Вызов традициям Hi-Fi. Цифровые потенциометры в деталях. Часть вторая



    Для меня стало неожиданностью, что наиболее горячие споры при обсуждении моей предыдущей статьи касались в первую очередь возможности применения цифровых сопротивлений в качестве регулятора громкости аудиосигнала в HiFi аппаратуре. Для того чтобы внести в этот вопрос ясность я решил посвятить отдельную статью детальному разбору схемотехники высококачественного регулятора громкости с цепями подавления импульсных помех переключения на основе VDAC AD9252. Кроме схемотехники вы также сможете под катом познакомиться с достигнутыми характеристиками.

    Тем, кто не читал мою вчерашнюю статью, в которой разбирались общие вопросы, касающихся цифровых сопротивлений настоятельно рекомендую предварительно с ней ознакомиться тут. Во первых, лучше поймёте о чём собственно идёт речь ниже, а во вторых если вас заинтересовала сегодняшняя тема, то и в ней найдёте интересный для себя материал.

    Для того чтобы привести обещанные примеры реальных схем программно управляемых преобразователей величин, перестраиваемых фильтров и других электронных узлов параметры которых можно менять с помощью цифрового сопротивления придётся писать третью статью. Постараюсь сделать это в ближайшем будущем, а пока предлагаю исследовать тянет ли регулятор громкости собранный на основе топового прибора от ADI на применения в HiFi аппаратуре ну хотя бы низшего ценового сегмента.

    Представляю попытку создать регулятор громкости на основе одной их топовых микросхем цифровых регуляторов производства ADI, претендующий на звание Hi-Fi.

    Для начала приведу общие характеристики, которые удалось выжать. Низкие гармонические искажения. Нормализованная передаточная характеристка. Динамический диапазон регулировки уровня громкости составляет 46 dB. Кроме этого, существует возможность функции MUTE с ослаблением сигнала на 130 dB. В данный режим регулятор входит после перехода регулятора AD5292 в shutdown режим, путём подачи специальной команды. Ну и конечно имеется специальная схема для уменьшения влияния эффекта возникновения режущих слух импульсных помех в момент переключения уровня громкости. Данный эффект наибольшим образом даёт о себе знать именно в логарифмических усилителях потому, что их громкость может меняться скачком в очень широком диапазоне. Для сведения помехи при переключении уровня громкости к минимуму, это переключение необходимо производить при переходе сигнала через ноль.

    Регулятор может работать с входным сигналом уровнем вплоть до ±14 вольт (10 V RMS), что обеспечивает хорошие шумовые характеристики. Максимальный ток нагрузки по выходу 20 мА. Управление по SPI интерфейсу. Интерфейс подсоединения микросхемы к управляющему микроконтроллеру не показан, так как является стандартным.

    Схема и принцип её работы




    Сигнал с входного повторителя поступает на регулятор уровня AD5292 c логарифмической характеристикой. Часть сигнала ответвляется от основного с помощью делителя напряжения на резисторах R4 и R5, нагруженного на ОУ AD8541, который выступает в роли динамической нагрузки формирующей искусственную землю на уровне 1.81 В. Далее сигнал поступает на компараторы U3 и U4, которые формируют “окно” шириной всего в 13 милливольт в районе перехода сигнала через ноль. В момент прохода сигнала через ноль логическим элементом U5A формируется низкий уровень.

    Для того, чтобы переключить уровень громкости необходимо записать новые данные в буферный регистр и подать отрицательный фронт на вход SYNC U6. Когда после записи кода мы подаём низкий уровень на нижний вход U5B, он транслируется в уровень переключения значения цифрового сопротивления только в момент прохождения аудиосигнала через “окно ” компараторов. Обратите внимание, что для повышения точности работы вся схема работает только по постоянному току.

    Для получения максимально комфортной для уха характеристики регулировки громкости средний вывод цифрового сопротивления шунтируется резистором R8. В результате получаем нормализованную характеристику передачи сигнала, изображённую на рисунке ниже.



    Иллюстрация работы схемы уменьшения импульсных помех


    Давайте для начала посмотрим что происходит при переключении уровня сопротивления в отключенной схемой подавления импульсных помех.

    Вот так выглядит переходной процесс в момент включения звука, который произошёл во время, помеченное нулём.



    Для случая переключения звука с одного значения на другое всё может выглядеть ещё хуже.



    На следующей картинке изображён результат работы нашей помехогасящей схемы при переходе от большей громкости к меньшей.



    Характеристики регулятора


    Теперь давайте посмотрим на другие характеристики, которых удалось достичь в нашем регуляторе.

    Как справедливо указал уважаемый Alex013 в комментариях к моей предыдущей статье качество звука достаточно сильно зависит от уровня нечётных гармоник сигнала в усилительном тракте. Для того чтобы показать как на них влияет наш цифровой регулятор давайте рассмотрим результат FFT преобразований сигнала частотой 1 КГц проходящего через схему при “движке потенциометра” установленным в крайнее вернее положение — т. е. коэффициент передачи равен единице.



    На мой взгляд характеристики весьма достойные, уровень третьей гармоники ушёл ниже-100 дб, пятой вообще не видно невооружённым глазом. Интересно что скажут наши эксперты по звуку.

    Следующий график я привожу специально для хаброюзера barabanus извиняюсь за выражение проевшего мне мозг в комментариях к прошлой статье. Надеюсь теперь мы согласитесь со мной, уважаемый, что сопротивление не только 10, но даже 20 килоомного резистора не изменяется на величины порядка десяти процентов на частотах от нуля до 20 КГц при любом выставленном сопротивлении! Фаза сигнала меняется, но на мой взгляд весьма незначительно.



    На частоте 1 КГц наша схема обеспечивает общий уровень искажения сигнала на уровне -93 дБ. Зависимость собственного уровня шумов схемы и нелинейных искажений от частоты сигнала при коэффициенте передачи усилителя равном единице изображена на графике ниже.



    Вариант схемы для любителей компромиссов.


    На этом закончим исследование нашей схемы, а в качестве бонуса предлагаю её упрощённый вариант, с несколько худшими характеристиками, зато с более доступной элементной базой.



    А вот осциллограмма процесса переключения уровня громкости на весьма высокой частоте. Как видите без нелинейных искажений в момент переключения не обошлось, но никаких режущих ухо выбросов нет и в помине!



    Спасибо дочитавшим до конца. Попробую испытать Ваше терпение чуть дольше. Поскольку я не являюсь специалистом в области «чистого прозрачного звука» и мне трудно оценить качество описанного дивайса, прошу высказать своё мнение в виде ответа на вопрос или в комментариях.

    Ссылка на предыдущую статью серии: «Когда не помогает ЦАП. Цифровые потенциометры в деталях. Часть первая»

    В статье использован фрагмент фотографии лампового усилителя пользователя eta4ever.

    Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

    Соответствует ли приведённое в статье решение хотя бы низшему ценовому сегменту Hi-Fi аппаратуры?

    Поделиться публикацией

    Комментарии 26

      +2
      Имел дело с pga2310/2311 от Ti (BB) — шикарная мелкосхема с кусачим, правда, ценником. По звуку на уровне средних Alps точно.
        0
        Уважаемый Олег Анатольевич, мне нравятся ваши статьи, да и не было у меня никакого злого умысла в обсуждении АЧХ цифрового потенциометра. «Платон мне друг, но истина дороже». Теперь по поводу графика.

        Для 10 кОм спад -3 дБ начинается на частоте 1 МГц. Следовательно, ожидаемый спад на 100 кГц — 10%, а на 10 кГц — 1%.

        Итак, 1% спад — это 0.99 от исходного сигнала, или -0.09 дБ. Высота графика — 100 пикселей, и на них приходится 135 дБ. Это значит, что на один пиксель приходится 1.35 дБ. Как на таком графике показать спад 0.09 дБ, если он займет пятнадцатую часть пикселя?
          +6
          Мне очень не хочется продолжать дискуссию по кругу, поэтому не смотря на то, что тоже пытаюсь докопаться до истины я повторю свою мысль, но в последний раз.
          Ваша, линейная аппроксимация не подходит для данного случая, поскольку из приведённых мной графиков хорошо видно что АЧХ не является линейной функцией и спад резко усиливается на высоких частотах. Поэтому ваши расчёты не верны.Всё что мог привести в свою пользу я уже привёл, но вы игнорируете мои аргументы.
          . Всё что я смог найти — график для 20 КГц. На нём нет заметных на глаз нелинейностей АЧХ, что по крайней мере опровергает это ваше заявление
          И то это только для низких частот (< 500 Гц для 10 кОм, для бóльших сопротивлений еще меньше).

          Продолжать дискуссию имеет смысл только в том случае, если Вы потрудитесь найти или получить экспериментально дополнительные данные — график или расчёты, а не будете в очередной раз повторять свои предположения о пригодности линейной аппроксимации для столь нелинейной функции как АЧХ в широком диапазоне частот. Для того чтобы хоть как то агрументировать свою точку зрения в нашем заочном споре я пол дня искал материалы, а потом до четырёх ночи писал эту статью. Если вы действительно уверенны в свое правоте поищите пожалуйста убедительные подтвреждения на просторах интернета и оперируйте цифрами и фактами.
          P.S. Я тоже отношусь к сам с уважением и вы наверно заметили что не стал трогать вашу карму, хотя бывает что в запале спора это делаю. Более того, если вы найдёте интересные факты, подтверждающие вашу точку зрения я не просто с удовольствием их рассмотрю, но даже внесу в качестве дополнения в статью с непременным указанием авторства.
            0
            Спасибо, я тоже думал о вашей карме, но потом решил, что будет несправедливо ее уменьшать из-за столь несущественного эпизода в контексте общей интересности ваших статей. Ведь тут как — если уменьшил карму, значит не хочешь, чтобы человек писал, и наоборот.

            «И это только для низких частот <500 Гц» относилось к заявленной точности хотя бы 0.05%. Я думаю, что это имелась ввиду не абсолютная точность сопротивления, а относительная точность подгона сопротивлений между различными шагами.

            Мне жаль, что вы так близко к сердцу восприняли критику, но мне кажется, что нет ничего плохого в том, чтобы однажды ошибиться. Я лично ошибался, ошибаюсь и буду ошибаться.
              +4
              ребята, о чем вы спорите? возьмите RightMark и качественный DAC/ADC и прогоните полную серию тестов на данной схеме. Судя по статье, штука действительно достойная.
          +2
          Мне тоже нравятся материалы progchip666, хотя заголовки он выбирает, на мой взгляд, излишне пупулистские ;)…
          Голосовать я не стал, т.к. не могу себе ответить на вопрос о границе «низших/средних/высших» классах HiFi. Тут в пору вспомнить Булгакова и осетрину ;)… Так и музыка, которая воспроизводится техникой — либо вас «цепляют» эмоции музыканта, и слушать можно часами не выключая, или, даже выбрав самого любимого исполнителя, через полчаса замечаешь, что хочется выключить… К сожалению, эти ощущения слабо коррелируют с формальными цифровыми параметрами техники, и об этот вопрос сломано немало копий… Например тут автор весьма популярно излагает часть проблем.
          По сути статьи. Производители, по понятным причинам, так указывают параметры и только те из них, которые представляют их продукцию с выгодной стороны. Потому, например, процитированные вами параметры на 1кГц выглядят действительно пристойно. Особенно с учётом того, что это «в верхнем положении движка» — а вы часто слушаете музыку с выкрученным до предела регулятором громкости? А каковы будут параметры в положении 30%, которое является наиболее распространённым? Но более коррелирующими с субъективным ощущением качества звуковоспроизведения является показатель интермодуляционных искажений на границе звукового диапазона — например, 18кГц+19кГц на уровне -10db, но этот параметр производители вообще не указывают. Кроме того, обратите внимание на процитированный, но не описанный вами параметр THD+N, который примерно -76db. Для меня чесногря, неожиданно, что там всё так плохо — это точно данные рассматриваемого потенциометра?
            0
            Все параметры, которые приводятся в этой статье касаются конкретной схемной реализации в целом. Согласен, что производители часто стараются умалчивать о слабых сторонах своих приборов, но к сожалению раздобыть достоверную информацию, касающуюся измерений разного рода искажений очень не просто. Ещё сложнее получить её самому — нужны дорогостоящие измерительные приборы, грамотно разработанные демонстрационные платы для измерений…
            Статьи любителей о реализации того или иного решения обычно содержат чисто субьективную оценку звучания…
            Так что приходится довольствоваться в лучшем случае тем, что удаётся найти в даташитах и application.
            +2
            Применимость цифровых сопротивлений сильно зависит от схемотехники, в составе регуляторов громкости и темброблоков Hi-Fi они в общем-то давно живут, даже не как отдельные элементы а в составе соответствующих чипов и ничё, пипл хавает :-)
            Аз грешный, в былые годы даже пробовал делать на таких пультовые линейки, и для концертной работы оно даже имело право на существование, и даже какие-то преимущества находились по сравнению с тогдашними цифровыми консолями, но высокие шумы и «мерзкое транзисторное звучание» делали пульт не применимым для записи… Классические темброблоки на потенциометрах звучали куда приятней, в зависимости от используемого операционника конечно…

            К стати во многих «легендарных» синтезаторах, тоже цифровые сопротивления используются более чем широко и ничего.
            Хотя с другой стороны, в компрессорах, но там уже совсем другая история… СТОП, не туда меня понесло.
            Там обычно усилители управляемые напряжением, в качестве сопротивления используется один-два канала транзистора, а в этих ваших сопротивлениях их-же хренова туча, и каждый минимум тепловым шумом шумит!!! А все вместе, да в цепи какой-нибудь обратной связи…
            В приведённой выше схеме автор об этом позаботился, но стоит ли овчинка выделки если приходится такой огород городить, там где можно поставить кошерный моторизованный потенциометр с массивной ручкой которая будет поворачиваться на передней панели устройства, добавляя ему +120% понтов и цены :-)

            В общем, лично я не разу не против использования цифровых потенциометров в бытовой аппаратуре, это один хрен лучше чем портить мастеринг пересчётом на ДСП, но в верхнем ценовом сегменте HiFi и наипаче-же в HiEND «скрипач не нужен, родной»…
              0
              Кстати, если раскопать схемотехнику аналоговых Ямах А и R-серии, там есть любопытный ход. Регулятор громкости сделан микрухой, которая является чем-то вроде управляемого напряжением усилителя, а далее — в зависимости от того, усил это или ресивер, управляющее напряжение берут либо с ЦАПа, который управляется энкодером, либо с моторизированного резистора. Вот такой вот занимательный маркетинг.
                +1
                Давайте теперь попробуем разобраться в «магии» управляемого напряжением усилителя ;)… Вам какие методы изменения КУ известны?
                  0
                  Ээээ, немного не понял, к чему вопрос? Не замечал в них особой магии.
                    +1
                    Вы намеренно пропустили второе предложение: «Вам какие методы изменения КУ (коэффициента усиления) известны?»?
                    Просто мне не известны никакие, кроме регулировки входного уровня и глубины ОС — и то и другое, опять таки, на сколько мне известно, возможно только изменением сопротивления в определённых цепях. То есть, то, что является «чем-то вроде управляемого напряжением усилителя» содержит внутри управляемый(ые) напряжением сопротивления. Если для этого используется изменение сопротивление полупроводникового перехода — то это совсем швах. А если нет — то там используются тем или иным образом коммутируемые полупроводниковыми ключами резисторы — как и в обсуждаемом в статье устройстве. Ну, или магия, которой вы (и я) там не обнаружили ;)
                      0
                      Если вместо резисторов в обратную связь втыкать диод, то можно получить и натуральный логарифм напряжения, и экспоненту напряжения. Если взять логарифмы от двух напряжений и сложить, а потом взять экспоненту от результата, то получится произведение этих напряжений.
                        0
                        Это и будет вариант с полупроводниковым переходом в ОС, со всеми вытекающими…
                        0
                        Да, так как мне показалось, что вы и сами отлично понимаете, о чем идет речь. К вашим вариантом я добавлю, что вместо транзистора можно взять линейный оптрон и что в управляемых напряжением ОУ я часто вижу конструкцию с управлением током потребления одного из каскадов. На самом деле, я не хотел спорить на эту тему, тем более, что вы таки правы — я нашел снова ту документацию и убедился, что там таки ОУ с цифровыми потенциометрами на входе и в цепях обратной связи.

                        Я хотел обратить внимание на другой важный момент, а именно, что наличие самокрутящейся ручки (о которой говорил автор исходного комментария) ничего не говорит о способе регулировки громкости в реальных устройствах на рынке. Я сравнивал Yamaha A-S500 и R-S700. Они примерно одинаково стоят, но A позиционируется как более музыкальный, зато в R есть радио. Так вот, в Yamaha A-S500 используется не сдвоенный моторизованный регулятор, напряжение с которого идет на АЦП контроллера, который в свою очередь управляет цифровыми потенциометрами в микрухе. В R-S700 все проще — вместо этого в нем стоит энкодер. То есть кроме понтов — разницы ноль, зато есть радио и байпас коммутатора входов.

                        Так же хочу добавить, что оба аппарата вполне достойны, по крайней мере, на мой слух и за свои деньги.
                    0
                    Очень интересны комментарий. Но у меня возникает пара вопросов.
                    А разве MOP транзисторы в роли сопротивлений не шумят?
                    • Половина цифровых сопротивлений от ADI сделана не по плёночной технологии, а на основе тех же MOP транзисторов, почему они должны шуметь больше. Разве дело не в сопротивлении канала, а в их количестве соединённых последовательно? Сомневаюсь, от этого разве что паразитные ёмкости могут возрасти, но шумы вроде не должны. Или я не прав?
                      0
                      Вестимо шумят все. Но как в том анекдоте, есть нюансы :-)
                      1.Уровень шума и его статистические свойства сильно зависят от приложенного напряжения, по аналогии с лампами.
                      2.Топология и технология производства так-же оказывают влияние на уровень шумов, и тут к стати может быть возможен какой-то прогресс, а может и не возможен если задуматься о природе этого шума.

                      По этим и иным причинам, полевик в роли сопротивления не идеален, но он один и маленький и диапазон напряжений можно занизить, а у вас получается из них целая батарея — шумоуловитель, с повышенной площадью и множеством каналов в сильном электрическом поле!
                      А в интегральном исполнении скорее всего ещё какие-нибудь причуды вылезут.
                      Посмотрите на прецизионные малошумящие усилители от тех-же AD там внешние резисторы навешиваются отнюдь не ради кастомизации, это интересам маркетинга противоречит даже, но иначе не получается, несмотря на множество способов замутить интегральный резистор с подрезкой подстройкой под остальные компоненты схемы в процессе производства.

                      ИМХО современные цифровые потенциометры, скорее всего и пляшут от какой-нибудь хитрой топологии\технологии, так-что может быть всё и не так плохо в плане их качества, но даже если и так, главный вопрос тут даже не в этом, а в том, стоит ли вообще огород городить…
                        0
                        Я всё таки думаю, что в первую очередь для кастомизации.
                        Лично я использовал в одном из проектов дорогущие высококачественные инструментальные усилители с программно переключающимся коэффициентом 1:10:100:1000 кажется от ВВ — лидера в этой области и не было так никаких встроенных резисторов.
                        +1
                        Прошу прощения за придирки, но вы уже определитесь, или МОП, или MOS.
                        Слова «Poluprovodnik» в английском языке нет (ну, до вчерашнего дня точно не было).
                          0
                          sorry, но комментарий не статья — не вырубить топором ни слова ни исправить.
                      0
                      Не пробовали ли оценивать паразитную емкость таких резисторов?
                        +2
                        Большое спасибо за статьи и наводку на новые компоненты!
                        Сейчас как раз занимаюсь построением синтезатора на базе ПЛИС. И там в числе модулей есть как раз регуляторы уровня громкости — VCA. Некоторое время назад как раз боролся с кликами при изменении громкости.
                        image
                        Но в моем случае я применяю один ключ 4066, на вход подаю исходный сигнал, выход на землю через 1 КОм, питание ключа двухполярное +-5 вольт. Регулирую с помощью ШИМ модуляции. Вот и думал, как решить проблему с кликами, все осложнялось тем, что я не знал, причина в схеме (аналоговая часть), в помехах по питанию, любо «программные» (связанные со скоростью регулировки), либо какие-то еще. В итоге я решил проблему снизив скорость изменения значения «резистора», чтоб не было резкого скачка по амплитуде.
                        Еще раз спасибо! Вы дали мне сразу две подсказки: регулировка в момент прохождения через ноль (мне компараторы не нужны, т.к. я сам генерирую сигнал и знаю, когда там ноль) — это более «правильный» алгоритм, чем мой; а применение таких «резисторов» в качестве VCA позволит избавиться от ФНЧ. Если цена не кусается. Ну или хотя бы другой вариант VCA на новой элементной базе, новые эксперименты.
                          +3
                          Welcome! Приятно, что кому то мои статьи оказывают реальную помощь.
                          +1
                          Статейка любопытная и практическая! Автору плюс!
                          Но дать ответ на вопрос автора о применимости в HI-FI почти невозможно, т.к. реально нет данных о суммарном уровне гармонических искажений и уровне шумов — THD+N.
                          Часто вижу как люди приводят графики спектра сделанные с осциллографа (или анализатора спектра) и говорят: мол третья гармоника уже -100 дБ всё супер! Или: посмотрите, вроде синус выглядит ровным без искажений. В таких делах никакие оценки на глаз неприменимы. Только цифры! Даже самый лучший осциллограф не в состоянии отразить всю картину происходящего (в осциллографах обычно ставят 8-12 разрядные АЦП!!!). Но человеческое ухо тут же выявит искажения. Конкретное значение одной гармоники ничего не значит. Важна сумма всех гармоник всей слышимой ухом части спектра. Ухо слышит интегральный шум. Например, если при БПФ было взято 1024 точки разрешения по шкале частоты, и, к примеру, получили белый шум на уровне -100 дБ, то взяв корень из суммы квадратов всех гармоник мы получим далеко не -100 дБ.
                          Поэтому, что нужно делать?
                          Нужно читать стандарты о том, как это делается. Например, есть чудесный стандарт IEEE 1241 описывающий методику тестирования АЦП. Там описаны методы подгонки, как считать искажения, какие сигналы на вход подавать. Нужно иметь высокоточную и дорогую аппаратуру на которой вы сможете всё это сделать: источник сигнала с известным уровнем шумов и точный измерительный АЦП. Почти ни у кого такой аппаратуры нет. Это фактически должна быть тестовая аудиолаборатория.
                          Несмотря на небольшое количество элементов, рассчитать шумы схемы основываясь на паспортные данные вряд ли получится с приемлемой точностью. В приведенной схеме усилители так же добавят собственных шумов. Если бы потенциометр использовался в качестве обратной связи в ОУ для изменения усиления, то влиял бы еще сильнее.
                          В конечном итоге всё очень сильно зависит от того как сделана плата, например, могут начать сильно пролазить помехи от передачи данных управления по SPI.
                          Если разобраться во всём этом, то можно еще 10 статей на хабр написать. )))
                          В качестве хоть какого-то решения могу посоветовать сделать схему настолько хорошо, насколько сможете и послушать её на действительно хорошей аппаратуре (за много сотен тысяч) с разбирающимся человеком (надеюсь у вас есть такой богатый знакомый). Если этот человек не заметит разницы, то можно говорить о победе! Это будет ответом на ваш вопрос. В конечном счёте ухо очень сложный орган, способный, например, определять направление звука по разности фаз с базой в ~15 см. Поэтому для него цифры тоже часто бывают не информативны.
                            0
                            Спасибо.
                            По поводу помех от цифровых интерфейсов подумал что может сильно помочь гальваноразвязка. А вот что касается важности трассировки и межблочных соединений устройств, тут вы совершенно правы.
                            Я встречал такие ляпы за свою практику.
                            Даже собираю небольшой фоторархив «уродцев». И вот что интересно, вроде бы системы разработки становятся всё совершеннее, а моя кунцкамера пополняется всё быстрее.
                            Платы с виду выглядят просто красавицами, но простейший анализ выдаёт такие ляпы!!! Так что хорошие схемы и отличные среды разработки это здорово, но мозги и опыт в конечном счёте обычно решают всё в построении высококачественного как впрочем и высоконадёжного оборудования!

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое