一款發(fā)燒DAC音頻解碼器的設(shè)計(jì)與制作

1、一款發(fā)燒DAC音頻解碼器的設(shè)計(jì)與制作摘要：隨著數(shù)字音頻時(shí)代的來(lái)臨，數(shù)字音源也不斷豐富，然而這些數(shù)字音頻設(shè)備內(nèi)建的DAC采用一體化設(shè)計(jì)，易受干擾，解碼出來(lái)的聲音并不盡人意。一般的數(shù)字音源如CD、DVD、網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒等都配備了光纖和同軸輸出接口，把數(shù)字音頻信號(hào)繞開機(jī)內(nèi)的DAC，直接送到專門的音頻解碼器，由專門的解碼器完成D/A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)聲音的高保真重放。本文本著hi-fi的設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)一款立體聲DAC音頻解碼器，由LM317、TL431組成多路甲類并聯(lián)穩(wěn)壓供電，采用經(jīng)典的高性能的CS8412-CP負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)的接收與解調(diào)、DF1700P數(shù)字濾波、R-2R架構(gòu)的PCM1702-K做D/A轉(zhuǎn)換、挑選發(fā)

2、燒運(yùn)放擔(dān)任I/V和LPF，完成數(shù)字信號(hào)的接收并轉(zhuǎn)換成高保真的音頻信號(hào)，再通過(guò)一級(jí)電子管校音線路，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以直接推動(dòng)后級(jí)的甲類晶體管功放。實(shí)現(xiàn)hi-fi效果的重放。關(guān)鍵詞： DAC音頻解碼器 PCM1702-K 電子管校音 高保真 甲類并聯(lián)穩(wěn)壓1. 引言：一些低中檔數(shù)字音源輸出的音頻聲音生硬，數(shù)碼聲重，音質(zhì)刺耳煩躁，不耐聽，滿足不了音響發(fā)燒友的聽覺(jué)需求。主要是因?yàn)檫@些機(jī)器內(nèi)建的音頻DAC性能差，模擬濾波、放大器件普通，供電也過(guò)于簡(jiǎn)單造成。好在這些機(jī)器一般都配有光纖或者同軸輸出端口，提供數(shù)字音頻信號(hào)輸出，供高檔的DAC音頻解碼還原高保真的聲音。有動(dòng)手能力的燒友都喜歡DIY一臺(tái)高性能的DAC音

3、頻解碼器以重放hi-fi的音響效果，滿足自己的聽覺(jué)需求。2. DAC音頻解碼器電路的設(shè)計(jì)2.1 DAC音頻解碼器電路組成DAC音頻解碼器由數(shù)字信號(hào)接收器、數(shù)字濾波器、D/A轉(zhuǎn)換器、I/V轉(zhuǎn)換器、LPF濾波器將數(shù)字音頻還原還原成模擬音頻信號(hào)，再通過(guò)電子管組成的和田茂氏線路校音、開機(jī)延遲吸合電路控制輸出模擬音頻信號(hào)推動(dòng)后級(jí)功放。電路的組成及其信號(hào)流如圖1：圖1 DAC音頻解碼器組成及信號(hào)流程2.2 數(shù)字信號(hào)接收與音頻解碼電路 數(shù)字信號(hào)的接收與解碼電路關(guān)系到音頻信號(hào)還原的質(zhì)量，想要得到高保真的聲音，必需采用高性能的器件擔(dān)當(dāng)音頻DAC解碼的重任，這是重點(diǎn)部分，電路原理圖見圖2，下面對(duì)其原理作進(jìn)一步的分

4、析： 數(shù)字信號(hào)接收器數(shù)字信號(hào)接收采用美國(guó)CRYSTAL公司的帶有PLL的解調(diào)芯片CS8412-CP擔(dān)任，能自動(dòng)識(shí)別32K-48K采樣率。外部數(shù)字音源通過(guò)光纖線送來(lái)的信號(hào)被光纖接收頭TORX179接收并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)電容C201、C202耦合到IC201的10腳，外來(lái)同軸信號(hào)（或者CN5插上音頻藍(lán)牙模塊輸出的同軸信號(hào)）經(jīng)C203耦合到IC201的9腳,IC201內(nèi)部自動(dòng)識(shí)別信號(hào)源并將其選通，省去輸入切換開關(guān)，簡(jiǎn)化電路。當(dāng)然光纖和同軸不能同時(shí)有信號(hào)輸入，否則IC201無(wú)輸出。信號(hào)通過(guò)IC201內(nèi)部處理，恢復(fù)時(shí)鐘和同步信號(hào)，并把音頻信號(hào)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分離，由12、11、26腳輸出音頻串行數(shù)據(jù)SCK

5、(串行時(shí)鐘)、LRCK（左右時(shí)鐘）和SDATA（串行數(shù)據(jù)）， 音頻串行輸出信號(hào)的格式受M0、M1、M2、M3控制，M3=0時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)串行格式，應(yīng)用時(shí)置M3=0，M0、M1、M2設(shè)置與對(duì)應(yīng)的8種音頻數(shù)據(jù)輸出格式見表1，應(yīng)用時(shí)設(shè)置模式根據(jù)后接數(shù)字濾波，D/A芯片而定。表1 CS8412-CP 采樣頻率與輸出格式設(shè)置 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器的作用是把接收解調(diào)后的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，完成超采樣、實(shí)現(xiàn)升頻或降頻，也可以進(jìn)行I2S之類的格式轉(zhuǎn)換，本機(jī)采用了BB公司28腳雙列直插封裝的DF1700P數(shù)字濾波器，具備8X超采樣，其引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 圖3 DF1700P引腳功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)6腳、7腳外接16.9

6、344MHZ晶振，為了更好實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步性，16.9344MHZ主時(shí)鐘信號(hào)（MCK）直接由IC201的19腳提供， 26、12、11腳將SDATA、SCK、FSYNC數(shù)據(jù)送到DF1700P的1、2、28腳，進(jìn)入DF1700P內(nèi)部運(yùn)算，從24、23腳輸出左右通道音頻數(shù)據(jù)流，25腳輸出WCK、26腳輸出BCK進(jìn)入音頻解碼級(jí)。DF1700P的3、4腳設(shè)置采樣率，16 、17腳切換比特率。3、4，16、17腳設(shè)置與對(duì)應(yīng)采樣率、比特率見下表2： 表2 DF1700P 采樣率與比特率設(shè)置 音頻解碼器這部分是DAC音頻解碼器的核心。其實(shí)質(zhì)是一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，只不過(guò)人們習(xí)慣叫音頻解碼器罷了，在DAC芯片選擇上有

7、部分發(fā)燒友片面追求器件的高比特?cái)?shù)和取樣率。認(rèn)為具有24Bit/96KHz的芯片其音響效果就一定要好于低位數(shù)低取樣率的產(chǎn)品。這實(shí)際上是一個(gè)誤解。這里要強(qiáng)調(diào)的是作為CD格式其音頻數(shù)碼流為 16Bit/44.1Khz 。這是CD盤的標(biāo)準(zhǔn)。有些CD盤面標(biāo)定20Bit、24Bit、96Khz、192Khz這是指在錄音過(guò)程采用的記錄格式，在燒錄CD光盤時(shí)無(wú)一例外的要重新編碼的16Bit/44.1Khz數(shù)據(jù)流。作為CD音頻DAC解碼器都要工作在這個(gè)格式下。不同采樣率和比特率的芯片其音質(zhì)是有差別的，高比特及高取樣率只能說(shuō)明該芯片可工作在不同數(shù)據(jù)流方式及能夠達(dá)到的精度。因而本機(jī)采用具有超低失真、低噪聲、線性好的

8、R-2R架構(gòu)的D/A轉(zhuǎn)換芯片PCM1702-K。PCM1702-K是美國(guó)BB公司的高性能D/A轉(zhuǎn)換芯片(K是這型號(hào)的最高級(jí)別)，兩片PCM1702-K擔(dān)任左右聲道的D/A轉(zhuǎn)換，具有20Bit的精度，完全勝任音頻CD的解碼。芯片采用了數(shù)字+-5V和模擬+-5V分開供電，需要注意的是5腳為數(shù)字-5V的供電端，靜態(tài)電流達(dá)30mA電源設(shè)計(jì)要考慮其功耗。PCM1702-K的1、2、6腳分別接收來(lái)自DF1700送來(lái)的DATA、BCK、WCK信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換后，從11腳輸出音頻電流信號(hào)，11腳輸出的音頻電流具有超低失真、低噪聲、線性好的特點(diǎn)。 I/V轉(zhuǎn)換器從PCM1702輸出的電流信號(hào)比較弱，大約為1

9、mA左右，所以需要一個(gè)I/V轉(zhuǎn)換器將PCM1702-K的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，由于I/V轉(zhuǎn)換級(jí)對(duì)音色的影響極大，在設(shè)計(jì)上本機(jī)采用了JRC公司旗艦版高性能雙運(yùn)放musec02來(lái)?yè)?dān)任I/V轉(zhuǎn)換。musec02在日本音響屆被號(hào)稱"原音守護(hù)神"，其聲音諧波豐富，解析力高，音場(chǎng)寬廣，層次分明，聲音醇厚而通透，是一種音效全面的發(fā)燒運(yùn)放。與反饋電阻并聯(lián)的電容取100-220P比較合適，取值太大會(huì)影響運(yùn)放的速率，影響高音的細(xì)節(jié)。 LPF濾波器數(shù)字音頻經(jīng)過(guò)PCM1702-K進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后，還需要一個(gè)LPF低通濾波器，去掉信號(hào)中不必要的高頻成分，去除高頻干擾。常見的有源低通濾波有巴特沃斯濾

10、波器、切爾雪夫?yàn)V波器等等，然而本機(jī)采用了BB公司專門為R-2R架構(gòu)設(shè)計(jì)的GIC低通濾波器，有很好的線性相位特性，通帶增益平坦，從而使音頻信號(hào)通過(guò)濾波器后的失真很小，保證了音頻信號(hào)的高質(zhì)量。如圖2，GIC濾波由R402-R412以及雙運(yùn)放IC403、IC404、C403-408等組成3階低通濾波器，按照?qǐng)D中阻容參數(shù)取值，截止頻率為40KHZ。2.3 線路放大器考慮到用電子管制作的前級(jí)電路音色圓潤(rùn)、人聲甜美、音樂(lè)味濃，聲音耐聽、適合人聲的演繹，本機(jī)設(shè)計(jì)了一級(jí)由電子管組成的線路放大器作輸出，一來(lái)可以校聲，二來(lái)提高解碼器增益直推后級(jí)功放。如圖4，電子管線路放大參照了日本著名的和田茂氏線路，線路是以12

11、AT7兩級(jí)放大（約12倍）加一級(jí)用12AU7作SRPP陰極輸出,減小輸出阻抗和增大輸出電流，增強(qiáng)帶載能力。放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)電位器進(jìn)行音量控制后輸出到后級(jí)。線路放大不設(shè)音調(diào)控制，信號(hào)直通，確保原汁原味。圖4 電子管線路放大與開機(jī)延遲吸合電路2.4 開機(jī)延遲吸合電路由于電子管通電時(shí)需要預(yù)熱，預(yù)熱期間工作點(diǎn)不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生脈沖電流輸出沖擊功放級(jí)，逼使功放級(jí)進(jìn)入保護(hù)。所以在信號(hào)輸出端加入了由STC單片機(jī)組成的開機(jī)延遲吸合電路，見圖4：通電時(shí)單片機(jī)12C2052在特定的程序下運(yùn)行，P1.0口電平高低交替變化，電源指示燈閃爍，表示機(jī)器熱機(jī)；同時(shí)P1.1口為高電平，繼電器失電常閉觸電接通短路輸出信號(hào)；大約30

12、S之后單片機(jī) P1.1口輸出低電平驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，常閉觸點(diǎn)斷開，短路解除，讓信號(hào)通過(guò)RCA端子輸出，同時(shí)P1.0口鎖定低電平，電源指示燈變?yōu)槌Ａ?，機(jī)器進(jìn)入正常的狀態(tài)工作。采用這種通過(guò)短路信號(hào)阻止其輸出的控制方式回避了輸出信號(hào)流經(jīng)繼電器的觸點(diǎn)，減少音染。2.5電源電路2.5.1 DAC主板供電電源部分在解碼器中也是一個(gè)不可忽視的部分,主要克服電網(wǎng)中電波對(duì)電路的影響,還要克服數(shù)字電路部分對(duì)模擬電路的影響,更重要的是要具有極低的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻。高質(zhì)量的電源可以令D/A芯片、高級(jí)運(yùn)放的性能發(fā)揮的淋漓盡致，在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，普通的7805、7905、317、337這些三端穩(wěn)壓器件用于高級(jí)的D/A芯片和運(yùn)放供電，主

13、要是令中頻的圓潤(rùn)、低頻的彈性與力度變差，根本不能發(fā)揮D/A芯片和運(yùn)放的性能，原因是78系列屬于串聯(lián)穩(wěn)壓器件，內(nèi)阻大，影響了芯片性能的發(fā)揮。然而并聯(lián)穩(wěn)壓電源其動(dòng)態(tài)內(nèi)阻低，有利于電路能量的吸收，其性能接近與蓄電池，是DAC理想的電源。甲類并聯(lián)穩(wěn)壓電源缺點(diǎn)是功耗大、效率低，但在DAC電路的靜態(tài)電流不算大的情況下，采用甲類并聯(lián)穩(wěn)壓供電功耗也不是問(wèn)題，所以本機(jī)設(shè)計(jì)了8組具有極低動(dòng)態(tài)內(nèi)阻的甲類穩(wěn)壓電源為DAC電路供電，數(shù)字與模擬分開供電，模擬地與數(shù)字地一點(diǎn)連接，并在交接處用電感磁珠隔離。具體電路見圖5圖5 DAC解碼板供電原理圖整機(jī)采用3個(gè)電源變壓器供電，其中2個(gè)35W的環(huán)牛提供雙9V、雙16V交流經(jīng)整流

14、濾波，由LM317T組成恒流源，TL431、MJE172G構(gòu)成并聯(lián)穩(wěn)壓電路輸出D5V-1、D5V-2、D+5V、D-5V、A+5V、A-5V、 A+15V、A-15V為CS8412-CP、DF1700P、PCM1702-K、4個(gè)運(yùn)放供電。其工作原理：是LM317、R組成恒流源，恒流源的高內(nèi)阻將電路與電網(wǎng)干擾隔離，R的大小決定恒流值，一般取電路靜態(tài)電流的1.5-3倍比較合適，恒流數(shù)值計(jì)算公式I=1.25V/R(1.25V是LM317內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓)，TL431與R端連接的上下電阻組成并聯(lián)穩(wěn)壓得到2組5V為數(shù)字電路CS8412-CP和DF1700P供電，PCM1702-K用的D+-5V和低通濾波運(yùn)

15、放用的A+-15V，由于其工作電流較大些，TL431的功耗不夠，需要用安森美MJE172G組成擴(kuò)流再輸出。這電源設(shè)計(jì)是本機(jī)的特色，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻很小，在實(shí)際試聽中，高頻解析力和低頻力度和深度、人聲的圓潤(rùn)上比串聯(lián)穩(wěn)壓供電有很大的改善和提高。2.5.2 電子管線路放大供電電子管線路供電采用了1個(gè)50W的電源變壓器，見圖8。次級(jí)15V繞組經(jīng)過(guò)整流濾波、LM317穩(wěn)壓在12.6V為12AT7、12AU7燈絲供電，調(diào)節(jié)RP3可以改變輸出電壓，燈絲采用直流供電有利于提高信噪比；2組250V采用2只6Z4分成2路全波整流，再通過(guò)電容濾波，LM317穩(wěn)壓的得到2組270V電壓分別為電子管的陽(yáng)極供電，左右聲道獨(dú)立

16、供電，這樣可以提高了立體聲分離度。按圖中電阻參數(shù)穩(wěn)壓器得到270V左右電壓輸出。3. DAC音頻解碼器的制作與調(diào)試3.1 解碼級(jí)的制作與調(diào)試由于解碼級(jí)使用的元件比較多，線路也比較復(fù)雜，所以把數(shù)字信號(hào)接收與解碼部分連同DAC供電電路用AD軟件將原理圖繪成了PCB文件，制成12.3X21.5MM的PCB板子，安裝元件做成一塊DAC解碼板，見圖6 圖6 DAC解碼板為了取得hi-fi的音響效果，在元器件的選取時(shí)電阻選1%精度的BC系列金屬膜電阻，無(wú)極電容以德國(guó)的WIMA首選，誤差要5%內(nèi)，電源濾波電解電容選日本的ELNA, ELNA的Cerefine系列對(duì)人聲有極佳的表現(xiàn)，數(shù)字電路退耦電容宜選鉭電容

17、，DAC并聯(lián)穩(wěn)壓TL431的取樣電阻選溫漂小的金屬膜電阻，如北京718軍工系列電阻等，芯片必需選原裝進(jìn)口的，運(yùn)放對(duì)音色影響很大，不同類型運(yùn)放有不同的音色，在試聽中要根據(jù)自己的口味調(diào)換不同聲音風(fēng)格的運(yùn)放。安裝時(shí)板上的所有芯片加裝IC座，芯片免焊接，也方便更換運(yùn)放調(diào)試音色。恒流取樣電阻選1W 1%金屬膜系列，按圖中參數(shù)選取輸出電流約120MA，已經(jīng)足夠用了。焊接好所有元件，不要急于插上各種芯片，首先通電對(duì)8組穩(wěn)壓電路進(jìn)行測(cè)量與調(diào)試，各路輸出電壓必需符合電路的要求，特別是+-5V電壓必需精準(zhǔn)、穩(wěn)定，否則要檢查元件是否裝錯(cuò)裝漏。在各組電壓合適的情況下可以插上芯片，撥動(dòng)撥碼開關(guān)S1將CS8412-CP輸

18、出信號(hào)設(shè)為模式5（見表1）；撥動(dòng)S2使DF1700P采樣率設(shè)為384fs；撥S3使DF1700P的比特率設(shè)為16Bit（見表2），也就是設(shè)置芯片的工作模式，使芯片統(tǒng)一工作在44.1K /16Bit的CD標(biāo)準(zhǔn)格式。然后通電測(cè)試解碼板，觀察LED指示燈可以知道數(shù)字信號(hào)的接收是否正常（LED亮起表示信號(hào)接收正常），如果安裝無(wú)錯(cuò)誤通電解碼板都會(huì)出聲。3.2 電子管線路放大電路的制作與調(diào)試 電子管線路放大電路的制作要點(diǎn)在元器件的選取時(shí)，同樣本著hi-fi原則，高壓濾波電容選飛利浦BC系列，電阻是2W的金屬膜電阻，耦合電容選取了WIMA,唯一的一個(gè)音量電位器用了日本原裝進(jìn)口的ALPS 27型，6Z4是國(guó)產(chǎn)

19、的北京管，放大管用俄羅斯12AT7、12AU7金腳的，整個(gè)解碼器的機(jī)箱采用了市面DIY全鋁機(jī)箱。電子管放大線路放大部分采用搭棚的方式連接，制作時(shí)要把3個(gè)變壓器、2個(gè)400V濾波電容、6個(gè)電子管裸露在機(jī)殼上面，這樣既利于電子管散熱，也利于克服變壓器對(duì)DAC電路產(chǎn)生電磁干擾。先在全鋁機(jī)箱上面布局好3個(gè)電源變壓器、濾波電容和6個(gè)電子管的合理位置，布局要考慮機(jī)器外形的美觀，然后在合適位置打孔，固定變壓器（變壓器還要蓋上屏蔽罩，這在本機(jī)還沒(méi)完成），固定好2個(gè)6Z4小7管座和4個(gè)9腳管座（12AT7、12AU7用），管座要選搭棚專用的。搭棚焊接時(shí)特別要注意各級(jí)地線分開，杜絕地線干擾，否則會(huì)嚴(yán)重影響信噪比，還有燈絲穩(wěn)壓器件LM317T要緊貼鋁殼，借助鋁殼散熱并做好絕緣。整機(jī)外觀設(shè)計(jì)如圖7圖7 立體聲DAC音頻解碼器外觀設(shè)計(jì)電子管放大電路的調(diào)試 連接好電路，插上2個(gè)6Z4，通電一會(huì)兒，用萬(wàn)用表測(cè)試6Z4的5腳應(yīng)該有31