音频DAC的特殊用法

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1、浅谈音频 DAC 的特殊用法音频DAC是数码音响中的核心器件之一，很大程度上决定了数码音响的音质好坏。从DAC 着手提高数字音响的音质， 常采取两种方法：一是 DAC 芯片本身的分辨率，提高转换精度，即增 加比特数来提高音质；二是采用特殊的方法使用DAC，灵活地使用DAC，不仅能够提高其等效比 特数，使之转换精度得到提高，甚至还可以消除一些 DAC 固有的缺憾，因而得到提高音质的效果。提高 DAC 芯片本身的分辨率必须由 DAC 芯片生产厂商完成，一般音响爱好者是难以实现的。目前DAC的精度越做越高，前几年最高精度还是20bit （例如PCM63、D20400、PCM1702芯片）， 目前已是

2、24 bit （例如PCM1704芯片）。DAC的精度从初期的14 bit，很快地发展到16 bit、 18 bit、20 bit、24 bit。但再提高精度恐怕真的很困难了，即使做得出来，价格肯定也会贵得 惊人。采用特殊的方法应用DAC，音响厂家以往是经常在昂贵的中高档数字音响产品中采用的拿手 好戏，因为这种做法需要增加 DAC 的数量。而在早期，由于高性能 DAC 芯片价格较高，所以在普 及型产品或中低档产品中很小采用这一方法。不过，随着DAC技术的进步，生产成本的下降，许 多高性能的 DAC 价格已大幅度降低，为我们这些爱好者能够灵活地使用 DAC 打下了基础。下面简单介绍几种常见DAC

3、的特殊用法，并介绍几种BB公司的常用多比特DAC芯片的特殊 用法，供业余爱好者参考，依据手头能得到的材料，灵活地使用它们，以期制作更好的土炮 DAC 解码器。一、差动平衡法利用差动平衡法可获得真正的平衡信号，配合高档平衡式放大器，可以获得极好的效果。I/VI/VDAC-2 DATALPFDAC-1 /LPFRCABAL+RCABAL-WDCK图1 (a)差动平衡电路原理见图1 (a)所示。一个声道至少由两个DAC单元构成，如图中的DAC-1和DAC-2。DATA 数据信号分为两路，一路直接送入 DAC-1 ，一路经过反相电路图(非门)反相后变为反极性 DATA 数据信号，再输入给 DAC-2

4、。经过两个 DAC 转换后， DAC-1 输出同相模拟信号， DAC-2 则输出反 相模拟信号，于是得到了平衡信号。这种方法原理很简单，只是将数据信号简单地反相，得到极性相反的数据信号，分别送入 两个DAC，从而得到相位相反的模拟信号。方法虽然简单，但采用这种方法得到的平衡信号的平 衡特性的确很好，因此在高档数字音响中有较为广泛的应用。如果要获得单端信号，只需加入一个差动放大器就可将平衡信号转换为单端信号，或者直 接从 DAC-1 或 DAC-2 的输出端取得同相单端模拟信号或反相单端模拟信号。从图1 (a)可以看出，输入到两个DAC中的数据信号，一路直接送入DAC-1，一路经过非 门反相送入

5、DAC-2，因此除相位相反外，输入到DAC-2的DATA数据信号因经过反相电路(非门) 而被延迟，所以输入到两 DAC 的信号延时也不一致，使得 DAC 输出的信号平衡特性变差。为了克 服这一缺点，往往采取如图1 (b)所示的措施。图1 (a)与图1(b)相比，图1(a)中的DAC-2输入端前的反相器非门被换为异或门，DAC-1 的输入端也插入一个异或门， DAC-2 输入端的异或门接成非门，起到反相作用；而 DAC-1 输入端 的异或门接成缓冲器，不起反相作用，只起缓冲作用。由于两个 DAC 输入端之前各有一个异或门，所以时间延迟一致，并且在DAC的WDCK和BCLK信号的输入端也加入了异或

6、门，使DATA、WDCK、BCLK各信号时间延迟一致，从而克服了图1（a）电路的不足。+5V图 1 （ b ）改进差动平衡电路RCABAL+RCABAL-二、并联法并联使用 DAC 可提高等效比特数，提高转换精度，还原音乐的厚度感和力度感增强，在 DAC的其他用法中，也可再施加此法，效果显著，因此它在高档机中获得了广泛的应用。原理见图2 （a）所示。n个DAC并联同步工作，将n个DAC输出的电流信号相加，再经过 电流/电压（ I/V ）变换，输出模拟电压信号。这种方法对小信号处理能力明显增强，等于增加了 DAC的比特数。例如，2个18 bit DAC 并联后的转换精度相当于19 bit ,4个

7、20 bit DAC并联后转换精度相当于23 bit ,而8个20 bit DAC并联后转换精度相当于24 bit，等等。PCM1704等24 bit DAC出现之前，高档数字音响的 24 bit 转换精度就是利用多个 DAC 并联方法得到的。当 DAC 并联使用时，信噪比、动态范围都会提高，而失真度将会减小，各种误差也被平均 化而降低。例如，对 4 个性能一致的 20 bit DAC 芯片进行并联实验，分别对 1 个、2 个并联、3 个并 联、4个并联的信噪比（SNR ）、总谐波失真（THD ）、动态范围（DR）进行测试，测试的结果分 别见图2（b）、图2 （c）和图2 （d）所示。从图2（

8、b）的信噪比（SNR ）特性测试图可以看出，随着DAC并联数目的增加，信噪比明显 增加，由单个的115.8dB增加到2个并联的117dB、3个并联的119.2dB和4个并联的120.7dB。从图2（c ）的总谐波失真（THD ）特性测试图可以看出，随着DAC并联数目的增加，总谐波 失真也有降低，由单个的0.0024%降低到2个并联的0.0019%、 3个并联的0.0016%、 4个并联的 0.0014%。从图2（d）的动态范围（DR）特性测试图可以看出，随着DAC并联数目的增加，动态范围 也在提高，由单个的100.5dB增加到2个并联的lOldB、3个并联的101.3dB、4个并联的101.5

9、dB。n=1n=2 n=2 n=3n=4c图2 DAC 并联法 d三、正弦码变换法此法的最大特色是不仅可以提高 DAC 的等效比特数，还可以很好地消除多比特 DAC 的过零交越失真，因此在高档机种中有广泛的应用，此法也被广泛地应用于 DAC 芯片中。图 3 （a ）正弦码变换法原理见图3 （a）所示，电路形式有点与平衡法类似。此电路的核心由正弦值变换电路、双 极性偏置补偿电路和两个DAC芯片构成。一个声道至少需要两个相同的DAC单元，即图中的DAC- 上和DAC-下。DATA数据和WDCK时钟等信号经过正弦值变换电路变换后，输出信号控制两个DAC 芯片，使之分别作单极性动作，即上DAC只输出正

10、半周信号，而下DAC只输出负半周信号。因为 两DAC转换都不是完整的一个周期的正弦信号，且当输入信号小到一定程度的时候，双极性补偿 电路分别对上下两个DAC施加一定的补偿，使零交越失真发生移位，因而也就消除了过零失真。 而且此种方法可以使系统转换精度在原有单个DAC精度的基础上提高1 bit。这一技术也用在高分辨率的DAC芯片中，例如BB公司的3片著名的DAC芯片，20 bit的 PCM63、PCM1702 和 24 bit 的 PCM1704 就采用了这一技术。REF图3（b）PCM1704内部框图图3（b）给出24 bit的PCM1704 DAC芯片的内部原理框图。24 bit数据信号和时

11、钟信号 送入串行变换电路后，再进入正弦值编码变换，分解为两个23 bit数据，分别送给两个23bit DAC 进行转换，再将两个DAC输出的电流进行合成，便输出24 bit精度的模拟电流信号。双极性偏 置电路在小信号时动作，消除过零失真。图 4 主副 DAC 法四、主副 DAC 法此法可使 DAC 的综合分析力得以提高。原理见图 4 所示，电路形式类似于正弦码变换法。这一电路的核心由数据分割电路、数据补正电路、主副两个DAC单元构成。DATA信号和WDCK信 号及数据补正电路输出的信号共同输入数据分割电路进行处理，数据分割电路将DATA数据信号 分割为上位数据信号和下位数据信号。上位数据信号送

12、给主 DAC 转换，下位数据送给副 DAC 转换。 然后将副 DAC 输出的速度变为原来的 1 /S 倍，再将这一信号与主 DAC 的输出信号相加，使得整 个系统的变换误差降为1 /S，整个DAC系统的精度得到修正，提高了系统的综合分析力。图5多DAC参差变换法五、多 DAC 参差变换法这种方法的电路原理简图见图5所示，电路的核心由n个DAC单元n-1个定时电路构成。图示电路由4个DAC和3个定时电路构成。这一方法的实质是由定时电路使DAC的变换时间发生 位移来作为输入，相当于将电路的输出取样率以参差的方式接成n倍（n=2时是输入数据的2倍, n=4 时是输入数据的 4倍），这样的方式与提高取

13、样率有相同的效果。而且，这一方式同时具有 将各DAC的各种误差包括多比特固有的过零失真平均化的优点。六、，几种方法的电路在上述几种方法中，并联法、差动平衡法、正弦码变换法因效果显著而应用较多。其中， 并联法、差动平衡法由于效果显著、应用简单方便而获得广泛应用。 下面简单地介绍几种常见的 多比特 DAC，如 BB 公司的 18bit 的 DAC PCM1700、20bit 的 DAC PCM1702 和 24bit/96kHz 的 DAC PCM1704 的平衡用法和并联用法。PCM1702P的平衡应用电路可输出真正平衡的音频信号。如果此DAC解码电路的数字输入也 采用平衡结构的 AES/EBU

14、 方式，即可构成从数字到模拟的全平衡 DAC 解码器。如广东一发烧音响 厂家生产的型号为 MODEL-80 HDCD 音频解码器就为这种全平衡结构，此解码器获得较高的评价。PCM1702 的并联应用被广泛使用在高档 CD 唱机和高档 DAC 解码器中，著名的音响公司ACCUPHASE （金嗓子）是一家擅长并联应用DAC和ADC的厂家，曾将多片PCM1702并联用于一个 声道解码，结果得到一代精品CD机DP-55。两片PCM1702并联，不仅将转换精度提高lbit，由 20bit变为21bit，而且降低了失真度，提高了信噪比，同时也提高了声音的厚度和力度。因此， 即使在 24bit 的 DAC

15、出现之后，仍然有将 PCM1702 并联使用者。用好24bit的多比特DAC应当说是一件不容易的事，制作稍有缺憾便会损失几个bit的精 度。将 PCM1704U 进行平衡应用更是一件难事，业余制作要取得应有的效果，必须要有高超的布 线能力和过硬的焊接技术等等，发烧友请多考虑这些。 不过，值得庆幸的是，杭州有一家有相当 实力的发烧音响公司已经开发出平衡使用PCM1704的高档DAC解码器在出售，型号为 Cyber-3000。在国外，一些老牌发烧音响厂家更是不失时机地推出这样的24bit/96kHz平衡式高 档极品 DAC 解码器，如大家熟知的 DAC 解码器 No.360L 和 No.360SL

16、 。PCM1700 为立体声结构的双通道 DAC 芯片，内含两个 DAC 单元，分别转换左右两个声道的信 号，难免产生左右声道相互干扰。在并联应用时，两个 DAC 单元都转换成同一个声道的信号系统， 必然消除了这一干扰，这是并联使用PCM1700的优点之一，将PCM1700并联应用，同样可以将转 换精度提高 119 bit。将 PCM1700 平衡应用同样可以降低左右声道信号的干扰，提高左右声道的分离度。在20 bit的PCM1702等DAC芯片和24 bit的PCM1704等DAC芯片出现之后，当年享誉音 响界的 18 bit DAC 芯片如 PCM58、PCM67、PCM1700 等顿遭冷落，价格大降，但是只要灵活地使 用这些廉价DAC，照