USB Audio Codec / soundcard Part 1

I have decided that it is hight time to a) get back to doing some electronics b) get a (semi)decent audio equipment.

I would like to make something audiophile-like in terms of the overall quality, but without going 'crazy'. So rather an over-engineered and over-the-top system not a golden-cables-magic-pixy-dust stuff 😏.

Most of the time I'm listening to music from my PC, and most often I use headphones to do so. Thus it is most sensible to make a headphone amplifier together with a USB sound card to get a decent quality source for the amplifier. To make thins more fun I've decied to use an external (to the USB audio codec) Digital-to-Analog Converter (DAC). As so the whole setup will consist of an USB audio module with I2S output, an DAC and a headphone amplifier. Such set of devices is thought to be modular (e.g. allowing to exchange the DAC in the signal path) as I want to play a bit with it and test different DACs etc and also - maybe in the future - add additional sources of sound with S/PDIF or I2S output (e.g. a CD Transport). Let's start with the codec (pictured right/above on a somewhat early stage of development).

Fonica CDF-003R - podsumowanie.

Po mniejszych i większych bojach udało mi się złożyć cały odtwarzacz (co pokazywałem kilka dni temu) i zgrać ponownie przebiegi testowe i inne parametry pracy układu (co pokażę właśnie teraz). Jak można łatwo sprawdzić tutaj dokonałem dosyć kompleksowego badania parametrów dyskofonu w wersji oryginalnej. Teraz, dla porównania, zmierzyłem te same rzeczy dla dyskofonu po moich przeróbkach. Jak wygląda to teraz:

Fonica CDF-003R - część VI: Tor analogowy - realizacja

Chyba dobiłem do pewnego etapu pracy nad tym dyskofonem który mogę nazwać (mam nadzieję tymczasowym) końcem/ Fonica została złożona (z wyjątkiem górnej pokrywy która 'się lakieruje') i prezentuje się aktualnie następująco:

Fonica CDF-003R - część V: Tor analogowy - projekt

Ostatnią modyfikacją dyskofonu nad którym pracuje jest budowa zupełnie nowego toru analogowego (tj. od wyjścia z przetwornika DAC do złącz RCA). Założeniem podstawowym było maksymalne uproszczenie układu i minimalizm. Jako zasadniczy projekt wziąłem na warsztat schemat filtra zaczerpnięty z karty katalogowej DACa. Jest to prosty, aktywny filtr dolnoprzepustowy II rzędu o fc = 30 kHz:

Fonica CDF-003R - część IV: Retrospektywa

Dzisiaj trochę historii i retrospektywa Jacka, posiadacza dyskofonu Fonica i spiritus movens całego procesu tuningu. Mam nadzieję że te kilka słów wyjaśni dlaczego akurat Fonica trafiła na mój warsztat.

Jako nastolatek nie miałem zbyt pokaźnej kolekcji płyt winylowych. Pod koniec lat 80-tych w moim pokoju na Rubinkowie półki uginały się raczej od kaset magnetofonowych. To one są w naszej świadomości symbolem lat 80-tych. Ale i do nas coraz szerszym strumieniem zaczęły wówczas płynąć płyty kompaktowe. Na początku lat 90-tych pojawiały się wypożyczalnie płyt CD oraz przegrywalnie (z CD na kasetę CC). Pierwsza płyta CD trafiła do mojego domu w 1989, słuchałem jej na pożyczonym od kolegi "dyskofonie" Sony. Efekt musiał być oszałamiający, skoro namówiłem rodziców do zakupu własnego odtwarzacza. Wybór padł na model Fonica CDF-050, jedyny jaki był w ofercie szerokości zestawu "midi", który miałem już skompletowany. Kupiliśmy go chyba latem 1989 w sklepie przy ul. Rejtana. Był to sklep patronacki nieistniejącej już Fabryki Obwodów Drukowanych Toral w Toruniu (Dawniej Unitra Toral). Wiele płytek drukowanych na świecie dumnie nosi logo toruńskiej Unitry.
Wówczas jeszcze nie rozwinął się, poza bardzo drogim Pewexem, rynek sprzętu hifi. Pamiętam sklepy patronackie Sony i inne przy ul. Szerokiej, ale dopiero około 1992 roku. Wiadomo, okres transformacji. 

Tramwaj w Toruniu w 1990 roku, jadący do wypożyczalni płyt CD 'Gato'.

Fonica CDF-003R - przeróbki, część III: Wymiana kondensatorów

Tym razem bez zdjęć - uznałem że wstawianie zdjęć kondensatorów to sztuka dla sztuki. Ten etap przeróbek był bardzo prosty, chociaż nie bez wprowadzania pewnych modyfikacji układu.

W układzie wymienione zostały wszystkie kondensatory elektrolityczne (oryginalne Rubycon) na nowe kondensatory Nichicon serii KW. Tam gdzie było to możliwe (0,47 uF) elektrolit wymieniłem na MKP (czerwona WIMA). Zachowałem pojemność większości elektrolitów, jedynie w dwóch przypadkach ją zwiększając. Przypadki te to kondensatory odsprzęgające zasilanie dla wzmacniacza w.cz. w sekcji cyfrowej (tutaj 220 uF zamiast 47 uF) oraz zasilanie przetwornika DAC (tutaj 470 uF zamiast 100 uF). Dodatkowo te kondensatory filtrujące zbocznikowano czerwonymi WIMAmi 470 nF, w celu zapewnienia niższej impedancji do masy dla zakłóceń z linii zasilania. Dodatkowo czerwona WIMA zamontowana została na kondensatorze filtrującym zasilanie zaraz za stabilizatorem napięcia dodatniego oraz kondensatorach filtrujących zasilanie dla procesora sterującego oraz procesora DSP. Te dwa układy charakteryzują się może nie największym poborem prądu z zasilania, jednakże z uwagi na ich cyfrowy charakter pobór jest impulsowy co oznacza że wprowadzane są duże zakłócenia o charakterze cyfrowym (wysoka częstotliwość, wysoka amplituda).

Co pozostało? Niewiele z zaplanowanych rzeczy. Udało mi się zakupić szybkę-filtr, który pozwoli na zakrycie LEDowych wyświetlaczy. Zamontowanie jej to jedna rzecz, a konstrukcja analogowej części toru audio to druga z pozostałych czynności. O zewnętrznym torze audio więcej w następnej części.

Fonica CDF-003R - przeróbki, część II: zasilanie, tłumienie obudowy oraz kosmetyka.

Wreszcie dokończyłem kolejny etap przeróbek Fonici znajdującej się aktualnie w moim warsztacie. W tym etapie skupiłem się na dokończeniu modyfikacji toru zasilania oraz wyłożeniu całej obudowy matą bitumiczną w celu poprawienia tłumienia drgań. Aktualnie odtwarzacz prezentuje się następująco:

Prawie cała obudowa odtwarzacza - część dolna oraz tylna z pominięciem otworów wentylacyjnych - zostały wyklejone 2 mm masą bitumiczną. Znacznie poprawiło to sztywność obudowy i zwiększyło jej wagę, a także poprawiło tłumienie drgań, które mogłyby mechanicznie przenikać do napędu. Sam napęd także został wyklejony w górnej części matą, aby zwiększyć masę elementów bezpośredniego otoczenia odtwarzanego nośnika. Zwiększenie masy pozwoli wytłumić wibracje, które mogłyby utrudnić odczyt.

Sekcja zasilania po skończeniu modyfikacji na samym PCB zasilacza została wzbogacona o gniazdo IEC oraz filtr przeciwzakłóceniowy. Pozwala on usunąć z sieci zakłócenia RF, generowane bardzo często przez urządzenia wyposażone w zasilacze impulsowe. Dodatkowo kabelek łączący zasilacz z płytką z elektroniką odtwarzacza został wzbogacony o koralik ferrytowy, mający na celu finalną eliminacje zakłóceń w.cz. z linii zasilających.

W dalszej kolejności była wymiana wyświetlaczy LEDowych na froncie z zielonych na czerwone. Czysta kosmetyka, jednakże nie taka prosta. Dzisiejsze wyświetlacze nie pasują do tak starego sprzętu, ale na szczęście udało się na Allegro znaleźć kompatybilne wyświetlacze w kolorze czerwonym. Póki co wygląda to średnio, ponieważ oryginalne wyświetlacze miały zintegrowane zielone szybki - nowe tego nie mają, co oznacza iż koniecznie będzie jeszcze dołożenie jakiegoś filtra, kryjącego samą nieświecącą strukturę LEDów. Póki co prezentuje się to tak:

W kolejnym kroku prace skupią się stricte na części elektronicznej. W planach wymiana kondensatorów elektrolitycznych, odsprzęganie ich czerwonymi Wimami i konstrukcja zupełnie nowego toru audio - mam nadzieję że zupełnie pozbawionego pojemności. Czy to się uda? czas i możliwości korekcji offsetu op-ampów pokażą :).

Fonica CDF-003R - przeróbki, część I: zasilacz

Dzisiaj zająłem się dopieszczeniem (w rozsądnych granicach) zasilacza tytułowego odtwarzacza. Jak pisałem poprzednio sekcja zasilająca jest w co najmniej fatalnym stanie. Winę za to ponoszą głównie mające już ca. 25 lat kondensatory elektrolityczne. Znajdujące się w zasilaczu elektrolity (2200 uF, Elwa) zostały wymienione na nowiutkie (6800 uF, Nichicon KW). Dobór kondensatorów nie był jakiś szczególny, gdyż cokolwiek firmowego byłoby lepsze niż obecne tam Elwy. Nichicony z serii KW wybrałem jako cieszące się dobrą opinią kondensatory do zastosowań w systemach audio. Dodatkowo kondensatory filtrujące zbocznikowane są czerwonymi Wima MKS (100nF), co powinno zapewnić mniejszą impedancję do potencjału masy dla szybkozmiennych sygnałów (mam tutaj na myśli głównie pobór mocy przez sekcję cyfrową). 

Zbocznikowane także miały zostać diody prostujące, jednakże zrezygnowałem z tego z uwagi na fakt iż filtracją zakłóceń radiowych zajmie się filtr sieciowy umieszczony po pierwotnej stronie transformatora. Jako diody prostujące wstawiłem szybkie diody SBYV27-200 Vishaya zamiast nieoznaczonych (pewnie seria 1N400X) diod umieszczonych tam przez producenta. 

Zasilacz (a w zasadzie modyfikowana sekcja po stronie wtórnej transformatora) wygląda teraz tak:

Swoją drogą, dzięki fotografowaniu powyższego układu miałem okazję przetestować ubogą wersję ubogiego rozwiązania (tak! wersja light wersji light) wykonania namiotu bezcieniowego z kartek papieru. W moim przypadku kartki były tylko dwie - jedna boczna i jedna żółta jako tło i jedna boczna lampa błyskowa (plus ring-flash na obiektywie). Zainteresowanych bardzo podstawowym 101 robienia zdjęć tego typu zapraszam do obejrzenia tego wspaniałego filmu: https://www.youtube.com/watch?v=grNDA6kiGqA. Jak tylko dokupię fotocelę do drugiej lampy to obiecuję poprawić jakość kolejnych fotek :-).

Fonica CDF-003R

Tytułowy odtwarzacz (dyskofon, hehe, gramofon cyfrowym hehehe) to jeden z niewielu produkowanych w Polsce odtwarzaczy CD na początku lat '90 (i w zasadzie w ogóle, bo później nie było już nic). Odtwarzacz z zewnątrz prezentuje się dosyć typowo:

Zdjęcie z internetu i dla CDF 002, ale w sumie niczym się one nie różnią...

Podobnie jak i w środku. Krótka inspekcja pokazuje nam iż zasadnicza część elektroniki jest gotowym, zachodnim importem. Wykorzystany w odtwarzaczu napęd to bardzo porządnie wykonany, metalowy napęd korzystający z lasera KSS-210A, a jego kontrolą zajmuje się klasyczny zestaw układów Sony, spotykany w wielu odtwarzaczach. Za dźwięk odpowiada tutaj DAC D6376 z filtrem wyjściowym opartym o wzmacniacz BA4560.

Nic ciekawego na pierwszy rzut oka nie widać. Przykuwa pomysłowe montowanie elementów SMD na dodatkowej płytce drukowanej. Schematu oczywiście nie posiadam, ale jest bardzo podobny do tego z CDF 001, który opublikowany był w którymś radioelektroniku. Musi wystarczyć.

Dlaczego o tym piszę? gdyż właśnie taki oto odtwarzacz trafił do mnie do warsztatu na 'tuning'. Zazwyczaj sceptycznie podchodziłem do takich zabiegów jednakże ten układ jest tego wart. Raz że to dosyć stara konstrukcja, dwa że robiona najpewniej bardziej 'budżetowo' niż inne z tej epoki a trzy że porządna konstrukcja napędu sugeruje iż układ ma całkiem spory potencjał. Najpierw - zapoznajmy się z obiektem. Aktualnie Odtwarzacz został troszkę rozebrany i wygląda teraz tak:

Co dalej? postanowiłem rozpocząć od opomiarowania odtwarzacza w możliwie szeroki sposób. Do tego celu wykorzystałem płytę YEDS-18 firmy Sony z przebiegami próbnymi oraz studyjnej karty (M-Audio Delta 1010-LT) dźwiękowej pod kontrolą Reapera. Dodatkowo 'obmacałem' krytyczne elementy układu oscyloskopem. Z tego wyciągnięte zostały następujące wnioski:

Słaba jakość filtracji zasilania

Po pierwsze - filtracja zasilania w zasilaczu jest chyba niedostateczna gdyż w układzie występuje znaczna zawartość składowej 50 Hz oraz 100 Hz w sygnale. Widać to i na widmie FFT sygnału testowego:

I w samym napięciu zasilającym - tętnienia na poziomie 10% są niedopuszczalne.

Winę za to ponoszę kondensatory, głównie te w zasilaczu, ale nie tylko. W zasilaczu znajdują się polskie Elwy, w module elektroniki Rubycony.

Przesłuch pomiędzy kanałami

Oto jak wygląda widmo FFT 'ciszy' gdy w drugim kanale leci... dokładnie - 10 kHz. Linia jest doskonale widoczna, a przesłuch to około -70 dB. Stanowczo można poprawić separację kanałów.

Przesłuch jest widoczny dla wszystkich czętotliwości sygnałów próbnych na płycie CD. Najpewniej jego źródłem jest bufor wyjściowy - sygnał przenika albo poprzez układ mutujący albo wręcz na wzmacniaczu operacyjnym. 

Szum

Jakkolwiek nie jest zbyt jaskrawo widoczny w FFT sygnału wyjściowego - noise floor obserwujemy na poziomie około -84 dB, to po analizie sygnałów oscyloskopem uwidacznia nam się niemały wkład szumu w potencjał masy.

Dodatkowy szum, wynoszący około 10 mV w masie, przy 5 V zasilania to aż -54 dB i tylko dzięki PSRR wzmacniaczy wyjściowych i przetwornika D/A nie ma tej sieczki na wyjściu. Co gorsze pochodzenie tej sieczki jest czysto cyfrowe - warto zwrócić uwagę na szumy przełączania (te piki w dół na oscylogramie) powtarzające się z częstotliwością około 8 MHz... brzmi znajomo? istotnie - zegar przetwornika pracuje w okolicy 16 MHz!

Analiza THD+N

Napisałem sobie na szybko (w LabView) programik analizujący 60 sekundowy przebieg 1 kHz (zgrany z płyty YEDS-18 poprzez analizowany odtwarzacz i kartę studyjną). Wnioski są bardzo ciekawe. THD+N układu to 2,5%@1 kHz, jednakże bardziej niepokojące jest co innego - z analizy FFT przebiegu wynika iż przebieg ma częstotliwość... 1003,5 Hz. Muszę zidentyfikować źródło tego odstrojenia (najpewniej niestrojący, siejący zegar kiepskiej jakości) i je skompensować.

Plany

Wymienione powyżej uwagi nie są wszystkimi możliwymi zastrzeżeniami, jakie do układu można odnaleźć. Wydaje mi się iż zaobserwowane problemy są tylko najbardziej jaskrawymi. W związku z tym do poprawy jest kilka rzeczy:

Po pierwsze - filtracja zasilania. Obecność 'cyfrowego' szumu w potencjale masy świadczy o zbyt wysokiej impedancji kondensatorów filtrujących, nie radzących sobie z kompensacją szybkozmiennych sygnałów. W związku z tym wszystkie kondensatory elektrolityczne zostaną wymienione na nowe (Nichicon KW, jak szaleć to szaleć) i dodatkowo równolegle 100 nF w celu zmniejszenia impedancji dla szybkozmiennych składowych. Dodatkowo, aby zlikwidować paskudny przydźwięk sieci w sygnale, pojemności w zasilaczu (2200 uF, Elwa) wymienione zostaną na nowe i większe (6800 uF, Nichicon KW).

Po drugie - cały tor analogowy, od wyjścia z przetwornika D/C do złącz RCA, zostanie zrealizowany na nowo.  Obok głównego układu, na dedykowanej płytce drukowanej, zrobiony zostanie układ dual-mono z filtrem w/g aplikacji producenta D/A (2-go rzędu low-pass na ca. 100 kHz). Oparty zostanie o lepszej jakości wzmacniacz operacyjny (OPA134, Burr-Brown) niż aktualnie, dodatkowo wyposażony w kompensacje offsetu. Plan jest taki aby zrealizować tor wyjściowy w ogóle bez pojemności w torze sygnałowym.

Po trzecie - wyklejenie matami bitumicznymi. Nie wiem jak to wpływa na dźwięk itp, ale jest częstym zabiegiem poprawiającym stabilność pracy napędu etc. Na pewno nie zaszkodzi,

Po czwarte - wymiana wyświetlaczy LED na czerwone. Kosmetyka, czemu nie ;-).

Co dalej? zobaczymy :-).

Loudspeaker - part 3

Okay, so today I have found some time to work with the enclosure. It was covered with a thick layer of acrylic filler, that was applied some years ago. This filler turned out to be too brittle for my use, as I wanted to have all the angles as sharps as possible. In order to obtain that I decided to use a totally different filler, a polyurethane filler, that is two part filler. I chose Finish (Novol) to obtain as fine grain as possible, yet have a hard filler layer.

Firstly I sanded really hard the acrylic filler to remove as much as possible. To do that I sanded it hard with 60 grit paper until most of the filler was removed. Additionally I sanded some of the MDF front to fit the shape of the enclosure.

Finally after sanding and blowing all the dust out I sprayed the sanded enclosure with acrylic primer (Motip, cheap one). The primer serves two roles here - firstly it helps the polyurethane filler to stick to the surface, secondly the primer fills small cracks and holes on the surface. The second role of the primer will be very useful later, as I will apply the same primer on top of polyurethane filler, before I paint the whole damn thing.

Primed enclosure (on the left), and box before priming (on the right).

Using a water based primer had a bad outcome on the OSB. Although the OSB I use is said to be waterproofed (with same kind of wax on the surface) one piece of the boxed absorbed the primer and swelled - fortunately only a little. Unfortunately this was the top part of the enclosure, so anything here would be very visible. To make things right I sanded this part (again), even harder to sand the wood of the OSB, to hide the swelling and primed it again. Still, it is very rough but this will be hidden underneath the filler.

At this point (and all further points, regarding the paint job) I would like to thank Saskia from elektroda.pl, that helped me a lot in understanding how things should be made. I bow before your master knowledge.

Loudspeaker - part 2 - the project

As I described earlier the columns are designed as 2-way system in a closed box. Now to give more details:

Used drivers are:

Tonsil GDN 20/40 8 ohm

This is an relatively old design, but I got this speakers quite cheap, and decided to use them. The thing that I like in them is that they work pretty well in the middle of the audible spectrum, around 2..3 kHz. This is why I have implemented them in this 2-way system. 

Visaton SC10N

This a dome tweeter from Visaton, also not very fresh design, although seems to be quite reliable. The mid-woofer is 40 W rated and the tweeter is 100 W rated, so it should withstand lower-than-normal cut at around 3000 kHz.

Box

18 mm thick OSB loudspeaker box is 35 cm high and 24.6 cm deep and wide. After excluding the thickness of the walls (36 mm) this gives an approximate volume of 14 liters. The final volume will be even smaller, as in this calculation I didn't exclude the volume taken by the crossover elements, inner reinforcements, tweeter etc. Finally the volume should be around 13 liters. This produces a response curve like shown below:

This gives band (-3 dB) going from 70 Hz to 3500 Hz for the mid-woofer in theory. Reasonably speaking, it should go as low as 80 Hz with ease. You can see a bit of enhancement (up to +4.5 dB) in the kick-bass region, that is intended.

Cross-over

Passive crossover network is a classical CLC third-order network for the tweeter and nothing for the mid-woofer (simplicity again). The two capacitors are 4.7 uF and 15 uF, inductor is 0.56 mH giving the cut-off frequency around 2700 Hz.

Phase issues

The third order filter, used for the changes the phase by -270 degrees - -3/4 of full period. This is not possible to be compensated by plugging the tweeter in reverse polarization as with second-order cross-over, as it would still give phase mismatch by 1/4. At 2,7 kHz (cut frequency) the full period of the wave is around 13 cm - the approximate distance between the mid and high drivers. They reach in-phase work at around 3.8 kHz. Unfortunately in the 2.7 - 3.8 kHz the mid-woofers SPL is still around 90 db/W/m. This issue will be further investigeted one the loudspeakers are done.

Making of

The boxes were assembled some time ago (few years), so I do not have any pictures from the process. When I got back to the project I started from gluing the front MDF panels using universal spray adhesive (universal meaning usable for gluing paper, wood and textiles). This was a bit problematic as both sides - OSB and MDF - were just soaking in the glue, and close to nothing remained inside. At first I have covered both sides with glue, waited a few minutes and tried to glue them together with no good effects. So I waited till the first layer of glue dry up totally, applied another thin layer as a primer and then, after 10 minutes applied the final layer, waited 3 minutes and placed in on the OSB. After that I put them under pressure (25 liters of water ;) ) and let to dry overnight. It seems it worked.

 

The OSB boxes are partially covered with acrylic filler (I really regret using this one, as this is no hard enough to get the corners right). I will apply some other filler on top of that later.

To get the speakers centers together possibly close I needed to cut out a piece of the tweeter. It didn't turn out perfect but still acceptable (tape is to block the dome of the tweeter from the dust etc):

And finally the mid-woofer (still needs to be put together):

Next part - sanding/filling/priming the boxes!

Loudspeaker - part 1

As I have stated some time ago I'm biasing my resources towards audio systems for some time. Additionally I have several - quite old - projects that I have abandoned few years ago and want to finish them now. One of this projects is a 2-Way loudspeaker system based on Tonsil GDN 20/40 (that additionally needs some fixing) and Visaton SC10N.

I wanted to have this monitors as simple as possible, even if this means sacrificing some performance. In case of this speaker the sacrifice is in the low end of the spectrum - bass. The 20 cm woofer will  not have exquisite performance under - let's say - 100 Hz od 80 Hz. But on the other hand it wil provide a dynamic sound, what is more important for me.

The enclosure is 20 liters, closed (simplicity). GDN woofer is used without any equalization or cross-over (simplicity), SC10N is cut at around 3000 Hz with a 12 db/oct short pass CLC filter.

Enclosure is made from 18 mm thick OSB with an additional layer of 4 mm MDF on the front glued on. The MDF front layer is due to the fact that you can not mill in OSB and I wanted to hide the speakers somehow deeper in the front.

Actually I'm watinig for the glue on front panels to cure. After that - filing, sanding, priming and painting. I will post some more detailed information later on in the next part - together with some photos and calculations for the system.

Some new ideas

Long time, no hear. Again. But now I'm back from vacation with some spare time (let's say) for tinkering in the lab. I have revised my plans a bit as my focus changed. The idea now is to bias some of my work to audio related projects, especially Pro-audio and studio techniques. Recently I have acquired some stuff so I'll be trying to put it together. Of course it does not mean that the rest of things-to-do will be set totally aside.

So for now, several things to add to my list:

1. Speaker box - needs finishing (filling, priming and painting - I will elaborate soon) and fixing the speakers (also will elaborate in the next few notes).

2. Amplifier - a classic LM3875 based gainclone. Only needs an enclosure of some kind, as I have all the parts (I think so) ready.

3. Headphone amplifier - project work currently. An op-amp driving a complementary (MJE340/350) pair with DC-servo.

4. Other stuff, like an vintage BOSS reverb clone, or Coron DS-8 drum synth. Lots of stuff.

See you soon!