Данный проект является, наверное, моим самым длинным долгостроем. Началось его обдумывание и разработка, кажется, в 2010 году. Если мне не изменяет память, то можно найти мои посты в теме "Делаем ЦАП" на форуме "Паяльник" где-то в районе 30-50 страниц. Я начал его делать когда еще плохо разбирался в электронике, поэтому и набил немного шишек. В то время было сложно и дорого заказать печатные платы, приходилось пользоваться непонятными сервисами и услугами частных лиц... Впрочем, обо всем по порядку.
2011 г.
Первая версия трассировалась еще в Sprint Layout на выводных компонентах в две стороны и под ЛУТ. Какой ужас... Я планировал сделать три входа - оптический и коаксиальный S/PDIF и USB на микросхеме PCM2704. Аналоговый выход был умощнен каскадом из предусилителя Вадима Могильного (waso):
Второй вариант платы был урезанным - из трех входов я оставил только один коаксиальный S/PDIF.
Впрочем, ни первому, ни второму варианту не пришлось состояться. По совету участника форума Алексея (Lexus) я начал разводить плату на SMD. С компонентами поверхностного монтажа мне только еще престояло познакомиться, поэтому я выбрал не самый мелкий типоразмер 0805.
Новую версию платы я стал разводить в Altium Designer, попутно его изучая и рисуя себе необходимые библиотеки компонентов. Долго вылизывал изгиб каждой дорожки и получил такой вариант:
Заказ платы планировалось делать на заводе, и для этих целей я нашел сервис pcb4u.ru. Он создавался некими энтузиастами для совместного заказа плат в Китае. Получив свою версию платы, я закупил гору деталей и занялся сборкой.
К сожалению, собственные библиотеки компонентов сыграли со мной злую шутку - по неопытности я перепутал входы у операционных усилителей и ноги у стабилизаторов в питании.
Но тем не менее, после исправления всех ошибок ЦАП заработал! Но мой внутренний перфекционист не мог смотреть на тот ужас, который творился на плате, и я отложил ее до лучших времен. К тому же дешево заказать новую плату мне было негде.
2015 г.
Несколько лет спустя я решил все-таки исправить плату и заказал новую у одного знакомого из Украины. Он их делал, как я понял, "на коленке", но, что самое главное, с металлизацией и маской. Она успешно запустилась и работала.
Но в данной плате все равно есть некоторые недочеты. Во-первых, жутко грелись стабилизаторы питания ОУ, во-вторых, вариант преобразователя ток-напряжения был не оптимальным по схемотехнике - из-за большого выходного тока ЦАПа ОУ выходили из малосигнального режима, что вело к росту искажений, ну и в-третьих - я осознал, что не нужен мне вход S/PDIF.
Третья проблема решилась достаточно просто - был собран источник I2S на основе PCM2707 и я подключил его в обход приемника S/PDIF сигнала. Получился такой макет:
Решением второй проблемы я занялся позже и переделал аналоговую часть - взял схему от ЦАПа Black Kitty. Там ОУ преобразователя ток-напряжения разгружены при помощи эмиттерных повторителей. Оформил это в виде отдельной платки.
В таком виде это и просуществовало до лета 2017-го. Появилось некоторое количество свободного времени и во время очередного прослушивания музыки возникло непреодолимое желание собрать это все в одну кучу на одной плате, чтобы поставить некую точку в этом ЦАПе.
25 августа 2017 г.
Схема претерпела некоторые изменения, в основном в питании. Также важной особенностью стало внедрение гальванической развязки шины I2S на ADuM1400C. На макете на выходе в одном канале присутствует неприятная "постоянка" около 20 мВ, а, стоящие в ФНЧ ОУ LME49990, не поддерживают корректировку нуля. Поэтому в новой схеме ввел для этих целей подстроечник и хотел поставить LT1122, но не смог достать их по адекватной цене и поставил OP42. Все управляющие цепи PCM-ки вывел на отдельный разъем - можно конфигурировать как джамперами, так и какой-то логикой. Аналоговый выход пустил через реле, чтобы была возможность приглушать выход. В питании применял те стабилизаторы, что имелись в наличии. Чтобы конструкция стала законченной, на плату поставил и трансформаторы.
За выходные развел плату, размер которой получился 160 на 90 мм.
ОУ в преобразователе ток-напряжения на макете грелись до 70 градусов (судя по расчетам, это для них норма), поэтому на новой плате сделал под ними заливку с переходными отверстиями на верхний слой и убрал маску. Хоть какое-то охлаждение будет. Точно так же сделано под стабилизаторами ADP3303, но в отличие от ОУ, как я понял из документации, у них хитрая запатентованная внутренняя конструкция, распределяющая равномерно тепло по всему корпусу.
Кроме этого, коллекторам транзисторов добавил небольшие полигончики для лучшего отвода и рассеивания тепла.
Да, и куда ж ЦАП без названия :) Решил окрестить его Меркурием - такой же жаркий.
Впервые попробовал сделать заказ в Seeedstudio. При производстве китайцы плоховато пропечатали маркировку, но в целом качество неплохое.
Далее последовала сборка. Не очень понравилось паять плату с черной маской - все детали черные, теряются на черном фоне, как-то некомфортно. Сама маска очень классная, достаточно прочная, не отваливается кусками при пайке.
Как всегда не обошлось без некоторых ошибок - оказалось, что забыл добавить на плату керамику на выходы стабилизаторов, допаял навесом, и ох уж эти реле... похоже, что миниатюрные они все имеют полярность, которую я успешно перепутал. Также спалил одну ADuM-ку, случайно сделав шлейф зеркально, в результате чего у развязки на приемной стороне возникла переполюсовка питания, ADuM-ка перегрелась и больше так и не запустилась... Но, пережив все это, плата завелась и порадовала музыкой на своих выходах.
Также нужно сказать пару слов о тепловых режимах. Кроме ОУ преобразователей ток-напряжение, достаточно сильно греются стабилизаторы веток питания +/-12V_A и +9V_А и трансформатор питания ОУ. Но все в пределах нормы - не более 60 градусов.
Вот на таком макете он и стал у меня жить. Теперь я был очень доволен получившейся конструкцией. Звучание ЦАПа ровное, приятное, на оркестровых записях масштабное, т.е. в целом очень качественное.
23 ноября 2017 г.
Экспериментировал с конденсаторами в цепи ОС преобразователя ток-напряжение (C42..C45).
С номиналом 220 пФ много гармоник в спектре, и при увеличении емкости становится только хуже. При уменьшении до 20-30 пФ все становится хорошо. Оставил 22 пФ.
C32..35 можно ставить больше чем на схеме - емкость в 1 нФ вполне нормальна.
Также ток покоя эмиттерных повторителей получился маловат, поэтому уменьшением номиналов резисторов R36..R39 его надо поднять до 14-15 мА. Я поставил 36 Ом, ТП получился 14,8 мА. "Лес" в спектре, который был изначально в правом канале, пропал. Но в правом канале все равно осталась повышенная 2-я гармоника. Почему - непонятно, но предположительно, что в ФНЧ нужно подбирать R и C, чтобы составляющие дифференциального сигнала складывались как можно точнее для компенсации гармоник.
-6 дБ (левый, правый)
-20 дБ (левый, правый)
17 января 2018 г.
Оставить плату со всеми ее недочетами я не мог, поэтому по горячим следам исправил ошибки и выпустил 5 ревизию платы.
Изменений получилось немало:
Описание сигналов разъема CTRL
Для PCM1794/98:
Управление аппаратное при помощи установки нужных перемычек, либо программное, а номинал R30-R33 200 Ом.
RST - сигнал сброса ЦАП, инверсный.
F0 - ZERO, сигнал отсутствия сигнала на входе, устанавливается в высокий уровень при обнаружении во входном сигнале 1024 подряд идущих нулевых отсчетов, при этом R2 на плату не устанавливается.
F1 - FMT1, выбор формата входного сигнала, по умолчанию - I2S, низкий уровень (установлена перемычка).
F2 - FMT0, выбор формата входного сигнала, по умолчанию - I2S, низкий уровень (установлена перемычка).
F3 - MUTE, включение режима приглушения, по умолчанию - нормальный режим, низкий уровень (установлена перемычка).
F4 - DEEMP, включение функции de-emphasis, по умолчанию - функция отключена, низкий уровень (установлена перемычка).
F5 - CHSL, выбор формы огибающей встроенного цифрового фильтра, по умолчанию - крутой (sharp), низкий уровень (установлена перемычка), альтернативный вариант - плавный (slow), высокий уровень (перемычка отсутствует).
F6 - MONO, переключение ЦАПа в моно-режим, в данной конструкции эта функция должна быть отключена - сигнал должен быть низкого уровня (установлена перемычка).
OE - OUTPUT ENABLE, включение аналогового выхода, высокий уровень - включен (установлена перемычка), низкий уровень - выключен (перемычка отсутствует).
SR - SAMPLE RATE, сигнал LRCK шины I2S, который показывает актуальную частоту дискретизации.
EXT MCLK - EXTERNAL MCLK, вход внешнего сигнала MCLK.
Для PCM1792/95/96:
Управление только программное, номинал R30-R33 390 Ом.
RST - сигнал сброса ЦАП, инверсный.
F0 - MDO, для SPI - сигнал MISO, для I2C - сигнал данных SDA.
F1 - MC, для SPI - тактовый сигнал SCK, для I2C - тактовый сигнал SCL.
F2 - MDI, для SPI - сигнал MOSI, для I2C - сигнал выбора адреса ADR1.
F3 - nMS, для SPI - сигнал nCS, для I2C - сигнал выбора адреса ADR0.
F4 - MSEL, выбор интерфейса управления м/с ЦАП, низкий уровень - SPI, высокий уровень - I2C.
F5 - ZEROR, сигнал отсутствия сигнала на входе в правом канале, устанавливается в высокий уровень при обнаружении во входном сигнале 1024 подряд идущих нулевых отсчетов в правом канале, при этом R7 на плату не устанавливается.
F6 - ZEROL, сигнал отсутствия сигнала на входе в левом канале, устанавливается в высокий уровень при обнаружении во входном сигнале 1024 подряд идущих нулевых отсчетов в левом канале, при этом R8 на плату не устанавливается.
OE - OUTPUT ENABLE, включение аналогового выхода, высокий уровень - включен (установлена перемычка), низкий уровень - выключен (перемычка отсутствует).
SR - SAMPLE RATE, сигнал LRCK шины I2S, который показывает актуальную частоту дискретизации.
EXT MCLK - EXTERNAL MCLK, вход внешнего сигнала MCLK.
ADuM1400 при подаче MCLK с отдельного генератора должна быть заменена на ADuM1401. Таким образом, плата получилась универсальной и поддерживает установку любой микросхемы серии PCM179x с токовым выходом.
Проведенные сравнительные измерения двух экземпляров ЦАПа на м/с PCM1794 (вых. ток 7,8 mAp-p) и PCM1796 (вых. ток 4,0 mAp-p) показали, что лучший результат THD и IMD дает ЦАП с меньшим выходным током.
THD (1 кГц, 0 дБ) - не хуже 0,0003 %
IMD (60 Гц + 7 кГц) + шум - не хуже 0,0022 %
Уровень выходного сигнала 0 дБ - 3,12 Vp-p
0 дБ (левый, правый), 48 кГц:
-6 дБ (левый, правый), 48 кГц:
Два тона 250 Гц и 8 кГц (амплитуды 4:1), -3 дБ (левый, правый):
Тест джиттера (левый, правый):
20 января 2019 г.
Спустя год я снова вернулся к плате. Я разработал дополнительный модуль с генераторами для ЦАПа, чтобы была возможность использования его в ведущем (master) режиме с подключением, например, к Amanero в ведомом режиме (slave). Поэтому была добавлена поддержка сигнала переключения генераторов (сигнал F0 у Amanero/Combo384). Его нужно завести на 2 вывод входного разъема (44/n48). Также футпринт под трансформаторы сделал универсальным для серий ТП и TEZ.
Добавил информацию о контактах разъема CTRL прямо на плату. Его окончательный вид такой:
Пересобрал свой экземпляр на новой плате и снова снял спектры. Там по прежнему все отлично, а сетевых наводок даже меньше. Ниже приведены результаты измерений в RMAA - THD, IMD, Frequency responce, Noise level при выходном уровне -1dB. THD = 0,00026%, IMD = 0,00273%, SNR = -101,4dB.
При установке дополнительного модуля с генераторами добавится поддержка обратного тактирования с автоматическим переключением генераторов.
17 апреля 2021 г.
Все время разработки ЦАП существовал в виде макета на фанерке. Было много разных мыслей по поводу корпуса.. и за этими мыслями прошли годы :D И вот в начале 2021 года я присмотрел один китайский корпус и принял решение купить его и поселить ЦАП туда. Искал именно с отверстиями, так как ЦАП во время работы довольно горяч:
Качество изготовления очень неплохое, все детали хорошо подогнаны друг к другу. Очень легко и удобно разбирается.
Далее я начал прорабатывать компоновку и думать о том, как управлять ЦАПом - то есть что будет на передней панели. Вот так я решил расположить имеющиеся платы, слева за трансформаторами ЦАПа решил поставить сетевой фильтр, который давно лежал без дела:
Включать ЦАП мне хотелось простой тактильной кнопкой, поэтому необходимо было сделать систему дежурного питания и поставить микроконтроллер. Также, т.к. звуковой интерфейс в виде Combo384 имеет выходы, сигнализирующие о текущей частоте дискретизации, я решил их использовать и вывести информацию о частоте на световой индикатор. Для этих целей был взят имеющийся у меня HCMS-2915.
Определившись с элементами передней и задней панелей я принялся за проработку их дизайна. Если с задней панелью все понятно, то для передней было придумано несколько вариантов и утвердил я такую простую и лаконичную, на мой вкус, версию:
Теперь можно было приступить к разработке печатной платы передней панели, где должны находиться трансформатор дежурного питания, реле, подающее питание на ЦАП и микроконтроллер с дисплеем, светодиодом и кнопкой.
Посидев пару вечеров, разработал такую плату:
Попутно разработал адаптер для разъема Combo384, т.к. нужно было вывести сигналы частоты дискретизации:
Заказал фрезеровку панелей, оргстекла и нанесение маркировки. Попутно пришлось напечатать пару деталей крепления платы. Узел передней панели в сборе и процесс сборки:
Конечный результат того, что получилось, можно увидеть на фото:
На фото ниже показано как выглядит передняя панель ЦАПа в дежурном режиме, в режиме воспроизведения и без подключения к компьютеру:
Еще немного фото:
Кажется, я таки поставил точку с этим ЦАПом :)
Файлы платы ЦАП:
Скачать проект Altium Designer (ZIP) | Скачать Gerber-файлы (ZIP)
Ниже представлены дополнительные материалы, касающиеся данного ЦАПа.
Для переключения генераторов разных сеток частот на входной разъем I2S следует подать управляющий сигнал на 2 вывод. Лог. 0 соответствует сетке x48, лог. 1 - сетке x44. Далее после гальванической развязки он попадает на разъем CTRL.
Поэтому был разработан модуль, который содержит пару генераторов на обе сетки частот мастерклока и управляющий микроконтроллер ATtiny24/44/84.
Схема модуля имеет вид:
Логика работы программы до безобразия проста. После инициализации контроллера производится инициализация ЦАПа (опционально), включается один из генераторов в зависимости от сигнала SEL_OSC (Select of Oscillator). Далее МК переключается в режим сна с отключением всех источников тактирования (режим Power-Down). При изменении уровня сигнала SEL_OSC МК пробуждается, приглушает выход ЦАПа путем записи соответствующего бита в его регистр по SPI (бит MUTE регистра 18 PCM1796), переключает генератор и возвращает нормальный режима работы ЦАПа. После этого МК снова уходит в сон до очередной смены уровня сигнала управления генераторами.
Объем программы не занимает и 512 байт.
Файлы модуля генераторов:
Скачать Gerber-файлы (ZIP) | Скачать прошивку (HEX)
Скачать проект Altium Designer (ZIP) | Скачать проект Atmel Studio (ZIP)
Конфигурационные биты (fuses) следует установить в следующие значения:
SELFPRGEN = [ ]
RSTDISBL = [ ]
DWEN = [ ]
SPIEN = [X]
WDTON = [ ]
EESAVE = [X]
BODLEVEL = 4V3
CKDIV8 = [ ]
CKOUT = [ ]
SUT_CKSEL = INTRCOSC_8MHZ_6CK_14CK_0MS
EXTENDED = 0xFF (valid)
HIGH = 0xD4 (valid)
LOW = 0xC2 (valid)
У Amanero нумерация разъема нестандартная - вдоль длинной стороны разъема:
У ЦАПа нумерация контактов в разъеме следующая:
Подключение выполняется по следующей схеме:
Mercury Combo384
1 - BCLK --------------------- CLK - 4
2 - OSC_SEL --- (optional) ---- F0 - 17
3 - SDATA ------------------- DATA - 3
4 - GND ---------------------- GND - 13
5 - LRCK ------------------- FSCLK - 5
6 - GND ---------------------- GND - 14
7 - MCLK -------------------- MCLK - 6
8 - GND ---------------------- GND - 15
9 - PWR ---------------------- 3V3 - 10
10 - MUTE -------------------- MUTE - 11
Файлы адаптера для подключения ЦАПа к Combo384 (Amanero):
Скачать проект Altium Designer (ZIP) | Скачать Gerber-файлы (ZIP)