Dac Valvolare di Maurizio Daniele

 Di cosa si tratta

Dac valvolare

Chi lo ha costruito

Maurizio   Maurizio.daniele@marconi.com   

Caratteristiche particolari

Un progetto veramente impegnativo

Ormai Maurizio e un  cliente fisso di Audiocostruzioni , questa volta con un progetto veramente impegnativo , un dac valvolare .. ecco a voi..

Introduzione

Dopo aver letto parecchi articoli (primo fra tutti quello di Kusunoki) relativi ai convertitori DAC di tipo non oversampling e frequentato non pochi forum di audiocostruttori, ho deciso di avventurarmi in questa realizzazione.

L’idea è stata fin dall’inizio di realizzare un convertitore basato su un DAC Philips con relativo stadio di uscita a valvole. Non volevo re-inventare l’acqua calda ma volevo fare qualcosa in cui ci fosse del mio.

Gli studi che ho fatto all’inizio prevedevano uno stadio di uscita valvolare piuttosto complesso, l’esperienza hobbistica e quella lavorativa mi hanno però insegnato che “tutto quello che non c’è non si rompe” e soprattutto non è sempre vero che più roba metti e migliore è il suono.

Quando si mettono insieme circuiti integrati, transistor e valvole, inevitabilmente si deve combattere con problemi di vario tipo; questo oggetto ha rispettato fedelmente la regola perché di problemi me ne ha dati e tanti, ma io ho sempre detto e sempre sosterrò che si impara più dagli errori che dai successi.

Normalmente i ringraziamenti si mettono alla fine, io preferisco metterli all’inizio.

Devo ringraziare Fulvio Chiappetta che, nella sua infinita esperienza, mi ha consigliato di rimanere su una configurazione valvolare semplice, quanto aveva ragione!

Devo ringraziare la mia consorte che ha sopportato i miei momenti di “assenza” nelle ore passate a realizzare questo oggetto che rappresenta (per il momento) l’apparecchio più complesso tra quelli da me realizzati.

Allegare foto 2

Vediamo come è strutturato questo sistema partendo dallo schema a blocchi che segue.

1.       Stadio Ingressi

2.       Ricevitore SPDIF

3.       Stadio Reclocker

4.       DAC

5.       Stadio di uscita

6.       Alimentazione da rete

7.       Alimentatore centralizzato

8.       Alimentatore stadio di uscita

9.       Circuito di controllo

Ingressi

Il sistema è dotato di due interfacce di ingresso, una di tipo ottico e una di tipo coassiale. La selezione tra i due ingressi viene effettuata mediante un relè controllato da un deviatore posto sul pannello frontale.

Il connettore ottico ideale sarebbe il modulo Toshiba TORX173 ma si può reperire solo in USA ad un prezzo non proprio conveniente viste le spese di spedizione. Ho dovuto quindi optare per un componente similare reperibile al prezzo di circa 4 Euro presso la EPM di San Donà del Piave, (negozio dotato di tanta componentistica a prezzi interessanti).

L’ingresso coassiale è costituito da un semplice connettore BNC, si potrebbe utilizzare anche un connettore RCA, ma il connettore BNC ha un’impedenza caratteristica di 75W che quindi consente di terminare correttamente l’interfaccia ed evitare inutili riflessioni di segnale.

Il connettore BNC trasferisce il segnale ad un trasformatore di isolamento Lundahl LL1572 per eliminare qualsiasi loop di massa. Il secondario del trasformatore è terminato su una resistenza da 75W per mantenere il corretto accoppiamento di segnale verso il circuito di ricezione.

Ricevitore SPDIF

Il ricevitore è incentrato su un chip Crystal CS8412 che consente di ricevere un flusso SPDIF da cui estrarre tutti i segnali digitali richiesti da un DAC. In questo caso il chip è stato configurato per estrarre segnali su bus I2S.

I circuiti di ricezione sono dotati di due stabilizzatori locali che regolano la tensione a 5V.

Il primo stabilizzatore viene utilizzato per alimentare la sezione di ricezione del chip CS8412, il secondo stabilizzatore alimenta il PLL dello stesso chip.

Ogni singolo stabilizzatore è realizzato con un resistore di caduta e un circuito integrato TL431, un regolatore di tipo shunt con ottime prestazioni audio. I due regolatori sono alimentati con una linea dedicata fornita da un apposito pre-regolatore implementato su un alimentatore centralizzato

I segnali di uscita del bus I2S sono resi disponibili su un connettore in modo da poter effettuare la connessione con lo stadio reclocker mediante doppini twistati Cat-5 ricavati da un cavo Ethernet.

Stadio Reclocker

Il flusso di dati SPDIF è basato su una codifica bifase differenziale con inserimento di violazioni in modo da individuare dove ha inizio la sottotrama. Sfortunatamente questo codice ha qualche problema, in quanto si può provare che il clock ricostruito da un flusso è comunque affetto da jitter correlato ai dati.

Il chip Crystal provvede comunque ad estrarre un clock abbastanza libero da jitter, il valore di 200psec non è il massimo ma è anche inferiore rispetto ad altri chip.

Si può provare ad effettuare un reclocking con un segnale esterno dopo aver ricostruito il segnale di orologio con il PLL. Grazie a questo artificio le fluttuazioni entro un ciclo di clock del PLL sono completamente assorbite e non trasferite alla forma d’onda riprodotta.

L’uso del circuito di reclocking è quindi fortemente raccomandato. Il segnale di clock potrebbe essere utilizzato anche per rinviare il segnale alla meccanica di trasporto mediante buffer/inverters.

Il risultato globale è comunque quello di un suono più aperto e dettagliato con una scena sonora ben definita.

Il circuito di reclocker è incentrato su sei Flip-Flop contenuti entro tre circuiti integrati 74AHC74. Ognuno dei segnali del bus I2S viene fatto transitare su due flip-flop posti in cascata e pilotati in sincrono da un segnale di clock generato da un oscillatore a 66MHz.

I circuiti di reclocking sono dotati di due stabilizzatori locali che regolano la tensione a 5V.

Il primo stabilizzatore viene utilizzato per alimentare i Flip-Flop, il secondo stabilizzatore alimenta il circuito oscillatore.

Gli stabilizzatori sono alimentati con una linea dedicata fornita dall’alimentatore centralizzato.

DAC

Si utilizza il chip TDA1541 Philips che è configurato per supportare direttamente l'interfaccia I2S.

Dopo aver provato una configurazione con quattro TDA1543 in parallelo e il TDA1541 la mia scelta è caduta sul secondo, anche se l’implementazione per tirare fuori il meglio da questo chip non è delle più semplici.

L’ideale sarebbe utilizzare un TDA1541S2 (double crown) ma è piuttosto difficile da reperire, in quanto chi lo ha se lo tiene ben stretto o lo vende a prezzi esorbitanti. Sono riuscito a trovare su internet un TDA1541R1 che è già un poco meglio rispetto al TDA1541 base che ho reperito presso la Digitex di Firenze.

L’implementazione del TDA1541 non è per niente difficile, in quanto lo schema è illustrato chiaramente sul suo datasheet, occorrono solo un mare di buoni condensatori e tre tensioni di alimentazione (+5V, -5V, -15V) ben filtrate.

Nel mio caso le tensioni sono fornite da tre diversi regolatori locali posti sulla scheda stessa e montati il più vicino possibile il corrispondente piedino del chip del convertitore.

I due regolatori per la tensione duale +/-5V sono dei comunissimi regolatori serie, mentre il regolatore per la –15V è un po’ più raffinato e realizzato con un regolatore shunt TL431.

Ogni regolatore è alimentato con una linea dedicata fornita dall’alimentatore centralizzato.

Stadio di uscita

Il DAC utilizzato ha un’uscita in corrente e lo stadio di uscita deve quindi provvedere a convertire la suddetta corrente in tensione e amplificarne il livello. Per ogni canale la conversione I/V viene effettuata con un piccolo resistore di qualità a cui è posto in parallelo un condensatore in polipropilene.

Il segnale in uscita da un DAC senza sovracampionamento (zero oversampling) risulta modellato "a scalini", con un passo dopo ogni conversione: questo perché non c'è un filtro all'interno del DAC.

Purtroppo questo comportamento produce una considerevole variazione nella risposta in frequenza e si parla di “filtraggio sinx/x”.

Per evitare l’effetto sinx/x il resistore di carico è posto in serie ad un filtro RLC che migliora la risposta in frequenza. Il filtro si è rivelato particolarmente problematico da implementare in quanto le induttanze in aria captano ronzio, ho dovuto quindi utilizzare impedenze con nucleo in ferrite specificamente progettate per l’uso in campo audio.

E’ importante la qualità dei componenti utilizzati, in questo caso resistenze a strato metallico Holco, condensatori in polipropilene WIMA e Sprague, e induttanze Panasonic per applicazioni B.F.

Il segnale fornito dallo stadio di conversione a resistore è di livello piuttosto basso e deve essere amplificato con uno stadio che abbia i seguenti requisiti:

Ø       Bassa impedenza di uscita;

Ø       Bassa distorsione;

Ø       Alta linearità.

Questo stadio può essere implementato in vari modi, se si utilizzano valvole ci sono due possibilità di configurazione, Single Ended o SRPP.

Ho provato tutte le configurazioni, passando anche per una configurazione SE con generatore di corrente costante come carico anodico ma, alla fine, la soluzione SRPP si è rivelata la più gradevole di tutte (almeno per i miei gusti personali).

La configurazione è stata implementata con due valvole 6922 JAN Philips alimentate a 210V.

Il guadagno di questo stadio risulta essere intorno a 23dB con un’impedenza di uscita di 1,95kW.

In uscita allo stadio di guadagno sono posti i contatti normalmente chiusi di un relè, in modo da mantenere le linee collegate a massa durante la fase di accensione e per un tempo determinato da un timer posto sulla scheda di controllo.

Il circuito di muting può essere omesso ma le prove effettuate hanno dimostrato che durante la fase di riscaldamento la valvola genera dei transitori che sarebbe meglio non estendere agli stadi di amplificazione, soprattutto se a stato solido.

Alimentazione da rete

La tensione di rete viene prelevata da una spina standard IEC protetta con fusibile. Il cavo di collegamento interno è schermato con un anello di ferrite allo scopo di sopprimere eventuali disturbi RF provenienti dall’esterno.

Per ottenere tutte le tensioni necessarie al funzionamento del sistema sono stati utilizzati tre trasformatori. E’ rigorosamente necessario utilizzare almeno due trasformatori separati, uno per la parte digitale e uno per la parte analogica, in questo caso ne sono stati utilizzati tre per questioni di ingombro in altezza, in attesa di riuscire a reperire un trasformatore toroidale realizzato ad hoc.

Alimentatore Centralizzato

L’alimentatore centralizzato comprende quattro diversi alimentatori dedicati alla parte di ricezione e al DAC.

Gli alimentatori della parte di ricezione sono incentrati su due circuiti di rettifica e livellamento alimentati dagli avvolgimenti secondari di un trasformatore toroidale da 50VA (30VA sono sufficienti, ho utilizzato quello che ho trovato in un mercatino).

Le tensioni sono raddrizzate mediante due ponti realizzati con quattro diodi schottky dotati di condensatori antidisturbo. Le tensioni vengono quindi livellate e filtrate da eventuali residui di alternata con filtri pi-greco RC.

Il secondo alimentatore è invece più raffinato in quanto deve alimentare la sezione analogica del DAC.

La tensione alternata viene raddrizzata mediante un ponte di diodi schottky dotati di condensatori di soppressione a cui segue un filtro pi-greco. La regolazione viene effettuata mediante un MOSFET pilotato da una tensione di riferimento generata da un diodo zener polarizzato con un generatore di corrente costante.

Alimentatore stadio di uscita

Questo blocco fornisce l’alta tensione necessaria ad alimentare lo stadio di uscita valvole e la tensione di alimentazione per i filamenti delle valvole stesse.

Per questo blocco si utilizza un terzo trasformatore a cristalli orientati da 20VA (anche questo costruito su mie specifiche da Novarria) dotato di un avvolgimento di alta tensione e di uno a bassa tensione.

La tensione alternata viene applicata ad un alimentatore in cui, a monte e a valle del rettificatore, è posto un filtro CRC atto ad eliminare ogni possibile rumore e a simulare l’impedenza anodica di un rettificatore valvolare a doppia semionda per ricrearne il comportamento sonico.

Il raddrizzatore-livellatore è realizzato con diodi veloci e un condensatore a bassa perdita.

Anche i filamenti sono alimentati in corrente continua mediante uno stabilizzatore realizzato con lo stesso criterio visto sopra ma con un transistor come elemento regolatore, anziché un mosfet.

Nella configurazione SRPP i catodi dei due triodi contenuti all’interno dello stesso tubo si trovano a lavorare con tensioni molto diverse tra di loro; al fine di evitare situazioni pericolose, il positivo di alimentazione dei filamenti è riferito ad una tensione di 60V.

Il riferimento è creato a partire dall’alta tensione di alimentazione anodica mediante diodi zener.

Circuito di controllo

Dulcis in fundo questo circuito comprende tutti i comandi e gli indicatori di funzionamento dell’apparato ed è alimentato con la tensione dei filamenti delle valvole.

Agendo sul deviatore di accensione si fornisce la tensione di alimentazione di rete a tutti i trasformatori e quindi si attivano tutti gli alimentatori.

All’accensione viene fatto partire un timer che tiene in cortocircuito le uscite audio per un tempo di circa 30 secondi e fa lampeggiare il led blu di accensione. Scaduto il tempo di attesa si attiva il relè di bypass e il led si accende a luce fissa.

Sullo stesso circuito è presente il comando che permette di selezionare l’ingresso coassiale SPDIF o l’ingresso ottico TOSlink e di indicare la scelta mediante un led.

Completa il circuito il led indicatore dello stato di aggancio del ricevitore digitale.

Costi e reperibilità componenti

Il costo è fortemente variabile in quanto dipende dall’implementazione dello stadio di uscita e dal prezzo a cui si riescono a reperire il DAC e il ricevitore SPDIF.

Comunque nel mio caso siamo intorno a 300 – 350 Euro, considerando che ho utilizzato circuiti stampati realizzati da me.

Il materiale utilizzato arriva da diversi fornitori. Buona parte dei componenti più comuni possono essere reperiti nei normali negozi di componenti elettronici, per altri componenti ecco la lista:

• Resistenze a strato metallico: Audiokit

• Condensatori in polipropilene: Audiokit, Vintage Hi-Fi

• Circuiti integrati e induttanze: RS-Components, EPM

• DAC e ricevitore SPDIF: Digitex

• Valvole: Audiokit, Vintage Hi-fi

• Trasformatori: Novarria, RS-Components

• Modulo ottico: EPM

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Prove di ascolto

Il DAC è stato provato con vari lettori utilizzati come semplici meccaniche di lettura e confrontato con i relativi convertitori implementati sui medesimi.

Ho utilizzato la meccanica di lettura Philips del mio personal computer, il lettore DVD Yamaha DVDS550 che da poco è entrato a far parte del mio sistema AV e un lettore CD Technics (DAC Matsushita MN6471)

Che a suo tempo avevo modificato nello stadio di uscita.

So benissimo di non aver utilizzato sistemi di riferimento assoluto, cosa che mi riprometto di fare appena possibile.

Come già citato nell’introduzione non volevo re-inventare l’acqua calda, e so benissimo che sul mercato esistono sistemi analoghi in grado di ridicolizzare la mia realizzazione (ci vuol pochissimo), ma i risultati delle prove sono stati incoraggianti e credo comunque di aver realizzato qualcosa in grado di migliorare la resa di un lettore CD di fascia medio-bassa.

Gli Schemi