Собираем DIY ЦАП на основе «CS4398»: решаем в «железе» недоработку в Windows 10
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 $3-5
Такой 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 $10-20
Обычный тороидальный трансформатор. Тоже неплохо подходит для самодельного ЦАПа, только устанавливайте его через резиновые прокладки, чтоб не было шумов. Цена $5-10
Обычный 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 $15-20
Тоже 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
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦАП
Функции и возможности:
- коаксиальный и оптический входы,
- работает с частотой дискретизации 32-96 кГц,
- 2-разрядный индикатор частоты дискретизации,
- 8-кратная передискретизация,
- 24-битный цифровой фильтр,
- 24-битные цифро-аналоговые преобразователи,
- цифровой деэмфазис (коррекция предискажений),
- переключаемые аналоговые фильтры третьего порядка (Бесселя и Баттерворта),
- раздельное питание цифровых и аналоговых цепей.
Технические параметры:
| номинальное выходное напряжение | 2.1 V (RMS) |
| номинальное входное напряжение коаксиального входа | 0.5 V (сопротивление 75 Ω) |
| частотный диапазон (–3 dB) | 0–fs/2 (fs=32/44.1/48 kHz) |
| 0–42 kHz (fs=88.2/96 kHz) | |
| граничная частота аналогового фильтра | 26 kHz (Баттерворта для частот fs=32/44.1/48 kHz) |
| 42 kHz (Бесселя для частот fs=88.2/96 kHz) | |
| выходное сопротивление | 100 Ω |
| отношение сигнал/шум | ≥ 114 dBa |
| искажения+шум | 0.0016% (44.1 kHz, 16-bit) |
| 0.001% (48 kHz, 24-bit) | |
| 0.0008% (96 kHz, 24-bit, b=22 kHz) | |
| коэффициент интермодуляционных искажений (60 Hz/7 kHz, 0 dB) | 0.0035% |
| разделение каналов (1 kHz) | >115 dB |
| динамический диапазон | >100 dB |
Измерения проводились при следующих положениях переключателей (см. далее):
| s1 | s2 | s3 | s4 |
| -1 off | -1 on | -1 on | -1 off |
| -2 off | -2 off | -2 on | -2 off |
| -3 off | -3 off | -3 on | -3 off |
| -4 on | -4 off | -4 off | -4 on |
| -5 on | |||
| -6 off | |||
| -7 off | |||
| -8 off |
Какой high-end без ламп?
Веселят меня полчища tube-DAC и tube-headphone-amplifier’s в ценовом диапазоне от полутора сотен до сотен долларов, наводнившие рынок в последнее время. Видать нравится народу, как шипит и искажает лампочка при 15…24 вольт анодного. Впрочем, разбор всех болячек подобных ЦАП’ов и псевдо-ламповых усилителей для наушников — тема для отдельной статьи, да не одной.
(фото справа для примера, у меня такого лампоцапа нет)
Богатая тема. Я тут лишь по верхам пробежался, аналоговую часть вообще не затронул. А уж как интересно бывает развести правильно «землю» или организовать простое и при том удобное управление аппаратом. И чего стоят одни аттенюаторы — их ведь можно выбирать разного сопротивления, строить по разным топологиям, включать в разных частях тракта. Согласование источников с нагрузкой — очень, очень интересный, знаете ли, вопрос!… Но на сегодня пора мне уже закругляться.
На старт, внимание…
С чего начать? Правильно, лучше всего с готового устройства, пусть даже и простенького, но содержащего ключевые компоненты. В Китае за US$ 50 был приобретён неплохой в общем-то набор для самостоятельной сборки ЦАП. Как я уже упоминал, китайский экономический гений не отличается особыми техническими талантами, так что всё в том наборе было по-минимуму, в точности по datasheet’ам. Разве что питание создатели набора выстроили, как им казалось, прямо-таки очень качественное: навтыкали «КРЕНок» гирляндами. Зато к наборам прилагались весьма сообразные R-core трансформаторы.
На данном этапе не стояла задача как-то особо управлять цифровым приёмником или ЦАП’ом, поэтому жёстко зашитая минималистская цепочка S/PDIF->I2S->DAC меня вполне устроила.
Сознательно не стремился найти ЦАП с USB входом. Причина простая: компьютер фонит очень сильно и пускать весь этот мусор в аудио-аппарат нету никакого желания. Конечно, есть методы, но мне до сих пор так и не попалось ни одного ЦАП с грамотной развязкой USB входа (аппараты за 1К зелёных и выше, а так же изделия российских аудио-«левшей» не в счёт).
Считаю необходимым отметить, что несмотря на все мои придирки к схемотехнике и т.п., качество исполнения печатной платы просто отличное!
↑ Пайка первой микросхемы
стала для меня сущим адом. Я боялся ее перегреть, убить статикой, пару раз перемкнул припоем ноги, но все-же я ее запаял! Конечно, припаять можно чего угодно к чему угодно, было бы желание, а вот каков результат? Трясущейся рукой подсоединил USB-кабель к разъему… Несколько секунд тишины и радостно зажигается светодиод готовности! Все мои старания были вознаграждены! Ну а что у нас на выходе? Что-то даже играет. Ну что, понеслась душа в рай, ща я его замучаю! Заодно проверю в деле собранный на коленке гибрид на ЕСС83 + IRF640, надо ж когда то и эту технологию попробовать. И сравню его звучание с «чистой» лампой.
Берём контроль над ситуацией в свои руки
В документации на ЦАП в одном месте написано, что ножку аналогового питания надо зашунтировать электролитом в 10мкФ и керамикой 0.1мкФ. На схеме нога 18 именно так и зашунтирована.
Чуть дальше в том же документе сказано, что вход на ножке 17 желательно зашунтировать электролитом в 10мкФ и керамикой 0.1мкФ. Разработчик поступил в полном соответствии, исполнительный товарищ, просто молодец!
Ещё в одном месте документации сказано, что 17 ногу можно завести прямиком на аналоговое питание. Что и видим на схеме
