動手裝一部超級DAC (Ⅰ) ─ 基礎架構


據立民兄告知，來信加入DIY ZONE的會員中，有許多人對於自裝DAC相當有興趣，卻不知從何下手；或者是讀遍了原廠DATA SHEET，卻苦於缺少一張完整、可行的電路圖。 這正是我們決定撰寫一系列DAC製作文章的動機，而在未來的幾週內，將由我、立民及元龍兄陸續描述造一部DAC的始末，計畫採用的主角為Crystal最新的CS4390 DAC晶片。

事實上，這部以CS8412+CS4390為主軸的數位類比轉換器早在一個多月前順利完工，PCB LAYOUT亦由張元龍完成，電路簡潔易懂，聲音則是相當高檔，而實際製作所投入的成本，更不過數千台幣，百分之百的超值！

在我們一系列的超級DAC計畫中，不僅要指導讀者如何裝、還要懂得基本的DAC架構與設計知識，電路圖與PCB Layout亦將完全公開。此外，我們也將提供PCB與重要零件的代 購服務，畢竟類似CS8412/CS4390的IC搜尋不易，即便有，價格也高得驚人，已經失去DIY DAC的部分意義。

認識基本架構

請參考附圖。任何一部DAC都必須依循圖上的架構，依照數位接收─數位濾波─數位/類比轉換─類比濾波/緩衝的順序，將來自轉盤的數位訊號轉換為人耳可聆聽的類比形式。

dac-1


數位接收的目的，就是『吃入』數位轉盤輸出的S/PDIF或AES/EBU數位訊號，然後消化成四條主要的訊號：MCLK、SCLK、LRCK、SDATA。MCLK就是整個數位系統在運作時的心跳，所有運算、資料傳遞的動作都必須按著這個固定的節奏運行。

SCLK是串列訊號傳送的節奏，與MCLK互為倍數關係；SDATA則是有關聲音的串列訊號，但由於訊號是左右聲道在同一條線（即SDATA這條線）上交互傳送的，因此需要一個訊號來指引左右聲道，便於DAC分離之用，那就是LRCK的目的。

有時候覺得制訂數位介面規範的人真是蠻聰明的，因為從MCLK、SCLK、LRCK、SDATA倒推回去，就意味著單線的S/PDIF不僅要包含跟聲音振幅有關的數位資訊，還要把取樣頻率、左右聲道分離及一大堆控制碼塞進去（做這樣編碼工作的晶片叫做Transmitter，CS8402/01就是）。

數位濾波

當數位接收IC將轉盤數位訊號解出必要的四個元素之後，便是執行數位濾波的工作。為什麼要有數位濾波的過程？簡單的說，就是在數位處理的過程中（當然是在數位濾波 之前的），會發生所謂的Mirror現象，在高頻的地方映射出不必要的雜訊，這些不必要的雜訊將導致數位/類比轉換後音質的劣化。透過低通濾波器，我們可以將這些高頻雜訊過濾掉，但此濾波器的衰減能力必須非常強大，不是一般類比濾波器所能輕易達成的。

評估數位濾波器的性能，主要是看衰減高頻雜訊的能力與通過頻帶（Pass Band) 的漣波(ripple），衰減能力愈強，意味著高頻雜訊被濾除得更為乾淨，音質得以更加純粹；愈低的通過頻帶漣波，則代表頻率響應的平直度甚佳，是設計者極力追求的目標。

有許多方式可以完成數位濾波的工作，早期要求高的，會使用NPC的數位濾波晶片；或者更苛求的，則會以DSP自行撰寫韌體，透過軟體演算的方式達成數位濾波的目的。現在比較輕鬆了，Crystal將數位濾波與數位/類比轉換裝在同一個晶片裡，可以降低成本、省去不少連線的麻煩，音質卻仍保有相當高的水準。

數位/類比轉換

早期數位類比轉換都是靠PCM58/63/1702之類的多位元晶片完成，價格較高，在某些要求的場合下，也必須執行校正的動作。目前的DAC晶片則多採用所謂的Delta-Sigma技術來進行轉換動作，也就是所謂的單位元DAC。

單位元DAC基本上是透過一個快速切換的脈衝開關對電容器執行充電動作，電容器上電位的高低即為經歷轉換後的類比訊號。單位元DAC最大的好處是低成本，具有物美價廉，但要在品質上更上層樓卻得面對一大困難 ─ 速度。將一連串十幾位元的D/A轉換在相同時間內交由一個開關接手，其動作速度必須作極大幅度的提升！不過拜半導體製程進步之賜，速度已不再是無法突破的瓶頸，單位元DAC的音質也無庸妥協。

CS4390是一個解析能力高達24位元的DAC，或許你用不著這麼驚人的解析度，但可確保在低位元工作下的游刃有餘，賦予更充裕的空間與更理想的客觀特性。

類比濾波/緩衝

由於先前的數位濾波並不能將高頻雜訊徹底濾除乾淨，因此必須仰賴類比濾波將轉換後的類比訊號再濾一次。讀者可以用示波器觀察一下未經過類比濾波的訊號（播放有正 絃波/純音的測試片），波形具有明顯稜角，而不圓滑，這就是高次諧波作祟。在類比濾波將高次諧波/雜訊濾掉之後，整個波形會被磨得更圓。從某個角度來看，這也算是一種聲音的修飾動作，也是造就許多DAC音色差異的關鍵之處。

CS4329/4390內部其實都已經有類比濾波的設計，但並不完整（次數、衰減率有限），因此仍須外接二階低通濾波，頻率約在50KHz。CS4328的作法則較為乾脆，不僅濾波完全、連緩衝輸出也一併附贈！但此晶片入手不易，再者，聲音上的變化較小，能動的自由度較不寬闊。

在5V的供應電壓下，為了提供足夠的訊號振幅，Burr-Brown採用的策略是『電流輸出』，透過電流變化來反應類比訊號，因此類比輸出端必須加上I/V轉換的設計；Crystal則是以『平衡輸出』的方式送出類比訊號，達到訊號疊加、振幅加倍的目的。

待續......