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오디오 세상의 공룡 화석 COVOX 그리고 R–2R DAC

글쓴이 : SOONDORI

우연히 다시 보게 된 코복스… 이 원시시대 공룡 화석과 같은 음원 모듈은 디지털 세상, 그 시작점의 중요한 흔적를 담고 있다.

○ ‘코복스’ 탄생 설화

코복스는 1987년, 미국 Covox社가 선보인 8비트 DAC. 병렬 통신하는 프린터 포트에 계단(Ladder)형 저항들 붙이고 특정 핀을 On/Off 해가며 어찌어찌하여 순간적인 펄스들의 전압 변동 즉, 아날로그 사운드를 만들어 낸다.

아이디어가 꽤 단순하지만 효과가 너무 그럴듯해서 여러 DOS 게임 음악의 표준이 되었을 뿐만 아니라 쉽고 간명하다는 이유로 많은 이들의 DIY 주제가 되었다. 그게 다… IBM 호환 PC, Adlib 카드, Sound Blaster 득세하던 시절의 일. 제품명 Speech Thing, 당시 소매가격은 70불로 애드립 카드의 1/3쯤?

(▲ 향수를 찾는 분들에게 맞는 몇 만 원짜리 모던한 제품. 음 품질에 영향을 주는 사항으로 1% 고정밀 저항을 사용한다.  URL : https://www.serdashop.com/)

제작 그리고 동작 등 정보는 아래 세심하고 친절한 글 참고. 역시 8비트 사운드의 진수는 ‘에디 머피’가 나온 영화 ‘Axel-F’, 그 익숙한 옛 가락이 아닐까 싶다.

가난한 자의 사운드 카드, 코복스(COVOX) Speech Thing

○ 그 다음 주제 R-2R에 대해서…

코복스의 핵심 로직 ‘R-2R(*)’은 ‘테브난 정리(Thévenin’s theorem)’라는 단순화 로직을 응용하는, 꽤 간단하고 명료하고 효과적인 아날로그-디지털 변환 아이디어. 아니… 그냥 “매우 직관적이다”라고 표현하는 게 좋을지?

* ‘R-2R’은 저항 R과 두 배 값을 갖는 2R을 의미하고 상황에 따라 값을 달리하여 가중치를 줄 수도 있다. Resistor Ladder Network는 모던한 Chip 솔루션 세상에서도 여전히 쓰이고 있고 작정하면 나만의 16비트 DAC을 만들 수도 있다. (이 경우, Chip Resistor Array를 쓰는 게 어떨까?)실제로 개념과 수준을 확장한 전문적인 R2R DAC 장치도 시장에 소개되어 있음.

아래 R-2R 표준 회로도에서,

(출처 및 글 : https://jp.tek.com/blog/tutorial-digital-analog-conversion-r-2r-dac)

○ 우선, 저항 #3 입장에서 보면 #1과 #2은 연결 포인트 때문에 <2R ÷ 2 = R’>과 같다 → #5의 입장에서 보면 a) #4 2R과, b) 앞쪽에 놓인 #3 R에 전 단계에서 간략화된 R’이 더해진 2R이 조합된 셈 → 그러므로 #5과 #3이 바라보는 각 저항 조합 구조는 동일하다.

○ 위 조성 전략을 가지고 회로도 오른쪽 방향으로 수억 개 저항을 결속했다고 상상하면 1) B0, B1… Bn개 제어선들 있을 것이고, 2) 마지막 종단점 Out 단자에서 바라본 저항체 네트워크는 <R 그리고 2 × R의 상관 관계>를 그대로 따르고 있을 것이다.

○ B0, B1… Bn 순차적으로 (예)10V를 인가하면? Out 단자를 기준으로 1) 단위 R-2R 덩어리가 멀어질 수록 낮은 전압이, 2) 가까울 수록 높은 전압이 관측될 것이다. 그 다음, Bx, By 등 선택된 몇 개 핀에 10V를 인가하면? 당연히 변수들 조합된 어떤 전압이 관측될 것. 그 말은 디지털 핀 조합에 따라 Out 단자 전압이 그때 그때 달라진다는 뜻. 그게 곧 DAC!

(▲ COVOX 로직의 확장 판 예시 #1. 더 편안하고 훨씬 더 저렴하며 충분히 믿을 만한 솔루션인 TI社 High Precison DAC80502. EV보드가 약 60불 정도. 가외 작업이 필요하지만 어쨌든 단품 가격은… 참 싸다. Dual-channel, 1-LSB INL, 16-bit, SPI voltage-output digital-to-analog converter)

(▲ COVOX 로직의 확장 판 예시 #2. 적색 표시 블럭은 SMD 저항을 이용한 R2R 네트워크(Resistor Ladder Network), Xilinx社 Spartan-6 FPGA를 포함하는 보드 전체가 DAC 모듈. 덴마크 Soekris社 ‘DAC 1101’ 제품용. 출처 : http://www.soundbsessive.com/hifiduino-soekris-r2r-dac/)

* 관련 글 : R-2R DAC과 Delta-Sigma DAC, 컨버젼의 의미

이상의 논리로…

코복스 대응 게임이나 8비트 MOD 플레이어 프로그램이 패러렐 포트 8개 핀을 적당히 단속, 어떤 전압을 생성하고 그것을 커패시터 경유, 앰프에 전달하면 내장 비퍼의 삐삐삑~!보다 훨씬 더 부드럽고 음악적 묘사가 훌륭한 사운드가 나온다.

[ 관련 글 ]
개인용 컴퓨터의 조상 KENBAK-1, 그리고 IBM PC와 사운드
DOS 시절로 돌아가 보기, Future Crew의 Second Reality

잠시 프린터를 못 쓰겠지만 게임에 눈 뒤집혀 물불 안 가리는 분에게 뭔들 대수였을까? (표제부 사진 출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Covox_Speech_Thing)

 

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