Znajdź zawartość

Przedstawiony układ DAC-a, powstał przede wszystkim z dwóch powodów. Pierwszym jest chęć zrobienia czegoś na układzie PCM58, a drugim zabawa w DSP i sprawdzenie kilku teorii w praktyce. Dlaczego PCM58? Doskonale pamiętam, jak dawno temu, po raz pierwszy miałem okazję słuchać jednego z topowych odtwarzaczy Yamahy, zrobionego na właśnie na tym układzie. Dźwięk różnił się wyraźnie na plus od wszechobecnych układów d-s. Po kilku latach kupiłem CDX-1100 i miałem, a w zasadzie mam do dziś coś podobnego. Ale PCM58 zawsze gdzieś tam się plątał. PCM58 to klasyczny przetwornik R-2R, w którym 3 najstarsze bity sterują siecią w kodzie Kelvina, a pozostałe w układzie R-2R. Układ zbudowany jest całkowicie w technologii bipolarnej i z założenia ma zdecydowanie mniejsze szpilki przy przełączaniu (w porównaniu do mos-ów). Jest to jedyny znany mi układ mający możliwość regulacji 4 najstarszych bitów. Przetwornik jest 18 bitowy, a realnie jest możliwe uzyskanie 17 bitowej dokładności przetwarzania, co stawia go na równi z dużo późniejszym PCM1704. Cechą wyjątkową jest także możliwość taktowania zegarem o częstotliwości do 35MHz (!), co umożliwia zastosowanie 32 krotnego oversamplingu. Przetwornik ma także niespotykanie niski poziom szumów własnych na poziomie –126dB. Żaden z później produkowanych układów nie osiągał takiej wartości. Podsumowując, układ o doskonałych parametrach zbudowany przez inżynierów, a nie księgowych. Wejściowy konwerter usb=>i2s to chińska płytka z ebaya na układzie CM6631A. Układ może mało znany, ale w/g mnie godny polecenia. Pracuje przy prędkościach do 384kHz. W linuxie drivery niepotrzebne, pracuje bezproblemowo. Dla mnie dużym plusem jest to, że swego czasu na diyaudio.com można było dostać programiki firmowe do tego układu umożliwiające zmianę np. długości ramki i2s czy sygnałów mclk/bclk. W samym dacu zastosowałem typową aplikację pcm-a z karty katalogowej. Układ i/v to klasyczne rozwiązanie, w konwersji pracuje AD811, za nim filtr analogowy rekonstrukcyjny na AD797 (lub też NE5534 Signetics). Filtr w układzie Sallen-Key 2 rzędu, typu Bessela o f3=60kHz. Wszystkie kondensatory na zasilaniu to niskoimpedancyjne tantale smd, lutowane od strony bottom. AD811 w sprzężeniu nie ma żadnego kondensatora, przy AD797 jest 10pF, bez niego oscyluje na 2MHz, NE5534 nie wymaga kond. Jako, że to rozwiązanie trochę „vintage”, do zasilania użyłem ulubionych uA723 w obudowie TO-99. Układ stary, ale dalej idealny do niskoszumowego zasilania i trudno o coś lepszego. Całość zasilają trzy transformatory, po jednym dla każdego kanału i oddzielny do cyfrówki. W sumie to się trochę uparłem i zaprojektowałem pcb jednostronne, tak jak w starych odtwarzaczach :-). Jak się okazało po pomiarach, wyszło to całkiem nieźle. Filtr cyfrowy to „serce” tego projektu i cała zabawa. Zrealizowałem go przy użyciu chińskiej płytki prototypowej z ebaya (zresztą bardzo porządnie wykonanej). Na pcb znajduje się układ Xilinxa serii Spartan 6 typu XC6SLX9 oraz minimalna ilość elementów wymaganych do poprawnej pracy (stabilizatory, pamięć spi itp.). Filtr realizuje 16x oversampling. W zasadzie finalnie w układzie zaimplementowałem dwa filtry. Jeden o liniowej fazie rzędu 1024, drugi o minimalnej fazie rzędu 256. Oba filtry są jednostopniowe, z góry wykluczyłem standardowe rozwiązanie stosowane powszechnie w scalakach tzn filtry kaskadowe, jako gorzej brzmiące. W wielkim skrócie, filtry o liniowej fazie mają stałe opóźnienie fazowe dla wszystkich częstotliwości, co jest dużym plusem, bo poprawnie odwzorowywują kształt sygnału, z drugiej strony mają coś co nazywany pre i post ringing, czyli dzwonienie, i o ile wszyscy są zgodni że post ringing nie jest szkodliwy, to pre ringing taki nie jest, bo występuje przed, czyli wcześniej niż pojawia się sygnał właściwy. Wszystkie filtry komercyjne typu DF1706, NPC5813 czy YM3414 zostały zaprojektowane jako kaskadowe i „linear phase”. Z kolei filtr o minimalnej fazie nie ma stałego opóźnienia fazowego, czyli poszczególne częstotliwości opóźniane są inaczej, ale za to nie ma też pre ringingu. Występuje tylko post ringing, za to o większej amplitudzie. W opinii kilku „audiofilskich” firm, ten typ filtracji jest najlepszy. O ile wiem, nie istnieje komercyjny filtr w formie scalaka, który można kupić, o takiej charakterystyce. Dodatkowo długość dzwonienia (w sensie, jego czas) jest ściśle związana z rzędem filtru i jego charakterystyką. W skrócie im dłuższy filtr i im większe nachylenie tym ringing jest większy i dłuższy. Ostateczny filtr jest zawsze jakimś kompromisem w domenie częstotliwości i czasu. Nie da się zrobić idealnego filtru o dużym nachyleniu i o odpowiedzi impulsowej bez oscylacji. Częstotliwość tego dzwonienia jest w przybliżeniu równa częstotliwości odcięcia filtru, a długość dla filtru rzędu 256 to tylko parę okresów, dla rzędu 1024 jest zdecydowanie więcej. Widać to doskonale na poniższych oscylogramach. A który lepiej brzmi ocenimy podczas odsłuchów. Teraz zaczyna się matma. Po kilku dniach walki z Octave współczynniki filtrów były gotowe. Co ciekawe metoda Remeza nie chciała dać zadowalających wyników. Wróciłem więc do mojej ulubionej metody- „windowing”. Ostatecznie wybrałem okno Nuttalla typu 4c, które stosowane jest często do rozdzielania częstotliwości położonych blisko siebie. Tłumienie filtru w paśmie zaporowym przy zastosowaniu tego okna przekracza 100dB. Jeszcze tylko przekształcenie na postać o minimalnej fazie i prawie gotowe. W obu przypadkach częstotliwość graniczną ustaliłem na 0.0566 częstotliwości znormalizowanej. Tak wyglądają ostateczne charakterystyki filtrów. linear phase i minimal phase A tutaj symulacja tłumienia aliasów dla sygnału wejściowego 18kHz. Filtr minimalnofazowy jako, że jest dużo krótszy, tłumi gorzej, co było do przewidzenia, zobaczymy w praktyce, czy ma to jakieś znaczenie. Na koniec odpowiedź impulsowa. Tutaj bardzo dobrze widać różnicę obu typów. Linear phase jest symetryczny, drugi nie, widać też różnice w oscylacjach. Współczynniki filtrów typu „double” zostały następnie przekształcone do formy „fixed point”. Na każdy bit kwantyzacji przypada mniej więcej 5dB tłumienia w paśmie zaporowym. Aby uzyskać 100dB musimy mieć długość słowa współczynników co najmniej 20 bitów. A ponieważ jedna jednostka DSP48 w xilinxie mnoży liczby 18 bitowe, to i tak do jednego mnożenia będziemy potrzebować dwie takie jednostki, więc poszalałem i wybrałem format 1.31. Błędy kwantyzacji spadają do poziomu –150dB. Teraz koniec matmy i zaczyna się programowanie J. Niestety podczas testowania okazało się, że „ipcore fir filter” zawarte w WebPackIse Xilinxa z uporem maniaka samo przeskalowywuje współczynniki filtrów, prawdopodobnie po to, aby uniknąć nasycenia. Przy czym robi to w sposób tak konserwatywny, że tłumienie jest w zasadzie nie do przyjęcia i w dodatku nie można tego wyłączyć. No i niestety trzeba było wszystko napisać samemu :-). Ostateczny kod w vhdl liczy około 2k linii. Filtry fir są zaimplementowane metodą polifazową. Dodatkowo znalazło się miejsce na generator liczb pseudolosowych, który może być użyty przy pomiarach lub do ditheringu. Filtr przyjmuje dane w formacie i2s, wyjście to wedle życzenia, i2s lub right justified. Filtr pracuje w trybie „slave” co oznacza, że potrzebuje zewnętrznego sygnału mclk. Ogólny schemat RTL mamy na poniższym rysunku. Teraz, ponieważ jestem inżynierem, trochę pomiarów :-). Wszystkie pomiary wykonałem przy 16 bitowym sygnale wejściowym. Zniekształcenia thd+n samej karty wynoszą 0,002%. Pomiar –1dB. To co widzimy to głównie zniekształcenia samej karty. Pomiar –20dB. Bez komentarza :-) Pomiar –60dB. I ciekawostka, pomiar –96dB. (sinusoida wejściowa o ile, to można jeszcze nazwać siunsem, oscyluje między trzema wartościami –1,0 i 1) I żeby nie było J rzeczywiste odpowiedzi impulsowe obu filtrów. Na koniec sinus 20kHz i aliasing, którego brak. Szczerze to nie lubię się chwalić, ale uzyskane wyniki są doskonałe. Zniekształcenia thd+n i przede wszystkim ich rozkład w funkcji poziomu sygnału, wskazują na realną, rzeczywistą 17 bitową dokładność przetwornika. Szczególnie podoba mi się czystość spektrogramów przy niskich poziomach. Zwraca także uwagę brak jakichkolwiek harmonicznych 50Hz. Przedstawiony dac jest oczywiście prototypem, ale mam nadzieję, że uzyskane wyniki będą dla niektórych interesujące. Na koniec zdjęcie tego całego bałaganu. cdn ...

RAFKO Dystrybucja, informuje, że od dnia 1 października 2017 roku zostało wyłącznym przedstawicielem amerykańskiej firmy NuPrime na terenie Polski. Trzonem produktowym marki są wzmacniacze i końcówki mocy klasy audiofilskiej w klasie D, przedwzmacniacze w klasie A wraz przetwornikami DAC oraz wzmacniaczami słuchawkowymi. Założycielem NuPrime jest Jason Lim, współtwórca marki NuForce'a. NuPrime powstał na bazie odkupionego od NuForce działu projektującego urządzenia klasy hi-end (reszta NuForce'a trafiła do Optomy). Wraz z działem hi-endu Jasom przejął wszystkie prawa do dotychczas stworzonych przez NuForce'a technologii. Nowy zespół projektantów wsparty dotychczasowym know-how osiągnął natychmiastowe efekty. Raptem rok po oficjalnym starcie, pierwsze produkty NuPrime zyskały wyróżnienia od najbardziej prestiżowych amerykańskich magazynów audiofilskich: The Absolute Sound oraz SoundStage! Network. Dzisiaj NuPrime jest jednym z liderów w dziedzinie budowy obwodów impulsowych (przełączających), zaś jego urządzenia słyną ze znakomitego przetwarzania i wzmacniania sygnałów cyfrowych. Wśród charakterystycznych cech urządzeń NuPrime należy wymienić: sterowanie urządzeniami autorskim mikroprocesorem z retencją pamięci, przetwarzanie cyfrowego sygnału przez programowalny chip FPGA SRC IC dla ultra niskich zniekształceń jitter precyzyjny potencjometr drabinkowy o skoku 0.5dB z pamięcią poziomu głośności dla każdego źródła obsługę formatów cyfrowych do 384kHz i DSD256, w tym obsługa ASIO 2.1 autorskie sterowniki USB DAC dla systemu Windows hi-endowe układy ULCAM (Ultra-Linear Class A Module) kondensatory w technologii Cross-Matrix Array zdolne do dostarczenia ekstremalnie wysokiego napięcia aby oddać nawet najmocniejsze uderzenia instrumentów perkusyjnych i zmiany dynamiki technologie udoskonalonych końcówek mocy w klasie D przełączające się przy 600kHz (w przeciwieństwie do klasycznych, które przełączają się przy 300kHz) antywibracyjne stopy izolujące autorskiej konstrukcji (zgłoszone do opatentowania) unikalny design oparty o proste geometryczne formy i super niską obudowę, co w połączeniu z bardzo dobrym odprowadzaniem ciepła pozwala ustawić wzmacniacz nawet na niskich lub zabudowanych półkach