ADI-1 Inside

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Aufbau, technische Besonderheiten und Messungen am ADI-1

Der ADI-1 ist ein kleiner, aber feiner 20 Bit AD- und DA-Wandler, technisch bis ins Detail ausgefeilt und voll auf der Höhe der Zeit. In diesem Tech Infopaper erfahren Sie viele Details, die in allgemeinen Beschreibungen oder der Bedienungsanleitung nicht zur Sprache kommen.

Analog zu Digital

Die analogen Eingänge sind über Neutriks bewährte Kombibuchsen zugänglich. Dadurch sind trotz der räumlichen Enge sowohl XLR- als auch Klinkenanschlüsse vorhanden. Die Eingangsstufe arbeitet servosymmetrisch. Das bedeutet: Bei unsymmetrischem Anschluss erfolgt eine automatische Pegelkorrektur um 6 dB, welche sonst zu einem Absinken der Eingangsempfindlichkeit gegenüber symmetrischem Anschlus führen würde. Die Umschaltung zwischen dem Nennpegel +4 dBu und -10 dBV erfolgt über eine besondere Bedämpfungsschaltung bereits in dieser Stufe. Dadurch wird trotz einer niedrigen Betriebsspannung von nur +/-5 Volt ein maximaler Eingangspegel von +20 dBu ermöglicht.

Auf den Eingangs-Symmetrieverstärker folgt eine rauscharme Verstärkerstufe, deren Gain sich über ein gleichspannungsentkoppeltes Poti (keine Kratzgeräusche) zwischen 0 dB und +20 dB stufenlos einstellen läßt. Beide Stufen wurden mit dem besonders rausch- und verzerrungsarmen 4580 realisiert, um trotz einer um insgesamt 31,8 dB variablen Eingangsempfindlichkeit dem eigentlichen AD-Wandler (einem CS5335) ein möglichst unverfälschtes Signal liefern zu können.

Bild 1 zeigt den Wandler im Einsatz. Ein sehr sauberes Signal ohne erkennbare Verzerrungen, mit einem sehr niedrigen Rauschteppich. Für diese Messung wurde ein 1 kHz Sinus eingespeist, der am digitalen Ausgang -60 dBFS ergab. 

Weitere Meßwerte:
THD+N
 -89 dB oder 0,003%

Rauschabstand (SNR)
Gain 0 dB:
100 dB, 102 dBA
Gain +20 dB:
89 dB, 91 dBA

   
   
Eine Messung an einem ganz normalen Consumer DAT bietet sich als Vergleich an. Diese Geräte werden oft - da im Studio sowieso vorhanden -  als AD-Wandler benutzt. Dabei fehlt nicht nur der symmetrische Eingang und die professionelle Pegelanpassung. Natürlich kann ein 16 Bit Wandler nicht mit einem modernen 20 Bitter konkurrieren, und so sind hier deutliche Verzerrungsanteile erkennbar. Auch liegt das Rauschen um circa 12 dB höher! Nicht umsonst sagt man heutigen 20 Bit Wandlern nach, sie seien perfekte 16 Bit Wandler!

Auch am Frequenzgang des ADI-1 gibt es nichts zu mäkeln, wie Sie an späterer Stelle sehen können. Doch wir wollen Ihnen nichts vormachen: Dank des vielfachen Oversamplings muß man ein Gerät schon ganz schön fehldesignen, um beim Frequenzgang relevante Abweichungen zu erzeugen. Mit anderen Worten: Frequenzgänge verlaufen (wie in allen Fachzeitschriften zu sehen) nicht nur bei uns schon seit längerem nur noch linealglatt.

Die digitale Ausgangsstufe besteht aus dem bewährten CS8402. Der Chip liefert das Digitalsignal an einen koaxialen (Cinch) und einen optischen (TOSLINK) Ausgang im SPDIF-Format. Die Kennung ist fest auf Consumer Format ohne Kopierschutz eingestellt, so dass der ADI-1 kompatibel zu den meisten der am Markt befindlichen digitalen Geräte ist. Professionelle Geräte mit AES/EBU Eingängen lassen sich oftmals über ein Adapterkabel auch vom ADI-1 speisen.

Steuerung

Die im ADI-1 enthaltenen vielfältigen Funktionen werden über eine fest programmierte Steuereinheit verwaltet. Dieser Baustein (für Insider: ein PLD) steuert die Samplefrequenz des AD-Wandlers, deren Umschaltung, die Anzeige der ankommenden Samplefrequenz am DA-Wandler, den Reset der Wandler samt DC-Abgleich, und einiges mehr. Den meisten Aufwand erfordert jedoch das Dekodieren der vom AD-Wandler kommenden Pegelinformationen. Die Umwandlung dieser Daten in ein digitales, 100% zuverlässiges LED Peakmeter mit 'amtlicher' Over-Anzeige ist relativ aufwendig. Aber es lohnt sich! Nur so kann der ADI-1 auch autark betrieben werden, nur so sind höchste Aussteuerungen mit maximalem Rauschabstand bei sicherer Vermeidung von Übersteuerungen möglich.

DA

Auch für den digitalen Eingang verwenden wir einen bewährten Chip, Crystals CS8412. Er erhält sein digitales Eingangssignal entweder von einer koaxialen (Cinch) oder optischen (TOSLINK) Buchse, zwischen denen ein Schalter auf der Rückseite des Gerätes umschaltet. Da alle Statuskennungen ignoriert werden, interessiert sich der ADI-1 weder für gesetzten Kopierschutz, noch ob die Audiodaten im Professional oder Consumer Format vorliegen. Mit anderen Worten: Funktioniert immer! Der PLD wertet die vom 8412 dekodierten Informationen aus, weshalb auf der Frontseite nicht nur eine Error LED über ein fehlerhaftes oder fehlendes Signal informiert, sondern drei LEDs auch über die anliegende Samplefrequenz informieren.

Der DA-Wandler (AKM4320) liefert seine analogen Spannungen direkt und unverfälscht an eine servosymmetrische Ausgangsstufe. Diese wird im Werk mittels Trimmpoti auf volle Symmetrie abgeglichen. Außerdem korrigiert sie - genau wie die Eingangsstufe - bei unsymmetrischem Abschlus den Ausgangspegel automatisch um 6 dB. Der verwendete OP - wiederum der phantastische 4580 - ist auch als Line Driver erste Klasse, so dass das Ausgangssignal niederohmig und störfrei an den getrennten XLR- und Stereoklinkenbuchsen parallel zur Verfügung steht.

Bild 3 zeigt einen digital erzeugten 1 kHz Sinus mit einem Pegel von -10 dBFS gemessen am analogen Ausgang des ADI-1. Beim Vergleich mit der Messung am AD-Wandler fallen die entstehenden Verzerrungen und das leicht höhere Rauschen auf. Das ist jedoch vollkommen normal. Die Qualität der AD-Wandler ist seit Jahren deutlich höher als die von DA-Wandlern gleicher Bitrate.

Weitere Meßwerte:
THD+N
 -88 dB oder 0,003%

Rauschabstand (SNR)
96 dB, 98 dBA unmuted
106 dB, 108 dBA muted

   
   

Wie gut der 20 Bit Wandler im ADI-1 tatsächlich ist wird beim Vergleich mit einem normalen 16 Bit Consumer DAT klar. Die nebenstehende Messung zeigt ein deutlich unruhigeres und höheres Grundrauschen sowie ein sehr breitbandiges Spektrum an hinzuaddierten Harmonischen (die einzelnen Signalanteile der Verzerrung). Die Vorteile des 20 Bit Wandlers erschließen sich dabei auch bei reiner 16 Bit Anwendung, also wenn Daten nur in dieser Auflösung wiederzugeben sind.

Vielleicht ist Ihnen aufgefallen, dass wir einerseits behaupten, AD-Wandler wären seit längerem grundsätzlich besser als ihre DA-Kollegen, der ADI-1 aber andererseits auf AD-Seite nur 102 dBA Rauschabstand, auf DA-Seite jedoch 108 dBA erreicht.
 

Viele DA-Konverter Schaltkreise enthalten eine Mute-Schaltung. Solange ein Signal vorhanden ist begrenzt das Grundrauschen des Wandlers die effektive Dynamik auf weit weniger als 100 dB. Liegt digital Null - also absolute Stille - an, mutet eine Chip-interne Schaltung den analogen Ausgang. Mit diesem Trick steigt der Rauschabstand auf bis zu 110 dB, entspricht jedoch nicht dem realen Verhalten bei kleinen Pegeln. RME veröffentlicht daher beide Werte (muted/unmuted).

In Wirklichkeit ist die Auflösung aktueller 20 Bit Wandler bei leisen Signalen auf 'reale' 16 Bit begrenzt. Zwar werden bei der DA-Wandlung tatsächlich 20 Bit erreicht (per FFT nachweisbar). Nur gehen alle Signale unterhalb des 16 Bit Bereiches für das menschliche Ohr schlicht im Rauschen unter. Ein 20 Bitter ist also ein 'perfekter' 16 Bitter, von den theoretisch zu erwartenden Daten jedoch weit entfernt.

Bild 5 zeigt schließlich innerhalb einer Grafik den Frequenzgang des AD- und des DA-Wandlers. Der ADI-1 wurde dabei genauso angeschlossen wie Sie ihn auch benutzen, also an seinen äußeren Buchsen, was natürlich auch für die anderen Messungen gilt. Wie erwähnt sind die Schriebe weder besonders aufregend noch spektakulär. Aber es ist doch beruhigend zu wissen, dass der ADI-1 auch in dieser Disziplin eine sehr gute Figur macht, oder?

Das Netzteil

Das Design der Stromversorgung ist nicht etwa eine reine Frage der Kosten oder der Vorliebe des Konstrukteurs, sondern beruht auf handfesten Kriterien. Bei der Größe des ADI-1 würde ein interner Trafo entweder eine unbezahlbare magnetische Abschirmung erfordern, oder zwangsläufig zu Brummeinstreuungen führen. Ein Aufbau in Schutzklasse II, das heißt ohne Schutzleiter zur Vermeidung von Brummschleifen, wäre ebenfalls nur schwer zu erreichen. Ein externes Netzteil ist - wegen der eingesparten magnetischen Schirmung innerhalb des ADI-1 - nicht nur sehr viel günstiger, sondern erfordert auch keinen Schukoanschluß mehr. Damit entfällt die von vielen so gefürchtete Brummschleife beim Einsatz des ADI-1.
 

Aus diesem Grund empfehlen wir auch den Betrieb mit optischen Kabeln. Der ADI-1 wird so zum perfekten, komplett galvanisch getrennten Frontend für RME's Digitalkarten. Nie klangen Aufnahmen von und zum PC sauberer! Und falls Ihnen jemand erzählen will, dass optische Kabel Jitter verursachen und störanfällig sind, und man daher lieber koaxiale (Draht-) Kabel verwenden sollte: vergessen Sie es! Diese Mär aus den Anfangstagen der Digitaltechnik ist längst widerlegt.

Zurück zum Netzteil: Wir verwenden ein einfaches 12 V / 500 mA Wechselspannungsnetzteil. Im ADI-1 werden aus den 12 Volt Wechselspannung positive und negative Gleichspannungen gewonnen. Einen Nachteil externer Wechselspannungsnetzteile wollen wir Ihnen jedoch nicht verschweigen: Die Masseführung im Gerät ist extrem kritisch, was sich oft als leises Brummen bemerkbar macht. Man muß schon viel Know How und Zeit investieren, um ein optimales Layout mit vollkommener Brummfreiheit mit einer solchen Stromversorgung zu erzielen. dass uns dies gelungen ist können Sie entweder in den obigen FFT-Analysen oder den numerischen Meßwerten erkennen. Der geringe Unterschied zwischen RMS unbewertet und A-bewertet ist allein auf die unterschiedliche Rauschbewertung im oberen Frequenzbereich zurückzuführen, Brummen ist keines vorhanden. Etwas anderes hätten wir auch niemals zur Produktion freigegeben...

Hinweise zu den Messungen

RME führt alle Messungen mit professionellen Meßgeräten nach standardisierten Meßmethoden durch. Dabei legen wir großen Wert auf transparente, der Realität entsprechende, und eben auch unter realen Bedingungen erzielte Meßwerte. Einige Mitbewerber geben in den technischen Daten ihrer Geräte nur die Höchstwerte der jeweiligen Chiphersteller aus deren Datenblättern an. Diese Werte sind allein schon deshalb nicht erreichbar, weil im fertigen Gerät noch einige aktive Elektronik dazukommt. Und schließlich ist es kein Geheimnis, dass die Datenblattangaben der Chiphersteller eher 'zu erreichende Ziele' sind, die oft erst in späteren Chip-Revisionen, manchmal aber auch nie erreicht werden.

Bei uns müssen Sie keine Zeitschriften nach Tests durchwühlen, wir liefern Ihnen echte Meßwerte frei Haus!

Für analoge und digitale Messungen verwenden wir das Neutrik A2D mit der dazugehörigen Software AS04 (www.neutrik.com). Es liefert unter anderem RMS unbewertete und bewertete Meßwerte nach Industrienorm, sei es Pegel, Klirrfaktor, Rauschen, oder der oben abgebildete Frequenzschrieb. Für Hardwareentwickler ist das A2D dank seiner einfachen Bedienung, den hochgenauen Meßergebnissen und seinen vielfältigen, praxisgerechten Anschlüßen unentbehrlich.

Auf rein digitaler Ebene verwenden wir eine Windows-Software mit Referenzcharakter: HpW Works bietet eine unglaubliche Auflösung und Genauigkeit, und erlaubt neben obigen FFT Analysen auch das hochexakte Erzeugen digitaler Signale über einen Softwaregenerator höchster Genauigkeit.

Beide Meßsysteme sind Referenz bei angesehenen Zeitschriften wie der ELRAD oder der c't (www.heise.de/ct).

Glossar
 
16 Bit: Ergibt eine Auflösung von 65536 Pegelstufen oder theoretischen 96 dB Dynamik.
20 Bit: Ergibt eine Auflösung von 1048580 Pegelstufen oder theoretischen 120 dB Dynamik.
+20 dB: Logarithmische Verhältnisangabe. Entspricht 10 facher Verstärkung.
AES/EBU: Professionelle, symmetrische digitale Schnittstelle mit XLR-Anschlüßen.
dBA Effektivwert-Messung mit A-Filter. Sehr tiefe und sehr hohe Frequenzen beeinflussen das Meßergebnis weniger stark.
dBFS: dB Full Scale. Logarithmischer Pegelwert bezogen auf digitale Vollaussteuerung.
FFT-Analyse: Fast Fourier Transform. Spektrale Zerlegung eines beliebigen Signales.
Jitter: Schwankungen eines Signales auf zeitlicher Ebene.
Rauschabstand: Verhältnis von Vollpegel zum Grundrauschen ohne Signal. Auch SNR (Signal to Noise Ratio).
RMS unbewertet: Effektivwert-Messung mit Audio-Bandpass (22 Hz bis 22 kHz).
Samplefrequenz: Anzahl der Abtastungen des Audiosignales pro Sekunde.
Servosymmetrisch: Schaltung, die symmetrisch und unsymmetrisch mit korrektem Pegel betreibbar ist.
SPDIF: Sony/Philips-Digital Interface, Consumerversion des digitalen Audiosignals
THD+N: Effektivwert aller Verzerrungen plus Rauschen im Verhältnis zum Nutzsignal.

Copyright Matthias Carstens, 1998.
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