基板写真
FPGAのMachXO3でようやく動作しました。
FPGAのTang PrimerやMAX10では動作しませんでした。
8bit ⊿Σ Discrete DACを自作しました。 詳細をここで説明します。
人によっては、ディスクリート DACとか signed magnitude R2R ladder DAC とか言うみたいです。
FPGAのMachXO3でようやく動作しました。
FPGAのTang PrimerやMAX10では動作しませんでした。
こんな部品を使用しました。
入力がPCMのときは、24bit分の入力を受け取り(32bit送ってきたら下位8bitを捨てる)、64倍周波数で⊿Σ変調して8bitを出力します。 入力がCDDAならば、2.8224MHzの8bitを出力します。
入力が⊿Σのときは、webmasterの⊿Σ3値化特許を使って＋,0,ーのどれかにして出力します。
よくあるラダー抵抗回路の出力を、OPアンプのボルテージフォロワーに入れて、その後DCオフセットをキャンセルしながら弱めのLPFに通しています。
反転回路になっているのでプラスマイナスが逆転しますが、いまのところ気にしていません。
お気楽オーディオキット資料館にも、マルチビット Discrete DACを製作した記事があります。 そこで読んだ情報にこういうものがありました。
8bitのDiscrete DACを作ると、普通はゼロ レベルの出力が0x80で、-1の出力が0x7fになります。 0と-1で出力8bit全部が反転するので、ここで出力電圧のギャップになりやすいです。
このギャップの対策を組み込みました。 8bitの出力が0x80になるときを『出力0.5』とし、0x7fになるときを『出力−0.5』としま す。 FPGAの中で⊿Σ変調しているので、入力がずっとゼロだと出力は0x80と0x7fが交互に出ます。 ギャップが無くなるわけではありませんが、影響が減ったと思います。
エージングが終わりました。 音質は良くも悪くもニュートラルです。 何かを強調することはありません。
ES9038Q2MのDACと比較すると、ES9038Q2Mは高域に伸びがあって低域に色付けがあります。 Webmasterの好きなR&Rで比較すると、ソプラノ系の歌手はES9038Q2Mの方が派手に聞こえます。 ドラムスの音はES9038Q2Mが色付けするので、本物ドラムでも打ち込みのサンプリング音みたいに聞こえます。
Discrete DACの音はES9038Q2Mよりも自然に聞こえるので、webmasterの聴取環境で置き換えてしまいました。 高域は強調されることもなく普通に伸びます。 低音も自然に聴こえますし、不足はありません。
欠点もあります。 ラダー抵抗の出力をOPアンプで受けているので、OPアンプの性能がわかります。 OPアンプはMUSES8920→LF353N→OPA2134と差し替えました。 差し替えるたびにノイズが減ります。 OPA2134では、2.8224MHzの⊿Σは普通に聴こえますが、11.2896MHzだとホワイトノイズが乗ります。
リッピングしたCDDAを再生する環境として、我が家では電流駆動アンプと組み合わせると最強です。
この方式の理論上のS/Nを こちらで評価しています。
いまさらですが、OPアンプのデータシートを見直してみました。 BIAS電流やスルー・レートを比較すると、OPA2134がよさそうですね。
このDACの出力は8bitです。 入力のPCMは24bitで⊿Σ変調しているので、0x7fffffのような大振幅が入ると、計算がオーバーフローします。 オーバーフローしたときは、リミッターが動作するようにしておきましたが、振幅の大きいCD(ユーミンのYuming Compositions FACESなど）を再生するとノイズが聴こえます。 計算がオーバーフローしないように、PCM入力があった場合255/256にスケーリングすることにしました。
DACの出力は8bitですが、振幅は±127.5でした。 PCM入力のスケーリングを127/128にしました。
1bit ⊿Σデータの再生時にノイズが乗るので、再生方式を再改良しました。 以前は特許を利用して3値⊿Σで再生していましたが、過去30個分の⊿Σデータの移動平均をとって31レベルの⊿Σとして再生するようにしました。 聴感上、11.2MHz⊿Σ再生時でもノイズが気にならなくなりました。
自分で、最初に作ったDACのクローンを作りました。 2台目も問題なく動作しています。
再生回路のOPアンプにMUSES02を使ってみました。 OPA2134とほぼ同じ感じです。
8bit出力を計算するときに、ディザを足したら抵抗値のばらつきをカバーできるような気がします。 ⊿Σ方式だから、ディザを足しても最終的な出力は辻褄が合います。
こちらで設計データを公開しています。 クローンを作れます。
Mach XO3 の評価ボードの3枚めがあるので、Discrete DACの3台目を作っているところです。 FPGA基板の下は、こんな感じのラダー抵抗です。
ピン配列は、公開しているコンフィグレーションから変えてあります。
Discrete DACの3台目がほぼ完成しました。 あとはボリュームツマミを取り付けるだけです。
初めて、Discrete DACと同じ筐体にヘッドフォンアンプを実装しました。 ゾクゾクするくらいダイレクト感のある音が出てきます。
Tang Nano 9k評価基板でディスクリートDACが作れないか検討していました。 結論から書くと、Mach XO3評価基板と同じ品質では作れません。
私のディスクリートDACでは、FPGAの3.3V電源を分圧して比較用のリファレンス電圧を用意しています。 このリファレンス電圧のおかげで、0Vを中心とした音声信号が作れます。
Mach XO3の評価基板ではFPGAの電源電圧がピン端子に出てきたので利用できました。 Tang Nano 9k評価基板の3.3V出力と、FPGAに供給する3.3Vは別系統です。 FPGAの出力電流が増えて電源電圧が低下した時でも、評価基板の3.3V出力は変化しません。 惜しいところで音質に差がついてしまいそうです。
2024年3月21日 初出
2025年11月9日 追記
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