[nazar]

На писанину никогда нет времени так что буду по мере сил и возможностей писать тут.

И начать надо собственно с цифро-аналогового преобразования, про цапы ИКМ типа я коротко так и не дописал тут http://s-audio.systems/diy/da-conversion-methods . Про цапы СДМ типа даже не начинал так как во вторых тема крайне обширна и во первых никому нафиг не нужна Но коротко некоторые моменты придется озвучить.

Все современные мс цап для аудио представляют собой многобитные СД-Модуляторы с мультиуровневыми ЦАП и той или иной разновидностью DEM между этими блоками (полностью структура выглядит как ЦФ-СДМ-ДЕМ-ЦАП).
Модуляторы бывают разных порядков, чем выше порядок модулятора тем меньше шум в звуковой полосе и тем он больше вне зч полосы.
Достоинством многобитных модуляторов является большее отношение с/ш при той же частоте и порядке модулятора чем у 1-битных СДМ (5битный СДМ в одинаковых условиях будет на 30дб иметь лучше с/ш чем однобитный в полосе до Fmod/2).
Недостатками являются уровнезависимый шум и в первую очередь линейность так как разброс параметров ГСТ или резисторов или конденсаторов(в зависимости от типа ЦАП) в несколько процентов приводит к существенным искажениям для борьбы с которыми придумали Динамическую подстройку элементов (DEM).

DEM усредняет нелинейность мультиуровневого цапа, так вот время усреднения обратно пропорционально частоте работы модулятора и прямо пропорционально разрядности цапа, то есть чем выше разрядность вашего цап и чем ниже частота работы модулятора тем больше времени надо для усреднения нелинейности. Разновидность ДЕМ первого порядка(что стоит в 90% мультиуровневых ЦАПов напр. AK4399, AD1955, PCM1792, ES9018) не очень хорошо усредняет нелинейность и имеет сильную уровнезависимость, и как любой СДМ 1го порядка очень гадит паттернами как в округе Fmod/2 так и напрямую попадающими в ЗЧ область.
Поэтому цифры искажений измеренные на синусе для таких ЦАП не имеют ничего общего с линейностью на реальных музыкальных сигналах, но красивые циферки Кг вкупе с красивыми циферками шума позволяют хорошо рекламировать и продавать продукцию.

Особняком в современном мире стоит WM8741/8742, в них был применен специфический DEM 2го порядка (паттернов от него нет даже на Fmod/2!), ЦАП применен не на наборе одинаковых элементов а взвешенные 1-2-4-8 что вкупе с частотой работы модулятора в 256fs позволило уменьшить время усреднения по сравнению с конкурентами(6бит 64-128фс а-ля AK4399, PCM179x, AD1955 итд) в 10-20раз.
(Но естественно из за матрицы 1-2-4-8 Кг на синусе уже не будет такой красивой как в цапах с одинаковыми элементами).
Про то что им хватило мозгов на модулятор малого порядка и качественно заапсемплить входной поток до частоты работы модулятора пока вспоминать не будем. Но 8741/8742 из за особенностей/косяков кристалла дичайше геморройна в применении что делает ее применение в ДИЙ разработках полностью невозможной.

Собственно ЦАП в современных мс бывает двух разновидностей - непрерывного времени(на выходе непрерывно ток или напряжение) и дискретного времени (дискретно зарядом, одни из разновидностей Switched Capacitor, в основном применяются Direct Charge Transfer структуры).
Достоинством цап дискретного времени(SC dac) является фильтрация на переходе с цифрового вида в аналоговый что позволяет уменьшить чувствительность к "белому" джиттеру и уменьшить внеполосный шум. Недостатками являются повышенное потребление питания из за наличия ОУ обязательных для такой структуры, и что действительно для нас важно динамические искажения из за того что ОУ всегда находится в ограничении по скорости нарастания (slew rate limiting) и кодозависимом времени установления.

[nazar]

1-битовые СДМ и ЦАП
Недостатками являются меньшее(но кодонезависимое) отношение с/ш при той же частоте и порядке модулятора чем у многобитовых СДМ, сложность в дизеринге СДМ, меньший достижимый коэффициент модуляции, мощные паттерны в районе Fmod/2 при малых входных сигналах (в отсутствие сигнала на выходе то поток 010101...0101), увеличение внеполосного шума при уменьшении сигнала (мощность 1-битового потока всегда неизменная, перераспределяется только спектр, если ЗЧ сигнал большой то вч шум уменьшается и наоборот).
Достоинства конечно же хорошая (в идеале абсолютная) линейность, что на синусе что на музыкальном сигнале одинаковая, меньшее потребление и занимаемая на кристалле площадь (из за отсутствия ДЕМ и в 2^N меньшего ЦАП).

Собственно ЦАП бывает или дискретного времени или непрерывного времени, но также возможен еще один подвид (FIRDAC) про который будет последующий рассказ.

[nazar]

FIRDAC or Semidigital FIR
FIRDAC непрерывного времени впервые предложенный Девидом Су и Брюсом Вули в 93году для 1битных СДМ
   

Представляет собой реализацию FIR фильтра цифровым и аналоговым методом одновременно, задержка реализована цифровым методом а коэффициенты фильтра и сумматор аналоговым. Коэффициенты фильтра задаются током а сумматором выступает каскад I/U.
   

Ачх одной из возможных реализаций такого цап для аудио применений показана ниже (128tap)
   

Выходной сигнал такого фильтра/цапа эквивалентен мультиуровневому ЦАП с очень большим количеством уровней (разрядностью) но не имеющий его недостатков, неточность токов в данном случае приводит к изменению АФЧХ фильтра но не к образованию нелинейных искажений как в мультиуровневых цапах.

Достоинством FIRDAC непрерывного времени является линейность, при должной длине отличное подавление внеполосных помех (отличный ("аналоговый") сигнал на его выходе), очень маленькая чувствительность к джиттеру, очень небольшие требования к быстродействию и полосе ОУ каскада I/U (менее 1В/мкс) и соответственно отсутствию динамических искажений.
Недостатками является большая занимаемая площадь кристалла, нужен мелкий тех процесс.

Синус 20кГц 0дб при ЧД 44,1кГц с выхода 75tap FIRDAC (без какой либо последующей фильтрации, в полосе до 400МГц).
   

[nazar]

Разрядность, частота дискретизации, шум и Хайрез
Некоторые люди считают что чтоб полноценно слушать цифровые фонограммы высокого разрешения нужно неимоверно большой ДД(>120дб) и высокая частота дискретизации. Но на самом деле все чуточку не так.

Уровень шума на студии звукозаписи 25-30дб, максимальное SPL классических музыкальных инструментов в пару метрах от них не превышает 110дб, итого максимально достижимый ДД некомпрессированной записи(которых практически не бывает) 80-85дб что соответствует разрядности всего в 14бит. Анализируя многие записи можно удостоверится что лишь очень немногие из них имеют с/ш в 80-85дб, в основном хорошо если есть 70-75дб с/ш. В домашних условиях уровень фонового шума больше а максимальный СПЛ у АС редко достигает 110дб в нескольких метрах от них поэтому ДД еще меньше.

Высокая частота дискретизации хороша тем что на этапах аналого-цифрового преобразования и цифро-аналогового возможно применить ЦФ с плавным спадом ачх чтоб уйти от применения brickwall ЦФ и связанных с его применением проблем в звуке.
Но увы записи с ЧД 96/192 в основном делаются с применением brickwall ЦФ и соотвественно не дают никаких преимуществ над 44.1, единственное так как хайрез позиционируется как лучший формат сама запись, сведение и мастеринг часто выполняются на хорошем уровне что позволяет людям не очень разбирающимся в вопросе говорить об однозначном превосходстве хайреза якобы именно из за высокой разрядности и ЧД. Особняком стоит DSD, тут этих проблем нет изначально но есть другие, но если использовать даный фильтр http://s-audio.systems/catalog/dsd-filter то можно получить лишь преимущества формата DSD при использовании 1-битных цап.

[nazar]

Немного о алиасах.
Для УМЗЧ с ооос найболее нехорошими являются помехи и шумы в районе его частоты единичного усиления которая у большинства УМЗЧ лежит в области 0,5...1,5Мгц, поэтому алиасы и шумы(в случае СДМ) на этих частотах должны лежать ниже -80..90дб. А это значит(учитывая доп подавление sin(x)/x и использование ЦФ 2х..8х) что если не использовать ФНЧ с апроксимацией Чебышева и Баттерворта и не делать частоту среза слишком низкой (ниже 60кГц уже слишком заметно) выливается в использование ФНЧ минимум 4 порядка, для СДМ еще надо учитывать что минимально допустимый порядок ФНЧ должен быть равен порядку модулятора для эффективного подавления внеполосных шумов.

[nazar]

Немного о джиттере. (Реально немного так как тема обширная)
Джиттер - нестабильность тактового сигнала, представить(и померять) ее можно во временной области как нестабильность времени фронтов/спадов относительно их идеальных значений(period jitter, cycle to cycle period jitter) или в спектральной области как график шума при разных отстройках(phase jitter). Измерения (если они выполнены корректно) в обоих областях дают идентичный результат но измерения в частотной области проще чем во временной, так как к примеру чтобы измерить джиттер от 1Гц и выше надо осциллограф имеющий кроме большого семплрейта еще и огромную память чтоб оцифровать сразу 1сек с большим семплрейтом (4..20Гс/с)(таймбейс в осциллографе действует как ФВЧ).

Джиттер влияет на выходной сигнал ЦАПа как увеличения шума оного(если джиттер без спуров) или + модуляция сигнала спурами(если фазнойс со спурами).

Допустимым является такой уровень джиттера(без спуров!) при котором не уменьшается отношение с/ш Ц/А устройства в целом ниже отношения с/ш записей, а это как было сказано выше 80дб с/ш. А это для большинства типов СДМ мс ЦАП выливается в интегральное значение джиттера в несколько едениц и даже десятков наносекунд. Более жестким критерием может быть такой уровень джиттера при котором не ухудшается с/ш конкретной мс ЦАП, к примеру для PCM1792 чтоб получить с/ш в 120дб интегральное значение джиттера должно быть не более 300пс.


Но если джиттер со спурами то тут появляется сильная зависимость интегрального значения джиттера от типа ЦАП и от частоты спуров, но в целом можно говорить в данном случае о достаточности интегрального значения джиттера для большинства типов СДМ мс ЦАП(кроме фактически 1-битников реального времени) в несколько десятков пикосекунд.

[nazar]

..

[nazar]

   
Схема устройства, ниже коротко пройдемся по узлах итд данного устройства.

Устройство имеет два входа один USB(PCM 16/24бит 44,1-192кГц, DSD64-512) и один S/PDIF(PCM 16/24бит 44,1-192кГц).
Качество USB входа определяется двумя вещами:
- Наводка по воздуху USBкабель - межблочный аналоговый кабель, USBкабель - сетевой кабель.
- Токи в петле "интерконекта".

Первое влияние уменьшается при применении экранированных кабелей и синфазных дросселей в линиях D+D- приемопередатчиков, второе влияние уменьшается по мере уменьшения емкостной связи устройства с USB хабом. В данном устройстве используется передача через гальваноразвязку Si86xx S/PDIF сигнала а не i2s шины чтоб минимизировать емкостную связь (емкость барьера гальваноразвязки пропорциональна количеству параллельно соединенных барьеров + емкость корпусировки), также при монтировании устройства в металлический корпус обязательно надо сделать охранный вырез около USB разъема в 1см.
USB вход реализован на мс CM6631A в асинхронном режиме с собственной прошивкой. Опорными генераторами для CM6631A применены малоджиттерные от Kyocera http://www.mouser.com/ds/2/40/clock_k_e-522534.pdf
Неиспользуемый в данный момент генератор одной из сеток (44,1/48) выключается.
       

Качество S/PDIF входа определяется:
-Способностью S/PDIF приемника фильтровать входящий джиттер.
-Входными синфазными помехами.
В данном устройстве применен S/PDIF приемник с FIFO и низкой частотой среза петли ФАПЧ WM8804, низкоджиттерный генератор опорной частоты - правильно спроектированный Пирс на базе инвертора 8804 и элементов R31, R26, C14, C22 и кварце с load capacitance 32пФ (максимум что можно купить в свободной продаже). Джиттер мастерклока равен 30пс. Во входных цепях используются Ethernet трансформаторы с нормированным КОСС до 100МГц, резистор терминации 75ом распаралелен на два резистора, один номиналом 100ом непосредственно на входе/первычке трансформатора и номиналом 300ом во вторичке трансформатора что позволяет эффективно демпфировать резонансы трансформатора и обеспечивает лучшее согласование линии чем наличие одного резистора номиналом 75ом во вторичке трансформатора.   

ЦАПом для данной конструкции выбрана 1-битная СДМ по причинах озвученных ранее, а именно наличию искажений мало зависимых от типа сигнала чтоб получить максимально неокрашенное звучание в отличии от многобитных СДМ где каждая связка СДМ-ДЕМ-ЦАП имеет свой неповторный окрас из за сильной зависимости искажений от сигнала.

Собственно мс ЦАП применена UDA1334BTS имеющая на борту полуполосный ЦФ с подавлением первой ступени 65дб и неравномерностью +-0,005дб, 64x С/Д Модулятор 5го порядка с DC(цифровое смещение) и AC(4x) дизером и Semidigital FIR на 75tap. Сделана на техпроцессе ~0,35мкм(инфа от Сергея Агеева) что позволило сделать столь длинный FIRDAC и быстрый ОУ I/U при столь малом потреблении.

Осциллограммы непосредственно с выхода UDA1334BTS синуса 20кГц и меандра 1кГц генерированных в цифровом виде (соответствующего теореме Котельникова) при ЧД 44,1кГц в полосе 400Мгц показана ниже
       

Примененный ЦАП имеет не дифференциальную структуру поэтому в отличие от дифференциальных структур тут нет частичной компенсации токов нагрузки в питании поэтому требования к питанию еще выше и чтоб их обеспечить применены лучшие придуманные на сегодняшний день стабилизаторы для питания мс ЦАП и аналоговых каскадов.

Отличные фильтрационные способности Semidigital FIR позволили свести практически к нулю влияние джиттера (спуры остались важны лишь при отстройках всего до +-50кГц) и сделать минималистскую аналоговую часть устройства с ФНЧ всего 1-порядка с частотой среза в 100кГц выполненные на ОУ в инвертирующем включении с Ку=-2. ОУ применены AD8056, одни из нескольких ОУ пригодных для высококачественного звуковоспроизведения. Выход в устройства балансный(псевдо-) и не балансный, не балансный выход допустимо использовать исключительно временно когда недоступно балансное соединение из за существенного ухудшения звука системы при не балансном подключении компонентов.

ПП двухслойная размером всего 5*11см, трассировка выполнена максимально аккуратно с минимизацией излучающих дорожек и минимизацией контуров питания итд. Малые габариты устройства позволяют эффективно встраивать его в УМЗЧ и усилители для наушников тем самым минимизируя проблемы интерконнекта.
 
Спектр сигнала 1кГц -10дб на выходе устройства в полосе от 0 до 40МГц ниже, как можно видеть никаких наводок и помех от цифровой части устройства обнаружить не удалось, любые внеполосные составляющие лежат на уровне ниже -90дб (-97,5дб на 500кГц).
   
в полосе до 2Мгц и в полосе до 100кГц ниже
       
Semidigital FIR начинает работать от 50кГц и полностью подавляет внеполоску (вместе с аналоговым ФНЧ) от 80кГц и выше до уровня -90...-100дб. От 25кГц до 80кГц видно небольшие недофильтрированные остатки шума СДМ 5го порядка.

Допусимое постоянное напряжение на выходе устройства +-10мВ, в ином случае потребуется корректировка R40, R41.
Резисторы R43-R56 обязательно тонкопленка, конденсаторы C28-C32 обязательно NP0. 

Питание устройства постоянным током двухполярное +-10...14В, ток потребления всего 0,11А. Для питания устройства нужны обязательно секционированные Ш(Л) трансформаторы мощность 2,5-6Вт например TEZ2.5/D/12-12V, FS24-100.

Устройство имеет задержку включения выходного реле 8с и отключение реле при падении напряжения питания ниже +-8В. Возможно непосредственное управление реле с помощью сигнала REL open drain выходом, а также логическим сигналом в 3,3-5В уровнях если не запаивать резисторы R12, R14. Также присутствует светодиодная индикация ЧД (32-48кГц, 88,2/96кГц, 176,4/192кГц).

Выходное напряжение - 2,2Врмс
Выходное сопротивление - 100ом
Минимальное сопротивление нагрузки - 100ом

Драйвера для WinXP/Vista/7/8/8.1/10

Cписок деталей для данного ЦАПа

Схема БП

Звук данного цапа придет по душе любителям "ровного" звука без "Вау! эффектов" что требует определенной культуры у слушающего, а также систему довольно высокого уровня (несмотря на дешевизну данной конструкции ) которая для ~97% ДИЙеров просто недоступна, на зато цап будет "на вырост".

Данное устройство не несет коммерческой выгоды а спроектировано для получения качественного звука ДИЙерами при маленьких габаритах и маленькой цене. Для коммерческого успеха надо делать устройства из тех деталей что сейчас в моде и используя стереотипы данного времени.

Отзывы о устройстве:  1, 2,  3, 4, 5, 6, 7, 8, 9


Фото собранной ПП устройства ниже
           

Новая версия устройства - FIRDACmicro v2

[begemot]

С28-мне кажется ты очень большой оптимист

[nazar]

ты об чем?
Ц28 там(вместе с Р41, Р42) чтоб получить импеданс по неинвертирующему входу аналогичный инвертирующему ОУ для получения заявленых производителем ПСРР

[begemot]

Это понятно. Но я бы дополнительно локально расфильтровал перед тем как обеспечивать равенство импедансов.

[nazar]

Там питание хорошее и близко, а 1334 тихая, там нечего ловить :)
Но никто не воспрещает поставить вместо 150пФ 10мкф прикола ради, обновил схему.

[БендеровецЪ]

А для 192кспс и ДСД там внутри шота фильтрует и децимирует?

[wired]

охранный вырез около USB разъема в 1см

Может 1мм?

[wired]

а почему, кстати, не использовал половинку того-же транса для приема СПДИФ от USB части?
одним активньім елементом меньше.

[Jenko]

это там в углу напаян кирпичного цвета МЛТ 0,5Вт?:))))

[nazar]

А для 192кспс и ДСД там внутри шота фильтрует и децимирует?

децимируется тока ДСД http://s-audio.systems/catalog/dsd-filter

Может 1мм?

нет, не менее 1см

а почему, кстати, не использовал половинку того-же транса для приема СПДИФ от USB части?
одним активньім елементом меньше.

потому что транс сифонит много больше и потому что емкость межобмоточная у него много больше

это там в углу напаян кирпичного цвета МЛТ 0,5Вт?:))))

0,125Вт, это R22, первым нашелся именно МЛТ

[wired]

wired писал(а):Может 1мм?
нет, не менее 1см

можешь нарисовать? шота я не пойму как єто.

[nazar]

От любого края юсб разьема к металической панели должно быть по 1см чтоб не набрать лишней емкости

[wired]

ох йобтьіть, так тогой... а еси тонкий корпус?