Что значит использования в качестве внешнего цапа. Процессоры (ЦАП-DAC). Аттенюаторы и интеграторы на ЦАП
Трудное решение или сравнение теплого с мягким?
Любые поиски и метания в попытках улучшить звук обычно начинаются с ощущения, что привычная музыкальная система как-то «не играет». Для бывалых любителей музыки возникшее ощущение означает только новые траты. Новички часто ограничиваются приобретением хороших . Если результат не оправдывает ожидания, приходится искать иные способы улучшить звучание музыки.
Усилитель для наушников
Если источник звука недостаточно мощный, чтобы раскачать наушники, первым делом на ум приходит покупка внешнего усилителя.
Встраиваемые в смартфоны или портативные плееры усилители часто не отличаются высоким качеством. С одной стороны, ради повышения общей производительности гаджета инженеры вынуждены выбирать более энергоэффективные, но менее мощные усилители. А с другой, встроенные решения не всегда могут обеспечить стабильный звук без привнесенных искажений.
В этом случае дискретный усилитель, разработанный именно для вывода качественного звукового сигнала, может стать искомой альтернативой. При этом компактные внешние усилители обеспечивают не только необходимую громкость звука в наушниках, но и должную стабильность звучания.
И тут-то пользователей усилителей для наушников и поджидает проблема. Притом с самими усилителями она и не связана. Подключаемые в гнездо выхода для наушников усилители имеют дело с аналоговым сигналом в том виде, в какой его преобразовал встроенный в смартфон (плеер или звуковую карту) цифро-аналоговый преобразовать (ЦАП). Производители редко тратятся на качественные микросхемы ЦАП, предпочитая ставить недорогие низкоразрядные чипы. Результат работы слабеньких ЦАП упрощенно можно описать следующим изображением:
В общем случае потеряется яркость, выразительность или даже часть деталей. После такого преобразования музыку не спасут даже самые качественные наушники и усилитель.
Именно поэтому часто более оправдана покупка внешнего цифро-аналогового преобразователя.
Внешний ЦАП
Цифро-аналоговый преобразователь – устройство, конвертирующее цифровой сигнал в поток электрических импульсов для воспроизведения в акустических устройствах.
В цепочке «Источник сигнала – ЦАП – Усилитель – Акустика» итоговое качество звука зависит от каждой составляющей. На ЦАП, таким образом, приходится хотя бы четверть ответственности за то, что в конечном счете дойдет до ушей слушателя. Именно поэтому важно обеспечить наличие в звуковом тракте качественного устройства, преобразующего двоичный код в аналоговый сигнал.
Со встроенными в пользовательские устройства ЦАП ситуация аналогична усилителям. Энергоэффективность и оптимизация габаритов вынуждают производителей ставить компактные, не отвечающие задачам вывода детального звука, комплектующие. К тому же далеко не всем пользователям нужно, чтобы телефон (или ноутбук) «играл». В итоге, любители качественного звука вынуждены озадачиваться приобретением дополнительной периферии.
Благо, что рынок портативных внешних ЦАП широк. Даже в реалиях кризиса и просевшей национальной валюты, можно подобрать достойное решение по карману. Хоть для iPhone, хоть для Mac. Все что нужно – иметь возможность подключить устройство через USB-интерфейс.
К примеру, не так давно у нас на побывали два устройства от Fostex. Одно из них – внешний ЦАП Fostex HP-A3 , построенный на базе микросхемы AKM AK4390 . Эта модель, при сравнительно небольшой цене обладает всем, что необходимо требовательному меломану. HP-A3 выдает очень детальный, выверенный и очень динамичный звук. Вдобавок, к его прелестям можно отнести наличие небольшого усилителя, достаточного для использования с низкоомными наушниками.
Для раскачивания больших высокоомных телефонов потребуется оснащать свою систему дополнительным усилителем или воспользоваться универсальным решением.
Комбайн
В том же обзоре мы рассматривали старшую модель Fostex HP-A4 . Её можно отнести к так называемым комбайнам – устройствам, совместившим в одном корпусе и ЦАП, и усилитель.
Цифро-аналоговый преобразователь HP-A4 построен на базе 24-битного чипа PCM1792A и нативно поддерживает конвертацию звука в формате DSD. Ну, а мощности усилителя должно с запасом хватить для большинства высокоомных наушников.
Стоит отметить, что покупка комбайна не обязательно будет компромиссым решением. Чаще всего производитель подбирает комплектующие таким образом, чтобы ЦАП и усилительный тракт, если уж и не являлись идеальной парой, то хотя бы соответствовали характеристикам друг друга. Вдобавок, вместо двух отдельных устройств получается одно, и порой довольно компактное.
На мой взгляд, к единственному недостатку комбинированных решений можно отнести невозможность замены в тракте отдельно усилителя или ЦАП, в случае если выдаваемый системой звук не соответствует желаемому результату.
В таком случае стоит уже рассматривать покупку отдельных компонентов звукового тракта, что повлечет более серьезные финансовые вложения.
Вместо вывода
К сожалению, в вопросах качественного звука нет заведомо правильного ответа. Нет идеального сочетания устройств, и подчас невозможно добиться этого идеала. В выборе подходящего решения можно довериться только собственному слуху.
Спасибо компании Fostex за предоставленные усилители и ЦАПы .
Винил, конечно, сейчас - модная штука, друзья, но побороть цифровую дистрибуцию музыки ему не придется никогда. Цифровые источники звука вот уже более полутора десятка лет прочно удерживают доминирующее положение как в профессиональном, так и в бытовом секторах электроники. Поговорим о том, как выжать максимум Hi-Fi-соков из ассортимента плодов - от интернет-радиостанций до 24-битового аудио.
Когда-то проигрыватель компакт-дисков был единственным решением, и вообще поначалу считался крутым High End, но сегодня эту тему, похоже, можно считать морально исчерпанной. Да, по старинке еще многие держат CD в коллекциях, но как физический носитель он проигрывает винилу, который банально красивее выглядит, а технически уступает по параметрам HD-аудио, которым уже вовсю торгуют в интернете не только аудиофильские, но и мейджор-лейблы. Таким образом, вместо CD-плеера нам нужно более универсальное устройство с внешними входами, которое могло бы преобразовать двоичный код из нулей и единиц в аналоговый сигнал, который далее подавался бы на усилитель и колонки в итоге.
ЦАПы есть везде
Блоком с цифроаналоговым преобразователем (ЦАПом, конвертером, DAC) оснащен и AV-ресивер, и CD-, и в принципе любой медиаплеер. Как самостоятельное устройство ЦАПы появились в качестве High-End-апгрейда существующему CD-проигрывателю. Конструкторы полагали, что плеер разумнее разнести в отдельные блоки с собственным электропитанием.
Один из первых внешних ЦАПов Sony DAS-R1, выпущен в конце 1987 года В первом устанавливалась собственно механическая часть со считывающей оптической системой и цифровым выходом. Это называлось CD-транспорт. Во втором блоке движущихся узлов уже не было - лишь плата ЦАПа, значение которого в настоящее время выросло до звания цифрового хаба. Кстати, очень часто бывает и так, что в современном CD-проигрывателе найдется пара цифровых входов для подключения внешних источников.
Жизненный цикл звука от источника, последующей записи и оцифровки, обработки, и обратного цикла - цифроаналогового преобразования Современный конвертер взаимодействует с целым рядом источников сигнала - главное, чтобы для всех нашлась соответствующая коммутация. Источником может быть и старенький DVD-плеер – обычно они подключаются через оптический TosLink или коаксиальный кабель. Последний выглядит как обычный «тюльпан» из стереопары. Дорогие модели могут еще используют соединение разъемами типа XLR. С помощью USB входа к ЦАПу можно подключить компьютер или портативный источник звука.
Помимо этого, портативные ЦАПы делают совместимыми с источниками на основе iOS- или Android-телефонами, айподами, планшетами и другими гаджетами. Фактически во всех этих случаях конвертер становится внешним звуковым модулем с отдельным питанием и хорошей начинкой, которые не снились в штатной мультимедийной технике. А еще современные ЦАПы нередко оснащают усилителем для наушников.
Мультибитные и однобитные ЦАПы
До 21 века цифроаналоговые преобразователи оперировали только с 16-битным аудио, согласно формату Red Book для компакт-диска. Другого просто не было. Частота дискретизации у CD была 44 кГц, у профессиональных DAT-рекордеров капельку выше - 48 кГц. Сначала все ЦАПы работали по «параллельному» принципу - все 16-разрядов «взвешивались» на R-2R матрице (резисторной схеме лестничного типа).
Пример схемы R/2R ЦАПа Знатоки знают наизусть и ценят такие марки чипов, как Burr-Brown PCM63 или Philips TDA1541. Однако R-2R матрицы оказались дороговатым и не слишком технологичным удовольствием. Требовалась точная лазерная подгонка всех номиналов сопротивлений. В противном случае при работе неточный замер битов приводил к нарушению линейности сигнала.
Поэтому на смену R-2R пришли ЦАПы с 1-битовым преобразованием, получившим название "дельта-сигма". Если мультибитники выдавали напряжение сигнала напрямую, исходя из всех поступивших на матрицу 16-битовых данных, то в дельта-сигме напряжение колебалось в зависимости от того «ноль» пришел на приемник или «единичка». 1 - означала увеличение напряжения аналогового сигнала, а 0 - уменьшение.
Микросхема мультибитного ЦАПа Burr-Brown PCM63 Старые аудиофилы нет да и вспомнят музыкальность R-2R чипов, но и деваться некуда. Дельта-сигма оказались и практичнее в настройке, и дешевле в производстве. Да и качество SACD-формата доказало, что 1-битовое преобразование отлично умеет справляться с High-End задачами. Частота дискретизации SACD измеряется уже не кило-, а мегагерцами, поэтому в схеме можно обойтись совсем простыми аналоговыми фильтрами.
В классических схемах на базе PCM до сих пор приходится фильтровать помехи квантования цифровым способом - их существует несколько и некоторые модели ЦАПов предоставляют возможность выбрать один из них.
Сами же дельта-сигмы прогрессировали в сторону гибридных схем, где поток обрабатывался каскадами, как по 1-битной, так и параллельной схеме. Но самое главное, величина цифрового слова выросла в них сначала до 24, а потом и до 32 бит. Кроме того, перспективным направлением являются ЦАПы на программируемых вентильных матрицах (FPGA), где и вовсе нет традиционных конвертеров.
Современный ЦАП Mytek Manhattan работает с потокоми РСМ 32 бит / 384 кГц, DXD, DSD-DS-DSD256 (11.2 MHz) Для чего такая расширенная разрядность? Для достоверности. В профессиональной индустрии сегодня используются 24-битная запись, обеспечивающая более точное описание оригинального сигнала. Как уже упоминалось, ряд музыкальных изданий уже доступен в формате высокого разрешения. Так что можно, конечно, послушать урезанную версию на компакт-диске или МР3, но согласитесь, интереснее встать на одну ступеньку ближе к звукорежиссерам, которые возились с вашим любимым альбомом. И поэтому ваш ЦАП должен быть полностью готовым для приема контента высокого разрешения - как по USB, так и по остальным протоколам передачи данных.
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) — предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук). Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).
{xtypo_quote}К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др.{/xtypo_quote}
Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления t уст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выход-ной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.
Как и рассматриваемые , ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.
Схема ЦАП с суммированием весовых токов
На рис. 3.88 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.
Ключ S 5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S 1 …S 4 (при этом u вых = 0). U 0
— опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.
По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ
S1, то u вых = −U 0 R oc / R
что соответствует в первом и нулям в остальных разрядах.
Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S 1 …S 4 . Токи ключей S 1 …S 4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.
Из вышеизложенного следует, что u вых = − (U 0 R oc / R) · S 1 − (U 0 R oc / (R/2)) · S 2 - − (U 0 R oc / (R/4)) · S 3 − (U 0 R oc / (R/8)) · S 4 = = − (U 0 R oc / R) · (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)
где S i ,i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.
Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.
ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R
Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R(матрицы постоянного сопротивления) (рис. 3.89). 
В схеме использованы так называемые перекидные ключи S 1 …S 4 , каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S 5 замкнут только тогда, когда все ключи S 1 …S 4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.
Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S 1 …S 4 . Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каждый из ключей S 1 …S 4 подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»…«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения U а, U b , U c и U d в указанных точках определяются следующим образом:
Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «a»…«d» не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.
Из вышеизложенного следует, что:
u вых = − (U 0 R oc / 2R) · S 4 − ((U 0 /2) R oc / 2R) · S 3 - ((U 0 /4) R oc / 2R) · S 2 − ((U 0 /8) R oc / 2R) · S 1 = − (U 0 R oc / 16R) · (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)
где S i , i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.
ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел
Рассмотрим ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел (рис. 3.90).
Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R − 2R (обозначены прямоугольниками). Z 0 …Z 3 обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R − 2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 3.91. 
Из анализа следует, что
Многие пользователи ПК и ноутбуков желают заставить звучать свои устройства более качественно. Встроенными звуковыми картами такого эффекта не добиться. И здесь на сцену выходят внешние устройства начального уровня, которые способны конвертировать и выпускать высококачественный звук. Бюджетный ЦАП - весьма полезная штука, если владелец ПК является аудиофилом. Однако аудиофильские ЦАПы не могут быть бюджетными. Это скорее для любителей качественного звука. Как бы то ни было, стоит рассмотреть самые популярные модели, чтобы выбрать лучший аудиопроцессор. Дело это непростое. Сами увидите.
Зачем нужны ЦАПы
Дело в том, что встроенная звуковая карта никак не может обеспечить достойное звучание (особенно с высокого класса). Хоть в большинстве встроенных "звуковушек" и показывается частота дискретизации 192 кГц, а глубина - 32 бита, это далеко не так. А вот внешний ЦАП вполне способен обеспечить такое качество звука. Но стоит такое устройство тоже прилично. Хотя есть и очень дешевые модели, которые подключаются к ПК или ноутбуку при помощи USB-разъема. Такие устройства выглядят оптимальным решением для среднестатистического пользователя. Но аудиофилам и профессиональным музыкантам такой аудиопроцессор никак не подойдет.
Однако не ЦАПом единым... Для обеспечения качественного звучания важен не только аудиопроцессор. Имеют огромное значение и другие компоненты системы: компьютер, акустика и остальное. Для того чтобы успешно использовать USB-ЦАП, нужно иметь соответствующий ПК. Об этом сейчас и поговорим.
Выбор ПК
На корпус аудипроцессора может повлиять любая вибрация и любое излучение. Поэтому компьютер должен работать максимально тихо. В идеале - бесшумно. Беда в том, что большинство "ящиков" этого делать не умеют. Они ревут всеми своими кулерами, как "Феррари" на форсаже. Поэтому для работы с ЦАП лучшим вариантом будет ноутбук. В идеале - ультрабук (они более тихие). Гипотетически системный блок тоже можно заставить работать бесшумно, но самому делать это категорически не рекомендуется, ибо можно ухудшить охлаждение компонентов, и вся система накроется. Ноутбук - оптимальное решение. Теперь можно выбрать бюджетный ЦАП с качественным звуком.
Arkam irDAC
Этот миниматюрный внешний ЦАП сложно назвать бюджетным. Его цена скорее приближается к стоимости моделей среднего уровня, но он того стоит. В нем реализована беспроблемная конвертация звука по стандарту 24/192, он имеет кучу разъемов для подключения стереосистемы и наушников и взаимодействует с компьютером через USB. Гаджет снабжен даже пультом дистанционного управления. Но он выглядит так, будто его на толкучке покупали. Официально Arkam заточен под устройства Apple. Но он отлично справляется и с дургими девайсами. Все бы ничего, но несколько расстраивает отсутствие балансных выходов для подключения пассивных мониторов. За такую цену могли бы включить и их в комплект.
Как бы то ни было, Arkam irDAC представляет собой лучший бюджетный ЦАП с усилителем. Хоть и без поддержки балансных выходов и DSD. Но это не страшно. Многие модели начального уровня ограничены в дополнительных опциях. И этот аудиопроцессор - не исключение.
Cambridge Audio DacMagic Plus
Это настоящий комбайн для любителей качественного цифрового звука. В этом устройстве есть все (за исключением поддержки DSD): балансные выходы, стандарт 24/192, усилитель для наушников и многое другое. Причем стоит он намного дешевле, чем наш предыдущий "пациент". Бюджетный ЦАП от Cambridge обещает пользователям высококачественный саунд без каких-либо существенных материальных затрат. Правда, при условии, что остальные компоненты системы тоже должного уровня. Без этого добиться хорошего звучания будет невозможно.
Среди всего того, что сейчас предлагают на рынке, аудиопроцессор от Cambridge является оптимальным решением. Балансировка качества и цены почти идеальная. Приобретя этот бюджетный ЦАП Dac, жалеть точно не придется. У вас всегда будет почти профессинальный саунд.
ASUS Xonar Essence STU
Это один из самых дешевых аудиопроцессоров на современном рынке. Однако он обладает всеми положенными опциями. Есть даже балансные выходы с фантомным питанием. А это большая редкость для устройств такого класса. Формат аудио - 24/192. Плюс поддержка DSD. Сей бюджетный ЦАП Китай выпускает, но от этого он не становится хуже, ибо в Поднебесной научились-таки делать качественную технику. Беда только в том, что найти сие творение от ASUS не очень легко. Это страшнейший дефицит. Ибо спрос на него просто нечеловеческий.
Тем не менее этот аудиопроцессор относится к одним из самых лучших решений для обустройства домашней студии. По желанию можно подключить или студийные однополосные мониторы. Последний вариант может дать весьма интересные результаты. Поскольку этот USB-ЦАП довольно дешев, позволить его себе может почти каждый. Но не нужно забывать и о качественной акустике.
Denon DA-300USB
Миниатюрный ЦАП для домашнего использования не оставит никого равнодушным. Этот бюджетный ЦАП вполне способен удовлетворить желания даже аудиофила. Он обладает всеми опциями, положенными хорошему аудиопроцессору: высокоомный усилитель для наушников, все необходимые разъемы, поддержка DSD, формат 24/192, привлекательный внешний вид. Что еще нужно для счастья? Но самое главное - его цена. Он еще дешевле, чем продукт от ASUS, но при этом не уступает ему в качестве и функционале. Для соединения с ПК используется USB-разъем. Впрочем, это стандартная фишка аудиопроцессоров начального уровня.
Это устройство может использоваться и как бюджетный ЦАП для наушников. Он отличается от переносных аудиопроцессоров только тем, что взять его куда-то с собой трудновато. Но зато качество звука намного лучше. А еще он прекрасно впишется в любой интерьер благодаря своему уникальному дизайну. Все строго и по классическим канонам.
TEAC UD-301
Это безусловный лидер. И не только по качеству звука. Он обладает полным набором интерфейсов для подключения акустичесих систем. К услугам пользователя здесь имеются балансные выходы, разъемы RCA, коаксиальный и оптический разъемы. В общем, все то, что необходимо высококачественному профессиональному устройству. И цена ненамного выше, чем у предыдущего кандидата. Этот "монстр" станет достойным украшением любого интерьера и обеспечит первоклассное звучание. Также есть поддержка DSD. А это, согласитесь, дорогого стоит. Бюджетный ЦАП такого уровня - редкость. Поэтому не стоит даже раздумывать.
Правда, если уж покупать устройство такого уровня, то следует озаботиться соответствующими колонками. Аудиофильское "золотое правило" гласит, что акустическая система должна быть раза в полтора дороже, чем используемый аудиопроцессор. Только тогда раскроется весь его потенциал.
Звуковая карта vs Бюджетный ЦАП
Многие думают, что если поставить в ПК звуковую карту продвинутого уровня, то она с легкостью заменит любой ЦАП. Это утверждение не имеет права на жизнь. Дело в том, что адекватная карта, способная выдать то, на что способен даже самый бюджетный ЦАП, стоит очень много. Из чисто практических соображений не стоит увлекаться таким нонсенсом. Да и не стоит забывать, что в звуковой карте из-за ее конструкции нет и не может быть никаких дополнительных разъемов (типа балансного).
Так что сравнение "звуковая карта vs бюджетный ЦАП" совершенно бесполезно. Даже из-за конструктивных особенностей отдельные аудиопроцессоры предпочтительнее. Не говоря уже о цене и качестве звука. Так что не стоит гнаться за встраиваемыми вариантами - они все равно не будут лучше. Только хуже. И дороже. Даже полупрофессиональные решения стоят баснословных денег.
Немного о DVD
В бюджетных проигрывателях иногда устанавливают очень даже неплохие аудиопроцессоры. Однако использовать такие устройства в качестве ЦАПа крайне сложно. Не говоря о том, что полноценного функционала даже дешевого процессора от них добиться сложно. на бюджетных ДВД, конечно, обеспечивают качественный звук, но они сильно урезаны в функционале. А для многих это оказывается решающим фактором.
Таких устройств хватает для воспроизведения фильмов. С музыкой они тоже неплохо справляются. А вот хоть как-то подключить к такому девайсу адекватную акустическую систему не представляется возможным. Не говоря уже о студийных мониторах, которым необходим балансный разъем. Однако, с другой стороны, для домашнего использования такой системы вполне должно хватить.
Немного о CD
Это вообще отдельная тема. Качественный CD-проигрыватель не может быть бюджетным. Он должен обладать технологией гашения вибрации и компенсации ошибок чтения. В противном случае качество звука будет отвратительным. Поэтому если не знаете, что выбрать - бюджетный CD-проигрыватель или дешевый DVD-ЦАП, лучше отдайте предпочтение последнему. Да и формат CD уже безнадежно устарел. На стандартном проигрывателе невозможно будет прослушать Hi-RES-стерео. А вот на DVD - запросто.
И к тому же DVD представляется более универсальным решением, чем даже самый крутой CD-проигрыватель. Ибо при желании на последнем можно и кино посмотреть. А вот с обычным проигрывателем компакт-дисков такого точно не получится. И все же лучшего решения, чем бюджетный аудиопроцессор, нет. Главное - оснастить его
Заключение
Выбор аудиопроцессора - дело довольно непростое. Среди многообразия моделей выбрать хороший бюджетный ЦАП непросто. Но есть и довольно интересные решения за адекватные деньги. Важно только помнить, что аудиопроцессор - это только верхушка айсберга. Поскольку без акустической системы соответствующего уровня все ваши старания не увенчаются успехом. Не будете же вы слушать звук с ЦАПа на пищалках от Genius? Рассчитывайте свои желания согласно финансовым возможностям. А выбрать что-нибудь достойное среди всего многообразия труда уже не составит. Есть огромное количество хороших аудиопроцессоров начального уровня в ценовом диапазоне до пятидесяти тысяч рублей.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине, пропорциональной значению кода.
ЦАП применяются для связи цифровых управляющих систем с устройствами, которые управляются уровнем аналогового сигнала. Также, ЦАП является составной частью во многих структурах аналого-цифровых устройств и преобразователей.
ЦАП характеризуется функцией преобразования. Она связывает изменение цифрового кода с изменением напряжения или тока. Функция преобразования ЦАП выражается следующим образом
U вых - значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду N вх , подаваемому на входы ЦАП.
U мах - максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода N мах
Величину К цап , определяемую отношением , называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.
Если величину N вх представить через значения весов его разрядов, функцию преобразования можно выразить следующим образом
, где
i - номер разряда входного кода N вх ; A i - значение i -го разряда (ноль или единица); U i – вес i -го разряда; n – количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).
Вес разряда определяется для конкретной разрядности, и вычисляется по следующей формуле
U ОП -опорное напряжение ЦАП
Принцип работы большинства ЦАП - этосуммирование долей аналоговых сигналов (веса разряда), в зависимости от входного кода.
ЦАП можно реализовать с помощью суммирования токов, суммирования напряжений и деления напряжений. В первом и втором случае в соответствии со значениями разрядов входного кода, суммируются сигналы генераторов токов и источников Э.Д.С. Последний способ представляет собой управляемый кодом делитель напряжения. Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации.
Способы реализации ЦАП с взвешенным суммированием токов
Рассмотрим построение простейшего ЦАП с взвешенным суммированием токов.
Этот ЦАП состоит из набора резисторов и набора ключей. Число ключей и число резисторов равно количеству разрядов n входного кода. Номиналы резисторов выбираются в соответствии с двоичным законом. Если R=3 Ом, то 2R= 6 Ом, 4R=12 Ом, и так и далее, т.е. каждый последующий резистор больше предыдущего в 2 раза. При присоединении источника напряжения и замыкании ключей, через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам, благодаря соответствующему выбору их номиналов, тоже будут распределены по двоичному закону. При подаче входного кода N вх включение ключей производится в соответствии со значением соответствующих им разрядов входного кода. Ключ замыкается, если соответствующий ему разряд равен единице. При этом в узле суммируются токи, пропорциональные весам этих разрядов и величина вытекающего из узла тока в целом будет пропорциональна значению входного кода N вх .
Сопротивление резисторов матрицы выбирают достаточно большое (десятки кОм). Поэтому для большинства практических случаев для нагрузки ЦАП играет роль источника тока. Если на выходе преобразователя необходимо получить напряжение, то на выходе такого ЦАП устанавливается преобразователь "ток-напряжение", например, на операционном усилителе
Однако при смене кода на входах ЦАП меняется величина тока, отбираемая от источника опорного напряжения. Это является главным недостатком такого способа построения ЦАП. Такой метод построения можно использовать только в том случае, если источник опорного напряжения будет с низким внутренним сопротивлением. В другом случае в момент смены входного кода изменяется ток, отбираемый у источника, что приводит к изменению падения напряжения на его внутреннем сопротивлении и, в свою очередь, к дополнительному напрямую не связанному со сменой кода изменению выходного тока. Исключить этот недостаток позволяет структура ЦАП с переключающимися ключами
В такой структуре имеется два выходных узла. В зависимости от значения разрядов входного кода соответствующие им ключи подключаются к узлу, связанному с выходом устройства, или к другому узлу, который чаще всего заземляется. При этом через каждый резистор матрицы ток течет постоянно, независимо от положения ключа, а величина тока, потребляемого от источника опорного напряжения, постоянна.
Общим недостатком обеих рассмотренных структур является большое соотношение между наименьшим и наибольшим номиналом резисторов матрицы. Вместе с тем, не смотря на большую разницу номиналов резисторов необходимо обеспечивать одинаковую абсолютную точность подгонки как самого большого, так и самого маленького по номиналу резистора. В интегральном исполнении ЦАП при числе разрядов более 10 это обеспечить достаточно трудно.
От всех указанных выше недостатков свободны структуры на основе резистивных R-2R матриц
При таком построении резистивной матрицы ток в каждой последующей параллельной ветви меньше чем в предыдущей в два раза. Наличие только двух номиналов резисторов в матрице позволяет достаточно просто осуществлять подгонку их значений.
Выходной ток для каждой из представленных структур пропорционален одновременно не только величине входного кода, но и величине опорного напряжения. Часто говорят, что он пропорционален произведению этих двух величин. Поэтому такие ЦАП называют умножающими. Такими свойствами будут обладать все ЦАП, в которых формирование взвешенных значений токов, соответствующих весам разрядов, производится с помощью резистивных матриц.
Кроме использования по прямому назначению умножающие ЦАП используются как аналого-цифровые перемножители, в качестве кодоуправляемых сопротивлений и проводимостей. Они широко применяются как составные элементы при построении кодоуправляемых (перестраиваемых) усилителей, фильтров, источников опорных напряжений, формирователей сигналов и т.д.
Основные параметры и погрешности ЦАП
Основные параметры, которые можно увидеть в справочнике:
1. Число разрядов – количество разрядов входного кода.
2. Коэффициент преобразования – отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала для линейной функции преобразования.
3. Время установления выходного напряжения или тока – интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходное напряжение или ток окончательно войдут в зону шириной младшего значащего разряда (МЗР ).
4. Максимальная частота преобразования – наибольшая частота смены кода, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам.
Существуют и другие параметры, характеризующие исполнение ЦАП и особенности его функционирования. В их числе: входное напряжение низкого и высокого уровня, ток потребления, диапазон выходного напряжения или тока.
Важнейшими параметрами для ЦАП являются те, которые определяют его точностные характеристики.
Точностные характеристики каждого ЦАП, прежде всего, определяются нормированными по величине погрешностями.
Погрешности делятся на динамические и статические. Статическими погрешностями называются погрешности, остающиеся после завершения всех переходных процессов, связанных со сменой входного кода. Динамические погрешности определяются переходными процессами на выходе ЦАП, возникшими вследствие смены входного кода.
Основные типы статических погрешностей ЦАП:
Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального значения, соответствующего конечной точке шкалы функции преобразования. Измеряется в единицах младшего разряда преобразования.
Напряжение смещения нуля на выходе – напряжение постоянного тока на выходе ЦАП при входном коде, соответствующем нулевому значению выходного напряжения. Измеряется в единицах младшего разряда. Погрешность коэффициента преобразования (масштабная) –связанная с отклонением наклона функции преобразования от требуемого.
Нелинейность ЦАП – отклонение действительной функции преобразования от оговоренной прямой линии. Является самой плохой погрешностью с которой трудно бороться.
Погрешности нелинейности в общем случае разделяют на два типа – интегральные и дифференциальные.
Погрешность интегральной нелинейности – максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной. Фактически при этом рассматривается усредненная функция преобразования. Определяют эту погрешность в процентах от конечного диапазона выходной величины.
Дифференциальная нелинейность связана с неточностью задания весов разрядов, т.е. с погрешностями элементов делителя, разбросом остаточных параметров ключевых элементов, генераторов токов и т.д.
Способы идентификации и коррекции погрешностей ЦАП
Желательно, чтобы коррекция погрешностей производилось при изготовлении преобразователей (технологическая подгонка). Однако, часто она желательна и при использовании конкретного образца БИС в том или ином устройстве. В этом случае коррекция проводится введением в структуру устройства кроме БИС ЦАП дополнительных элементов. Такие методы получили название структурных.
Самым сложным процессом является обеспечение линейности, так как они определяются связанными параметрами многих элементов и узлов. Чаще всего осуществляют подгонку только смещения нуля, коэффициента
Точностные параметры, обеспечиваемые технологическими приемами, ухудшаются при воздействии на преобразователь различных дестабилизирующих факторов, в первую очередь – температуры. Необходимо помнить и о факторе старения элементов.
Погрешность смещения нуля и масштабная погрешность легко корректируются на выходе ЦАП. Для этого в выходной сигнал вводят постоянное смещение, компенсирующее смещение характеристики преобразователя. Необходимый масштаб преобразования устанавливают, либо корректируя коэффициент усиления, устанавливаемого на выходе преобразователя усилителя, либо подстраивая величину опорного напряжения, если ЦАП является умножающим.
Методы коррекции с тестовым контролем заключаются в идентификации погрешностей ЦАП на всем множестве допустимых входных воздействий и добавлением, рассчитанных на основе этого поправок, к входной или выходной величине для компенсации этих погрешностей.
При любом методе коррекции с контролем по тестовому сигналу предусматриваются следующие действия:
1. Измерение характеристики ЦАП на достаточном для идентификации погрешностей множестве тестовых воздействий.
2. Идентификация погрешностей вычислением их отклонений по результатам измерений.
3. Вычисление корректирующих поправок для преобразуемых величин или требуемых корректирующих воздействий на корректируемые блоки.
4. Проведение коррекции.
Контроль может проводиться один раз перед установкой преобразователя в устройство с помощью специального лабораторного измерительного оборудования. Может проводиться и с помощью специализированного оборудования встроенного в устройство. При этом контроль, как правило, проводится периодически, все то время пока преобразователь не участвует непосредственно в работе устройства. Такая организация контроля и коррекции преобразователей может осуществляться при его работе в составе микропроцессорной измерительной системы.
Основной недостаток любого метода сквозного контроля – большое время контроля наряду с разнородностью и большим объемом используемой аппаратуры.
Определенные тем или иным способом величины поправок хранятся, как правило, в цифровой форме. Коррекция же погрешностей с учетом этих поправок может проводиться как в аналоговой, так и цифровой форме.
При цифровой коррекции поправки добавляются с учетом их знака к входному коду ЦАП. В результате на вход ЦАП поступает код, при котором на его выходе формируется требуемое значение напряжения или тока. Наиболее простая реализация такого способа коррекции состоит из корректируемого ЦАП, на входе которого установлено цифровое запоминающее устройство (ЗУ) . Входной код играет роль адресного. В ЗУ по соответствующим адресам занесены, заранее рассчитанные с учетом поправок, значения кодов, подаваемые на корректируемый ЦАП.
При аналоговой коррекции кроме основного ЦАП используется еще один дополнительный ЦАП. Диапазон его выходного сигнала соответствует максимальной величине погрешности корректируемого ЦАП. Входной код одновременно поступает на входы корректируемого ЦАП и на адресные входы ЗУ поправок. Из ЗУ поправок выбирается соответствующая данному значению входного кода поправка. Код поправки преобразуется в пропорциональный ему сигнал, который суммируется с выходным сигналом корректируемого ЦАП. Ввиду малости требуемого диапазона выходного сигнала дополнительного ЦАП по сравнению с диапазоном выходного сигнала корректируемого ЦАП собственными погрешностями первого пренебрегают.
В ряде случаев возникает необходимость проведения коррекции динамики работы ЦАП.
Переходная характеристика ЦАП при смене различных кодовых комбинаций будет различной, иными словами – различным будет время установления выходного сигнала. Поэтому при использовании ЦАП необходимо учитывать максимальное время установления. Однако в ряде случаев удается корректировать поведение передаточной характеристики.
Особенности применения БИС ЦАП
Для успешного применения современных БИС ЦАП недостаточно знать перечень их основных характеристик и основные схемы их включения.
Существенное влияние на результаты применения БИС ЦАП оказывает выполнение эксплуатационных требований, обусловленных особенностями конкретной микросхемы. К таким требованиям относятся не только использование допустимых входных сигналов, напряжения источников питания, емкости и сопротивления нагрузки, но и выполнение очередности включения разных источников питания, разделение цепей подключения разных источников питания и общей шины, применение фильтров и т.д.
Для прецизионных ЦАП особое значение приобретает выходное напряжение шума. Особенность проблемы шума в ЦАП заключается в наличии на его выходе всплесков напряжения, вызванных переключением ключей внутри преобразователя. По амплитуде эти всплески могут достигать нескольких десятков значений весов МЗР и создавать трудности в работе следующих за ЦАП устройств обработки аналоговых сигналов. Решением проблемы подавления таких всплесков является использование на выходе ЦАП устройств выборки-хранения (УВХ ). УВХ управляется от цифровой части системы, формирующей новые кодовые комбинации на входе ЦАП. Перед подачей новой кодовой комбинации УВХ переводится в режим хранения, размыкая цепь передачи аналогового сигнала на выход. Благодаря этому всплеск выходного напряжения ЦАП не попадает на вывод УВХ , которое затем переводится в режим слежения, повторяя выходной сигнал ЦАП.
Специальное внимание при построении ЦАП на базе БИС необходимо уделять выбору операционного усилителя, служащего для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение. При подаче входного кода ЦАП на выходе ОУ будет действовать ошибка D U , обусловленная его напряжением смещения и равная
,
где U см – напряжение смещения ОУ ; R ос – величина сопротивления в цепи обратной связи ОУ ; R м – сопротивление резистивной матрицы ЦАП (выходное сопротивление ЦАП), зависящее от величины поданного на его вход кода.
Поскольку отношение изменяется от 1 до 0, ошибка, обусловленная U см , изменяется в приделах (1...2)U см . Влиянием U см пренебрегают при использовании ОУ, у которого .
Вследствие большой площади транзисторных ключей в КМОП БИС существенная выходная емкость БИС ЦАП (40...120 пФ в зависимости от величины входного кода). Эта емкость оказывает существенное влияние на время установления выходного напряжения ОУ до требуемой точности. Для уменьшения этого влияния R ос шунтируют конденсатором С ос .
В ряде случаев на выходе ЦАП необходимо получать двуполярное выходное напряжение. Этого можно добиться введением на выходе смещения диапазона выходного напряжения, а для умножающих ЦАП переключением полярности источника опорного напряжения.
Следует обратить внимание, что если вы используете интегральный ЦАП, имеющий число разрядов большее чем вам нужно, то входы неиспользуемых разрядов подключают к земляной шине, однозначно определяя на них уровень логического нуля. Причем для того, чтобы работать по возможности с большим диапазоном выходного сигнала БИС ЦАП за таковые разряды принимают разряды, начиная с самого младшего.
Один из практических примеров применения ЦАП- это формирователи сигналов разной формы. Сделал небольшую модель в протеусе. С помощью ЦАП управляемого МК (Atmega8, хотя можно сделать и на Tiny), формируются сигналы различной формы. Программа написана на Си в CVAVR. По нажатию кнопки формируемый сигнал меняется.
БИС ЦАП DAC0808 National Semiconductor,8 –разрядный, высокоскоростной, включена согласно типовой схеме. Так как выход у него токовый, с помощью инвертирующего усилителя на ОУ преобразуется в напряжение.
В принципе можно даже вот такие интересные фигуры, что-то напоминает правда? Если выбрать разрядность по больше, то получится более плавные
Список литературы:
1. Бахтияров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи/Под ред. Г.Д.Бахтиярова - М.: Сов. радио. – 1980. – 278 с.: ил.
2. Проектирование аналого-цифровых контрольно-управляющих микропроцессорных систем.
3. О.В. Шишов. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та 1995. - с.
Ниже вы можете скачать проект в