Аудио ЦАП AK4495seq своими руками.⁠⁠

Сегодня я продолжу рассказывать о своем хобби - сборке различных аудио устройств.

Технические характеристики:

Диапазон воспроизводимых частот 20Гц - 20кГц. - зависит от частоты дискретизации воспроизводимого файла.

Уровень собственных шумов -110дБ

Динамический диапазон 110 дБ

Коэффициент гармонических искажений 0.0004%

Взаимное проникновение каналов -105дБ

Интермодуляционные искажения 0,0017%

По сложившейся здесь традиции, сразу публикую фото готового устройства, а уже потом процесс его создания:

Сегодня я наконец готов рассказать о том, как я собираю цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Тот, о котором дальше пойдет речь уже третий по счету. Первый - был для меня настоящим вызовом. Я даже сам не представлял как я справлюсь с такой задачей. Теперь же спустя несколько лет, я уже не вижу в этом особых сложностей. Поэтому, если кто-то еще так же как и я вдохновляется хорошей музыкой и кому хочется самому собрать для себя цап наивысшего качества по вполне бюджетной цене - присаживайтесь по-удобнее.

Первый в своей жизни ЦАП на микросхеме AK4495seq я собрал для своего друга, т.к. он не мог найти достойного качества по разумной цене. С тех пор все цапы я собираю на этой микросхеме. Мы вместе выбирали и сравнивали разные готовые модели цапов в интернет-магазинах и в итоге поняли, что требуемое качество совершенно не подходит по цене. В итоге было решено попробовать собрать цап самостоятельно. В итоге цапом остались довольны.

Первый вопрос, который меня волновал, это то, что понадобится какой-то драйвер для usb под windows. Написать его самостоятельно я точно не смогу. Изучив тему, я понял, что и не придется. Cегодня на рынке топовых решений существует два варианты - это относительно дешевые usb интерфейсы на микросхеме XMOS U8 и прямой его конкурент с чуть лучшими характеристиками Amanero. Для этих плат уже есть драйверы, написанные разработчиками. Для Mac OS и Linux драйверы и вовсе не нужны. Платы конвертируют сигнал от шины usb в шину I2S, по которой принимают данные все современные цапы. Все, что требуется, это соединить его по шине I2S проводами к соответствующим пинам. Обычно они подписаны на плате. Оба интерфейса 32 битные и поддерживают частоты дискретизации вплоть до фантастических 384кГц. Также они поддерживают воспроизведение DSD файлов. XMOS u8 до DSD256, а Amanero до DSD512. Музыку в таком качестве мне удалось найти всего лишь на одном сайте. И это в основном классика. Около 20 композиций на сегодняшний день.

Небольшое отступление в теорию.

Сразу хочу объяснить для чего такие заоблачные характеристики. Многие подумают, что и 44.1кГц, которые поддерживают все устройства сегодня, вполне достаточно. Обычно такие люди сразу вспоминают теорему Найквиста-Котельникова. Забывая при этом, что она сформулирована для непрерывных гармонических сигналов, которыми музыка не является. Суть теоремы состоит в том, что непрерывный сигнал с ограниченным спектром можно абсолютно точно представить набором его отдельных значений («отсчетов»), следующих с равными интервалами, при условии, что частота следования этих отсчетов, как минимум, вдвое превышает верхнюю границу спектра указанного сигнала.

То есть для цифрового представления максимальной частоты, слышимой человеком (20 кГц), нам понадобится частота дискретизации в два раза больше - 40 кГц. Для наглядности приведу фото. Но возьмем частоту не в двое, а в 4 раза меньше частоты дискретизации - 11025 кГц. Такую частоту совершенно точно слышат все люди, а не только летучие мыши. Вот так примерно выглядит аналоговый непрерывный синусоидальный сигнал с частотой в 11,025кГц на экране осциллографа

А вот так выглядит его цифровое представление при частоте дискретизации 44100 Гц:

Как видно, сохраняется только частота сигнала, но никак не его форма. Что не удивительно, т.к. на один период сигнала приходится всего 4 отчета. И это еще если частота сигнала кратна частоте дискретизации. А если взять не кратную, например 10 кГц ровно, то получится, что отчеты уже не будут приходиться на максимумы и минимумы нашего исходного сигнала и картина изменится:

Как можно заметить, изменяется даже амплитуду сигнала.

А вот так выглядит тот же сигнал в 11025Гц, представленный в цифровом виде с частотой дискретизации 192кГц:

Уже гораздо больше похоже на оригинал, т.к. отчетов на один период выходит 18 и сигнал описывается точнее. Я считаю, что этого вполне достаточно. Конечно данную проблему можно с успехом решить различного рода фильтрами и апсэмплингом, что и делается сегодня, и благодаря чему дискретизации с частотой 44100 Гц достаточно абсолютному большенству. Но этой теме можно посвятить отдельную научную статью. Надеюсь, теперь отпадет вопрос в необходимости частот дискретизации 96 кГц и192 кГц.

После небольшого отступления возвращаемся обратно.

Сейчас же я собираю цап уже для себя.

Свой выбор usb интерфейса я остановил на Amanero, т.к. до этого делал на микросхеме XMOS U8, а теперь хотел узнать про второй.

Вопрос выбора микросхемы цап был решен уже тогда, когда я собирал первый вариант для своего школьного друга. Это все та же AK4495seq. Это 32 битный чип (вместе с amanero получается полностью 32 битное устройство). Максимальная частота дискретизации еще более впечатляет - 768кГц. Поддерживает воспроизведение DSD файлов 2.8МГц 5.6МГц (DSD64 и DSD128) в режиме native, без конвертации в PCM формат.

Также после микросхемы цапа должен стоять буферный усилитель выполненный по схеме активного фильтра нижних частот, для эффективной фильтрации воспроизводимого диапазона. Рекомендуемая его схема уже представлена в datasheet к цапу и выглядит следующим образом:

На каждый канал требуется по 3 монофогических операционных усилителя NJM5534D. Такое решение позволяет достичь заявленных производителем характеристик готового цапа.

Мне удалось найти печатную плату, выполненную по такой схеме и набор подобранных радиолэлементов к ней. Это сильно упрощает задачу.

Я предпочитаю всегда брать не собранные варианты, т.к. качество китайской пайки зачастую низкое, а также я получаю большее удовольствие от сборки, когда паяю сам. К тому же это позволяет еще и сэкономить, т.к. не собранные платы еще и дешевле.

Вот, к примеру, как должен вытекать припой на обратную сторону платы по ножке радиоэлемента, чтобы можно было говорить о качественной пайке, также при правильно подобранной температуре жала паяльника, пайка получается блестящей. Обязательно следует отмывать платы от флюса, даже если на нем написано, что этого допускается не делать.

Заранее я прикидывал компоновку плат в корпусе, не без помощи, конечно.  

На фото можно заметить уже собранный усилитель для наушников, который я хотел установить в корпус цапа, но кошак сказала, что так делают только оч маленькие дети и все равно он не помещается, еще кошак передавала привет stalker29218.

Ну что ж, кошак дело говорит. Решено было сделать так:

На фото стабилизатор двуполярного питания на LM317 LM337 + TL431 с возможностью регулировки выходного напряжения подмтроечными резисторами для положительного и отрицателного плеча, ниже плата цапа и нч-фильтра, usb интерфейс Amanero, 2 трансформатора отдельно для аналоговой и цифровой схемы, рядом с которыми фильтр от электромагнитных помех в питающей сети. Питание цапа реализовано на самой плате.

К моменту фотографии уже был сделан тестовый запуск.

Все платы были закреплены на стойки к металлическому дну, толщина которого позволила нарезать резьбу и закрепить платы без гаек заподлицо.

Итого 28 отверстий с резьбой, включая 4 отверстия для крепления ножек. Еще 2 сзади под тюльпаны и одно квадратное для usb разъема. Провозился целый день.

Весь следующий день я занимался соединением плат и прокладыванием проводов внутри корпуса. Вот, что у меня вышло:

Кнопка при включении загорается белым.

Многие бы на этом остановились, и считали бы процесс завершенным. В комментариях бы начали задавать вопросы по поводу звучания и началась бы аудиофилия чистой воды. Поэтому я считаю, что все посты про сборку усилителей, цапов и прочей аудиотехники должны заканчиваться реальными замерами характеристик с предоставлением всех графиков для объективной оценки качества двух устройств между собой. Чтобы можно было сказать, что, да это устройство лучше, а это хуже. Я крайне не приемлю словесное описание звука. Никакая теплота и воздушность не подходит. Что вот это значит вообще? Как можно судить, что это устройство выдает более теплый звук, а это мене. Я не филолог и не лингвист, я инженер. Я окончил факультет радиотехники и электроники и для меня понятны сухие цифры и графики. Никакая эмоциональная составляющая не должна влиять на оценку качества устройства. Как бы Вы не были рады и горды собой, когда собственными руками собрали свой усилитель, вы должны задать себе всего один вопрос, который я постоянно себе задаю «А не херню ли я собрал?». Как доказать, что устройство действительно хорошее? Только измерениями фактических характеристик. Поэтому дальше я прилагаю графики, сделанные с помощью программы RightMark Audio Analyzer (RMAA 6.4.2) и аудио интерфейса E-MU Tracker Pre.

График АЧХ:

Из графика видно, что полоса пропускания абсолютно ровная и ограничивается 20 кГц. Заметна небольшая разница между левым и правым каналом. Согласно измерениям, она составляет не более 0,2 дБ.

Уровень шума:

Шумовая полка на ВЧ находится на уровне -141 дБ. Есть небольшие всплески, не превышающие -132 дБ в диапазоне от 1кГц до 3кГц. Так как речь идет о всем звуковом диапазоне, то уровень шума необходимо брать по наибольшему значению, что составляет менее - 120 дБ. Если брать частоту в 1 кГц, то уровень шума можно записать, как -142 дБ. Но на графике видно, что есть значения выше.

Динамический диапазон:

Измеренное значение составляет 110дБ.

Суммарные гармонические искажения + шум:

Коэффициент гармоник 0,0005% - худшее значение за все измерения. Обычно 0,0004%

Как видно, вторая и третья гармоники находятся на уровне примерно -114 дБ. Отсутствует полностью фоновый шум питающей сети в 50 Гц и 100Гц, а также гармоники выше 3 ей.

Интермодуляционные искажения:

0,0016%

Взаимное проникновение каналов в зависимости от частоты:

На 100Гц  -103 дБ

На 1кГц  -103 дБ

На 10кГц  -83 дБ

Интермодуляционные искажения для плавающего тона:

На 5 кГц  0,0017%

На 10 кГц  0,0014%

На 15 кГц  0,0020%

Естественно прилагаю полный отчет в архиве.

Есть также файл сохранения, который можно загрузить в RMAA и детально изучить все графики, а также сравнить с другими устройствами.

Очень надеюсь, что Вам понравился мой пост и я им заложу новую традицию - публиковать результаты измерений своих устройств.