Anatomia di un DAC (anzi di molti DAC)

[Andrea Mori]

Riprendo l'argomento descrivendo le tecnologie utilizzate al fine di migliorare le non linearità di un DAC PCM R2R dovute alla tolleranza delle resistenze utilizzate nella rete resistiva.

A questo link è possibile trovare il brevetto di una tecnologia adatta allo scopo Digital to analog converter trim apparatus and method, che poi è quella che è stata implementata da Holo nei propri DAC.

La disamina è abbastanza complessa da approfondire, quindi nel prossimo post descriverò una tecnologia leggermente diversa, ma che ha lo stesso obiettivo di ridurre le non linearità del DAC, aggiungendo anche esempi numerici che meglio descrivono la tecnica adottata.

Per adesso mi limito a confermare la validità di questa tecnologia se correttamente applicata. Infatti il DAC Holo May che la implementa, dalle misure di ASR, esibisce una gamma dinamica di circa 130dB, che equivalgono ad una precisione effettiva di quasi 22 bit.

In sintesi, il miglioramento della linearità della rete resistiva, dal punto di vista tecnico, viene attuato per mezzo di una correzione dell'errore all'uscita con una fine calibrazione rispetto ai dati in ingresso. Questa calibrazione può essere attuata con circuiti misti digitali e analogici, oppure con processi totalmente digitali come nel caso che presenterò nel prossimo commento.

[Andrea Mori]

3 minuti fa, serbel ha scritto:

Andrea i 4 ladder , 2 per canale , escono sempre nel chip fgpa che controllare gli errori ?

Cioè il chip fgpa è essenziale o serve solo per oversampling , personalmente inutile 

grazie

Purtroppo non è possibile generalizzare, ogni DAC è implementato in modo diverso, può anche non esserci alcun FPGA poiché non è strettamente necessario.

Dove è implementato può assolvere diverse funzioni, che vanno dal sovra-campionamento, alla correzione degli errori per mezzo della calibrazione, alla gestione di un buffer FIFO (del quale parlerò più avanti, fino al pilotaggio diretto della rete resistiva.

Quindi si rende necessario analizzare i vari DAC caso per caso.

[m_b]

 

35 minuti fa, alexis ha scritto:

@Andrea Mori ci sarebbe da capire se i 16 bit del double crown sono sufficienti per il godimente massimo.. visto che (forse) pure l'orecchio e il cervello ha dei limiti, pure altissimi e in parte insondabili.. (pensiamo ai musicisti.. per esempio)

Ma su questa fondamentale questione dubito ci siano risposte esatte.. o credibili.

 

per alcune prove fatte "ad orecchio", quindi con tutti i limiti del caso, ho sempre riscontrato beneficio udibile nell'aumento della frequenza di campionamento (differenza udibile nel passaggio dai 44,1 a 88,2 .... molto meno, se non nulla, arrivando a frequenze ancora maggiori) piuttosto che nell'aumento dei bit.  

[alexis]

@m_b concordo in genere.. ma dipende sempre da come é stata fatta la ripresa audio.. ci si puo fare una buona impressione comprando per esempio i files della ecm in due risouzioni diverse 44 standard e 192 high res.. ebbene qui la differenza é molto evidente. E di piu.. ci sono chip che per anatomia/architettura interna lavorano meglio a 352, come il sabre del mio vecchio Mergin Nadac, come confermato a voce da parte del suo progettista.

[walge]

@alexis

nel Merging ( che in parte conosco come ottimo) si riescono a variare i parametri interni del dac Sabre? Che credo sia il 9018

[moos]

@Andrea Mori grazie per le informazioni

Quando ne avrai la possibilità, sono curioso di capire l'architettura utilizzata nel DAC Schiit Yggdrasil (la versione originale, chiamata OG). I produttori parlano di un'architettura "multi bit" (?) e dell'utilizzo di un convertitore nato non per uso audio ma industriale (precisamente l'AD5791 https://www.analog.com/en/products/ad5791.html).

Stiamo parlando di un'architettura R2R o delta-sigma? E perchè l'uso di quel chip?

 

Ultimamente sono passati ad utilizzare chip TI ma la versione originale, a mio parere, suona in modo sorprendente

Grazie

[hal999]

@Andrea Mori

Due domande:

- Mola Mola Tombaqui, come scritto precedentemente converte il PCM in DSD, però leggendo la prova di Stereophile vedo che nella risposta l’impulso ci sono pre e post ringining come da qualunque DAC PCM classico.

Visto che è un DSD non doverebbe avere una risposta senza pre e post ringning come da questa immagine pressa dal sito di Merging?

 

- Holo Audio May

Nella misurazioni di Stereophile si vede che quando questo DAC lavora come NOS, che io intendendo come R2R, il spettro del segnale audio e copiato sopra la frequenza di Nyquist.

Perché non c’è un filtro? E una caratteristica di DAC R2R oppure è una scelta progettuale?

 

[alexis]

@Ligo ma certo prima di tutto la qualità della pappa.. quindi della fonte... a seguire.. gli intoppi sulla del segnale sono innumerevoli.. dalle circuitazioni attive e passive, i connettori(!), i cavi, i crossover, i trasduttori e l‘ambiente. 

[Andrea Mori]

1 ora fa, moos ha scritto:

@Andrea Mori grazie per le informazioni

Quando ne avrai la possibilità, sono curioso di capire l'architettura utilizzata nel DAC Schiit Yggdrasil (la versione originale, chiamata OG). I produttori parlano di un'architettura "multi bit" (?) e dell'utilizzo di un convertitore nato non per uso audio ma industriale (precisamente l'AD5791 https://www.analog.com/en/products/ad5791.html).

Stiamo parlando di un'architettura R2R o delta-sigma? E perchè l'uso di quel chip?

Ultimamente sono passati ad utilizzare chip TI ma la versione originale, a mio parere, suona in modo sorprendente

Grazie

L'AD5791 è un DAC a 20 bit con struttura segmentata, ovvero i primi 6 MSB sono decodificati in 63 segmenti di uguale peso (la cosiddetta decodifica a "termometro" della quale parlerò più avanti), mentre i rimanenti 16 LSB sono decodificati con una classica rete resistiva R2R (datasheet allegato).

Quindi, a tutti gli effetti, è un DAC a rete resistiva segmentata e non un sigma-delta.

Tuttavia è un DAC prodotto da Analog Devices per applicazioni strumentali e mediche, e non specificamente per uso audio. Essendo un DAC a tutti gli effetti niente vieta di utilizzarlo anche in audio, l'ho fatto anch'io anni fa quando stavo sperimentando varie soluzioni architettoniche al fine di operare la scelta definitiva su quella che poi avrei adottato.

Non ho mai avuto l'occasione di ascoltare lo Schiit Yggdrasil quindi non saprei dire.

Tuttavia, dal punto di vista meramente soggettivo, io e le altre persone che hanno ascoltato il prototipo che ho realizzato con gli stessi AD5791 (nell'immagine), non siamo rimasti particolarmente impressionati dal risultato, tanto che alla fine questa soluzione è stata scartata a favore di altre. Sottolineo però che ho implementato l'AD5791 più o meno come da datasheet, senza sperimentare alternative che eventualmente avrebbero potuto migliorare il risultato finale.

[Andrea Mori]

40 minuti fa, hal999 ha scritto:

@Andrea Mori

Due domande:

- Mola Mola Tombaqui, come scritto precedentemente converte il PCM in DSD, però leggendo la prova di Stereophile vedo che nella risposta l’impulso ci sono pre e post ringining come da qualunque DAC PCM classico.

Visto che è un DSD non doverebbe avere una risposta senza pre e post ringning come da questa immagine pressa dal sito di Merging?

- Holo Audio May

Nella misurazioni di Stereophile si vede che quando questo DAC lavora come NOS, che io intendendo come R2R, il spettro del segnale audio e copiato sopra la frequenza di Nyquist.

Perché non c’è un filtro? E una caratteristica di DAC R2R oppure è una scelta progettuale?

Del Tambaqui parlerò più avanti quando ne descriverò l'architettura, quindi ti chiedo di pazientare fino a quel momento.

NOS e R2R sono due cose diverse, NOS significa Non Over Sampling, ossia il segnale in ingresso viene convertito esattamente come arriva, senza alcun sovra-Campionamento. Mentre R2R significa che la conversione avviene per mezzo di una serie di partitori resistivi che decodificano il segnale ricevuto, qualunque esso sia, tanto NOS che OS.

Quindi un DAD R2R può operare sia in modalità NOS che OS (se implementa filtri digitali per sovra-campionare prima di convertire), esattamente quello che fa l'Holo May.

Infatti il DAC Holo May ha diverse modalità operative a livello di filtri digitali, tra le quali anche la modalità NOS, ed a seconda della modalità scelta gli aliasing ed il rumore di conversione si spostano più o meno lontani dalla banda audio come si evince dall'immagine allegata.

[audio2]

@Andrea Mori chiedo una cosa

ho un micro dac poco più grande di un temperamatite, ha l' alimentazione esterna.

lo uso solo per ascoltare you tube dalla tv ( cavo ottico e poi dentro con rca nell' ampli )

beh a parte che suona male, una volta l' ho aperto e dentro in pratica non c'è niente.

però funziona, ma come fa.

[hal999]

2 minutes ago, Andrea Mori said:

 

Quindi un DAD R2R può operare sia in modalità NOS che OS (se implementa filtri digitali per sovra-campionare prima di convertire), esattamente quello che fa l'Holo May.

 

Grazie, questo pezzo mi mancava.

[max]

3 ore fa, alexis ha scritto:

ci sono chip che per anatomia/architettura interna lavorano meglio a 352

per quelli di ultima generazione è solitamente  così

[Andrea Mori]

In questo commento inizierò a descrivere una tecnica di calibrazione leggermente diversa da quella implementata da Holo, che comunque si prefigge lo stesso scopo.

Per chiarire le differenze, Holo applica una correzione continua, rilevando costantemente l'errore ed applicando simultaneamente la correzione, per mezzo di una tecnica di calibrazione mista digitale e analogica (infatti vengono usati resistori programmabili per correggere).

Nella tecnica che descriverò, invece la rilevazione viene eseguita una tantum su ogni specifico DAC, da questa viene prodotto un file di calibrazione che corregge gli errori esclusivamente nel dominio digitale, applicando costantemente la correzione ai dati in ingresso prima di inviarli alla sezione di conversione.

In pratica la rilevazione viene effettuata con un'applicazione che comanda il DAC, accendendo un bit per volta, e comanda anche un DMM a 7 cifre e mezzo tramite l'interfaccia GPIB, automatizzando completamente il processo di acquisizione.

Pertanto viene acceso un bit per volta, dall'MSB all'LSB (oltre a rilevare la massima ampiezza con tutti i 24 bit accesi), e vengono memorizzate le varie ampiezze del segnale di uscita, per poi confrontarle con l'ampiezza ideale che ci si aspetterebbe per ogni singolo bit acceso. La differenza esprime il valore dell'errore del partitore resistivo relativo ad ogni specifico bit, e viene calcolata la deviazione in numero di LSB. Ricordo che l'ampiezza ideale di ogni bit è esattamente la metà del bit che lo precede (con codifica MSB first).

Per capire come funziona il processo di calibrazione si prenda ad esempio il bit 13 + del canale sinistro.

Come si può vedere è stata calcolato un errore di 10 LSB, ossia la tensione misurata è inferiore a quella ideale di 2.4uV che equivalgono appunto a 10 LSB. 

 

L'algoritmo di calibrazione elabora in sequenza tutti i 23 bit che compongono la parola di dati, a partire dall'MSB (bit 23 +) fino ad arrivare al bit superiore all'LSB (2 +), dato che l'LSB non è correggibile. I bit elaborati sono 23 anziché 24 poiché trattasi di un DAC con architettura sign-magnitude (ne parlerò più avanti), dove i dati vengono suddivisi nei due quadranti positivo e negativo (23 bit ciascuno) dato che il 24esimo bit rappresenta il segno.

Se il bit è spento l'algoritmo non interviene. In questo caso, consideriamo solo il 13° bit acceso, quindi quelli superiori sono spenti, la parola binaria è 1 0000 0000 0000.

L'algoritmo applica la correzione aggiungendo 10 LSB per correggere l'errore del bit 13 +, pertanto la parola binaria corretta diventa 1 0000 0000 1010.

L'algoritmo continua l'elaborazione verso l'LSB saltando i bit spenti, per cui passa al bit 4 + che risulta acceso. Come si vede dalla tabella degli errori il bit 4 + necessita di una correzione pari a -1 LSB, quindi viene sottratto un LSB dalla parola di dati precedentemente calcolata ottenendo la nuova parola di dati 1 0000 0000 1001.

L'elaborazione della parola in ingresso a questo punto è terminata, in quanto i bit 3 + e 2 + sono spenti e l'LSB (bit 1 +) non può essere corretto.

Se a questo punto sommiamo le tensioni relative ai bit accesi della parola di dati che verrà inviata al DAC al posto di quella ricevuta in ingresso possiamo verificare l'efficacia della correzione. Il bit 13 + vale 972.7 uV, sommiamo la tensione del bit 4 + che vale 2.2uV, ed infine sommiamo la tensione relativa al bit 1 + pari a 0.2 uV, ottenendo una tensione pari a 975.1 uV, ovvero esattamente la tensione ideale che ci aspettavamo per il bit 13 + acceso (colonna Expected).

 

In questo caso la calibrazione digitale ha praticamente annullato l'errore dovuto alla tolleranza delle resistenze che compongono la rete resistiva R2R. Tuttavia non sempre la combinazione di bit diversi consente di ottenere una precisione del genere, normalmente l'errore finale è nell'ordine di 1-2 LSB, ottenendo un'accuratezza di 21-22 bit.

Questa è una semplificazione dell'algoritmo utilizzato per spiegarne il funzionamento in modo semplice, in realtà l'algoritmo è assai più complesso, perché ad esempio deve tenere conto anche di eventuali situazioni ove la correzione porta all'accensione del bit precedente già elaborato nella sequenza che si sposta dall'MSB verso l'LSB.

Spero di aver reso almeno un'idea del funzionamento, ma se ci sono domande sono le benvenute.

 

 

 

[max]

45 minuti fa, Andrea Mori ha scritto:

Spero di aver reso almeno un'idea del funzionamento, ma se ci sono domande sono le benvenute.

intanto grazie per questa divulgazione….

la domanda in questo caso quasi obbligata è: questa rilevazione una tantum quanto risulta affidabile al variare di condizioni esterne tipo alimentazione, temperatura, ecc. (fermo restando che a livello progettuale si può lavorare per ridurre l’entità di queste variazioni)?

 

[Andrea Mori]

20 minuti fa, max ha scritto:

intanto grazie per questa divulgazione….

la domanda in questo caso quasi obbligata è: questa rilevazione una tantum quanto risulta affidabile al variare di condizioni esterne tipo alimentazione, temperatura, ecc. (fermo restando che a livello progettuale si può lavorare per ridurre l’entità di queste variazioni)?

Le condizioni di alimentazione non cambiano, è sufficiente che la rilevazione venga effettuata nelle condizioni di lavoro definitive del DAC (alimentazione, oscillatori e via dicendo).

La variazione della temperatura, soprattutto nelle resistenze del ladder, è un dubbio che mi sono posto immediatamente.

Pertanto ho costruito una specie di termostato per far lavorare il DAC a temperatura costante e ho rilevato nuovamente le tensioni in queste condizioni. Il risultato ottenuto è stato più o meno lo stesso, qualche piccola variazione che comunque manteneva la stessa progressione, e quindi il file di calibrazione era efficacie in entrambe le condizioni.

Quello che potrebbe far cambiare un minimo le condizioni potrebbe essere l'invecchiamento dei componenti del DAC nel tempo, andrebbe verificato dopo qualche anno, direi almeno 5 o forse più.

Tuttavia, proprio per gestire anche questa eventualità, nella versione definitiva implementerò anche una scheda ADC/FPGA che potrà rilevare la condizione in qualsiasi momento e generare un nuovo file di calibrazione se si renderà necessario.  

[Andrea Mori]

3 ore fa, audio2 ha scritto:

@Andrea Mori chiedo una cosa

ho un micro dac poco più grande di un temperamatite, ha l' alimentazione esterna.

lo uso solo per ascoltare you tube dalla tv ( cavo ottico e poi dentro con rca nell' ampli )

beh a parte che suona male, una volta l' ho aperto e dentro in pratica non c'è niente.

però funziona, ma come fa.

Puoi fare una foto dell'interno e pubblicarla?

[serbel]

Sempre affascinato dai dac r2r , mi ero informato e la scelta era tra un holo e audio gd , avendo in zona un distributore di quest ' ultimo ho optato per audio gd , un r7 mk2 , 4 ladder e usato in nos spero di evitare fgpa , il clock lo rigenera usato in usb , andrebbe appunto usato  in temperatura ma la differenza è quasi nulla 

La scelta è stata quasi obbligata su un cinese per avere r2r