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超小型USBDAC製作記 ⑥

超小型USBDAC製作記  /  /  /  / 

DAC三点比較1 2号比較

今更ながら。
「これって、"超"がつくほど小型じゃないよね?」
と、冷静になってしまったカバオです。"小型"ぐらいにしとけばよかったかな・・・・・・・・・

この記事も6回目で、結構長めに続けているので、今一度条件を確認します。

①バスパワーで駆動
②50*37.5の基板で製作
③なるたけ高音質に設計する。
④USBコネクタとステレオミニコネクタは基板搭載型にする
⑤1台あたり5000円以上はかけない。

ですね、今回、部品表を載せる第2号もこの条件にのっとって設計してあります。

2号内部 2号回路図
※バッファ用オペアンプはVCC-をつないだ方がよいかもです。単電源のまま行きたいなら、OPA2365がお勧めです。
※2009/10/14 回路図ではバッファ用オペアンプにNE5532ADが記載されていますが、動作電圧が足りないので、VCC-に電圧を入れるか、NJM5532やNJM4580に変更しないと動きません。すいません。

こちらが今回作ったDACの内部と回路図です。詳しくは前回の記事を御参照ください。

そして、以下が今回使った部品表です。一応、購入した店と費用も載せておきます。店によってはかなり誤差があるかもしれませんが、あくまで参考ってことで(^^;;

部品番号 部品名 型番 備考 費用 購入店
IC1 USBDAC 16bit/48kHz PCM2704 - S/N比98dB 540 Digikey
IC2 オペアンプ(LPF用) LT1498 - 定格±5V以上 658 Digikey
IC3 オペアンプ(バッファ) NJM4580 - 表面実装 48 Digikey
IC4 負電源生成IC LTC660 - 表面実装 580 Digikey
R1 フィードバック抵抗 - 1MΩ 一般品で可 1 -
R2-R3 プルアップ抵抗 - 1.5kΩ 一般品で可 2 -
R4-R5 USB通信用抵抗 - 22Ω 一般品で可 2 -
R6-R8 LPF抵抗 LF1/4 11kΩ Audio格品推奨 30 鈴商
R9-R10 LPFベース用抵抗 - 11kΩ 一般品で可 2 -
R11-R13 LPF抵抗 LF1/4 11kΩ Audio格品推奨 30 鈴商
R14-R15 LPFベース用抵抗 - 11kΩ 一般品で可 2 -
R16 電源フィルタ用 - 2.2Ω 一般品で可 1 -
R17-R18 Zobel(基本入れず) LF1/4 10Ω Audio格品推奨 - 鈴商
R19 電源LED用 - 1.5kΩ 一般品で可 1 -
VR1-VR2 LPF半固定抵抗 - 1kA 一般品で可 120 デジット
X1 水晶発振子 - 12MHz 一般品で可 59 Digikey
C1-C2 水晶発振子安定用 - 18pF 値は水晶に依存 10 Digikey
C3,C5,
C6,C14
電源平滑コンデンサ - 6.3V100uF 積セラ 120 秋月電子
C4,C13,
C14,C26
電源平滑コンデンサ SEPC 6.3V100uF Audio格品推奨 800 千石電商
C7,C10 LPFコンデンサ ECHR 390pF Audio格品推奨 250 RS
C8,C11 LPFコンデンサ ECHR 100pF Audio格品推奨 250 RS
C9,C12 LPFベース用 - 22uF 積セラ 40 秋月電子
C15,C31 電源平滑コンデンサ SEPC 560uF Audio格品推奨 500 千石電商
C25 負電源部コンデンサ - 16V100uF 一般品推奨 10 デジット
C36,C37 Zobel(基本入れず) (ECHU) 0.1uF Audio格品推奨 - (Digikey)
C other 高周波除去用16個 - 0.1uF 積セラ 80 -
L1,L3 雑音除去用コイル - 4.7uH 定格100mA以上 20 千石電商
L2 雑音除去用コイル - 10uH 定格100mA以上 10 千石電商
D1 電源用LED - - - 10 デジット
- 感光基板(4枚分) 40K 75*100 ガラスコンポジット 500 デジット
- ステレオミニコネクタ - - 基板取り付け型 100 千石電商
- USB-Bコネクタ - - 基板取り付け型 100 千石電商
総計         4876  

あるもので作った感があるので、購入店がバラバラですね(^^;
フィルムコンデンサをECHSに変更してDigikeyで買ったり、抵抗をツテで東京で買ってきてもらった多摩電気のLFではなく、千石電商で売ってるREY25に変更したりして、購入店を統一すべきだったかもしれません。秋月電子の通販で買えるものは、大抵Digikeyでも買えますしね。

今回製作にかかったお金は表の通りです。高いオペアンプを使った分、費用がかさんでいますが、その分音質の向上に期待です。

音質評価
※注意 例によって、カバオの主観です。あまり当てにしないでください。

今回のDACは、エージングなしでもあまりがやつきません。かわりに、もやっとしたような、こもっているような音が出ました。その後、エージングを120時間ほど行い、本来の音質を聞いてみます。
よし、クリア!Σd
第1号に比べ、とても澄んだいい音です。カップリングコンデンサを除いたのが良かったのか、はたまたオペアンプの性能か、高域、低域ともに良く出ていますし、変な音ものりません。

さすがに、全部あわせて1万円以上改造にかかった(最早原形をとどめていない)改造SE-U55SXには及ばず、nabeさんの高音質USB-DACと比較してみると、やはり、こちらの方が第2号よりクリアで音が多く、低域の出に大きな違いが出ていると思います。ですが、少なくとも比較用に借りたSE-90PCIを上回る音質です。ノーマルの高価格帯サウンドカードが手元にないので(X-Fiは比較対象外)、どのくらいの実力なのかはっきりとつかめないのが実情だったりします。もうちょっと電源関係に物量を投入できたら、音質のクリアさという点では改造SE-U55SXに迫れるかもしれません。

第2号総括
前回の反省点を踏まえて製作した第2号ですが、このシリーズで一番初めに言った"中音質"と言うのに相応しいものが出来上がりました。最高の音が出るとは全然いえませんが、音質はそんじょそこらのサウンドカードには負けません。コストパフォーマンスも表に載せた通り、5000円以下で製作できました。かかった費用と音質を比較すると、前回以上のCPが得られていると思います。

また、これで、今までに作った超小型USBDACは打ち止めです。これから超小型USBDACの記事を書く場合は、結構な間隔が空くと思います。
第3号の展望・・・・・・は、一応あるんですが、まだ完成していないので掲載は未定です。第2号の音質で結構満足してしまいましたし(汗)。

次回から何載せようかなあ・・・・・・・・(^^;;
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超小型USBDAC製作記 ⑤

超小型USBDAC製作記  /  /  / 

超小型USBDAC第2号完成です! DACは前回と同様に、PCM2704を使用しています。

USB端子前 ステレオミニ端子前
2号比較 接続中

外形は第1号と同じです。スプレーしてませんが、ケース(?)もどきも、前と変わっていません。
こちらが、内部の画像と、回路図になります。

2号内部 2号回路図
※バッファ用オペアンプはVCC-をつないだ方がよいかもです。単電源のまま行きたいなら、OPA2365がお勧めです。
※2009/10/14 回路図ではバッファ用オペアンプにNE5532ADが記載されていますが、動作電圧が足りないので、VCC-に電圧を入れるか、NJM5532やNJM4580に変更しないと動きません。すいません。

※アップ時USB端子周辺の回路図がおかしかったので、修正しました。


電源部
前回と変わらず、バスパワーモードの使用です。電源部強化のためにオペアンプ部のデカップリングコンデンサに560uFを使用しました。また、-5V生成にはLTC660を使用し、RLCでフィルタをかけてあります。高周波除去用の0.1uFの大量投入も前回と変わりません。これはただ単に、通り道においているだけなので、入れやすいからというのもあります。

フィルタ部
前回、カップリングコンデンサの音質劣化が目立ちましたので、これをなくす方向で設計しました。ローパスフィルタ(以下LPF)のオペアンプのベースにVCOMをオペアンプ(IC3 NE5532NJM4580 SOP)でバッファして抵抗で1/2に分圧した電圧を使っています。微調整は半固定抵抗を使って、直流出力をニヤゼロにします。PCとの接続後に無音状態でグランドから出力L、出力Rの電圧をテスター(2Vぐらい)で計測し、半固定抵抗をまわして0.001Vぐらいまで調節するとOKです。まあ、調節しなくても±30mVぐらいなので、スピーカーに行く直流電力は精精100uW~1mW弱になりますから、スピーカのコイルが焼ききれるとか大きな負荷がかかるとかは起きないような気もします。

ローパスフィルタは、多重帰還型LPFとし、抵抗値をあまり大きくしすぎないようにしました。例によって、LPFのフィルムコンデンサ(C8,C11)の値を100pFにしたかったので、そのあたりを考慮しての設計になります。ちなみに、カットオフ周波数は90kHzぐらいです。
また、今回のLPFの回路部はnabeさんの高音質USB-DACのLPFを参考に設計しているので、非常に良く似ています。ので、回路図公開にはnabeさんの御許可をいただきました。

LPFのオペアンプ(IC2)はZobelフィルタを除く目的で耐容量性負荷の高いLT1498を使っています。(C36,C37,R17,R18は、LT1498LT1364を使わない場合必須です)かなり雑音が低く、音質も良いオペアンプなのですが、いかんせん高い(Digikeyで約700円)のが欠点です。Zobelフィルタを使う場合はオーディオ格品を使う必要があるので、それを除いた分の差し引き500円ぐらいのコスト増になります。

部品のグレード
LPFの抵抗は多摩電気のLFを使います。それ以外は一般品の炭素皮膜抵抗です。
また、 LTC660の負電源生成用電解コンデンサ(C25)以外で正負極のあるコンデンサは、全てOS-CON(SEPC)を使っています。正負極のない100uFのコンデンサは、秋月電子(通販)で売っていた6.3V100uFの積セラを使用しました。写真では穴が開いたまま放置されている部分がありますが、これはラジアルではなく、3216型のチップコンデンサを使っているからです。
水晶は前回と同様、DigikeyのABLSで59円ぐらいです。
LPF部のフィルムコンデンサは、奮発して松下のオーディオ用PPSであるECHRを使いました。RSで1個125円です。ただし、PCM2704の性能(98dB)を考えると、ECHSでも同程度の音質になる気はします。そっちの方がDigikeyで1個40円で安いですしね(^口^)

今回の失敗
2回目なので、余裕ですよーとさくさく設計して基板を作りましたが、やっぱり失敗がありました。
バッファ用オペアンプ(IC3)のピン配置が左右逆!
わー、またやらかしましたね。面実装系でカバオがたまにやるミスです。片面基板だと、半田面に面実装ICをつけることになるので、左右反転して設計することを忘れると、この現象が起きます、

用意するもの ラジオペンチ 
対処法 ピンを逆に曲げる

※500円以上のICだと心臓に悪いので、おやめください。

幸い、それ以外はさしたる問題も無く、正常な音を鳴らすことに成功しました。
次回は、部品表の公開と、音質評価になります。

超小型USBDAC製作記 ⑥に続きます。

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超小型USBDAC製作記 ④

超小型USBDAC製作記  /  / 

今回は前回の超小型USBDAC第1号の反省と第2号への展望です。

1.カップリングコンデンサ
 直流遮断のカップリングコンデンサによる音質劣化が顕著。また、無理に性能の良いフィルムコンデンサを使うと外形が大きくなりすぎて基板に搭載できない。→ハイパスフィルタを排して、出力部手前にのみフィルコンではなくニチコンの無極性コンデンサ(ES)を入れる。もしくは、PCM2704のVCOMの出力を抵抗で分圧し、オペアンプに入力することで直流出力をニヤゼロ化して、カップリングコンデンサそのものをなくす。

2.電源部
 前回の設計では電源平滑のデカップリングコンデンサが、積セラか直径6.3mmの有極性コンデンサしか入れることができなかったんですが、8mm径の方が6.3mmの5倍近い容量を持っているので、できるならそっちを使っていきたい。また、高周波雑音除去用のコイルは、小容量のコンデンサしか使えない場合は4.7uHじゃなくて10~22uHぐらいの大きめのものを使った方が良いかもしれない。
 あと、電源用のLEDくらいはつけようと思います。

3.フィルタ部
 ハイパスフィルタを無理に入れるよりも、多重帰還型のローパスフィルタのみにして、質の良い抵抗とフィルムコンデンサを使った方が音質は良くなるかもしれない。
 また、Zobelフィルタが結構場所をとってしまうので、LT1498やLT1364などの耐容量性負荷の非常に高いオペアンプを用いることで、Zobelフィルタを除く方法も考えられる。

以上が前回の反省と次回の展望です。これをコストパフォーマンスや基板の面積と擦り合わせながら設計していきます。

超小型USBDAC製作記 ⑤に続きます。

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超小型USBDAC製作記 ③

超小型USBDAC製作記  /  

明けましておめでとうございます。今年もよろしくお願いいたしますm( _ _ )m
今年もがんばっていきますよー。今回はのまとめです。

 DAC内部1 DAC外見2

1号回路図

回路図は少しだけ前回と変更しました。Zobelフィルタの抵抗とコンデンサの値が変更されています。あんまり抵抗値は大きくしない方がいいみたいですね(^^;;
後、前回と今回のアップ時の回路図で、USB通信用抵抗(R4-R5)の抵抗値を、何を血迷ったのか、75Ωと記載していました。最近DAIのデジタル信号関係で思案中だったので、多分それが原因です。正しくは22Ωで、実際に基板にのっているのもその値です。すいません(^^;;
部品表も作りましたので、興味がありましたら御参照ください。

部品番号 部品名 型番 備考
IC1 USBDAC 16bit/48kHz PCM2704 - S/N比98dB
IC2 オペアンプ(フィルタ用) NJM4580D - 定格±5V以上
IC3 負電源生成用 LTC660 - 表面実装
R1 フィードバック抵抗 - 1MΩ 一般品で可
R2-R3 プルアップ抵抗 - 1.5kΩ 一般品で
R4-R5 USB通信用抵抗 - 22Ω 一般品で
R6 ハイパスフィルタ抵抗 LF1/4 22kΩ オーディオ抵抗推奨
R7 ローパスフィルタ抵抗 LF1/4 22kΩ オーディオ抵抗推奨
R8 ローパスフィルタ抵抗 LF1/4 10kΩ オーディオ抵抗推奨
R9 Zobelフィルタ LF1/4 10Ω オーディオ抵抗推奨
R10 出力保護抵抗 LF1/4 100Ω オーディオ抵抗推奨
R11 ハイパスフィルタ用抵抗 LF1/4 22kΩ オーディオ抵抗推奨
R12 ローパスフィルタ抵抗 LF1/4 22kΩ オーディオ抵抗推奨
R13 ローパスフィルタ抵抗 LF1/4 10kΩ オーディオ抵抗推奨
R14 Zobelフィルタ LF1/4 10Ω オーディオ抵抗推奨
R15 出力保護抵抗 LF1/4 100Ω オーディオ抵抗推奨
X1 水晶発振子 ABLS 12MHz 一般品で可
C1-C2 水晶発振子安定用 - 18pF 値は水晶に依存
C3,C5,C6 デカップリングコンデンサ - 6.3V100uF 積セラ
C4 デカップリングコンデンサ - 6.3V100uF オーディオ品推奨
C7 Zobelフィルタ用 ECPU 0.068uF フィルムコンデンサ推奨
C8 カップリングコンデンサ - 1uF フィルムコンデンサ推奨
C9 ローパスフィルタ用 - 100pF フィルムコンデンサ推奨
C10 カップリングコンデンサ - 1uF フィルムコンデンサ推奨
C11 Zobelフィルタ用 ECPU 0.068uF フィルムコンデンサ推奨
C12 カップリングコンデンサ - 1uF フィルムコンデンサ推奨
C13 ローパスフィルタ用 - 100pF フィルムコンデンサ推奨
C14 カップリングコンデンサ - 1uF フィルムコンデンサ推奨
C15,C17-18 デカップリングコンデンサ - 6.3V100uF オーディオ品推奨
C27 負電源生成用コンデンサ - 16V100uF 一般品推奨
C28,C33 デカップリングコンデンサ - 6.3V100uF オーディオ品推奨
L1-L3 高周波雑音除去用コイル - 4.7uH 定格100mA以上

ステレオミニコネクタ - - 基板取り付け型

USB-Bコネクタ - - 基板取り付け型

※記載されていないコンデンサの値は、全て0.1uFで、高周波雑音除去用に用いています。6.3V100uFの積セラは秋月電子の通販で購入しました。


音質評価
※注意 なるたけ客観的に聞いているつもりですし、若干厳しめに評価しますが、結局カバオの主観です。あまり当てにしないでください。

エージングなしでの印象は、「音、雑っ!」ですね。単純に音が多いのではなく、本来の音が出ていない印象です。ああ、これをみんな「がやつく」って言うんだなー、と思いました。
100時間ほど慣らすと、がやつきは大分マシになりますが、クリアとは言い難い音質です。カップリングコンデンサ(以下カプコン)をパナソニックのECHSの0.1uFを2パラにしたものに変えると、相当改善されましたので、カプコンを通す影響が大きいようです。ECHSは大きすぎて基板には搭載できませんが、同メーカーのECPU、ECHUなどの3216のチップをパラにして使うと良いと思います。

オペアンプは、OPA2604に変えると若干がやらなくなり、高域が良く出るようになりました。NE5532は音質は変わらず、音が少し大きくなったように感じます。コストパフォーマンス(以下CP)と入手性から考えると、NJM4580の方がカバオの好みです。

また、試みに抵抗を全て一般品のカーボン抵抗に変えてみると、ひどい音(がやつく、音がつぶれるなど)になりました。スピーカーで鳴らしてもはっきりと違いがわかります。こんなに違いが出るものかと感心しました。

他のものと比べると、PCのオンボードは論外。クリエイティブのX-Fi XtremeGamer Fatal1tyには、低域、高域ともに勝りますが、ONKYOのSE-90PCI(借り物)には僅かに及ばず、改造SE-U55SXPCM2702を使った高音質DACには大きく劣る・・・といったところだと思います。

第1号総括
とりあえず、バスパワーでちゃんと音を鳴らす。という目標においては成功です。基板面積は当初の予定通りですし、高さはステレオミニコネクタにあわせましたので、ギリギリまで切り詰められたといえます。

CPですが、高いものから言っていくと主幹部品のPCM2704がDigikeyで540円、同様にLTC660が580円、水晶発振子が300円59円でした。OS-CON(SEPC)が200円×6で1200円です。そのほかの部品類と、基板代を足すと、4000円弱の費用で組み上げたことになります。今回使ったOS-CONは高いので、ケミコンのKZEや、ルビコンのMCZを用いると、3000円以内で組むことも可能です。音質も悪いものではないので、まずまずのCPが得られているのではないかと思います。
 しかし、今回のUSBDACはあくまで、習作です。色々な問題点が浮き彫りになったので、次回からは第2号の製作記に移っていきます。

超小型USBDAC製作記 ④に続きます。

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超小型USBDAC製作記 ②

超小型USBDAC製作記 ① はこちらになります。

とはいってもですね、カバオはその時DAC設計未経験者なわけです。色々やりたいけど、データシートとにらめっこしながら「こ・・・これで動くかな?」とか恐る恐るの設計で、はじめは「とりあえず音が出ることを目指す安全設計」からスタートしました。

1号回路図
※アップ時のUSB端子周辺の回路図がおかしかったので、修正しました。

回路図完成!

回路設計説明

電源部
主幹部品のPCM2704は5V→3.3Vのレギュレータを搭載しているので、バスパワーモードだと、降圧レギュレータが不要になります。セルフパワーモードにして、USBのバスパワー(5V)を3.3Vに降圧したものを入力してもかまいませんが、結局、トランス電源を使うか、デジタルとアナログでレギュレータを分けない限りあまり意味がないことなので、今回はバスパワーモードを選択します。

フィルタに使うオペアンプのマイナス電源生成には、LTC660を使います。DigikeyでSOIC(表面実装)モデルが500円くらいで売っていますし、コンデンサ一つで入力電圧を負電源にしてくれるのはとても便利です。オペアンプの入出力にはLを入れて、高周波雑音を除きます。同時に、104と大量投入しているのは完全にnabeさんの影響です(笑)

フィルタ部
PCM2704のVCOMを利用してカップリングコンデンサ(以下カプコン)を使いたくなかったんですが、挑戦挑戦でいくと、動かなかったときの原因特定が難しいので、とりあえずカプコンを使う構成に(C8,C10,C12,C14)。ついでに、カプコンを利用して、抵抗(R6,R11)でハイパスフィルタを構成し、その後に非反転増幅器に入力します。抵抗値は、C9、C13にフィルムコンデンサ(大体100pF以上しかない)を使いたかったので、それとカットオフ周波数を基準に決めました。一応Zobelフィルタ(C7,R9,C11,R14)も入れましたが、NJM4580は大変安定性に優れたオペアンプなので、使い主の未熟な設計にも耐えてくれるはずです(^^;;;

部品のグレード
抵抗のほとんどは多摩電気のLFを使います。また、LTC660の負電源生成用電解コンデンサ(C27)以外で正負極のあるコンデンサは、全てOS-CON(SEPC)の6.3V100uFを使っています。正負極のない100uFのコンデンサは、秋月電子(通販)で売っていた6.3V100uFの積セラを使用しました。コストと積セラの大量投入を考えると、OS-CONではなくルビコンのMCZで構成するべきだったようにも感じます。水晶は±20ppmのそこそこのもので、一個300円でした。PCM2704は特殊な周波数の使い方をするようで、水晶の性能はあまり音質に影響しないそうです。
カプコンは工業用のフィルムコンデンサ(メーカー不明。ニッセイ?)です。オペアンプ周りには、松下のポリプロピレンフィルムコンデンサを使用しています。

回路図が完成したあまりの達成感に、さっさと感光して部品を載せてしまいました。回路図を作るまでに1週間近くかかったんですが、基板作って部品を載せたのは休日1日で終了です。テンションの高さがうかがえますねー。

本当は感光とかエッチングの光景とか、感光後の基板とか載せたかったんですが、この頃はまさか自分がブログをはじめるとは思ってもいなかったので、写真を一切撮っていません(^^;
回路図すら、今回ブログに載せるからと、急遽PCで作りました。当時は紙に書いたものとデータシートを見ながら、基板設計を行っていました。この癖早く直さないといけないなー

で、肝心の音がでたのか? という話なんですが・・・・・・・
ええ、なりましたよ。なったはなったんですよ。
凄い音割れするけど
イヤー! と悲鳴を上げ、バグチェックにかかりました。カプコンを凄く大きなオーディオ用のフィルムコンデンサに変えたり、抵抗をちょっといい物に変えたりした挙句、オペアンプの帰還抵抗の一部がグランドと短絡してたのは秘密ですOTL

今日の反省:配線の短絡やはんだの接触は、要確認(当然)

以下が、一応の完成したDACになります。大きさは51*38*18(横*縦*高さ)で、結構こじんまりしたものになったと思います。ケース?らしきものは、昔、感光失敗した基板を50*37.5に切りそろえて上下にナットやスペーサーをかまして取り付けた後、周りを 絶縁テープ || 銅箔 || 絶縁テープ で囲んで、つや消し黒スプレー塗りました。感光基板は基本的にガラス繊維と銅版の組み合わせなので、DACを薄い銅でくるんだ形になります。
DAC外見2 DAC三点比較2
DAC内部1 DAC内部2
みっちり詰まってますねー(^^;;

音質評価
・・・・・・・は、長くなりすぎたので、次回というか、来年で(^^;; 気が向いたら、部品表も作っとこうかなと思います。
それでは皆さん、良いお年を!

超小型USBDAC製作記 ③へ続きます。



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カバオ

Author:カバオ
1984年5月25日生まれ 2008年12月現在 電子回路歴3年、オーディオ回路歴1年の、いわゆる初心者。

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