มาแล้วครับ! DAC (DIGITAL TO ANALOG CONVERTER)+PBC

หากเราสังเกตเครื่องเล่น CD หรือ DVD ที่มีจำหน่ายอยู่ในบ้านเราท่านเคยสงสัยบ้างไหมว่า ช่อง OPTICAL, SPDIF และ COAX เหล่ามีไว้เพื่ออะไร คำตอบก็คือสัญญาณเสียงเอาต์พุตแบบดิจิตอลแท้ๆ ซึ่งต้องใช้ DAC แปลงสัญญาณเสียงแบบดิจิตอลให้เป็นอนาล็อก และต่อเข้าสู่ภาคขยายต่อไป สัญญาณเสียงแบบดิจิตอลที่ว่านี้มีมาตรฐานการต่อใช้งานเหมือนกันทั่วโลก เช่นจากซาวนด์การ์ดของคอมพิวเตอร์, ขั้วต่อด้านหลังของ CD-ROM DRIVE ของคอมพิวเตอร์ และ เครื่องเล่น CD, DVD ยุคใหม่
คำว่า DAC หลายๆ ท่านคงจะทราบกันมาบ้างแล้วว่าหมายความว่าอย่างไร แต่คำว่า NON OVER SAMPLING DAC น่ะสิคงจะเป็นที่น่าสงสัย และ น่าสนใจอยู่ไม่น้อย ซึ่งถ้าจะแปลความหมายให้สั้นๆ ง่ายๆ โดยรวมคือ การแปลงสัญญาณสัญญาณเสียงแบบดิจิตอลเป็นอนาล็อกโดยไม่มีการสุ่มสัญญาณ ให้นอกเหนือจากความเป็นจริง...เอาล่ะสิ...นั่นก็หมายความว่า DAC ที่มีจำหน่ายอยู่ทั่วๆ ไปก็เป็นการสุ่มสัญญาณนอกเหนือจากความเป็นจริงอย่างนั้นหรือ ?
ผมไม่ได้กล่าวว่าการสุ่มสัญญาณนอกเหนือจากความเป็นจริง มันไม่ดี เพียงแต่ว่ามันไม่บริสุทธิ์ ไม่มีความเป็นเอกลักษณ์ ทีนี้เรามากล่าวถึงความเป็นเอกลักษณ์ เช่น หัวเข็มของเครื่องเล่นแผ่นเสียง รับการเคลื่อนไหวของเส้นแรงแม่เหล็กมาแปลงเป็นสัญญาณเสียง และส่งเข้าสู่ภาคขยายเสียงต่อไป ซึ่งจะเห็นได้ว่าผ่านขั้นตอนต่างๆ น้อยมากเรียกว่าอนาล็อกแท้ๆ ไม่ต้องแปลงสัญญาณกลับไปกลับมาให้คุณภาพลดลงเลย

ถ้าหากเปรียบเทียบกันระหว่างจำนวนของแผ่น CD และแผ่นเสียง ในปัจจุบันจะเห็นว่ามีตัวเลขที่ต่างกันมาก เพราะค่ายเทปค่ายดนตรีในปัจจุบันจะเน้นการผลิต SOFTWARE ในรูปแบบ CD มากกว่าแผ่นเสียง ดังนั้นจึงเป็นการดีที่เราจะตอบสนองความได้เปรียบของ CD ด้วยการสร้าง NON OVER SAMPLING DAC ที่จะแปลงสัญญาณเสียงแบบดิจิตอลเป็นอนาล็อก โดยผ่านขั้นตอนต่างๆ น้อยมาก เช่นเดียวกับเครื่องเล่นแผ่นเสียง เพื่อรักษาความถูกต้องของเฟสเสียง อาจจะมีความผิดพลาดในการแปลงสัญญาณบ้างเล็กน้อยแต่ก็ขอให้เหมือนต้นฉบับ

อุปกรณ์เครื่องไม้เครื่องมือที่ใช้มองจากภาพก็รู้ว่าไม่มากไม่มาย เหมาะสำหรับนัก ฟังหูทอง กระเป๋าเบาบ้านเรายิ่งนัก หลักการทำการก็ง่ายๆ ไม่ยุ่งยากเริ่มจาก อุปกรณ์รับสัญญาณ หรือ Receiver ที่ถูกออกแบบให้นำ IC1 เบอร์ CS8412 ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นวงจรถอดรหัสสัญญาณเสียงแบบดิจิตอลที่แฝงมากลับคลื่นความถี่พาหะ ให้เหลือแต่สัญญาณเสียงแบบดิจิตอลเท่านั้น จากนั้นจึงส่งสัญญาณต่อไปเข้าสู่ IC2 เบอร์ TDA1543 เพื่อแปลงสัญญาณเสียงแบบดิจิตอลเป็นอนาล็อก และคัปปลิ้งผ่านตัวเก็บประจุส่งออกสู่เอาต์พุตต่อไป (ขั้นตอนนี้จะยังไม่กล่าวถึง IC3 และ IC4)
การออกแบบของ DAC (วงจรแปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นอนาล็อก) เป็นความฝันของผมมานานแสนนาน ถึงแม้จะทราบว่าอุปกรณ์ทั้งหมดไม่สามารถที่จะหาซื้อได้ง่ายนักในบ้านเรา อีกทั้งบนพื้นฐานที่ไม่มากมายในขณะนั้นความคิดที่เคยอยากจะออกแบบ DAC ดีๆ สักตัวจึงล้มเลิกไปชั่วคราว (แต่เดียวนี้หาอุปกรณ์ง่ายแล้วน้า!)

หลายๆ ท่านอาจจะเคยเห็นหรือได้ยินเกี่ยวกับการโฆษณาของเครื่องเล่น CD ที่มีจำนวนบิทสูงๆ หรือมีการแซมปลิ้งๆ สูงๆ แล้วจะทำให้เสียงดีที่สุด เปล่าเลยคำอ้างเหล่านั้นไม่ได้ทำให้เสียงดีขึ้นดังที่เขากล่าวเลย เราต้องมาพินิจพิเคราะห์ว่าวิธีการใหม่ มิใช่วิทยาการใหม่ที่ดีกว่าเสมอไป เพราะกระบวนการเหล่านั้นจะทำให้ประสิทธิภาพของวงจรโดยรวมลดลง เนื่องจาก Chip หลักๆ ในการทำงานเหล่านั้นไม่มีความสามารถสูงพอที่จะ ตอบสนองความสามารถที่สูงขึ้นของวงจรรอบข้างได้ (ยกตัวอย่างได้เช่นเดียวกับ CPU ความเร็วต่ำถูกนำมาใช้กับโปรแกรมที่ต้องการ การประมวลผลแบบ 3 มิติที่ซับซ้อน ความผิดพลาดย่อมเกิดขึ้นได้ง่ายกว่าปกติ) เหตุผลที่ได้ผลลัพธ์ออกมาย่ำแย่เช่นนี้ก็เนื่องมาจาก แผ่น CD ที่เราๆ ใช้กันอยู่นั้นประกอบด้วยข้อมูลจริงที่มาจาก Studio ล้วนๆ การที่เราไปดัดแปลงข้อมูลนั้นๆ เพื่อที่จะให้ได้ปริมาณที่มากขึ้น มีความเข้มสูงขึ้น ล้วนแต่เป็นการจำลองทำงานทั้งนั้น ไม่ใช่ข้อมูลที่แท้จริง และยิ่งถ้าเรายิ่งเพิ่มความละเอียดมากขึ้นเท่าไหร่ความผิดพลาดในการถอดสัญญาณก็จะมากขึ้นเป็นเงาตามตัว และการที่จะแก้ปัญหานี้ได้ก็ต้องพึ่งระบบ Over sampling DAC ราคาแพงเป็นการแลกเปลี่ยนกัน ซึ่งค่าใช้จ่ายคงจะต้องอยู่ที่หลักหมื่นอย่างไม่ต้องสงสัย ถึงกระนั้นเองเสียงที่รับฟังได้ก็ยังไม่ใกล้เคียงเครื่องเล่นแผ่นเสียงเท่าใดนัก
โดยทั่วไปเรามักจะเรียกว่า Coaxial ซึ่งมาตรฐานของอินพุตดิจิตอลชนิดนี้จะต้องสามารถใช้ได้กับเครื่องเล่นซีดี หรือ ดีวีดี ทั่วโลกโดยจะมีความต้านทานอินพุตประมาณ 75 โอห์ม และ เช่นเดียวกันสายสัญญาณดิจิตอลที่นำมาใช้ก็ต้องเป็นสายโคแอกเชี่ยลแบบ 75 โอห์มเช่นกัน ซึ่งท่านสามารถที่จะหาซื้อได้ทั่วไป ในที่นี้ผมจะไม่กล่าวถึง อินพุต / เอาต์พุตแบบออพติคอลนะครับเพราะเทคโนโลยีการผลิตสายสัญญาณไฟเบอร์ออพติค และ เทคโนโลยีการผลิต LED Optical สำหรับเครื่องเสียงยังไม่พัฒนาถึงจุดสูงสุด ถึงแม้ว่าแสงจะมีแบนด์วิดธ์กว้างกว่าสายสัญญาณโลหะก็ตาม สิ่งนี้เหล่าชาวนักเล่นเครื่องเสียงทุกท่านทราบดีว่าแตกต่างกันอย่างไรซึ่งผมจะไม่พูดถึง

Receiver :

หลังจากที่เราได้เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของชิพที่นำมารับสัญญาณดิจิตอล จาก CS8412 เป็น CS8414 โดยที่ยังคงมีคุณสมบัติต่างๆ เหมือนเดิม CS8412 รับสัญญาณ 48 Khz แต่ CS8414 รับสัญญาณ 96 KHz
ดังนั้นถ้าใครมีเครื่องเล่น DVD ที่ปล่อยสัญญาณ 96 KHz ที่ audio digital out ก็ลองเอา DVD มาเป็น transporter ส่งให้ CS8414 ได้ แต่อย่าลืม set audio out เป็น PCM ด้วยนะครับโดยที่การแปลง CS8414 ให้สามารถใช้งานแทนที่ CS8412 ซึ่งเป็น DIP 28 PIN ได้นั้นต้องอาศัย Adaptor มาขยายไซ้ส์เนื่องจาก CS8414 ถูกออกแบบมาให้เป็นชิพแบบ SMD (Surface mounting device) เวลาจะใช้ CS8414 แทน Cs8412 ก็ต้องทำ PCB แปลงขาแบบที่เรียกว่า Adaptor แบบนี่ครับ
โดยปกติแล้ว Digital receiver หลายๆ รุ่นก็สามารถที่จะส่ง Output ออกเป็นสัญญาณ I2S ได้อยู่แล้วไม่ว่าจะเป็น Digital receiver ราคาถูกหรือราคาแพง แต่ประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณ Output แบบ 3-wire interface ได้ 8 รูปแบบ โดยที่ CS8414 จะถูกตั้งให้ส่ง Output แบบ I2S ออกมาเพื่อป้อนเข้าสู่...แทนที่จะป้อนเข้าสู่ TDA1543 โดยตรง Digital receiver ตัวนี้ใช้แหล่งจ่ายไฟ 2 ชุดคือ Digital supply ที่จ่ายให้วงจร Digital ทั้งหมด และ Analog Supply ซึ่งจ่ายให้วงจร Phase Lock Loop ให้วงจรเพื่อกำหนดฐานเวลาของ Output ซึ่งไฟที่เข้าตรงจุดนี้ต้องผ่านการ Regulated ที่ดีเยี่ยมเท่านั้น เรียกว่าต้องพยายามทำให้มี Noise น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ ร่วมกับการ Decoupling อย่างถูกต้องทางเลือกอีกวิธีหนึ่งคือใช้ตัวเก็บประจุ บัดกรีใต้แผ่นวงจรคร่อมระหว่างขา 7 และ 8 โดยตรงซึ่งเป็นภาคจ่ายไฟของตัวมันเอง จะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้อย่างดีเยี่ยม และ อีกหนึ่งจุดที่สามารปรับแต่งคุณภาพได้อีก คือ Filter ของ PLL เป็นวงจรที่จะคอย Lock การทำงานของ IC เข้ากับสัญญาณ SPDIF ที่เข้ามาเพื่อกำหนด Sampling rate ของ Output สังเกตได้ว่าที่ขา 20 มีชื่อเรียกว่า Filter จำเป็นต้องมี R และ C ต่ออนุกรมกันลงกราวนด์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นวงจร Low-pass filter ของ PLL ที่ว่านี้ การปรับแต่ง Filter ตัวนี้จะมีผลต่อ Jitter ที่ออกมาจาก CS8414 ไม่ว่าจะกำหนดให้ทำงานที Format ใดก็ตามวิธีการปรับแต่งก็คือทำการลดค่า R และ เพิ่มค่า C เพราะทำให้ความถี่จุดตัดลดลง ฐานเวลาของ Output ก็จะเที่ยงตรงมากขึ้น ซึ่งก็หมายถึง Jitter ที่น้อยลงด้วยเช่นเดียวกัน

Reclock :

ก่อนที่จะเขียนบทความนี้ผมนั่งตรึกตรองอยู่นานว่าจะเขียนมันขึ้นมาดีหรือไม่เพราะมันยากแก่การเข้าใจสำหรับผู้ที่ไม่เคยได้ยินเทคนิคนี้มาก่อน ซึ่งอธิบายได้ง่ายๆ ว่า Reclock เป็นเทคนิคการลดความผิดพลาดในการประมวลผลสัญญาณดิจิตอลชนิดหนึ่ง ซึ่งในวงจรนี้ถูกออกแบบให้ใช้ D-Flipflop เบอร์ 74F74 ซึ่งสามารถที่จะรองรับความถี่สัญญาณ 96 KHz ได้เป็นอย่างดี โดยเราจะวาง 74F74 แทรกลงไประหว่าง Digital receiver และ DAC ปกติการ Reclock ที่ผ่านๆ มา เราก็มักจะใช้ Precision Clock ที่มีความถี่ Synchronize กับความถี่ที่จะถูก Reclock เช่นกรณี CD 44.1kHz 256X ก็ 11.2896MHz, 384X ก็ 16.9344MHz ลักษณะนี้เป็นต้น ซึ่งจะเรียกว่า Synchronous Reclock ลงไปในภาคฐานกำหนดเวลาแทนวงจรเดิม เพื่อช่วยเพิ่มความถูกต้องแม่นยําในการทํางานของ Digital Receiver และส่งผลไปถึงสัญญาณ Digital Audio Interface แบบ 3 เส้น ที่ส่งออกมาด้วยไม่ว่า Format ใดก็ตาม แต่ในกรณีที่นอกเหนือจากการออกแบบนี้ เราสามารถที่จะใช้ Synchronous Reclock เท่าไรก็ได้ที่เราต้องการตั้งแต่ 11.289MHz ไปจนถึง 100MHz ได้โดยไม่มีปัญหาใดๆ ผลลัพธ์ที่ออกมาจะขึ้นอยู่กับคุณภาพของ Oscillator ที่นำมาใช้ว่าสามารถที่จะรักษาความถูกต้องของสัญญาณนาฬิกาสูงๆได้ดีแค่ไหนค่าใช้จ่ายในส่วนนี้เริ่มตั้งแต่ 50 – 1,500 บาท นับว่าแปลกมากสงสัยว่าข้างในตัวถังโลหะน่าจะมีอะไรที่แตกต่างกันอย่างเป็นแน่แท้

Power Supply :

ในการทดสอบการฟังบางครั้งผมรู้สึกได้ว่าการใช้แบตเตอรี่ในการจ่ายไฟฟังดูแล้วให้ผลลัพธ์ในแง่บวกที่ดีกว่าแหล่งจ่ายไฟแบบเรกกูเลต เพราะแบตเตอรี่มักจะไม่มี Noise ดังนั้นจึงทำให้ Background ของเวทีเสียงฟังดูแล้วเหมือนจะดูลึกกว่า สงัด เสียงร้องฟังดูชัดเจนทุกถ้อยคำ ขนาดที่เราต้องการคือ แรงดัน +12V กระแส 7.2A เป็นอย่างต่ำ

ต่อไปนี้จะเป็นการสร้างแรงดันไฟ 5 V จากแหล่งจ่ายไฟ +12V โดยเราจะแยกเป็น 3 ภาคจ่ายไฟหลักๆ คือ Receiver Digital / Analogue และ DAC โดยเราจะใช้วงจร Shunt Regulator TL431 เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้กับ Receiver ที่กระแสไม่เกิน 500mA และ ใช้วงจร LM317T ที่สามารถปรับระดับแรงดันได้ ตั้งแต่ 8V – 9V เพื่อเป็นวงจรเรกกูเลตให้กับ DAC

สำหรับการดีคัปปลิ้งเราจะใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กทรอไลท์ค่า 2 2uF เพื่อลดการออสซิลเลตภายในของ IC ต่างๆ และที่สำคัญค่าของตัวเก็บประจุคัปปลิ้งนี้สามารถที่จะเพิ่มค่าได้ไปจนถึง 220uF แต่ต้องไม่ลดค่าให้ต่ำกว่า 5uF เพราะจะทำให้ TL431 เกิดการออสซิลเลตเสียเอง

จุดต่อใช้งาน

จุดต่อใช้งานบนแผ่นวงจร จะเหมือนกับ DAC มาตรฐานทั่วไป เช่น
1. SPDIF IN เป็นจุดอินพุตแบบดิจิตอลที่มาจากขั้วต่อแบบโคแอกเชี่ยล ซึ่งต้องมีตัวต้านทาน 75 โอห์มต่อลงกราวนด์ด้วย
2. 12 V เป็นจุดจ่ายแรงดันไฟ DC ที่ผ่านการเรกกูเลตแล้ว มีทั้งหมด 3 จุด
3. GND เป็นจุดลงกราวนด์ของวงจรทั้งหมด ในแผ่นวงจรให้เลือกใช้เพียง 1 จุด
4. OUTR / OUTL เป็นจุดสัญญาณเสียงเอาต์พุต ซึ่งต้องผ่านตัวเก็บประจุคัปปลิ้งอีกครั้งหนึ่ง

วิธีปรับแต่งใช้ งาน

1. จ่ายไฟ +12 V ที่ผ่านการเรกกูเลตแล้ว เข้าจุด 12V ทั้ง 3 จุดบนแผ่นวงจรอาจจะพ่วงกันก็ได้หรือว่าแยกจ่ายอิสระทั้ง 3 จุดก็ได้ (หากไม่ใช้ภาคจ่ายไฟแบบเรกกูเลตก็สามารถใช้ แบตเตอรี่ 12V ได้)
2.ปรับ P2 เพื่อรักษาระดับแรงดันไฟที่ขา 5 ของ IC2 ให้ได้อย่างต่ำ +8.5V
3. ปรับ P1 จนกว่าแรงดันไฟที่ขา 7 ของ IC2 ได้อย่างต่ำ +3.85V หรือจนกว่าสัญญาณเสียงเอาต์พุตจะดังเต็มที่

หมายเหตุ
เครื่องเล่น CD / DVD ที่จะนำมาใช้เป็น Transportor จะต้องมีช่องเอาต์พุตชนิด Digital Coax เท่านั้น ซึ่งในปัจจุบันนี้แทบจะทุกยี่ห้อไม่ว่าจะเป็น เครื่องที่ผลิตในเอเชียหรือผลิตในยุโรป ต่างก็มีช่องสัญญาณเอาต์พุตแบบ Digital Coax ด้วยกันทั้งสิ้น