Компьютеры для аудио — Raspberry PI 3b & Hifiberry DAC-ADC pro

Знаменитые своим звуком компьютеры Power Macintosh G3 (blue & white) 1999 года стали редкостью, если они сейчас и появляются в продаже в России, то стоят несоразмерно дорого. Мой последний рабочий экземпляр пока работает, хотя и требует периодической профилактики, однако мысль о том, что в случае выхода из строя материнской платы ее нельзя будет заменить, откровенно напрягала. Для подстраховки было решено собрать другой вариант системы на более доступной основе — миникомпьютер Raspberry PI 3b с платой Hifiberry DAC-ADC pro 2016 года.

Главный недостаток современных компьютеров — умопомрачительная сложность применяемых в них микросхем и оборудования для их изготовления, в результате чего звук таких систем чаще всего оказывается замыленым и закрытым. С другой стороны, миниатюрная плата Raspberri в сравнении с Mac G3 имеет плюсы, в какой-то степени компенсирующие ее врожденные недостатки:

1. возможность использовать самодельный аналоговый источник питания
2. меньшее количество деталей
3. процессор без панельки и кулера
4. твердотельный жесткий диск
5. один внутренний разъем (в G3 семь внутренних разъемов)
6. самодельный корпус из правильных материалов в соответствии с необходимой направленностью
7. открытое программное обеспечение с возможностью управления аудио программами через терминал

Схема новой системы изображена на рис 1.

Коммутация

Современные АЦП и программы предназначены для работы со стерео и многоканальным сигналами, тонкости моно звучания никому не интересны — работает и ладно. В итоге наилучшее качество моно получается, если просто писать сигнал на один стерео канал, другие варианты (включая аналоговые) имеют в той или иной мере худшую ясность звучания. Контроль и прослушивание такого «одноканального стерео» возможен с помощью переключателей S4 и S5, которые коммутируют рабочий моно вход на оба канала усилителя, а в стерео режиме позволяют менять каналы местами.

В отличие от Mac G3, при закорачивании входов Hifiberri принципиальных потерь ясности не возникает (более удачные по направлениям выводы и внутренняя разводка входов микросхемы АЦП), выключатель S1 позволяет записывать моно сигнал на оба стерео канала — в некоторых ситуациях такой вариант оказывается предпочтительным по звуку. Входной моно сигнал при этом подается на разъем J2.

Схемотехника Hifiberry предельно проста, при этом у нее отсутствует специальный чип, который организует сквозной канал между независимыми АЦП и ЦАП (и это правильно). Коммутацию сигнала с АЦП на ЦАП можно организовать программно, однако качество звука и ограничения в использовании такого метода хуже аналогового варианта. Переключатель S2 позволяет прослушивать сигнал со входа во время записи напрямую в аналоге, здесь качество будет зависеть только от того, насколько точно вы сориентируете все детали и провода.

(!) Компоненты переключателей, разъемов и регулятора громкости были тщательно подобран так, чтобы их направленность соответствала контурам. В процессе работы над контактами переключателей подтвердилось одно из необычных свойств векторов — окраска и параметры вектора между любыми двумя точками А и Б на поверхности плоского проводника остаются неизменными, даже если между точками А и Б удаляется часть металла. Это одно из множества подтверждений тонкой (не электрической) природы направленности.

Блок питания

Трансформатор блока питания намотан на Ш железе 1930х, в обеих вторичных обмотках соблюдена направленность в ущерб правильному направлению намотки «по часовой стрелке» в одной из обмоток (наилучший вариант, который можно получить с броневым сердечником см. Симметричный трансформатор). Использовано двухполупериодное выпрямление (мост звучит хуже из-за двух дополнительных диодов). Функцию выпрямителей выполняют ранние германиевые P-N-P транзисторы П4 с правильно направленными медными основаниями и шляпками.

Стабилизатор сделан «в подвале» чтобы использовать тот же П4 в качестве регулятора напряжения и обвязку на старых, маломощных германиевых P-N-P транзисторах. Сигнал ошибки берется с TL431 из старых запасов, которая в тестах показала себя лучше вариантов стабилизаторов с использованием общепринятых 7805 из тех же ранних запасов.

(!) Качество звучания стабилизатора во многом зависит от тонких свойств регулирующего транзистора и выпрямителей, в чем П4 оказался вне конкуренции. Это не значит, что обвязка не имеет значения — испортить звук хорошей системы можно и одним неправильно сориентированным компонентом, в то время, как получить живое и ясное звучание системы в целом можно только на уровне наихудшего ее компонента (с поправкой на некий, сложно вычисляемый «коэффициент влияния»).

Для питания Raspberri PI 3в рекомендуется источник 5 вольт 2-2.5 ампер, однако у моей платки потребляемый ток оказался в среднем — 750 мА, с максимальной USB нагрузкой — 1А, что выяснилось после того, как корпус с большим радиатором был уже в работе. Радиатор было решено оставить, хотя по факту выпрямители на P4 на него можно было вообще не ставить, а его размер можно было уменьшить в два-три раза.

(!) Массивный радиатор заметно влияет на звук и должен подбираться по звучанию и по направленности. Мой экземпляр имел направленность снаружи-внутрь, поэтому его пришлось развернуть ребрами внутрь корпуса.

Расположенная на плате Rasspberri схема защиты шины питания не используется — питание подано в точку PP7 (см. фрагмент схемы выше).

Усилитель

Усилитель на TEA 2025 был взят от компьютерной колонки 1990х, коэффициент усиления схемы был снижен с помощью резисторов R11 и R12. Все лишние детали с платы были удалены, оставшиеся тщательно подобраны по звуку и направлению, плата подпилена и закреплена прямо на лицевой панели рядом с разъемами и переключателями с целью минимизировать количество соединительных проводов.

Компьютер

Дублирование земли и питания старыми проводами сделано только в тех точках, где его положительное влияние было наиболее заметно. Слепое дублирование всех дорожек, как это было сделано в G3, наряду с проявлением мягкой винтажной окраски может вызывать потери ясности если направление провода-дубля и вывода детали на плате противоположны. По хорошему, перед слепым дублированием надо ориентировать все припаянные к шине детали, что далеко не всегда возможно.

В АЦП HiFiBerry заменены разделительные конденсаторы и установлены стабилитроны защиты входов от возможного кратковременного перенапряжения, возникающего в выходном каскаде лампового корректора. На выходе ЦАП конденсаторы ФНЧ заменены на электролиты 1970х, подобранные с направлением от плюса к минусу. Так-же заменены резисторы 470 Ом, включенные последовательно с выходом АЦП. Исключить их не получилось — в случае высокой емкостной нагрузки (например, длинный соединительный кабель) без этих резисторов микросхема начинала шуметь. На замену установлены советские резисторы 1970х у которых все четыре элемента (корпус, резистивное покрытие и оба вывода) были направлены в одну сторону.

Внешний USB накопитель 128gb, используемый для хранения музыки, был разобран, чип памяти был припаян прямо к контактам платы. Питание чипа взято напрямую со стабилизатора 5 вольт (провод в белой изоляции на фото). Интересно, что чип памяти USB 128 Gb занимает сегодня в 2500 раз меньший объем, чем 3,5 дюймовый винчестер 25 летней давности, технический прогресс впечатляет.

Из-за простоты конструкции Raspberry, USB клавиатура и мышь влияют на ее звук сильнее, чем в обычных компьютерах. Соответственно, было протестировано с десяток разных клавиатур, мышей и шнуров. Шнур и разъем для мыши в итоге был спаян вручную. По ходу дела было определено предпочтительное направление проводов USB интерфейса — земля и оба провода данных от компьютера к потребителю, питание — от потребителя к компьютеру.

Корпус

Для удобства доступа к деталям корпус сделан полностью разборным, детали корпуса подобраны и состыкованы таким образом, чтобы расхождение их векторов в местах контакта с соседними элементами не превышало 90 градусов в каждой из трех проекций, все плоскости сориентированы «изнутри наружу». Боковые стенки и дно — из клена естественной сушки, покрыты шеллаком. Передняя и верхняя панели — из меди, вырезанной из какой-то старинной кастрюли, шурупы подобраны с направленностью изнутри-наружу.

Результаты

Показывает Raspberri не так четко, как Mac G3, что говорит о многом, так как ясность звучания компьютера практически всегда коррелирует с ясностью генерируемого им изображения. Разница частично может быть связана с использованием в Raspberry переходника HDMI-SVGA и тем не менее. С другой стороны улучшением видео я не занимался, хотя при желании его вполне можно улучшить пользуясь теми же законами, что и в аудио — контуры, винтаж и тд.

Звук поначалу не дотягивал до грудного, богатого тембрами звука G3, выровнять ситуацию удалось после двух работ над ошибками в разводке земель и питания, подборе деталей, особенно впечатлили улучшения после впайки USB флешки прямо в плату с исключением стабилизатора тока. Как результат — получилось настолько близкое по качеству звучание, что с учетом всех удобств Raspberry выбор пал именно на нее. Эпоха G3, похоже, на этом закончилась, хотя на все 100 не уверен. Моя последняя, оставшаяся в живых материнская плата G3 не самая лучшая по звуку, вдруг попадется более удачный вариант.

Ссылки

• Данные ЦАП Hifiderry PCM 5121
• Данные АЦП Hifiberry PCM 1863