Статья прислана на конкурс «Осень вместе с Sapphire 2008»
Будучи «счастливым» обладателем интегрированной звуковой подсистемы, я все же мечтал о хорошей звуковой карте, и даже подумать не мог, что ее можно сделать своими руками в домашних условиях. Однажды, бороздя просторы Всемирной сети, наткнулся на описание звуковой карты с USB интерфейсом на микросхеме РСМ2702 фирмы Burr-Brown и, просмотрев прайсы фирм, торгующих радиодеталями, понял, что это пока не для нас - о ней никто ничего не знал. Позже мой компьютер был собран в небольшом корпусе microATX, в котором не хватало места даже для старенькой Creative Audigy2 ZS. Пришлось искать что-то небольшое и желательно внешнее с интерфейсом USB. И тут снова наткнулся на чип РСМ2702, который уже активно использовали и хвалили за качество воспроизведения музыки - при правильной схемотехнике звук был куда приятней, чем у той же Audigy2 ZS. Снова поиск по прайсам, и о чудо, искомая микросхема есть в наличии по цене около 18 «вражеских денег». В итоге была заказано парочка чипов для экспериментов, так сказать, послушать, что там наваяли буржуйские «ЦАПостроители».
Итак, что же за зверь этот контроллер РСМ2702, от легендарной фирмы Burr-Brown, который покорила сердца аудиофилов во всем мире своими топовыми решениями? Интересно, на что способно бюджетное решение?
По данным технической документации на микросхему (pcm2702.pdf) мы имеем цифро-аналоговый преобразователь (digital-to-analog converter - DAC) с интерфейсом USB со следующими характеристиками:
- Разрядность 16 бит;
- Частота дискретизации 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц;
- Динамический диапазон 100 дБ;
- Отношение сигнал/шум 105 дБ;
- Уровень нелинейных искажений 0,002%;
- Интерфейс USB1.1;
- Цифровой фильтр с 8-ми кратной передискретизацией;
- Работает со стандартным драйвером USB audio device.
Характеристики оказались весьма неплохими, особенно порадовала поддержка частоты дискретизации 44,1 кГц, которая является стандартной для большинства аудио-форматов, в то время как Creative Audigy2 ZS были лишены возможности работать на этой частоте. Процессор звуковой платы Creative проводил передискретизацию потоков с частотой 44,1 кГц в поток с частотой 48 кГц, причем, не всегда по оптимальному алгоритму, что выражалось в потере качества воспроизведения музыки. Большой плюс РСМ2702 заключается в том, что для восстановления исходного состояния сигнала после цифровой обработки используется внешний фильтр низких частот - LPF (low-pass filter- LPF), от которого сильно зависит качество звука. У большинства бюджетных решений LPF встроенный, и мы получаем на выходе уже восстановленный аудио-сигнал, при этом нет возможности хоть как-то повлиять на данный процесс.
Теперь про само устройство. Для начала был собран простенький вариант по рекомендуемой производителем схеме с небольшими изменениями в питании. Получилась маленькая «звуковуха» с питанием от USB.
Но такое устройство не являлось законченным и требовало внешний усилитель, да и наушники нормально раскачать не могло. Позже была заменена материнская плата на другую, с нормальным HAD-кодеком и хорошей разводкой платы. Аудиотракт был лишен посторонних шумов и шорохов, да и качество выходного сигнала было не хуже чем у РСМ2702. И, наверное, этих строк не было, ели бы мне на глаза не попался такой вот ящичек:
Это система пассивного охлаждения для HDD, но для меня, в первую очередь, это шикарный корпус для радиоаппаратуры. Я сразу понял, что в нем будет что-то собрано, например, звуковая карта с усилителем, благо с охлаждением проблем не должно быть. Много думал над схемотехникой девайса. С одной стороны хотелось высокого качества, а с другой - не хотелось платить больше чем стоят готовые звуковые платы от Creative. Основной вопрос возник по LPF и усилителю для наушников, ведь высококачественные комплектующие для этих целей могут стоить столько же, как сама РСМ2702, а то и больше. Например, цена на высококачественные операционные усилители для LPF - ОРА2132 и OPA627, стоят порядка 10 и 35 долларов соответственно. Микросхемы усилителя для наушников - AD815 или TPA6120, я вовсе не нашел в прайсах, причем, цены на них тоже не маленькие.
Но худа без добра не бывает и я нашел в Сети схему простого и качественного LPF на транзисторах, автор которой утверждал о приличном звучании, даже не хуже дорогих операционных усилителей. Решил попробовать. В качестве усилителя для наушников поставил микросхему LM1876 - младшую двухканальную «сестру» легендарной LM3886 с таким же звучанием но меньшей мощностью. Данная микросхема позволяет, увеличив коэффициент усиления, подключать колонки.
Получилась вот такая схема - USB-DAC_PCM2702_Sch.pdf, чертеж печатной платы - USB-DAC_PCM2702_Pcb.pdf в зеркальном отображении для переноса изображения лазерно-утюжным методом на медную фольгу, так называемый ЛУТ (подробней можно почитать в Интернете), чертеж расположения элементов и перемычек на плате, а также схема подключения регулятора громкости - USB-DAC_PCM2702.pdf.
В собранном виде плата выглядит так:
Немного расскажу, как это все работает, если вдруг найдутся желающие собрать подобный агрегат. Схема включения PCM2702 стандартная - LPF представляет собой фильтр Саллена-Кея, ФНЧ второго порядка с единичным усилением, поскольку активный элемент работает как повторитель, то без проблем можно использовать эмиттерный или истоковый повторитель. Тут уже есть поле для экспериментов. Можно подобрать тип транзисторов, который больше нравится по звуку – я, тестируя из того что было в наличии, остановился на КТ3102Е в металлическом корпусе (VT3, VT4 – смотрите схему USB-DAC_PCM2702_Sch). Элементы фильтра больше всего влияют на звук, особенно конденсаторы С25, С26, С31, С32. Знатоки этого дела рекомендуют ставить пленочные конденсаторы WIMA FKP2, фольговый полистирол FSC или советские ПМ. Но в наличии не нашлось ничего нормального и пришлось ставить то, что было, а уже потом я поменял на лучшее. На плате предусмотрены контактные площадки, как под выводные, так и SMD конденсаторы. Резисторы R9, R10, R11, R12 нужны попарно идентичные, для чего берем резисторы с точностью 1% или подбираем пары с помощью мультиметра. Я подбирал из нескольких десятков резисторов с точностью 5%, так как не было времени ждать, пока привезут с точностью 1%. Номиналы резисторов и конденсаторов можно подбирать по звучанию, как больше вам нравится, но единственное условие - пара должна быть одинаковой, чтобы каждый канал не пел по-своему.
В схеме предусмотрено отключение аналогового питания PCM2702 и выхода фильтра от разъемов Х5, Х6 если не подключен USB кабель к разъему Х1. Это сделано для того, чтобы низкое выходное сопротивление фильтра не мешало сигналу подаваемому на эти разъемы при использовании устройства как усилителя для наушников. При подключении аналоговое питание ЦАП подается через транзистор VT2, которым управляет транзистор VT1, если есть напряжение на разъеме USB, то оба транзистора открыты. Выходы фильтров подключаются к разъемам на задней панели через реле К1, которое тоже управляется питанием с USB. Реле я использовал V23079-A1001-B301 фирмы AXICOM. Если нет подобного реле, то вместо него можно поставить обычный переключатель с двумя контактными группами. Вместо транзистора VT2 тоже можно поставить переключатель, а все элементы, отвечающие за коммутацию питания, впаивать не потребуется, только желательно через тот же переключатель коммутировать и само питание USB.
Питается усилитель и аналоговая часть от внешнего источника питания напряжением 12-15 В и 0,5 А переменного тока, подключаемого через разъем Х2 на задней панели.
Сам источник питания был сделан с обычного стабилизированного БП на 12 В 0,5 А путем выбрасывания всего лишнего.
В усилителе также нужно подбирать попарно резисторы R15-R18, которыми задается коэффициент усиления (левый канал Кул = R17/R15, Куп = R18/R16). Если не планируется использование наушников то можно подключать динамики, тогда нужно уменьшить сопротивление резисторов R15, R16 до 4,7-10 кОм, можно еще немного увеличить сопротивление R17, R18. Таким образом, можно будет получить номинальную выходную мощность около 2 х 5 Вт. Если запитать микросхему D6 напряжением +/- 20...25 В, которое берется сразу после выпрямителя с конденсаторов С6, С7 можно получить максимальную выходную мощность 2 х 18 Вт, но для этого нужно будет поставить диоды VD2, VD3 на ток не меньше 3А, заменить предохранитель F2 на ток не меньше 3А, увеличить емкость конденсатов С6, С7 в два раза и использовать трансформатор в блоке питания большей мощности, примерно 16 В 4 А переменного тока.
Все резисторы SMD, резисторы R20, R22 типоразмером 1206, резисторы R13, R14 типоразмером 2010 вместо них можно установить перемычки, все остальные резисторы типоразмером 0805. Все керамические конденсаторы SMD типоразмером 0805, все электролитические конденсаторы с максимальной рабочей температурой 105 °С и малым внутренним сопротивлением, с рабочим напряжением 16 В, конденсаторы С6, С7 с максимальным рабочим напряжением 25-35 В. Большинство разъемов выпаяны с старой аппаратуры точной маркировки сказать не могу, ориентируйтесь по внешнему виду. Резистор регулятора громкости подключается двухжильным экранированным проводом, два канала сигнала и земля по экрану, резистор неизвестного китайского происхождения сопротивлением 20 кОм группы В (с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки).
Еще хочу немного рассказать, как паять микросхемы в таком маленьком корпусе. Некоторые ошибочно считают, что такие микросхемы нужно паять паяльниками маленькой мощности и тонким жалом. Очень весело наблюдать, когда люди затачивают жало, как шило и пытаются им паять каждую ножку в отдельности. На самом деле все легко и просто. Для начала устанавливаем микросхему в нужном положении, придерживаем рукой или фиксируем клеем, припаиваем один их крайних выводов, далее центруем, если нужно, и припаиваем противоположный вывод. Если спаяется несколько выводов вместе, то это не страшно. Паяльник берется мощностью 30-50 Вт с луженым, свеже-заточенным жалом под углом около 45°, и не жалеем флюса или канифоли. Флюс желательно не активный, иначе придется очень тщательно отмывать плату пытаясь вымыть его из-под микросхемы. Маленькой каплей припоя прогреваем все ноги, начиная с одного края и постепенно, по мере прогрева, сдвигаем паяльник в сторону не запаянных выводов, сгоняя на них лишний припой, при этом плату можно держать под углом, чтобы припой под действием силы тяжести сам стекал вниз. Если припоя не хватит - взять еще капельку, если много, то с помощью тряпки снимаем весь припой, что есть на жале паяльника, и не жалея флюса снимаем лишнее с выводов микросхемы. Таким образом, если плата нормально протравленная, хорошо зачищенная и обезжирена, то пайка проходит в течении 1-3 минуты и получается чистой, красивой и равномерной, что видно на моей плате. Но для большей уверенности рекомендую потренироваться на горелых платах от разной компьютерной техники с микросхемами, имеющими примерно такой же шаг выводов.
Рекомендую сначала не впаивать микросхемы D2 и D6 и элементы, которые могут мешать при их установке. В первую очередь необходимо спаять узлы, отвечающие за питание, прозвонить цепи питания на предмет короткого замыкания, подключить к порту USB и подать переменное напряжение 14 В с блока питания на Х2. На будущих выходах микросхем стабилизаторов должно быть следующие напряжения:
- D1: +3,3 В;
- D3: +12 В;
- D4: -12 В;
- D5: +5 В.
Далее необходимо проверить функционирование узла отключения аналогового питания ЦАП на транзисторах VT1, VT2. Если все нормально тогда впаиваем микросхемы D2 и D6 проверяем на наличие связей там, где нужно и отсутствие там, где не нужно и все, можно пробовать послушать что вышло.
При первом подключении РСМ2702 к компьютеру, система находит новое устройство – Динамики USB Burr-Brown Japan PCM2702.
После автоматической установки драйвера в диспетчере устройств, появится новое устройство – Динамики USB. Это значит, что все работает, так как нужно и можно включать музыку, видео или даже запускать игры.
Система автоматически передает звук на микросхему РСМ2702 при ее подключении к компьютеру и возвращает в исходное состояние при отключении платы, для возобновления воспроизведения нужно просто перезапустить нужную программу. Громкость регулируется стандартным регулятором громкости ОС Windows. Я проверял работоспособность платы только под системой Windows ХР SP2.
Немного о сборке всего устройства в корпус. Самое сложное это установка переменного резистора регулятора громкости. Передняя панель крепиться к шасси за выступ, который проходит вдоль тыльной стороны панели и имеет довольно серьезную толщину. Этот выступ нужно срезать ножовкой по металлу или фрезерным станком в том месте, где будет крепиться регулятор громкости, но при этом нужно быть очень осторожным, так как можно поцарапать покрытие алюминия из-за чего панель потеряет свою привлекательность. Затем сверлим отверстие для крепления резистора, место для которого прикидываем по положению ручки, которая будет надеваться на этот самый резистор. С лицевой стороны немного убираем ребра возле отверстия, чтобы гайка достала резьбы на основании резистора. Есть еще одна проблемка - центр панели не совпадает с центром внутренней камеры шасси, и резистор регулятора громкости упирается в корпус. Пришлось поднять панель на 2-3 мм, для чего срезал дремелем угол выступа для крепления.
Не буду подробно описывать все действия с панелью и шасси. Те, кто может сделать сам такого рода устройство, всё поймёт по фотографиям. Где нужно были посверлены отверстия и нарезана резьба, под панель при установке было подложено по 2 шайбы возле каждого винта, чтобы поднять ее на 2 мм. В шасси также посверлены отверстия и нарезана резьба для крепления платы. Микросхемы D3, D4 и D6 прижаты к шасси винтами М2.5, при этом D4 и D6 нужно изолировать от панели с помощью пластины слюды или другого теплопроводящего диэлектрика или использовать микросхемы с изолированным корпусом, как D6 в моём случае. Задняя панель сделана из пластмассовой заглушки от системного блока. Все это подробней можно рассмотреть на фото.
Получился вот такой симпатичный агрегат, с чистым и детальным звуком, за относительно небольшие деньги - я потратил на него несколько выходных и около 60-70 долларов.
P.S. О необходимости такого устройства каждый решает сам для себя - я делал просто ради удовольствия и практики, а не реальной надобности. Всем кто дочитал до этик строк спасибо за внимание и удачи в электронных начинаниях. Не бойтесь что-то делать своими руками, так как мы можем делать не хуже жителей Поднебесной. ;)