Цифро-аналоговый преобразователь

Немного о форматах

Для того, чтобы мы слышали непрерывное звучание, у этих точек координат должна быть очень большая плотность в единицу времени — секунду. Из этих точек тоже должна получиться непрерывная для нашего восприятия волна. Чем больше точек координат мы имеем в цифровой записи — тем больше двоичного кода. Плотность этого кода в секунду времени именуется битрейтом (не путайте с битовой разрядностью!). Бит здесь выступает выражением общего количества координат по двум осям в информационном виде. А у форматов MPEG и mp3 битройтом еще называют ширину канала сжатия звука. В любом случае, чем он больше (шире) — тем лучше качество звука. К примеру, mp3-формат способен содержать в себе битрейт от 32 килобит в секунду (32 тысячи бит) до 320 кбит/с. При этом, звук в аж целых 32 тысячи бит, по времени воспроизводимых в секунду, будет весьма слабого качества, так как этой частоты указанния координат не достаточно. Звук течет с некоторой хаотичностью, мы слышим его с шумами. 320 кбит/с — для нашего уха слышатся уже очень хорошо. Но это не предел качества. Формат flac течёт с частотой до 1411,2 кбит/с, а dsd аж с 5644,8 кбит/с! И это еще далеко не предел, есть форматы звучания с более чем 10-ю мегабитами (1 Мбит = миллион бит) в секунду! Но для нашего слуха, звучание форматов flac, dsd и других форматов без потерь (с очень точным указанием координат волны и высокой частотой) является идеальным. Если кто-то запутался, не перечитывайте, просто представьте — аналоговый звук, который слышим мы с Вами — непрерывен. Цифровой сигнал — это карта, которая указывает звуку путь, куда ему нужно бежать. Чем она точнее — тем более качественно звук проделывает по ней путь. Вернемся к графику. На левом нижнем мы увидим как выглядит звуковая волна в цифровом виде, кодированная в двоичную систему координат. На правом нижнем — искаженная волна, с неточными координатами. Такое случится, если АЦП и/или ЦАП закодируют/раскодируют сигнал недостаточно качественно.

ЦАП

Из вышесказанного, думаю, задача ЦАПа вырисовывается довольно ясно. Кодируем аудио зачастую не мы, если только Вы не музыкант и не записали песню сами в звукостудии. А вот раскодировать, то есть преобразовать обратно в аналаговый сигнал, приходится нам самим, силами и средствами установленных в нашей технике звуковых карт. А они, как говорилось в начале, переводчики — так себе. Могут запросто допускать ошибки в чтении координат. То есть, уводить наш звук в «чужую степь». С форматом mp3 они еще мало-мальски справляются, а вот с форматами без потерь — беда.

ЦАПы, помимо качественного прочтения уже имеющихся координат, могут добиваться улучшенного преобразования разными способами. Могут искусственно увеличивать частоту дискретизации (количество герц в секунду) и повышать разрядность, то есть, сами дорисовывают карту координат, могут формировать последовательности импульсов разбивая сигнал на отдельные биты. Как ЦАП будет преобразовывать сигнал зависит от его архитектуры, современные — с широтно-импульсной модуляцией, и последовательность импульсов сформируют и все точки координат сосчитают вовремя, и дорисуют что-нибудь, если нужно. Но нам с Вами главное знать, для чего конкретно нам нужен цифро-аналоговый преобразователь. Если нам нужен мобильный и компактный ЦАП — лучше выбирать из моделей подключаемых по USB и расчитанных на работу как с ПК, так и со смартфонами. Можно так же приобрести качественный Hi-res плеер, который будет сам себе ЦАП и компьютеру сможет помочь с преобразованием. Если же у Вас серьезная акустическая апаратура звук на которую подаётся с компьютера — Вам подойдут многовункциональные и мощные настольные преобразователи.

Театр начинается с вешалки?

Театр, может быть, начинается и с вешалки, а конвертер точно начинается с коммутации. У вас с ней как вообще? Если круче CD-транспорта в качестве источника не предвидится, то выбор предопределен. В любом ЦАПе по умолчанию стоят и оптика, и коаксиальный входы, так что вам остается только определиться, где лучше будет звучать ваша фонограмма. Как правило, все выбирают коаксиал, но иногда полная гальваническая развязка оптической связи оказывается полезнее. Но как быть, если вы нацелились на хайрезы?

Что TosLink, что S/PDIF даже по балансному разъему XLR все равно не в состоянии передать РСМ аудиосигнал свыше 24 бит/192 кГц. Существует еще протокол I2S, но пока он встречается довольно редко. Поэтому если вы интересуетесь еще более высокими материями, включая формат DSD, то следует надеяться на USB-интерфейс. Вот через него научились проталкивать 32 бит/768 кГц и DSD512. И здесь получается любопытный анекдот, как в той истории про часовой магазин, где непонятно, который все-таки час и лишь одни поломанные дважды в сутки правильное время показывают. В отличие от более-менее предсказуемых старых вариантов, широта и качество реализации USB-входа оказываются несколько гадательными.

Примерно так выглядит полный набор цифровых входов у серьезного ЦАП. Здесь приведено схематическое изображение модели Mytek Manhattan, у которой помимо стандартного набора присутствуют разъемы для внешнего сигнала синхронизации и Firewire

Прошло более десяти лет со времени первых конвертеров, оснащенных USB-входами, а ведь до сих пор некоторые производители, как ни в чем ни бывало, ставят чип на базе старенького Burr-Brown 2704, который не может работать выше 16 бит / 48 кГц!

Но вообще ответственные разработчики обычно стараются использовать USB-приёмники от компании XMOS, которой тоже, кстати, едва исполнилось десять лет. Сила микроконтроллеров XMOS, как это ни похабно звучит, именно в ядрах, которых так много, что под конкретную задачу можно настроить много чего — и число каналов, и асинхронную передачу, и аудио самого высшего полета. Если вы не уверены в добросовестном USB-входе своего ЦАПа, приобретайте USB-S/PDIF конвертеры, которые, как правило, уже заточены строго под эту задачу.

xCORE-AUDIO Hi-Res 2 — платформа с полной поддержкой аудио 32 бит / 384 кГц и DSD 5,6 Мгц

Итак, перечислим основных производителей цифроаналоговых чипов, которые используются в современных конвертерах. Многие слухачи с опытом утверждают, что именно эти «сердечки» задают темп и тембр вашему ЦАПу.

Конструкция

Аппараты Icon и Hegel рассчитаны на работу исключительно с компьютером — они имеют один-единственный вход в виде порта USB (и единственный аналоговый выход — линейный несимметричный). Блока питания у них нет, они черпают энергию из USB-шины. У DacMagic’a блок питания — внешний. Что касается цифровых входов классического типа, то наибольшее их число у Rega: четыре независимых (по паре оптических и коаксиальных). У DacMagic шесть входных гнезд, но независимых входов только три (каждый работает как с оптическим, так и с электрическим сигналом). Аппараты DacMagic, Musical Fidelity, Music Hall и PS Audio оборудованы балансным выходом (2хXLR), а у Music Hall есть еще и балансный цифровой выход AES/EBU на разъеме XLR. У остальных участников имеется по оптическому и коаксиальному цифровому выходу (не считая «малютки» от NuForce и Hegel, которые оснащены только «коаксиалом»). Выход на наушники есть у μDAC 2 и Music Hall.

Характеристики

Для описания цифро-аналоговых преобразователей в общем случае используют следующие характеристики.

Общие

Разрядность. Определяет количество уровней аналогового сигнала, которое может воспроизводить ЦАП. Для N разрядного ЦАП число уровней аналогового сигнала равно 2N (включая значение для нулевого кода);
Напряжение питания;

Статические характеристики:

Статическая характеристика преобразования — это зависимости значения выходного сигнала ЦАП от значения входного кода;
Статическая нелинейность. Для описания статической нелинейности используют две величины: дифференциальная нелинейность (DNL) и интегральная нелинейность (INL);
Монотонность. Одна из важнейших характеристик ЦАП, которая говорит о том, что при увеличении кода значение аналогового сигнала также увеличивается. Унарная архитектура гарантирует монотонность. Для бинарной архитектуры монотонность не гарантируется;
Смещение нуля;
Ошибка усиления;

Динамические характеристики:

Быстродействие. Определяется как максимальная частота, с которой можно изменять код на входе ЦАП, получая при этом корректный результат на выходе ЦАП. Измеряется в «выборок/с» или в герцах. Так же может называться как Частота дискретизации или максимальная частота смены входного кода;
SNR (отношение сигнал/шум). Считается как отношение мощности восстанавливаемого гармонического сигнала к сумме мощностей всех остальных гармоник в спектре выходного сигнала, кроме кратных, и выражается в децибелах;
SFDR (динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих). Считается как отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к амплитуде наибольшей гармоники в спектре выходного сигнала, также выражается в децибелах. Эту характеристику так же ещё называют «динамической линейностью».
Потребляемая мощность;

Опыт использования плеера FiiO как внешней аудиокарты

Очевидно, что стандартный компьютерный звук далёк от идеала — в большинстве встроенных аудиокарт не предусмотрено защиты от электромагнитных наводок, ограничены питание и усиление, а обвязка максимально упрощена

Всё это неважно, если к ПК подключена пара недорогих стереоколонок, однако при использовании хороших наушников сразу становятся заметны недостаток мощности и динамики, сильный фоновый шум и простое, мутное на низах и грязноватое на верхах звучание. Получается, что такие решения не способны раскрыть все краски музыки

Во время тестирования мы использовали флагманский плеер FiiO X7-II, который подключался к ПК в режиме USB-ЦАП. Прирост в качестве относительно встроенного в материнскую плату кодека трудно не заметить — и он тем больше, чем лучше используемые наушники.

В полноразмерных Fostex T50RP звук приобретает мощь, размах и отличный контроль. Бас уходит «вглубь», становится более динамичным и оформленным. Эмоции на средних частотах наконец передаются в полном объёме — голоса вокалистов становятся глубже и обогащаются тембрами. Благодаря отличной проработке планов и широкой стереопанораме инструменты больше не теснятся в одной точке, а чётко локализованы в пространстве. Кстати, достоверная передача голосов и объёма работают на атмосферу в фильмах и сериалах, способствуя эффекту погружения. Высокие частоты тоже демонстрируют качественный рост, вырвавшись из-за вуали шума и искажений, которыми их сдабривает встроенная звуковая карта.

Однако по-настоящему оценить разницу удалось в качественных арматурных наушниках Audio-Technica ATH-IM02. Из-за высокой чувствительности и повышенных требований к выходным характеристикам источника их невозможно слушать с большинством ПК с недорогими материнскими платами и встроенными в них кодеками — фоновый шум по уровню практически равен звуковому сигналу. При подключении FiiO X7-II как USB-ЦАП эти внутриканальные наушники реализуют весь свой потенциал, выдавая невероятно скоростное, очерченное и детальное звучание. Их способности пригодятся, если ваш жёсткий диск забит композициями в формате FLAC, однако прирост ощутим даже при просмотре YouTube и прослушивании онлайн-музыки.

Для чистоты эксперимента в тестировании также поучаствовал MacBook Pro 2020 с неплохим встроенным звуком. Разница при использовании с ним плеера уже не настолько ошеломительная, но по-прежнему бросающаяся в глаза — всё же ноутбук не позиционируется как качественное аудиоустройство. И если с запасом мощности у него дела обстоят неплохо, то проработка краёв частотного диапазона у FiiO X7-II заметно лучше. Кстати, при таком использовании плеер одновременно заряжается по USB. Это не имеет значения на стационарном компьютере, работающем от сети, однако при подключении к ноутбуку стоит внимательнее следить за состоянием аккумулятора.

Как устроен ЦАП

ЦАП подразделяются на электрические и механические. В электрических ЦАП выходными сигналами являются ток, напряжение, временной интервал, а в механических — линейное и угловое перемещения, скорость и т.д. Широкое применение ЦАП нашли:

в системах цифровой связи, системах телеизмерений (модемы, кодеки, активные и цифровые фильтры), системах распределения аналоговых сигналов;
в системах управления технологическими процессами (станки с числовым программным управлением, прецизионная электротермообработка, электронно-лучевая фотолитография и др.);
в испытательной и измерительной технике (программируемые источники питания, цифровые измерительные приборы и др.).

Цифровая информация представляется соответствующим кодом. Наиболее распространен двоичный цифровой код. Значения разрядов в таком коде определяются присутствием или отсутствием электрического напряжения или напряжениями высокого или низкого уровня. Цифровой код может быть последовательным, когда уровни напряжения, соответствующие отдельным разрядам кода, поступают в различные моменты времени и могут быть переданы по одной линии.

При параллельном кодировании все уровни напряжения, соответствующие разрядам кода, поступают одновременно и передаются по отдельным линиям. Цифровой код представляется в виде последовательности единиц и нулей, например: 1101. В данном коде записано 4 цифры, которые называют разрядами. Крайний левый разряд называют старшим разрядом (СР), крайний правый — младшим разрядом (МР). Числовой эквивалент может быть определен, если известна система кодирования или тип кода. В ЦАП наибольшее распространение получили двоичные и двоично-десятичные коды с весами разрядов 8-4-2-1 или 2-4-2-1.

Что такое фоторезистор.
Читать далее

Маркировка SMD транзисторов.
Читать далее

Как сделать датчик движения своими руками.
Читать далее

Коды бывают прямыми и обратными. Обратные коды получаются инвертированием всех разрядов прямого кода. Максимальное число разрядов, которые могут быть поданы на вход ЦАП и преобразованы в выходную величину, определяется конкретной интегральной схемой. Число разрядов — это двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на входе ЦАП. Число разрядов является наиболее общей характеристикой, определяющей номинальные функциональные возможности ИМС.

Современный цифро-аналоговый преобразователь.

По способу формирования выходного напряжения в зависимости от цифрового входного кода все ЦАП можно разделить на три группы: с суммированием токов, с суммированием напряжений, с делением напряжений. При реализации ЦАП в виде БИС наибольшее распространение получила схема с суммированием токов. ЦАП с суммированием и делением напряжений менее технологичны, но до сих пор реализуются в аппаратуре на цифровых и аналоговых микросхемах.

ЦАП, использующие для формирования выходного напряжения суммирование токов, делятся на два типа: с использованием взвешенных резисторов и с использованием многозвенной цепочки резисторов R-2R. Принцип действия ЦАП основывается на том, что любое двоичное число X_n_iX_n_₂.. .Х₂Х_гХ можно представить в виде суммы степеней числа 2. Поэтому для преобразования двоичных чисел в аналоговую величину (напряжение, ток и т.д.) необходимо каждой единице числа поставить в соответствие аналоговую величину со своим весом, соответствующим разряду данной цифры, а затем произвести суммирование этих величин.

Схема ЦАП

Схема четырехразрядного ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов состоит из матрицы двоично-взвешенных резисторов, переключателей на каждый разряд, которые управляются цифровыми сигналами, входного (опорного) напряжения и суммирующего усилителя, собранного на базе ОУ в инверсном включении. Сопротивления резисторов, соответствующих разрядам входного слова, отличаются в два раза при переходе к соседнему биту. На цифровые входы ЦАП подается двоичный ЛГ-разрядный сигнал.

Каждый i-й цифровой сигнал управляет г-м переключателем, обеспечивая подключение любого резистора с сопротивлением R ? 21 либо к общей шине, либо к источнику входного напряжения. Для простоты рассмотрения принимается, что сопротивление переключателей и внутреннее сопротивление источника входного сигнала равно нулю.

Четырехразрядного цифро-аналоговый преобразователь.

Приложения

ЦАП, как правило, применяются в музыкальных проигрывателях с целью переустройства числовых потоков информации в аналоговые аудиосигналы. Они, кроме того, используются в телевизорах и мобильных телефонах с целью переустройства, соответственно, видеоданных в видеосигналы, которые подсоединяются к драйверам экрана с целью отражения монохроматических либо разноцветных изображений.

Именно эти два приложения используют схемы ЦАП на противоположных концах компромисса между плотностью и количеством пикселей. Аудио — это низкочастотный тип с высоким разрешением, а видео — высокочастотный вариант с низким и средним изображением.

Из-за сложности и необходимости точно подобранных компонентов все, кроме самых специализированных ЦАП, реализованы в виде интегральных микросхем (ИС). Дискретные связи, как правило, являются чрезвычайно быстродействующими энергосберегающими типами с низким разрешением, которые используются в военных радиолокационных системах. Очень высокоскоростное испытательное оборудование, особенно пробоотборные осциллографы, также могут использовать дискретные ЦАП.

Зачем нужен отдельный ЦАП?

Сегодня почти любой цифровой компонент оснащен собственным ЦАП, однако далеко не все ЦАП созданы равными. Начнем с того, что они могут поддерживать не все типы файлов.

Плохие модели могут привносить в звучание нежелательный шум из-за непродуманного проектирования печатных плат или вызывать искажения в связи с джиттером.

Джиттером называются ошибки синхронизации. Точная синхронизация цифрового музыкального потока, определяемая генератором тактовых импульсов, жизненно важна для качества воспроизведения, и если ее не удается обеспечить из-за конструктивных недостатков, качество страдает.

Проблема джиттера может возникнуть при любом перемещении цифрового сигнала по плате, но особенно серьезной становится при передаче сигнала между устройствами. В последние годы широкое распространение получили асинхронные ЦАП, именно по этой причине перехватившие у компьютеров обязанности по синхронизации.

Тактовые генераторы, применяющиеся в компонентных ЦАП класса High End, точнее и стабильнее, чем у обычных ПК, и звук в результате получается существенно лучше.

Что это?

Прежде чем разобраться с некоторыми моделями данного устройства, стоит объяснить, что же это, для тех, кто не знает. рассчитан на обработку цифрового кода в аналоговый сигнал. Так, устройство можно считать своеобразным «проводником» из одного мира — цифрового, в другой — аналоговый.

Есть у этого девайса и «антагонист». Он делает все то же самое, но наоборот. В целом звуковой преобразователь работает по такому принципу, что для работы ему нужно получить цифровой сигнал, который основан на импульсно-кодовых модуляциях. Если перед нами сжатый формат, работа с ним заключается в использовании кодеков.

Представление

Наиболее важные характеристики ЦАП:

разрешение: Число возможных выходных уровней, которые ЦАП предназначен для воспроизведения. Обычно это указывается как количество используемых битов , которое является двоичным логарифмом количества уровней. Например , 1-битный ЦАП предназначен для воспроизведения 2 (2 1 уровня) в то время как 8-битовый ЦАП рассчитан на 256 (2 8 ) уровней. Разрешение связано с эффективным количеством битов, которое является мерой фактического разрешения, достигаемого ЦАП. Разрешение определяет глубину цвета в видео приложениях и битовую глубину звука в аудио приложениях.
Максимальная частота дискретизации: Максимальная скорость, на которой схема ЦАП может работать и при этом обеспечивать правильный выходной сигнал. Теорема Котельникова определяет связь между этим и полосой пропускания дискретизированного сигнала.
Монотонность: Способность аналогового выхода ЦАП перемещаться только в том направлении, в котором движется цифровой вход (т. Е. Если вход увеличивается, выход не падает до подтверждения правильного выхода). Эта характеристика очень важна для ЦАП, используемых в качестве низкого уровня. -частотный источник сигнала или как программируемый подстроечный элемент.
Общие гармонические искажения и шум (THD + N): Измерение искажений и шума, вносимых ЦАП в сигнал. Он выражается в процентах от общей мощности нежелательных гармонических искажений и шума, сопровождающих полезный сигнал.
Динамический диапазон: Измерение разницы между наибольшим и наименьшим сигналами, которые ЦАП может воспроизвести, выраженное в децибелах . Обычно это связано с разрешением и минимальным уровнем шума .

Другие измерения, такие как фазовые искажения и джиттер , также могут быть очень важны для некоторых приложений, некоторые из которых (например, беспроводная передача данных, композитное видео) могут даже полагаться на точное формирование сигналов с регулируемой фазой.

Нелинейное кодирование PCM (A-закон / μ-закон, ADPCM, NICAM) пытается улучшить свои эффективные динамические диапазоны за счет использования размеров логарифмического шага между уровнями выходного сигнала, представленными каждым битом данных. Это способствует большему искажению квантования громких сигналов для лучшего качества тихих сигналов.

Почему наушники звучат плохо?

Если коротко: высокоомные наушники любят высокое напряжение, но им не нужен большой ток. Аккумулятор смартфона или плеера чаще всего попросту не может обеспечить встроенный усилитель достаточным напряжением. Поэтому его рассчитывают под наушники с небольшим импедансом, которым важнее ток, чем напряжение.

Чтобы ответить подробнее, нужно сделать пару лирических отступлений. Для начала следует разобраться в импедансе.

Импеданс — это номинальное сопротивление на входе наушников, измеряется в Омах. По величине сопротивления все наушники можно условно разделить на три группы:

Низкий импеданс — меньше 40 Ом. Обычно 16-32 Ома — это большинство затычек и небольших наушников, множество недорогих охватывающих моделей.
Средний — 60-100 Ом. Например, Sennheiser HD 280 PRO. Хорошо подходят для записи барабанов: за счет импеданса в 64 Ома они выдадут значительно больше громкости, чем модель на 250 Ом, при этом не будут так легко перегружаться, как низкоомные наушники.
Высокий — больше 250 Ом. Многие студийные и хай-энд модели.

Зачем вообще наушникам высокое сопротивление? На самом деле, до недавнего времени со звучанием «ушей» особо не заморачивались. Самый качественный звук традиционно предлагали студийные модели, и они все были высокоомными, потому что студийная техника всегда обладала мощными выходами. Подключенные к ним низкоомные наушники звучали бы слишком громко вплоть до боли в ушах.

Второе преимущество, о котором задумались уже чуть позже — больший вольтаж дает большую детализацию и лучшую динамику, звучание становится как бы более насыщенным, ярким и глубоким. В итоге среди производителей хай-фая и хай-энда пошла мода выпускать дорогие высокоомные модели, и сегодня они занимают существенную часть рынка. Разумеется, это не значит, что любая высокоимпедансная модель звучит лучше наушников с низким сопротивлением.

Кроме импеданса еще одним важным значением является чувствительность наушников. Это сколько децибел они выдадут в расчете на милливольт. Есть схожий параметр — эффективность, измеряется в децибелах на милливатт, но обычно указывается именно чувствительность.

Теперь правила:

Чем больше импеданс имеют наушники, тем большее напряжение им нужно. От импеданса зависит, сколько мощности сможет им отдать усилитель.
Чем меньше чувствительность у наушников, тем выше ток им требуется. От чувствительности зависит громкость наушников.

Например:

Наушники Sony MDR-1AB. Их импеданс лишь 24 Ома, а чувствительность — 105 Дб. Комбинация из низкого импеданса и высокой чувствительности означает, что такие наушники гораздо проще прокормить электричеством, с этим справится даже обычный смартфон.
В противовес им — наушники Shure SRH1840. Кажется, что с импедансом в 65 Ом их вроде бы несложно будет раскачать. Вот только их чувствительность составляет всего 96 Дб, а это значит, что им нужно очень много энергии — 1,5–4 Вт на канал для большой громкости!
А вот Sennheiser HD 650 имеют импеданс аж в 300 Ом, но при относительно высокой чувствительности в 103 Дб усилитель к ним будет подобрать попроще.

Однако даже если наушники нетребовательны к сигналу, это еще не означает, что встроенный усилитель смартфона или плеера не портит качество их звучания. Нередко копеечные усилители вносят искажения, особенно на высокой громкости, а также имеют раздражающие посторонние шумы и фоновое гудение. Они возникают из-за влияния различных радиоэлементов друг на друга при слишком плотной компоновке корпуса. Обойти ограничения встроенных усилителей помогают внешние усилители для наушников.

Звучный

Esoteric D-07X — это хороший ЦАП, который многим покажется чересчур дорогим — около 6 тысяч долларов. Но знатоки понимают, за что такая цена у такого компактного оборудования. Этот вариант отличился хорошим качественным корпусом, большим выбором функций и режимов, а главное — супер-высококлассным звуком. В похожей модели, которая вышла немного ранее, была замечена проблема с USB-приемником.

Новинка вроде как лишилась этого бага. Её оснастили трансляцией файлов, возможностью отключать и новеньким слотом для наушников. Есть и независимая регулировка громкости. Несмотря на большое количество нововведений, они практически не повлияли на повышение стоимости.

Конечно, можно рекомендовать какие-то определенные настройки и регулировку оборудования, но, скорее всего, правильнее будет владельцу самостоятельно разобраться с каждой функцией, чтобы установить оптимальные для себя режимы.