Автомобильный ЦАП с задержками

Автомобильный ЦАП с задержками 

или рассказ о том, что все дороги ведут в Рим.

В этой статье будет много лирики, поэтому заранее прошу прощения у читателей.

Этой весной, а точнее в апреле, я собрался восстановить в своей машине аудиосистему, чтобы было что слушать летом в отпуске. История аудиосистемы в Hyundai Getz длинная, пересказывать не собираюсь, но в последнее время машина была совсем немая, музыку слушал дома. Причём, в машине стояла какая-то акустика в подиумах, сабвуфер стелс в багажнике и усилитель под полом багажника. Но головного устройства не было напрочь. А дома я слушал понравившийся мне Kenwood KMM-120 (с установленным цифровым выходом) и домашним испытательным ЦАПом.

Вот я и решил на скорую руку собрать автомобильный ЦАП с четырьмя выходами и поставить Кенвуд в связке с ЦАПом в машину. Четыре канала – потому что у родного Кенвуда четыре выхода и в усилителе у меня четыре входа – два на фронт и два на сабвуфер. Тыловую акустику решил пока не подключать, обойдусь.

Посмотрев по загашникам, нашёл запас микросхем ЦАП WM8740 и приёмник S/PDIF WM8804. Также нашёл подходящий алюминиевый корпус. Вот с этого и решил начать. Приёмник WM8804 может принимать сигнал с частотой сэмплирования  от 44 кГц до 192 кГц. Но 192 кГц он принимает только при управлении с микропроцессора. Это раз. ЦАП WM8740 имеет переключаемый выходной фильтр и аттенюатор громкости, но тоже при управлении от микропроцессора. Это два. И мой переделанный Kenwood имеет второй цифровой выход “control”, на котором дублируются команды управления громкостью, балансом, фейдером, переключением источников сигнала. Это три. Поэтому я и решил поставить в ЦАП микропроцессор, чтобы гибко управлять приёмником S/PDIF и ЦАПами. Если бы я тогда знал, куда меня это заведёт!

Хороший звук зависит прежде всего от хорошего источника сигнала. Для своего ЦАП я рассчитал выходной фильтр (выхлоп) третьего порядка на 25 кГц с усилением максимального уровня до 2,5 вольт RMS, всего на одном операционном усилителе. Для того, чтобы использовать стандартные номиналы конденсаторов и резисторов, пришлось рассчитывать схему не один раз. Да и в живую мне пришлось пару раз полностью менять номиналы фильтра. Резисторы использовал СМД размером 1206 1% точности, а конденсаторы обязательно типа NPO также размером 1206. Один операционник – такое решение пришло исходя из концепции минимального количества каскадов усиления между ЦАП и динамиками. В усилителе отключены входные фильтры и звуковой сигнал идёт прямо на оконечный усилитель. На выходе ЦАП нет разделительного конденсатора, он не нужен при постоянном напряжении на выходе не больше 2 мВ. Возможные щелчки при включении – выключении я буду маскировать с помощью микропроцессора.

Питание операционных усилителей двухполярное: +-10 вольт от импульсного преобразователя MeanWell DCW03, отфильтрованное по входу и выходу CLC фильтрами. Питание низковольтных цифровых и аналоговых цепей раздельное, с двухступенчатой стабилизацией. Первая ступень общая – стабилизатор 7805 (на радиаторе) до 5 вольт, вторая – по NCP1117-3.3 на цифровую и аналоговую часть. Дополнительно на аналоговом питании ЦАП и приёмника S/PDIF также стоят LC фильтры.

Управление изначально предполагалось простое – микроконтроллер ЦАП получает от магнитолы сигнал REMOUT, по проводу CONTROL получает сигнал переключения источников и смотрит за состоянием S/PDIF приёмника. Контроллер в нужное время выключает выход ЦАП для исключения шумов и щелчков и корректно управляет выходом REMOTE_OUT, подключённым к усилителю. Получается простой и качественный ЦАП. В цепи аудио сигнала только один каскад и ни одного разделительного конденсатора. Вообще, во всём ЦАП нет ни одного электролитического конденсатора!

Однако лучшее – враг хорошего. Как только я разработал, спаял и запустил плату ЦАП, мне захотелось использовать встроенные в WM8740 регуляторы уровня. Они имеют меньший шаг (0,5дБ), чем мой встроенный цифровой регулятор громкости в Kenwood (1дБ) и позволяют регулировать громкость на всех каналах независимо. Также это позволяет просто реализовать очень плавное регулирование громкости при включении и выключении ЦАП. Я переделал программу управления для регулирования громкости, баланса и фейдера с головного устройства.

Уже всё хорошо играло и управлялось у меня на рабочем столе, но шило в одном месте не давало мне спокойно сидеть. Для автономного управления громкостью ЦАП при работе без Кенвуда, с другими источниками звука, я добавил регулятор в виде переменного резистора. Контроллер измеряет его сопротивление и устанавливает громкость всех каналов одновременно. Конечно, если резистора нет и ЦАП подключён к Кенвуду, то управление громкостью будет от головного устройства.

Послушав с неделю дома ЦАП (хорошо зазвучал аппарат, было приятно его слушать) я задумался: - А как же задержки? Я же давно делаю платы машины времени, почему её сюда не поставить?

Правда, я предусмотрел на плате разъём для расширения системы и такая возможность была. Поэтому я разработал четырёхканальную линию задержки на мезонинной плате для ЦАП, собрал и установил её на основную плату. Для управления задержками использовал внешний пульт управления на своём микроконтроллере. Получается, что задержки я регулирую с помощью пульта управления, а громкость с помощью резистора или головного устройства? Непорядок. 
Пришлось разработать связь между платой задержек и платой ЦАП для управления громкостью и балансом с помощью пульта. Также добавил независимую установку уровней громкости всех каналов, как в «настоящих» аудиопроцессорах.

Конечно, если бы я сразу планировал построить аналог Alpine PXA-H600, то я применил бы один контроллер помощнее, и мне не пришлось бы ставить два микроконтроллера в корпус ЦАП. Как говорится: знал бы, где упадёшь – подстелил бы соломки.
Вот вся связка в сборе:

Перед отпуском я установил магнитолу и процессор в автомобиль, настроил задержки на слух. Так и слушал целый месяц. Ни щелчков, ни помех, ни других недостатков во время тестовой эксплуатации не выявлено. Включение плавное, регулировка громкости бесшумная. Звук хороший, но акустика пока не позволяет раскрыть потенциал источника. Не беда, это дело наживное. При прослушивании дома на хорошем усилителе и акустике звук был отличный. Прозрачный, без отсебятины, не напрягающий при долгом прослушивании. Я доволен полученным результатом.

А теперь о дорогах и Риме. Когда работа над ЦАПом была закончена, я получил ощущение дежавю. Что-то подобное мне уже попадалось на глаза. Порывшись у себя в блоге, я нашёл статью четырёхлетней давности о концепции автомобильной аудиосистемы с минимальным количеством аналоговых блоков. Ба, да это же мой ЦАП «Филин»!

Вот так, специально не планируя, я получил железное воплощение старой концепции. Так что действительно, все дороги ведут  в Рим!

В конце добавляю видео с этим ЦАПом. 

Post Scriptum.

После летнего отдыха автомобиль используется только для поездок по городу, и ЦАП работает не регулярно. Я договорился с моими друзьями по автозвуку из Славянска (Александр Погребняк) и Харькова (Андрей Кичук и Денис Коваль) о прослушивании Filin DAC-4 на хорошей аппаратуре в сравнении с домашним Denon-ом. Самому приехать в Харьков не получилось, так что я отослал ЦАП по почте. Прослушивание велось по слепому методу. Источником сигнала был проигрыватель Denon, который по S/PDIF был подключён к ЦАП. Регулятором уровня в ЦАП были выровнены сигналы на выходах Denon и Filin, и оператор переключал выходы тумблером, в то время как остальные сравнивали качество звука двух источников. О том, какой выход был подключён, знал лишь оператор.
Результат меня порадовал. На средних и высоких частотах звук был очень хорош, не отличим от стационарного аппарата. На низких частотах мой Filin DAC-4 немного уступил Denon-у. Несколько менее артикулированный бас, была хуже атака звука басовых инструментов. Как я предполагаю, это было вызвано недостаточными емкостями фильтров по питанию ЦАП и выходных операционных усилителей. По возвращению я доработал ЦАП в лучших традициях "твикальщиков" аппаратуры :). По цепям питания ЦАПов и операционных усилителей были установлены полимерные электролитические конденсаторы. У них очень маленькое внутреннее сопротивление и небольшие габариты при  значительной ёмкости. Также они не высыхают со временем, потому что электролит внутри в твёрдом виде. Для цепей питания хороший выбор. Места на плате для установки этих конденсаторов не было предусмотрено, и они установлены поверх керамических конденсаторов 10 мкф и закреплены термоклеем к плате. На фотографиях видно, что получилось:

После сборки и прослушивания у меня дома качество звука на низких частотах увеличилось, но прямого сравнения я сейчас сделать не могу. ИМХО, в таком виде цап и будет играть у меня в машине.

Всем, кто помог мне советом или делом, спасибо!