شرح المحولات الرقمية التناظرية متعددة البتات NOS: شرائح TDA1541 وPCM1704 والشرائح الكلاسيكية

عادت المحولات الرقمية التناظرية دون إفراط في أخذ العينات (NOS) والمحولات متعددة البتات إلى الرواج، ومعها مفردات يسهل الخلط بينها: NOS، ومتعدد البتات، وR-2R، والسلم، ودلتا-سيغما، وbitstream. يوضح هذا الدليل المصطلحات، ويصف شرائح Philips وBurr-Brown الكلاسيكية التي تُبنى حولها تصاميم NOS، ويعرض بوضوح ما يقدمه محول NOS وما ثمنه.

ماذا يعني NOS (دون إفراط في أخذ العينات)؟

يخزن القرص المدمج 44,100 عينة في الثانية لكل قناة. ويمرر كل محول DAC حديث تقريبًا هذه العينات أولًا عبر مرشح استيفاء رقمي. يحسب المرشح عينات إضافية بين العينات الحقيقية (فرط أخذ العينات، عادة بثماني مرات أو أكثر)، ويزيل الصور المرآوية للنطاق الصوتي التي تنشأ عن أخذ العينات. وبعد ذلك فقط تحوّل شريحة التحويل الأرقام إلى تيار أو جهد.

أما المحول الرقمي دون إفراط في أخذ العينات فيستغني عن هذه المرحلة. إذ تُحوَّل كل عينة أصلية لحظة وصولها، وتُثبَّت قيمتها حتى تصل العينة التالية. ويسمي المهندسون ذلك التثبيت من الرتبة الصفرية (Zero-Order Hold): فيُرسم شكل الموجة على هيئة درج دقيق. وأي تنعيم يحدث بعد ذلك في المجال التناظري: في مرحلة الخرج، أو في مرشح تناظري لطيف الانحدار، أو ببساطة في عرض النطاق المحدود لبقية المنظومة.

يعني NOS في هذا المقال «دون إفراط في أخذ العينات». ولا علاقة له بالاختصار نفسه بمعنى «new old stock»، أي المخزون الأصلي غير المستعمل من الصمامات القديمة، وإن كانت محولات NOS كثيرًا ما تستخدم هذه الصمامات أيضًا.

متعدد البتات وR-2R ودلتا-سيغما: ما الفرق؟

يخلط سؤال «R-2R أم متعدد البتات؟» بين مستويين. فمصطلح «متعدد البتات» يصف ما يفعله المحول: إنه يحوّل كل عينة في خطوة واحدة، بعنصر موزون واحد لكل بت، فتبدّل كلمة 16-bit ستة عشر تيارًا موزونًا في آن واحد. أما R-2R فيصف طريقة واحدة لصنع هذه الأوزان: سلم من المقاومات بقيمتي R و2R. لذا فكل محول R-2R متعدد البتات، لكن ليس كل محول متعدد البتات سلم مقاومات.

• شرائح متعددة البتات بمصادر تيار موزونة. تولّد شريحتا Philips TDA1540 وTDA1541 تيارات موزونة ثنائيًا، وتحافظان على دقتها بالمواءمة الديناميكية للعناصر (Dynamic Element Matching)، التي تبادل باستمرار بين مصادر التيار الخاصة بالبتات الأعلى قيمة، فيُلغي بعض أخطائها الصغيرة بعضًا في المتوسط.
• شرائح متعددة البتات بسلالم مضبوطة بالليزر. تحتوي شريحتا Burr-Brown PCM63 وPCM1704 على شبكات مقاومات تُضبط في المصنع، مع دوائر إضافية حول نقطة العبور الصفري، حيث تكون أخطاء السلم أشد تأثيرًا في الموسيقى الهادئة.
• سلم R-2R منفصل (Discrete). سلم يُبنى على لوحة الدائرة من عدد كبير من المقاومات الدقيقة، ويُبدَّل بالمنطق الرقمي. ومعظم المنتجات الحالية التي تُباع باسم «R2R DAC» تعمل بهذه الطريقة.
• دلتا-سيغما. يستخدم المحول عددًا قليلًا جدًا من المستويات بمعدل مرتفع جدًا، ويدفع الضوضاء الناتجة إلى ما فوق النطاق الصوتي (تشكيل الضوضاء). وتأتي الدقة من التوقيت لا من تطابق المكونات. وقد أطلقت Philips على نسختها ذات 1-bit اسم «bitstream». وتكاد كل الشرائح الحديثة تكون من نوع دلتا-سيغما؛ وبعضها يستخدم بضع بتات بدلًا من بت واحد، مثل Cirrus Logic CS4397، وهو تصميم دلتا-سيغما متعدد البتات.

إذن فالفرق في سؤال «1-bit أم متعدد البتات؟» فرق حقيقي في البنية، أما سؤال «R-2R أم شريحة متعددة البتات؟» فيتعلق في الغالب بمكان السلم: على السيليكون أم على لوحة الدائرة.

الشرائح الكلاسيكية في لمحة

توقف إنتاج الشرائح الخمس كلها منذ زمن طويل. والبناء بها اليوم يعني الحصول عليها من مخزون قديم وفحص كل قطعة، إذ تُتداول في السوق شرائح أُعيدت كتابة علاماتها.

شريحة Philips TDA1540

شريحة التحويل في أول مشغلات الأقراص المدمجة من Philips. وهي شريحة 14-bit؛ وكانت تعمل في تلك المشغلات مع فرط أخذ العينات بأربعة أضعاف وتشكيل الضوضاء لتبلغ أداء 16-bit. وعندما تُغذّى مباشرة بكلمات 16-bit، لا تستطيع شريحة 14-bit وحدها تحويل البتين الأدنيين، لذا فطريقة تعامل تصميم NOS معهما قرار تصميمي. ويصف المستمعون صوتها غالبًا بأنه طبيعي وغير متكلف.

شريحتا Philips TDA1541 وTDA1541A

الخليفة الستيريو بدقة 16-bit، والشريحة الأكثر ارتباطًا بمحولات NOS. وقد فُرزت درجات مختارة من TDA1541A، تحمل العلامتين S1 وS2 (قطع «التاج الواحد» و«التاج المزدوج»)، لخطية أفضل. وتوصف عادة بأنها انسيابية وممتلئة النغمة، بديناميكية قوية؛ ويجد بعض المستمعين تردداتها العالية أقل امتدادًا من ترددات الشرائح الحديثة.

شريحة Philips TDA1547

تنتمي TDA1547، التي تُعرف غالبًا باسم DAC7، إلى عائلة مختلفة. فهي محول bitstream بدقة 1-bit، وليست شريحة متعددة البتات، وقد صُممت لتستقبل إشارة عالية المعدل مشكَّلة الضوضاء من شريحة معالجة مرافقة مثل SAA7350. ففرط أخذ العينات إذن جزء من طريقة عملها. ويصف مالكو مشغلات التسعينيات المبنية عليها أداءً ناعمًا وداكنًا ومصقولًا. والمقارنة بين TDA1541 وTDA1547 مقارنة بين بنيتين، لا بين جيلين من الفكرة نفسها.

شريحة Burr-Brown PCM63

شريحة أحادية القناة بدقة 20-bit بتصميم Colinear: سلمان متتامّان مرتبان بحيث يبقى خطأ الانتقال الرئيسي (Major-Carry) صغيرًا عند نقطة العبور الصفري، وهي النقطة التي تمر بها كل إشارة هادئة. وقد صُنفت القطع بحسب خطيتها، وكانت الدرجة K أكثرها انتقاءً. وتوصف عادة بأنها رحبة الأبعاد وذات ثقل. وتتناول ملاحظاتنا على ورقة بيانات PCM63 الدرجاتِ وخرج التيار بمزيد من التفصيل.

شريحة Burr-Brown PCM1704

شريحة أحادية القناة بدقة 24-bit بصيغة الإشارة والمقدار، وهي آخر محولات السلم الكلاسيكية من الفئة الراقية. وتوصف عادة بأنها دقيقة، بجهير متحكَّم فيه وبداية نغمة قوية. وحين يُسأل المستمعون «PCM63 أم PCM1704؟»، فإنهم عادة يقابلون رحابة PCM63 وامتلاءه بتحكم PCM1704 وتفاصيله.

ماذا يقدم لك NOS؟

• لا مرشح رقمي في المسار. المرشحات الحادة لفرط أخذ العينات ترنّ قبل الإشارة العابرة وبعدها. ولا يحتوي محول NOS على مرشح كهذا، لذا لا تُظهر استجابته النبضية رنينًا مسبقًا (Pre-Ringing).
• مسار إشارة قصير وبسيط. لا شريحة استيفاء، ولا مجال ساعة إضافي، وعدد أقل من المكونات بين البيانات والخرج.
• شخصية الشريحة. يفضّل كثير من المستمعين الكثافة النغمية لشريحة جيدة متعددة البتات عند المستويات المنخفضة، ويتيح NOS وصولها إلى الخرج دون تغيير.

ما ثمن NOS؟

• انخفاض الترددات العالية. للتثبيت من الرتبة الصفرية انحدار لطيف خاص به في الترددات العالية. ففي محول نظري يعمل عند 44.1 kHz يبلغ الانخفاض نحو 0.7 dB عند 10 kHz ونحو 3.2 dB عند 20 kHz. وهذا أحد أسباب وصف تصاميم NOS وبعض تصاميم R-2R بأنها ناعمة لا حادة في الترددات العالية.
• ترددات الصور. من دون مرشح رقمي تظهر صور مرآوية للنطاق الصوتي فوق 22.05 kHz. فنغمة 20 kHz تصحبها صورة عند 24.1 kHz بمستوى أدنى بقليل فقط. والصور في حد ذاتها غير مسموعة، لكنها تصل إلى المضخم والتويتر، وأي جزء غير خطي عند هذه الترددات قد يعيدها مطويةً إلى النطاق الصوتي. فإما أن يضيف المصممون مرشحًا تناظريًا لطيفًا، وإما أن يقبلوها مقابل مسار أبسط.
• الأداء المقيس. التشوه والضوضاء أعلى مما في محول دلتا-سيغما حديث، والخطية الحقيقية بدقة 16-bit تتوقف على الشريحة ودرجتها.
• الصيغ. تُصمم محولات NOS لإشارة 16-bit / 44.1 kHz. أما معدلات أخذ العينات العالية وDSD فتتطلب بنية مختلفة. ويشرح مقالنا عن SACD وDSD السبب.

لماذا تهم مرحلة الخرج إلى هذا الحد

تقدم الشرائح الخمس كلها تيارًا لا جهدًا. ويجب أن تحوّل مرحلة الخرج هذا التيار إلى جهد (تحويل I/V)، وأن تضيف كسبًا وتقود الكابل إلى المضخم. ويمكن إجراء التحويل بمقاومة، أو بمضخم عمليات (Op-Amp)، أو بمحول كهربائي (Transformer)، أو بمرحلة صمامية. وفي محول NOS تستقبل مرحلة الخرج ترددات الصور أيضًا، لذا يكتسب عرض نطاقها وخطيتها فوق 20 kHz أهمية أكبر مما لو جاءت بعد مرشح رقمي.

مرحلة خرج صمامية أم ترانزستورية؟

توفر المرحلة الترانزستورية معاوقة خرج أقل وضوضاء أقل، ولا تتأثر بطول الكابلات. أما المرحلة الصمامية فتضيف في الغالب توافقيات من الرتب الدنيا، يسمعها كثير من المستمعين امتلاءً أكبر وهواءً (انفتاحًا في الترددات العالية) أكثر حول الأصوات البشرية؛ وهي تحتاج إلى فترة تسخين، وصماماتها تتقادم. وليست أي منهما صحيحة في ذاتها. فالاختيار يتوقف على المضخم الذي يليها، وعلى مقدار التلوين الذي تضيفه بقية المنظومة أصلًا.

محول NOS أم فرط أخذ العينات أم المنطق القابل للبرمجة؟

إن كانت معظم مكتبتك أقراصًا مدمجة وبثًا بجودة القرص المدمج، فإن محول NOS متعدد البتات يشغلها دون تحويلها إلى معدل آخر. وإن كنت تستمع إلى ملفات عالية الدقة أو DSD، فالتصميم القائم على فرط أخذ العينات يناسبك أكثر. وتقف المحولات القائمة على المنطق القابل للبرمجة (FPGA) في الطرف الآخر: فالمصمم يكتب المرشح بنفسه، وبعضها يحوّل كل إشارات PCM إلى DSD. وسؤال «منطق قابل للبرمجة (FPGA) أم R-2R؟» هو في الحقيقة سؤال فلسفة: ترشيح محسوب في مقابل غياب الترشيح كليًا.

أي أجهزة Demograf Audio يناسبك

• محول Reference Tube DAC هيكل واحد يُصنع بخمس نسخ، ولكل نسخة اسمها الخاص بحسب شريحتها: Calliope (TDA1540)، وPersephone (TDA1541)، وAphrodite (TDA1547)، وArtemis (PCM63)، وKaterina (PCM1704). يستقبل إشارة PCM بدقة 16-bit / 44.1 kHz عبر S/PDIF محوري، دون رفع لمعدل العينات ودون DSD. وفي الضبط السمعي الذي وضعه Dmitriy Gubchenko، تقدم Calliope أداءً طبيعيًا حيًّا، وPersephone أداءً سريعًا، وAphrodite أداءً داكنًا ومخمليًا، وArtemis أداءً رحب الأبعاد، وKaterina جهيرًا قويًا وبداية نغمة قوية. مرحلة الخرج القياسية ترانزستورية؛ وتتوفر اختياريًا مرحلة صمامية بصمامات 6Zh4 أو EF14 أو EL8 أو AL4 أو ML6، مع صمام التقويم 5Ts4M.
• يضم Hades (مضخم من الفئة D) وBellerophon (مضخم من الفئة AB) محولًا رقميًا تناظريًا مدمجًا يُختار عند الطلب: Cirrus Logic CS4397 في النسخة القياسية، أو TDA1540 أو TDA1541 أو TDA1547 أو PCM63 أو PCM1704، أو وحدة بسلم R-2R، أو وحدة بمنطق قابل للبرمجة.
• يستخدم Hyperion شريحة CS4397 بتقنية دلتا-سيغما متعددة البتات، للمستمعين الذين يريدون دخل USB حتى 24-bit / 192 kHz وDSD256.
• أما Prometheus فهو المحول القائم على المنطق القابل للبرمجة: تُحوَّل إشارة PCM إلى DSD وتمر عبر مرشح النافذة (Window Filter)، مع دعم أصلي لـ DSD1024 وPCM حتى 32-bit / 768 kHz.

يصنع Dmitriy Gubchenko كل محول. ويُشحن كل جهاز مع تقرير القياس الخاص به. وإن لم تكن متأكدًا من الشريحة التي تناسب منظومتك، فاكتب إلينا واذكر مضخمك ومكبرات الصوت لديك والموسيقى التي تستمع إليها أكثر من غيرها.