S/PDIF to I2S receiver – это приемник/преобразователь цифрового аудио-потока из S/PDIF в двунаправленную асинхронную шину с последовательной передачей данныхI2S (Inter-IC Sound or Integrated Interchip Sound), может иметь в своем составе несколько цифровых входов, которые коммутируются программно или хардварно, цифровой фильтр, подавление джиттера, и еще много чего полезного. Данные из шины поступают, собственно в сам ЦАП (DAC), где и преобразуются в аудио-сигнал.  Выход ЦАП – дифференциальный, токовый.  Далее сигналы левого и правого каналов поступают в преобразователь ток/напряжение (I/U+ single-endedout) и после него – на выход устройства, которое имеет несимметричный заземленный выход. После него стерео-сигнал можно подавать на предварительный усилитель или усилитель мощности. Следует заметить, что усилитель мощности и акустика должны быть если не HI-END качества, то близкого к нему. Каждое из устройств этой блок-схемы имеет свой собственный высококачественный источник питания (особенно это касается аналоговой части). Это нужно для исключения взаимного проникновения помех, которые могут возникать при работе отдельных модулей устройства.

 Согласно блок-схеме, в программном комплексе KiСad была нарисована принципиальная схема ЦАП(рис.з). Устройство имеет два цифровых входа: коаксиальный и оптический. Из коаксиального входа S/PDIFINPUTцифровой аудио-поток поступает через развязывающий трансформатор Т1 и конденсатор С47 на вход RXP0 (вывод 4) микросхемы декодера U9 CS8416, из оптического – через микросхему опто-приемника U10 и конденсатор С46 на вход RXP1(вывод 3) микросхемы U9. Таким образом имеем возможность подключить два источника цифрового аудио-сигнала. Входы  RXP2 и RXP3 не используются и заземлены на корпус с помощью джамперов JP11 и JP12 (если вдруг входов окажется мало, то к ним аналогичным образом можно подключить еще два источника цифрового аудио-сигнала через развязывающий трансформатор или опто-приемник). Выбор цифрового входа осуществляется с помощью джамперов JP5 и JP6 (см. таблицу 1 ниже. В принципе, это не есть гуд, так как если устройство будет упаковано в корпус, то возникнут определенные неудобства с переключением входов. В таком случае или выводить джамперы на заднюю стенку, или пользоватся только одним входом. Пока оставил как есть).

Микросхема U9 CS8416 имеет последовательный цифровой выход аудио и широкие возможности управления как программно (по шине I2C) так и аппаратно, с помощью джамперов, подключенных к определенным ножкам микросхемы.     

Рис.3 Принципиальная схема ЦАП

В данном случае реализован аппаратный метод управления. Для этого 26 ножка SDOUT микросхемы подключена через резистор R38 на корпус. В этом режиме функции чипа ограничены, но зато не требуется подключения внешнего управляющего контроллера. Микросхема IC2 - это супервизор питания для микросхемы декодера. С выхода микросхемы преобразованный цифровой аудио-поток через резисторы R27-R30 поступает в шину и, далее, в микросхему ЦАП ІС1, при этом имеется возможность выбрать джамперами JP8 и JP10 один из четырех форматов: 24-bit I2S, 24-bit right-justified, 24-bit, left-justified, Direct AES3. Джамперы JP1-JP4 служат для конфигурирования микросхемы ЦАП. С выхода ЦАП сигналы левого и правого каналов через преобразователи ток/напряжение на резисторах R7-R10 приходят на входы малошумящего операционного усилителя TL072 (U5)и далее, через токоограничивающие резисторы R19, R20 – на аудио-выход ЦАП.

Схема питается от блока питания, показанного на рис.4

                                     Рис.4 Блок питания ЦАП

 

Блок питания построен с применением маломощных стабилизаторов с малым падением напряжения серии LE00 от ST.  Стабилизаторы U6, U7, U8 питают микросхему декодера, U1, U2 – микросхему ЦАП, U3, U4 – операционный усилитель.

Этот ЦАП был собран исключительно ради эксперимента и для того, чтоб услышать как оно звучит (о прослушивании и впечатлениях ниже). Один мой коллега, услышав звук, издаваемый этим устройством, загорелся желанием собрать себе такой же, но чипа PCM1794 так и не удалось найти в продаже – только под заказ, и только с бешеными накрутками (в одном интернет-магазине цена под заказ была в районе  80$). Но не беда – в свободной продаже нашелся чип WM8740 от Wolfson – это также 24-битный ЦАП с частотой дискретизации до 192кГц, и почти на порядок дешевле. Эта микросхема успешно состыковалась с входной частью предыдущей схемы, в итоге имеем еще одну схему ЦАП:

Сборка и настройка

Оба ЦАП выполнены на печатных платах из двухстороннего стеклотекстолита – на одной стороне дорожки, на второй оставляем слой фольги в качестве экрана и соединяем его с общим проводом.

(Здесь на рисунках ПП видны артефакты преобразования – это результат вытягивания рисунка ПП из KiCad. В самом проекте KiCad файлы ПП нормальные)

Монтаж выполняем в такой последовательности: сначала собираем источники питания – впаиваем все диодные мосты, фильтрующие конденсаторы, стабилизаторы. Вместо стабилизаторов серии LE00 можно использовать стабилизаторы серий L78Lxx, UA78Lxx. Затем подключаем сетевой трансформатор. Трансформатор используется тороидальный мощностью 6 -10 Вт с напряжениями на вторичных обмотках 9В и 12Вх2 (Я когда заказывал эти трансформаторы – подходящего по мощности и напряжениям в наличии не оказалось. Пришлось заказывать два меньшей мощности и перематывать вторички на нужное напряжение. Это, кстати самая дорогостояща деталь в этой конструкции).

 

Далее включаем в сеть и проверяем напряжения на стабилизаторах согласно схеме. Если нет спецэффектов и все напряжения в норме, двигаемся дальше (спецэффекты могут быть, если неправильно впаять 79L12 – у них расположение выводов отличается от 78хх).

Собираем входную часть – впаиваем микросхему декодера CS8416 с обвязкой, входные цепи – входной трансформатор, оптический приемник с соответствующими элементами. Тут нужно сказать несколько слов о трансформаторе и оптическом приемнике.  Погуглив примененные в (1) эти изделия, понял что приобрести их не удастся. Только под заказ и только по зверским ценам. Будем применять то, что удалось найти. Входной трансформатор был выдран из какой-то ВЧ платы made in USSR. Параметры его не определялись – был впаян как есть. Ориентировочно – это ферритовое кольцо типоразмера 10х6х6, скорее всего из ВЧ феррита. На нем намотаны две обмотки проводом 0,1мм в шелковой изоляции в количестве 15 – 20 витков каждая. Оптический приемник ищется в Интернет-магазинах по кодовому названию GQ-04 и стоит в районе 2$. Если вы попытаетесь найти какой-либо даташит на это произведение китайской промышленности, и даже если вам это удастся – не верьте! Во всем, что мне удалось найти неправильно указано расположение и цоколевка выводов, причем во всех по разному. Методом великого Научного Тыка было определено правильное подключение, - оно нарисовано во второй схеме ЦАП.       

Согласно таблице конфигурируем перемычками микросхему декодера:

Внимательно смотрим под линзой нет ли замыканий между контактами микросхемы, тщательно отмываем остатки флюса в районе ее установки. Затем подключаем нашу наполовину собранную плату к какому-либо источнику S/PDIF. У меня таким оказался китайский DVD-плеер. Можно подключать сразу два входа одновременно, электрический и оптический – они переключаются перемычками RXSEL1, RXSEL0. Подаем питания на плату. Если все правильно сделано должен гореть светодиод Power, а  Error должен потухнуть. Если горит Error, то ищем плохой контакт в соединительном кабеле (входы очень чувствительны  и при любом некачественном/плохом контакте получим Error), или еще раз внимательно смотрим таблицу. Также можно получить Error, если неправильно выставлена частота перемычкой RMCK. Можно потыкать осциллографом в некоторые точки:

Вот так выглядит  S/PDIF после трансформатора:

А такую картину можно наблюдать на выходной шине:

Заключительным этапом сборки является установка на плату микросхемы ЦАП и операционного усилителя с соответствующей обвязкой. РСМ1794 из первой схемы также требует конфигурации согласно таблице:

Пин, джампер				Аудио формат
MONO	CHSL	FMT1	FMT0	Формат	Стерео/моно
0	0	0	0	I2S	стерео
0	0	0	1	Left-justified	стерео
0	0	1	0	Right-justified 16bit	стерео
0	0	1	1	Right-justified 24bit	стерео
0	1	0	0	I2S /Slow	стерео
0	1	0	1	Left-justified /Slow	стерео
0	1	1	0	Right-justified 16bit/Slow	стерео
0	1	1	1	Digital filter bypass	моно
1	0	0	0	I2S	моно, левый
1	0	0	1	Left-justified	моно, левый
1	0	1	0	Right-justified 16bit	моно, левый
1	0	1	1	Right-justified 24bit	моно, левый
1	1	0	0	I2S	моно, правый
1	1	0	1	Left-justified	моно, правый
1	1	1	0	Right-justified 16bit	моно, правый
1	1	1	1	Right-justified 24bit	моно, правый

 

Как видим из таблицы, данная микросхема имеет широчайшие возможности для построения ЦАП различных конфигураций. Здесь важно установить формат данных такой же как и в микросхеме декодера.

О резисторах R7 – R16. Когда плата уже была собрана и вовсю тестировалась, прочитал в (1) о их качестве и точности:  «They should be high quality carbon resistors». Нее, мы о таких и слыхом  не слыхивали. Впаял обычные выводные миниатюрные. Их нужно попарно подбирать с одинаковыми номиналами, однако этого делать тоже не стал. Электролитические конденсаторы, кроме тех, что в фильтре блока питания – танталовые SMD, остальные керамические. 

Все, теперь можно подключать к выходу какой-либо усилитель и что-то слушать.

Несколько фото платы:     

Далее нужно было упаковать все это в какой-либо корпус. После недолгих раздумий, выбор пал на валявшийся без дела дохлый DVD-проигрыватель китайского происхождения. Из него было удалено все, оставлен только сетевой кабель и выключатель питания. На задней стенке корпуса имеем уже готовые отверстия для всех необходимых входных и выходных разъемов. С передней панели удалена наклейка с надписями. Сама панель и задняя стенка корпуса обтянута с помощью утюга декоративной самоклеящейся фактурной пленкой «под кожу».


Так, как органов управления никаких нет, на передней панели будут только два светодиода: «Power» - зеленого цвета свечения и «Error» - красного цвета. А чтоб панель не выглядела скучно добавил кое-какие надписи и подсветку сзади. Для этого распечатал на прозрачной пленке шаблон с надписями. В качестве подсветки – куски светодиодной ленты белого цвета свечения, другой под руками не оказалось. Но белый цвет не понравился, решил поэкспериментировать и напечатать светофильтр. Для этого, опять же, на прозрачной пленке на струйном принтере был напечатан прямоугольник чистого синего цвета. Но плотность оказалась недостаточной. Тогда пропустил еще 2 раза – как раз в самый раз. На фото компоненты передней панели:

Подсветка смонтирована на куске стеклотекстолита: с одной стороны приклеиваем светодиодные ленты, с другой – монтируем обычный стабилизатор на 7812 для ее питания. Стабилизатор подключается к отдельной обмотке трансформатора питания.

Порядок сборки передней панели такой: с задней стороны панели прикручивается на стойках на некотором удалении (1,5 см) плата с подсветкой, с передней стороны сначала устанавливаем кусок белой офисной бумаги в размер, для рассеивания света от светодиодов, затем светофильтр, шаблон с надписями и прижимаем все это также вырезанным по месту куском оргстекла толщиной 1,5 – 2 мм. с помощью тоненьких болтиков (М2, М2,5). Для пущей важности, и чтоб головки винтов не портили вид, заклеиваем оргстекло зеркальной пленкой, которой обычно любители лютого автотюнинга заклеивают стекла в своих пепелацах.

Вот как это выглядит в выключенном состоянии:


А так во включенном:


И еще несколько фото (все фото кликабельны):

О прослушивании

В качестве источника сигнала использовался DVD - проигрыватель Pioneer DVD9000 (хотя его внутренности заставляют усомнится в «Пионеристости»). Его фишка в том, что он имеет встроенный 10-ти полосный эквалайзер. В качестве усилителя сначала подключил 2.1 акустику  4U – 30Вт саб. + 15Вт сателлиты.

Если честно, то в течении часа просто сидел и слушал, причем все подряд – от классики до откровенной попсы, а Nightwish вообще порвал. Сразу вспомнился звук от вертушки Вега – 006 Hi-fi, на которой отец вертел Boney-M и Песняров. Хорошо знакомые композиции зазвучали совершенно по-новому, чувствуется колоссальный подъем высоких и средних частот и эффект присутствия – как будто прямо на живом концерте. Лучше всего звучат простые оригинальные CD-диски в формате cda, чуть хуже - mp3 (хотя mp3 бывает разное – если правильно закодировано, то разницы почти не чувствуется). Затем прослушивание переместилось к коллеге, который аудио-фил от мозга до костей и цифровые источники звука для него не существуют – только пластинки и катушки, а усилитель – только ламповый. Подключили ЦАП к самодельному ламповому усилителю, акустика также самодельная, шарообразная, источник сигнала все тот же DVD-плеер. Удивлению коллеги не было предела – как же так, разве может цифра звучать так же, как и пластинка??? Он все слушал, сравнивал звук с вертушки, затем с катушечного магнитофона, затем с ЦАП-а, потом в обратном порядке – это дело затянулось далеко за полночь. Особенно удивился, когда воткнули в DVD оригинальный диск Pink Floyd, привезенный кем-то когда-то из Англии, и от басов начала сыпаться пыль с ковров.  В итоге вердикт аудио-фила таков (он все-таки не изменил своим принципам): 1 место – пластинка, 2-е – катушка, 3-е – ЦАП, все остальные источники цифрового звука забракованы. Ну а мои, не аудиофильские, но любящие качественный звук, уши разницы практически не чувствуют.

Затем пришла очередь вводить, так сказать, сей девайс в эксплуатацию. Использовать DVD в качестве источника звука экономически не выгодно: никаких денег не хватит постоянно покупать оригинальные диски или болванки для нарезания музыки (к слову, даже нарезанная с оригинального диска копия звучит хуже, чем оригинал). Поэтому было решено подключить ЦАП к ПК. Сейчас можно качать из интернетов огромное количество качественной музыки в lossless формате. До этого в моем ПК стояла звуковая карта Creative SB Audigy 7.1SE, и качество звука, издаваемого из нее, меня вполне устраивало (хотя на малых громкостях прослушивались шумы от винчестеров и куллеров), пока не услышал звук из ЦАП. Попытка подключить ЦАП к цифровому выходу этой карты завершилась неудачей. Как выяснилось, Creative подмешивает к чистому S/PDIF какую-то «отсебятину» (хорошо просматривается осциллографом) и расшифровать этот поток могут только ЦАП фирмы Creative.  Тут же была извлечена из закоулков на свет божий старая сетевая карта (собственно от нее понадобились только планка и разъем) и превращена в S/PDIF-планку:

Разъем нужно подключить экранированным проводом к контактам S/PDIF на материнской плате. Некоторые модели материнок могут иметь уже готовый такой разъем. В звуковом драйвере нужно найти цифровой выход и включить его. Все, теперь можно подключать ЦАП к ПК и наслаждаться качественным звуком. Из  плееров лучше всего воспроизводит Foobar2000, затем AIMP3 и неожиданно удивил качеством воспроизведения стандартный проигрыватель Windows.

На этом все.

И еще раз поздравляю РадиоКот с 7-м ДНЕМ РОЖДЕНИЯ!

Ресурсы:

 

1. 1.      https://pavouk.org
2. 2.      Качественный звук сегодня – это просто, Ю.Ф. Авраменко, «МК- Пресс», Киев, 2007г.