Устройство для автоматического переключения генераторов тактирующих ЦАП и транспорт

В настоящее время в кругах аудиоиндустрии и людей занимающихся построением аудиосистем, все чаще можно встретить звуковоспроизводящие источники (CD-DVD плееры, ЦАП) на борту которых присутствует USB транспорт. Это понятно, т.к. основной музыкальный контент, постепенно перемещается с твердых носителей (дисков, пластинок) к электронным носителям (компьютеры, HDD накопители, серверы) хранящих огромные объемы музыкального материала. 
При создании своей аудиосистемы в первую очередь я рассматривал USB транспорты, т.к. мой основной аудиоматериал находится на компьютере в виде несжатых файлов различных форматов.

Компьютерные звуковые карты не устраивали меня рядом недостатков:

1. Недостаточно качественный ЦАП на борту
2. Неоптимальное по качеству питания и применяемых компонентов в такого рода изделиях
3. Неудобство вывода цифровой информации, в ряде случаев просто неоптимального формата (S/PDIF)
4. Недостаточно гибкая система для переноса звуковоспроизводящей аппаратуры
5. Использование недостаточно качественных генераторов синхронизации

Именно последний момент особенно остро волновал меня, т.к. я решил строить синхронную систему с минимальными фазовыми искажениями (джиттер). По этой причине было решено остановить свой выбор именно на USB транспорте входящего в состав законченного устройства ЦАП. В таком исполнении устройство получается исключающее все недостатки компьютерных карт описанные выше. Основным критерием качественной работы USB транспорта является достаточно точный задающий генератор синхроимпульсов. Именно от качества данного генератора будет завысить искажения звукового материала из-за джиттера. Именно о таком генераторе, точнее генераторах пойдет речь ниже.

В принципе, сложности приобретения в настоящее время генераторов на частоту для тактирования транспорта и ЦАП нет. Есть отличные генераторы с управляющим контактом в DILL14, DILL8 и SMD корпусах на частоты пригодные для тактирования ЦАП и очень низким фазовым шумом, порядка 1пс.

Все, что нужно таким генераторам это достаточно чистое, стабильное питание (именно от этого питания будет зависеть фазовый шум самого генератора) уровня 3,3-5В зависит от конкретной модели и  необходимый логический уровень на управляющий контакт для активации или отключение генератора. Но не так все просто… Дело в том, что во-первых: так как я собираюсь передавать данные с компьютера посредством USB транспорта и соответственно формат таких данных будет разнообразным, начиная от файлов формата CD audio 44,1Кгц и заканчивая DVD aудио форматом, hi-res форматом (высокого разрешения вплоть до 24бита 192Кгц) и звуковыми дорожками фильмов, а куда без них. Поэтому появляются дополнительные требования, а именно использование не одного, а двух генераторов на две сетки частот кратных 44,1Кгц  для CD форматов данных и второго кратного 48Кгц для фильмов и hi-res аудио. Это означает, что нужно организовать автоматическое переключении генераторов во время работы всего устройства, без постороннего вмешательства. Во-вторых: плата генераторов будет находиться отдельно от USB транспорта и ЦАП, т.к. эти устройства являются раздельными конструкциями соединенные с помощью I2S интерфейса длиной шлейфа примерно 20см. В связи с этим емкостная составляющая такого кабеля будет слишком большой нагрузкой для генератора на несколько десятков мегагерц и подсоединять его напрямую к транспорту и ЦАП недопустимо. По этой причине я решил использовать логический буфер с хорошей нагрузочной способностью и с тремя состояниями,  т.к. выше было описана причина использования двух генераторов, а третье состояние буферов необходимо для параллельного подсоединения их выходов.

Итак в размышлениях, вырисовывается примерная схема данного устройства, для решения поставленной задачи необходимо составить ряд требований:

1. Генераторы должны переключаться автоматически, при подачи на схему управляющего сигнала лог."0"и"1". Эти сигналы можно взять из разных цепей схемы транспорта, например индикация переключении режима сэмплирования.
   В моем случае все проще, т.к. в моем транспорте разработчиком был предусмотрен логический выход для управления схемой генераторов. Для развязки с логикой процессора транспорта я использую инвертор, выполненный на микросхеме MC14069U. Эта микросхема представляет собой 6 инвертеров в одном корпусе. Конечно, мне столько инвертеров ненужно и можно было обойтись всего двумя, но именно эта микросхема оказалась под раками и в миниатюрном sot14 корпусе.
2. Питание генераторов должно обеспечивать стабильный уровень напряжения и тока достаточного для питания генератора  по данным, это порядка 25мА. Таким требованием обладает микросхема AD586, но она достаточно дорогая и выход ее по току будет почти без запаса для питания генераторов. В добавок ко всему выходной уровень такой микросхемы фиксированный 5В, что не подходит для генераторов с питанием 3,3В.
3. Выходной буфер должен обладать достаточной нагрузочной способностью, хотя бы 20мА и способность работать на достаточно высокую емкостную нагрузку. Этим требованиям удовлетворяет микросхема SN54HC125 в ее корпусе установлено 4 буфера, хотя мне необходимо всего 2, зато эта микросхема хорошо распространенная и работает в трех состояниях, что необходимо для правильной работы двух генераторов с переключением.
4. Печатная плата должна быть минимальных размеров, чтобы помещаться даже в миниатюрные корпуса и экранироваться при необходимости.

В итоге мной была разработана следующая принципиальная схема данного устройства

Принцип работы данного устройства следующий:
Управляющий сигнал "0"и"1" с транспорта или другого источника приходит на инверторы MC14069U. С выходов инвертора сигнал управления "0"и"1" поступает на соответствующие контакты генераторов и буферов. Порядок управления приведен в Таб.1, рис.2 (см. схему электрическую принципиальную) При входном сигнале логической "1" активен генератор G1 установленный на сетку частот кратной 44,1Кгц, а в этот момент на управляющий контакт e/d G2 приходит логический "0", который заглушает генератор G2. При смене управляющего сигнала на входе платы с "1" в "0", при переходе транспорта на другую сетку частот, происходит смена логического состояния на управляющих контактах генераторов. Как видно из схемы выходные уровни с инвертера поступают не только на генераторы, но и на буферы микросхемы SN54HC125 для перевода его в разные состояния Таб.2, рис2  (см. схему электрическую принципиальную). Светодиоды VD1 и VD2 индикаторы активного состояния генераторов. Питание генераторов организованно посредствам опорного напряжения с микросхемы AD780 и усилено до необходимых 3,3В и умощнено для питания генераторов с помощью операционного усилителя NE5534 обладающего очень низкими собственными шумами 3,5нВ√Гц и хорошей нагрузочной способностью. Цепь R2,R3, C4 образует ФНЧ для снижение шумов. Питание легко перестроить под любые генераторы, например для питание 5В. Это делается расчетом необходимого коэффициента усиления ОУ NE5534 с помощью резисторов делителей R4, R5. Данная схема некритична к компонентов, но в питании генераторов желательно устанавливать конденсаторы с низким импедансом на ВЧ, в моем варианте используются танталовые конденсаторы. Печатная плата выполнена на двухстороннем стеклотекстолите, фотография готового устройства представлены на рисунке ниже.

Теги:

• ЦАП
• Sprint-Layout