一款发烧DAC音频解码器的设计与制作

哚哚

1. 引言：
一些低中档数字音源输出的音频声音生硬，数码声重，音质刺耳烦躁，不耐听，满足不了音响发烧友的听觉需求。主要是因为这些机器内建的音频DAC性能差，模拟滤波、放大器件普通，供电也过于简单造成。好在这些机器一般都配有光纤或者同轴输出端口，提供数字音频信号输出，供高档的DAC音频解码还原高保真的声音。有动手能力的烧友都喜欢DIY一台高性能的DAC音频解码器以重放hi-fi的音响效果，满足自己的听觉需求。

2. DAC音频解码器电路的设计
2.1 DAC音频解码器电路组成
        DAC音频解码器由数字信号接收器、数字滤波器、D/A转换器、I/V转换器、LPF滤波器将数字音频还原还原成模拟音频信号，再通过电子管组成的和田茂氏线路校音、开机延迟吸合电路控制输出模拟音频信号推动后级功放。电路的组成及其信号流如图1：



　　图1 DAC音频解码器组成及信号流程

2.2 数字信号接收与音频解码电路
　　数字信号的接收与解码电路关系到音频信号还原的质量，想要得到高保真的声音，必需采用高性能的器件担当音频DAC解码的重任，这是重点部分，电路原理图见图2，下面对其原理作进一步的分析：

                   图2 DAC解码板原理图
2.2.1 数字信号接收器
数字信号接收采用美国CRYSTAL公司的带有PLL的解调芯片CS8412-CP担任，能自动识别32K-48K采样率。外部数字音源通过光纤线送来的信号被光纤接收头TORX179接收并转化成电信号，经电容C201、C202耦合到IC201的10脚，外来同轴信号（或者CN5插上音频蓝牙模块输出的同轴信号）经C203耦合到IC201的9脚,IC201内部自动识别信号源并将其选通，省去输入切换开关，简化电路。当然光纤和同轴不能同时有信号输入，否则IC201无输出。信号通过IC201内部处理，恢复时钟和同步信号，并把音频信号和数字数据进行分离，由12、11、26脚输出音频串行数据SCK(串行时钟)、LRCK（左右时钟）和SDATA（串行数据）， 音频串行输出信号的格式受M0、M1、M2、M3控制，M3=0时为标准串行格式，应用时置M3=0，M0、M1、M2设置与对应的8种音频数据输出格式见表1，应用时设置模式根据后接数字滤波，D/A芯片而定。
表1 CS8412-CP 采样频率与输出格式设置


2.2.2 数字滤波器
数字滤波器的作用是把接收解调后的数据信号进行运算，完成超采样、实现升频或降频，也可以进行I2S之类的格式转换，本机采用了BB公司28脚双列直插封装的DF1700P数字滤波器，具备8X超采样，其引脚功能与内部结构如图3


            图3 DF1700P引脚功能与内部结构
6脚、7脚外接16.9344MHZ晶振，为了更好实现信号的同步性，16.9344MHZ主时钟信号（MCK）直接由IC201的19脚提供， 26、12、11脚将SDATA、SCK、FSYNC数据送到DF1700P的1、2、28脚，进入DF1700P内部运算，从24、23脚输出左右通道音频数据流，25脚输出WCK、26脚输出BCK进入音频解码级。DF1700P的3、4脚设置采样率，16 、17脚切换比特率。3、4，16、17脚设置与对应采样率、比特率见下表2：

　　表2:DF1700P采样率与比特率设置
2.2.3 音频解码器
这部分是DAC音频解码器的核心。其实质是一个数模转换器，只不过人们习惯叫音频解码器罢了，在DAC芯片选择上有部分发烧友片面追求器件的高比特数和取样率。认为具有24Bit/96KHz的芯片其音响效果就一定要好于低位数低取样率的产品。这实际上是一个误解。这里要强调的是作为CD格式其音频数码流为 16Bit/44.1Khz 。这是CD盘的标准。有些CD盘面标定20Bit、24Bit、96Khz、192Khz这是指在录音过程采用的记录格式，在烧录CD光盘时无一例外的要重新编码的16Bit/44.1Khz数据流。作为CD音频DAC解码器都要工作在这个格式下。不同采样率和比特率的芯片其音质是有差别的，高比特及高取样率只能说明该芯片可工作在不同数据流方式及能够达到的精度。因而本机采用具有超低失真、低噪声、线性好的R-2R架构的D/A转换芯片PCM1702-K。PCM1702-K是美国BB公司的高性能D/A转换芯片(K是这型号的最高级别)，两片PCM1702-K担任左右声道的D/A转换，具有20Bit的精度，完全胜任音频CD的解码。芯片采用了数字+-5V和模拟+-5V分开供电，需要注意的是5脚为数字-5V的供电端，静态电流达30mA电源设计要考虑其功耗。PCM1702-K的1、2、6脚分别接收来自DF1700送来的DATA、BCK、WCK信号，经内部D/A转换后，从11脚输出音频电流信号，11脚输出的音频电流具有超低失真、低噪声、线性好的特点。
2.2.4 I/V转换器
从PCM1702输出的电流信号比较弱，大约为1mA左右，所以需要一个I/V转换器将PCM1702-K的电流信号转换成电压信号，由于I/V转换级对音色的影响极大，在设计上本机采用了JRC公司旗舰版高性能双运放musec02来担任I/V转换。musec02在日本音响届被号称"原音守护神"，其声音谐波丰富，解析力高，音场宽广，层次分明，声音醇厚而通透，是一种音效全面的发烧运放。与反馈电阻并联的电容取100-220P比较合适，取值太大会影响运放的速率，影响高音的细节。
2.2.5 LPF滤波器
数字音频经过PCM1702-K进行D/A转换后，还需要一个LPF低通滤波器，去掉信号中不必要的高频成分，去除高频干扰。常见的有源低通滤波有巴特沃斯滤波器、切尔雪夫滤波器等等，然而本机采用了BB公司专门为R-2R架构设计的GIC低通滤波器，有很好的线性相位特性，通带增益平坦，从而使音频信号通过滤波器后的失真很小，保证了音频信号的高质量。如图2，GIC滤波由R402-R412以及双运放IC403、IC404、C403-408等组成3阶低通滤波器，按照图中阻容参数取值，截止频率为40KHZ。
2.3 线路放大器
        考虑到用电子管制作的前级电路音色圆润、人声甜美、音乐味浓，声音耐听、适合人声的演绎，本机设计了一级由电子管组成的线路放大器作输出，一来可以校声，二来提高解码器增益直推后级功放。如图4，电子管线路放大参照了日本著名的和田茂氏线路，线路是以12AT7两级放大（约12倍）加一级用12AU7作SRPP阴极输出,减小输出阻抗和增大输出电流，增强带载能力。放大后的信号经过电位器进行音量控制后输出到后级。线路放大不设音调控制，信号直通，确保原汁原味。

图4 电子管线路放大与开机延迟输出电路

2.4 开机延迟输出电路
        由于电子管通电时需要预热，预热期间工作点不稳定，会产生脉冲电流输出冲击功放级，逼使功放级进入保护。所以在信号输出端加入了由STC单片机组成的开机延迟吸合电路，见图4：
通电时单片机12C2052在特定的程序下运行，P1.0口电平高低交替变化，电源指示灯闪烁，表示机器热机；同时P1.1口为高电平，继电器失电常闭触电接通短路输出信号；大约30S之后单片机  P1.1口输出低电平驱动继电器吸合，常闭触点断开，短路解除，让信号通过RCA端子输出，同时P1.0口锁定低电平，电源指示灯变为常亮，机器进入正常的状态工作。采用这种通过短路信号阻止其输出的控制方式回避了输出信号流经继电器的触点，减少音染。
2.5电源电路
2.5.1 DAC主板供电
电源部分在解码器中也是一个不可忽视的部分,主要克服电网中电波对电路的影响,还要克服数字电路部分对模拟电路的影响,更重要的是要具有极低的动态内阻。高质量的电源可以令D/A芯片、高级运放的性能发挥的淋漓尽致，在试验时发现，普通的7805、7905、317、337这些三端稳压器件用于高级的D/A芯片和运放供电，主要是令中频的圆润、低频的弹性与力度变差，根本不能发挥D/A芯片和运放的性能，原因是78系列属于串联稳压器件，内阻大，影响了芯片性能的发挥。然而并联稳压电源其动态内阻低，有利于电路能量的吸收，其性能接近与蓄电池，是DAC理想的电源。甲类并联稳压电源缺点是功耗大、效率低，但在DAC电路的静态电流不算大的情况下，采用甲类并联稳压供电功耗也不是问题，所以本机设计了8组具有极低动态内阻的甲类稳压电源为DAC电路供电，数字与模拟分开供电，模拟地与数字地一点连接，并在交接处用电感磁珠隔离。具体电路见图5


　　图5 DAC解码板供电原理图
        整机采用3个电源变压器供电，其中2个35W的环牛提供双9V、双16V交流经整流滤波，由LM317T组成恒流源，TL431、MJE172G构成并联稳压电路输出D5V-1、D5V-2、D+5V、D-5V、A+5V、A-5V、 A+15V、A-15V为CS8412-CP、DF1700P、PCM1702-K、4个运放供电。其工作原理：是LM317、R组成恒流源，恒流源的高内阻将电路与电网干扰隔离，R的大小决定恒流值，一般取电路静态电流的1.5-3倍比较合适，恒流数值计算公式I=1.25V/R(1.25V是LM317内部的基准电压)，TL431与R端连接的上下电阻组成并联稳压得到2组5V为数字电路CS8412-CP和DF1700P供电，PCM1702-K用的D+-5V和低通滤波运放用的A+-15V，由于其工作电流较大些，TL431的功耗不够，需要用安森美MJE172G组成扩流再输出。这电源设计是本机的特色，因为电源内阻很小，在实际试听中，高频解析力和低频力度和深度、人声的圆润上比串联稳压供电有很大的改善和提高。
2.5.2 电子管线路放大供电
电子管线路供电采用了1个50W的电源变压器，见图8。次级15V
绕组经过整流滤波、LM317稳压在12.6V为12AT7、12AU7灯丝供电，调节RP3可以改变输出电压，灯丝采用直流供电有利于提高信噪比；2组250V采用2只6Z4分成2路全波整流，再通过电容滤波，LM317稳压的得到2组270V电压分别为电子管的阳极供电，左右声道独立供电，这样可以提高了立体声分离度。按图中电阻参数稳压器得到270V左右电压输出。
3. DAC音频解码器的制作与调试
3.1 解码级的制作与调试
由于解码级使用的元件比较多，线路也比较复杂，所以把数字信号接收与解码部分连同DAC供电电路用AD软件将原理图绘成了PCB文件，制成12.3X21.5MM的PCB板子，安装元件做成一块DAC解码板，见图6


　　                     图6 DAC解码板
        为了取得hi-fi的音响效果，在元器件的选取时电阻选1%精度的BC系列金属膜电阻，无极电容以德国的WIMA首选，误差要5%内，电源滤波电解电容选日本的ELNA, ELNA的Cerefine系列对人声有极佳的表现，数字电路退耦电容宜选钽电容，DAC并联稳压TL431的取样电阻选温漂小的金属膜电阻，如北京718军工系列电阻等，芯片必需选原装进口的，运放对音色影响很大，不同类型运放有不同的音色，在试听中要根据自己的口味调换不同声音风格的运放。安装时板上的所有芯片加装IC座，芯片免焊接，也方便更换运放调试音色。
恒流取样电阻选1W 1%金属膜系列，按图中参数选取输出电流约120MA，已经足够用了。焊接好所有元件，不要急于插上各种芯片，首先通电对8组稳压电路进行测量与调试，各路输出电压必需符合电路的要求，特别是+-5V电压必需精准、稳定，否则要检查元件是否装错装漏。在各组电压合适的情况下可以插上芯片，拨动拨码开关S1将CS8412-CP输出信号设为模式5（见表1）；拨动S2使DF1700P采样率设为384fs；拨S3使DF1700P的比特率设为16Bit（见表2），也就是设置芯片的工作模式，使芯片统一工作在44.1K /16Bit的CD标准格式。然后通电测试解码板，观察LED指示灯可以知道数字信号的接收是否正常（LED亮起表示信号接收正常），如果安装无错误通电解码板都会出声。
3.2 电子管线路放大电路的制作与调试
3.2.1 电子管线路放大电路的制作要点
在元器件的选取时，同样本着hi-fi原则，高压滤波电容选飞利浦BC系列，电阻是2W的金属膜电阻，耦合电容选取了WIMA,唯一的一个音量电位器用了日本原装进口的ALPS 27型，6Z4是国产的北京管，放大管用俄罗斯12AT7、12AU7金脚的，整个解码器的机箱采用了市面DIY全铝机箱。
电子管放大线路放大部分采用搭棚的方式连接，制作时要把3个变压器、2个400V滤波电容、6个电子管裸露在机壳上面，这样既利于电子管散热，也利于克服变压器对DAC电路产生电磁干扰。先在全铝机箱上面布局好3个电源变压器、滤波电容和6个电子管的合理位置，布局要考虑机器外形的美观，然后在合适位置打孔，固定变压器（变压器还要盖上屏蔽罩，这在本机还没完成），固定好2个6Z4小7管座和4个9脚管座（12AT7、12AU7用），管座要选搭棚专用的。搭棚焊接时特别要注意各级地线分开，杜绝地线干扰，否则会严重影响信噪比，还有灯丝稳压器件LM317T要紧贴铝壳，借助铝壳散热并做好绝缘。整机外观设计如图7

              图7 立体声DAC音频解码器外观设计
3.2.2电子管放大电路的调试
　　连接好电路，插上2个6Z4，通电一会儿，用万用表测试6Z4的5脚应该有310V左右直流电压，经过LM317T稳压后是270V，再用万用表测灯丝电压，调RP3使其值为12.6V。
再插上12AT7、12AU7，等待几分钟测试电压放大级、SRPP输出级的工作点要符合图4标注要求。
3.2.3开机延时吸合电路的调试
    这个电路调试比较简单，用洞洞板照图搭焊完毕，先将延时程序烧入STC12C2052单片机中（延时程序简单在这里不详细介绍了），通电时电源指示灯是闪烁的，这时继电器没有驱动电流，输出端被常闭触点短路接地，关闭输出，30S后继电器得电吸合输出端接地解除，信号正常输出。
4.制作体会与听音评价
    这个DAC音频解码器能将DVD、CD机、网络机顶盒等数字音源的数字信号还原成高保真的音频信号，解码板还预留了第三方蓝牙音频模块接口(CN5)，实现手机蓝牙接收。由于业余制作，没有专门的仪器测试，只能够用耳朵收货，通过更换运放反复试听，确定使用本文图纸的运放，最后给予主观的听音评价：整机使用了高性能的元器件、电子管做校音、多路并联稳压供电，使得本机的噪声极低，音色出众，声场定位准确，高音表现非常细腻，中音圆润，人声甜美，低音深沉富有弹性，音乐味浓郁，整个频段通透均衡。