Popisovaný přístroj slouží k převodu digitálního signálu ve formátu S/PDIF (AES3) na analogový signál. Lze jej použít pro jakékoli zařízení s výstupem digitálního nekomprimovaného audiosignálu (stolní přehrávač CD nebo DVD, minidisk, zvuková karta PC, mechanika CD-ROM). Zařízení nemá signálový procesor, a proto není schopné přehrát komprimovaný, vícekanálový či zakódovaný signál (AC3, mp3, resp. mpeg). Oddělený převodník může zlepšit odstup signálu od šumu a zmenšit rušení, což se projeví zejména u zvukové karty PC.

Technické údaje:

• Rozlišení převodníku: 24bitů
• Vzorkovací kmitočet *): 2 až 50 (100) kHz
• Napájecí napětí: 9 až 15 V
• Odběr proudu: méně než 100 mA

*) Převodník byl zkoušen jen pro signály se vzorkovacím kmitočtem 32 kHz (minidisk), 44,1 kHz (CD) a 48 kHz (zvuková karta PC). Pro nižší kmitočty bude třeba upravit filtr smyčky PLL, pro vyšší doplnit obvod děličkou dvěma, viz text.

Popis zapojení:

Pro převod digitálního signálu existuje celá řada speciálních obvodů, lišících se složitostí zapojení a kvalitou výstupního signálu. S těmi „jednoduššími“ lze postavit jednočipový převodník s malou spotřebou a odstupem signál - šum 60 až 80 dB. Pro větší odstup signálu od šumu je třeba oddělit vlastní převodník od digitální části. „Vícečipové“ převodníky dosahují odstupu od šumu až 120 dB, velmi však záleží na správném návrhu desky s plošnými spoji. Všechny tyto obvody mají bohužel zásadní nedostatek - v prodejnách s elektronickými součástkami je nevedou a velmi špatně se shánějíí. Pro zde popsaný převodník jsem použil obvody Crystal (Cirrus Logic), které lze koupit u firmy HT Eurep (www.hte.cz). Jádro převodníku tvoří dva obvody - přijímač a dekodér signálu S/PDIF (resp. AES3) a vlastní převodník D/A.

Přijímač signálu S/PDIF CS8415A je velmi zajímavý obvod. Podle logické úrovně na vstupu H/S může pracovat ve dvou zcela rozdílných módech. Zvolíte-li softwarový mód, musíte po zapnutí (resetu) obvod programem nejdříve nastavit. Přijímač bude mít 7 vstupů, které lze softwarově přepínat, a z registrů lze přečíst všechny možné subkanálové informace, které jsou ve vstupním signálu obsažené. Interface obvodu umožňuje různé způsoby připojení řídicího mikrokontroléru a několik formátů výstupních dat.

Zvolíte-li hardwarový mód, nepotřebujete mikroprocesor, musíte však některé funkce oželet. Téměř polovina vývodů obvodu změní význam a požadovaná funkce obvodu se nastavuje pull-up a pull-down rezistory na třech vývodech. (Tj. rezistory, připojenými z vývodu na napájecí napětí nebo zem.) Podmnožina funkcí dostupná v hardwarovém módu je vybrána velmi účelně, a pokud nepotřebujeme přístup do registrů obvodu, případně měnit průběžně funkci či nastavení obvodu, bez mikroprocesorového řízení se obejdeme. Podrobnosti lze nalézt v obsáhlém katalogovém listu [2]. V popsaném převodníku je používán hardwarový mód obvodu.

D/A převodník CS4334 používá v základním módu osminásobné převzorkování vstupního signálu. Zmenší se tak šum a hlavně velmi zjednoduší výstupní filtr, který je už částečně integrován. Za sigma-delta převodníkem je v obvodu zapojen digitální a analogový filtr. Pro běžné účely pak stačí na výstup obvodu zapojit jednoduchý člen RC.

Obr. 1. Schéma zapojení
Fig. 1. DAC circuit

Zapojení převodníku s přijímačem S/PDIF je na obr. 1. Vstupní digitální signál prochází přes C1 na vstup přijímače. Diferenční vstup přijímače je na vývodech RXP a RXN. Přijímač je schopen zpracovat signály od několika desítek milivoltů po jednotky voltů. Rozpojíme-li propojku J1, můžeme na vstup připojit signál v úrovni TTL, např z výstupu CD-ROM nebo z optického přijímače. Do hardwarového módu je obvod přepnut úrovní H na vývodu 24. Rezistory R5 až R7 je nastavena funkce obvodu. Logické úrovně na vývodech 3, 18 a 28 se přečtou po resetu obvodu, dříve než se tyto vývody přepnou na výstupy.

Součástí přijímače je fázový závěs (PLL), který je nutný pro správnou funkci přijímače a dekodéru. Výstupní fitr fázového závěsu je připojen k vývodu 8. Napětím na tomto vývodu se řídí vnitřní oscilátor (VCO). Z napětí na tomto vývodu lze tedy usuzovat na vzorkovací kmitočet přijímaného signálu. Další možností, jak vzorkovací kmitočet zjistit (pokud by to bylo potřeba), je měřit kmitočet oscilátoru na vývodu 10 (RMCK). Při vývoji první verze převodníku jsem ve filtru PLL použil hodnoty součástek z katalogového listu (CRIP = C3 = 2,2 nF, CFILT = C4 = 47 nF a RFILT = R2 = 3 kohm). Fázový závěs však fungoval jen pro vzorkovací kmitočet (fs) 48 kHz. Aby pracoval i pro 44,1 kHz, zmenšil jsem odpor R2 na 560 ohm. Postup výpočtu filtru najdete v [6].

Dekódovaná přijímaná data jsou vedena z vývodu 18 (SDOUT) na vstup převodníku D/A. Taktována jsou hodinovým signálem z vývodu 16 (OSCLK) přijímače. Logická úroveň signálu na vývodu 17 (OLRCK) určuje, zda jsou právě přenášena data pro levý nebo pravý kanál. Kmitočet tohoto signálu odpovídá vzorkovacímu kmitočtu audiosignálu (fs). Pro činnost D/A převodníku je důležitý hodinový kmitočet (RMCK) na vývodu 10 přijímače. Je to vlastně výstup oscilátoru fázového závěsu. Tímto kmitočtem se řídí D/A převodník. Na jeho stabilitě závisí rovnoměrnost vzorků výstupního signálu (jitter). Poměr kmitočtu RMCK a OLRCK (fs) dále určuje, kolikrát je signál v D/A převodníku převzorkován. Tento poměr nemůže být libovolný, obvod CS4334 akceptuje v Base-rate módu hodinový kmitočet 256x, 384x a 512x fs. V tomto módu je funkce zaručována do vzorkovacího kmitočtu (fs) 48 kHz. Do vzorkovacího kmitočtu 96, resp. 100 kHz pracuje převodník v High-rate módu, který je nastaven hodinovým kmitočtem 128x a 192x fs. Problém je v tom, že přijímač v hardwarovém módu produkuje hodinový kmitočet jen 256x fs. Proto při přímém spojení přijímače a D/A převodníku může být vzorkovací kmitočet audiosignálu max. 48 kHz. Toto omezení lze obejít zapojením děličky hodinového kmitočtu dvěma mezi přijímač a převodník.

Pro zmenšení rušení jsou logické signály mezi přijímačem a převodníkem odděleny rezistory R8 až R11. Analogový signál na výstupu převodníku může mít rozkmit až 3,5 V. Hlavně z tohoto důvodu je filtr na výstupu realizován pouze článkem RC. Původně jsem chtěl použít kvalitnější filtr vyššího řádu s operačním zesilovačem, avšak běžné operační zesilovače (vhodné pro audio) by pro takovýto rozkmit napětí vyžadovaly větší napájecí napětí než 5 V. Naopak, zesilovače „rail-to-rail“, kterým by rozkmit signálu 3,5 V při napájecím napětí 5 V nečinil problémy, nejsou pro zesilování akustických signálů příliš vhodné. Pro běžné účely filtr RC zcela vyhoví.

Data subkanálových informací, bit U a C, jsou v sériové formě na vývodech 25 a 26 přijímače a jsou taktována signálem OLRCK. V popsané konstrukci se nevyužívají. V softwarovém módu obvodu CS8415A lze tato data přečíst najednou pro celý blok. Některé bity channel status jsou dekódovány a vyvedeny na samostatné vývody. Na vývodu 1 je to copyright bit (indikuje, zda je povoleno vytvořit digitální kopii), na vývodu 3 indikace preemfáze, na vývodu 13 indikace profesionálního módu, na vývodu 19 non-audio bit (indikuje jiná, např. komprimovaná data) a signál na vývodu 28 indikuje originální data.

Na vývodu 11 přijímače je signál indikující souhrn nejrůznějších chyb - chybu parity, kódování nebo „vypadlou“ smyčku PLL. Tento signál je indikován LED. Prakticky indikuje žádný nebo silně zkreslený S/PDIF signál, který již není přijímač schopen zpracovat. Tehdy se na výstupu D/A převodníku mohou objevit různé pazvuky. Proto se v takovém případě odpojí výstup přístroje od převodníku a připojí k linkovému vstupu. Rovněž v případě, že je nastaven non-audio bit, je výstup odpojen od převodníku. Signály RERR a non-AUDIO jsou spojeny hradlem NOR a vedeny přes konektor K9 na tranzistor T1, který budí relé. Propojkami na K9 lze nastavit trvale zapojený převodník, automatické přepínání a trvale odpojený převodník. První poloha má význam především při pokusech s přístrojem a při oživování. Druhou a třetí polohu propojky je účelné nahradit přepínačem. Lze tak jednoduše porovnat zvuk z našeho převodníku, připojeného digitálně například k přehrávači CD, se zvukem z analogového výstupu téhož přístroje.

Vždy po připojení napájecího napětí je třeba přijímač resetovat. K tomu slouží R4 a C5 připojené k vývodu 9. Na tomto místě svádí použít rezistor s odporem 1 Mohm (nebo větším) a místo drahého elektrolytického kondenzátoru použít levný keramický. Bohužel, ač je přijímač obvodem CMOS, teče v úrovni H do resetovacího vstupu proud několik mikroampér. Odpor rezistoru R4 musí být tak malý, aby na vstupu RST vybudil úroveň H. V praxi se ukázalo, že vyhoví odpor rezistoru R4 100 kohm. Při poměrně drsných testech se mi přijímač několikrát „zasekl“. Proto jsem přidal do obvodu tlačítko Sw1, kterým lze přijímač kdykoli ručně resetovat. Tlačítko je však možné vynechat, přístroj lze resetovat i odpojením a připojením napájecího napětí.

V závěru popisu je třeba se zmínit o napájení přístroje. Ve snaze o co největší univerzálnost se k napájení používá jen jedno napájecí napětí. Jím se přímo napájí relé a stabilizátor 5 V. Minimální napětí pro stabilizátor je asi 7 V. Použité relé spínalo až od 8,2 V. S minimální rezervou proto vystačíme s napájecím napětím 9 V. Maximální napětí je omezeno výkonovou ztrátou stabilizátoru SMD. Pro větší napájecí napětí je nutné použít standardní stabilizátor a relé s cívkou pro toto větší napětí. Přijímač potřebuje napájecí napětí 5 V pro napájení analogové části obvodu (vstupní tvarovač a fázový závěs) a napětí 3 až 5 V (podle některých částí katalogového listu 3 nebo 5 V). Napájecí napětí převodníku D/A je také 5 V. Ačkoli můžeme napájet všechny obvody jednotným napájecím napětím 5 V, je vhodné napájecí napětí pro digitální část přijímače zmenšit – podstatně se zmenší odběr proudu. Napětí pro digitální část je proto zmenšeno asi na 3,5 V sériově zapojenými diodami D1 a D2. Při pokusech se dvěma nezávislými zdroji se ukázalo, že napájecí napětí digitální části není nijak kritické – přijímač pracoval ještě při napětí 1,75 V. Naopak, napájecí napětí analogové části kritické je. Ačkoli se v katalogovém listu uvádí pro oba obvody rozsah 4,5 až 5,5 V, přístroj přestal fungovat při poklesu napětí pod 4,62 V. Pro zmenšení rušení je napájení převodníku D/A odděleno tlumivkou. Napájecí napětí je přivedeno na pájecí špičky nebo na konektor K2. Ten je pro jistotu oddělen diodou D4, protože síťové adaptéry mohou mít zapojen výstupní konektor s opačnou polaritou napětí.

Stavba a oživení:

Převodník je postaven na oboustranné desce s plošnými spoji, osazené převážně technikou SMT. Všechny spoje jsou vedeny po jedné straně desky, po druhé straně je plocha spojená se zemí a pět drátových propojek. Většina součástek je SMD a jsou osazeny ze strany spojů. Na druhé straně desky jsou všechny konektory, relé, tlumivka L1 a drátové propojky. Indikační LED, přepínač a resetovací tlačítko lze připojit jednotlivě přímo na konektor K9, podobně jako se připojují LED k základní desce počítače PC. Můžete také použít desku panelu z obr. 4 a s převodníkem ji spojit plochým 16žilovým kabelem. Panel lze také připojit napevno zahnutou dvouřadou lámací kolíkovou lištou.

Při osazování desky se mi osvědčil tento postup: Na desce si připravíme všecny díry pro konektory tak, abychom je mohli do desky jen zasunout a připájet. Pak osadíme propojky a součástky SMD v pořadí rezistory, kondenzátory a IO. Nakonec osadíme součástky z druhé strany desky. Pozor při osazování IO3 – je orientován opačně než ostatní IO. Tlumivku zapájíme kousek nad desku, aby se nedotýkala fólie. Stínicí vrstva ze strany klasických součástek je se zemí spojena v místě konektoru K1, případně přívodu záporného napájecího napětí (0 V) připájením přívodního drátu z obou stran desky. Nezapomeňte také propojit zem v bodě X (vedle C5) prostrčením kousku drátu a připájením z obou stran desky.

Všechny potřebné konektory jsou na desce. Konektory J1 a K5 až K10 jsou části kolíkových lámacích lišt. Ke konektoru K5 lze připojit jiný vstupní konektor signálu S/PDIF, modul s optickým přijímačem nebo digitální výstup z CD-ROM. Optický přijímač a CD-ROM mají výstupy v úrovni TTL, proto je třeba v tomto případě odstranit propojku (jumper) J1. Ke konektorům K6 (přímý výstup DAC), K7 (výstup za relé) a K8 (linkový vstup) lze připojit podle potřeby konektory cinch. Nepotřebujete-li mít v nepřítomnosti digitálního signálu přístroj průchozí, stačí nasadit na K8 dva jumpery, čímž se tento vstup spojí se zemí. Konektor K4 neosazujeme.

Oživení je snadné, přístroj nemá žádné nastavovací prvky a měl by fungovat na první zapojení. Na K9 připojíme indikační LED RERR a nasadíme jumper do pozice DAC. Připojíme regulovatelný zdroj a pomalu zvětšujeme napájecí napětí od 0 do 12 V. Napájecí proud by měl být 40 až 60 mA, při stisknutém tlačítku reset asi 20 až 30 mA. Z výstupu (K3, K7) se může ozývat šum a různé hvizdy. Je-li vše v pořádku, přivedeme na vstup digitální signál a na výstupu by se měl objevit dekódovaný audiosignál. Přehodíme jumper z pozice DAC do pozice auto. Relé by nyní mělo spínat, jen když je na vstupu digitální signál. Oživený převodník můžeme vestavět do samostatné skříňky, případně do nf (před)zesilovače, čímž tento vybavíme digitálním vstupem.

Optický vstup:

V případě potřeby lze přijímač doplnit i optickým vstupem. Propojení optickým kabelem má jednu zásadní výhodu – vlastní převodník D/A je od zdroje signálu dokonale galvanicky oddělen. To oceníte např. při propojení osobního počítače a hi-fi soupravy. Propojení těchto přístrojů běžným stíněným kabelem vnáší často do signálu brum.

Zapojení modulu optického vstupu je na obr. 5.

V modulu je použit optický přijímač TORX173 (TORX176, TORX178) a stabilizátor napětí. Zvláštní stabilizátor je použit především proto, že stabilizátor SMD v převodníku již nemá velkou výkonovou rezervu a připojení optického modulu by prostě „neutáhl“. Pokud použijete v převodníku klasický stabilizátor 7805, případně jiný s výstupním napětím 5 V, nic nebrání použít jej i pro napájení modulu TORX.

Výstup optického modulu lze připojit na konektor K5, současně je třeba rozpojit J1. Vzhledem k jednoduchosti neuvádím desku s plošnými spoji. V případě potřeby obvod snadno zapojíte na kousku univerzální desky.

Optické moduly vysílače (TOTX...), přijímače (TORX...) a optický kabel jsou dosti drahé. Neúspěšně jsem se pokušel pro jednoúčelové propojení PC a zesilovače „zbastlit“ něco levnějšího. Ukázalo se však, že největší problém není vymyslet vysílač (postačí i jen LED a rezistor) ani přijímač, ale způsob, jakým by bylo možné soustředit dostatek světla LED do optického vlákna, jehož jádro má průměr jen zlomek milimetru.

Výstupní filtr 3. řádu:

Obr. 6. Zapojení jednoho kanálu výstupního filtru 3. řádu

Výstupní filtr s článkem RC spolehlivě vyhoví ve většině případů. Ve vzácných případech by však mohly vadit zbytky vzorkovacího kmitočtu nebo útlum asi 1 dB v pásmu nejvyšších přenášených kmitočtů. V [5] je uvedeno zapojení filtru 3. řádu s vyrovnanější charakteristikou v akustickém a se strmějším zvětšováním útlumu v nadakustickém pásmu. Zapojení filtru je na obr. 6. Tento filtr jsem nestavěl, jen jsem si jej nasimuloval v programu Simetrix. Simulace ukázala, že exotické odpory rezistorů lze nahradit hodnotami z běžně dostupné řady E24, aniž by se vlastnosti filtru znatelně zhoršily. Odpor R1 a R3 lze použít 1,2 kohm, R2 4,7 kohm a R4 lze nahradit sériovou kombinací 4,7+1,2 kohm.

Seznam součástek:

Všechny rezistory a keramické kondenzátory jsou ve velikosti 1206.
xxxx výrobcem IO doporučená hodnota, (yyyy) použitá hodnota (lepší funkce PLL).

Závěr:

Popisované zařízení skvěle poslouží jako univerzální Audio DAC převodník s dekodérem SPDIF pro různá testování, nastavování pro vestavbu do jiných zařízení apod. Jediný problém může být s dostupností obvodu CS8415A, který se již nevyrábí a byl nahrazen obvodem CS8416, který je pinově kompatibilní.   

Odkazy a Download:

Oficiální stránka autora: http://www.belza.cz/ 

Položky 1 až 6 lze stáhnout z Internetu na adrese http://www.cirrus.com

[1] Overview of digital audio interface data structures. AN22, Cirrus Logic.
[2] Katalogový list obvodu CS8415A (cs8415a-3.pdf). Cirrus Logic.
[3] Katalogový list výukové desky k obvodu CS8415A (cs8415aeb.pdf). Cirrus Logic.
[4] Katalogový list obvodu CS4334 (cs4334.pdf). Cirrus Logic.
[5] Katalogový list výukové desky k obvodu CS4334 (cs4334eb.pdf). Cirrus Logic.
[6] PLL filter optimization for the CS8415A, CS8420 and CS8427. AN159, Cirrus Logic.
[7] McAnally, R.: S/PDIF Digital to Analogue Converter. http://sound.westhost.com/project85.htm
[8] S/PDIF-Checker. Elektor 1/2002, s. 48.
[9] Mini-Audio-DAC. Elektor 7-8/2002, s. 46.

Autorem zapojní je Vladimír Hejtmánek