Многополосный усилитель с цифровым DSP и i2S усилительными модулями.

Это вторая часть марлезонского балета про двухполосный полочник. Но в отличии от первого акта, этот проект может повторить любой страждущий.

До недавнего времени, использовал в системе ЦАП на AD1853 и ламповый однотактник на 6CA7. Акустические системы Kenwood LS-11EX на Davis KVK 130 под настроение и в целом делал акустику другим. Дома слушать было не когда, да и заниматься творчеством возможности не было тоже.
Но вот снова зачесались руки по паяльнику и микрофону и понеслось)))). Идея создать многополосный усилитель с коррекцией, да еще на современной элементной базе тормозилась очень плохенькими параметрами усилителей Д класса и очень хилых доступных чипов DSP Цифровых сигнальных процессоров.


Первый опыт использования DSP у меня случился при настройке модного трехполосного проекта с использованием процессора Berringer DCX2496. Внутри берринЖера стоит DSP процессор AMD Shark и очень устаревший модуль управления через COM порт RS-232, старенькие ЦАП и АЦП ну и импульсный блок питания не очень высокого качества. Вот там же я понял и проблемные места таких процессоров и их супер преимущества. Основные проблемы – хиленький АЦП на входе и шипение в звуке.
Самый популярный процессор для самодельщиков это ADAU1701. ссылка

Он самый простой в использовании. Я не использовал этот чип по причине интеграции в него простеньких ADC и DAC и малого запаса по вычислительной мощности выраженной в количестве команд на сэмпл.
ссылка
И если современный источник цифровой, то зачем делать сложный путь Цифроаналогового преобразователя в звуковой карте или ЦАП… далее аналогово цифрового преобразования на входе ДСП… далее цифровой обработки в процессоре и очередного цифроаналогового преобразования на выходе ДСП.

С выпуском серии Analog Devices микрочипов DSP ADAU14XX ссылка и микрочипов усилителя SSM3582A ссылка все изменилось. ADAU1452 и ADAU1467 это полностью цифровые процессоры очень мощные с очень большим функционалом. Вычислительная мощность зависит от частоты, на который заточен ДСП в проекте. Но на 48килогерц кажется 1701 имеет 1000 команд на сэмпл, а 1467 имеет 6000 команд на сэмпл. А SSM3582 первое интегрированное решение, где и Дельта сигма ЦАП и усилитель класса Д с дельтасигма модуляцией в одном чипе с КПД 93 процента. ДА еще и небольшой DSP внутри. И на выходе нет огромного дроссельного фильтра и искажения на уровне 0.004%.
Было решено сделать усилитель на таком наборе от Российского производителя Чип и Дип. Ассортимент у них огромный, но поддержка «Рассейская». «Ваши проблемы – это ваши проблемы, у нас все отлично» но об этом позже.
Общая концептуальная схема системы следующая:

1.
Входной преобразователь USB – i2S первоначально был ЧипДип Суперпрайм. НО У меня не получилось его запустить нормально. Выставляю в драйверах Windows 10 64 bit 48 килогерц и получаю на АЧХ дикий срез как фильтром. Выставляю тут же 44.1 и получаю нормальную АЧХ.

ЧипДип отказались комментировать ситуацию и по английски покинули чат. Говорят, все работает нормально. Я естественно подумал что виноват Windows так как используются его стандартные дрова для USB устройства. Накатил сверху ASIO for ALL и пустил через них, да еще с обязательной передискретизацией в 48 попробовал. Работает одинаково криво. Собрал комп с windows 7 64bit та же песня. Забил на такую поддержку и поставил SA9023 – все заработало с полпинка как надо. Два варианта XMOS преобразователей тоже играют все без проблем.этот тоже работает отлично без проблем. Поэтому будьте внимательны – у вас тоже может так криво заработать и помощи ждать не откуда. У меня кучка преобразователей –взял и забыл проблему.

2. DSPO link — удобная платка соединения i2s — соединитель с собственным генератором на 12.288мГц кварце с буферизацией и собственным питанием 5Вольт. Если нет питания 3.3 вольта в гребенке на входе i2s то подает свой клок а если есть – то проводит то что приходит с USB. С USB должно при 48 килогерцах приходить 12.288 мегагерц по моим настройкам сигмастудии (это блок настроек MasterClock). По сути, ДСП переключается на использование собственного генератора а не берет мастерклок с i2s входа, это задается в Сигмастудии.
Сердцем системы является модуль цифровой обработки сигнала ADAU1467.

ссылка

Цифровые входы (I2S) – 4
Цифровые выходы (I2S) – 4
Есть еще кучка программируемых GPIO если вдруг 4 стандартных i2s будет маловато
Максимальная частота дискретизации — 192 кГц
Точность входов/выходов – 32 бит
Вспомогательных каналов АЦП AUX — 8
Стереофонические вход и выход S/PDIF
Интерфейсы управления I2C и SPI (ведущий или ведомый)
Особенности работы данного процессора:
1. Процессор работает на фиксированной частоте проекта, то есть если выставлено в проекте 48 килогерц – значит все. Переключиться в 96 гипотетически можно, но надо менять прошивку контроллером и по идее тактовый генератор тоже перенастраивать. В блоке есть модуль ASRC и входной аудио поток аудио данных можно ресемплировать в частоту DSP на лету. НО MCLK должен оставаться один, ибо он же, по сути, тактовый генератор для ДСП. Либо ставить кварц на плату и тактировать все с него.
2. На плате Чип-Дип отсутствует регулятор напряжения для удешевления, а DSP работает от 3.3 вольт. Китайские платы имеют на борту LDO стабы. Поэтому пришлось докупать RDC1-0028, Двойной DC-DC. Жрет DSP порядка ампера постоянно.
3. Информация на Русском по настройке системы в Сигмастудии оооочень скудная и если не обладать английским без словаря – то врубиться очень сложно. А настроек внутри очень много.

Процессор программируется в Сигмастудии ссылка и в ней можно сделать очень много. Рассмотрим мой проект:
Схема проекта:

1. Модуль ASRC – ресэмплинг всего входящего в 48 килогерц, на частоту работы проекта.
2. Модуль селектора входов переключается одной кнопкой на универсальном пине ввода вывода GPIO16/
3. Модуль автоэквалайзера — автоматическое выравнивание АЧХ по кривой измерения микрофоном в формате MLSSA.
4. Регулятор громкости на резисторе – вход ADC на данном пине вычисляет уровень напряжения на переменном резисторе от 0 до 3.3 вольт и производит регулировку уровня входного сигнала. В таблице модуля вводится шаг изменения и максимальный уровень.
5. Кроссовер двухполосный – здесь задаем количество полос, частоты раздела, различие в уровне полос и тип и крутизну фильтра среза.
6. Коррекция АЧХ на фильтрах для каждой полосы. Вот тут очень приятно настраивать каждую полосу по микрофону «на ходу» не записывая в флешку – просто на лету измерять, вставлять фильтр и все выравнивать. Есть модуль автоматической коррекции по файлу MLSSA. Но руками оказалось гораздо точнее все сделать. Если сильно попотеть, то можно настроить коррекцию на FIR фильтрах, которые не крутят фазу. Это видимо будет отдельная эпопея.
7. Модуль задержки для ВЧ канала. Два динамика играют одни частоты в зоне раздела. И если по фазе у них есть сдвиг, на на ФЧХ будет всплеск и на слух ничего хорошего в этой зоне совместного звучания не будет. Все по микрофону опять же выставляется и видно.
7. Направление на выход i2S.

4
Усилительные модули.
Отдельно расскажу о SSM3582A/

ссылка

SSM3582A — это полностью интегрированный, высокоэффективный стерео усилитель звука класса D с цифровым входом. Cхема модуляции Σ-Δ с расширенным спектром обеспечивает прямое подключение к динамику (без необходимости ставить дроссель для фильтрации остатков ШИМ)и обеспечивает современные аналоговые характеристики, снижая при этом EMI излучения по сравнению с другими архитектурами класса D.


Аудио передается на усилитель в цифровом виде, сводя к минимуму возможность искажения сигнала в цифровой среде. Усилитель обеспечивает выдающиеся аналоговые характеристики с отношением сигнал / шум 106 дБ и низким общим гармоническим искажением + шум (THD + N) 0,004%. При этом нет значительного ухудшения параметров с ростом частоты как у большинства усилителей Д класса с классическим шим модулятором.



Это еще не все. В микросхеме заложена возможность управлять частотой, битностью, громкостью и лимиттером по I2C. НО полноценно использовать модули в моно режиме тоже можно только в TDM. Это вполне реализуемо с использованием модулей ЧИП-ДИП usb-i2s Superprime одной перемычкой, а вот 1467 как показала практика настроить TDM сложнее.


Частота, вернее частотный диапазон усилителя выставляется перемычками. Это несколько ограничивает возможности мультиформатности, но в диапазоне 32-48 вполне реализуемо и юзабельно без перестроек.

Усилитель обладает некоторыми особенностями.

1. Внутри усилителя есть DSP и его так же можно подстраивать в сигмастудии.
Внутри есть переключатель коэффициента усиления. И по дефолту это 19дб. Ибо по дефолту все рассчитано на питание 12 вольт. И чтобы он раскрылся на максимум по мощности ему нужно на вход сделать в ADAU1467 +3 дб а не 0db как минимум. Там же можно настроить тип фильтра на выходе ЦАП.

2. При стандартном использовании, после 12 ватт на канал начинается рост искажений. Но усилитель можно переключить в моно режим и это усилит выходной каскад по току. Роста искажений при этом нет до максимума.

3. Усилитель питать можно 16 вольт. При его КПД на 8ми омную акустику 93 процента это даст ну примерно 27 ватт при условии +3дб усиления от 0 уровня или переключения процессором чипа в 21 дб усиления. Для 4омной акустики КПД около 90 процентов и в итоге получим на выходе порядка 50 ватт.

4. В моно усилитель работает не в i2s а TDM режиме, где в пачке по одним проводам ну как i2s можно цеплять несколько устройств и задавать каждому индекс. При этом задается и ширина окна ТДМ. Вот тут засада. Если с платы СуперПрайм все работало нормально, там перемычкой ставится TDM, то заставить нормально выдавать 1467 TDM на 2 и 3 выход i2s я не смог. Все вроде настраиваю как в даташите, а не АЛЕ. ЧИПовцы честно пытались помочь мне настроить 1467 в TDM, но мы так и не смогли. В итоге забил на ТДМ и выставил на два канала i2s два усилителя в моно режиме. Так оказалось проще и работает.

5. MCLK усилителям внешний c i2s не нужен. МЦЛК в данном проекте используется только для тактирования чипа ДСП.

6. Усилители в моно режиме берут сигнал исключительно левого канала если сигнал просто i2s. Поэтому я занял два канала i2s из четырех. Зачем моно.
Вот из даташита.




7. SSM3582 требует три питания. Силовое 15 вольт, аналоговое и цифровое 5 вольт. Чип Дип поставили все конденсаторы минимальные керамику. По идее надо довесить, даже по даташиту на ldo надо весить порядка 200 микрофарад а не 10. Но это решаемо в данном варианте. Хотя, я видел китайские платы ssm3582– там есть кондеры в питании.
Блеск и нищета экономии.

ссылка

Все это было реализовано в макете.

сразу извиняюсь за фотку — это рабочий макет. Я и не планировал ничего публиковать. Там видно и конденсаторы и дорогие импульсные источники Tapco 3.3 и 5 вольт для отдельного чистого питания ДСП, генератора и аналоговых цепей усилителей.

В макете добавил еще один канал на PCM5102 для экспериментов, ибо был свободный порт i2s. Провода i2S после некоторых испытаний сделал минимально короткими — не длиннее 10см. Корпус тоже ждет своего часа.
Первым усилителем Д класса, который сломал мои стереотипы был клон Ncore Юрия с Украины.
Теперь SSM добавляет теплоты в звуке))) ничего не добавляет вернее.
В рунете уже появились появились полностью цифровые усилители без классической системы ЦАП — Д выход. На ssm3582a делает свои усилители в какой то версии APPLE. Это тенденция — а значит скоро будет такой уход от аналогового АВ массово как в свое время массово соскочили с ламп на транзисторы и ушли от кинескопных ЭЛТ на LCD.