过年了,Show一下我历时一年半时间完成的DIY CD机

zlxsmile

过年了，给大家上一个DIY作品，感谢大家对老虎180的支持!

    这个作品从2009年下半年开始构思，历时一年半时间，终于在近期全部完成了！经过长时间试听，本机和某对比转盘+解码器组合比较，竟然全面胜出。可以毫不夸张的说，本CD机的声音表现毫不逊色于任何一款中价CD机。作为转盘，其表现也超越了大多数中价转盘系统。





    同时，本机的数字输出的品质也是设计的重点。本机抛弃了常见的数字电路等数字输出方式，采用了高速宽带视频运算放大器，以模拟方式对SPDIF信号进行处理。同时，精选了低漏感的高品质隔离变压器，辅以合理的电路设计方式，打造目前最理想的数字输出方式。

    本机新增了USB转换功能，可以方便的和PC连接，播放各种无损节目源。精心设计的USB转换器，可以说将Ti公司的PCM2706的数字输出部分发挥到了级致！和标准的PCM2706设计相比，本设计杜绝了EMI干扰，外部供电模式声音更纯净。二者对比，可以立即对比出声音的提升。

    本机增设了耳机监听接口，采用了渥尔曼缓冲器、衰减音量控制和三级达林顿钻石电路的耳机放大器。输出工作在A类状态，可以很好的推动绝大多数耳机。

    本机的平衡输出采用了数字差动和真正意义上的四路放大器组合而成的全平衡电路。这种组合方式等效于DAC的并联，可以提升信噪比。

设计理念：
    1、不追求补品，不搞唯心主义，整机采用普通元器件打造。在满足要求的前提下，能用IC的地方就用IC,能满足要求的，绝对不额外增加成本。
    2、重视系统设计，为了达到设计目标，不惜代价。把这个设计当作检验和提升自己电路设计能力的一个参考。
    3、考虑元器件的易获得性，不但要能设计出来，还要比较容易的DIY出来。
    4、综合考虑多种方案，不但是一个参考音源系统，还是一个DIY试验系统。
    5、对于影响系统性能的环节，用料决不含糊。例如定制的低相位噪声的TCVCXO等...

Reference CD产品功能定义：
   1、CD、PC-Hifi USB声卡兼容设计，CD、PC可以自行切换，PC优先。PC HiFi为USB接口。
   2、自带SPDIF OUT和光纤输出端口。
   3、自带解码器，并支持RCA单端方式和Balance平衡方式的输出。
   4、支持键盘控制和红外遥控，带LCD液晶显示。

预期性能：
   希望超过常见的DIY转盘+解码器的效果。具备相当的素质，可以作为评价转盘或解码器的一个参考机。   

总体构想：
    数字音频的还原，实际上就是一个串行码流的还原过程。在这个过程中，CD转盘输出的SPDIF信号的时钟和解码器时钟的一致性问题，更显得尤为重要。为了有效解决这一问题，Reference CD中，采用了多种时钟处理的方式。第一钟方式是转盘、解码器采用同一个时钟源的思路。这样，就可以避免时钟不同步产生的误码问题。同时，考虑到时钟抖动对DAC电路的影响，采用高质量的全局时钟。第二种方式是解码器的时钟来自转盘SPDIF信号的恢复时钟。第三钟方式是转盘、解码器分别采用独立的时钟。第四种方式则是解码器采用Relock技术或异步FIFO技术或数字升频（SRC）技术，来解决时钟同步的问题...

    DAC部分也显得十分重要。从结构上看，DAC芯片分为R-2R型和Delta-Sigma型。R-2R DAC是Hi-Fi的代名词。这个阵营中，从经典的TDA1541，到PCM63，到PCM1704...各个都是精品。相比之下，Delta-Sigma型的DAC，指标虽高，但好评不多。这个阵营里面，可圈可点的可能只有ADI公司的AD1853和AD1955了。经过努力，我拿到了PCM1704和AD1955的芯片。PCM1704是单声道器件，要实现平衡输出，最少需要4片。而PCM1704属于R-2R型，需要数字滤波器与之配套。而我费尽周折，也未能找到量产版本的数字滤波器的样片。无奈之下，只好改投ADI的阵营，选择经典的AD1955 DAC。AD1955属于Delta-Sigma架构，已经内含“倍频”功能。

    下面谈谈与AD1955搭配的升频芯片。上面谈到，Src的应用可以解决时钟还原过程中的一些不利影响。同时，使得数字解调芯片和DAC部分，在时钟上“隔离”。此外，SRC芯片和AD1955的接口配合也非常好。

    CD转盘部分，为了验证我的电路设计理念，抛弃了转盘系统而采用最普通的带有数字音频接口的CD-ROM。通过对关键电路的修改，实现高质量的信号传输。

    电源部分，没有用非常流行的“并联稳压电源”之类的东西，而是用了最普通的“三端稳压”。因为我相信，通过良好的设计，我的电路一样可以减少对电源的一些“花样”的要求。

    整机，自制PCB板4块。分别是Hi-Fi USB和信号切换电路板、CD-ROM控制电路板、缓冲音量控制和耳机驱动板、以及主PCB板。为了媲美厂机效果，这些PCB全部都已购买回来的机箱为蓝本自行设计、制作。以确保外观、内观均不粗糙。

明9002

支持，这个可是投入大精力的。

xmq1960

用光驱做的吗，上电路看看，祝春节快乐。

hillking

这东东很猛啊。。

zlxsmile

电路图太大了，器件总数已经超过了1K。原理图都是A3的幅面，大概有好多页。全图传上来基本看不清。你想看哪一部分的，我可以放大了贴上来。

woyo

新年快乐!
光驱时钟,输出都改了?

zlxsmile

新年快乐, 是的,都改了.

fbl

新年快乐！很累吧！

tc-cs

这个不错，能详细介绍介绍，学习学习

zlxsmile

新年快乐！很累吧！
fbl 发表于 2011-2-3 15:16

新年快乐! 平时没大块时间,只能利用晚上,确实很累,几乎每个器件都是花时间找的.还定做了很多东西,例如晶体...

hillking

制作成本恐怕也超过了中挡YLJ CD机的价格了吧？

zlxsmile

1# zlxsmile
详细设计

第一部分：电源设计

    整机电源分为11路，由8个独立绕组供电。其中，为CD-ROM供电的电源4路，分别提供12V，5V，3.3V，2.5V四组电压。为模拟电路供电电源2路，分别为+15V、-15V。另外还有+5VA、+5VD、+3.3V三路电压，最后还预留一路+5V为显示板供电。最后，还有一路12V基准电压，由+15V二次稳压获得。

电源电路的设计要点：

    CDROM驱动部分采用MICREL公司最大输出电流达到3A的低压差稳压器MIC29302BU。MICREL是LDO类的高端供应商，其产品以压差低，地电流小而著称。用于驱动cdrom，可以满足各种极端条件下电路对于峰值电流的需要。3.3V和2.5V由5V二次稳压得到，采用了经典的LT1117 LDO。

    +15V，-15V，+5VA，+5VD，+5V这几路，都选用了摩托罗拉的M记7815，7915，7805...其1.5A的输出电流用在这些电路上也非常合理。这里，有人可能会问，为什么不用“伺服电源”...“并联稳压电源”...?我这里反问一下，为什么要用这些电源而不能用三端稳压？要知道，就连ML的解码器也不过用的是这些“普通”的三端稳压器而已。只要电路搭配得当，就不需要额外增加成本。3.3V供电选用Sipex公司的SP1585系列的LDO。

    令人遗憾的是，为了降低成本，现在的三端稳压器和之前相同型号的相比，其散热片的厚度降低了很多。虽然对性能不致有太大影响，但对人的信心打击很大。经过反复寻找，无奈7805还是没有找到厚散热片的版本，只能含恨装上薄散热片的器件。

    电源电路设计中，我注意了几个细节：
a.变压器次级并联0.1uF电容。
b.二极管采用肖特基二极管MUR460。每个二极管并联0.1uF电容。
c.滤波电容大并小。
d.用上钽电容和OSCON电容，取其LOW ESR。
e.预留出可以进行“二次稳压”的连接电感。这样一旦变压器绕组不足，即可用电感和“二次稳压”的方式获得输出。
f.所有电源地，均连接至统一地平面，并通过大量过孔，将这些地平面连接在一起。

时钟电路设计(上)：
    前面提到，数字音频的还原，实际上就是一个串行码流的还原过程。在这个过程中，CD转盘输出的SPDIF信号的时钟和解码器时钟的一致性问题，更显得尤为重要。为了有效解决这一问题，Reference CD中，采用了多种时钟处理的方式。第一钟方式是转盘、解码器采用同一个时钟源的思路。这样，就可以避免时钟不同步产生的误码问题。同时，考虑到时钟抖动对DAC电路的影响，采用高质量的全局时钟。第二种方式是解码器的时钟来自转盘SPDIF信号的恢复时钟。第三钟方式是转盘、解码器分别采用独立的时钟。第四种方式则是解码器采用Relock技术或异步FIFO技术或数字升频（SRC）技术，来解决时钟同步的问题...

    将CD-ROM和解码放在一个机箱里面，有一个最大的好处就是转盘、解码器有了可以方便的共用时钟的可能。这样可以从头到尾用一个高品质时钟。但实际上，这样的做法会受到一些限制。例如常见的CD-ROM里面的时钟频率为33.8688MHz，如采用这个时钟，就存在SRC芯片和DAC芯片对384Fs、768Fs的支持等因素要考虑。

    时钟在这样一个系统里面的作用是相当大的。因此，我将会不惜代价的考虑更高级的时钟方案。锁相环的Relock电路，虽然也是一种思路，但苦于没有好的VCTCXO，而通用的锁相环线路的Jitter并不能令我满意，因此在本设计中不予考虑。当然，我现在在日本的一家公司定制了一些VCTCXO的样品，将来可以用于这样的设计。但是，VCTCXO的频率拉偏范围和他的频率稳定度的变化趋势是相同的，也就是说，我们找不到一个频率拉偏范围大，且频率误差很小的时钟源。我定制的样品，压控频率拉偏范围为15PPM，这样频率稳定度可以控制在2PPM之内。即使是这样的低指标，样品的价格也是天价，需要300元/只！10K以上的价格还需要40元/只...但即便用了这样的TCVCXO，如果是配合DAC的话，其实就无法保证DAC的时钟能够适用于各种音源，因为音源的频率误差可能远高于15PPM...

    石英晶体振荡器的指标中，除了频率稳定度外，相位噪声的指标也非常重要。一个低相噪的时钟，对音质的改善效果甚至超过了频率稳定度好但相噪差的时钟。当然，我的设计中，对晶体的选择也是非常苛刻的。我特意定制了低相位噪声的，频率误差小于1PPM的TCXO。

    由于数字滤波芯片基本停产，因此我考虑采用SRC芯片实现采样率提升的功能。当然，AD1955属于Delta-Sigma DAC,内建了过采样功能。但是我的这个板子也会考虑到和R-2R型DAC如PCM1704接口...采用SRC芯片的另一个原因是:SRC是基于数字信号处理算法。因此，不必担心输入输出时钟同步问题，只要分别用上高质量的时钟源即可。

    关于时钟信号的传输和处理，我用到了ICS公司专用的时钟驱动和传输的芯片。这个芯片的抖动(jitter)的典型值低至0.26ps，相位噪声，在100Hz时为-129.7DBc/Hz,1KHz为-144.4DBc/Hz...并可同时支持六路时钟输出...

时钟电路设计(下)：
   之所以将时钟处理弄成两部分，只能说明时钟处理真的是太重要了！接上篇。

   我的reference板子上面，规划了两路时钟。配合两路专用芯片，每个专用芯片出来的六路时钟，一共有12路时钟信号。再加上DIR9001恢复出来的时钟信号，时钟的种类非常繁多。乃至于我自己在设计之初，都会经常想不明白。不过当然最后是完全想明白了。具体如何繁多，大家看一下图就明白了。

   每个时钟专用驱动芯片有六路输入可以选择。而对应于每路输入，又有六种输出。

   每个芯片的时钟输入又有多种选择.

   这样下来，可能的组合就非常之多了...大家都能看明白了吧。

   为什么将时钟整的那么复杂呢？前面提到过，因为时钟太重要了！另一个原因是因为我的设计是一块Reference CD Mainboard。这样可以对各种线路进行“试验”。

   接下来，谈一下另外一个时钟驱动电路：

   图中，放大器为射频通用低噪声放大器。带宽0-1.9GHz。放大器对输入时钟信号直接进行放大，然后通过50欧姆的SMA/SMB连接器，经微同轴电缆和CDROM相连接，为CDROM提供时钟信号。

   由于Ti的SRC4192不支持768Fs，为了方便用33.8688的主时钟下的调试，我还在电路板上增加了一个三分频电路，将33.8688MHz分频为11.2896MHz。

   以上的设计，即保证了时钟的品质，又具有相当的灵活性。实际使用下来，也确实非常方便。

korg

终于见到一个猛的光驱CD

不知道PK的是什么转盘解码

zlxsmile

制作成本恐怕也超过了中挡YLJ CD机的价格了吧？
hillking 发表于 2011-2-3 15:25

中档YLJ的声音和这个根本没有可比性，因为根本就不是一个档次的东西。

wzx740120

这样的好作品是值得提倡的。春节快乐

zlxsmile

1# zlxsmile

SRC电路和AD1955的接口：

    研究了SRC的器件手册（Ti 的SRC4192和ADI的AD1896，两个器件Pin to Pin兼容），可以发现：SRC芯片的数字输出为通用的MCLK、LRCLK和DATA三线输出。这个输出和AD1955芯片的输入是完全可以配合的。但问题是，我们希望AD1955具备平衡输出的功能。而我们的输入只有MCLK、LRCLK和DATA三个信号。如何将这3个信号变换成AD1955需要的模式，且具备平衡输出的功能呢？

    平衡输出，就是需要营造出两个幅度绝对值相等，但相位相差180度的信号。一片这样，我们需要2片AD1955同时工作才能满足需求。

    对于数字信号而言，如果希望其相位反转180度，在DATA上增加反相器，就可以实现了。有文章说可能会导致1个最小位的误差，我认为，即便是有误差，也是完全可以忽略的。因为我们的音源只有16bit，而我们的DAC是24bit的，输出2VRMS信号时，这个误差在2个微伏以内，已经和噪底融合了。还是把精力花在如何布局布线和电路的一些细节方面更恰当。

    但是，仅在Data上加反相器，会导致延时不一致。而这是我们特别需要关注的问题。因此，为了保证群延时一致和信号转换，我选择了异或门电路来实现这个功能，如下：

    这样，经过两个异或门的转换，我们得到了2片AD1955需要的平衡输入的数字信号。

AD1955的应用和配置：
    谈到Delta-Sigma DAC，就不得不谈起AD1955。作为ADI公司仅存的Hi-end DAC，AD1955无疑是全面体现ADI公司芯片设计能力的一款产品。但是，谈到这款DAC，很多DIY发烧友都是又爱又恨。爱是因为她声音确实很好，恨是因为她比较难用，特别是没有设置引脚，而需要通过SPI口进行配置。

    仔细研究AD1955的规格书，发现，AD1955其实是可以在没有MCU的条件下很好的工作的。这不是网上有些人说的没有MCU就什么什么发挥不出来等等。能不能发挥出来是要靠事实的，而不是简单的臆想。AD1955默认的工作接口是48KHz采样率，256Fs(12.288MHz)的时钟，I2S的输入格式。在这个条件下，AD1955不需要任何设置，就可以非常好的工作。由于是Delta-Sigma架构，所以不需要片外的额外的倍频。由于AD1955实际上是一个数字时序逻辑电路，这种默认设置当然也可以工作在96KHz，256Fs（22.576MHz）时钟下。同理，其它采样率，只要在256Fs，也都应该可以正常工作。而Ad1955的默认参数，就是一个优化的参数，是不需要额外再优化的。

    当然，在Reference CD板上，我确不能这样设计。因为我需要AD1955适应各种情况和时钟，并都能正常工作。此时一个MCU就是不可避免的。我选用了ST公司的一个小Flash单片机，对AD1955的SPI口进行操作，配置各种参数。Flash单片机的编程操作通过PCB板边缘的一个JTAG口实现。

Eugene.C

强！成本不低，相信声音对得起花的心血。

zlxsmile

1# zlxsmile
SPDIF接口电路：
    谈到SPDIF输出电路，许多人都会认为，这里面没什么技术含量。因为它是数字接口，只要没有误码就可以了。但实践下来，却往往发现，不同的SPDIF电路，音质差别很大。这是为什么呢？

   原来，在解码器端对SPDIF信号的处理首先是一个时钟还原和数字信号解调及格式转换的过程。如果SPDIF信号波形不好，对时钟和数字信号质量都会有影响。例如：

    1、SPDIF信号频率较高，最高可达到2MHz以上，而且波形的脉宽随音乐内容而变化。对于这样一个高频、占空比差别较大的信号，如果SPDIF电路的方波阶跃响应不良，在面对不同频率或不同脉宽的方波时，电路的响应也不一样，最终会造成波形的脉冲响应不一致。这种不一致的脉冲，经过后面的解调电路后，还原出的时钟可能会产生额外的漂移。

    2、数字解调电路内部也是边缘触发的。上文谈过，SPDIF的输出波形中，波形信号脉宽（频率）是随时变化的，如果SPDIF电路上升时间变慢了，将可能导致后面的数字电路在翻转的时候，“翻转时间”上产生差异，导致还原出来的数字信号上叠加一些高频的“Jitter”，从而影响音质。

    3、SPDIF规定，输出信号波形幅度为1Vpp，电路要将电平控制在这个范围内。

    4、噪声和干扰：要尽量降低，理由如2，因为额外的噪声会在数字电路中体现，最终导致解调恢复出的时钟和数字信号上叠加"Jitter"。

    综上所述，对SPDIF输出电路的要求可以提炼为：高速、脉冲响应好、噪声低、电平适当。

    本设计中，共有两种模式的SPDIF电路，如下：
    1、反相器驱动高频变压器输出。
    2、通用高速运算放大器驱动高频变压器输出。

李县强

强，支持一下

zlxsmile

1# zlxsmile
模拟输出：
    采用AD1955推荐电路。为什么采用推荐电路，是因为AD1955的电流输出属于差分、带有直流电平的输出方式。针对这样的I/V变换很难找到更好的方式，规格书上的方式基本上就是最佳方式了。I/V变换后的低通滤波器实现方式较多，但推荐电路上的低通滤波器，在频率和相位特性方面也相当不错，于是也采用了该推荐电路。平衡输出后面，又增加了一个加法器电路，将平衡转换为单端输出。当然，由于多增加了一级电路，所以各级增益也做了相应调整，使之满足6VRMS平衡输出和2VRMS单端输出的标准。

    运算放大器的选择上，有两个选择:OPA627和AD797。后选择了AD797，取其失真低，工作平衡，且双极性的输入，和规格书推荐的低阻值反馈电阻相得益彰。于是，直接照搬即可。

    本来拟考虑分立元器件自制的运放用于本电路，后由于运放数量实在太多，板子可能放不下，而作罢。留待以后进一步升级吧。

    本机共用AD797运放14片。

电源变压器：
    用一个200W环型电源变压器给整机供电。为什么没有用多个变压器？主要是因为多个变压器对本系统提升有限（恕这里不展开讲了），因此暂不考虑。变压器是自己DIY的。

CD-ROM的选择：
    本人认为，我的播放器对转盘系统要求不高。CDROM选择经典的源兴52X光驱。不仅仅是因为源兴光驱性能比较可靠，同时，也是因为源兴光驱有黑色的品种。黑色的光驱放入机箱里面，感觉更加专业一些。

    当然，也可以选择IDE接口的其它的品种光驱，但需要注意，光驱一定要有SPDIF输出接口。现在流行的一些低档光驱是没有SPDIF接口的！！！例如先锋DVD光驱。这种光驱不但没有SPDIF接口，也没有办法通过在PCB板上改动而增加SPDIF接口。大家千万不要买到这种光驱，以免遗憾。

CD-ROM的改造：
   
    CD-ROM需要改造后才能使用。常见的改造手段有：

1、更换全部滤波电解电容，用上容量更大、ESR更低的品种。
2、找到光驱PCB上的2.5V/3.3V电源输出端，用万用表测量各个贴片电容，找出电源和地之间并联的电容，全部用1uF以上的贴片电容品种替换掉原电容。
3、找到光驱PCB板上的晶体。光驱上常见的晶体为陶瓷晶体。有贴片和引脚之分。特别是贴片陶瓷晶体，如果不认识的话，还真的有些麻烦呢。找到晶体后，去掉它，然后将CD Reference MainBoard的时钟（常见的频率为33.8688MHz）用同轴电缆引入，电缆另一端分别焊接到晶体的一个引脚和地平面上即可。

4、CDROM采用线性稳压电源供电，可以大幅度降低来自于开关电源的噪声和干扰。
5、检查一下CDROM的SPDIF输出线路，如果CDROM内部的SPDIF线路上有串电阻，则将该电阻更换为50欧姆。如果没有串联电阻，则需要在输出的信号线上串联一个50欧姆电阻。
6、检查CD-ROM的光头，CD-ROM的光头质量一定要好。

    经过以上简单改造，CD-ROM就可以投入使用了。

EMI设计：
    由于EMI理论很多，针对具体问题往往需要具体分析。因此这里只谈Reference CD采用到的方法,不讨论对错，不做过多解释。借用网上一句流行语---“懂的进”。

1、整体采用4层通孔板设计，整板模拟、数字部分全部共地，并设立至少一个完整地平面。所有接地点通过地过孔就近接地。
2、本PCB板上有大量时钟线、数据线。所有时钟线均紧靠地平面布局，并且周围包地处理。用过孔将时钟线周围的地连接起来。在时钟线换层的旁边打过孔。数据线表层走线遵循3W准则，换层时在旁边打地过孔。时钟，数据线尽可能走微带线和带状线。
3、所有器件电源引脚，均加装LC滤波电路。
4、模拟，数字电路分区布置。
5、内部连接阻抗匹配至50欧姆，SPDIF输出端口，为配合标准连接器，因此阻抗匹配至75欧姆。
6、所有时钟线、信号线上全部加装串联电阻网络、戴维南网络、并联电阻网络、并联电容网络。
7、SPDIF的宽带运算放大器预留极点补偿网络，以获得恰当的脉冲响应。
8、LC滤波网络中的L全部采用高Q电感，C全部采用Low ESR的电容，同时并联1UF左右的X7R陶瓷电容。

参数设定：
  DIR9001设定为256Fs的方式，SRC设定为Output Master模式，SRC output时钟24.576MHz，DAC时钟24.576MHz，SRC输出频率设定为256Fs,实际进入DAC的采样率为96KHz。DAC参数采用默认值即可，无需特别设定。