Цап своими руками схема. Схема простого USB ЦАП своими руками: пошаговая инструкция по сборке

alexxlabСхем
Как собрать качественный USB ЦАП самостоятельно. Какие компоненты выбрать для сборки ЦАП. Какую схему использовать для простого USB ЦАП. Как правильно подключить и настроить ЦАП после сборки. Какие преимущества у самодельного ЦАП перед готовыми решениями.

Выбор компонентов для сборки USB ЦАП

Для сборки качественного USB ЦАП своими руками потребуется несколько ключевых компонентов:

  • Микросхема ЦАП (например, PCM2912A)
  • Операционный усилитель для выходного буфера (например, LME49710)
  • USB-контроллер (если не интегрирован в микросхему ЦАП)
  • Стабилизаторы напряжения
  • Пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы)
  • Печатная плата
  • Разъемы (USB, аудиовыходы)

При выборе микросхемы ЦАП стоит обратить внимание на следующие характеристики:

  • Разрядность (16 бит и выше)
  • Частота дискретизации (44.1 кГц, 48 кГц, 96 кГц)
  • Динамический диапазон (90 дБ и выше)
  • Коэффициент нелинейных искажений (THD) менее 0.01%

Схема простого USB ЦАП

Принципиальная схема USB ЦАП обычно включает следующие основные блоки:


  1. USB-интерфейс для подключения к компьютеру
  2. Микросхема ЦАП для преобразования цифрового сигнала в аналоговый
  3. Выходной буфер на операционном усилителе
  4. Цепи питания с фильтрацией и стабилизацией напряжений

Рассмотрим пример простой схемы USB ЦАП на основе микросхемы PCM2912A:

«` PCM2912A LME49710
USB Питание Out «`

На схеме представлены основные функциональные блоки USB ЦАП:

  • Микросхема PCM2912A, совмещающая функции USB-контроллера и ЦАП
  • Операционный усилитель LME49710 в качестве выходного буфера
  • USB-интерфейс для подключения к компьютеру
  • Блок питания для формирования необходимых напряжений

Пошаговая инструкция по сборке USB ЦАП

Сборка USB ЦАП своими руками включает следующие основные этапы:

  1. Разработка или приобретение готовой печатной платы
  2. Покупка необходимых компонентов
  3. Пайка компонентов на плату
  4. Проверка правильности монтажа
  5. Установка платы в корпус
  6. Подключение разъемов
  7. Тестирование и настройка готового устройства

Рассмотрим некоторые этапы более подробно.


Пайка компонентов

При пайке компонентов важно соблюдать следующие правила:

  • Использовать качественный паяльник с регулировкой температуры
  • Применять припой, предназначенный для электроники
  • Соблюдать полярность при установке электролитических конденсаторов
  • Не перегревать компоненты при пайке
  • Проверять качество паяных соединений

Проверка монтажа

После пайки необходимо тщательно проверить собранное устройство:

  • Визуально осмотреть плату на отсутствие замыканий и некачественных паек
  • Прозвонить основные цепи мультиметром
  • Измерить сопротивление между цепями питания и общим проводом

Подключение и настройка USB ЦАП

После сборки USB ЦАП необходимо правильно его подключить и настроить:

  1. Подключить ЦАП к компьютеру через USB-кабель
  2. Дождаться автоматической установки драйверов (или установить вручную)
  3. Выбрать ЦАП в настройках звука операционной системы
  4. Настроить частоту дискретизации и разрядность в свойствах устройства
  5. Проверить работу ЦАП, воспроизведя тестовые аудиозаписи

Для достижения максимального качества звучания рекомендуется:


  • Использовать качественные аудиокабели для подключения к усилителю/колонкам
  • Применять программные плееры с поддержкой ASIO или WASAPI
  • Отключить все звуковые эффекты в системе

Преимущества самодельного USB ЦАП

Сборка USB ЦАП своими руками имеет ряд преимуществ перед покупкой готового устройства:

  • Возможность выбора оптимальных компонентов под свои требования
  • Экономия средств при сохранении высокого качества
  • Получение опыта в разработке аудиотехники
  • Возможность дальнейшей модернизации устройства
  • Удовлетворение от создания устройства своими руками

При этом важно понимать, что для получения действительно качественного результата потребуются определенные знания и навыки в области электроники и аудиотехники.

Тестирование и оценка качества звучания USB ЦАП

После сборки USB ЦАП важно провести его тестирование и оценить качество звучания. Для этого можно использовать следующие методы:

  1. Измерение основных параметров с помощью специального оборудования:
    • Уровень выходного сигнала
    • Неравномерность АЧХ
    • Коэффициент нелинейных искажений (THD)
    • Отношение сигнал/шум
  2. Субъективная оценка звучания при прослушивании различных жанров музыки
  3. Сравнение с другими ЦАП в аналогичной ценовой категории

При проведении измерений важно использовать качественное измерительное оборудование и соблюдать методику измерений. Для субъективной оценки желательно привлечь нескольких слушателей с опытом в области аудиотехники.


Возможные проблемы и их решение

При сборке и использовании самодельного USB ЦАП могут возникнуть следующие проблемы:

  • Отсутствие звука:
    • Проверить правильность подключения
    • Убедиться в корректности настроек в системе
    • Проверить исправность кабелей
  • Искажения или шумы в звуке:
    • Проверить качество паяных соединений
    • Убедиться в правильности схемы питания
    • Проверить экранирование чувствительных цепей
  • Нестабильная работа:
    • Проверить качество USB-кабеля
    • Убедиться в достаточной мощности USB-порта компьютера
    • Проверить температурный режим работы компонентов

При возникновении проблем рекомендуется последовательно проверять все этапы сборки и подключения устройства.


решаем в «железе» недоработку в Windows 10 / Своими руками (DIY) / iXBT Live

Небольшая история об том, как обычному, но пытливому пользователю в моем лице, за свой счёт пришлось устранять косяки таких гигантов как Microsoft, Realtek & Adobe.

Специальное примечание для «Аудиофилов», «Профессионалов» и так далее. Сей артикль я писал с прицелом на рядового пользователя, который ни разу ни аудиофил и не электроинженер, так что далее по тексту будут некоторые упрощения и допущения. Я в курсе что вы знаете и можете всё, и попрошу вас, ваши сакральные знания по подбору цвета проводов, ориентации чипов в пространстве и времени запекания дисков в микроволновке — в данном случае придержать при себе, и не вводить любителей в заблуждение в комментариях.

Какая проблема решается в этом обзоре? Говоря кратко, повышается комфорт одновременного использования акустической системы и наушников на ПК. Не требуется выбор другого устройства в работающей программе, не надо переключать штекера и крутить общий регулятор громкости. Готовые решения, которые обеспечивают аналогичный комфорт и качество, стоят от $100 и выше, а у меня всё вместе вышло менее $30.

У меня в домашнем ПК, используется материнская плата Asrock Z68 Pro 3, с простым, «копеечным» интегрированным звуком от Realtek. Так как этот компьютер рабочий, то мне большего и не нужно — для прослушивания музыки предпочитаю использовать отдельные, независимые аппаратные решения. Пока на рынке господствовала Windows 7, всё было в порядке — звук игрался как надо, и особенных проблем не возникало, кроме JackSense (об этом — далее). Но как только Windows 10 стала массовой, появилась новая проблема — Интегрированная звуковая карта, а точнее её выходы, в системе стали видны как два независимых устройства. Т.е. выход на наушники — это отдельное устройство, а выход на колонки — отдельное. Разве это может быть проблемой? — возразите вы, и будете не правы. Опишу типичный сценарии использования. Монтирую я видео в программе Adobe Premiere, звук идёт через колонки. Подключаю наушники к передней панели на ПК, чтоб не беспокоить окружающих, а звук всё идёт через колонки! Так как звуковых карт сейчас у меня две, чтоб звук пошёл через наушники, надо зайти в настройки Adobe Premiere и указать другую звуковую карту. И так каждый раз, переключаясь между устройствами. Конечно же, можно подключать наушники к разъему на колонках, но для этого надо тянуть шнур через весь стол, он будет мешаться под руками, и каждый раз втыкать-вытаскивать штекер из разъема — зачем? Пресловутый JackSense тоже не фонтан — это не отключаемая на аппаратном уровне фича, когда система автоматически определяет что воткнуто сейчас в какой разъем на звуковой карте. Определение то работает правильно, но оно включается программно, и пока система не загрузится, из колонок слышен фон и жужжание. Т.е. включение компьютера на слух слышится приблизительно так «жжжжжффффххххххжжжфффчччххххх… ЧПОК(это когда включилось авто определение) — тишина». И с «жжжж» дело стало совсем плохо, когда после апгрейда монитора на 4К, пришлось докупать и дискретную видеокарту (RX550) – теперь «жжжж» и писки стали слышны во время прокрутки страниц в браузере и при других обращениях с графикой (и я сразу вспомнил нетрадиционный секс под названием «Запускаем i740 на VIA691P через wcpredit» 😀 (Блок питания у меня хороший, Thermaltake, 800W, Дело не в нём). Так что выход был один — менять звуковую карту. Покурил я форумы и погуглил по Интернетам — Везде такая бодяга — простого решения за разумные (менее $100) деньги нет (Готовых недорогих ЦАП-ов с регулятором громкости и выходом на наушники полно, но этот регулятор также меняет уровень на линейном выходе), по этой причине, решил что лучше уж я соберу простой ЦАП за копейки, чем переплачивать за всякие EAX, DSD, 3D и прочие фичи дорогих ЦАПов, которые мне не нужны. В итоге, родилась такая, вполне недорогая и рабочая конструкция, повторить которую сможет практически любой человек, который знает, за какую сторону надо брать паяльник рукой. В общем — поехали!

Задача:

Собрать внешний ЦАП, который не будет получать гальванических наводок от компьютера и иметь отдельный, регулируемый выход на наушники. Вот блок схема того, как всё это будет взаимодействовать.

Использованные компоненты:

1. Готовая плата ЦАП на основе CS8416/CS4398. 

2. Готовая плата усилителя для наушников — в зависимости от вариантов, может стоить от $3 до бесконечности. Я остановился на самом дешёвом варианте. (собрал сам)

3. Трансформатор, с двумя выходными обмотками, на напряжение 9-12 вольт, с током минимум 200мА.

4. Корпус для размещения всего вышеперечисленного (желательно — металлический)

5. Паяльник, монтажные провода, припой, канифоль, кабель Toslink и прочая расходка.

Прежде чем углубимся в процесс сборки, сделаю небольшие примечания по поводу используемых компонентов, расскажу об альтернативах, приведу фото c ценами и небольшие практические замечания.

 Примечание: Цены далее указаны, как усреднённые по Aliexpress/ebay. На таобао они в 3-4 раза ниже. Все детали я брал на таобао.

ЦАП

Не обязательно брать точно такой, и на точно таком чипе как у меня. Есть модели как подороже, так и подешевле. Главное тут — чтоб в наличии были входы и выходы нужного вам форм фактора. Также стоит отказаться от совсем бюджетных вариантов, где выходной ОУ впаян в плату — там обычно ОУ ставят копеечного качества, и шумы могут стать серьезной проблемой. Так что берите тот вариант, где выходной операционный усилитель в «кроватке» и его можно заменить. У меня стоял обычный NE5532, А я поставил оригинальный NE5532AN (С нормированным уровнем шума). На практике это дало одно — если выкрутить регулятор громкости на колонках (Genius SP-HF2000X) на максимум, то шумов слышно меньше, но в реальности никакой необходимости в такой громкости нет. Также нет смысла гнаться за какими-то сверх характеристиками. Поверьте мне, как человеку, который лет 10 проработал звукорежиссёром — реальной разницы, в большинстве случаев, вы не услышите, всё это — самовнушение.

 

Это ЦАП который я использую. Работает вполне прилично. Из «недостатков» — нет поддержки частоты семплирования в 192кгц, хотя она и заявлена. Причина — использованы не заявленные, а другие чипы, перемаркированые (Проглядывает оригинальная маркировка, т.е. исходный чип тоже Cirrus Logic, но другая модель).

Учитывая факт, что даже в лучшем возрасте, человек не слышит ничего выше 20кГц, отсутствие поддержки 192кгц — мне вообще не кажется проблемой. Для любителей замены конденсаторов — в цепи аудио включены только те два, которые с краю, возле разъема для «тюльпанов». Все остальные используются только по питанию, и на звук не влияют. Цена: $10-$15

«ЦАП-Коробочка». Бюджетный вариант, я начал именно с него, но быстро же и отказался. Причина — мощный белый шум на выходе, пока ПК не загрузится, потом всё в порядке. Думал что это несовместимость с моим ПК, подключил к телевизору Samsung по Toslink – то же самое. Но справедливости ради, с телевизором LG такого не было, так что вполне возможен вариант, что с вашим ПК он будет работать нормально. Но в любом случае, плохая разводка питания, и копеечный буфер на выходе, в результате дают заметный фон и шумы. Цена: $3-5

Этот ЦАП — «Лайт» версия «коробочки». Чипсет тот же, проблемы те же.  Цена: $2-4

ЦАПы на основе ES9038 и других, более продвинутых решениях. Ставить стоит только в том случае, если вы хотите использовать ПК как источник высококачественного аудио. К некоторым модулям подключается экран, к некоторым — внешний пульт управления и так далее. На мой слух и взгляд, по качеству звука никакой разницы с более дешёвым аналогом не даёт, так что покупать такой я считаю излишеством. Поддельные и перемаркированые чипы тут тоже встречаются сплошь и рядом, а учитывая цену, я считаю что «выкинуть» 10 баксов таки проще, чем «выкинуть» 30 🙂 Цена: от $30 и выше.

 

Усилитель для наушников

 

Наши Китайские друзья предлагают широкий спектр усилителей для наушников, как в виде готовых решении, так и в виде комплектов для сборки. Я протестировал несколько разных вариантов, и в итоге остановился на варианте собственной «разработки». Причина — нехватка места в выбранном корпусе.

Так называемый «47 amp». Вариантов у него великое множество, бывают как с однополярным, так и с двухполярным питанием, разным расположением входов и выходов и так далее. Но принцип работы во всех один и тот же, обычные сдвоенные ОУ, типа NE5532, включённые параллельно, для увеличения нагрузочной способности. В принципе работает, но с резисторами по умолчанию в цепи обратной связи, имеют слишком большой коэффициент усиления, что даёт много шумов на выходе. Также я заметил достаточно сильный (порядка 45С) нагрев микросхем, даже без подключённых наушников. Возможно, имело место самовозбуждение, я не проверял. Плюсы данного усилителя в том, что у него посадочные места, как у ЦАП-а, который я применил, так что их легко можно совместить в конструкцию типа «этажерки». Основной минус — отсутствие собственного источника питания (выпрямитель+стабилизатор), хотя я подключил его к выходу стабилизатора ЦАП-а, проблем в работе не возникало — я даже хотел его ставить в корпус, но в этом случае в корпус не влезал трансформатор. Цена: $5-8

Так называемый «British Solo» усилитель для наушников. Тот же NE5532, но выход усилен комплементарной парой транзисторов, что позволяет «раскачать» и высокоомные наушники. Имеет 6.35мм разъем для наушников, свой выпрямитель и стабилизатор питания. По звуку мне он понравился больше, чем «47 amp». Цена $12-15

Усилитель на основе микросхемы TPA61020A2. Предпочитаемое решение из всего вышеперечисленного, так как и усиление, и токи покоя и прочие тонкости, выставлены внутри микросхемы прямо на заводе, и шансов у Китайских сборщиков что-то напортачить — меньше. Эстеты могут поменять конденсаторы на WIMA, а резисторы на малошумящие. Реально это ничего не даст, но потешить своё эго позволит 🙂 Посадочные отверстия у него чуть поближе, чем у обозреваемого ЦАП-а, но если их рассверлить сверлом на 4мм, то этажерку вполне можно собрать, сэкономив при этом место в корпусе.  Цена $8-$10

Мой «самосбор». В качестве усилителя используется микросхема LM4808 (Используется в дорогих наушниках, например Audio-Technica ANC7B). Свой вариант пришлось «разрабатывать» по причине нехватки места в корпусе. Себестоимость, учитывая цену печатной платы и аудиофильских конденсаторов типа Nichicon FW, Elna Silmic – получилась в пределах $10. Если есть желающие повторить, файлы платы в формате Sprint Layout/Gerber/DRL могу прислать бесплатно, пишите в комментариях куда слать.

Трансформатор

 

Требования к трансформатору следующие. Он должен иметь входное напряжение, подходящее к вашей сети (в моем случае — 230 вольт), и иметь две выходные обмотки, или одну с отводом от центра, обеспечивающие 2х9-12 вольт на выходе, при токе, желательно, не менее 200мА. Выбор трансформаторов огромен, но не все идеально подходят в качестве источника питания для ЦАП-а, так как могут жужжать, и иметь большое поле рассеяния, что даст наводки на звук. По внешнему исполнению, трансформаторы можно поделить на два типа — «обычные» и «залитые». Вторые отличаются от первых тем, что весь трансформатор залит компаундом, что улучшает электрическую и механическую прочность, убирает практически в  «0» гудение и вибрации.  В свою очередь, по конструктиву трансформаторы тоже можно поделить на два типа — с Ш образным сердечником, и с тороидальным (или как вариант — с разрезным ленточным) сердечником. Первый тип дешевле, но второй предпочтительней, так как у него меньше поле рассеяния (и соответственно, наводок меньше), и при той же мощности, габариты и вес у тороидальных и ленточных — меньше. Для наглядности, приведу фотографии каждого типа, для простоты опознания. Скажу сразу — для конкретного применения, исходя из необходимой мощности, тип трансформатора решающего значения не имеет — любой будет работать вполне прилично. Единственное, удалите трансформатор хотя бы на 10-15см от плат ЦАПа и усилителя, если он будет Ш типа.

Обычный, Ш образный, не «залитый» трансформатор, с ушками для крепления в корпус. Самый недорогой из доступных в продаже. Для применения в усилителях применим только в тех случаях, когда есть возможность удалить трансформатор хотя бы на 10см от основной платы, для исключения наводок.  Цена $3-5Такой же трансформатор, но для впаивания в печатную плату. Ограничения к применению те же, что и у вышеуказанного. 

Цена $3-5

«Залитый» Ш образный трансформатор, с ушками для монтажа в корпус. В отличии от обычного, не жужжит, ограничения по расстоянию, те же, что у и обычного. Цена $10-15

Такой же, «залитый», но без ушек, для установки в печатную плату. Цена $5-10«Залитый» тороидальный трансформатор. Оптимальный (и самый дорогой) вариант для самодельного ЦАП-а. Как в плане наводок, так и в плане шумов и занимаемого объема. Цена $10-20Обычный тороидальный трансформатор. Тоже неплохо подходит для самодельного ЦАПа, только устанавливайте его через резиновые прокладки, чтоб не было шумов. Цена $5-10Обычный разрезной, ленточный трансформатор, с круглым (в сечении) сердечником. Существует мнение, что такой особенно подходит для питания аудиофильской аппаратуры. На чем основано такое мнение — мне непонятно, и законы физики тоже молчат. Я лично наблюдал трансформаторы точно такого конструктива в совершенно разных, не аудиофильских устройствах, типа хлебопечек, сушильных шкафов и центрифуг. Цена $15-20Тоже обычный разрезной, ленточный трансформатор, но залитого типа. Именно эту модель (Myrra 45026) использовал я в своей конструкции. Цена $10-15

Корпус

В качестве корпуса можно использовать любую подходящую коробочку. Тут решающими становятся уже вопросы эстетики и цены — работать будет и в коробке из под стирального порошка, но если хотите получить приличный вид, то придётся потратится на корпус. Я рекомендую металлический корпус, который оптимален как в плане надёжности, так и защиты от возможных внешних наводок. Лично я использовал вот такой корпус, который купил на таобао пару лет назад, и всё не находил ему применения. Внешние размеры коробочки 127 х 76 х 46мм, и на таобао она стоит порядка $3. На али, конечно же, будет дороже.

Расходные материалы

Тут мне что-то сложно советовать, я ведь не знаю что есть у вас, а чего нет. Так что читайте процесс сборки дальше, и смотрите сами, что у вас уже есть из мною использованного, а чего надо будет докупить.

 

Процесс сборки

 

Начинаем с подбора размещения компонентов в корпусе — логично, что плата с ЦАП будет в задней части корпуса, а плата с усилителем для наушников — в передней. Изначально, я так и планировал всё сделать, рассверлил отверстия в корпусе и уже рисовал панели, чтоб вырезать их на ЧПУ Фрезере, но мне не нравился факт, что трансформатор питания в корпус при таком расположении не влезает, приходится для него городить отдельную коробочку, а основной корпус будет практически пустым. И хотя коробочку для трансформатора подобрал вполне симпатичную, пытливый ум всё не давал мне покоя 🙂 Основная проблема была в усилителе — даже если поставить его «этажеркой, над ЦАП-ом, то регулятор регулировки громкости надо выносить на переднюю панель, а это дополнительные провода и наводки. Была идея удлинить ручку потенциометра, но мешал трансформатор, или надо было приподнимать плату с усилителем, что в итоге сдвигало потенциометр на край корпуса, что в свою очередь, создавало бы проблемы с эргономикой. Во общем, если усилитель не влезает в корпус, то мы делаем новый усилитель. Заглянув в список имеющихся в наличии деталей, остановил свой выбор на LM4808 – Это специализированный усилитель для наушников, в своё время сгорел у меня в наушниках Audio-Technica ANC7B, так что купил тогда сразу 3 штуки на замену, и вот оно, пригодилось. Конечно же, китайцы предлагают к продаже и миниатюрные модули усилителей для наушников, скажем, на той же TDA1308. Но когда оно приедет, и каким будет качество? По этой причине, решил собрать на чипе который я уже слушал, и звук которого мне нравится. Развёл плату буквально за 10 минут, заказал, получил, собрал, работает! Поставил в корпус рядом с трансформатором, думал что будут наводки, даже на форумах спрашивал, как экранировать трансформатор, но все мои опасения оказались напрасными — никаких наводок не зафиксировал. 

 

После того, как я определился с взаимным расположением компонентов, начался собственно сам процесс сборки. В днище корпуса просверлил отверстия, в которых нарезал резьбу М3, и вкрутил латунные проставки типа тех, что применяются при установке материнских плат. Для крепления трансформатора использовал два винта М2 со соответствующими шпильками, а крышку трансформатора, в месте непосредственного контакта, промазал термопастой — реально это не нужно, но такое увидел в каком-то измерительном комплексе от Motorola – вот и пусть у меня тоже будет 🙂

После установки компонентов (Плата ЦАП и трансформатор), сняв размеры, сделал чертёж с отверстиями для торцевых алюминиевых панелей. Вырезал их на станке с ЧПУ (Простенький станочек CNC 2020b, 80 долларов на таобао). С отверстием для приёмника TOSLINK вышла ошибочка — не учёл радиуса фрезы, так что пришлось дорабатывать напильником. Так как после всех обработок, алюминиевые накладки смотрелись не очень и красиво, то для передней панели, на лазерном резаке, из дымчатого оргстекла вырезал фальшпанель-накладку.

Наконец-то всё уже собрано и подключено к друг другу, можно включать. Обратите внимание — для питания усилителя наушников, +12 вольт (которые потом доводятся до 5 вольт стабилизатором на плате наушников), беру с 12 вольтового питания на самой плате ЦАПа, прямо с выхода микросхемы 78М12. Для защиты сетевого шнура от перетирания, насадил на него плотную термоусадку, и провёл через вентиляционные отверстия зигзагом — чтоб ненароком не вырвать. Ферритовое колечко на сетевом кабеле — больше дань моде, чем реальная необходимость, просто провод был длинным и резать его было лень, вот и „укоротил“ 🙂 На фото может показаться, что разъем для наушников и его провода прямо касаются трансформатора, но на самом деле это не так, трансформатор — в нижней части корпуса, а всё остальное — выше, расстояние между ними около 4см. Во общем, всё работает, можно уже закрывать корпус. Спереди, поставил красивые, „хромированные под титан“ винтики (термин не мой, это так китаец в описании написал). Ну а сзади поставил обычные, потайные.Всё уже собрано, момент перед тестовым „запуском“+12 вольт для усилителя берём с правой ножки этой микросхемы (маркировка 78М12). А если вашему усилителю нужно и -12 вольт, то их берём с правой ножки рядом расположенной микросхемы (маркировка 79М12).»Хромированные под титан» винты на передней панели.Вид с обратной стороны.«Парадный» вид :)ЦАП на «боевом посту» (Этот стол я собирал сам, лет 15 назад, и только сейчас, благодаря ЦАП-у, увидел, что полочку над системником, оказывается, я прикрутил с наклоном 🙂

 Итоги

Несмотря на «пиленные» микросхемы, качеством звука и комфортом использования я доволен. Если кто-то решит повторить и понадобятся рисунки платы и чертежи панелей — пишите, вышлю.

 

 

Случай, когда две ноги лучше, чем 4 🙂

 

Схема простой звуковой карты (ЦАП) / Хабр

Этому проекту уже более 7 лет. Есть обстоятельства, когда требуется иметь внешнюю звуковую карту. Иногда это отсутствие встроенной, иногда поломка встроенной, иногда не качественная встроенная, а порой требуется специфический буфер на выходе с возможностью сделать сигнал +-7В, иногда питание компьютера ухудшает параметры встроенной карточки и так далее и тому подобное…

Этот проект мне заказали ребята, занимающиеся звукотехникой в одной из аудио фирм. Всех уже требований не вспомню, но точно было отдельное питание выходного буфера и получение данных с USB. Потом так же обсудили Sampling rate, размах выходного сигнала, какая будет нагрузка «И проч., проч.» (с)

После утряски всего была нарисована блок-схема:

Внимание! не соответствует финальному устройству.

И приступил к поиску вариантов решения задачи. Кстати, конечное устройство отличается от блок-схемы благодаря отличному кодеку, который питался сразу от USB.

По-изучав рынок тех лет с радостью открыл для себя PCM2912A (Ссылка).

Это Codec — от coder/decoder или шифратор/дешифратор или кодировщик/декодировщик или compressor/decompressor. Тут уж как только не именовались подобные штуки. Почему тогда статья называется «…ЦАП»? А потому, что ЦАП, он же DAC – это и есть преобразователь — устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал.

Для начала немного про параметры вообще:

1) В названии этого кодека есть «PCM». И это не спроста. В аудио PCM — pulse-code modulation, импульсно-кодовая модуляция.

2) Из даташита: 16-Bit Delta-Sigma ADC and DAC. Разрядность — это количество бит информации в каждой выборке. То есть некое разрешение на сэмпл. Вообще разрядность влияет на уровень шума из-за ошибки квантования и на SNR (соотношение сигнал/шум) соответственно и на динамический диапазон.

Про SNR немного. В хорошем ЦАП, где ошибка квантования равномерно распределена между младшим значащим битом (LSB), SNR будет считаться так:

Здесь b — количество битов квантования.

Что для 16 бит, данного, ЦАП равняется 98,09 дБ. Про сравнение 23bit и 16bit DAC на слух здесь кто-то писал короткую но классную заметку. .. Если в двух словах, то отличить на слух не реально.

3) Из даташита: Sampling Rate: 8, 11.025, 16, 22.05, 32, 44.1, or 48 kHz
(голос из зала: а по-русски можно?).

Частота дискретизации или частота семплирования — sample rate. Тут всем заинтересовавшимся стоит прочитать про теорему Котельникова, ну или как на западе:  Найквиста — Шеннона. Для преобразования из «цифры» в аналог — частота дискретизации должна равняться как минимум удвоенной верхней граничной частоте этого сигнала.

Так что же говорят эти числа через запятую из даташита?

Если взять звуковой диапазон, который слышит человек, то его верхняя граница будет около 22кГц (это общепринято, лично я считаю что меньше). Далее, по теореме, что бы оцифровать или восстановить сигнал нужно иметь частоту дискретизации минимум в 2 раза больше. То есть 22*2=44кГц. Откуда 100Гц, ведь 44.1кГц в даташите? Но на самом деле это в Sony выбрали так для совместимости с стандартом PAL.

Немного информации по остальным частотам:
8 000 Гц — используется в телефонах. Считается достаточным для передачи речи.
11 025 Гц — это четверть Audio CD, тоже считается достаточным для передачи речи.
22 050 Гц — половина Audio CD, достаточно для передачи качества как на радио.
44 100 Гц — используется в Audio CD.
48 000 Гц — это уже уважаемый DVD.

4) Из даташита: THD+N 0.01%. Это полное гармоническое искажение плюс шумы (total harmonic distortion plus noise). Хотелось бы сказать что это КНИ, но тогда пришлось бы слукавить. Это, скорее, обратное SINAD соотношение сигнал шум + искажения. Если совсем просто, то КНИ + шумы, которые учитывают и шумы линии передачи, и шумы при измерениях, и полосу частот при измерениях.

5) Из даташита: SNR 92 dB. Но как же так, я же честно считал его выше для 16 бит и было лучше! Но тут нужно сказать, что я считал для идеального DAC, который шумит последним битом, тут же честный производитель указал реальное соотношение.

6) Из даташита: Dynamic Range: 90 dB. Это диапазон между самым тихим и самым громким звуком. Человеческое ухо воспринимает от супер тихого звука, у кого-то это лучше, до супер громких, вызывающих боль, звуков. Так вот отношение максимального значения сигнала на его выходе к значению шума квантования , измеренному в полосе от 0 Гц до частоты Котельникова и есть динамический диапазон для ЦАП.

Там дальше ещё есть параметры, но грузить уже ими не стану, и так много написал того, что мало кто будет читать. И они не такие интересные и популярные, как перечисленные выше.

И так. Мне эта штука настолько понравилась, что решил делать на ней. И что не могло ни радовать – даже ПО писать не придётся, кодек имеет драйвер USB. Хочу показать её внутренности, а то не все же пойдут по ссылке в даташит…

Внутри кодека кроется много всего интересного

Особенно понравилось наличие выходов непосредственно с DAC, выходы после PGA и выходы Vcom (я их не использовал, но порой классно получить средний уровень напряжения выходного буфера).

Так как после внимательного прочтения документации на кодек, я был уверен, что он мне подходит, оставалось дело за выходным буфером и питанием.

Подбор выходного буфера тоже не занял много времени. На тот момент были найдены классные операционные усилители LME49710HA (Ссыль). Большая полоса (что даёт возможность разогнать усиление без потери в аудио полосе), отличный КНИ (по заявленным в даташите параметрам), не большое напряжение смещения, и этот усилитель имеет в названии «High-Performance, High-Fidelity Audio Operational Amplifier», что как ни что другое порадует аудиофила 😊 (разве с такой припиской нужны кому-то теоремы Котельникова…). Кстати, на сегодняшний день его не производят, но есть достойнейшие замены (на мой взгляд намного лучшие).

С питанием пришлось немного повозиться, так как выходной уровень мог быть до +-7В (даже не спрашивайте зачем, не знаю), это было решено настроить после сборки под нужные приборы.

Выбрал трансформатор для питания. Нужно было найти совершенно простой, миниатюрный с двумя вторичками. Такой быстро нашёлся. Нарисовал простенький выпрямитель и добавил место для подключения светодиода – индикатора наличия выходного напряжения с трансформатора.

Схема выпрямителя

Так как после выпрямителя напряжение не стабилизированное, добавил стабилизатор по питанию.

Схема двухполярного стабилизатора

Схема ЦАП (на самом деле ещё и АЦП, его не просили, но в микросхеме он есть и как не вывести?!) приведена ниже. Совершенно нечего о ней рассказывать, так как она просто из даташита. Просто подобрал имеющийся со склада разъём USB, кварцевый резонатор и остальную пассивную комплектацию.

Схема кодека

Следом пойдёт входной каскад для микрофона. Так как это была исключительно моя выдумка и о ней не просили, а не паять что-то всегда проще чем переделывать потом под новую хотелку, добавил вход электретного микрофона.

Схема микрофонного входа

Ну и осталось сделать выходной усилитель. Тут вы увидите много элементов, которые были заложены на плату, как и в случае с микрофоном. Так как всегда лучше иметь возможность потом что-то допаять…

Схема выходного усилителя

Выходной уровень сигнала, а именно — усиление выходного каскада, настраивается резисторами R34, R35, R30 и R31 (см. операционные усилители).

Элементы C30, C26, R23, R20, C33, C34 – частотнозависимые, C32, C31, R21, R22 – не устанавливались. Были заложены на всякий случай, вдруг что-то придётся корректировать.

На выходе должен был быть установлен коннектор для TRS 1/4 дюйма. Кстати говоря, мало кто его так называет. Почему-то чаще их называют Jack 6,35 мм. Хотя на самом деле это Tip Ring Sleeve.

Далее плата печатная.

Так как это был далёкий… хм, не помню даже какой год то был… ну тот, в котором ОУ со схемы ещё производились TI, то устройство делалось под готовый пластиковый корпус. Никаких 3D принтеров у меня и на работе не было. Был выбран пластиковый корпус, который понравился мне по габаритам и по его чертежу нарисован контур платы. Далее
очень просто все элементы были расставлены (то, что называется компоновкой) и
произведена трассировка.

Вид на проектируемую плату сверхуВид на проектируемую плату снизу

К сожалению, не могу найти фото готовых плат, процесса монтажа и копусирования. Сами платы заказывал, кажется, в Резонит, что бы потом серию делать просто по повторному производству, экономя на его подготовке.

Нашлось фото проверки одной из плат. Видно, что кварцевый резонатор ещё поставил первый попавшийся под руку, а пин для подключения земли я забыл заложить на плату.

Процесс отладки

Что рассказать про корпус? Тут могу описать разве что только то, что светодиод индикации расположил над USB разъёмом и он просто паялся в плату и загибался так, чтобы попадал в высверленное отверстие в корпусе. Переключатель включения питания и ввод провода реализовывал не я. Доработками корпуса занимался не я, но конструктор, который был так же, как и я найден той фирмой. Кстати, оглядываясь назад, не так уж и плохо всё вышло. Сейчас, конечно, можно было бы распечатывать и отливать вообще футуристические корпуса, но для того времени было ровно то, чего хотел заказчик.

                Сомневаюсь, что кому-то будет интересно повторение именно такого блока, но уверен, что кто-нибудь с удовольствием сделает себе просто ЦАП. Возможно, кто-то реализует не применённые мною его функции, такие как «mmute», «play», «rec» … тем более что цена данного чипа сейчас совсем не велика.

                P.S. Оглядываясь назад, понимаю, что сейчас многое реализовал бы по-другому (да и как иначе то? Например, тот же ОУ уже не купить…), но тогда было сделано так и оно полностью отвечало требованиям заказчика. Кстати, даже производилось не большими партиями без каких-либо переделок платы.

Самодельный цифро-аналоговый преобразователь: Полное руководство

О самодельном цифро-аналоговом преобразователе Преобразование информации, хранящейся в цифровом виде с iPod, ноутбука или другого аудиооборудования, в аналоговый звук, который мы слышим, может оказаться сложной задачей.
Как бы просто это ни звучало, вы не добьетесь желаемых результатов без одного ключевого компонента – ЦАП.
Несмотря на улучшение звучания, качественный цифро-аналоговый преобразователь позволит вам получить лучший звуковой фон. Таким образом, создавая более глубокую область прослушивания для ваших проектов.
Вот лучшая часть.
Вам не нужно покупать ЦАП; сделать ЦАП своими руками (цифро-аналоговый преобразователь) недорого и относительно просто. Кроме того, вы можете сделать это самостоятельно с помощью нескольких инструментов и инструментов.
Однако, если вам это покажется трудным, не беспокойтесь. Мы здесь для вас.
Давайте сразу приступим.

Как работает цифро-аналоговый преобразователь

Прежде чем мы углубимся в работу ЦАП, давайте обсудим, что такое цифро-аналоговый преобразователь.

ЦАП захватывает цифровые данные с вашего аудиоустройства и преобразует их в аналоговые аудиосигналы, когда дело доходит до электроники. Затем. Он посылает эти сигналы на усилитель. Итак, когда вы слушаете цифровые записи, вы слышите преобразованный аналоговый сигнал.

Однако разные ЦАП имеют разное качество. Например, в смартфонах есть базовые ЦАП, которые достаточно хороши для разговоров, но не для прослушивания вашей любимой музыкальной коллекции. Для этого вам понадобится ЦАП динамика.

Теперь мы знаем, что ЦАП позволяет нам слушать музыку, хранящуюся в цифровом формате. Но что делает один цифро-аналоговый преобразователь лучше другого?

Прежде всего, вы должны понять, что происходит внутри ЦАП. Инженеры звукозаписи преобразуют аналоговые сигналы в серию чисел (цифровые сигналы). Итак, если вы хотите его прослушать, вам нужно преобразовать эти битовые потоки чисел обратно в аналоговые сигналы.

Но ЦАП не используют согласованную временную последовательность для преобразования битовых потоков. Таким образом, это приводит к тому, что мы знаем как ошибки синхронизации. Таким образом, при воспроизведении этих звуков ошибки будут отображаться как дрожание.

Дрожание отрицательно влияет на качество воспроизведения. Другими словами, ваша музыка не будет звучать достаточно хорошо.

К счастью, внешние ЦАПы (наушники и динамики) способны справляться с такими ошибками синхронизации. В отличие от своих собратьев — внутренних ЦАП.

Внешние порты ЦАП

Таким образом, внешние ЦАП идеально подходят для любой конфигурации прослушивания. Примеры устройств, совместимых с внешним ЦАП, включают настольные и портативные компьютеры, домашние стереосистемы и смартфоны.

Пример внешнего ЦАП

Как работают цифро-аналоговые преобразователи

Несколько лет назад у нас не было ЦАП для создания аналоговых сигналов. Когда-то мы использовали катушечные ленты и канавки для записи для создания электрических аналоговых сигналов. Однако сегодня ЦАПы позволяют нам наслаждаться удобным и портативным цифровым звуком.

Записи на катушках и канавки для записи

Вот как это работает:

Во-первых, артист создает дорожку в процессе записи. Микрофоны улавливают голос артиста и инструментов в виде аналогового входного сигнала.

Далее записывающее оборудование использует аналого-цифровые преобразователи (мы обсудим это позже) для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Этот процесс позволяет легко сохранять эти сигналы в виде цифрового аудиофайла.

При воспроизведении цифрового аудиофайла ЦАП преобразует сигналы обратно в аналоговые аудиосигналы.

Наконец, ЦАП передает преобразованный аналоговый выходной сигнал на ваш усилитель. Таким образом, отправляя музыку через динамики или наушники.

Как работают аналого-цифровые преобразователи

Как упоминалось ранее, АЦП играют важную роль в процессе преобразования цифрового сигнала в аналоговый. Цифровые логические схемы АЦП, такие как Raspberry Pi и Arduino, для передачи в реальном мире.

Аналоговые сигналы поступают от различных датчиков и источников, измеряющих температуру, звук, движение, звук или свет.

В то время как аналоговые сигналы обеспечивают неограниченное количество различных значений эталонного напряжения, схемы цифровой версии работают с двоичными сигналами только с логическими состояниями, высоким логическим уровнем (1) и низким логическим уровнем (0). Итак, нам нужна электронная схема, которая справится с этим преобразованием. Вот где на помощь приходит АЦП.

Итак, АЦП улавливает аналоговое напряжение и генерирует цифровой выходной код, представляющий аналоговое напряжение. Но как это работает?

АЦП следует последовательности во время преобразования. Во-первых, он производит выборку аналогового сигнала и количественно определяет его разрешение. Наконец, он устанавливает двоичное значение и передает его в виде цифрового выходного сигнала в систему для чтения. Двумя важными аспектами этого процесса являются разрешение и частота дискретизации.

Как сделать цифро-аналоговый преобразователь

Поскольку микроконтроллеры считывают только цифровые сигналы, различные модели поставляются с АЦП. А вот с ЦАП мало. Итак, мы покажем вам, как сделать простой цифро-аналоговый преобразователь из доступных материалов. Кроме того, вы можете легко расширить его до неограниченного разрешения.

Без лишних слов, вот шаги:

Шаг 1: Сбор материалов

Вы можете либо заказать набор материалов, либо собрать их самостоятельно. Вам понадобится печатная плата, резисторы, конденсаторы, диоды и плата XMOS.

Шаг 2: Установите компоненты

Первое, что вам нужно установить для этого проекта, это резисторы и конденсаторы на печатной плате. Установите резистор на 470 Ом, а затем конденсаторы. Но, вы должны установить самый большой конденсатор перед установкой других в соответствии с маркировкой на плате.

Также не забудьте припаять кварцевый резонатор. Во-вторых, устанавливайте диоды в одном направлении, чтобы не ошибиться. Наконец, установите разъемы в соответствии с маркировкой на печатной плате.

Шаг 3. Подключите плату XMOS

Если вы хотите, чтобы ваш ЦАП имел входы SPDIF и USB, вам необходимо приобрести специальную плату (плата XMOS). Итак, купив карту XMOS, установите на нее все необходимые разъемы и монтажные стойки.

Примечание: эти компоненты входят в комплект.

Если на этом этапе у вас возникнут проблемы, возможно, дело в конденсаторе. Попробуйте поменять местами меньшие конденсаторы. Это должно решить проблему.

Шаг 4: Сборка платы управления и дисплея

ЦАП имеет различные переключаемые входы и различные режимы работы; для этого требуется панель управления и индикации. Вы можете найти эти компоненты в комплекте. Затем следуйте инструкциям на печатной плате для установки платы управления и дисплея. Наконец, подключите провода и дисплей, и ваша схема готова.

Шаг 5: Первое тестирование

Проведите первое тестирование схемы и убедитесь, что все работает нормально. Если ваша первая проверка показывает, что все работает нормально, все готово.

Шаг 6: Выберите трансформатор

Вам понадобятся три регулируемых источника питания для вашей платы: 2 × 15 вольт, 9-12 вольт и 9-12 вольт. Обмотка 2х15 состоит из 9-12 вольт с отводом от середины. С другой стороны, два трансформатора на 9-12 вольт имеют независимые обмотки. Так как потребление платы дефицитное, нужно всего около 5-10 Вт.

Шаг 7. Сборка корпуса

Теперь, когда у вас есть источник питания и схема, на очереди корпус. Вы можете использовать корпус от спутникового ресивера или другого оборудования, подходящего для вашей схемы. Однако для установки платы внутрь корпуса может потребоваться некоторая механическая работа.

Различные корпуса

Если вы не можете найти корпус для своей доски, вы можете в качестве альтернативы купить готовые версии онлайн.

Шаг 8. Установка передней панели

У вас могут возникнуть небольшие проблемы при установке индикатора на передней панели. Кроме того, это также требует некоторой механической работы для исправления.

Шаг 9: Окончательная сборка

Соберите блок питания с печатной платой, двумя трансформаторами (-15 +15 В для первого и двумя обмотками по 12 В для второго). Наконец, установите все в свой корпус.

Шаг 10: Окончательная настройка

Разместите выход для наушников и установите внутрь корпуса любой усилитель класса А для наушников.

Кроме того, если вы планируете использовать свое устройство с USB-подключением, вам необходимо загрузить драйверы и правильно их установить.

Примечание: вы можете модернизировать свой ЦАП, проводя эксперименты и заменяя конденсаторы и усилители. Однако, если эти обновления не дают лучших результатов, вернитесь к исходным компонентам.

Факторы, влияющие на процесс преобразования

Не все преобразования требуют одинакового времени счета. Некоторым может потребоваться больше времени, а другим может потребоваться меньшее время счета. Типичное время преобразования составляет 4,1 мс/2 -= 2,05 мс. Это может быть хорошим значением.

Однако это значение даст 2 x 244 = 488, что означает в среднем 488 конверсий.

Таким образом, чем медленнее тактовая частота, тем меньше конверсий в секунду. Кроме того, преобразователь с низким разрешением (меньшее количество ступеней счета) будет иметь более высокую скорость преобразования.

Еще одним фактором, влияющим на процесс преобразования, является точность. Точность компаратора определяет точность преобразователя.

Final Words

Цифро-аналоговый преобразователь является важным компонентом всех аудиоустройств. Большинству этих устройств необходимо общаться с реальным миром. Таким образом, они должны преобразовывать цифровые сигналы в аналоговые сигналы.

Кроме того, вы можете использовать четыре типа ЦАП для своих проектов, включая дельта-сигма ЦАП, ЦАП с бинарным взвешенным резистором, сегментированный ЦАП и ЦАП с двоичной релейной диаграммой.

Вот и все, что вам нужно знать о цифро-аналоговых преобразователях. Если у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы будем рады помочь.

проектных предложений DAC | diyAudio

#6