четверг, 28 июля 2016 г.

ЦАП из Китая или "о влиянии керамических конденсаторов на сигнал"


Чип SA9027 в USB ЦАПе из Китая

Добрый день:)

Сегодня, аудиоЦАПы не делает только ленивый. Промышленными, полупромышленными и совсем кустарными изделиями завален весь интернет.

Так как мы не ленивые, то тоже хотим сделать что-нибудь свое. И сейчас, пусть неторопливо, но, тем не менее, целеустремленно двигаемся в этом направлении.

Среди прочих задач нам предстоит решить вопрос подключения ЦАПа к компьютеру. Вариантов много, но нас, в первую очередь, интересует подключение через USB с использованием специализированных микросхем.

Конечно же, можно изготовить свой "USB контроллер" на микроконтроллере. Или собрать на ПЛИС. Эти варианты мы прорабатываем. Но они значительно более сложные и долгие,  А нам так хочется собрать что-нибудь как можно быстрее:).

В своих поисках специализированных микросхем мы наткнулись на описание чипа SA9027. По сути это простой готовый USB аудиоконтроллер. Он берет на себя всю работу с USB. Общается с ПК, получает от него аудиопоток и передает по интерфейсу I2S на ЦАП... Микросхема поддерживает прием и обработку аудиопотока с частотой дискретизации до 96 КГц и битностью до 32 бит.  Нам она должна подойти. 

Для принятия окончательного решения я решил познакомиться с микросхемой лично и провести в ее компании несколько бессонных ночей: посмотреть режимы, "пощупать" сигналы, подключить к ней какой-нибудь ЦАП...

Брать голый чип не захотели. Пришлось бы сразу разбираться со схемой включения, разводить и изготавливать плату, решать другие вопросы... А мне этого сейчас не надо. Все, что я хочу - посмотреть, что микросхема умеет. Поэтому решили взять готовое устройство. 

На бескрайних просторах нашей Родины ничего подходящего не нашлось, и мы обратили свой взгляд на восток. Алиэкспресс, как обычно, не подвел и предложил купить недорого то, что нам было нужно.

Заказали... Продавец, таможня и почта России в этот раз сработали просто блестяще, и через 12 дней посылочка уже была у нас.

Вот что мы получили:


USB ЦАП из Китая


Примечание: по-моему надпись "USB HIFI AUDIO DAC" на всю крышку смотрится так же как смотрелась бы на бутылке пива большущая надпись "БУТЫЛКА ПИВА"....

 А вот его внутренности:


Внутренности USB ЦАПа из Китая


Устройство собрано на двух микросхемах. Одна из них - USB аудиоконтроллер, вторая ЦАП. В роли ЦАПа выступает чип ES9023P.  А USB аудиоконтроллер как раз тот, который нам и нужен - SA9027:


Чип SA9027 в USB ЦАПе из Китая


Как я уже написал, ЦАП куплен нами исключительно для экспериментов. В нем нас интересует только микросхема SA9027. И все же, прежде чем его потрошить и переделывать, мы решили удовлетворить свое любопытство и, хотя бы совсем поверхностно, посмотреть, что купленный девайс умеет.

Внимание: все дальнейшие результаты измерений носят исключительно ознакомительный характер. Измерения проводились без должной подготовки, мимоходом, с помощью ПК и звуковой карты. Использованная звуковая карта первая попавшаяся. Соединительные провода также случайные и ловят сетевую помеху (проявляется в виде пиков на гармониках промышленной частоты). Так как меня интересует только уровень и спектр искажений, то уровень шума уменьшил путем усреднения измерений.

В первую очередь я провел измерения для звуковой карты с замкнутым входом:


Тест звуковой карты с замкнутым входом


После этого подключил ЦАП и выдал через него синус 1 КГц, амплитудой 1.5 В


Спектр выходного сигнала USB ЦАПа из Китая (без доработок)


Примечание: пики на частотах кратных 50 Гц - это наводки на измерительный провод. К ЦАПу отношения не имеют. А вот гармоники сигнала 1 КГц - это уже его творения.

Результат неплохой. Особенно если учесть цену девайса. Уровень гармоник низкий. Но хвост длинный. И вообще, производитель микросхемы ЦАПа обещал лучших результатов).


А теперь несколько слов о вреде керамических конденсаторов

Не все искажения, которые видны на предыдущем рисунке, созданы микросхемой ЦАПа. Часть из них сгенерирована в пассивных компонентах схемы. В мои планы не входит  доводить этот ЦАП до ума. Я хочу его распотрошить. Но прежде проведем маленький эксперимент.

Аудиовыход ЦАПа построен так:

Схема пассивных выходных цепей USB ЦАПа из Китая

В принципе ничего необычного. Развязка по постоянному напряжению и фильтр, обрезающий ВЧ-составляющие в выходном сигнале. Не будем обсуждать номиналы и частоты настройки. Меня больше заинтересовал тип конденсаторов С23 и C20. Они были керамические...

Керамические конденсаторы очень любят генерировать искажения. В зависимости от материала эффект может проявляться в большей или меньшей степени, но, по моему опыту, он есть всегда.

Сделал пару доработок:

Во-первых, для очистки совести поставил пленочные конденсаторы в качестве выходных (С22 и С19). Особого эффекта это не дало. Чуть-чуть снизились некоторые гармоники высоких порядков. 

Во-вторых, убрал керамические конденсаторы (C20 и C23) из выходного фильтра обрезающего ВЧ составляющие.


USB ЦАП из Китая с доработками в выходных цепях


Эта доработка дала более ощутимый результат. Вот спектр гармоник  ЦАПа с убранными конденсаторами С23 и С20. (снят при тех же условиях, что и предыдущий) :


Спектр выходного сигнала USB ЦАПа из Китая (убраны керамические конденсаторы на выходе)


Спектр стал значительно чище. Хорошо видно, что резко снизился уровень гармоник, начиная с третьей. Вполне логично предположить, что их источником были те самые керамические конденсаторы... 

Общеизвестный вывод: керамику не стоит использовать в аудиоцепях. 

Вроде бы это уже давно известно, но почему-то опять и опять попадаются вот такие конструкции. Стоит заметить, что таким образом керамику используют не только в недорогих "китайских" устройствах....

Вот такие результаты. Теперь впереди множество экспериментов с подключением собственного ЦАПа, прикручиванием МК для управления и т.д... Все это будет чуть позже.



С уважением, Константин М