製作一台高水準的 DAC

        DAC 今天大行其道，不少愛好者也會使用DAC對已購的CD機進行升級，並認同使用一台外接的DAC可以花更少的錢得到更好的音質。而市場上的DAC產品品種眾多，價格也豐儉由人，幾仟元就可以買到一台規格吸引人的DAC。

       實際中，如果從規格標示去看待DAC的音質是不正確的，24Bit/192KHz 的DAC 不一定能比16Bit/44.1KHz的DAC 音質好。也不能單從價格上去看待，價格高的不一定就是好。進口的DAC 產品普遍價格較高，這與外國的經濟較發達，生產成本高，營銷方式等有關。

 

 

       對於DIY發燒友，不少喜歡自行DIY，這樣可以做得更符合自己喜歡的味道。但DAC的技術相對前級，後級等純類比電路來說相對較新，且資料不齊備令不少愛好者望而卻步，或製作時只能依樣畫葫蘆，不能進行調整電路或參數，而調整器件校聲的方式並不能從根本上提高音質 。

 

 

       筆者設計過十數款DAC，效果均令人滿意，這次筆者向諸位介紹最新設計的一款DAC產品，這款DAC 產品使用了與世界頂級產品相同的可編程數位處理技術，根據筆者對音質的理解與要求對數位信號進行處理，令音質達到筆者之前設計的DAC所未有的高水準。

 

 

       在介紹這款DAC 產品前，筆者認為有必要簡單介紹一下DAC 的基礎知識，以令從未接觸過DAC 技術的讀者可以更容易理解及感覺更有趣味，也能認識到DAC的電路結構。複雜繁瑣的理論及公式這裏就不便多提以節省篇幅，也不至令本文變得沉悶，有興趣進行深入學習的愛好者可在網路書店或各地書店購買相關的書籍進行學習。DAC電路是很有趣味的，相信不少愛好者樂意瞭解。

 

 

 

DAC的數位輸入介面

 

目前較流行的介面主要有SONY和Philips 公司聯合制定的是S/PDIF（Sony/Philips Digital Interface ， 一般稱為同軸介面）和AES/EBU規格。AES是美國的聲頻工程協會，EBU是歐洲廣播聯盟。AES/EBU格式是為專業用途制定的，它于1985年成為標準，在1992年進行過修訂。AES/EBU屬於平衡方式傳輸，信號幅度較大，為5Vp-p值。信號線為平衡數碼線。配卡儂介面，阻抗110歐姆，適合於長距離傳輸同軸信號的場合。

 

S/PDIF同軸介面是為民用設計的，一直在CD唱機中應用廣泛，今天絕大多數的CD唱機及DVD播放機也具有同軸輸出介面。

同軸介面採用單端方式傳輸，信號幅度為0.5Vp-p，常採用阻抗75Ω的同軸電纜進行傳輸，同軸電纜的優點是阻抗恒定，傳輸頻帶寬，優質的同軸同電纜頻寬可達數百兆赫。在幾種傳輸方式中，數位同軸是時基誤差最小的。同軸電纜的接頭採用儀器上常見的BNC頭，BNC插座有50Ω 與75Ω， 注意不要混亂了。S/PDIF傳輸使用的BNC頭的阻抗為75Ω，與75Ω的同軸電纜配合，可保證阻抗恒定，減小傳輸中的反射現象。

 

 

現在市面上所見的成品數碼線，多數採用RCA蓮花頭，其實是不規範的做法。RCA頭本身沒有穩定的阻抗特性，隨著使用情況的不同，它的阻抗時高時低，對聲音有可聞的影響，但RCA插頭應用多年，很難再改變這種狀態。由於數位同軸介面傳輸的電平為0.5Vp-p，需要一個介面電路把它轉換為標準的TTL電平。可用東芝產74HCU04邏輯晶片信號線性放大。輸入信號經過二次整形、放大，輸出標準的TTL電平到雙相解調晶片，雙相調製信號和相位無關，所以電路不必考慮正反相問題。

 

此外，常見的傳輸介面還有Toslink光纖、AT&T。

Toslink光纖是東芝公司開發的一種光纖連接技術。它以Toshiba + link =  Toslink 為命名 。Toslink光纖大量應用在普通的CD唱機上，許多中低價位的CD唱機都有Toslink發送器介面。

 

在CD轉盤或唱機上裝有光纖發送器 ，CD的DSP晶片輸出的雙相調製的數位音頻信號，送到Toslink光纖發送器，由電信號轉化為光信號，再通過光纖中的光導纖維傳輸此光信號，直到DAC上的光纖接收器，由接收器把光信號變回電信號。光纖連接方式的優點是可以實現電氣隔離，有利於提高DAC的信噪比。缺點是信號經過兩次轉換，容易引起嚴重的時基抖動。

 

 

數位音響設備中，數位信號在傳輸轉換過程中會引發時基誤差（Jitter），而時基誤差是導致數位音響音質不良的原因之一。所以數位音響設備傳輸介面性能的好壞，應以引起時基誤差大小為衡量標準，

上述三種類型數位信號傳輸介面，各有優缺點，而以75Ω同軸式數位傳輸最佳，由此而產生的時基誤差最小，其中BNC插頭座由於具有恒定阻抗 ，表現又優於RCA插頭座，日本佳耐美的BNC  75歐同軸插座性能非常優秀。 同軸線的結構及與插頭連接均有講究，正確的同軸線結構與大家常見的電視機天線相同，插頭與同軸線不應採用焊接而採用壓接方式，愛好者選購時可以多留意，不要買到昂貴而不合格的同軸線。同軸線一般應在1米長度或以內為佳。

 

 

110Ω平衡式AES/EBU卡農插頭座工作頻帶較窄 ，工作時，CD唱機中的DSP輸出的單端雙相信號經過變壓器或專用晶片轉換成平衡雙端信號，傳輸到DAC時又再用變壓器將平衡雙端信號轉換回單端信號，經過兩次轉換。 綜上所述，產生的基誤差率較高，約BNC的10倍。如果用於專業用途，傳輸距離較遠，平衡式不失為一個好方案，但如果在家用，傳輸距離短，平衡式AES/EBU傳輸在技術上就顯得毫無優勢，只是作為校聲用途而已。

       光纖中的TA&T玻璃光纖雖是理想的數位傳輸方式，但它的發射器和接收器卻是產生時基誤差的元兇，約為BNC的20倍。且優秀的光纖線價格昂貴。Toslink光纖的性能排在最後。

 

 

　

雙相解調晶片

數位音頻信號傳輸到DAC後，經過介面電路的處理，還原成標準的TTL電平再被送到雙相解調晶片。近年流行雙相解調晶片由Crystal 與TI ，AKM 等幾個廠商生產，晶片常見的有CS8414，CS8416，DIR9001，AK4115等，所謂十年人事幾番新，上世紀末盛極一時的如CS8412，YM3343等晶片今天已成為古董並難覓芳蹤。這幾款晶片中以DIR9001及AK4115性能較佳，AK4115可以支援24Bit/192KHz的資料接收解調，而DIR9001則是目前世界上最低Jitter的晶片。

 

 

 

數位濾波晶片

 

最初的CD唱機沒有使用數位濾波技術，數位音頻信號經過DAC晶片轉換後輸出類比信號。在取樣頻率44.1KHz和它的整數倍頻率兩側產生等於基帶頻寬的邊帶信號，為了抑制這些鏡像頻率，而對音頻頻帶平坦傳輸，就要求模擬低通濾波器有陡峭的濾波特性，濾波階數要達到9~11階，這種濾波器相位特性很差，影響定位和音場的還原。另外，高階濾波器元件多，溫度特性和穩定性不佳，元器件性能對音質影響較大，在實際中，這種高階濾波器無論在特性上還是音質上都不盡如人意。

 

 

前幾年由一位日本愛好者引領，DIY界又流行起這種無數位濾波器的技術，並認為使用飛利浦產的TDA1541A與TDA1543 能獲得接近模擬的音質。但筆者不認同這種復古的技術與音質表現。，筆者認為由於使用相位特性較差的模擬濾波器，對細節還原影響最大，雖然聲音柔和但不通透，也缺少動態與力度，只適合少數特殊愛好者。

 

為了解決使用多階模擬濾波器帶來的問題，後來開發出了數位濾波器並插入在DAC之前；。數位濾波器是執行數位濾波演算法的硬體電路，它對數位音頻資料進行數值演算，輸出超取樣後的運算結果。CD數位濾波器一般由FIR（有限沖激回應）型濾波構成，FIR型濾波器有線性相位特性，群延遲時間對所有頻率來說為定值，價數可以從幾十階至幾百階，通過選擇濾波器的階數和濾波係數，可以很容易地實現理想的濾波特性。

 

 

濾波器中包含有乘法器和加法器單元，乘法器和加法器的位數決定了濾波運算的精度，延遲單元的個數決定了濾波器的階數。CD用的超取樣濾波器都具有低通特性。數位濾波器可以通過方式，實現更高倍數的超取樣功能，最終的濾波特性，由各個串聯的濾波器共同決定。

 

數位濾波器有三個方面的優點：第一、音頻帶上限20kHz附近截止特性取決於數位濾波器，而數位濾波器性能由濾波演算法決定，不易受溫度變化、無器件老化等因素的影響，性能穩定。第二、可以選用低價模擬濾波器，使音頻範圍內沒有相位失真。第三、後續類比濾波器結構簡化，可降低製造成本，對音質影響也小。以現今的數位濾波器技術，將數位噪音衰減超過110DB是相當容易的事情，類比輸出電路可以只用-6DB的低通濾波器對DA轉換晶片的再量化噪音進行衰減即可，保持了極低的相位失真。所以，數位濾波技術是實現高性能DAC的關鍵技術。

 

D/A轉換晶片

 

D/A轉換器是DAC中最重要的器件，數位信號由D/A晶片轉換為類比信號。D/A轉換器從結構上有1比特和多比特之分，多比特中的R-2R電阻網路結構是D/A轉換器最老的和仍然是目前公認最好的轉換方式。較知名多比特晶片有飛利浦的TDA1541A，BB公司生產的D/A晶片更是型號眾多，如PCM63，PCM1702，PCM1704等，這些都是非常流行的晶片，PCM1704雖然相對古老，推出超過10年，但實際性能至今還無可代替，依然被應用到眾多的頂級DAC產品中。

 

 

多比特技術的晶片對於每一位元都有一個電流源，這些電流源根據輸入資料每位元的情況打開或關閉，在每一個取樣週期，所有位同時進行轉換，所以這種轉換方式為多比特。R-2R電阻網路的阻值只須兩種，可以在製造過程中用鐳射精密校準。從最低位開始，每個電流源的權重為前一位的兩倍，所有打開的電流源輸出的電流在輸出端加起來形成輸出信號。由於電流源的權重不同，高位對輸出的影響比低位大許多。在理想的情況下，任何一位元輸出的電流值，應該是低於它的所有位電流之和加上一個最低有效位。滿足這個條件，才能保證理想轉換線性，在實際情況下受溫度的影響，保證不了各位之間的比例關係，所以轉換特性也就做不到完全線性。

 

另外，輸入資料切換時，各電流源不能做到同時切換，這樣會產生一些錯誤的中間狀態，即轉換毛刺。上述問題主要出現在早期和低價位的D/A轉換器上。隨著精確的鐳射雕刻及差動等技術的出現及完善，高性能的多比特D/A轉換器如PCM63及後來的PCM1702，PCM1704等晶片已克服這些缺點，成為高檔系統的首選。

 

1比特技術中，飛利浦的位元流在當年也非常優秀，如SAA7350 及被譽為“驚世極品”的SAA7350+TDA1547晶片組，稱為DAC-7。但這十幾年來，飛利浦並再沒有比DAC-7晶片組更優秀的產品，以致當年開發DAC-7晶片組的工程師們離世或退休後，連飛利浦自己也不能再運用好DAC-7晶片組。DAC-7晶片組的應用以後有機會再向諸位介紹。

 

       1比特中的ΔΣ是最新發展起來的技術，從技術上比較位元流和MASH，ΔΣ有許多優點。它把幅度上的解析度轉換到時間上，可以獲得好的線性。它的缺點是雜訊太大。近年ΔΣ晶片不斷推陳出新，指標也日新月異，每隔幾個月就有一兩個更高指標的晶片推出，如PCM1794，AD1852等無法盡數。

 

1比特技術的工作方式是把並行資料轉換成脈衝串，按照脈衝串的密度表示電平的高低，由於它只有少數幾個電平值，各電平之間的量值相差不大，所以可以保證比較好的線性。線性好是1比特最突出的優點，溫度發生變化，不影響到線性，只影響增益。

 

1比特方式有它的優點，但是受技術水平的限制，目前還不能製造出嚴格意義上16比特精度的D/A轉換器，這主要是受運算速率的影響。16比特資料，它能表示的量化階梯為65535個，如果要用脈衝串的密度表示出這65535個階梯，則每個取樣週期需要655353個脈衝，對於44.1kHz的取樣頻率，這相當於位元時頻率達到2.89GHz，現在還做不出能工作於這種時鐘頻率下的D/A晶片。

 

不能實現直接脈衝密度轉換，就要使用一種工作方式，能夠在較低的時鐘頻率下作轉換，並且還能使轉換精度達到相當於16比特以上。這種技術就是噪音整形技術。它是運用數位反饋技術，把直接轉換不了的資料尾數反饋回去，與下一次資料相減，形成數位負反饋，使輸出信號在正確值附近隨機分佈，其平均曲線應當接近正確波形。

 

噪音整形的一個副作用是量化噪音被驅趕了高頻部分，聽覺範圍的噪音減小了，但高頻部分的噪音卻增加了，全部噪音量不變。噪音整形的階數越多，高頻噪音越多。高頻部分的噪音如果濾得不乾淨，由於相互調製的關係，也會在音頻域內表現出來。因此在聽感上，多比特的DAC比1比特的DAC要感覺背景寧靜聲音細膩。

 

       DAC的數位部分就介紹到此，其他的就是大家熟識的類比電路及電源供應電路，這裏不再多述。