деле, при256Fs и частоте дискретизации 96 кГц производитель советует использовать внешний тактовый генератора для XTI.

Тактовый сигнал BCKIN может быть равен 32Fs, 48Fs или 64Fs, в то время как LRCIN, конечно, всегда равен Fs.

Формат входных данных должен соответствовать данным на выходе цифрового приёмника. Так как ЦАП должен понимать сигнал и с проигрывателя CD-дисков, и с DVD- проигрывателя, то мы работаем в формате 24 бит / 96 кГц. Этот режим определяется уровнем на выводе MSB.

Различные форматы входных данных определяются уровнями на входах IW0 и IW1, и I2S (то есть на выводах 3, 4 и 5) и задаются соответствующими контактами переключателя S3.

Формат выходных данных определяется уровнями на выводах OW0 и OW1 и также задаются DIP-переключателем S3.

Встроенный фильтр обеспечивает подавление цифрового «звона» в полосе пропускания, но может подрезать полезный сигнал. Поэтому производитель не рекомендует использовать фильтр при частотах дискретизации выше 96 кГц. Вход СРО (вывод 27) определяет включение-выключение фильтра. Его уровень устанавливает контакт 8 переключателя S3, который чаще всего будет находиться в положении «Выключено».

Так как диски, записанные с предискажениями, встречаются крайне редко, то режим деэмпфазиса включается принудительно, заданием соответствующих уровней на выводах SF0 и SF1 посредством переключателя S3.

Все входы, которые коммутируются с помощью переключателя S3, имеют внутренние резисторы, что делает возможной прямую коммутацию на шину питания +5В.

Сигнал «MUTE» формируется микросхемой приёмника IC1 на выводе сигнала ошибки ERF. Когда уровень сигнала «MUTE» низкий, цифровой фильтр переводится в режим приглушения (все выходы в низком состоянии) и деактивируется реле, отключающие выход ЦПА.

Микросхема DF1704 имеет схему внутреннего сброса при включении питания, а также вход сброса. Внутренний сброс длится 1024 такта после подачи напряжения питания, при этом все выходы находятся в состоянии «0». Аналогично осуществляется сброс при подаче высокого уровня на вывод RST.

Цифро-аналоговый преобразователь.

Данные с выходов цифрового фильтра поступают на две высококачественные микросхемы цифро-аналогового преобразования PCM1704 (IC7 и IC8).

Выбранные микросхемы обеспечивают:

• работу с частотами дискретизации 16-96 кГц;
• работу с  8-ми кратной передискретизацией;
• выбор формата входных данных (20 или 24 бита);
• имеют динамический диапазон 112 дБ;
• обеспечить соотношение сигнал-шум 120 дБ;
• отсутствие глитча на выходе;
• возможность инвертировать данные.

Как известно, при обработке передискретизированных данных ЦАПы на основе дельта-сигмы модуляции имеют невысокие показатели сигнал/шум. И хотя их шум находится за границами звукового диапазона, при недостаточной крутизне характеристик выходных фильтров он, тем не менее, оказывает негативное воздействие на качество звуковоспроизведения.

PCM1704 использует традиционную структуру ЦАП (R-2R), что обеспечивает отличное качество воспроизведения низких частот высокое разрешение во всем звуковом диапазоне, высокое отношение сигнал-шум и простоту конструкции.

В нашем ЦАП микросхемы сконфигурированы так, что всегда работают с 24-битными данными. Однако, конструктивно предусмотрена возможность перевести ЦАП для работы с 20-битными данными, что позволяет использовать его с различными приёмниками цифрового сигнала или цифровыми фильтрами.

Данные могут быть инвертированы, для чего вывод 10 (INVERT) необходимо соединить с шиной питания -5В.

Микросхемы цифро-аналогового преобразователя питаются напряжением ± 5 В, которое формируется стабилизаторами IC13 IC14 от общего напряжения питания аналоговых цепей ± 12 V. Стабилитроны D5 и D6 защищают дорогие микросхемы в случае выхода из строя стабилизаторов или ошибок при установке выходных напряжений.

В спецификации производителя сказано, что раздельное питание для цифровой и аналоговой частей не приносит какого-либо преимущества. Важно лишь обеспечить «замыкание» питающих напряжений на общий провод как можно ближе к соответствующим выводам микросхем. Именно для этих целей вокруг микросхем установлено такое количество блокировочных конденсаторов.

Ток на выходе ЦАП составляет 1,2мА/200нс (полный диапазон ± 1,2 мА), что определяет дополнительные требования к преобразователю ток/напряжение.

Преобразователь ток/напряжение

Преобразователь ток-напряжение построен на операционных усилителях IC9 и IC11, к которым  предъявляются особые требования:

• очень низкий собственный ток смещения,
• высокая скорость нарастания выходного напряжения,
• отличная линейность.

В конструкции применены микросхемы OPA627, которые имеют:

• ток смещения всего 10 пА (пико-Ампер),
• скорость нарастания выходного напряжения 55 В/ мкс,
• искажения всего 3 × 10-7 (0,00003%).

При  входном напряжении смещения ≤ 0,5 В напряжение смещения на выходе конструкции не превышает 20 мВ. Такое, достаточно низкое  значение позволяет обойтись без разделительного конденсатора на выходе, который неизбежно повлиял бы на качество звуковоспроизведения.

При выбранных значениях резисторов R25 и R26 по 2,49 кОм фактическое выходное напряжение составляет 2,1В, что немного выше стандартных 2В.

Конденсаторы С25 и С26 включены для фильтрации высокочастотных помех в выходном сигнале.

Продолжение следует…

Статья подготовлена по материалам журнала «Электор»,
вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты».