Аудио ЦАП DAC. Поделки начинающего цапостроителя. Часть 19. ЦАП на AK4137EQ+AK4490EQ. Конверсия форматов на лету

На столе AK4137EQ+AK4490EQ.
До этого я рассказывал, что я делал с контроллерами в связке с некими ЦАП и как оно работало, но не приводил ни схем, ни плат полного устройства. Не все возможно уместить в формат одной публикации, но я постараюсь рассказать о полноценном устройстве, которое я собрал и которое работает.

Как вам известно, я немного занимаюсь в свободное от работы время тем, что пытаюсь собрать или создать что-то, что принимает цифровой сигнал с компьютера и преобразует его в аналоговый с помощью набора микросхем. Набор микросхем, с которым я работаю, обычно самый разный, но, как правило, обусловлен тем, что я могу добыть. Выбор мой обычно продиктован случайной информацией из форумов, сообществ и общественного мнения.
Например: «PCM63 — 20 бит, один из лучших, существующих в мире Аудио». Один из лучших — да. Лучший — нет. Но на тот момент это была некая «истина».

И пока я на практике проверял эту «истину», некое Научно-Производственное Объединение (НПО) «Asahi Kasei Microdevices» из японского города Токио создавало и создало то, что я на данный момент могу с определенной долей истины назвать шедевром в мире цифро-аналогового преобразования для бытового применения, да и для профессионального наверное тоже. Ещё в те босоногие времена, когда я начинал, я попробовал продукцию этого НПО вскользь, и у меня была возможность сравнить работу этой продукции с продукцией конкурентов, в равных условиях. И эта продукция мне понравилась. Она как-то немного выделялась среди остальных аналогичных. Звуком.
И, что особенно для меня ценно, вменяемо и грамотно написанный даташит — а ведь НПО-то японское! Удивительно, не правда ли? А ведь понимать даташит — это очень многое для разработчика.
Вот, даже адрес с картой у них есть:


Но что-то я отвлекся. Как многие уже догадались, я расскажу вам о ЦАП, который я могу смело назвать «мультиформатным». В его конструкции применены передовые разработки Asahi Kasei Microdevices, которые я смог купить и пощупать, и поделюсь всем, что наработал с вами.

В предыдущей статье я рассказывал, как мы безуспешно пытались узнать у их маркетологов, что означает и как работает интересная функция Sound Control у их топового чипа AK4490EQ, и чем это в результате закончилось. Теперь я понимаю — что инженеры там с простыми людьми не могут общаться без одобрения отдела маркетинга.

Ну и ладно, я пошел дальше. Мне было интересно, что там ещё у них нового.
А там есть ещё кое-что. Например, раздел — Premium SRC. Ну SRC и SRC, что, не знаем мы, что это такое?
Оказывается, не всё мы знаем.

Что такое SRC – можно нагуглить массу материала. Но именно этот SRC интересен тем, что может аппаратно производить конверсию с PCM в DSD и обратно! Аппаратно, дорогие датагорцы! То есть чарующие звуки DSD формата я могу получить, не имея этого самого DSD физически. Интересно, не правда ли?

Зовут чип AK4137EQ. Когда я скачал и почитал даташит, я понял - это оно. То «оно», что займет все мои мысли на ближайшее время. Но! Микросхемы не было в продаже полгода.
Не было ни у мегаселлеров, ни у китайцев, хотя на сайте «Asahi Kasei Microdevices» оно уже было анонсировано давно.
Это стало целью! А цель нужно или достигнуть или забить на нее. И я её достиг. Она в продаже появилась и у мегаселлеров и у китайцев примерно в одно время. Я заказал у вторых, по опыту зная, что это не всегда плохо.



Спустя некоторое время меня на почте поздравили с прибытием! И вот оно, это чудо инженерной мысли, слева:

Справа то, что планируется поставить на выход.

Почему не АК4495? — спросят те, кто уже ходил на сайт НПО.
Если сравнить даташиты AK4490 и AK4495, которая является более «топовой», то AK4490 явно лучше. Странная политика?

Хорошо, хватит пустых разговоров, начну я потихоньку техпроцесс. За основу, как обычно, возьму то, что уже у меня отработано и работает.
Все схемы рисовались уже после изготовления плат и после запуска устройства — так что возможно незначительное расхождение схем и плат. Платы рабочие 100%.

↑ Устройство ввода или входная часть для цифровых сигналов (IN)

Ввод данных I2S или SPDIF. Небольшое пояснение. В качестве источника я применяю несколько устройств на базе XMOS процессоров типа USB-I2S Audio.
Помимо стандартного I2S, источники выдают сигналы DSD/PCM, MUTE, переключают сетку частот 44х/48х, а также переключают сам ЦАП в режим MASTER/SLAVE. В общем, всячески стараются показать, что их деятельность важна для меня и не только.

Все гальванически развязано — так я уже привык. Некоторые «случайно» сгоревшие устройства немалой цены так жалко провожать в последний путь — случаи были.

I2S едет через IL715. Клок обратно на источник — через ADUM1100. Статические сигналы — оптопары РС817.

Соединение — три разъема RG45. Они у меня есть. Есть и SATA кабели. Хорошее сочетание — я проверил. Неплохи также патчкорды CAT-7 — в экране.
Переезжать на HDMI мне не хочется — слишком много придется «перепахать» в системе и не уверен, что оно даст какой-то прирост. Цифра всё же не аналог, тут немного проще.

Формат SPDIF для меня некий рудимент, поэтому его поддержка второстепенна.
Приемник SPDIF в лице AK4113 я даже не стал заводить на SPI, он работает в «хардварном» режиме. Сигнал MCLK не используется в любой сетке — это делает SRC чуть лучше, чем сам приемник.

При включении любого входа SPDIF – ЦАП становится мастером и тактируется от встроенных генераторов. Сетка выбирается от частотомера. О частотомере отдельно.

↑ SRC

Здесь находится сам SRC, переключатель сетки частот, а также источников MCLK.
В зависимости от режима PCM или DSD – сигналы от источника подаются через мультиплексор на текущие входы AK4137. У AK4137 вход DSD и PCM – это «два разных человека» (с).

Управление — SPI, кроме множителя.
Я его так и не смог заставить работать через SPI. То есть режим апсемплинга или даунсемплинга выбирается сменой логических уровней СМ0-СМ1-СМ2. СМ3 — висит в 0 постоянно — см. даташит. Мне наверное *китайцы не то подсунули или я не дочитал даташит — это бывает.

Режим Bypass не стал использовать, как и Dither, как бы излишний функционал. Хотя пощупал. Разницы не ощущается и не измеряется.
Bypass вообще вычислить сложно — я прочуствовал это еще с SRC4192, он просто ставит вход и выход например 44100, а что там делается внутри — не ясно. Проще объехать SRC целиком, только вот надо ли?

↑ DAC

Для питания ЦАП применены «прецизионные» стабилизаторы ИОН — фильтр — ОУ.
Должен же я когда-то их попробовать? Вот и попробовал!

Выхлоп — даташит и там и там.

↑ Mainboard

Здесь всё. Это родина, это источник всего, это дом родной.
Питание, связь с контроллером, ушной усилитель — тоже здесь.
На то она и mainboard. Также крепление всего, что сверху.

Самая сложная в изготовлении по технологии ЛУТ, потому как большого размера.

Для управления всем этим хозяйством нам потребуется контроллер STM32. Почему он? Глобальность идеи вы поймете в процессе моего рассказа далее.

Что Atmega328 не хватит я знал ещё на этапе проектирования плат. Основная проблема — невозможность измерения частоты в реальном времени через прерывание без применения прескалеров и без сложных алгоритмов типа «измерил 4 раза, сравнил, отдал юзеру не экран». Частотомеры вида PIC или Mega8 меряют частоту легко, но, немного не в реальном времени. Я не могу ждать, пока оно померит и переключит режим. У меня наушники и уши наготове. Да и ощутимо медленнее она.

↑ STM32

Задача — работать с Arduino. И тут мы можем выбрать из варианта STM32F103RCBT6 (слева) и STM32F103RC8T6 (справа). Внимательные читатели заметили разницу в одном символе. Разница небольшая, но существенная — у индекса «В» мозга в два раза больше, чем, в «8». А засада вся в том, что это не только разные контроллеры, но и разные платы. Наша более умная плата отзывается на имя Maple mini (когда авторы дают имена, они о чём думают?).

Если захотим работать дальше, то желающие могут сходить сюда.
Скачать нужное отсюда.
И получить это:

Шьется оно через USB порт, в этой версии программатор ST-Link не требуется!

Но погодите, надо ещё дисплей. Такой, как обычно, подойдет:

Экранчики SPI на базе ILI9341. Можно 2,4 или 2,8 — не важно.

Графические библиотеки занимают примерно 80% от размера конечной программы, поэтому много памяти лишним не будет. Да и не только нужна память, а нужно работать со всеми ногами, что не может девайс на STM32F103RC8T6. У него некоторые GPIO даже после их задания в программе работают не так, как задумано мной. Набор граблей я уже прошел в процессе работы с ней в предусилителе.

↑ Вот схематика модуля управления

Все управление сводится к четырем кнопкам.

IN — выбирает нужный вход. I2S/SPDIF COAX/SPDIF OPTICAL

MODE — выбирает режим работы ЦАП, точнее режим конвертирования DSD-PCM или наоборот.
Всего их шесть:
PCM-PCM, PCM-DSD, DoP — PCM, DoP — DSD, DSD — DSD, DSD — PCM.
Первые четыре работают в потоке РСМ, следующие два — в DSD.

SAMPLE — рулит непостредственно частотой выборки (resampling).
В режиме РСМ это 44/48, 88/96, 176/192.
В режиме DSD — DSD64/DSD128/DSD256.

FR — режим работы ЦФ для РСМ. При DSD - не активно.
Играемся с пятью режимами — SLOW, SHARP, Short Delay SLOW (SHSL), Short Delay SHARP (SHSH) и Super Slow.

Хотел еще запихать принудительную смену сетки частот и переключение мастер/слейв, но передумал — в принципе эти режимы выбираются на источнике, а не на ЦАП.

В схеме задействованы почти все ноги, кроме USB-хоста, и ноги 32.
Ну ещё пара в резерве — можно и zero detect подключить или пару кнопок.

По 32-й ноге я наступил на грабельку. Дело в том, что она завязана на кнопку boot, которая манипулирует бутлоадером. И при подаче питания она должна быть или свободна, или отконфигурирована как выход.
В противном случае, если при подаче питания на ней окажется низкий уровень (аналог нажатия кнопки boot) — то бутлоадер игнорируется, и контроллер не грузится. Эта кнопка вообще нужна ещё и для очистки прошивки в случае ее «зависания».

Я же, как мне показалось удобнее, сконфигурил эту ногу как вход монтироинга состояния SRC — srcen. А он, как только все нужные клоки на него приехали, сразу валится в 0 и не дает грузиться контроллеру.
Пришлось srcen перенести на другую свободную.

Ещё одна грабелька вылезла в процессе. Оказалось, что частоту DSDCLK мы тоже измерить не можем (там сложное соотношение работы прерывания и тактов процессора ). Короче, прескалер всё равно потребовался.
Точнее делитель. Устроил бы делитель на 50-100.

Но, как выяснилось, в залежах хлама и дребедени не нашлось ни одного десятичного счетчика! А заказывать и ждать месяц — как то не интересно. Зато были в наличии 74AC74. Это сдвоенный D-триггер. На нём можно слепить делитель на 2, а на одном корпусе — делитель на 4! А если их включить три штуки паровозиком — то получится делитель на 64.
И что удивительно, результатом деления будет как раз исходная частота семплов!
DSD64 — это аналог РСМ44,1. То есть 44100*64 = 2822400Гц. Именно частота битклока для DSD64.

Я думал ровно три секунды — пока включал фен, чтоб сдуть недостающую пару 74х.

Поэтому плата делителя установлена вертикально на уже разведенной плате модуля управления рядом с контроллером.

Вот он, слева. Перпендикулярно основной плате.

Ну и код программы в этом случае будет проще — не надо вводить коэффициенты для интерпретации результата.

↑ Программа

Саму программу детально описывать не буду, там больше 2000 строк кода.
Хоть и коряво, но постарался написать её сам, без помощи коллеги-программиста. Хотя частотомер — его работа.

Весь обмен по spi выведен в отдельные подпрограммы, это сэкономило память, программа разбита на две части — под DSD и под PCM. Рабочие переменные (режимы работы, формат, режим ЦФ) — все пишутся в EEPROM.

После перезагрузки ЦАП включается с последней конфигурацией.
Код постарался максимально откомментировать. Колхозно, зато свое!

Программа писалась уже тогда, когда устройство было собрано, проверено и включено.

Из-за своей глупой ошибки, а точнее бездумного копипаста своего же кода, я долго не мог понять, почему AK4137 не принимает поток DSD. Сломал мозг и чуть не сломал саму AK4137. Всё оказалось настолько просто, что я долго сыпал себе пепел на голову со всех найденных по конторе пепельниц.

Я её загонял в режим DSD IN, но при этом физический адрес регистра, куда пишется эта команда, задавал не 03h а 02h! Естественно она не понимала, что я от неё хочу, вот только сказать не могла! Пришлось после этого в программе жестко назвать все адреса регистров, чтоб больше не путаться.

↑ Вывод на экран

Ну а с дизайном вывода на экран как обычно не справился. Поставил себе двойку в зачетку, буду дальше думать и учить матчасть, а пока несколько видов экрана:

Грязь и пыль на экране — это защитная пленка, не снимаю до установки в корпус.

Вообще, вариантов экранов можно наляпать много. Сверху прямоугольники — индикация того, что переключают кнопки. Снизу — реакция системы. Если нет захвата SPDIF или SRC не готов — соответствующий квадратик будет красным.

Верхняя частота — реально измеренная и переведенная с округлением в читаемый вид.
Нижняя — фактическая на выходе, но уже не измеренная, а соответствуюшая текущей конфигурации и это проверено осциллографом.

Вот этот красивый «цифровой» шрифт, фишка новой библиотеки, но, к сожалению доступны только цифры от 0 до 9, точка и двоеточие.
В сумме, получается такая вот незамысловатая картинка.

Не упомянул БП? Косяк, однако… Но он мой, «стандартный»! LLC-резонансник на FSFR1700 (1800 - 2100). Я про него уже говорил, и не раз.

Осталось запихать набор блоков в корпус.

И можно слушать. Но ведь интересно, что там такое на самом деле то происходит.

↑ Измерения

Померить THD на синусоидальном синтетическом сигнале — это легко и просто. Было бы чем мерить. Погонять синусоидальный сигнал всего то.

Я усложню задачу. Скормлю ему не синус, в меандр — пусть подавится!
И при этом радостно погляжу, потирая руки, как он, бедный, вылезет из этой непростой ситуации!
Запускаю на вход обычный РСМ (а DSD не так просто выгнать на тест).
Вход с источника - 44,1кгц, 24 бит, выход на цап — формат РСМ 24 бит 44,1 кгц. 44,1 кГц выбран по двум причинам: во первых это самый распространенный формат, во вторых - минимальное число отсчетов, и особенно на высоких частотах.

На выходе ОУ OPA627, если это важно. Осцилл висит на выходе фильтра-вычитателя. Режим DC – чтоб не было емкостей в тракте.
Меняю только настройку ЦФ.

Фильтр SHARP. Красиво?

Да погодите, сейчас будет интереснее!

SLOW. Даже ровнее всё.

А вот:

Short Delay SHARP. Ух!

А если:

Исправилось!

Но есть еще:

Коронный Super Slow! Шикарно!

А если конвертнуть этот сигнал в DSD? А?

Меандр! Причем формой не зависим от частоты. То есть и на DSD64 и на DSD128 или DSD256 – разницы не заметно.

Но я просто так от него не отстану! А как он себя поведет не на 1000Гц, а на 18000 например? Меандр в этом случае невозможен даже при 192 кГц, а вот восстановить синус можно попробовать.
Вход 24 бит, 44,1кгц, 18500Гц (от балды). Выход тот же 24 бит 44,1кГц.
Фильтр SHARP:

Красиво? А вы её в исходном виде не видели?


Далее - SLOW. Ну тоже неплохо восстанавливает.
А если Short Delay Sharp?

Да тоже самое!

А Short Delay Slow?

По сути на этих частотах не сильно заметно как работает ЦФ.

До тех пор, пока не включим магический Super Slow!

Он старается, хоть и покорежило его сильно!

А если все это, да в DSD?

Интересно, правда? И если глянуть на то, что отдаёт аудиоредактор на этой частоте, то я бы сказал — неплохо!


А теперь дружеский силикатный кирпич в огород любителей NOS.
Я понимаю, почему меня не «вставила» TDA1541 и почему Hi-res все же имеет право на жизнь... Возьмем самый «показательный» режим ЦФ — Super Slow.
44,1кгц, частота, кратная fs- 11025Гц ( а на других частотах страшнее).

То есть почти без восстановления. А если добавить отсчетов? Например, выдать формат на ЦАП в 88,2кГц?

Наглядно работает ресемплинг?

А так? Это 176,4кгц — в 4 раза!

Я дал ему синус, и только на 4х ресемплинге он его более-менее восстановил!

А как там наш DSD?

Этот формат для меня пока загадка! Как ему это удается? (чешет репу)
Причем на любом FS(DSD64→DSD128→DSD256) – одинаково.

Когда захотите сказать что NOS – это круто, а ЦФ — зло, поглядите на картинки и вспомните, что любые живые инструменты, кроме синтезаторов, имеют гармоническую природу звука, а значит стоит ли убеждать себя и других, что NOS - верно и правильно. Хотя о чем я? Пусть это останется просто как информация для размышления.

По сложившейся традиции попытаюсь провести измерения с помощью традиционного программного обеспечения.
То, что показано ниже — только для информации и оценки работы — потому как эти «наколенные» методы измерений для меня загадка. Нормального оборудования к сожалению нет.

В качестве измерительного АЦП был использован Asus U7. Чесно признюсь, Creative был лучше. Например, этот товарищ показывает лучшие результаты по кольцу для режима Audio Class 1, чем для Audio Class 2 с нативным драйвером, хотя должно быть наоборот. А связка ASIO+RMAA вообще работать отказывается — просто падает и всё.

Приведу ниже режимы, которые меня заинтересовали:

Долго я не мог понять, почему в режиме РСМ у меня идёт серьезный спад АЧХ. Перепаял конденсаторы в фильтре—вычитателе. Не помогло. Пока не посмотрел, какой режим ЦФ у меня включен. Оказалось — магический Super Slow. Оказывается это его рук дело!

↑ Шум

Так как у меня напряженная шумовая обстановка, то её результат на экране. Оно меняется, если вертеть кабель, ЦАП и АЦП в пространстве. На слух не слышно. Горб на 20 кГц — работа Asus. Грешил на ноутбук, но переключив на стационар — эффект остался.

Шумы для режима РСМ и DSD не отличаются.

Сначала думал, что перепутал графики. Но нет — в заголовке видно режим измерения.

↑ Гармоники

Тут вообще что попало.

Но интересен ражим DSD256. Грешил на срез фильтра, менял ОУ.
Результат ниже. Помимо общего роста уровня шумов, еще и появляется пара интересных всплесков выше 10кгц. Природу объяснить не могу — но оно есть.

Лес гармоник вокруг основного тона — работа АЦП измерителя. На другой карточке этого нет.

Вообще, то, что рисуют эти программы, не всегда можно однозначно оценить.
Ниже — график SpectraLab для режима РСМ. Результат совсем другой.

А если «измерительный» ноутбук отключить от розетки — то имеется выигрыш еще 2-4Дб к результату. Вот так.

↑ Звучание

Теперь нужно что-то сказать о звуке...(снова чешет репу)
Здесь сложнее. Мой PR-менеджер как обычно в бессрочном отпуске, поэтому я немного отвлекусь, и расскажу вам маленькую, но интересную историю.

В один пасмурный субботний день я слушал музыку и поглядывал, что произошло интересного в мире самодельщиков. Наткнулся на одну тему, где обсуждали, как правильно готовить «выхлоп» для ЦАП. Помимо очередной попытки обмануть физику, живо обсуждался такой серьезный вопрос, как, например, сколько сантиметров отступать от вывода питания аналоговой части ЦАП, и какого типа, вида и размера должен там стоять конденсатор. От этого, оказывается, так сильно меняется звук, что если ошибешься хоть на 1 мм — тебя ждет неминуемый крах и вечный позор в сообществе аудиофилов.

Как обычно, мнения разделились на тех, кто в теме и познал уже «дзен» и тех, кто еще нет.

Я, как обычно, отношусь к последним, поэтому меня это заинтересовало.
Нет, не подумайте чего, чисто из академического интереса!
Как в обычном обсуждении, сторонники круглой и квадратной монтажной площадки разделились на два лагеря и вяло перекидывались кирпичами в огород противника.

И тут вылетает юзер «vasya_pupkin_2536»! Резко тормознув свою белую, слегка побитую молью лошадь, он воскликнул:
- Чтобы проверить, насколько ваш ЦАП аудиофильский, нужно послушать композицию группы «The Green Ted*», альбом «Second Mental*», трек «Under the fence is well* »!
Там, после 2.45, на «два часа» (это направление при правильно! расставленных АС) три раза мяукнула кошка. Короче, кто её не слышит, немедленно несите свою систему на мусорку!
- Вот у меня, на «Gipper DAC7,3*+ Black AMP2,0* + Зеленый в крапинку межблочник* и АС* от «Mega Sound*» Дынц4,4*», ее можно даже погладить!

И, высекая искры из под копыт, стартанул дальше... Народ слегка опешил…
Ну понятно, все каждый день по три раза именно этот трек слушают и слышат! Или нет? Мнения снова разделились.
*Все названия выдуманные — см. disclamer в начале статьи.

Эх, пойду-ка я ознакомлюсь с творчеством вышеуказанной команды! Напряг известный торрент-трекер, скачал и начал слушать…

Ну что вам сказать? Слышу, причем слышу на всех своих ЦАП. Даже ради интереса попробовал встроенный Realtek как источник SPDIF.
Каюсь, межблочник не стал греть или переворачивать, так как без этого результат положительный! Но!
Если бы этот товарищ мне не сказал, что там есть эта кошка — не поверите, я бы даже не обратил внимания на этот милый артефакт! Он качественно замаскирован общей картиной, и если специально не ждать, то и не заметишь.


Поэтому, я не ищу в своих девайсах каких-то плюсов и минусов - я их просто слушаю.
В работе сейчас РСМ63+SM5842, PCM1701+DF1706 и вышеописанный девайс.
Первые два почти неотличимы, а вот АК звучит как-то шире и глубже, причём даже не на всех фонограммах. И всё, больше сказать нечего.

А вот, например, топовую DS от ВВ — PCM1794 я долго слушать не могу, она меня утомляет. Вроде всё есть, и не втыкает! И подобное мнение не у меня одного. Поэтому после нескольких вариантов конструкций на ней все-же разобрал и сложил в коробочку. Видимо готовить ее я не умею, хотя вроде всё делаю в пределах документации.

То же самое и с PCM1798 – стоит, пылится. А РСМ1795, несмотря на заманчивые 32 бит, лежит нераспечатанная уже несколько лет, и не думаю, что я ее использую когда-либо. Тогда он произвел впечатление, сейчас уже нет — видимо старею...

А с продукцией вышеуказанного НПО у меня как то все складывается положительно. И АК4396, и АК4399, и AK4490EQ — все они прекрасно работают, не капризничают, и радуют меня. А ведь уже вышла AK4497, вы в курсе? Теперь вот новый рубеж для изучения появился.

Если будет интересно — расскажу об опыте работы с CPLD или по-нашему — ПЛИС. Я её немного пощупал — оказалось все сильно проще, по крайней мере на начальном этапе.
Нет, не будет детального разбора — но на уровне «впаял, зашил, заработало» - легко!

↑ Файлы

🎁Платы, код программы, схемы в высоком разрешении  426.19 Kb ⇣ 290
🎁Даташит ak4490eq.pdf  2 Mb ⇣ 118
🎁Даташит ak4137eq.pdf  2.45 Mb ⇣ 110

Ну, а на сегодня всё. Спасибо за внимание!
С уважением, Алексей

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации