Цифро-аналоговый преобразователь для аудио-системы «ЦАПцарап»

Описывается построение очень дешевого цифро-аналогового преобразователя на основе PCM1754 и CS8416 с оптическим и цифровым входами.

Наверное, у каждого аудиофила наступает этап, когда он понимает, что ему нужен ЦАП. И тут возникает вопрос – купить готовый или сваять самому? Как правило, хорошие заводские изделия стоят непомерных для радиолюбителя денег. Но есть очень дешевые Китайские поделки за 25-30$, только вот, что там внутри? С другой стороны, за эти деньги можно собрать неплохой ЦАП самому. Но ту все совсем не гладко – готовых для повторения схем практически нет, а для того, что есть трудно найти нужные детали. Поэтому я решил строить свой ЦАП самостоятельно из того что нашлось в сокровищнице радиолюбителя.

Часть 1. Теоретическая.

Для начала нужно определиться с основой ЦАПа – микросхемой, которая будет определять не только его характеристики, но и цену. Копаясь у себя в сокровищнице, нашел небрежно выдранный кусок платы с чудом сохранившейся на нем PCM1754 в корпусе SSOP-16. М-да! Придется постараться. Но это определило мой выбор. Сам по себе данный ЦАП беспомощный потому, что не понимает стандарт S/PDIF, т.е. сигнал для него нужно «приготовить». Это делают специальные микросхемы-декодеры типа популярной DIR9001. Но вот ее цена для начинающего и сомневающегося в успехе ЦАПостроителя великовата. Выход нашелся неожиданно, на сайте, не посвященном ЦАПстрою – микросхема CS8416. Стоит в три раза дешевле DIR9001 и может работать без микроконтроллера. Для ЦАПа начального уровня вполне хватит.

PCM1754

Итак, для того чтобы понять, как все это работает, первым делом подробно рисуем схему постепенно вникая в суть ее компонентов. Ниже приведена схема первоначального варианта ЦАПа, но ее повторять не нужно — читаем статью до конца. Схема нарисована в DipTrace, но у флешки начались провалы в памяти и исходник был безвозвратно потерян, поэтому остался только восстановленный карандашом скан.

Схема оригинал

Условно схема делится на четыре части – декодер с входами, собственно ЦАП, аналоговая выходная часть и блок питания. Цифровой сигнал S/PDIF от источника гальванически развязан через согласующий трансформатор и подается на вход RXP0 декодера. Оптический цифровой сигнал с приемника TOSLINK подается на вход RXP1. Оставшиеся входы RXP2 и RXP3 зарезервированы и чтобы не наводили помех, джамперами замкнуты на землю. При необходимости их тоже можно использовать. Большое количество джамперов нужно для организации «хардварного» управления декодером, т.е без применения микроконтроллера. Можно обойтись и без них, но т.к. я начинающий ЦАПостроитель хотелось поиграться с настройками, попробовать понять, пощупать «как оно». Тип оптического приемника для цифрового сигнала принципиального значения не имеет, но важно учесть, что они бывают передающие и принимающие. Например, для приема сигнала я применил HKRX178D, а его «брат» передатчик HKTX179В.

Схема сброса декодера сделана «по простому», без супервизора – подтяжкой вывода RST к плюсу питания. Задержку старта обеспечивает конденсатор. К выходу ошибки NV/RERR декодера подключен вход MUTE ЦАПа и светодиод. Таким образом, при возникновении проблем с кабелем загорается светодиод ERROR и аналоговая часть ЦАПа должна затыкаться, не воспроизводя искажения. У ЦАПа тоже есть пара перемычек-джамперов, в остальном эта часть схемы унизительно скромна. Соединение цифровой и аналоговой земель происходит на этом участке схемы. Как я понял, правильная разводка «земель» и «питаний» это большая часть успеха потому, ошибившись или сэкономив можно свести на нет все достоинства цифрового звучания.

После ЦАПа стоит насоветованный одним форумчанином НЧ фильтр с частотой среза около 50кГц, отфильтровывающий все, что выше предела слышимости человеческого уха. Ну, тут то, уже знакомые закорючки на схеме. В архиве есть симулятор для Mulitisim 13 для того, что бы понять, как он работает и настроить под себя. Операционник питается от однополярного источника питания с искусственной средней точкой. Его я применил не совсем «цифровой», как любимый всеми 823-й, но он вполне достоин быть в ЦАПе начального уровня и неплохо справляется с своими обязанностями. Если верить букварю — uPC4570 это такой улучшенный аналог популярного 4558, но с более быстрый. Дополнительного усилителя в схеме ЦАПа не предусмотрено по причине того, что он уже есть в усилителе мощности.

Собственный блок питания является неотъемлемой частью ЦАПа потому, что должен обеспечивать несколько разных, не связанных между собой, напряжений. Мой БП выполнен на понижающем трансформаторе малой мощности с двумя раздельными обмотками для аналогового и цифрового питания. Нужные напряжения получаются при помощи линейных стабилизаторов. Земли соответственно тоже раздельные.

DSCN5927

DSCN5926

Самый мощный из подключенных трассировщиков в DipTrace, увидев такую схему, во всю силу напряг процессор, а через 1,5 часа окончательно повесил компьютер. Пришлось опять все брать в свои руки. Не понимаю, как в нем разводят еще большие схемы, наверное, неделями ждут. «Благодаря» супермелкосхемам декодера и ЦАПа дороги пришлось делать тонкие, иначе к ним не подлезть. Для уменьшения количества межслойных перемычек используются выводы компонентов.

Верх

Низ

DSCN5888

DSCN5928

DSCN5929

DSCN5930

DSCN5932

DSCN5934

Конденсаторы и резисторы, в данный девайс, я впаял какие были, не уделяя особого внимания критике самоучек-ЦАПостроителей, теоретиков раздающих советы на тематических форумах. В архиве есть смета первоначального варианта ЦАПа. Я вообще не старался с первого раза сделать все идеально правильно, поэтому критика на счет припаянного в не то место конденсатора не принимается. Не стану спорить о правильности всех схемотехнических решений – в первом варианте устройства такого уровня сложности самостоятельному разработчику трудно все учесть. Но ЦАП получился и поет вполне достойно. Полная стоимость деталей по смете составила почти 2000р., но учитывая, что большую часть я выпаял из старого «телека», ЦАП мне обошелся не дороже 500р.

Часть 2. Практическая.

В результате работы над ЦАПом, после его настройки и доводки окончательный вариант схемы стал иметь вид как на рисунке ниже. Изменения выделены красным, эту схему можно повторять — она 100% рабочая.

СХЕМА исправленная

Большое кол-во джамперов оказалось совершенно ненужно потому, что вариантов стыковки ЦАПа и декодера нет, кроме единственного правильного. При любом другом варианте они друг друга просто не понимают. Поэтому я их перемкнул каплей припоя навсегда. Теперь ЦАПа и декодер общаются между собой в формате 24-bit, I2S на частоте 256*Fs. Функция Emphasis отключена в обоих микросхемах.

В блоке питания пришлось заменить стабилизатор 78L05 на более мощный 7805 с небольшим радиатором, т.к. несмотря на то, что допустимый ток стабилизации не был превышен, он грелся. Не выше допустимого предела, но решил не рисковать т.к. сгорев стабилизатор бы делов наделал. По необъяснимой причине залитый MSTATOR сильно затрещал, как ламповый телевизор — пришлось его заменить. Еще увеличил емкость конденсатора на ноге сброса CS8416 (выв. RST. нога 9), а то декодер начинал работать раньше чем успевал включиться и зависал.

DSCN6025

В данном варианте схемы не проверялся вход S/PDIF  потому, что нет источника сигнала. По этой же причине не проводились измерения параметров готового устройства, поэтому судить о уровне искажений можно только теоретически.

Схема аналоговой части рекомендованная «опытным» форумчанином оказалась не рабочая (сильно искажала сигнал), поэтому заменил ее на ту, что рекомендует букварь. Вообще, меня порой удивляет способность некоторых людей хаять правила подключения рекомендованные изготовителем. Повторил схему в точности как в букваре, естественно подобрав необходимые номиналы для получения нужного уровня и АЧХ сигнала. Основная особенность данного схемотехнического решения в том, что несмотря на однополярное питание ОУ, нет делителя напряжения для получения средней точки питания — для этого используется вывод VCOM ЦАПа (нога 10 микросхемы PCM1754). Новую схему спаял на месте старой, что бы не переделывать плату. Вообще печатная плата должна сильно измениться, но переделывать не стал потому, что на горизонте замаячил новый ЦАП. В архиве первоначальный вариант, кому надо исправляйте сами.

DSCN5936

DSCN5937

Единственная не решенная проблема это режим MUTE в микросхеме PCM1754. Дело в том, что на самом деле все работает как положено, но в режиме MUTE ЦАП выдает в линию сильное шипение. Как выяснилось это такая особенность микросхемы PCM1754. «MUTEирование» входа или выхода аналоговой части транзисторным ключем работает хорошо, но сильно щелкает в колонках, что еще более недопустимо, чем шипение. Наиболее подходящий вариант переключения аналоговой части при помощи реле. Но наигравшись с разными вариантами я бросил это бесполезное занятие и оставил все как есть в надежде, что это мой не последний ЦАП.

DSCN5964

Отдельно хочу поблагодарить участника форума VegaLab — Ромыч спасибо за советы. Здесь можно почитать ветку форума для чайников: «Помогите чайнику с PCM1754«

Часть 3. Итог.

Как я уже писал выше, благодаря моей способности выколупывать старье из ненужной электротехники, ЦАП обошелся мне  дешевле Китайской поделки. Но даже его полная стоимость даст фору аналогичным решениям.

Первое, что «бросилось в уши» при прослушивании это прозрачность звучания. Возникает ощущение, что исполнители находятся от тебя на разном расстоянии, как на концерте. Еще очень резко выражен стереоэффект — четко слышно разделение звука по каналам.

Ну и напоследок не совсем приглядное фото цапцарапыча:

фото кота для цапрапа