ちょっとTea Time の巻き! 2007.12.16

日本橋の電子パーツ屋さんでいつもお世話になっているのがデジット。
昔は(それも20年以上前)ジャンク屋というイメージが強かったが、今では日本橋では
老舗のパーツ屋さんという感じだ。たまにしか足を運ばないが、最近は訪れる毎に
オーディオの類が充実してきているように思う。

店の奥で、USBオーディオと小型アンプ、小型スピーカの組み合わせで機嫌良く
なっているシステムの前で、部品を眺めていると
「あ、こんにちは」 
と声をかけられた。たまにしかいかないのに顔を覚えてもらっているようだ。
「結構、いい音でなるでしょ。USBオーディオは3.3Vの電源が2系統いりますが、それを分離するといいですよ」
とのことらしい。やっぱりデジタルとアナログの電源分離は当たり前といったところでしょうか。
「結構売れてますよ。真空管アンプの次に売れていますね」
これはびっくり。そんなに真空管アンプが売れているとは・・・・・。
ちょうど、小生くらいの年代の人が、学生のときには買えなかったけど、ちょっと余裕ができたから買ってみよう、
という人が多いのでしょう。

とりあえず、話のネタにもUSBオーディオを買ってみました。3000円なり。
すべてのパーツが入っているのが助かります。それと、ディジタルアンプもゲット。こちらは1300円。
ちょっと、遊ぶにはもってこいです。


デジットで買ったUSBオーディオとD級アンプ

USBオーディオを組み立てる!

袋をあけるとパーツと基板がでてきます。基板にはPCM2704がすでに半田付けしてあります。
SSOPの半田付けは最近では慣れてしまいましたが、電子回路のキットで0.65mmピッチのICが
でてきたら、初心者の人は絶対にびびりますから妥当なところでしょう。


基板の部品面。SSOPのICは半田付け済み。


基板の半田面。

部品もすべてそろっているので、一気に半田づけします。30分くらいで、できあがってしまいました。
オペアンプはOPA2604がつかってありました。


実は、実装した部品はオリジナルから少しだけ変えてあります。というのは、回路図と部品表と
コンデンサの定数が一致しないところがありました。回路図をそのまま転載するのは、著作権の問題があるので
問題の部分だけを手書きしましょう。

回路図では1uFのところが、部品表では0.1uFで、また同封されている部品も0.1uFです。
ここはDACの出力のDCカットを行うところですから、容量が小さいとカットオフ周波数が高くなってしまいます。
0.1uF×2で計算しても約8Hzですから、とくに問題はないのですが、パーツ箱をさがして1uFのフィルムコンデンサ
に変更しました。

動作の確認!

これを動かすには3.3Vの電源が必要なのですが、とりあえずは定電圧電源をつかって動作の
確認をしました。


PCに接続して、ディジタル出力の波形をみてみると、ちゃんと出力がでているようです。
まずは動いているようです。

ディジタル出力は問題なし。

つぎはアナログ部の確認
オペアンプの電源はまだ準備していないので、とりあえずはPCM2704の出力を
直接オシロで観察してみます。

あれ?

PCにつないで信号を入れてみると、波形がでてきました。でも、出力レベルが異様に低いです。
50mVppくらいしかでていません。カタログ値では0.55Vccpdすから、3.3V電圧であれば1.8Vppくらいはでるはずです。
カタログ値の1/30以下です。
 しかし、発振ソフトの波形を変えるとそれに追従するので、動作自体は問題ないようです。


出力はでるが出力レベルが低いよ〜

こういったトラブルは結構難解です。波形そのものが出ないとかなら、部品間違えや半田不良などで
一発解決することが多いのですが、再度間違いがないか確認してみましたがミスがみつかりません。
そもそも部品点数も少ないので、間違えようがないような気もするし・・・・・・
電源を何度も入れ直しても症状は変わらず・・・・

ちょっとブルーな気持ちです。というか、こんな簡単なキットで失敗するなんて・・・・・
なんか自信喪失。

でもめげないぞ!

データシートを一度眺めてみましょう。とくに、アプリケーションシートの回路図とキットの回路図をよく比較してみました。
アプリケーションシートでは、なにやらボリュームスイッチなるものがついています。

アプリケーションシートの回路図

ひょっとしてこれをつければいいかな?と思い、だめもとでジャンパ線でICのピンに直接3.3Vの信号を入れてやります。
そうすると、出力レベルが大きくなったり、小さくなったりします。
でも、スイッチをつけるは結構面倒だな〜と思いながら、そうこうしているうちに、急に信号が大きくなりました。

その後は電源を入れ直しても、出力は正常です。
何が問題だったんだろう?ひょっとして、IC内部のなんらかの問題かな?

まあ、とりあえず良しとしましょう。次に状況が再現できたら、再度色々と調べてみましょう。

ようやく信号が出るようになりました。規定値の0.55Vccpの出力がでています。

あ?

でも、やっぱり不調。電源の立ち上げタイミングで出力が変わったりする。
それも、0.3Vccpくらいに中途半端になったり・・・・・

内部リセットがうまく効いていないのかな?それとも電源の与え方がまずいのだろうか・・。

作業再開 2006.1.30

DAC1242の発送も一段落ついたので、ちょっと中断していたPCM2704 USB-DACに取りかかるとしましょう。

なんかおかしい?

出力レベルが低くなる問題点の他に、もう一つ変な動作をします。USBデバイスですから
USB側の電源を入切すれば、自動的にデバイスの着脱を認識するはずですが、このUSB-DACはそのように
動きません。すなわち、USBケーブルを接続したままで、電源を一旦切ると、次に電源を入れてもうまく動きません。
こうなったら、一旦USBケーブルを抜いて、再度挿さないと復帰しません。
全然USBらしくない機能です。

ひょっとしてこのあたりに出力レベルが小さくなる動作不良の原因も隠されているかもしれません。
回路図をじっくり眺めてみましょう。
まずPCM2704とUSBコネクタの接続箇所のデジットの回路図は下記のようになっています。

デジットのUSB-DACの回路構成

なんか変だな〜???
一つは1MΩの抵抗がなんで無意味に3.3VとGND間にはいっているの?
それと、なぜHOST端子が自分自身のVBUSに接続されているの?

データシートのHOST端子とVBUSの記述をみて見ましょう。

HOST:セルフパワー動作ではホストを検出(VBUSに接続)
とある、たしかにHOSTはVBUSに接続することになっている。でもここでのVBUSってUSB端子のVBUSじゃないのかな?

で、VBUSの項目を見れば疑問は氷解。

VBUS:バスパワー動作ではUSBパワー(VBUS)に接続。セルフパワー動作ではVDDに接続。

ここでVBUSってUSBパワーって言ってるじゃん。まあややこしいといえばややこしいです。

PCM2704のデータシートのピン機能

でも確定的な表現がここにありました。赤線のところですが、
セルフパワー動作では、着脱を認識させるためにHOSTはプルダウン抵抗をつけてUSBバスのVBUSに接続する
(抵抗値は高抵抗値のものをつかうこと)。

たぶん、ICのマニュアルをしっかり読んでなかったんでしょうね。
USBなのに電源を入切してもホストが着脱を認識できないって不便ですよ〜
これって、クレームが一杯きてるんじゃないかと心配になります。
まあ、それは置いておいて、セルフパワーモードでは正しい接続は下図のようになるはずです。

これが正しい接続方法のはず。

でもこの修正って無茶苦茶大変だぞ!なんていってもSSOP-ICのHOST端子を現在の
接続から切り離して、USBコネクタのVBUSに接続しなければなりません。

えい、やっちゃえ!

HOST(Pin21)を浮かして、そこにVBUSの信号を入れる。書けばこれだけですが、
作業は難航極まりません。まずピンを浮かすに一苦労。さらに、ブリッジの半田がとれない・・
そりゃそうです。ピンが曲がってしまってほとんど横のピンとくっつきそうになっているところに
ブリッジすればとれるものとれません。どうせ、横のピン(pin22)は使わないので切り離しました。
これらの作業を進めること約1時間。ICは半田まみれでかなり熱負荷をうけてしまいました。
それに、ルーペくらいではちゃんと作業が完了したかどうかもわかりません。

改造・・・・でも失敗!!!!トホホ

まあ、だめもと!
えい!と電源ON。ありゃ〜動かないよう・・・・・・・ICが死んじゃったのかな?
それともどこか半田不良があるのかな・・・・・・

でも、この基板で悪戦苦闘するのはもういやです。
心機一転、一から作りましょう!

こんなこともあってDIGIKEYにPCM2704を頼んでいて、そろそろくる頃だしそれをまってから再開しましょう!

ちょっと整理

セルフパワーとバスパワーの配線方法がこんがらがりそうなので、ちょっと整理してみました。

Self-power(セルフパワー) Bus-power(バスパワー)
PSEL(4) LOW HIGH
VBUS(10) VDD(7)へ接続 USB-VBUSへ接続
HOST(21) USB-VBUSへ接続 LOW or HIGH
VDD(7) 3.3Vの電源に接続(入力端子) 3.3V出力(VBUS(10)に入力された
5V3.3Vに変換して出力される)。

VCCL(13)
VCCR(16)
VCCP(20)

3.3Vの電源に接続(入力端子) 接続不要(出力端子)
D+(9)

1.5kΩでプルアップ
(USB-VBUSへのプルアップでは
USB機器の電源ON/OFFの認識不可。
VDDへプルアップすべき。)

1.5kΩでVDDへプルアップ

バスパワー時の回路(データシートより抜粋)


セルフパワー時の回路(データシートより抜粋)

少し入れ替えればセルフパワーからバスパワーの変換はできそうです。

PCM2704到着! 2008.2.1

本来はDIGIKEYにCS8416などのDAC1242用の素子を発注していたのですが、ついでにPCM2704も4個ばかりゲット。
でも悲しいことに、本来必要なCS8416は、誤配でまったく違う部品にすり替わっていました(泣)。
まあ、せっかくPCM2704が到着したので遊んでみましょう。

PCM2704はSSOPですから、変換基板がないとユニバーサル基板では組めません。
ちょと昔ですが、SSOP-DIPの変換基板をいくつかつくってあったので、部品箱から探し出してきました。
サンハヤトなどにも変換基板がありますが、買いにいくのはとても大変です(時間がかかる)。

あと必要なUSBコネクタですが、これは東京出張にいったときに秋月で調達しました。


SSOP-DIP変換基板にとりつけたPCM2704          USBコネクタは秋月で調達(@50円なり)

まずはバスパワーモードからチェック!

まずは簡単な配線のバスパワーから組み立てていきます。
さほど部品点数もないので案外早くできます(でも2、3時間はかかりますが)。
基板の裏側はこんな感じです。

ユニバーサル基板の裏側

基板にはボリュームコントロールのスイッチもつけておきました。スイッチにはNAISと書いてあるので
松下さんのものですね。でも統一ブランドがPanasonicになったので、ひょっとしてPAISに名称がかわったりして(笑)。
このスイッチも以前に秋月のワンコインコーナで買ったような気がします。安い部品バッカ(笑)


バスパワーモードでの動作確認の様子。

すんなり動作?
さっそくUSBコネクタでPCに接続すると、PCの認識がはじまりました。そしてコネクタを抜くとデバイスが消えます。
何回も繰り返しても問題なしです。そして、出力を確認すると問題なく約1.8Vppの出力がでています。

問題なく正規の出力レベルになりました。

でも、何回か繰り返しているうちに再び出力が小さくなる現象が発生しました。

またまた小さい出力になってしまいました。

出力が小さくなるパターンを発見!

色々と試していると、出力が小さくなる動作パターンがつかめてきました。
すなわち、正常な出力(1.8Vpp)になっている動作状態から
 1.USBコネクタを抜く。
 2.PCがUSBデバイスへの書き込みエラーが出る前に素早くUSBコネクタを再接続する。
  (USBコネクタを挿したあとにはエラーメッセージがでてきます)。
 3.再度信号発生ソフトで波形を再生する。

上記のような手順を踏めば、出力が小さくなるようです。
かなりイレギュラーな使いかたかもしれませんが、あり得ないパターンではないですね。

一旦出力が小さくなった場合は、ボリュームスイッチを操作して振幅を大きくしてやればOKです。
反対に、出力が小さくなった場合は、それ以外に出力を既定値にもどす方法がつかめていません。
(内部の状態を不揮発メモリにいれているのかな?)

まずは、動作の再現性が確認できたのでよしとしましょう。電源か制御信号の入力タイミングで
問題が起こることは確認できました。
ボリュームコントロールのスイッチをつけておけば、不意の事態に備えられそうです。
それに音量調整するにも便利ですしね。でも、なかったらパニック?

バスパワーにおける電源のクオリティは?

バスパワーの電源はPCあるいはUSBハブから供給されますが、そのクオリティってどうでしょう。
ちょっとオシロで調べてみました。
5VラインのVBUS電源ラインですが、若干ベースノイズに比べて大きいような気もしますがこのくらなら十分なような気もします。
ソフト動作時(デバイス動作時?)にはノイズが大きくなるようですが、それでも5mVppくらいでしょうか。このくらいなら
3端子レギュレータより優秀な気もします。
肝心なのはアナログ回路用のVCCRあるいはVCCLですが、これはVBUS電源の5Vから3.3Vに電圧降下されて生成されます。
これについてはほとんどベースノイズと同じです。ちょっとだけスパイク性のノイズがあるようですが、問題ないレベルじゃないかな?

 VBUS電源 VCCL(アナログ電源) ベースノイズ
USB
未動作時
(接続状態)
USB
動作時
Wave Generator

次はセルフパワー

次はセルフパワーモードにして動作の確認をおこないました。動作自体は問題ないようです。
USB側の電源On/OFFによりデバイスの着脱がPCに認識されるようです。

セルフモードでの動作の確認のようす。


あわせて、セルフモード時での電源ラインのノイズをみておきましょう。こちらもノイズレベルはほとんどベースレベルと同じです。
これだけみていたら、セルフでもバスパワーでも同じように思えてきました(あとは気分の問題?)。
どちらがよいかは実際には聞いてみての判断になるでしょう。でもセルフにすると電源を用意しないといけないので結構面倒です。
USBのお気楽さから考えてバスパワーが基本のような気がします。

セルフパワーモードでの電源
VDDライン ベースレベル
USB
動作時
Wave Generator


ボリュームコントロールスイッチを調べてみよう。

PCM2704にはボリュームコントロール機能があるのはすでに述べた通りですが、
どのような機能かを調べてみましょう。

 
 PCM2704のボリュームコントロール       今回取り付けたボリューム用スイッチ

機能はこんな感じになることがわかりました。

VOLUME-(DOWN) 1回押すと1ステップ分振幅が小さくなる。チャタリング制御はされている。
長押しすると、連続して振幅が小さくなる。
VOLUME+(UP) 1回押すと1ステップ分振幅が大きくなる。チャタリング制御はされている。
長押しすると、連続して振幅が大きくなる。
MUTE トグル動作になる。すなわち、一度押すとMUTE状態になり、次に押すとMUTEが解除される。
気をつける必要があるのは、MUTE状態でVOLUME+(UP)を押すと出力されないが振幅は
どんどん上がっていく。そしてMUTE解除するといきなり大きな音がでてくることになる。
VOLUME+あるいはVOLUME-が操作されたときはMUTE解除になるようにした方が、親切ですね。

ボリューム操作でどの程度の振幅が変化するかをみてみましょう。
下図は一回のボタン操作で変化する振幅です。
 
 最大振幅時                    VOLUME-を一回押すとこのくらい下がります。

何点か測定して、1ステップあたりの減衰量を調べてのが下図になります。
ちょうどスイッチを1回押したときの振幅の変化量は2.5dBのようです。
そしてトータルで24ステップの分解能がありますから、
ちょうど0〜-60dBの間でボリュームコントロールできそうなことがわかりました。
外部にVRをつけなくてもよいかもしれません。

PCM2704のボリュームコントロールによる変化量

基板の仕上げ! 2008.2.3

PCM2704の基板を実用とするために、周辺回路を組み込んで仕上げるとしましょう。
追加する回路は同軸出力のためのパルストランスと、オーディオ出力のためのフィルタ+カップリングコンデンサです。
パルストランスの駆動いは74HCU04をつかっています。カップリングには普通の電解の150uFをつかいました。

基板はこれで完成!

パルストランスにはチョークコイル(インダクター)をばらしてつかいます。これが一番簡単な作成方法です。
機械巻きなので銅線もコアにしっかり巻かれていて、仕上がりもきれいになります。

もともとのインダクター(@50円)       コイルをほどいてパルストランスに変身。

試聴してみましょう!

基板も完成したことですし、アンプに接続して試聴してみましょう。最初の音だしがとても楽しみです。
こんかいの試聴につかったのは「14番目の月」(荒井由美)です。試聴に適しているというより、
単に聞きたかっただけで(笑)。ユーミンの中では一番すきなアルバムです。
 最初の曲は「さざ波」。これを聞くと中学生のときに、ステレオにはまっていたころを思い出します。
もっともそこころはLPで聞いていました。思い出深いものにしているのは、最初に買ったLPがこれだからです。
当時のなけなしの小遣いをはたいて買った記憶があります。たしか、ほぼ同時に最初に買ったアナログプレイヤー
は中央電機(C.E.C)のものです。当時CECは廉価な製品を出していましたが、今ではちょっと路線が変わっています。

 さて、試聴にもどって最初の印象は、「なかなかいいやん」です。ノイズもほとんどないし、ダイナミックレンジも十分です。
DAC側のボリュームをどんどん絞りこんでいっても、音が細くなる印象はありません。
5曲目の「中央フリーウエー」あたりになると、こなれてきたのかどんどん快調に鳴っていきます。
いやいやUSB-DACっておもちゃ的な印象がありますが、立派なハイファイ機器ですね。
もっともアンプ以降はそれなりのものを使う必要はありますが・・・・

 
アンプの上にUSB-DACを置いて試聴開始!                  久しぶりに聞いてみた「14番目の月」ユーミン

なるほど!

USB-DACにつけたボリュームスイッチですが、これってUSB-DAC内部だけの機能かと思っていたら、
スイッチ情報はPCに送られるようです。DACのボリューム情報がPC側に送られると同時に、
PC側でボリューム調整するとDAC側のボリュームも変わります。

 
USB-DACと連動して変わるPCソフトの表示(WinDVD)

ただし、ソフトによってはPC側のボリューム設定がDAC側と独立しているものもあります。
すなわち音量の変化はPC側でのみ行ってDACへ送信している場合です。この場合は、PC側で最大ボリューム
にしたとしても、DAC側で設定されている音量を超えることはありません。言い換えれば,DAC側の音量設定が
低いままだと、音は決して大きくならないということです。このあたりは、PC側のソフトも統一的な動きをして
ほしいものだと思いました。

ちょっとTea Time としてお気楽にキットを組もうとおもっていましたが、
落とし穴もあってか、音だしに至るまでに時間もお金もかかってしまいました。
しかし、その甲斐あってか色々なことを調べることができました。
怪我の功名ってやつかな(ちょっと用法が違うような・・・・)。

せっかくなので基板もつくってみようかな〜〜?

(つづく?)


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