В последние десятилетия цифровая аудиотехника развивается стремительными темпами. Помимо появления широкого спектра цифровых усилителей, также появляются всё новые форматы цифрового аудио. Любителей качественного звука это с одной стороны радует повышением качества звучания, с другой стороны огорчает, так как из-за введения новых форматов приходится постоянно обновлять свою аудиосистему.
Спасти положение может наличие в системе отдельного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Для перехода на новый формат придётся обновить только его, а порой достаточно будет обновления лишь одного его блока, например приёмника S/PDIF. Кроме того, автономный ЦАП имеет ещё одно преимущество — является универсальным блоком и позволяет подключать к вашей аудиосистеме различные цифровые источники CD / DVD-плеера, компьютер или сетевой проигрыватель.
В данной статье приводится описание схемы и конструкции ЦАП, способного работать с частотами дискретизации 32-96 кГц. Автор намеренно не реализовал поддержку стандарта 192 кГц, так как считает его малораспространённым. Основной упор в данном аппарате сделан на бескомпромиссное качество. Использованная элементная база не очень новая, но доступная. Наверняка, у многих радиолюбителей «в закромах» найдётся большинство комплектующих, что позволит без проблем повторить данную конструкцию или доработать имеющийся ЦАП до более высокого уровня.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦАП
Функции и возможности:
- коаксиальный и оптический входы,
- работает с частотой дискретизации 32-96 кГц,
- 2-разрядный индикатор частоты дискретизации,
- 8-кратная передискретизация,
- 24-битный цифровой фильтр,
- 24-битные цифро-аналоговые преобразователи,
- цифровой деэмфазис (коррекция предискажений),
- переключаемые аналоговые фильтры третьего порядка (Бесселя и Баттерворта),
- раздельное питание цифровых и аналоговых цепей.
Технические параметры:
| номинальное выходное напряжение | 2.1 V (RMS) |
| номинальное входное напряжение коаксиального входа |
0.5 V (сопротивление 75 Ω) |
| частотный диапазон (–3 dB) | 0–fs/2 (fs=32/44.1/48 kHz) |
| 0–42 kHz (fs=88.2/96 kHz) | |
| граничная частота аналогового фильтра | 26 kHz (Баттерворта для частот fs=32/44.1/48 kHz) |
| 42 kHz (Бесселя для частот fs=88.2/96 kHz) | |
| выходное сопротивление | 100 Ω |
| отношение сигнал/шум | ≥ 114 dBa |
| искажения+шум | 0.0016% (44.1 kHz, 16-bit) |
| 0.001% (48 kHz, 24-bit) | |
| 0.0008% (96 kHz, 24-bit, b=22 kHz) | |
| коэффициент интермодуляционных искажений (60 Hz/7 kHz, 0 dB) |
0.0035% |
| разделение каналов (1 kHz) | >115 dB |
| динамический диапазон | >100 dB |
Измерения проводились при следующих положениях переключателей (см. далее):
| s1 | s2 | s3 | s4 |
| -1 off | -1 on | -1 on | -1 off |
| -2 off | -2 off | -2 on | -2 off |
| -3 off | -3 off | -3 on | -3 off |
| -4 on | -4 off | -4 off | -4 on |
| -5 on | |||
| -6 off | |||
| -7 off | |||
| -8 off |
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
Конструкция ЦАП выполнена в виде 4-х блоков, каждый из которых собран на отдельной печатной плате:
- блок питания ± 12 В и +5 В,
- цифровой приёмник и драйвер дисплея,
- 2-х разрядный дисплей,
- цифровой фильтр, непосредственно цифро-аналоговый преобразователь и выходные аналоговые фильтры.
Блок-схема показана на рисунке:
Источник питания состоит из стабилизатора напряжения +5 В для цифровых схем (приемник и цифровой фильтр) и стабилизатора напряжения ±12 В для питания аналоговых цепей и реле. Кроме того из этих напряжений с помощью дополнительных стабилизаторов получаются напряжения ±5 В для питания микросхемы ЦАП.
На плате приёмника цифровых аудио данных размещён также драйвер дисплея, который позволяет контролировать частоту тактового сигнала. Сам дисплей состоит из двух 7-сегментных светодиодных модулей для индикации частоты дискретизации: 32 кГц, 44 кГц (в реальности 44,1 кГц), 48 кГц, 88 кГц (в реальности 88,2 кГц), или 96 кГц.
Для аппаратной конфигурации приёмника используется 4-х контактный DIP-переключатель. Образцовый тактовый сигнал формирует высокоточный кварцевый генератор с частотой 6,144МГц для определения частоты входного сигнала и системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
На выходе приёмника данные о частоте дискретизации и биты состояния присутствуют в смешанном виде. Для их разделения используется микросхема IC5. Выходные данные записываются в регистры микросхемы и в нормальном режиме выходные сигналы статические. Такая индикация (против динамической) требует гораздо меньшего тока и, как следствие, создает меньше помех.
Для соединения платы цифрового приёмника с платой дисплея используется 10-ти жильный плоский кабель. Соединение платы приёмника с платой ЦАП и выходных фильтров осуществляется с помощью 16-ти жильного плоского кабеля. Этим же кабелем с платы приёмника передаётся напряжение +5В для питания цифрового фильтра, а также сигнал переключения на выходной фильтр с удвоенной частотой среда, если на входе обнаружен сигнал с частотами 88,2 кГц или 96 кГц.
Сигнал «MUTE» (приглушение) формируется при отсутствии сигнала на входе приёмника или когда система ФАПЧ не может выполнить захват частоты. Он снимается с вывода 5 (ERF) микросхемы IC1 и используется для управления выходным реле (отключает выход ЦАП).
Сигнал сброса приемника и цифрового фильтра формирует цепь R6-C13 и инвертируется микросхемой IC5. Сигнал наличия деэмпфазиса с цифрового приёмника передаётся цифровому фильтру, который и обеспечивает коррекцию искажений. Двенадцать DIP-переключателей позволяют задать различные параметры фильтра: форматы входных и выходных данных, количество битов, характеристику фильтра и другие.
Цифровой фильтр управляет двумя микросхемами ЦАП: одна для левого и вторая для правого каналов. Выходной сигнал каждого из ЦАП является токовым. Такой выбор был сделан не случайно. Токовый выход позволяет получить хорошую линейность, низкий уровень шума, малое напряжение смещения и высокую скорость нарастания. Да, обычно ЦАП с токовым выходом стоят дороже, но и качество звучания (как правило) обеспечивают на более высоком уровне.
Аналоговый фильтр на выходе необходим для удаления из выходного сигнала остатков продуктов передискретизации и высокочастотного шума. Для расширения диапазона частот дискретизации в схеме использованы два выходных фильтра с разными частотами среза. Переключение фильтров осуществляется с помощью двух реле. Так как сопротивление фильтров достаточно велико, чтобы не ухудшать разделение каналов потребовалось использовать отдельное реле для каждого канала.
Выходное сопротивление фильтра составляет всего 100Ом, поэтому для реализации функции «MUTE» (приглушение) можно обойтись одним реле без ухудшения характеристик устройства. Эта функция позволяет избавиться от щелчков и шумов на выходе устройства во время переходных процессов при включении или ошибках чтения входных данных.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА (ЦИФРОВОЙ ПРИЁМНИК)
Принципиальная схема блока цифрового приёмника и драйвера дисплея представлена на рисунке:
Главной задачей цифрового приёмника IC1 является декодирование потока данных в формате S/PDIF в последовательный формат данных, который может быть передан микросхемам ЦАП. Микросхема приёмника расположена на отдельной печатной плате таким образом, чтобы коаксиальный и оптический входные разъемы могли быть размещены в наиболее удобном месте на корпусе устройства.
Входной импеданс, который имеет традиционное для коаксиального входа значение в 75Ом, определяется номиналом резистором R1. Оптический вход реализован на широко распространённой микросхеме IC2. Сигнал с её выхода подается на вход IC1 через делитель R1-R2, значения резисторов которого выбираются таким образом, что сигнал на R1 был немного больше (0,6 В), чем стандартное значение для коаксиального входа (0,5 В).
При использовании оптического входа необходимо установить перемычку JP1. Коаксиальный вход при этом использоваться не может!
Резисторы R7-R10 необходимы для устранения высокочастотного «звона», вызванного ёмкостной нагрузкой образованной соединительным шлейфом и входной ёмкостью цифрового фильтра.
Режим работы цифрового приёмника задаётся уровнями на входах М0-М3. Подробнее о режимах работы можно прочитать в справочном руководстве на микросхему CS8414. Рекомендуемым режимом является I2S, так как при этом режиме число битов в принципе не фиксируется: это могут быть 16-битные данные или 24-битные. Поэтому необходимо установить DIP-переключатели S1 в положение S1-4 ON (M1 = 1), а остальные ВЫКЛ (М0 = М2 = М3 = 0).
Возможность выбора различных режимов работы цифрового приёмника была заложена с учетом возможного будущего расширения функционала или обновления конструкции. Так же это позволяет использовать плату приёмника для совместной работы с другими типами ЦАП.
Так как производитель рекомендует сбрасывать микросхему приёмника сразу после подачи питания, для этих целей применена микросхема IC4.
Для снижения уровня шумов и помех микросхема кварцевого генератора IC3 расположена максимально близко к соответствующему входу (FCK) микросхемы IC1, а шина питания снабжена фильтром на элементах L3, C10, C11. В шинах питания других микросхем также установлены отдельные фильтры.
С выходов демультиплексора IC5 через разъём К2 сигналы (а также напряжение питания +5В и общий провод) поступают на блок индикации, который соединяется с платой приёмника 10-жильным кабелем. Для упрощения схемы и уменьшения цепей коммутации используется двухразрядный семисегментный индикатор, поэтому десятичная точка и дробные части для некоторых значений частоты дискретизации входного сигнала опускаются. При возникновении ошибки чтения входных данных (сигнал ERF — активный) на дисплее будут высвечиваться два тире. Благодаря размещению блока индикации на отдельной печатной плате его удобно монтировать в любом подходящем месте позади передней панели устройства.
Информация о тактовой частоте входного сигнала используется не только для индикации, но и для управления частотой среза выходных аналоговых фильтров ЦАП.
Сигнал о наличии в записи предискажений с выхода приёмника подаётся на цифровой фильтр. Индикация этого режима не предусмотрена, так как компакт-диски с такими записями встречаются довольно редко. Но раз уж они бывают, то данный ЦАП имеет возможность обработать любые предискажения, а обработка их в цифровом фильтре позволяет избавиться от необходимости коммутации дополнительных RC-цепей в аналоговом фильтре.
Продолжение следует…
Статья подготовлена по материалам журнала «Электор»,
вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты».