DIRECTOR9001 (moduł dekodera S/PDIF) cz.2 - przetworniki z układami AD1955, ES9028, AK4490EQ, PCM5102

Fotografia 3 przedstawia zbiorczo fronty urządzeń zbudowanych z wykorzystaniem modułu DIRECTOR9001.

Przetwornik cyfrowo-analogowy audio z układem AD1955

Ten przetwornik powstał wiele lat temu. Na fotografii 3 to numer 1. Zastosowałem w nim odbiornik S/PDIF na układzie STA120, który ma gorsze parametry od DIR9001 (jitter zegara 300ps w porównaniu z 50 ps), dlatego teraz wymieniłem go na lepszy. Przetwornik wykorzystuje dwa układy AD1955 produkcji Analog Devices. Każdy układ jest stereofoniczny, ale pracuje w konfiguracji różnicowej – sygnał dla jednego kanału jest cyfrowo negowany i na wyjściach otrzymujemy sygnały w przeciwfazie, które są sumowane na wzmacniaczu operacyjnym.

W ten sposób są podwyższane SNR i DNR o dodatkowe 3 dB. Aby przetworniki mogły pracować w tym trybie, są konfigurowane przez mikrokontroler poprzez zapis odpowiednich parametrów do rejestrów przez magistralę SPI. Jeden układ jako lewy, drugi jako prawy. Interfejs I2S jest doprowadzony z odbiornika S/PDIF do obu przetworników równolegle. W interfejsie konfiguracyjnym linia zegarowa i danych SPI są wspólne, a każdy układ przetwornika ma osobno dołączone do mikrokontrolera wyprowadzenie latch – odpowiednik CS. Dzięki temu mikrokontroler może skonfigurować każdy układ z osobna.

Fot.3 Fronty urządzeń zbudowanych z wykorzystaniem modułu DIRECTOR9001

Poza wyborem trybu mono, ustawiane są też inne parametry, np. tryb PCM (bo ten przetwornik może pracować też z sygnałami SACD) oraz interfejs I2S. Poprzez magistralę SPI mikrokontroler może również regulować głośność, ale ta funkcja nie została wykorzystana. Użyty mikrokontroler to AT89C2051. Program powstał w BASCOMie.

Po skonfigurowaniu przetworników mikrokontroler włącza diodę LED i przechodzi w tryb uśpienia, aby nie wprowadzać zakłóceń. Cały przetwornik jest zabudowany w obudowie po uszkodzonym tunerze Marantz ST510 i dość mocno ją wypełnia (fotografia 4). To między innymi przez bardzo rozbudowane zasilanie. Toroidalny transformator ma uzwojenia symetryczne dla zasilania wzmacniaczy operacyjnych i osobne dla części cyfrowej oraz osobne dla analogowej (przetworników).

Płytki widoczne po lewej to wstępne zasilacze zbudowane na LT317 i LT337 wytwarzające napięcia wyższe niż wymagane. Na płytkach przetworników są jeszcze dodatkowe stabilizatory SMD wytwarzające właściwe napięcia. Układy filtrów analogowych zostały wykonane według zaleceń producenta przetwornika i na jego układach tzn. wzmacniaczach operacyjnych AD797.

Fot.4 Przetwornik cyfrowo-analogowy audio (zawartość obudowy)

Ponieważ płytka powstała wiele lat temu, oczywiście teraz wiele rzeczy zrobiłbym inaczej. Na pewno układy AD1955 nie znalazłyby się na przejściówkach, a płytki byłyby dwustronne. Mimo to urządzenie działa od wielu lat i efekty soniczne są bardzo zadowalające.

Przetwornik cyfrowo-analogowy audio z układem ES9028

Ten przetwornik to moduł zakupiony na Aliexpress. Ma wejście I2S, wyjścia zarówno RCA, jak i symetryczne XLR, wszystkie na bardzo solidnych złączach, dobrze wyglądające zasilanie (duże kondensatory) oraz stopnie analogowe wykonane na trzech wzmacniaczach operacyjnych na kanał.

Niestety firma ESS ma dość dziwną politykę i udostępnia dokumentację wyłącznie po podpisaniu umowy NDA. Dlatego nota katalogowa układu nie jest ogólnie dostępna. To bardzo nietypowe i moim zdaniem złe rozwiązanie. Większość producentów poza notą katalogową udostępnia noty aplikacyjne oraz wiele pomocnych dokumentów i narzędzi. ESS jak widać woli aurę tajemniczości. Niestety z tego powodu nie można wykorzystać wszystkich możliwości układu. W chińskim module układ ten jest konfigurowany przez mikrokontroler produkcji ST.

Dla tego układu odbiornik DIR9001 mógłby być w ogóle niepotrzebny, ponieważ szczątkowa dokumentacja informuje, że przetwornik ma wejście S/PDIF, czyli wbudowany dekoder. Brak pełnej dokumentacji nie pozwala go jednak wykorzystać.

W tym przypadku wystarczą linie LRCLK, BCLK oraz DATA. MCLK nie jest wykorzystywany. Mimo to na chińskim module jest taki pin, ale nie jest on do niczego podłączony. Rolę głównego zegara taktującego przetwornik ES9028 odgrywa generator umieszczony na płytce. Co ciekawe, ma on częstotliwość 100MHz. Po pierwsze to wysoka częstotliwość.

Dla przypomnienia, nawet przy mnożniku 512 i Fs = 44,1kHz MCLK to trochę ponad 22MHz. Po drugie 100MHz nie jest okrągłą wielokrotnością częstotliwości próbkowania, a typową wartością używaną np. do taktowania mikrokontrolerów. Świadczy to, że wewnątrz przetwornika muszą być zaawansowane układy obróbki zegara i sygnału. Niestety o szczegółach się nie dowiemy.

Fot.5 Stabilizatory napięcia umieszczone tuż przy kondensatorach elektrolitycznych

Płytka kupiona w Chinach została minimalnie zmodyfikowana. W pętlach sprzężenia zwrotnego wzmacniaczy operacyjnych były kondensatory ceramiczne 100pF – zostały wymienione na foliowe. Stabilizatory napięcia symetrycznego dla wzmacniaczy operacyjnych (LM317 oraz LM337) były umieszczone tuż przy kondensatorach elektrolitycznych (fotografia 5). Nie grzeją się one mocno, ale i tak uznałem to za lekko niefortunne umiejscowienie.

Poza tym stabilizatory wyglądały podejrzanie „chińsko”, miały bardzo cienką wkładkę radiatorową. Nigdy tak cienkiej nie widziałem, a rzekomo stabilizatory zostały wyprodukowane przez ON Semiconductor. Nota katalogowa podaje faktycznie grubość wkładki o połowę mniejszą niż typowa dla obudowy TO220, czyli możliwe, że są one oryginalne od tego producenta.

Napięcie wyjściowe stabilizatorów było lekko niesymetryczne. Dla pewności wymieniłem je na LT317 i LT337 o trochę lepszych parametrach. Teraz napięcie jest idealnie symetryczne, a stabilizatory zostały zamontowane od spodu płytki i przez podkładkę termoprzewodząca odprowadzają ciepło do spodu metalowej obudowy.

Zastosowana obudowa pochodzi z nagrywarki TV z dyskiem twardym Swisscom Bluewin TV300. Po wyłączeniu sygnału TV analogowej stała się ona bezużyteczna, a gustowna i przestronna obudowa idealnie się nadawała do przetwornika.

Zasilanie układu stanowią dwa transformatory: 2 x 15V oraz 9V. Zostały one umieszczone na specjalnie wytrawionej płytce, na której poza nimi znalazł się tylko bezpiecznik po stronie pierwotnej. Nie stosowałem po stronie tej płytki złączy śrubowych. Okablowanie jest lutowane do niej bezpośrednio.

Całe okablowanie wewnętrzne zostało uporządkowane jak najlepiej to możliwe za pomocą opasek kablowych i specjalnych samoprzylepnych uchwytów. Przetwornik ten ma na fotografii 3 numer 2. Fotografia 6 przedstawia wszystkie moduły w obudowie.

Fot.6 Przetwornik cyfrowo-analogowy audio z układem ES9028 (wszystkie moduły)

Na froncie jest zamocowana niewielka płytka z przełącznikiem chwilowym, diodami LED oraz czujnikiem podczerwieni. Przełącznik został wymieniony na przełączany. Jest on dwusekcyjny. Jedna sekcja została dołączona do JP1 i wybiera źródło wejściowe. Druga sekcja załącza jedną z dwóch zielonych diod LED. Lewa sygnalizuje wejście optyczne a prawa elektryczne.

Ostania dioda – czerwona – została dołączona do wyprowadzenia LOCK. Z tyłu obudowy, tuż przy kablu sieciowym, został zamontowany wyłącznik zasilania. Istniejące otwory na złącza zostały powiększone tak, aby pomieścić wszystkie wejścia i wyjścia.

Brzmienie tego przetwornika odpowiada mi najbardziej ze wszystkich przedstawionych w tym artykule.

Przetwornik cyfrowo-analogowy audio z układem AK4490EQ

Ten przetwornik to również moduł zakupiony na Aliexpress.

Jako obudowę wykorzystałem uszkodzone urządzenie Technics SH-R808. Był to nietypowy segment wieży – służący jako odbiornik zdalnego sterowania i regulator głośności. Urządzenie zakupiłem bez pilota oraz innych segmentów, więc nigdy z niego nie skorzystałem. Transformator sieciowy pochodzi z uszkodzonego tunera FM / DAB – PURE 702ES. Ma ono wszystkie niezbędne uzwojenia tj.: podwójne 2 x 14V oraz pojedyncze 9V.

Ostatnie uzwojenie 15V zasilało głowicę tunera FM. Zostało ono wykorzystane w bardzo nietypowy sposób. Dioda LED sygnalizująca zasilanie jest zlokalizowana skrajnie po lewej stronie obudowy. Daleko od źródła, z którego mogłaby być zasilana: kable musiałyby iść po skosie przez całą obudowę. Więc zamiast zaizolować niepotrzebne uzwojenie transformatora, dodałem mu prostownik, kondensator i rezystor, a dioda Power ma swoje osobne zasilania i kable w obudowie są ładniej ułożone.

Wszystkie zewnętrzne diody LED zostały wykorzystane. Ta opisana „muting” sygnalizuje włączenie wejścia elektrycznego. Gdy jest wyłączona, wybrane jest wejście optyczne. Dioda command eye sygnalizuje odbiór prawidłowego sygnału S/PDIF.

Urządzenie nie ma na zewnątrz żadnego przełączanego przycisku poza tym od zasilania. Tylko dwa przyciski chwilowe volume down oraz up. Aby nie modyfikować panelu przedniego i nie dodawać przełącznika źródeł, dodałem mały układ na przerzutniku D typu CD4013. Przycisk up jest podłączony do wejścia R(eset) przerzutnika i wybiera źródło elektryczne, natomiast down dołączony do S(et) i wybiera wejście optyczne.

Wyjście Q przerzutnika podane jest na zworkę JP1 DIRECTOR9001, a /Q steruje diodą „muting”. Jedyna wada tego rozwiązania to brak pamięci wybranego źródła po wyłączeniu zasilania. Po włączeniu układ zawsze wybiera wejście optyczne.

Z oryginalnego urządzenia został również wykorzystany wbudowany kabel zasilający, oryginalny włącznik mechaniczny oraz płytka z bezpiecznikami. Przełącznik napięć zasilania został wykorzystany do opcjonalnego dołączenia przewodu ochronnego do obudowy urządzenia. Przetwornik ma na fotografii 3 numer 3, a fotografia 7 przedstawia ułożenie wszystkich modułów wewnątrz obudowy.

Fot.7 Przetwornik cyfrowo-analogowy audio z układem AK4490EQ (wszystkie moduły)

Przetwornik ten nie wygląda tak okazale jak poprzedni, był też tańszy, ale ma również bardzo dobre brzmienie. Oczywiście producent chińskiego modułu nie publikuje jego schematu, ale użycie tylko jednego podwójnego wzmacniacza operacyjnego sugeruje obecność filtrów analogowych wykonanych według prostszej wersji zaleceń producenta układu DAC.

Wartości komponentów towarzyszących wzmacniaczowi też się zgadzają. W tym przypadku nie wykonywałem żadnych modyfikacji na płytce przetwornika. Układ AK4490EQ jest zastosowany np. w odtwarzaczu Hegel Mohican sprzedawanym obecnie za około 20 000 złotych. Czyli jest to potwierdzenie tezy postawionej wcześniej, że w przypadku przetworników DAC urządzenia DIY mogą być znacznie tańsze od fabrycznych.

Przetwornik cyfrowo-analogowy audio z układem PCM5102

Ten przetwornik to ostatni z modułów zakupionych na Aliexpress. Był najtańszy (cały moduł kosztował zaledwie 14zł) i najprostszy. Układ PCM5102 nie wymaga żadnych aktywnych filtrów ze wzmacniaczami operacyjnymi na wyjściu. Wystarcza prosty filtr RC.

Zegar systemowy też nie jest konieczny, jest on wytwarzany wewnętrznie z BCLK. Wyjścia analogowe nie wymagają kondensatorów odcinających składową stałą, sygnał jest symetryczny względem masy. Pomimo to układ nie wymaga źródła ujemnego zasilania, jest ono wytwarzane za pomocą pompy ładunkowej wewnątrz układu.

Mimo że chiński moduł jest bardzo prosty i mały, znalazły się na nim aż 3 stabilizatory napięcia. Wszystkie na 3,3V. Zasilają one osobno: część cyfrową, analogową oraz pompę ładunkową. Co ciekawe, na Youtube można znaleźć recenzje tego modułu nakręconą przez byłego pracownika Texas Instruments, który brał udział przy projektowaniu tego układu scalonego. Chwali on rozdzielenie zasilania.

Fot.8 Przetwornik cyfrowo-analogowy audio z układem PCM5102 (moduły)

Ten przetwornik w przeciwieństwie do poprzednich nie ma wbudowanego transformatora sieciowego, jest zasilany z zewnętrznego liniowego stabilizowanego zasilacza 9V. Nie doczekał się też obudowy, po prostu dwa moduły są zamontowane tak jak widać to na fotografii 8.

Moduł przetwornika ma zworkę, za pomocą której można wybrać format danych wejściowych: I2S oraz dosunięte do lewej. Oba zostały sprawdzone i oba działają dobrze. Docelowo został ustawiony I2S.

Mimo że ten moduł jest najprostszy, to jakość odtwarzanej muzyki jest jak najbardziej zadowalająca. W trzeciej części artykułu opisana zostanie modyfikacja odtwarzacza CD.