Необычный аудио АЦП с использованием ПЛИС

В этой заметке хочу рассказать о моем проекте. Как вы знаете, я люблю хорошее звучание и обычно делаю нестандартные вещи. На этот раз мой проект — аналогово-цифровой преобразователь аудиосигналов. А необычность его в том, что он построен на АЦП последовательного приближения с использованием ПЛИС.


Началось все очень давно, как обычно, с чтения всякой аудиофильской ерунды, где, однако, четко проявлялась мысль о превосходстве звучания мультибитных преобразователей над сигма-дельтой. )))

И вот начал я просматривать, а чем же записывают этот звук, который потом на мультибитниках так хорошо звучит? И оказалось, что аудио-АЦП сплошь сигма-дельты, и даже в самых дорогих, т.н. мастер-рекордерах, стоят относительно недорогие аудио сигма-дельта АЦП.

И зародилась у меня идея этот недостаток исправить. Заодно проверить, как на самом деле будет звучать запись, сделанная на таком АЦП.

В процессе гугления стало ясно, что это будет не просто. Цены на АЦП последовательного приближения не самые гуманные, преобразование интерфейсов на мегагерцовых частотах на микроконтроллере сделать трудно, нужна ПЛИС, а я никогда с этим дела не имел, микросхемы с мелким шагом, ЛУТом не справиться, куча напряжений питания и т.д.
Но я мечту свою не оставлял.

Первым делом определимся с архитектурой: SAR АЦП <-> ПЛИС -> I2S/SPDIF.
Такая связка показалась мне наиболее оптимальной со всех сторон:
SAR АЦП есть на 18 бит до нескольких MSPS, это позволяет использовать оверсемплинг и поднять разрядность.
ПЛИС — можно постепенно наращивать возможности, можно подключить два источника тактирования, чтобы перекрыть все необходимые частоты дискретизации, скорость не ограничена возможностями процессора. К тому же выход можно сделать в любом формате, а не только то, что заложено производителем в периферию контроллера.
SPDIF — универсальный формат, можно завести в компьютер, используя имеющиеся интерфейсы. А через I2S можно впоследствии сделать конвертер в USB. Ну или прямо в ПЛИС USB реализовать.

Потом заказал на ebay.com отладочную платку первого Циклона в комплекте с USBBlaster.
Поскольку я не программировал логику, нужно было немного научиться. Были скачаны кучи книг и залита тестовая прошивка для мигания светодиодом. Хочу сказать, что программируемая логика — конкретный взрыв мозга для тех, кто писал программы только для микроконтроллеров! И это должен попробовать каждый электронщик! )))

Эта микросхема хороша тем, что имеет две линии тактирования, на которые можно завести сигналы с генераторов частот, кратных 44100 и 48000 Гц и покрыть, таким образом, все необходимые частоты. Изначально на плате установлен один генератор на 50 Мгц и есть место для второго. Я установил генераторы на 45.158400 и 49.152000 МГц.

После этого я случайно наткнулся на описание АЦП AD7982 и решил, что это мне подойдет. 18 бит 1 Мс/с, малое потребление. Кроме корпуса — msop-10. Такую плату мне не вытравить.
Заказал бесплатные образцы АЦП, буферные усилители и стабилизатор опорного напряжения, пришлось использовать рабочую почту, на бесплатный ящик они не соглашаются слать. В Китае заказал на пробу переходники msop на dip, и до кучи — набор резисторов и конденсаторов 0805. А они потерялись, вот досада. Ну да ради такого, можно и на заводе сделать плату.
Сэмплы пришли недели за три, курьер позвонил и вручил лично. Приятно.

Нарисовал схему, заказал разъемы, трансформатор для спдиф и разъем тослинк, купил трансформаторы и транзисторы в местном магазине, начал рисовать плату.
Прототип состоит из двух частей — собственно преобразователя, на котором установлена плата ПЛИС, и блока питания.

Начнем с БП. Он сделан на двух трансформаторах и выдает кучу напряжений:
+6В и -1В для питания буферного усилителя;
+6В для источника опорного напряжения. На основной плате установлен опорник, с которого идет 5В.
+5, 3.3, 2.5В для питания цифровых схем.
Стабилизатора на -1В я так и не нашел, поэтому стабилизатор для буферного усилителя сделал на рассыпухе. Опорное напряжение примерно +7 и -7 формируется TL431, затем подстроечником от него остается -1 и +6, которое умощняется повторителем на оу и выходном транзисторе.
+6 для опорного делается на LM317, цифровые — на 7805, LM1117-3.3 и LM1117-2.5.
Плату блока питания помог вытравить друг, у меня, как обычно, в самый интересный момент ломается принтер ))).

Основную плату заказал в Резоните. Обошлось в 2500 рублей. Дороговато, но раз уж решил… А пока изготавливали и отправляли плату, и переходники с резисторами нашлись!

Основная плата содержит входные разъемы, балансные буферы на ADA4940-1, источник опорного напряжения ADR4550, собственно сами AD7982, место для платы ПЛИС и выходные разъемы — коаксиальный (c трансформатором) и оптический. Все это приправлено гребенками для подключения блока питания и всех сигналов.

Продолжение следует…