Эта статья поможет тебе собрать свой первый — а может, уже не первый? — цифроаналоговый преобразователь. В твоем распоряжении будет несколько концептов, как классических, так и весьма радикальных. Выбирай сам, что тебе по душе. Будет пара вариантов даже для тех, кто не дружит с паяльником!

Однозначно правильного способа сборки цифроаналоговых преобразователей не существует, потому что нет общей парадигмы. Есть только наборы: подходов, методов, школ и философий — и все это, по сути, наборы стереотипов.

Я расскажу о своем личном опыте, но опишу лишь основные моменты. Я не буду касаться реализации питания, усилителей, акустики и так далее — это уже дело вкуса.

Если захочешь повторить эксперименты, обрати внимание на предупреждение.

WARNING

Автор и редакция не дают никаких гарантий и не несут ответственности за любой вред, причиненный во время попыток повторить описанное в статье. Все, что ты делаешь, ты делаешь на свой страх и риск! Хотя все схемы проверялись на практике, они намеренно упрощены и представляют собой пример для объяснения принципа работы, а не законченное изделие.

 

PCM DAC (ИКМ ЦАП)

Обычно звуковой тракт можно разделить на три части:

  • источник;
  • I2S-преобразователь (конвертер);
  • I2S ЦАП.
 

Источник

В качестве источника может выступать компьютер, планшет, телефон или микрокомпьютер вроде Raspberry Pi. В отдельных случаях источник и конвертер могут быть выполнены в одном устройстве — это проигрыватели с выходом I2S или микрокомпьютеры.

 

I2S-преобразователь (конвертер)

Преобразователи I2S могут подключаться к источнику с помощью разных интерфейсов: USB, S/PDIF, LAN. Есть еще вариации с Bluetooth, но нас они не интересуют, потому что высокого качества в такой системе не добиться. Скорость передачи данных Bluetooth очень мала, о Hi-Res (192 × 24, DSD) можно забыть сразу. Но даже при прослушивании MP3 (44,1 × 16), цифровой поток проходит через несколько цифровых фильтров, к тому же с обрезкой частоты звукового сигнала.

Кстати говоря, то же относится и к блютусным наушникам. Дело ухудшается тем, что в наушниках из-за малого размера сложно разместить полноценный ЦАП и питание к нему, поэтому, как правило, используют «урезанные» версии.

WWW

Подробно о передаче звука по Bluetooth ты можешь прочитать в статье «Аудио через Bluetooth: максимально подробно о профилях, кодеках и устройствах».

USB

Самый распространенный вариант преобразователей I2S — конвертеры USB — I2S.

Все просто: подключаем к порту USB источника, устанавливаем драйвер и при проигрывании на выходе I2S получаем поток данных PCM или DSD. В операционной системе конвертер определяется как звуковое устройство или звуковая карта. Предложений конвертеров USB — I2S огромное количество, те же AliExpress или eBay выдадут вам десятки вариантов по запросу usb to i2s.

S/PDIF

Множество коммерческих — проприетарных — ЦАП подключаются через разъем S/PDIF.

Не так давно S/PDIF был популярным интерфейсом и встречался почти в каждой звуковой карте, даже в самых дешевых, встроенных в материнские платы ПК. Но не все знают, что почти всегда S/PDIF — это промежуточное звено и используется чаще в роли транспорта. Либо у источника, либо у ЦАП в большинстве случаев S/PDIF подключен через I2S. Другими словами, сигнал передается не напрямую, а вначале конвертируется из I2S в S/PDIF, а потом обратно.

Не берусь называть конкретные цифры, но считается, что потери при конвертации и передаче имеются. Кроме того, у S/PDIF есть и другие недостатки — скорость передачи и стоимость. Самые дешевые DIY-устройства USB to S/PDIF стоят около 4000 рублей, а передавать по ним возможно максимум PCM 192 × 24 или DSD64 через DOP.

Таким образом, использовать S/PDIF нецелесообразно, если есть другие варианты.

LAN

Теперь рассмотрим подключение I2S-конвертера по LAN (локальной сети). Для этого используются специальные программные плееры: Squeezelite, HQPlayer, Roon и другие. Они устанавливаются на основной компьютер, который выступает в роли передатчика (источника). При воспроизведении выполняется распаковка, декодирование и, если требуется, обработка цифрового потока. Далее цифровой аудиопоток через определенный сетевой протокол передается на приемник — чаще всего микрокомпьютер. Далее микрокомпьютер либо сам конвертирует полученный поток в I2S, либо передает поток на конвертер, подключенный к нему по USB. Существуют и самодельные решения, основанные, например, на микрокомпьютерах BeagleBone black или Raspberry Pi, и серийные решения различных производителей.

Часто встречаются устройства, которые объединяют в себе одновременно источник и конвертер, конвертер и ЦАП или сразу все в одном устройстве.

 

I2S ЦАП

Цифроаналоговых преобразователей с входом I2S огромное количество. Мы не будем рассматривать полностью собранные серийные ЦАП; нас больше интересуют самоделки. Самый простой и дешевый способ послушать тот или иной ЦАП — купить готовую самодельную плату с ЦАП. Можно поискать ЦАП без питания и предусиления, если захочешь допилить самостоятельно. Для первого раза можно взять что-нибудь простенькое и дешевое, как плата на чипе PCM5102A на фото.

Самодельная плата на чипе PCM5102A компании Texas Instruments
Самодельная плата на чипе PCM5102A компании Texas Instruments

В качестве конвертера в моем случае будет Amanero компании Amanero Technologies.

Все необходимое для PCM5102A можно подать прямо с конвертера: питание — VIN соединить с контактом 3,3 В, землю GNG c землей конвертера GND, LCK c контактом FSCLK конвертера, DIN c DATA, BCK c BCLK. А вот SCK и MCLK в PCM5102A соединять не обязательно, он сможет работать и без дополнительной синхронизации. Но для повышения точности, если есть такая возможность, MCLK лучше все же подключать. Аналогичным образом этот ЦАП можно подсоединить и к Raspberry Pi.

Как видишь, все просто и специальных знаний не требуется! Подобным образом к I2S можно подключить и другие цифроаналоговые преобразователи. Для воспроизведения через USB подойдут практически любые плееры. На Raspberry Pi новичкам можно посоветовать Volumio, а более продвинутым слушателям сборку с Album Player.

Для начинающих этой информации хватит, особенно для первого раза. Для тех же, кто не боится трудностей, продолжу повествование, уровень сложности будет возрастать.

 

DSD ЦАП

Изучим на практике способы передачи и воспроизведения DSD.

Обычно поток данных DSD в самодельных устройствах передается от источника к цифроаналоговому преобразователю через I2S-конвертер. Далеко не все конвертеры поддерживают DSD, поэтому перед покупкой обязательно нужно удостовериться, что в спецификациях указана поддержка DSD. Самые дешевые конвертеры USB to I2S с поддержкой DSD — это преобразователи Amanero или их копии, а также конвертеры с применением процессоров XMOS.

Нужно учесть, что не все плееры поддерживают воспроизведение DSD и не все драйверы в состоянии передать чистый DSD (DSD native), даже если плеер на это способен. Ограничение драйвера можно преодолеть, используя DOP (DSD over PCM), соответственно, плеер тоже должен иметь возможность преобразования DSD в DOP.

В случае Amanero и XMOS поток DSD передается к ЦАП по тем же выходам I2S: DATA передает данные правого канала, LRCK — данные левого, а BCLK — битовую синхронизацию этих данных.

Воспроизвести поток DSD можно разными способами, стоит выделить три:

  • проприетарные ЦАП;
  • через ФНЧ;
  • самодельные ЦАП.
 

Проприетарный ЦАП

Большинство коммерческих ЦАП, которые поддерживают воспроизведение DSD, принимают и PCM, и DSD через один и тот же разъем I2S. В этом случае достаточно подключить контакты конвертера и ЦАП способом, описанным выше, и переключение между PCM и DSD будет работать автоматически. Бывают отдельные входы для DSD, но это реализовано для раздельного подключения устройств, использовать их в большинстве случаев не обязательно.

 

Воспроизведение через ФНЧ

Этот способ подкупает своей простотой и, кстати, неплохим звучанием. Суть его, как понятно из названия, заключается в воспроизведении DSD напрямую через фильтр нижних частот, без использования какого-либо цифроаналогового преобразователя. Когда я узнал об этом способе впервые, отнесся скептически, но оказалось, что звучит такой вариант лучше, чем все ЦАП, которые я слушал до этого. Не хочу никого убеждать, но сам я теперь вряд ли вернусь к проприетарным цифроаналоговым преобразователям.

Единственная проблема: контента, доступного в DSD, значительно меньше, чем в Audio CD. Но тут нас спасет конвертация PCM в DSD — она может выполняться как заранее, перед прослушиванием, так и в реальном времени. Делать это можно на ПК или мобильных девайсах с iOS и Android, а в качестве передатчика будет выступать I2S-конвертер.

Принцип работы

В формате DSD используется плотностно-импульсная модуляция, на выходе I2S рядом стоящие положительные импульсы (логические единицы) складываются в один продолжительный по времени импульс, и напряжение растет. Отсутствие положительных импульсов приводит к падению напряжения.

Поток логических единиц и нулей последовательный, так что, если подключить выход одного из каналов DSD к фильтру нижних частот и убрать постоянную составляющую, можно получить модулированный сигнал, который, в свою очередь, можно подать на вход усилителя. Подобным образом преобразовывали цифровой поток в аналоговый сигнал однобитные сигма-дельта-цифроаналоговые преобразователи.

Выбор фильтра

В качестве фильтра нижних частот может выступать простая RС- или RL-цепь, а для удаления постоянной составляющей сигнала достаточно обычного конденсатора.

Рассчитать такие фильтры просто. RC (сопротивление, емкость) рассчитывается по формуле fc = 1/2πRC, RL (сопротивление, индуктивность) — по формуле fc = R/2πL, где fc — частота среза фильтра, ее лучше выбирать в диапазоне от 25 до 50 кГц.

Для удобства можно использовать онлайновый калькулятор.

Емкость конденсатора (на схеме справа) для удаления постоянной составляющей рассчитывается как RC ФВЧ — фильтр верхних частот.

По формуле fc = 1/2πRC, где в качестве сопротивления выступает переменный резистор на входе усилителя (предусилителя). Соответственно, R будет равно номинальному сопротивлению этого резистора. Емкость конденсатора нужно выбрать такую, чтобы частота среза не превышала 30 Гц. Можно также воспользоваться специальным калькулятором.

Важный момент: для нормального воспроизведения необходим фильтр с хорошей крутизной среза, иначе высокочастотные составляющие сигнала могут привести к интермодуляционным искажениям и перегрузке усилителя (предусилителя). Для увеличения крутизны среза используют фильтры нескольких порядков.

Выбор порядка фильтра и частоты среза будет во многом зависеть от усилителя (предусилителя). Например, для многих транзисторных усилителей ФНЧ первого порядка будет недостаточно, и это приведет к шумам и искажениям. А для ламповых усилителей ФНЧ первого порядка может быть вполне достаточно.

В выборе фильтра важно, как усилитель реагирует на высокие частоты. Определить это можно, меняя порядок фильтра и частоту среза. Необходимо будет искать компромисс между «звучанием» и уровнем искажений. При срезе ФНЧ ниже 20 кГц сильно ухудшается качество звучания, при слишком высоком срезе может появиться шум или эффекты перегрузки. На каких-то усилителях достаточно будет фильтра первого порядка и частоты среза в 40–50 кГц, а на других придется использовать ФНЧ второго-третьего порядка и понижать частоту среза до 25 кГц. Чем ниже частота среза ФНЧ, тем больше влияния на сигнал он оказывает, потому что уровень сигнала падает постепенно, затрагивая и другие частоты еще до выбранной частоты среза. Подробнее можно прочитать в работе по ФНЧ.

 

DIY ЦАП

Наконец мы добрались до собственноручной сборки ЦАП с минимальными затратами. Концепции будут расположены от самого простого варианта к более сложному.

Продолжение доступно только участникам

Материалы из последних выпусков становятся доступны по отдельности только через два месяца после публикации. Чтобы продолжить чтение, необходимо стать участником сообщества «Xakep.ru».

Присоединяйся к сообществу «Xakep.ru»!

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее

2 комментария

  1. Аватар

    dima_gv

    19.08.2020 в 13:54

    статья жесть. все сразу в одном месте.
    побольше бы таких статей!

Оставить мнение