[DAC] 设计一个ES9038PRO主板

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发表于 2017-12-10 17:00 | 显示全部楼层
本帖最后由 sleepfox 于 2017-12-10 17:02 编辑

大概在一个月前自己搭棚做了个R2R DAC。用的是丹麦Soekris的R2R分立元件解码板。一个月里正常出声,也换了USB界面以及相应USB线,输出仅仅用很简单的音量牛,以后考虑在上面叠加一级模拟放大。对于初学者来说,这个R2R还好没什么难度,只要提供供电,把USB界面的I2S信号输出接到解码板,输出直接串接音量牛,就正常开声了。能响非常重要,至于仔细调教,慢工出细活。

也一直在关注DAC集成芯片,近期最引人注目的当属ESS TECH的ES9038PRO。说起ESS也蛮传奇的,十年前还是音响界默默无闻,突然推出了ES9018,让一众DAC芯片大佬如Analog Device等相形见绌,其后ESS慢慢蚕食了他们的地盘——传闻到2016年,已经有半数的有牌子的DAC用了ESS的解码芯片。2016年ESS宣布推出纸面上数据上牛气的ES9038PRO,更是让人口水。

当然,做一个DAC解码不容易,做一个用ESS芯片的解码更不容易,用ES9018来DIY解码器的很多,能出好声的极少。

鉴于难度,同时也由于现在不是太清楚以后会做一个什么样子的DAC出来,不妨从婴儿学步开始:先做一个ES9038PRO主板。直插供电、时钟、以及输出模拟就可以出声;同时这些也可以轮换PK。

除了可轮换的优点,工作量其实也降低了。解码器里想用DAC芯片,那么PCB就避免不了,毕竟直接飞线焊接到DAC针脚是不可能的任务。做一个PCB其实就相当于把三维的元件限制在二维的PCB上,当所有东西都要往一张PCB上做的时候,走线就是极其头疼的事情,不小心一个工程下来就成了斗鸡眼。做一个功能单一的主板,然后再直插供电,或者飞线链接主板和其他功能模块,就一定程度上跳出了二维的框架。走线更加简单合理,可以尽量的在PCB上消除可能的短板。

打定主意之后,挤出业余时间,半个月内做了个PCB文档,大概如图(附件)。

PCB四层。第一层是最重要的模拟输出,I2S信号输入,以及时钟输入;所有的供电基本都放在底层;最不重要的I2C输入输出控制信号也基本在最后一层,部分在第一层;第二层是左右声道的模拟地;第三层是数字供电的工地。两个覆铜的地平面隔离顶层和底层的元件以及走线。

模拟地和数字地(以及供电地)是否分开还是合一,还在仔细推敲。

数字信号输入除了通用的BCLK,LRCLK,DATA以外,多开放了一个端口,其余五个端口(DATA4~DATA8)关闭。由于现在很多的USB界面或者CAT5界面都自己有隔离输出,主板上并没有做数字输入的隔离。

由于想轮换对比时钟,所以时钟的封装用了最大的DIP14(一般温补晶振是DIP14封装),其他的晶振可以通过一个转接板接入。时钟线路以及转接板还没最终确定,因为需要参考大量流行时钟推荐的线路,但都不会太复杂,同时部分线路可以做在转接板上。

同时,参照官方资料也做了一个LT3045 LDO线性电源,很小巧,板子大概13.6MM×30MM,恰好适合比较流行的TO220散热器。这个线性电源可以直插(或者焊接)到主板提供供电。目前计划四个数字部分的供电用LT3045供电板,模拟和时钟供电则考虑包括LT3045内的所有可能方案,包括电池。附图展示了4个LT3045供电直插主板后的效果。

接下去的进程也会在论坛中更新,同时也希望多听听同好的意见。

另外,如果哪位同好已经有了独立的操控模块适合ES9038PRO,给个私信,暂时想喘一口气,也不想什么都做,有现成的先用很好。
001.jpg
ES9038PRO1.jpg
ES9038PRO2.jpg

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 楼主| 发表于 2017-12-10 19:57 | 显示全部楼层
附LT3045供电模块PCB三维示意图。大体如此了,等小配件到手以后,比划一下就确定方案。
LT3045.jpg

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发表于 2017-12-10 21:12 | 显示全部楼层
支持楼主尽快做成!   

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发表于 2017-12-10 22:26 | 显示全部楼层
楼主可否提供ES9038PRO资料看看。我也想试试水

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 楼主| 发表于 2017-12-10 23:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 sleepfox 于 2017-12-10 23:23 编辑

万分感谢楼上。俺会努力滴。

关于PCB设计里面的数字地和模拟滴,DGND和AGND。

俺查过不少资料,但都比较老,以前的说法是建议把两者并一起,比如Analog Devices的不少人在这方面有不少的文章,放狗可搜。比如这篇:

http://www.analog.com/en/analog- ... rounding-again.html

AD当然是数模以及模数转换领域的先驱。不过,按照我的理解,他们当时谈论的时候,芯片在数字供电上电流都不是很大,一般都在100mA之类。而ES9038则是一共有近400mA的电流。有一部分可能和DPLL以及滤波有关,同样按照AD某些工程师的资料,这些部分会在相应的DGND引脚上抽取大量的瞬流,那么就很可能对其他线路有影响。

ESS官方曾经在很久之前有一篇短文对ES9018的PCB设计以及元件选择给自家意见。他们当时的结论是建议把Analog和Digital两个地合起来,更方便放元件。他们的实验发现分开两个地并没有改善ES9018的表现。不过两代芯片电流确实不一样,并且文章至少也没说分开两个地有负面影响。

因为我要做的仅是个主板,放元件还是很舒服的,线路冲突很小,所以暂时还是保留原计划:数字地和模拟地分开。

这方面也希望听听其他同好的意见。

模拟地其实也做了两个:左声道和右声道,两者分割PCB的第二层。分割的时候很小心,数字输入的路线以及时钟输入的路线,下面都是实地,在PCB设计上,这个叫做micro-strip,可能保持信号及时钟输入比较合适稳定的阻抗。



另外,主板设计里面还有一个比较重要的地方没有定。就是操控界面。因为这方面还在找有没有现成方案,自己还没开始设计,所以不知道是不是现在的线路是否对于多数的操控界面都可以Plug and Play,无缝对接,是不是所有重要的功能都是开放的,而不是不小心因为对I/O端口Pull Up或者Down限制了某些功能。

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 楼主| 发表于 2017-12-10 23:22 | 显示全部楼层
AiSystem 发表于 2017-12-10 22:26
楼主可否提供ES9038PRO资料看看。我也想试试水

ES9038Pro的资料在本坛有,您自己找找(搜一下ES9038就有)。帖子尽量不越界。谢谢。

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 楼主| 发表于 2017-12-10 23:28 | 显示全部楼层
另外,关注ES9038PRO是因为ES9018成就了我最喜欢的一个胆解码品牌。和纸面数据无关。

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 楼主| 发表于 2017-12-11 11:30 | 显示全部楼层
本帖最后由 sleepfox 于 2017-12-11 11:33 编辑

基本确定把数字地和模拟地分开是最优的,也许会在某个地方给个跳线连接,为两者提供一个共同的电压参考。

模拟地可能不需要分左右两边,因为模拟的线路是比较明显左右分开的,供电也是左右分开供电,不存在左边的信号飘洋过海到从右边回路退场的问题。

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发表于 2017-12-11 19:17 来自手机端 | 显示全部楼层
一直为数模底地线 分割感到困扰 还有是否分割左右声道地线等 看了你的解说有一定的启发 感谢

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 楼主| 发表于 2017-12-11 21:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 sleepfox 于 2017-12-11 21:29 编辑
youfeal 发表于 2017-12-11 19:17
一直为数模底地线 分割感到困扰 还有是否分割左右声道地线等 看了你的解说有一定的启发 感谢




当时ESS官方对ESS的Demo板虽然结论是只留一个地,不会使声音更差,并且更容易放元件。但我查了一下Demo板,是两层的。两层的放置元件当然有问题。既然想搞四层,那数码地和模拟地分开是最好的。

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发表于 2017-12-12 08:19 来自手机端 | 显示全部楼层
ES9038PRO 数字部分和模拟部分的耗电量比9018要大些,我认为两个独立地平面恰当的分割是可行的,做好9038的散热。独立供电,话说9038供电是否还那么苛刻么?

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 楼主| 发表于 2017-12-12 12:25 | 显示全部楼层
youfeal 发表于 2017-12-12 08:19
ES9038PRO 数字部分和模拟部分的耗电量比9018要大些,我认为两个独立地平面恰当的分割是可行的,做好9038的 ...

我是看到坛子里有先做过实践的,如果把所有供电都做在板子上,可能是会有散热问题。所以干脆都分开了,四个数码供电准备用独立的LT3045模块带散热器。

ES9038PRO底面是有散热板的,所以做PCB的时候,可以考虑把它接到数字地,用整块数字地帮助散热。

模拟供电按我在Soekris上的实验,还是要求很高的。时钟我觉得也是。其实这些供电尽量做好,也不费多少成本的,费的只是心思和精力。

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 楼主| 发表于 2017-12-12 13:11 | 显示全部楼层
看来,软控模块也得开始琢磨了 —— 主板需要留足够以及合适的端口给软控模块,同时软控模块要能实现DAC芯片的所有重要功能,不能被主板的一些既定设置(即某些引脚的Pull Up/Down选择)在设计时限制了。软控模块考虑便宜大碗的Arduino类产品。当然Arduino模块和主板的隔离应该考虑。

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 楼主| 发表于 2017-12-12 15:50 | 显示全部楼层
youfeal 发表于 2017-12-12 08:19
ES9038PRO 数字部分和模拟部分的耗电量比9018要大些,我认为两个独立地平面恰当的分割是可行的,做好9038的 ...

刚查了一下,用电接近之前的4倍。差距非常大。

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 楼主| 发表于 2017-12-13 22:33 | 显示全部楼层
下单了一个Ocrobot alpha最入门的单片机,回来试试水。不过,如果判断没错的话,基本上ES芯片的SDA和SCL两根线隔离接到单片机上,基本所有软控功能都能实现。也许在接入一个GPIO的口,ES9038PRo有一个端口是可以用来展示任何状态变化,比如是否锁定(lock)等等。主板的概念应该是可行的,在斟酌一下一些接地以及地平面问题,就可以打样,和着手在做的软控模块一起测试了。

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发表于 2017-12-13 22:42 来自手机端 | 显示全部楼层
期待LZ的作品 顺便学习下理念 人穷 只能玩玩1543 1305这些老咔咔的DAC了

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 楼主| 发表于 2017-12-13 23:40 | 显示全部楼层
youfeal 发表于 2017-12-13 22:42
期待LZ的作品 顺便学习下理念 人穷 只能玩玩1543 1305这些老咔咔的DAC了

DIY零件上的成本都不会很多的。

OUTPUT Stage这些模拟部分除外,因为这部分可以疯狂投很多钱。但这个对所有的DAC芯片都是一样。

其他的,就是芯片,主板,几个供电,一个主控模块+OLED屏。ES9038PRO的芯片还好不算贵。总的算下来应该比Soekris其实要便宜。

主板四层板应该比较贵,没法,没有现成的。

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 楼主| 发表于 2017-12-14 11:58 | 显示全部楼层
请教一下同好,贴片电阻有什么好的(甚至极品的)可以推荐的呢?谢谢。

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 楼主| 发表于 2017-12-15 10:56 | 显示全部楼层
外观上有点小偏执。暂时搞成这样子(如图)。开始陆续定零件了。板子应该再做点细微调整就可以打样。
ES9038PRO_B.jpg
ES9038PRO_T.jpg

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发表于 2017-12-15 22:28 来自手机端 | 显示全部楼层
Tdk 村田 陶瓷电容不错 不知 X7R 和NP0 C0G用在去耦效果如何 电阻嘛 个人喜好晶圆电阻 无外乎好看
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