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Das Projekt ADDA2-QC
Vorschau: Es sollen die Nachfolger der AD24QS und DA24QS werden
( English Version: The ADDA2-QC Project)
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Das Projekt ADDA2-QC
Vorschau: Es sollen die Nachfolger der AD24QS und DA24QS werden
( English Version: The ADDA2-QC Project)
Dieses ist der Stand im Januar 2022. Meine bisherigen ADC- und DAC-Bausätze, die AD24QS und DA24QS, sind zum Teil schon ausverkauft, können nur sehr schlecht und sollen auch gar nicht nachproduziert werden. Nicht zuletzt deshalb, weil einige Bauteile schon vor 15 Jahren, als ich mit den Bausätzen begonnen habe, nicht mehr die aktuellsten waren und jetzt längst abgekündigt sind. Natürlich möchte ich auch neue Ideen verwirklichen, aber andererseits auch die alten Ideen und Erfahrungen nicht vergessen.
So habe ich in den letzten Monaten eine neue Generation entwickelt, die auf den bisherigen Erfahrungen und Standards aufbaut, aber darüber hinaus einige neue und oft gewünschte Möglichkeiten bietet. Zumindest hätte es den ADC bereits seit Ende 2021 geben sollen - so war der Plan.
Aber vorher kam die Halbleiterkrise. Nichts geht mehr. Jedenfalls fast nichts. Es reicht aber nicht, wenn ich, teilweise nur mit großer Mühe, nur 98% der Bauteile beschaffen kann, aber 2% partout nirgends zu bekommen oder durch andere zu ersetzen sind. Hinzu kommt die Erfahrung, dass Bauteile, die im Moment lt. Verfügbarkeit noch am Lager sind, kurz danach doch nicht mehr lieferbar sind.
Beispiel: 30 Trafos für den DA2USB wollte ich bestellen, aber die waren nirgends, nicht mal in China, zu bekommen. Nur bei einem bekannten und seriösen Distributor aus den USA, sollten lt. dessen Webseite im Februar 278 Stück lieferbar sein. Besser als nichts - also habe ich dort bestellt. Bei der Bestellbestätigung gab es plötzlich eine lustige Überraschung: Nur noch 1 Trafo statt den 30 bestellten und den angeblich 278 verfügbaren sollten kommen. Der Rest soll im Juni geliefert werden. So eine Erfahrung prägt.
Ob es mit dem neuen Projekt noch dieses Jahr (2022) klappt, kann ich nur hoffen. Aber so, wie sich die Situation entwickelt, habe ich nicht viel Hoffnung.
Bei Interesse an dem Fortgang des Projekts, oder wenn etwas lieferbar sein wird, könnt ihr mir eine E-Mail schreiben. Ich habe dafür eine Mailing-Liste vorgesehen. Und nicht zuletzt wegen meiner notorischen Neugier: Was wäre von Interesse, und aus welchem Teil der Welt kommt ihr? Hier geht's zu den Hinweisen für E-Mails.
März 2022: Die Halbleiter-Situation scheint sich eher zu verschlechtern. Ich habe keine brauchbare Statistik, aber ich schätze, dass mittlerweile die Hälfte aller Halbleiter, zumindest derer, nach denen ich gesucht habe, mit Lieferzeiten von über einem Jahr angegeben sind.
Ich habe das USB-Interface UIC22 überarbeitet: Es wird jetzt eine galvanische Trennung zwischen der Audio- und der PC Masse geben. Das ist eine ganz wichtige Eigenschaft - wie konnte ich das vorher übersehen? Zum Glück ist es nicht zu spät. Einen Prototyp kann ich aber nicht bauen, denn die erforderlichen Digital-Isolatoren (2 etwas unterschiedliche) sind - natürlich - ausverkauft. Sowohl die gewünschten, als auch ähnliche, kompatible.
Zumindest möchte ich hier vorstellen, was ich entwickelt habe und was es irgendwann mal geben soll. Zunächst die Übereinstimmungen und Unterschiede in Stichworten:
Die (geplanten) Bausätze:
Gleich oder fast gleich:
Neu oder verändert:
Die SMD-bestückten Baugruppen werden vor der Auslieferung auf speziellen Prüfadaptern geprüft:
Hier ist der AD2-QC auf seinem Test-Adapter eingespannt. Für den DA2-QC gibt es einen sehr ähnlichen Testadapter:
Hier ist der DA2-QC nicht eingespannt.
Bilder: Ansicht des nur SMD-bestückten und des mit THT-Bauteilen vervollständigten ADCs, ohne zusätzliche Anschlüsse
Die Schaltung enthält keine außergewöhnlichen Tricks. Der Analogteil ähnelt dem des AD24QS. Es werden jetzt rauscharme Audio-Class FET-Operationsverstärker verwendet.
Externe symmetrische Analogeingänge, üblicherweise XLR-Buchsen, lassen sich zusammen mit einem Umschalter, mit dem man zwischen den on-board Cinch-Buchsen und den externen Eingängen umschalten kann, sowie einem Poti oder Schalter zur Einstellung der Verstärkung über eine Stiftleiste anschließen. Das ist wie beim AD24QS. Auch ein Vorverstärker lässt sich dort einschleifen. Es könnte z. B. einen Phono-Vorverstärker geben.
Die Verstärkung bzw. Empfindlichkeit des ADCs lässt sich mit einem 4-stufigen Schalter auf verschiedene Werte, die im Consumer- oder Professional-Bereich üblich sind, umschalten. Für 100% FS sind vorgesehen:
- +16 dBu (~4,9 Veff)
- +12 dBu (~3,1 Veff)
- 2 Veff (~+8,2 dBu)
- 1 Veff (~+2,2 dBu)
Mit zusätzlichen THT-Widerständen, die in die dafür freigehaltenen Plätze eingesetzt werden, lassen sich 0,1 Veff bis +16 dBu einstellen.
Die Erzeugung der negativen und einer ca. halben Betriebsspannung erfolgt auf eine etwas ungewöhnliche Weise mit der Frequenz der Abtastrate, sodass es keine auch nur minimalen Spikes mehr im Spektrum außerhalb des Hörbereiches geben kann. Das klingt einfach und sieht auch so aus, aber in der Entwicklung hat mir das nicht unerheblich Kopfzerbrechen gemacht. Ziel war es auch, die Leistungsaufnahme gegenüber dem Vorgänger noch einmal erheblich zu senken. Der Betriebsstrom beträgt bei dem aktuellen Prototyp immer weniger als 110 mA.
Die Betriebsspannungen des Vorverstärkers werden, wie auch beim Vorgänger, noch einmal extra gefiltert, sodass auch Netzteile mit größerem Ripple kein großes Unheil anrichten können.
Die Takterzeugung erfolgt aus zwei separaten Quarzoszillatoren, einem Vorteiler und ansonsten dem ADC-IC. 2 10-polige I2S-Anschlüsse können Ein- oder Ausgang sein. Als Stiftleisten sind sie für die Verbindung zu einem oder mehreren weiteren ADCs zur Fremdsynchronisation oder als (gespiegelte) Buchsenleiste für das aufsteckbare USB-Interface vorhanden. Insbesondere wenn mehrere ADCs durch das I2S-Signal eines Master-ADCs getaktet werden sollen, könnte ein I2S-Buffer als Leitungstreiber für den I2S-Ausgang des Masters erforderlich sein. Der dafür vorgesehene rechts abgebildete I2S-Buf wird mit 2 10-poligen Stiftleisten einfach in die I2S-Leitung eingeschleift.
Für die Steuerung dient hier ein µC, der u. a. auch überwacht, ob der ADC autark arbeiten soll oder durch einen anderen ADC oder den AD2-XS fremdsynchronisiert werden soll.
Die digitalen Ausgänge sind Trafo-gekoppelt - wie es sich gehört, wenn man es anständig machen will. Ein AES3-Ausgang kann direkt angeschlossen werden, auch für ihn ist schon ein Trafo-Ausgang vorgesehen.
Bilder: Ansicht des nur SMD-bestückten und des mit THT-Bauteilen vervollständigten DACs, ohne zusätzliche Anschlüsse
Auch diese Schaltung enthält keine außergewöhnlichen Tricks.
Für die Erzeugung der Betriebsspannung gilt auch das, was ich für die Schaltung des ADCs geschrieben habe. Der Betriebsstrom beträgt bei dem aktuellen Prototyp immer weniger als 130 mA.
Zusätzliche externe symmetrische Ausgänge, z. B. XLR-Buchsen, lassen sich direkt über eine Stiftleiste anschließen. Die Ausgangspegel (normal 2 Veff bzw. 4 Veff an den symmetrischen Ausgängen) lassen sich erhöhen, wenn zusätzliche THT-Widerstände an die dafür freigehaltenen Plätze eingesetzt werden.
Mit 8 LEDs wird wie beim DA24QS angezeigt:
- Sample-Rate: Single-, Double- oder Quad-Speed
- Professional Format (AES3)
- Das Audio Signal ist fehlerhaft (Error)
- Das anliegende Signal ist kein Audio Signal
- Das Copy-Bit
- Die Preemphasis-Signalisierung
Der DAC kann natürlich nicht fremdsynchronisiert werden. Stattdessen gibt es einen 10-poligen I2S-Anschluss, über den er ein externes I2S-Signal empfangen kann. Vorgesehen ist das für das bidirektionale USB-Interface UIC22. Dementsprechend hat der Eingangswahlschalter 5 Stellungen:
- #1 und #2 für die beiden On-Board Toslink-Eingänge,
- #3 für den On-Board S/PDIF-Eingang,
- #4 für ein externes Signal, z. B. AES3 oder einen weiteren S/PDIF-Eingang und
- #5 für den I2S-Eingang.
Ein externer AES3-oder S/PDIF-Eingang erfordert extern außer der Buchse noch mindestens einen Trafo und einen Widerstand. Für einen S/PDIF-Eingang sind weitere ESD- und EMV-Maßnahmen empfehlenswert, wie sie im Schaltplan für den Eingang #3 auch zu erkennen sind.
Der AD2-XS
Immer wieder werde ich nach Word-Clock Synchronisation gefragt, immer wieder musste ich absagen. Bis jetzt.
Die Geschichte eines späten VCXO-Erfolgs
Dieses Modul ist schon eher außergewöhnlich. Eine Schaltung, mit der sich ADCs durch ein Word-Clock-Signal fremdsynchronisieren lassen, ist im Prinzip einfach: Man nimmt ein PLL-IC, im einfachsten Fall z. B. eine 'HC4046 mit der erforderlichen externen Beschaltung, dazu ein eine Teilerkette mit einem weiteren IC, z. B. 'HC4040, und fertig ist man. Aaaaber: Nein, so einfach und primitiv kommt es in der Praxis doch nicht in Frage.
Zum Einen zeigt der RC-Oszillator eines solchen PLL-ICs ein erheblich höheres Jitter als ein Quarzoszillator (XO). Und ein XO ist schon ein üblicher Standard für einen hochwertigen Audio-ADC. Ein RC-Oszillator kommt, zumindest für mich, überhaupt nicht in Frage.
Zum Zweiten lässt sich damit kein großer Bereich der Sample-Rate abdecken, denn die ADC-ICs und ggf. auch die seriellen Tx-ICs brauchen, je nach Sample-Rate, eine Information, ob es sich um Single, Double oder Quad Speed handelt und auch unterschiedlich geteilte Oszillator-Frequenzen und zusätzliche Steuersignale.
Während der zweite Aspekt noch vergleichsweise einfach zu lösen ist, war das erste viele Jahre für mich ein ungelöstes Problem. Eine PLL mit einem Quarzoszillator braucht einen mit der Spannung steuerbaren Quarzoszillator, einen VCXO. Die Frequenz eines solchen VCXOs kann nur in einem relativ geringen Bereich geändert (man sagt auch "gezogen") werden. Oft ist das nicht mehr als andere normale XOs als Grundgenauigkeit bieten und viel weniger, als man braucht, um auch noch die Nennwertabweichungen des eigenen VCXOs abzudecken.
VCXOs für die beiden erforderlichen Frequenzen sind schon Exoten, und wenn man dann noch Anforderungen an zwei aus der gleichen Serie, für die richtige Betriebsspannung, eine passende Bauform etc. stellt, darf man nicht mehr erwarten, dass es sie auch noch für unüblich hohe Ziehbereiche gibt. Die Erfolgsaussichten für eine Lösung mit in kleinen Stückzahlen ab Lager käuflichen VCXOs sind so gering, dass ich deswegen diesen Weg aufgegeben habe.
Es ist viele Jahre her, da habe ich mal eine Musterfertigung speziell nach meinen Wünschen bekommen. Der Ziehbereich war mit 100 ppm zusammen mit der Grundgenauigkeit gerade soeben ausreichend hoch. Damit habe ich den XS-AD24 entwickelt. Nur: Um eine kleine Stückzahl zu fertigen, hätte ich 2 x 1000 Stück abnehmen müssen. Ich bin keine professionelle, große Firma mit großen Stückzahlen, also lag das weit oberhalb meiner Schmerzgrenze. Hinzu kam, dass ich später informiert wurde, dass der Ziehbereich der Muster in der Serie nicht mehr ganz einzuhalten wäre, und noch später, dass eine Fertigung dieser VCXOs gar nicht mehr möglich war.
Vor Kurzem habe ich mich wieder dem Thema gewidmet. Viele Versuche mit unterschiedlichen Konzepten, Quarzen, Oszillatorschaltungen und -ICs und Varicaps sind gescheitert. Und am Ende kam dann doch der Erfolg: Ein VCXO, der sich in einem Bereich von mehr als 400 ppm (± 200 ppm) ziehen lässt, und sich dabei auch noch zwischen 2 Frequenzen bzw. Quarzen umschalten lässt. 3,3 V Betriebsspannung, Bauteile aus dem Katalog - Heureka! Mit diesem Konzept ließ sich endlich die angestrebte Word-Clock VCXO-Synchronisation verwirklichen.
Der AD2-XS
Bild: Der AD2-XS über ein kurzes Flachbandkabel an den AD2-QC angeschlossen
Der AD2-XS wird über ein 10-poliges Flachkabel an den AD2-QC angeschlossen. Mehrere AD2-QC können von einem AD2-XS gleichzeitig angesteuert werden, allerdings könnte es irgendwann erforderlich werden, dafür einen Leitungstreiber an den AD2-XS anzuschließen. Er wird einfach in das Flachkabel eingeschleift. Vorbereitet ist dafür die weiter oben erwähnte kleine Platine namens I2S-Buf.
Der AD2-XS wird von dem AD2-QC mit Betriebsspannung (3,3 V) versorgt. Der Betriebsstrom vom AD2-QS mit angeschlossenem AD2-XS beträgt bei dem aktuellen Prototyp immer weniger als 140 mA.
Der AD2-QC erkennt den AD2-XS und disabled seine eigene Takterzeugung und die lokale Sample-Rate-Einstellung. Am AD2-XS können mit 2 Tasten 12 verschiedene Sample-Raten gewählt werden, mit denen der ADC arbeiten soll, wenn kein Word-Clock-Signal mit einer der 12 Frequenzen innerhalb des gültigen Bereichs anliegt. Diese Frequenzen werden mit 12 gelben LEDs angezeigt. Gültig sind diese 12 Sample-Raten in einem Bereich von ca. ± 150 ppm der Nennfrequenz. Sie werden mit einer grünen LED "EXT" angezeigt, wobei in diesem Betriebsfall auch die gelben LEDs die tatsächliche Sample-Rate anzeigen. Ungültige Word-Clock-Signale werden mit einer roten LED "ERR" angezeigt.
Der Phasenvergleicher ist der PC2 einer 74HCT9046. Dazu muss ich sagen, dass andere Phasenvergleicher, insbesondere die der 4046er PLL-Schaltungen oder z. B. der 74HCT7046 ein für so einen Einsatzzweck nicht akzeptables Verhalten zeigen. Auch viele andere Phasenvergleicher scheinen mir dieses Verhalten zu zeigen. Beschrieben habe ich das im Artikel "4046 vs. 9046". Die 74HCT9064 wird nicht leider mehr produziert, deswegen habe ich erst einmal (hoffentlich) genügend davon "gebunkert".
Für das Word-Clock Eingangssignal gibt es die üblichen BNC-Buchsen. Eine ist die Eingangsbuchse, eine zweite wäre der Ausgang für ein durchgeschleiftes Signal. Mit einem Umschalter wird der Eingang mit 75 Ω abgeschlossen oder ohne Abschluss auf die Ausgangsbuchse geschaltet.
Natürlich wird das Ganze auch von einem µC gesteuert, der die Frequenz der externen Sample-Rate misst und entscheidet, ob sie synchronisierbar ist, die LED-Anzeigen entsprechend ansteuert, die für den ADC notwendigen Teilerfaktoren für I2S-Signale auswählt und die natürlich die manuelle Frequenzauswahl anzeigt und speichert.
Ich schrieb an anderer Stelle über den DA2USB schon, warum und mit wie viel Mühe der DA2USB entwickelt wurde. Carsten, der für diesen Software-Geniestreich verantwortlich ist, arbeitet zurzeit an einer Erweiterung, die die Firmware des unidirektionalen DA2USB für einen bidirektionalen Betrieb befähigt, also ADC → USB und USB → DAC. Das ist nicht eine einfache Erweiterung, das ist eigentlich eine komplett neue Software-Architektur. Die Hardware ist dagegen trivial. Sinn der Entwicklung ist auch, ein kleines Aufsteck-Modul für den AD2-QC zu schaffen, an das auch ein DA2-QC für gleichzeitige Ein- und Ausgabe von Audiosignalen angeschlossen und betrieben werden kann.
Bilder: Das UIC22 kann sowohl über ein Flachbandkabel angeschlossen als auch direkt aufgesteckt werden
Achtung: Das UIC22 enthält keinen eigenen Audio-Clock-Generator. Es kann einen DAC nicht ohne gleichzeitig angeschlossenen ADC betreiben! Prinzipiell möglich wäre der Betrieb mit einem externen I2S-Generator, z. B. dem AD2-XS, aber wäre das sinnvoll? Eher wohl nicht. Im Gegensatz zu reinen USB-ADCs gibt es so viele USB-DACs zu kaufen, dass es wenig sinnvoll wäre, mit einer solchen Lösung mit denen auch noch konkurrieren zu wollen.
Das UIC22 kann nur die beiden Audiokanäle (links und rechts) eines ADCs und eines DACs übertragen. Signale mehrerer ADCs oder DACs lassen sich nicht übertragen.
Das UIC22 verhält sich wie ein DA2USB, meldet sich also als USB Audio Class 2-Gerät mit der anliegenden Sample Rate im Namen beim PC an und ist ohne weitere Treiber-Installation o. Ä. sofort betriebsbereit.
Ich möchte bei diesem Projekt auch komplette Gehäuse mit Front- und Rückplatten für die Konverter zur Verfügung stellen, und nicht nur, wie bei den bisherigen ADCs und DACs, Gehäuse mit unbearbeiteten Front- und Rückplatten. Allerdings erwarte ich keine großen Stückzahlen, und weil die Fertigung von anständigen Frontplatten in kleinen Stückzahlen teuer ist, kann ich mich, wenn überhaupt, nur auf ganz wenige Varianten der vielen möglichen Kombinationen und Optionen beschränken. Zumindest ein Gehäuse für den einfachen AD2-QC (mit USB-Interface) und eins für den DA2-QC sollte es geben. Beide wären 105 mm breit, 104 mm tief und 30 mm hoch. Vorgesehen sind die Bausätze für 100 mm-lange Aluminium-Strangguss-Gehäuse der Serie AKG 105... der Fa. Fischer Elektronik GmbH & Co. KG. Für größere Gehäuse, z. B. für AD2-QC + AD2-XS + 3 x XLR, käme auch die 165 mm-breite Serie AKG 165... in Frage.
Bislang habe ich noch keine Front- oder Rückplatten fertigen lassen. Aber ich habe mal eine Fotomontage gemacht, die zeigt, wie ein komplettes Gehäuse für einen ADC zusammen mit einem DAC aussehen könnte. Dieses Gehäuse hätte eine Höhe von 46 mm:
Ich möchte auch eine Reihe von Design-Files für Front- und Rückplatten verschiedener Varianten der ADCs, DACs, Zusatzmodule, XLR-Anschlüsse u.s.w. vorbereiten und zur Verfügung stellen. Diese Design-Files lassen sich dann komfortabel mit dem intuitiven "Front Panel Designer" der Fa. Schaeffer AG (http://www.schaeffer-ag.de, international: Front Panel Express, http://www.frontpanelexpress.com) modifizieren und fertigen. Allerdings, wie gesagt, ist das nicht billig.
Wie erwähnt, möchte ich diese Bausätze anbieten, aber mir sind auf unbestimmte Zeit die Hände gebunden. Vielleicht wird es noch zusätzliche Module geben, wie z. B. Baugruppen für analoge und digitale Ausgänge oder einen Mikrofon- oder Phono-Vorverstärker. Bei den relativ kleinen Stückzahlen, die ich erwarte, ist das schlecht einfach oder gar wirtschaftlich zu organisieren. Die Zukunft wird zeigen, was geht und was nicht.
| Letzte Aktualisierung: 15. März 2022 | Fragen? Anregungen? Schreiben Sie mir eine E-Mail! | Uwe Beis |