Non oversampling DAC project

Non oversampling dac project

Ik heb lang gezocht naar een doe-het-zelf dac. Tot hiertoe gebruikte ik een Sony ES505
en de beste Pioneer CD speler, beide zijn uitstekende waar voor je geld. Ik heb verschillende
externe dacs geprobeert op beide machines, zoals Sonic Frontiers enz..., maar ik had nooit
de indruk dat zij het geluid verbeterde. Daarom ben ik nooit verder geraakt dan het verzamelen
van informatie. Sommige van mijn klanten hebben Wadia apparatuur, en die waren ook niet indrukwekkend.

Een paar maanden geleden, terwijl ik op het net aan het surfen was op zoek naar informatie over dacs,
kwam ik op Galavotti's web site terecht waar ik over zijn non oversampling dac project las. Op die
pagina staat ook een link naar Kusonoki's web site met een theoretisch artikel dat verscheen in een
Japanees magazine gekent als MJ. Ik was erg onder de indruk, en dit was de eerste keer dat ik het
gevoel had dat er vooruitgang was gemaakt. Het Kusunogi artikel verklaarde wat er mis was met normale
dacs en stelde een eenvoudiger benadering voor in de zoektocht naar het audio nirvana. Daarom zocht ik
op het net voor meer informatie over dit onderwerp en vond wel wat, zoals het Poolse ontwerp van Lesha
en gelijkaardige ontwerpen van Thorsten Loesch en Andrea Ciuoffoli. Allemaal gelijkaardig maar met een
persoonlijk tintje.

Waarom heel gelijkaardig?

Omdat ze alle een speciaal daarvoor ontworpen voeding hebben, en de meeste gebruiken ofwel TDA1543
(goedkoop en niet zo goed als de TDA1541) ofwel de TDA1541.

De aansluitingen van de TDA1541 aijn standaard (zie Philips datahandboek). Geen hocus pocus, en de I/V
conversie is eveneens standaard. Ik heb geprobeert zonder filter, terwijl de meeste wel een filter gebruiken.
De buisuitgang is een must voor de serieuze doe het zelf fans.

Dan is er de vraag: welke opnemer en de meerderheid gebruikt kristal cs8412, dus gebruikt ik het ook.

Een beetje research en een maand later tekende ik het schema v1 en benaderde een paar klanten in verband
met dit project en zij vonden het leuk. Omdat mijn laatste project met Stephane was (de Outer Limit) belde ik
hem op en vroeg hem om het project op te volgen. Hij heeft veel ervaring met digitale schakelingen en printplaat
ontwerp voor kritische RF toepassingen. De herbekeken voeding is volledig van hem. Hij slaagde erin om slechts
een transformator te gebruiken (met 5 verschillende wikkelingen) en met een extra transformator kan deze voeding
ook de stroom leveren voor een Philips vam 1254 high end drive mechanisme.

We hebben er een CS8412cp aan toegevoegd voor degene die de dac als stand alone willen gebruiken.

De schakeling: klik hier voor het schema van de dac

Heel recht toe recht aan:
Alle voedingen hebben stroombronnen voor optimale afscherming tegen elkaar. Er werden 2 massavlakken
gebruikt: een voor digitaal en een voor analoog.
Er werden overal Elna cerafine & Philips elcos gebruikt. Hij kan ook als stand alone dac gebruikt worden.
Met een puls ingangstransformator van Lundahl voor een optimale signaaltransmissie kwaliteit, gevolgd
door een CS8412 gaat het signaal richting de Philips TDA1541, die nog steeds de referentie 16-bit dac is.
Daar wordt het signaal gesampled met topkwaliteit MKP condensatoren die gematched werden op 1%. Dit laatste
is heel belangrijk omdat de timing kritisch is. De zilver mica 470 pF, die gebruikt wordt voor het clock
signaal, is ook geselecteerd op 1 %. De waarde zelf is niet kritisch!.
In de analoge uitgangstrap is geen filtering gebruikt!
De stroom naar spanning omzetting gebeurt met eenvoudige 68 Ohm 1 Watt Dale weerstanden (2 parallel om clippen van de chip aan de uitgang te vermijden. Het analoge signaal wordt versterkt door een buis: een 5842 met stroombronnen om optimale kwaliteit te hebben. (dit is bijna zo goed als smoorspoelen in de anode.
Een relais houdt de buis stil bij het opstarten. De buizen zijn ingesteld met negatieve bias, en ik kan jullie niet genoeg vertellen hoeveel beter dit is.

De voedingen:

Print A: voeding voor de dac print
Er zijn overal 3A regelaars gebruikt: LM185 en LM337. Een 7 Volt AC wikkeling volstaat. De spanning wordt verdubbeld, en nogmaals verdubbeld wanneer er een hogere spanning nodig is. De vele regulatoren filteren alle rimpels weg en, heel belangrijk, scheiden de voedingen van elkaar ten opzichte van AC.

Voor de dac en de ontvanger hebben we nodig:
+5v 57mA (2 keer)
+5v 83mA
-5V 83mA
-15v 83mA
GND

Print B: voeding voor de Philips cd vam 1254:
Hier gebruiken we een aparte ringkerntrafo van 2 x 9 Volt AC, alsook de regulator LM185 3A.
Een spanningsverdubbelaar zorgt voor de -20 Volt voor de bias van de display.
De voedingsspanningen zijn:
+9v 1A
+5v 1A
-20V 10mA

Om de 2,5 Volt voor de display van de CD speler te bekomen, moet je ongeveer 16 windingen leggen op de 2 x 9 Volt AC trafo's. Zij zijn verbonden met de -20 Volt bias voeding.

Print C: hoogspanning
Deze hoogspanningsvoeding levert de spanning voor de eindbuis. Een triac wordt hier gebruikt als vertraging. De hoogspanning zelf is MOS geregeld op 220 Volt DC.
Ook de laagspanning voor de gloeidraden, het relais en de triac sturing worden hier opgewekt en door middel van een 4060 teller geactiveerd.

Print D: de dac zelf

Deze dubbelzijdige print van hoge kwaliteit met gescheiden grondvlakken is voor de dac zelf en de uitgangstrap, alsook voor de optionele CS8412 input clock.

De eerste test en luisterproeven:

Het geluid is erg goed met een lichtjes mindere output voor wat betreft de hoge tonen. De stemmen zijn mooi met een uitstekende soundstage. Breder en dieper dan gewoonlijk, easy listening zonder vermoeidheid.

Kan vergeleken worden met analoog, het komt in de buurt maar toch ontbreekt er iets (ik weet het: de zoektocht naar high end is hard)

Wat is er mis of wat ontbreekt er?

Merk op dat dit nauwelijks ter sprake komt op het net. Het is weinig gedocumenteerd of misschien ben ik zo opgewonden door deze nieuwe aanpak dat ik de kleine lettertjes niet heb gelezen.
Bij een non oversampling dac is er geen manipulatie van het signaal binnen het tijdsdomein. Het wordt real time geconverteerd en er worden geen fout correctie algoritmen gebruikt. (Voor mij is dit wat SE is bij transistorversterkers).

Stephan besluit om de dac op de testbank te leggen om te kijken hoe deze presteert omdat hij vermoed dat er iets mis is, en het is altijd leuk om te zien dat de specifikaties niet al te slecht zijn.
De 1 KHz sinus is goed maar je kan duidelijk zien dat de sinus uit stapjes bestaat. De 4 KHz sinus is redelijk foutief omdat er minder stappen zijn om de sinus te maken. 20 KHz is een catastrofe. 0,2 stappen stellen de hele sinus voor. Ter vergelijking: mijn Pioneer PDS06 heeft een perfekte sinus zonder stappen, zelfs niet bij 20 KHz. Dit is echter niet het echte probleem omdat dit in de aard ligt van het non oversampling non filtered ontwerp.

Het probleem gemeten toont aan hoe slecht het is: (de wiskunde bewijst dit ook)

De studei van dit fenomeen toont aan dat de 44,1 kHz clock harmonischen heeft
die het signaal moduleren. Met andere woorden: de hele audio band is gespiegelt rond de 44,1 kHz carrier, en dat geldt ook voor elke harmonische (88,2 kHz enz...).
Het probleem is dus dat de volledige audioband (0 - 20 kHz) gereproduceerd is van 44 + 20 = 64 kHz en van 44 - 20 = 24 kHz. Dit in het bijzonder doet de audio weergave geweld aan omdat ze intermoduleren. Als we dus een 20 kHz sinus hebben in de dac krijgen we een dubbel bij 24 kHz, maar nog erger: ze hebben dezelfde energie als een intermodulatie bij 4 kHz!!!
Dit kunnen we makkelijk testen: we gebruiken een referentie CD met test tonen en bij het beluisteren op 16 kHz kan je duidelijk een lagere frequentie horen. Bij 20 kHz, nauwelijks hoorbaar bij deze frequentie en daarom zetten we het volume wat luider, hoor je de 4 kHz toon.

De oplossing is filteren. Een 3de order filter is het minimum bij maximum 15 kHz omdat het filter traag start, maar dat is bij SE buizenversterkers geen groot probleem. Hun beperkte bandbreedte vangt dat op en hun lage uitgangsvermogen beschermt de tweeters tegen een acuut overlijden.

Algemeen gezien is dit een ramp, zelfs niet de moeite om te publiceren.

Hoedanook, luisterproeven suggesteren dat het probleem niet zo erg is omdat het geluid van deze dac nagenoeg identiek is met hetgeen mijn Pioneer produceert (20 bits 8 x oversampling BB dac en legato link filtering). Eigenlijk is het verschil klein, hetgeen een groot compliment is voor de Pioneer CD speler.
Soms hebben we liever de non oversampling, en soms hebben we liever de Pioneer. De voorkeur van mijn vrouw gaat uit naar de non sampling. Haar mening: hij is minder aggressief.

Oplossingen:

Het probleem is enorm (ik overdrijf een beetje) en een notch is geen oplossing. We zoeken naar andere oplossingen maar die zijn niet evident. De oplossing is ofwel brickwall filteren ofwel terug naar oversampling. Niet gecorrigeerde oversampling (dus geen error correctie) vergt opnieuw 3 maanden om hem te maken en testen.
Een filter met zachte hellingen is ook geen oplossing omdat het probleem zich voordoet net een oktaaf buiten de audioband, en als je geen SE buizenversterker gebruikt kan je in de problemen komen (een hele boel ultrasonische energie).

We houden je op de hoogte