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.

[Дмитрий-ВА]

Интересный проект. Автор - молодец!
Не нашел на плате R16, на схеме есть.
Точно 0 Ом там нужно для соединения цифровой и сигнальной земель? Может 10 Ом ?

[Chaa]

Не нашел на плате R16, на схеме есть.
Точно 0 Ом там нужно для соединения цифровой и сигнальной земель? Может 10 Ом ?

На плате это полигон под AK4490, который соединяет цифровую и аналоговую землю. Правильно это делается с помощью Net-Tie, но я тогда не нашел такое решение.

На всякий случай. В схеме есть ошибки, пока нашел три из них: неправильные номиналы делителя R24-R25, вывод 14 AK4490 должен быть подтянут к DVDD, сигнал MCLK висит в воздухе при отключенных генераторах. На плате есть недочеты в разводке - увидел когда собирал. Со временем исправлю.

[maxssau]

сигнал MCLK висит в воздухе при отключенных генераторах

Я не рискую напрямую соединять выходы генераторов (да и любой логики) без развязывающих резисторов. На таких частотах уже нужно согласование волнового сопротивления и мало ли какое будет стечение обстоятельств при включении и может получиться так, что они оба будут одновременно работать.

Я для себя остановился на такой схеме



недостаток: много места занимает, из достоинств - одновременно они никогда не работают и можно ставить любые генераторы, даже если у них нет отключающего пина.

Делитель по вкусу, если не нужен, просто вырезать.

[Chaa]

Драйвера заработали, идеи японских товарищей оказались верными. Во вложении предварительная версия, тестировалась на Raspberry Pi OS с ядром 5.10.
Также собрал аналоговую часть. Конденсаторы фильтров питания пока не ставил - буду смотреть шум питания после DC/DC.
Реле мьюта тоже не поставил - пытаюсь оценить громкость щелчков, и насколько вообще нужно это реле.
На наушники 32 Ома играет достаточно громко.

[Chaa]

Собрал плату полностью.



Управление мьютом пришлось переделать - в том виде как у японцев оно не работало совсем.
Без реле мьюта щелчки довольно громкие. Во вложении архив с драйверами.

Порядок установки на Raspbian:

Скрытый текст

Установка драйверов:

sudo apt-get install raspberrypi-kernel-headers
sudo apt-get install device-tree-compiler

cd ~/simple-ak4490/ak4490/
make
sudo make install

cd ~/simple-ak4490/simple-ak4490/
make
sudo make install

cd ~/simple-ak4490/overlays/
make
sudo make install

Установка оверлея:

sudo nano /boot/config.txt

# Enable audio (loads snd_bcm2835)
#dtparam=audio=on
dtoverlay=simple-ak4490

Перезагружаемся.

sudo shutdown -r now

Проверяем, что драйвера загрузились:

dmesg

[ 4.554114] simple_ak4490: loading out-of-tree module taints kernel.
[ 5.599751] ak4490 1-0010: Registered ak4490

Ставим Album Player и слушаем:

wget http://albumplayer.ru/linux/aplayer-arm32.tar.gz
tar -zxf aplayer-arm32.tar.gz
sudo cp -r ./aplayer/ /usr/
sudo cp ./aplayer/aplayer.service /etc/systemd/system/
sudo systemctl enable aplayer
sudo systemctl restart aplayer

[свернуть]

[maxssau]

[Chaa]

Я обещал померять шум/пульсации после DC/DC. Но что-то пошло не так.
Когда подключаю щуп осциллографа на землю платы, то даже на замкнутые щупы наводится помеха, на фоне которой ничего не видно.



Сделал провод покороче. Запитал Rasperry Pi от повербанка. Ничего не помогает. Возможно от того, что осциллограф не настоящий (Instrustar ISDS220B).

[maxssau]

Когда подключаю щуп осциллографа на землю платы, то даже на замкнутые щупы наводится помеха, на фоне которой ничего не видно.

Скорее всего оно и есть. Я как то задался целью расчитать фильтр для таких преобразователей, номиналы огромные получаются, снимал АЧХ через Ар, работает, но габариты уже не гуманные. Если есть интерес отпишитесь мне в личку, есть действенные способы существенно снизить уровень помех.

[Alex]

Когда подключаю щуп осциллографа на землю платы, то даже на замкнутые щупы наводится помеха, на фоне которой ничего не видно.

Щуп подключал "хлястиком с крокодилом" или пружинкой?

А, уже увидел.

[Оллема]

Возможно от того, что осциллограф не настоящий (Instrustar ISDS220B).

Я бы для начала гальванически развязался осциллом от USB. У меня приставка Hantek с развязкой работает.

[Russ3000]

Хантеком намерил импульсную помеху после БП MW примерно 150 мВ, помог полярный тведоэлектролитный конденсатор 470х6,3В из старой материнки прикрученный на клеммы БП. Наверняка помеха ни на что не влияет, там, на Малине еще несколько импульсных преобразователей прямо на плате. У меня, правда, играет через USB с гальваноразвязкой.

[Chaa]

Да, проблема здесь в измерительной системе, на самой плате должно быть нормально.

Rasperry Pi питается от повербанка, поэтому вряд ли дополнительная изоляция что-то изменит.

Когда щуп лежит рядом с Rasperry Pi, то на осциллографе прямая линия. Стоит только коснуться замкнутым щупом земли платы или металлического разъема, осциллограф показывает такую помеху.

Помеха получается 12 мВ (пик-пик), поэтому смотреть на ее фоне милливольты DC/DC как-то не серьезно.

Сейчас подумал, может это WiFi так наводится.

[Seagun]

Повербанк это еще один источник помех.

[Chaa]

Померил Спекраплюсом. Звуковая карта ESI MAYA44 не очень, но какая есть. Измерения карты: открытый вход, закороченный вход, подключено к ЦАПу и включен мьют, подключено к ЦАПу и мьют выключен.



Тестовые файлы Audiomanic-а, брал где-то здесь на форуме. Название картинки соответствует названию тестового файла.



В общем и целом, кроме искажений и наводок на карту ничего не видно. Можно ожидать, что собственные искажения и шумы ЦАПа лежат ниже -100 дБ.

[Alex]

В общем и целом, кроме искажений и наводок на карту ничего не видно

Примерно так.

Поэтому нельзя сказать что:

Можно ожидать, что собственные искажения и шумы ЦАПа лежат ниже -100 дБ.

[Chaa]

Переставил звуковую карту в другой компьютер, стало немного лучше. Теперь шумовая полка от 500 Гц лежит ниже -120 дБ, кроме пика на 30 кГц с уровнем -100.



Те же тестовые файлы Audiomanic-а. Название картинки соответствует названию тестового файла.



Теперь видно 2-ю и 3-ю гармоники с уровнями примерно -100 и -105 дБ.

[Alex]

Теперь видно 2-ю и 3-ю гармоники с уровнями примерно -100 и -105 дБ.

Да нет, у тебя же основной тон не 0дБ а -10-20, значит и гармоники не -100 а -90-80.

[Chaa]

Да нет, у тебя же основной тон не 0дБ а -10-20, значит и гармоники не -100 а -90-80.

На первой картинке, где видно 2 и 3 гармоники, основной тон -6 дБ.
Но наверное да, будет где-то ближе к -95 дБ.

Даташит обещает THD+N в -100 дБ. Отсюда вопрос - нормально ли получилось для готовой конструкции или не очень?
И что стало ограничением - простой VREF (4,7 Ома + 2200 мкФ), простой сумматор+ФНЧ на одном ОУ (стоит OPA1656) или я где-то в разводке накосячил?

[mr. IPS]

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

[sia_2]

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

Скорее всего файлы в сетке 48 кГц, а проигрываются в 44.1.