让“爱机”的声音“靓”起来

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  音响发烧友和电子爱好者对CD、VCD及其它音响设备的“摩机”一定不会陌生,在卫视爱好者的群体中,相信有一大批是原来的无线电和Hi-Fi爱好者,为了能欣赏到丰富的高保真广播节目而喜欢上了卫星接收。
   喜欢收听卫星广播节目的卫视发烧友,一定会对卫星接收机的音频效果特别在意。近几年市场流行的普及型卫星接收机大多在音频处理和整体电路的设计上存在这样或那样的不足。对于喜欢音响DIY的朋友,不妨与我一起动动手,用不太高的成本和不太复杂的改动实现我们的愿望。
   高斯贝尔GSR-D33卫星数字接收机是高斯贝尔公司2002年推出的一款产品,整机结构牢固,设计周全,用料精良。后面板有两组AV端子,一组S端子,一个RS-232软件升级接口。主芯片采用富士通MB87L2250处理器,视频编码器采用AV3169,画面纯净。音频DAC采用台湾生产的DA1193解码器,在普及型卫星接收机中音质尚可。
   发烧无止境,经过细心研究,我认为该机仍然还有摩机的余地。
  改进和提高原机音频效果
   1、改进开关电源初级电路
   电源是音响玩家摩机的首选,更是展现接收机靓丽画面和美妙音质的首要保证。该机采用开关电源工作方式,其220V初级通道设计有抗干扰滤波电路,整流后的滤波电容为68μF高压电容。由于开机时具有很大的冲击电流,常对保险丝和整流部件造成损坏,因此为避免这种故障的发生,原机在电源输入电路中设计串接有热敏电阻(NTC),该元件为负温度系数热敏电阻,在冷态时其阻值较大(6Ω),限制开机接通电源瞬间产生的强大冲击电流。当开机大电流流过其上时,电阻变热,其阻值迅速减小,保证电源在正常工作时,消耗在其本身上的功率最小,从而降低电源的损耗,提高效率。
   虽然卫星接收机一般的功耗都在10~20W之间,但整机功耗是一个平均值。由于接收机的消耗电流是变化的,而且电流峰值可能会很高,因而为降低电源内阻、提高电源响应,针对以上设计,用彩电优质电容(100μF/450V)和高压、高速大电流二极管分别替换下主滤波电容(C1)和初级整流二极管(VD1、VD2、VD3、VD4)。
   2、提高原机音频电路的电源电压
   该机原设计的模拟音频电路的供电电路见图1所示。
  
   从图1中可以看出,该机开关电源次级的一个绕组通过快恢复二极管(VD9)整流,经过电解电容(C7)滤波得到约22V的直流电压,然后经(V2)7812三端稳压集成块输出12V的单电源电压供给模拟音频电路。我们知道,常见的音频电路中所选用的运算放大器单电源电压最佳为18~36V,双电源电压为±9~±18V范围,最明显的例子就是10多年前索尼MDP455 LD机的模拟音频部分使用的就是±9V电源。本机模拟音频单元设计的12V单电源电压值与运放电路需要的最佳电压相比明显偏低,在放送交响音乐等大动态"爆棚"节目时,会使重放效果欠佳,因此就需要提高本机音频电路的供电电压。拆除7812三端稳压集成块,换上一只7815三端稳压器,把电容E11换成100μF/25V优质电容,再把主板上靠近电源插线排座的12V电源通路的滤波电容换成50V耐压的同容量或稍大容量的名牌电容,同时在其上并一个10nF高频电容。
   虽然从理论上而言,这种方案中运放的工作电压更趋合理一点,但对RC4558双运放来说,电源电压仍然偏低,虽然最为简单方便,但其对音频效果的提升实在是有限!
   3、模拟音频电路采用±双电源供应方式
   我们知道,对模拟音频信号而言,影响其在整个音频频谱范围内幅频特性均衡的一个重要原因是各级电路间的“耦合电容”。为了使模拟音频信号尽可能不失真地在各级电路中传输,采用±双电源能够使运放的输出直流电平接近地电平,从而可去掉耦合电容,而在级间直接耦合。
   观察本机的开关电源变压器,其体积较一般接收机的开关变压器的体积要大,因此它的功率余量自然也会大些,并且开关变压器的内窗口尚有空间。纵观一般接收机的音频缓冲放大器,需用的电流不超过几十毫安,换算成功率消耗约在百mW之内,与本机电源的功率总量相比(约10W左右),完全可以在该开关电源变压器上再另外增加绕组,专门用于给音频缓冲放大器供电,由于原音频电路的12V电源已闲置,也可以视为电源总消耗并没有增加。
   卸下开关电源板,用空心针将开关变压器从电源印刷板上拆下,找φ0.3mm左右的漆包线3米,对折成双线并绕,由于成品开关变压器都是用高强度胶封固成一体化,业余条件下几乎不可能把磁体拆下,因此只能仔细、缓慢地在开关电源变压器内窗穿绕17匝,并用双面胶带做好防护,注意每一绕组的同相端,然后把一组绕组的头和另一绕组的尾连接起来作为中心抽头,增加的绕组连接和整流滤波电路见图2所示。
  
   为降低双电源的动态内阻及高频滤波效果,图2中双电源的滤波电容要使用2200μF/50V以上的并且在电解上并接10nF高频瓷介电容。观察该机开关电源板的印刷铜箔面走线较宽,故采取在该电源板上直接加装双电源电路元件的方法。由于音频单元采取双电源供应,原单独供应音频RC4558双运放的12V的电源已闲置(12V电源未向其他电路单元提供电源),因此拆去R15和7812三端稳压集成块,利用它们的安装孔和元件位置安置双电源中的部分整流滤波元件,按照双电源电路元件走向,在开关电源板次级部分空余部位用锯条改制成的刻刀挖刻印刷板,增加的双电源的所有元件在该电源板上完全可以都安置下来。原12V电源是通过15条并列排线电缆(电源板图的最外侧)连接于主板上的,新制作的双电源+18V可以利用这个12V通路。现在多出的-18V如何通向主板呢?观察排线发现,其中共有5条线都是作为地线与主板连接,那么我们就在这几条线上打主意,为了好改动,选定最里侧的一条地线,用刻刀把该线与电源板地线的连接挖断,最后用万用表检查一下,以保证与地脱离,增加的±18V电源安装完后,用万用表测量正负端口的对地电阻应正常。
   在不接通主板的情况下,对改制后的开关电源板通电检查,用万用表测量增加的双电源电压输出应该在±18V左右,如果在±40V左右,可把绕组的头尾对调,再次测量,电压应为±15~20V范围,至此电源板的改制宣告完成。这种改动电源排线可谓“专机专用”,优点是不需增加连线,缺点是较为麻烦,并且不能直接用到其他未作相应改动的D33主板上。-18V的连接也可以通过电源板空置的“J6”插座实现,不过要配置一个配套的双线插头与主板音频电路单元相通。
   另一种办法是不改动电源板,按图2单独制作一块双电源整流滤波电路板,制成后就近固定在该机的成品电源板上即可。图3为开关电源板的改动示意图,图4为电源板改装后的实体图。
  
   由于现在已经把原来的单电源改为双电源方式,因此,其主板中的音频放大电路部分的印板也要作相应的改动才能正常工作,改动示意图见图5。
  
   在电源板改动中,±18V双电源的“负极”是通过最里面的插线来实现的。因此,在主板中也要让对应的插线端脱离“地”才行,用刻刀把主板上“CON2”位置的插线的两面与“地”完全割开,在主板的背面,用一软线直接跳连到缓冲运放的4脚,最后,用万用表自电源板到主板逐一检测一遍,保证所作的上述改动正确无误。
   4、替换该机的模拟音频运算放大器
   经过查对资料发现,高斯贝尔D33接收机所用的DA1193音频解码器与前几年卫星接收机大量应用的PCM1723E的功能和引脚排列完全一样。
   DA1193是一个芯片内置可编程PLL的高性能立体声数字/模拟变换器,它采用24脚SSOP封装,主要应用于消费类电子产品,如 DVD播放器、DVD-ROM 驱动器、MPEG2 卡以及机顶盒等等。它可接受16、20和24bits的输入数据,支持音频的采样率从16 KHz到96 KHz。 通过它的3 线串行接口,DA1193能提供如下的多种控制特征:
   多种的数据格式和数据位数(字长):
   支持16/20/24位
   支持常态和IIS数据格式
   支持多种采样率:
   支持三种采样:
   22.05/44.1/88.2kHz
   24/48/96kHz
   16/32/64kHz
   性能参数:
   失真度:-90dB
   动态范围:96dB
   信噪比:100dB
   综合性能:
   内置可编程锁相环
   超采样数字滤波器
   高性能高阶Δ-Σ DAC
   模拟低通滤波器
   去加重
   软件静音
   输出模式控制
   “零”检测开关控制
   它的引脚为:1-晶振入;2-系统时钟输出;3-锁相环电源;4-空;5-晶振频率输出;6、7、8-软件控制指令输入;9-复位输入;10-零输出;11-右声道输出;12-模拟地;13-模拟电源;14-左声道出;15-放大器公共端;16-BCK;17-DATA;18-LRCK;19-空脚;20-不接,空;21-数字电源;22-数字地;23-锁相环地;24-晶振出。
   从技术指标和音质听感来讲,DA1193与PCM1723E在常见的普及型接收机中,其性能是较好的,因此,我们先看后级模拟缓冲放大部分。
   在该接收机的主板中,模拟音频放大电路采用的是常见的贴片式八脚RC4558双运放集成电路,其DAC解码后的音频缓冲放大电路单元如图6所示。从图6电路中我们可以知道,模拟音频信号经过3倍放大,反馈电容C6、C8对高次量化噪音进行衰减。在该机主板上,同时排布有8脚DIP和SOP的4558运放的焊盘,RC4558双运放在我等音响发烧友眼里是不够好,最低要求也要用在十年前大名鼎鼎、现在仍占有一席之地的NE5532(想当初谁不拥有几只NE5532双运放似乎就不能算是音响发烧友)。本人元件库中正好还有几只数年前购进的贴片OPA275双运放,“闲而不用非礼也”,用风枪把该机音频放大RC4558贴片运放吹下来,然后在对应的孔位焊上一个8脚排插插针,把贴片OPA275焊在配套的转换板上,再把含有OP275的转换板焊在排插插针的顶端。
   5、音频输出后级再增加一级阻抗变换电路,提高输出负载能力
   为了进一步提高音频缓冲放大电路的负载能力,在图5电路输出端后级再加装一级完全负反馈放大电路,该级转换电路的特点是输入阻抗高,输出阻抗低,对各种耳机和放大器的推动能力更好。由于加装的这级放大器简洁,故采用搭棚焊接,直接并焊在改进后的第一级运放左侧,其输出端通过220μF电容直接跨接到接收机的一组音频输出插座上,其增加的后级放大电路见图7右半部分。
   如果不愿对本机主板的DAC后级部分改动,也可以自DA1193解码器的输出隔离电容C2、C10处引出DAC解码后的模拟音频信号,按照图12单独制作一块低频缓冲放大电路担当后级放大任务。
  加装PCM1716E音频解码器
   1、PCM1716E解码器
   经过以上的改进,高斯贝尔D33接收机的音频效果有了改善,但是物美价廉、性能优异的PCM1716E能否用到该机呢?对此也进行了研究和实践。
   PCM1716E是美国BB公司生产的支持LPCM的24 bit 96 kHz DAC中的中高档产品,其主要性能:
   动态范围:106 dB
   信噪比:106 dB
   THD+N:-97 dB
   通道分离度:102dB
   与以往产品的最大区别是PCM1716E采用了BB公司新近开发的增强型多级幅度量化高阶Δ-Σ调制器结构,在实际运用中可以提高音频动态范围,减小对时钟抖动(JITTER)的敏感度,降低由此引发的失真;内置8倍超取样96kHz取样率的数字滤波器还带有两种可选择的滚降特性:慢滚降和陡滚降,它的外围元件少,单5V电源,除LRCK、BCK、CLK信号外,DATA时钟信号即可以用晶振自身形成,也可以由外部输入,使用灵活,其成品板常常被音响发烧友们作为CD、VCD等摩机的首选,其优异性能在视听产品中获得一致好评。
   分析DA1193解码器的工作原理,可以确定MB87L2250处理器输出的PCM信号中含有DATA、LRCK、BCK、CLK信号,这为加装PCM1716E解码器提供了可能性。由于DA1193采用超小型SSOP贴片式封装,管脚非常稠密,业余条件下难以在此集成电路上并接DATA、LRCK、BCK、CLK四信号输出线。观察本机主板,发现在DA1193解码器的附近还设计有一组双列八脚安装空位,见图8。
   用万用表反复测量并对照资料,最后确定此八脚空位对应的功能见图8所示。该8脚空位是为CS4339 DAC解码器而设计的,估计厂家的目的是可以选择使用不同的音频DAC而形成产品系列。此空位设计的管脚之间距离较DA1193的脚距大,业余条件下焊接DATA、LRCK、BCK、CLK信号线已不成问题了,图9是PCM1716E应用在本机上的电路图。
  
   虽然PCM1716E解码器性能优异,外围元件少,但由于采用了28Pin、SSOP超小型贴片封装,管脚细密,业余条件下无法用手工刻制焊接板,只好采用板焊和搭棚焊相结合的办法,为加大管脚间的相互距离方便焊接,首先用细镊子把PCM1716E的管脚向上下方向交叉弯折(注意不能从管脚的根部),这样管脚间的距离增大,手工焊接就变的较为容易了,用细铜丝(网线铜芯线)把PCM1716E焊接到一块金属孔化的双面玻纤板上,图10是采用金属孔化的双面玻纤板自焊的PCM1716E实体图。
  
  PCM1716E与主板对照连接见表1。
  
   焊制的PCM1716解码板尺寸为:4.5cm×2.5cm,体积小,重量轻,为了减少DATA、LRCK、BCK、CLK信号发生畸变,要尽量缩短信号线的长度,为此在主板高频头后部里侧的空闲位置打一个3毫米孔(图11),直接在主板上通过螺丝固定PCM1716E电路板。
  
   找一支长度为4.5cm的M3螺丝,在主板的上、下两面垫上绝缘垫片(可用玻纤板裁成)并用螺母紧固好,然后再用两只M3螺母把PCM1716E解码板夹固悬定在离主板约3cm高度的位置,解码板音频模拟信号由三线插口输出到后级模拟放大电路(PCM1716E模拟音频输出的隔直电容放在后级电路板上)。
   2、专用的模拟音频放大电路
   俗话说,好马配金鞍,有了PCM1716E发烧级DAC解码器,后级缓冲放大自然也要选用发烧级的电路。为此选用了一款从闲置的成品DAC解码器上裁剪下来的后级部分,并加装了一级完全负反馈运放,图中的第一级为低通MFB电路,电压增益为1,转折频率32kHz,全部选用发烧补品元件,电路见图12。
  
   此电路板安放在机器内空闲位置并固定,音频输入与PCM1716E的13、16脚连接,音频输出通过3针插口输出直接焊接到主板的另一组音频输出端子(断开与主板DA1193输出的连接)。
   由于D33接收机的音量控制是CPU通过DA1193的串行三线接口(类似SPI接口)用软件指令码控制读写DA1193的内部寄存器,实现其控制设定DA1193的接收数据格式、音量输出、声道切换等设定操作功能的,并且无法修改D33接收机的软件,所以加装的PCM1716E不能使用软件控制模式,只能用硬件设定模式。也就是说不能通过遥控和面板操作的方式来实现对PCM1716E的音量调节功能,也无法实现两声道“左左、右右、左右”的转换,但这样恰恰可以原汁原味地享受卫星广播节目的最佳音质。用万用表测量PCM1716E的DATA、LRCK、BCK、CLK输出端口对地电阻值约在15kΩ左右(不同批次产品该值可能有所不同)。一切连接妥当并验证所有接口正确后开机试听,无论是推动音响放大器还是AKG240耳机,均可胜任。
   图13为改进后的整机外观图。
  
   MB87L2250对于DAC来说属于电压驱动,DAC对于前级MB87L2250来说负载很轻,因此,上述改进实例同时保留了两路DAC解码器。但由于DAC解码器并联后容易造成前级输出负载分布电容增大,脉冲前后沿变坏,所以应特别注意引线尽可能短、直,保证信号脉冲变化不要过大。用软线自主板引出PCM码流信号和5V电源时需注意的是,这些引线在主板的起始处一定要妥善固定好,否则引线易受外部晃动,其根部容易折断导致短路而损坏CPU处理器和DAC解码器。本人采取了在T3散热器的紧固螺丝上加套一粗铜条,铜条的另一端弯折夹固四个码流信号引出线,引线的出头要用排插插座并要牢记接口方向,加装的DAC摩机板上也安装排插插针(采用防反插插座更好),这样,主板和摩机板的连接会非常方便。在每一步改进中,要用万用表检测对地电阻是否正常,接口对应是否正确无误。
  后记
   在音响界,关于音频放大电路的电源,有的推崇用传统电源配以大水塘(大电容)提供,有的则偏向用开关电源提供,两者之争由来已久。
   开关电源的工作频率高、效率高,但有大量的高次谐波,对音频模拟S/N有很不好的影响,因此有的看法是高次谐波是影响音频放大电路音质的原因之一。但由于开关电源的工作频率大大超出人耳的可听频率范围(20~20kHz),在实际试听时音质并无明显不良感觉。在音频电源中主要的指标是纹波和内阻都要小,电源内阻分静态内阻和动态内阻,开关电源动态内阻大,因此使用开关电源在音响中是业界的难关之一。传统电源工作频率低、效率低,要有效降低电源内阻,提高音频放大电路的音质,需要提高变压器功率容量、整流滤波电容的容量以及整流管、稳压调整电路的响应速度等等。传统电源如果在卫星接收机内使用,由于变压器漏磁容易引入交流噪音,因此最好选用环形变压器或R型变压器,以进一步改善电源性能和减少电源杂讯对音视频信号的干扰。
   由于高斯贝尔GSR-D33接收机的整体用料精良,电源开关变压器功率余量大,为“摩机”提供了方便条件。本人浅显地认为,提高电源素质,使电源有充分的速率,是降低电源音乐性失真的主要手段。开关电源只要做好高频噪音的消除,用消耗电流小、静态电流变化幅度不大的前置级音频电路作为其电源供应还是可以接受的,本文音频低放电路电源就通过在开关电源变压器上以增加绕组的办法来实现。如感觉有必要,还可以在±18V后级增加一组有源伺服电源,或者增加一对LM317和LM337(性能更好的是LT317和LT337),以进一步降低电源纹波,同时在稳压器后加入2200uF以上电解并在其两脚并接薄膜电容作为高频补偿,业界对都推崇用专用耳放电路驱动耳机,耳放电路繁多,各有特点,各有偏爱。本文用运放作为耳放电路只是可以满足一般要求,各位发烧友如有兴趣,可以参考有关的文章另行制作更专业、更优秀的耳机放大电路来满足更高的欣赏要求。
   通过以上的实践过程,通过用一级精简的低通和一级缓冲放大电路输出组成新的音频单元,配合提高电路供电电压和选用口碑较好的发烧运放,并用性能更好的DAC解码器,使接收机的音频输出质量得以了提高。
   音响技术永远是个说不完的话题,本文同时介绍了对该机的几种常见的摩机方案,权作抛砖引玉,拥有该机的朋友和DIY高手,可以根据自己的喜好和动手能力及元器件的易购程度,选用一些市场上的PCM1716E成品板或更高级的DAC解码器,用自己中意的方式提高“爱机”的音频效果。
   本文得到stanleyjing先生的大力支持,在此深表谢意!
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