ЦАП для Raspberry Pi на AK4490

[Chaa]

Как известно, для работы AK4490 требуется мастерклок, который из Raspberry Pi не выводится. Поэтому нельзя просто подключить AK4490 к Raspberry Pi. Для решения проблемы есть два пути: 1) восстановление мастерклока из битклока с помощью PLL или 2) использование отдельного генератора и работа Raspberry Pi в ведомом режиме.

Восстановленный мастерклок уступает по качеству нормальному генератору, плюс к тому же битклок у Raspberry Pi для частот кратных 44,1 кГц тоже не очень хороший. Правильно будет использовать отдельный генератор и Raspberry Pi в ведомом режиме.

Здесь возникает следующая проблема: AK4490, в отличие от ES9018 и других, не умеет быть мастером I2S шины. Поэтому необходимо применение дополнительных микросхем, которые были бы мастером I2S, вроде WM8804, PCM5122 или ПЛИС.

И тут один японский радиолюбитель предложил интересный способ: Часть 1, Часть 2.

Суть такова:

1. Подаем мастерклок (MCLK) 22,5792/24,576 МГц на вход битклока (BCLK). Получается, MCLK = BCLK.
2. Генерируем вордклок (LRCLK) на основе битклока (BCLK) в Raspberry Pi. Для чего переводим интерфейс I2S в режим SND_SOC_DAIFMT_CBM_CFS (codec clk master & frame slave).
3. Устанавливаем размер фрейма (BCLK ratio) в зависимости от текущей частоты дискретизации потока, например для 44,1 кГц это будет 512,
   для 88,2 кГц будет 256, для 176,4 кГц будет 128, и для 352,8 кГц будет, как и должно быть, 64.
   Соответственно, частота вордклока (LRCLK) станет равной частоте дискретизации.

Получается, что для 44,1 кГц ЦАП работает в таком режиме:
MCLK = BCLK = 22,5792 Мгц, LRCLK = 44,1 кГц, SDATA передает 512 бит данных.

Казалось бы, что это неправильно и возникнут проблемы с работой цифрового фильтра, но, как пишет японец, все работает корректно. По всей видимости это связано с тем, что битклок используется только для загрузки входных регистров и дальше в работе не участвует.

Также, при внимательном прочтении на это нашлось указание в даташите: для режима 7 "32-bit I2S compatible" вход BCLK больше или равен 64fs.



В общем, решил сделать для своего Raspberry Pi 4 ЦАП по этому принципу.
ЦАП предназначен в основном для работы на наушники и делается под такой корпус:



Для того, чтобы несколько уменьшить помехи, решил уменьшить частоту данных в длинных линиях BCLK, SDATA. Для чего поделил мастерклок на 2.

Схема электрическая принципиальная:



Печатная плата прорабатывается. Пока не удается уложиться в обычный размер 65x56 мм с SMD размера 0805.
Увеличивать плату очень не хочется, так как в увеличенном размере (85x56 мм) плату придется приподнять над разъемами Ethernet/USB, после чего нужно будет ставить разъемы RCA/наушники необычным образом, чтобы они попали в отверстия корпуса.

Проект открытый, все чертежи и исходный код драйверов выложу, когда все заработает.

Конструктивная критика приветствуется, особенно в аналоговой части.

[Chaa]

Тестовые файлы какие-то необычные. Подпись гласит "1khz -20db", а на картинке пик на частоте примерно 920hz. Есть описание этих тестовых файлов?

Файлы здесь с форума, правда давно, скачивал. Сейчас не найду, где именно. Все файлы 16 бит 44,1 кГц.
В файле "1khz -20db" действительно синус 918 Гц, но во всем остальном файл нормальный (смотрел Спектраплюсом).

Похоже действительно на каком-то этапе файл был в сетке 48, а стал в 44,1.

[mr. IPS]

Если синус 918 Гц, то и гармоника должна быть 1836 Гц, а на картинке ровно 2000 Гц.

[Chaa]

Если синус 918 Гц, то и гармоника должна быть 1836 Гц, а на картинке ровно 2000 Гц.

Если мы про картинку "1khz -20db", то там гармоник не видно под шумом.

[Alex]

Даташит обещает THD+N в -100 дБ.

На 4490? -112дБ он обещает.

На первой картинке, где видно 2 и 3 гармоники, основной тон -6 дБ.

Вот аналогичный замер на старой плате с 4490:

[Chaa]

Вот аналогичный замер на старой плате с 4490

Вот мне и интересно, где недоработка. Неудачная схема VREF? Неудачная разводка VREF?

[maxssau]

Для Vref недостаток питания видно на НЧ, например на 40-50 Гц и лечится конской ёмкостью в 2200-3300 мкФ и резистором в 51 ом

[Alex]

Вот мне и интересно, где недоработка. Неудачная схема VREF? Неудачная разводка VREF?

Не только.
То что показано выше - с однокаскадным "выхлопом" как у тебя не получишь, хорошо если такое:

[maxssau]

а треки точно 24 бита?

[Chaa]

а треки точно 24 бита?

Треки 16 бит, 44,1 кГц.
Внутри ЦАП в любом случае обработка в цифровом фильтре в 32-х битах, и гармоники все равно не из файла берутся.
Спектраплюс показывает нормальный спектр на файлах.

---------- Сообщение добавлено 21:39 ---------- Предыдущее сообщение было 14:23 ----------

На всякий случай проверил с файлом 24 бит 96 кГц. Все то же самое, разница в сотые доли дБ.

---------- Сообщение добавлено 24.08.2021 в 09:45 ---------- Предыдущее сообщение было 23.08.2021 в 21:39 ----------

Сделал картинки с увеличенным размером FFT.



Получилось точнее посчитать. Вторая гармоника составляет -98 дБ.
Интересно, что при уменьшении уровня встроенным в ЦАП регулятором громкости до -9 дБ, вторая гармоника уменьшается до -108 дБ.

Далее думаю посмотреть спектр сразу на выходах ЦАПа, до сумматора. Чтобы убедиться, что с сумматором все в порядке.

[Alex]

Внутри ЦАП в любом случае обработка в цифровом фильтре в 32-х битах,

Кстати нет, больше, но как это уменьшает гармоники входного сигнала с меньшей разрядностью?

---------- Сообщение добавлено 09:18 ---------- Предыдущее сообщение было 09:16 ----------

Интересно, что при уменьшении уровня встроенным в ЦАП регулятором громкости до -9 дБ, вторая гармоника уменьшается до -108 дБ.

А это не АЦП дурит?

У самой 4490 гармоники чуть уменьшаются примерно при -3дб.

[Chaa]

Кстати нет, больше, но как это уменьшает гармоники входного сигнала с меньшей разрядностью?

Я понял вопрос maxssau так, что не стоит смотреть ниже 96 дБ на 16-ти битном файле. Поэтому и написал, что внутри из 16-ти входных бит все равно будет больше. И если в 16-бит файле гармоник нет, то и на выходе быть не должно. Так что смотреть можно.

А это не АЦП дурит?
У самой 4490 гармоники чуть уменьшаются примерно при -3дб.

Действительно, может быть.
Я так понимаю самый простой способ собрать делитель на резисторах в 2-3 раза и сравнить спектры.

[maxssau]

Chaa, я бы поигрался с номиналами

с таким выхлопом можно получить неплохой результат

[Chaa]

Это все-таки АЦП. Вот и даташит на WM8776 (стоит в моей ЗК) тоже говорит:



Поэтому сделаю простой пассивный режектор (2Т-мост) и попробую померять с ним.

[Chaa]

Собрал режектор из того, что было под рукой - 820 Ом+0,22 мкФ (частота примерно 880 Гц). Подавление на 1 кГц получилось чуть больше 20 дБ. На спектре сразу вылез фон 50 Гц.



Измерение с режектором:



Гармоники теперь не видно. Похоже, так и не получится узнать точные цифры искажений.

[Alex]

На спектре сразу вылез фон 50 Гц.

Попробуй режектор заэкранировать. Надо было на макетке в уголге его собиратью и уголок потом (или перед) отрезать.

К режектору хорошо бы еще малошумящий усилитель.

[Chaa]

К режектору хорошо бы еще малошумящий усилитель.

Хочу пока немного отдохнуть от измерений.

План дальнейших действия примерно такой:
1. Сделать драйвера для установки в Volumio.
2. Проверить в реальной работе, послушать.
3. Узнать про AK4490REQ, чтобы ее тоже можно было в дальнейшем использовать.

[Alex]

Узнать про AK4490REQ, чтобы ее тоже можно было в дальнейшем использовать.

А чего про нее "узнавать"? Это та-же 4490, только с новой литогрфией (взамен утерянной при пожаре), для производства на новом заводе, когда они его когда-нибудь построят.

[Chaa]

Это та-же 4490, только с новой литогрфией.

Логично, чтобы так и было - прямая замена.
Но в Product Brief на картинке и в описании присутствует LDO и его LDOE/TVDD, как в AK4493.
Тут или ошибка, или хотят для экономии сделать на AK4490 и AK4493 одну литографию.

[maxssau]

хз только сколько их ждать

[Alex]

Логично, чтобы так и было - прямая замена.
Но в Product Brief на картинке и в описании присутствует LDO и его LDOE/TVDD, как в AK4493.

Я знаю, но мало обращаю внимание на "product brief" - вот будет полный даташит тогда посмотрим.

P.S. К тому-же, из АКМ после пожара, по разным путям идет столько противоречивой информации, что я уже склонен считать ее непонятно для чего делаемыми "вбросами" и "дезинфорнмацией".
Я например совершенно не понимаю, зачем выпускать 90-ю, при наличии 93-й, кроме как чтобы ее ставили в старые конструкции, где уже стояла 90-я.
Но если они новую 90-ю сделают с лдо, значит как минимум по 2-х ногам (1 и 16) она не будет совместима со старой. И кому она при этом нужна будет?