圖文易讀版
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背景知識可參考 R2R dac 開發計畫：Soekris 1121 OEM ver
文章代碼(AID): #1NrJP5ni (Headphone) [ptt.cc] [心得] R2R dac 開發計畫：S │
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本來打算悠閒地打完這篇文章, 不過前些日子破紀錄的12級強風差點把桌上整套器材給毀
了(幸好最後只燒掉筆電變壓器, 窗縫搞得像噴泉一樣真的有夠恐怖). 已經針對
Soekris OEM 版本(1121)的板子去做一些更詳細的量測, 雖然沒有玩過早期的板子, 不
過可以很明確地感受到這塊板子一些老問題可能透過新的 layout 解決掉了. （有聯絡到
版友可出借 1021-02 rev3 版本的 Soekris, 到時再出對比測試報告). 在沒地線的老房
子聽器材真的痛苦, 先前還嫌公司地線不夠乾淨想偷打一根地棒或者趁沒人用的時候從靜
電測試區拉一條乾淨的來用(好孩子不要學).
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使用 NI 七位半的電表卡檢查 R2R 上 10K 與 5K 歐姆電阻的阻值分布. 手邊也有大家公
認不錯的 34410A , 不過 NI 的電表卡有校正過精確度也不輸(主要軟體從範例改很快就
弄出半自動量測程式)。當然半手動操作下偶爾沒搭好針, 手抖了一下就會像上圖多取到
幾個偏差特別大的值, 基本上在量測這種高精度的電阻時搭測針的接觸阻抗就會讓量測到
的變異更大，不過作為上限估測也夠了
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手邊這塊板子訂製的是 0.01% 的版本, 總共使用了 52顆 10K ohm 與 40 顆 5K ohm 的
精密電阻購成 R2R (我猜是 vishey 的薄膜製程貼片電阻,不過也可能是日本廠商) . 以
10K ohm 結果來說量測樣本組值得標準差大概是 0.014%, 嚴格來說已經很接近出廠宣稱
0.01% 精度規格，其中的差距大概就是搭針量測不夠嚴謹加上手殘導致。其中電阻最大
值與最小值的差距大約在0.08% 左右，倒也符合常態分佈的結果, 5K 的測試結果與 10
K 相仿. 雖然阻值精度主要影響 THD+N 的數據夠不夠漂亮, 聽感方面的影響可能比較小
, 真正瘋狂的作法就是多訂同一批的阻值與精度的貼片電阻透過後測的方式手動換掉那幾
顆偏離標準差較多的電阻, 絕對可以得到更漂亮的量測數據, 可惜 Søren 沒打算釋出不
上件 R2R 電阻陣列的板子（在商言商, 只要付得出足夠授權費用整塊板子的技術也不難
取得, 只是划不划算的考量, 哪天中樂透就買來玩).
另外一個測試的重點也就是 Vref, 老實講稍微看過 OEM 版的電路 (1121)以後實在不覺
得這部份有什麼好鞭的, 大概 Søren 也被大家煩得受不了乾脆在 OEM 版穩壓輸出直接
並個4組10顆貼片電容來堵眾家 DIYer 的嘴, 假如上頭那顆 sot-23 封裝的元件如我猜想
是 TPS736XX 之類的穩壓 LDO , 那我認為其實這一級的輸出電容不一定要放那麼大, 只
要上一級餵進來的穩壓作的夠好也就足夠了
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測試用的儀器是 12bit /200 MS/s 的 digitalizer (用起來跟一般的數位示波器有87%
像). 雖然動態範圍不是很夠但是檢查波形有沒有混一些奇怪的東西進來已經很足夠了
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嫌麻煩直接勾類比端穩壓後的正負供電, 理論上應該要拔掉勾帽, 地線剪斷焊上去才能量
到高頻干擾較少的訊號, 按照標準流程甚至要搭個帶通濾波電路去測. 不過以 worst
case 來說直接量就對了
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真的想改電容其實對 OEM版的 1121來說非常簡單, 取下上圖標示的幾顆貼片電容再將電
容折腳焊上去就可以. 至於傳統在 shift registor 端加電容的改法我覺得沒什麼必要,
又不是什麼大電流的玩意, 貫孔帶進來的雜訊搞不好還比較難處理, 小顆的貼片電容處理
掉高頻的 loop 應該足夠.
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數位這邊只要把握 3.3V 不要與類比端共用穩壓 ic 就不會有大問題, 這裡吃的電流不小
, 大概 200mA 左右, 如果有高頻雜訊或是電流導致的負載變化傳到類比端很容易衰聲,
OEM 版把一些不怎麼樣的整流穩壓元件拔掉反倒嘉惠了喜歡爆改電源的 DIYer , 晶振換
成最高階 0.3ps rms jitter 的 Silab 570 也是順應眾意(先不管聽感, 最高階的產品用
料就要放最貴的). 聽說訂的片數夠多, 連板子上的 Design by Soren 之類的都能拿掉改
放自己的名字 XD
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1KHz ~2Vp-p null 測試. 紫色那條是示波器探棒通道底噪. 下面是簡單的FFT頻譜
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實際過電時量測 V=-3.8V 的 DC 波形, 其實跟 TPS7A4701/3301 空載或者掛固定負載差
不多
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打個 10KHz 下去也是紋風不動, 很多毛邊搞不好都是示波器探棒地線鱷魚夾那邊耦合進
來的高頻雜訊. 以 Vref 來說雜訊的 rms 值大概在 1mV 的量級吧, 也許版上直接
layout 超低雜訊的 LDO regulator 還可以得到更漂亮的數據
最後想談談的其實還是 Soekris 的數位濾波, 這部份就稍微需要有點學理背景的人比較
容易體會我想說什麼( 應該說如何正確地解釋下面這張圖)
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測試用的方波或正弦波都是用程式算好浮點數值再轉成 16bit 44.1KHz/96KHz 用 dac 播
放出來, 剛打個方波下去測發現 ringing 好像很嚴重當下便有些疑惑, 畢竟也不是什麼
高頻信號實在很難相信怎麼會有這種量測結果. 冷靜下來, 從理想 brick well type
FIR 的低通濾波來考慮, 的確從 sinc 形式的 impulse 響應來看, 理想方波經過數位濾
波處理後的訊號就應該是這樣 (有點像是 Gibbs phenomenon, FIR 的抽頭取樣數是離散
且有限的導致這樣的結果). 以市面上大多商用 dac 晶片來說 FIR 都會用 linear
phase type FIR, 也就是 filter 的 impulse 響應是對稱的, 以至於這樣的系統打出來
的方波響應 pre-ringing 與 post-ringing 強度差不多 (有時候稱它為 pre-echo 或
post-echo). 至於如上圖看到 Soekris 量到 Post-ringing 比較弱是因為用的 filter
設置是 mixed-phase 所以大概有一些 IIR 的效果去打消 Post-ring , 最極端的狀況下
就是 NOS (non-oversampling) 類型的 filter (意思跟沒放 filter 差不多), 幾乎不作
或極少量抽頭取樣來運算處理, 所以餵一個方波就吐一個方波出來.
那到底這種 ringing 會不會造成聽感上巨大的差異? 答案是肯定的, 不過孰優孰劣就眾
說紛紜了, 可以肯定的是有許多廠商主打 filter 設計來調音, 比如說 Ayre 白皮書中提
到的偏向 minimum phase 的聽感設計
http://www.ayre.com/white_papers/Ayre_MP_White_Paper.pdf
Marantz SA11S1 裡面的 filter 也是設計了幾組性質差異較大的 filter 讓使用者選擇
符合自身聽感的設定
http://www.shine7.com/audio/Marantz_SA11S1.htm
甚至 es9018 裡的 slow/fast roll off 也是拿來調這種步階響應。至於這種測試到底有
沒有意義, 在我看到 Rob Watts 在 Head-Fi 的 chord DAVE 討論串大概心裡有點底:
用 non-bandwidth limitied 的 step function 來測試以有限帶寬為前提的 sampling
theory 本身就有問題 (an impulse response is an illegal signal ), 實際上有限帶
寬的音樂訊號輸入這種 filter 設計的 dac 不會被這種 ripple 干擾到(Rob Watt 在
hugo&Dave 的信號預處理放了 impluse detector 來偵測有沒有不合理的 pulse 發生,
有就選擇性跳過內建 filter, 雖然我覺得這根本是防止別人破解 WTA filter 的防盜手
段 XD). 也許我會改用 ramp function 來評估 FIR 效能說不定(把這個測試信號的
rise time 限制在特定的帶寬以下, 比如說頻寬的倒數乘上 0.34倍之類的).
就研究數位濾波對於聽感影響層面, 我想很難有比 Soekris 更方便的實作平台, 起碼
這是公認有一定初燒水準的 DAC 模組. 好在當初身邊一批好友最後都跑去電波或通訊
領域, 閒暇時間找來一起慢慢研究應該不成 (類比靠電子, 數位就真的要靠數學了)
2016/9/18, Clin [email protected]/*