Avvertenza

Ammetto che è un pochino da “addetti ai lavori”, negli anni ho avuto richieste continue sulle macchine che utilizzo e soprattutto quelle autocostruite e il perchè le ho fatte, quindi una serie di post dedicata a quelle principali che ancora oggi mi accompagnano nel mio lavoro.

Premessa

Fin dalla infanzia mi sono sempre interessato di elettronica e in particolare del funzionamento degli apparecchi, al punto che era impossibile “non smontarli” e questo mi ha anche creato dei problemi, anche legali, parlo di cose meccaniche, giocattoli ma anche radio e qualsiasi cosa chiusa da una scatola con qualche scopo lavorativo!

Prima ancora delle “meccaniche”, l’elettronica era in assoluto in cima alle mie curiosità, per me era pura magia, mentre i ragazzini cercavano giocattoli io andavo con mio nonno da un Ostigliese che viveva a Milano e faceva il riparatore elettronico a prendere carcasse di TV da smontare e mia madre mi piazzava sul balcone (con -5gradi!) a giocarci, abitavo al piano terreno e non c’era modo che qualche pezzo volando via potesse ferire qualcuno.

Ho passato anni alla Hoepli di Milano (qualche volta bigiando da scuola, lo ammetto) a leggere tutto quello che potevo sull’argomento imparando l’Inglese anzitempo, non mi bastavano certo le riviste che uscivano, gli argomenti che mi interessavano di più erano quelli sul trattamento dei segnali “audio” e in particolare la novità assoluta di quegli anni, la prima metà degli anni 70, i “sintetizzatori”.

Musica, HiFi, Sintetizzatori e … elettronica, gli ingredienti perfetti! Nella testa avrei voluto diventare un progettista elettronico ma gli eventi (troppo lunghi da spiegare) vollero che la mia strada diventasse quella della Musica anche se in realtà non suonavo nulla a parte il citofono!

Negli anni ho costruito centinaia di apparecchi, il 99% per il mio lavoro, mi servivano perchè avevo una necessità e nulla la soddisfava quindi … me la costruivo.

Dopo tanti anni, nulla è cambiato, ancora oggi costruisco molte delle mie macchine.

Il Transformer

In realtà non ha un vero nome e non lo ha mai avuto, si tratta di un convertitore audio da digitale ad analogico, in breve un DAC, pensato e costruito 10 anni fa ma ancora oggi ben oltre qualsiasi cosa che abbia mai sentito a riguardo.

Perchè costruirne uno?

Con il mio lavoro di fonico negli anni ho raffinato parecchio il mio senso critico dell’ascolto musicale, riconosco i suoni, so quando sono registrati e riprodotti correttamente, che effetti eventualmente sono stati utilizzati e tante altre cose, mi sono fatto “un orecchio”, quindi ad un certo punto mi sono scontrato con la tecnologia, nonostante l’ho sempre amata!

Non sempre la tecnologia ha fini di sviluppo, spesso sono puramente “economici”! Lavorando in studio mi è capitato di usare per un breve periodo un vecchio convertitore D/A della Advent, non era nemmeno a 24bit, ma il suono era ottimo, si era rotto quello principale che era della rinomata Apogee che era pensato e costruito per l’uso professionale e avevo bisogno di un sostituto momentaneo, mi ritrovai quello e lo usai. Quando lo riparai, qualcosa non andava, come suono era meglio quello della Advent, vecchio e solo HiFi!

Mai fare uno scherzo simile ad un fonico, diventa un incubo! Ho passato un paio di mesi a farmi imprestare convertitori di tutti i tipi ma nulla, quello vecchio sembrava “magico”, arrivai ad usare di tutto, tutti apparecchi ultrablasonati e ipermoderni ma nulla da fare.
Apro una parentesi obbligatoria, a volte quello che per noi suona “meglio” può essere che distorga di più quindi aumentando le armoniche diventa più ricco, come fonico conosco alla perfezione questo meccanismo perchè lo uso ma in questo caso ero sicuro che le basse fossero più stabili e l’immagine stereo e i vari strumenti ben delineati, non c’era dubbio.

Dopo tanto ascolto, via alle misure strumentali, con generatori, oscilloscopi, etc, etc.

E qui viene il bello, parecchie misure davano ragione al vecchio convertitore, soprattutto la risposta all’onda quadra, ma le misure “statiche” non rendono giutizia da sole e le prove dinamiche non potevo certo applicarle, non esistono test conclusivi strumentali che siano seri a mio parere. La differenza tra il vecchio e tutti i nuovi era sempre la stessa, stereo più “minestrone”, basso non stabilissimo per TUTTI quelli nuovi e ovviamente l’opposto per quello vecchio, sono differenze che si notano subito facendo il confronto A/B e non c’è stato verso di sbagliarmi manco una volta, segno che di fatto c’erano differenze eccome!

All’interno dell’Adcom c’erano due convertitori A/D della Analog Devices a 20 bit NOS, ovvero, non-oversampling, il filtro in uscita (obbligatorio per questa tipologia) era tarato per i 44.1Khz ed era parecchio complesso, addirittura 5 stadi, tutti quelli nuovi usavano chip oversampling di marche diverse con filtro in uscita semplificato (dato che l’oversampling sposta la freq di clock molto in alto). Le differenze erano leggermente meno evidenti con i nuovissimi Delta Sigma, anche loro Oversampling ma con tecnologia ad 1 bit.

A questo punto ho fatto una indagine approfondita che è durata mesi e ho scoperto che principalmente l’introduzione di tanta tecnologia è stata soprattutto per “abbattere i costi” di produzione dei chip!

Come è fatto un convertitore D/A (il chip intendo)

In sintesi, un convertitore è un potenziometro (un partitore resistivo de facto) che ad ogni scalino del Clock (1/44.100 al sec) si posiziona sul valore del bit corrispondente alla tensione, l’idea è ricostruire quello che era successo in fase opposta, ovvero quando il segnale è stato ridotto in bytes (8,16,20,24 o più a seconda dell’epoca). Per fare questo, il “potenziometro” deve essere di estrema precisione quindi in passato si usava un laser per tarare le diverse resistenze all’interno quindi il chip era più grande e i tempi di realizzazione molto più lunghi che una possibilità di scarto anche elevata, ergo, costi molto alti.

Per l’effetto Nyquist, il segnale doveva essere ripulito dal treno di “clock” che poteva variare da 44.1Khz a 48Khz e successivamente il doppio o il quadruplo quindi diversi “filtri” a seconda della frequenza e tutti a ridosso della banda audio in alto con possibili problemi di fase! Terzo incomodo, l’alimentazione doveva essere assolutamente pura, si partiva da quella per la conversione!

I tre fattori più la quantità di componenti e le loro dimensioni portavano i costi inevitabilmente in alto, non c’era modo di evitarlo se non creando problemi da qualche parte, i costruttori pensarono a qualche escamotage per rivedere la produzione e qui nacque l’idea dell’Oversampling, ovvero, sparare molto in altro la frequenza di campionamento moltiplicandola per “x” (128, 256, 512 o oltre) in modo che il filtro in uscita potesse essere tranquillamente “low cost” dato che era molto al di fuori della zona “Nyquist”, ma il suono? Basta interpolare!

Mmmm, non proprio… Queste “interpolazioni” lasciano il segno anche strumentalmente, ad esempio, alle alte frequenze l’onda quadra non è più quadra , l’immagine stereo sembra essere stata passata in un “frullatore”, mah… In compenso il chip è passato da 200 Dollari a 50 centesimi di Dollaro!

Passo successivo, Delta Sigma

Troppo lungo specificare come funziona, sarà uno spunto per un articolo in futuro!

La conversione Delta Sigma conosciuta anche come “1 bit” ha fatto passi avanti per migliorare la situazione precedente e devo ammettere che molte cose sono migliorate ma comunque l’immagine stereo è sempre strana e soprattutto il basso non è preciso e ben definito come i vecchi NOS!

Il Transformer, i primi esperimenti

Dopo gli ovvi successi usando dei chip NOS non più in produzione e molto costosi oltre che limitati dai bit e dalla frequenza di campionamento, sono passato a configurazioni esoteriche come usare un chip per canale (solitamente sono stereo) che stranamente ha peggiorato l’immagine stereo, segno che anche con i chip NOS ci vuole particolare attenzione al Jitter, poi sono passato a molteplici chip in parallelo, anche fino a 32 e ancora una volta lo stereo perdeva definizione.

In definitiva i chip NOS suonano benissimo ma:

• sono costosi e introvabili
• hanno frequenze di campionamento limitate
• la dinamica in bit è limitata e solo in rari casi arriva a 24bit
• sono estremamente sensibili a fenomeni di Jitter
• sono estremamente sensibili all’alimentazione che deve essere stabile
• richiedono topologie di filtri in uscita molto costosi
• diventa complesso se le frequenze di campionamento sono multiple

Purtroppo hanno smesso di costruirli troppo presto per cui non c’è un chip che è compatibile con le richieste attuali!

Quindi? Devo costruirmi un chip! Fattibile? Ni!

All’inizio mi è venuto da ridere, non ho i mezzi di costruirmi un chip, ma pensando ai tempi di quando ho lavorato alla Philips di Eindoven mi ricordai del primo prototipo di lettore CD, era un rack altro 2 metri e affiancato ne aveva un altro poco più basso, quando lo guardavo mi veniva da ridere, quandomai si vedrà in casa di qualcuno un catafalco del genere?  Però non usava nessun chip di conversione, se ce l’hanno fatta loro forse ci posso riuscire pure io?

L’idea migliore dicono essere la più semplice e diretta, potevo costruire l’equivalente del “potenziometro digitale” usando tante resistenze e tante “porte digitali” (che sono Mosfet) ma i chip a disposizione non erano sufficentemente veloci e purtroppo le differenze da chip a chip anche se micro, creavano problemi di linearità. Quindi sono passato all’unica soluzione ragionevole, un FPGA (Field Programmable Gate Array), una chippone contenente decine di migliaia di porte digitali programmabili in grado di lavorare anche a frequenze molto elevate.

Dopo almeno 6 prototipi (e fatto una cultura sul VERILOG, il linguaggio del mio FPGA), centinaia di ore spese a testare le resistenze all’1% in modo da ridurre la tolleranza allo 0.1%, problemi di progettazione come il passaggio alle diverse frequenze di campionamento, la tecnica per evitare i “glitch” delle porte dell’FPGA durante la ricreazione della forma d’onda switchando le varie resistenze del partitore (che mi ha portato via 3 mesi), lo scoglio del clock esterno e il Jitter (altri 3 mesi) è nata la prima scheda funzionante, da 44.1Khz a 384Khz, 16,24,32 Bit (ma internamente è previsto anche il 64, non si sa mai).

A questo punto, dato lo sforzo, il tempo e le risorse, non mi sono fermato, volevo tutto quello che potevo.

Quindi ho aggiunto un filtro a 6 stadi totalmente controllabili e con frequenze modificabili grazie a dei costosissimi potenziometri digitali della Analog Devices in grado di lavorare a +-18V, uno stadio valvolare intermedio inseribile a piacimento che aggiunge a mio piacere una lieve distorsione sulla terze armoniche, un controllo del volume a due stadi, digitale (tramite l’FPGA) e quando arriva al limite di risoluzione in basso entra in basso un partitore resistivo, interfaccia d’ingresso con un microprocessore separato e tutti i segnali assolutamente separati galvanicamente comprendente, USB, SPDIF, AES/EBU, Ottica, Ottica doppia (per applicazioni speciali), doppia uscita ovviamente bilanciata e bilanciata/sbilanciata (separata galvanicamente) per l’ascolto monitor e un sistema di alimentazione lineare da paranoico totale con 7 trasformatori separati e 28 linee di alimentazioni stabilizzate separatamente oltre che a 5 processore (uno solo per le alimentazioni).

E intanto che c’ero, tutto dentro un rack da 1 unità che alla fine pesa diversi Kg e come si vede dalla foto è piuttosto “pieno”, in alcuni punti ci sono 3 strati di circuiti, per finire è stato assemblato al 90% su millefori con filo di argento 99%, un apparecchio realmente realizzato a mano e assolutamente unico nel suo genere, non ne farò un altro, questo è certo!

L’ascolto non ha prezzo, suona molto meglio dell’Advent e di qualsiasi altra cosa che abbia mai ascoltato, non perchè me lo sono costruito da solo, era quello che volevo e per questo ce l’ho messa tutta. Non ne costruirò mai un’altro e ovviamennte non venderò mai questo. Oggi ci sono tanti convertitori R2R stile il mio (li chiamano così) ma nessuno è fatto come Trasformer e sono tutto molto meno curati, mi piace l’idea che il mio suono passi dentro una cosa che ho fatto e progettato appositamente su cui posso contare fino in fondo! Avrei potuto limare meglio il rapporto S/N ma suona così bene che ho preferito non toccarlo più.

In definitiva:

• 7 trasformatori di alimentazione separati
• 28 stadi di alimentazione separati
• nessun chip di conversione, realizzato con matrici di resistenze!
• stadio filtro a 6 stadi completamente modificabile a relais
• 2 minitriodi RCA degli anni 60 inseribili
• 2 FPGA, 1 per il controllo della rete di partizione per la conversione
• doppia uscita bilanciata galvanicamente isolata, una con volume modificabile a rete resistiva
• interfaccia di ingresso custom, AES-EBU, SPDIF, OPTICAL, OPTICAL-DOUBLE, TTL, USB2
• input da 44.100Khz a 384Khz
• risposta all’onda quadra perfetta a qualsiasi frequenza
• distorsione inferiore allo 0.01% (tanto non riesco a misurarla oltre questo valore)
• rapporto S/N, migliore di 92db non pesato con tutti e 6 i filtri in linea
• sincronismo esterno controllato da 1 FPGA
• selezione smart di ingresso, in presenza di 1 solo stream digitale si setta da solo

Non è finito, seguiranno altre foto…