DACを作りたい
以前に、かなり力を入れて、NOS DAC（Non Over Sampling Digital Analog Converter）を制作し、長らくこれを使ってきた。
TDA1543とCS8414の石（IC）を使った、トラディッショナルなDACだ。暖かい良い音が鳴るので気に入っていた。
（製作記はこちら↓）
そんな中、Raspberry Piの持つI2S出力から（S/PDIFを介するのではなく）ダイレクトにDACに入力するHi-Fi DACキットを購入し、音を出してみると、おったまげた。
（Raspberry Pi DACのレビューはこちら↓）
MINIBOSSというRaspberry Pi の HiFi DACで、PCM5122のICを使ったDACなのだが、音の解像度、クリアさ、臨場感、低音と言い、素晴らしい。
TDA1543を使った自作NOS DACの限界を感じてしまった。
そこで、最近では最も音が良いと言われているPCM1794AというDAC ICを使って、DACを作ることにした訳である。完全に泥沼にハマった状態かもしれない。
PCM1794A＋CS8416 DAC設計
まずは、DAI (Digital Audio Interface) の設計を行う。
DAIの設計
PCM1794Aと相性の良いDAIとして、Cirrus Logic社のCS8416、旭化成エレクトロニクス社製 AK4113がよく使われている。
前回、NOS DACを制作した際は、CS8414を使用したので、よく似ているCS8416を使用することにした。
CS8416から、I2S (Inter-IC Sound)で出力して、PCM1794Aへオーディオデータを入れる。
I2Sについては、こちらのエントリで詳しく書いたので、興味があれば参照ください。
CS8416のデータシート を読んで、評価回路を参考にして回路を設計。
ちなみに、CS8416のデータシートは、とんでもなく分厚い。全部読むのは不可能なので、要所々々読むと良い。
CS8416は、ソフトモードとハードモードがある。マイコンで制御するまでしたくないので、簡単なハードモードで動かすことにした。
なお、ここで注意だが、ハードモードは、出力が24bitしか対応していない。
TDA1543のような古いDAC ICは、16bitのみ対応というものもあり、CS8416が使えない場合がある。
今回使用するPCM1794Aは、24bit入力対応なので問題ない。
(クリックで画像が最大化されます)
部品一覧
| 部品番号 | 型番 | 概要 | 数量 | 単価 | 購入先 |
| DAI IC | Cirrus Logics CS8416 | 24bit 192kHz対応DAI IC | 1 | ¥996 | Mouser Electronics |
| RST IC | NJM2103 | リセットIC | 1 | ¥90 | 秋月電子 |
| TORX | PLR135/T | 光レシーバ | 1 | ¥150 | 秋月電子 |
| L101 | 47uH | インダクター（４７μＨ１．２Ａ）ＬＨＬ０８ＮＢ４７０Ｋ | 1 | ¥30 | 秋月電子 |
| R101 | 47kΩ | 抵抗 | 8 | ¥9 | 共立エレショップ |
| R102 | 3kΩ | 抵抗 | 1 | ¥30 | 共立エレショップ |
| R103 | 47Ω | 抵抗 | 1 | ¥30 | 共立エレショップ |
| C101 | 0.1uF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 4 | ¥15 | 秋月電子 |
| C102 | 0.022uF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 1 | ¥15 | 秋月電子 |
| C103 | 1000pF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 1 | ¥15 | 秋月電子 |
| C104 | 0.01uF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 1 | ¥15 | 秋月電子 |
| SSOP変換アダプタ | ＴＳＳＯＰ２８ピン（０．６５ｍｍ）・ＳＯＰ２８ピン（１．２７ｍｍ）ＤＩＰ変換基板 | 変換アダプタ | 1 | ¥50 | 秋月電子 |
| DIPソケット | 丸ピンＩＣソケット （ ８Ｐ） | DIPソケット | 1 | ¥15 | 秋月電子 |
データシートを読んでいて、なかなか分からなかったことをメモしておく。
（１）RESET (RST) はリセットICからの入力を得る
電源が安定するまでは、RESET ICがRESET信号をV+にしないらしく、電源が安定するまでCS8416を動作させないための工夫とのこと。リセットICは、NJM2103など秋月電子で100円くらいで売っている。
（２）RXSEL[0,1]でRXP[0,3]を選択する（入力ソースの選択）
これもデータシートを読んでいて分からなかったのだが、RXSEL[0,1]をGND/VDDに切り替えることで、RXP[0,3]のオーディオ入力を切り替えることができるらしい。わざわざ入力切り替え器を作らなくても良くて便利。
（３）ハードモードで、OMCKに外部クロックを入力すると幸せになれるか
OMCKに精度の高いクロックを入れると、OSCLKとOLRCKが、入力された精度の高いクロックによって叩き直されて送出される。ハードモードでは、柔軟に外部クロックを入れたり切ったりはできないらしいが、ソフトモードだとできるらしい。ハードモードだと、44.1kHz/44.8kHzなどサンプリングレートが違う入力が入ってきた時に、固定的なクロック周波数となるため、うまくいかない。外部クロックを入れたかったのだが、残念。ただ、CS8416内に高精度な水晶発振子を持っているらしく、高精度クロックで各種信号を叩き直してジッタノイズ対策をし、RMCKなどを生成してくれるらしい。
掲載した回路図は、外部クロックを入力した場合の構成例だが、外部クロックを入れない場合は、OMCK（25pin）をGNDに落とすと良い。
DACまわりの設計
DAC ICはもちろん Texas Instruments社の PCM1794A だ。
PCM1794Aのデータシート を読んで勉強した。
PCM1794Aは分かりやすいDACで、データシートの分量も少なく、かなりシンプルな回路構成となった。
（画像クリックで拡大します）
部品一覧
| 部品番号 | 型番 | 概要 | 数量 | 単価 | 購入先 |
| DAC IC | Texas Instruments PCM1794A | 132dB SNR 24bit 192kHz DAC | 1 | ¥1484 | Mouser Electronics |
| R201 | 10kΩ | 抵抗 | 1 | ¥30 | 共立エレショップ |
| C201 | 0.1uF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 4 | ¥15 | 秋月電子 |
| C202 | 47uF | コンデンサ ニチコンFG | 2 | ¥20 | 秋月電子 |
| C203 | 10uF | コンデンサ ニチコンFG | 3 | ¥10 | 秋月電子 |
| SSOP変換アダプタ | ＴＳＳＯＰ２８ピン（０．６５ｍｍ）・ＳＯＰ２８ピン（１．２７ｍｍ）ＤＩＰ変換基板 | 変換アダプタ | 1 | ¥50 | 秋月電子 |
PCM1794Aから出力した後は、オペアンプによりIV変換を行う。１段目のオペアンプでIV変換して差動出力（バランス出力）にし、 ２段目のオペアンプでアンバランス出力に変える回路となっている。
実は、PCM1794Aのデータシートに載っているサプルアプリケーションの回路図をそのまま使える。なので、PCM1794Aのデータシートを転記します↓
（画像クリックで拡大します）
部品一覧
| 部品番号 | 型番 | 概要 | 数量 | 単価 | 購入先 |
| オペアンプ | Texas Instruments OPA604 | 1回路入オペアンプ | 3✕2 | ¥374.5 | Mouser Electronics |
| R1,R2 | 820Ω | 抵抗 | 2✕2 | ¥30 | 共立エレショップ |
| R3,R4,R5,R6 | 360Ω | 抵抗 | 4✕2 | ¥30 (200Ωと150Ω) |
共立エレショップ |
| R7 | 100Ω DALE |
抵抗 | 1✕2 | ¥84 | 共立エレショップ |
| C1,C2 | 2200pF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 2✕2 | ¥15 | 秋月電子 |
| C3,C4 | 2700pF | ポリプロピレンフィルムコンデンサ100V 2700pF | 2✕2 | ¥16 | 共立エレショップ |
| C11,C12,C13, C14,C15,C16 |
0.1uF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 6✕2 | ¥15 | 秋月電子 |
| C17,C18 | 22pF | 絶縁型ラジアルリード型積層セラミックコンデンサ | 2✕2 | ¥10 | 秋月電子 |
| C19 | 33pF | ポリフェニレンサルファイド フィルムコンデンサ PPSC | 1✕2 | ¥152 | 共立エレショップ |
| DIPソケット | 丸ピンＩＣソケット （ ８Ｐ） | DIPソケット | 6 | ¥15 | 秋月電子 |
電源部の設計（チャージポンプICによる負電圧生成）
電源部の設計だ。
トランス電源 v.s. スイッチング電源 で悩む。
トランス電源は、高周波ノイズが少なく、オペアンプ用の負電圧も簡単に作ることができる。
だが、電力効率が低い。DACはわざわざ出かける度に電源OFFにしたくないので、消費電力が気になるところ。
スイッチング電源は、電力効率が高い一方で、高周波スイッチングのためのノイズや、負電圧が作るのが難しい点が悩ましい。
スイッチング電源は、トロイダルコアでLPF（ローパスフィルター）を作れば、高周波ノイズは取り除けること、チャージポンプICを使えば負電源が作れることから、今回はスイッチング電源で作ることにする。
5V、3.3V、12Vの電源回路はこちら。
（画像クリックで拡大します）
-12Vの電源回路がこちら。
（画像クリックで拡大します）
NJW4191MというチャージポンプICを使って、負電源を作り出している。
チャージポンプICとは、高速にスイッチングして回路をつなぎ替えることで、負電源を作ることができるICだ。便利なのだが、かなり無理をして負電圧を作るので、出力電流が1つのICにつき、55mAと小さい。
これだと、オペアンプを駆動するのに心もとないので、ICを4つ並列に並べて使うことにした。
（回路図は、最後の2つの回路は記載を省略した）
電源部の設計（トロイダルトランスを使用した負電圧の生成）
当初、チャージポンプICを使用してオペアンプ用の負電圧を生成しようと思ったのだが、チャージポンプICは出力電流が55mA程度と小さく、スイッチングによるノイズも精神衛生上は気になるので、結局トロイダルトランスを使用した負電圧の生成を行うことにした。
トランスには、EIトランス、トロイダルトランス、Rコアトランスの３種類がある。
それぞれの特徴は下表の感じだ。トロイダルトランスかRコアトランスを選びたい。
| トランスの種類 | 特徴 |
| EIトランス | [メリット]価格が安い [デメリット]電磁漏れが多く、電力効率が悪い（消費電力が大きくなる）。電磁漏れが多いので、ノイズを発生しやすい。重い。 |
| トロイダルトランス | [メリット]電磁漏れが小さく、電力効率が高い（95%の高効率のトランスもある）。ノイズが少ない。軽い。 [デメリット]価格が高い。 |
| Rコアトランス | 特徴はトロイダルトランスとほぼ同じ。 構造上、電磁漏れが一直線上になりやすく、箱入れの際は考慮すると良い。 |
今回は、CS8416やPCM1794AのICを安く購入できたMouser Electronicsで、¥2011という破格でトロイダルトランスが売られていたので、トロイダルトランスを選定した。
AC（交流）をDC（直流）に変換するための整流回路を作る必要がある。
センタータップ式ブリッジ整流方式や、ダブルブリッジ整流方式など色々な種類がある。センタータップ式ブリッジ整流方式は、トロイダルトランスなどは巻き芯数が微妙に異なることがあり、その巻き数の違いによりGNDとなる電圧は0Vにならず、整流時に電流の往来がGNDに発生してしまうことがある。
従って、音質面ではダブルブリッジ整流方式が良い。
ダブルブリッジ整流回路は下図のような回路だ。
12V、-12V、5V、3.3Vの生成は、前述した回路と同じ。
12Vと-12Vは、ACアダプタからの電源入力ではなくなったので、5Vや3.3Vと同じようにレギュレータを介することにした。
（下図では表していませんが、12V回路の前に、レギュレータをはさんでいます）
部品一覧
| 部品番号 | 型番 | 概要 | 数量 | 単価 | 購入先 |
| L1〜L4 （トロイダルトランス） |
Power Transformers POWER XFMR [email protected] UL/CE TOROIDAL MOUNT | [email protected]のトロイダルトランス | 1 | ¥2011 | Mouser Electronics |
| D1〜D8 （ダイオード） |
ＵＦ２０１０ １０００Ｖ２Ａ | 高耐圧高速整流用ダイオード | 8 | ¥20 | 秋月電子 |
| C1,C2 （電解コンデンサ） |
４７００μＦ５０Ｖ８５℃ | オーディオ用電解コンデンサー ニチコンＫＷ | 2 | ¥280 | 秋月電子 |
| ヒューズ | ＭＦ５１ＮＲ ２５０Ｖ１Ａ ２０ｍｍ | ガラス管ヒューズ | 1 | ¥20 | 秋月電子 |
| ヒューズホルダー | ＭＦ－５０５ | ヒューズホルダー（基板取付用） | 1 | ¥29 | 秋月電子 |
| レギュレータ12V | 低損失三端子レギュレーター １２Ｖ１Ａ ＬＭ２９４０ＣＴ－１２ コンデンサ、ネジ付きセット | レギュレータ | 1 | ¥100 | 秋月電子 |
| レギュレータ-12V | 三端子レギュレーター －１２Ｖ１Ａ ＮＪＭ７９１２ＦＡ 負電源用 | レギュレータ | 1 | ¥50 | 秋月電子 |
| レギュレータ 5V | 低損失三端子レギュレーター ５Ｖ１Ａ ＴＡ４８０５Ｓ | レギュレータ | 1 | ¥100 | 秋月電子 |
| レギュレータ 3.3V | 低損失三端子レギュレーター ３．３Ｖ１Ａ ＴＡ４８０３３Ｓ | レギュレータ | 2 | ¥100 | 秋月電子 |
| L1 | 43uH | トロイダルコイル | 5 | ¥50 | 秋月電子 |
| C1 | 1000uH | 電解コンデンサ ニチコンFG | 5 | ¥50 | 秋月電子 |
| C2 | 0.22uF | メタライズドポリエステルフィルムコンデンサ | 5 | ¥25 | 秋月電子 |
| ACアダプタ端子 | MJ-10 | ２．１ｍｍ標準ＤＣジャック パネル取付用 | 1 | ¥40 | 秋月電子 |
その他の部品一覧
| 部品番号 | 型番 | 概要 | 数量 | 単価 | 購入先 |
| RCA端子 | ＲＪ－２２９０Ｎ／Ｗ | RCAジャック | 3 | ¥60 | 秋月電子 |
| 電源スイッチ | ー | ３Ｐトグルスイッチ １回路２接点 | 2 | ¥80 | 秋月電子 |
| ケーブル | ー | １ｍ×１０色 導体外径０．５４ｍｍ（ＡＷＧ２４相当） | 1 | ¥300 | 秋月電子 |
| ハウジング用コンタクト | ー | ＳＸＨ－００１Ｔ－Ｐ０．６ | 2 | ¥30 | 秋月電子 |
| XHコネクタ | ー | Ｂ２Ｂ－ＸＨ－Ａ | 10 | ¥10 | 秋月電子 |
| XHコネクタ | ー | Ｂ３Ｂ－ＸＨ－Ａ | 10 | ¥10 | 秋月電子 |
| XHコネクタ | ー | ハウジング ２Ｐ ＸＨＰ－２ | 10 | ¥5 | 秋月電子 |
| XHコネクタ | ー | ハウジング ３Ｐ ＸＨＰ－３ | 10 | ¥5 | 秋月電子 |
| ユニバーサル基板 | 95mm x 72mm | ガラスコンポジットユニバーサル基板 | 2 | ¥100 | 秋月電子 |
| ハンダ | ー | 鉛フリーはんだ | 1 | ¥270 | 秋月電子 |
| フラックス | ー | ＦＳ２１１－８１ | 1 | ¥540 | 秋月電子 |
| スペーサーセット | ー | M3 | 3 | ¥50 | 秋月電子 |
プリント基板設計
今回は、ある程度部品点数が多いので、プリント基板を設計して実装することにした。中国のプリント基板を製造するサービスを利用すると、送料込みで2000円くらいでプリント基板を作ることができる。
プリント基板製作までの大まかな流れは下記のような感じだ。とても簡単。
プリント基板製作までの大まかな流れ
（１）回路図を作成する
（２）回路図を元に、プリント基板を設計する（ほぼソフトの自動配置を使って自動生成）
（３）プリント基板製造会社へ発注
（４）宅急便で届く
（１）回路図を作成する
回路図の作成は、最も有名なソフトウェアである Eagle を使うと良い。
Eagle は、対応している部品の数が圧倒的で、後工程のプリント基板設計の自動配線機能など、無料で使えるとは思えないくらい素晴らしいソフトだ。
無料のお試し版だと、プリント基板は100mm x 80mm のサイズまでしか設計できないが、大きな回路を設計するのではなければ、十分なサイズだ。
回路作成風景はこんな感じ↓
ちなみに、CS8416 や PCM1794A のライブラリは無かったので、下記サイトでEagle用のLibraryを入手した。
https://componentsearchengine.com/index.html
ERCという回路のエラーチェック機能があるので、これはかけておいた方が良い。
（２）プリント基板の設計
これが、Eagleのプリント基板設計画面だ↓
（ベタGNDする前）
部品配置は自分で行う必要があるが、煩わしい配線は、Eagleの自動配線機能を使うと、とても簡単にできる。
配線サイズは、PCM1794AがSSOPだったので、0.3mmの太さにした。
（ほんとうは、もっと太くしたかったのだが、SSOPの足は細すぎるので、この太さが限界だった。）
ただ、手動でできるところは0.5mmの配線も使った。
ベタGNDした後はこのような感じ↓
ベタGND後のプリント基板に、DRC（エラーチェック）をかけて、エラーを訂正して完了だ。
（３）プリント基板製造会社へ発注
プリント基板製造会社は、国産企業から中国企業まで、数多くある。
国内の企業は、安心の品質だが、１枚基板をつくるだけで１万円は下らない。
一方で、中国のプリント基板製造会社は、送料込みで2000円くらいで製造してもらえる。
ということで、今回は中国のプリント基板製造会社で最も有名な speeed fusion PCB を利用した。
最近のEagleは、speeed fusion PCB 向けのガーバーファイル（発注するために必要なファイル群を生成するための定義ファイル）が、デフォルトで入っている。
DRC（エラーチェック）の定義ファイルはspeeed fusion PCBからダウンロードした。
speeed fusion PCB の発注画面はこんな感じ。
１０枚作って、$4.90と格安だ。
ガーバーファイルをアップロードすると、アップロードしたプリント基板を、彼らのシステム上で確認することができる。
中国からの発送となり、送料は$15くらい。
（４）宅急便で届く
現在発注し、到着待ちの状況です！乞うご期待
ケースの選定
かっこいいケースに入れたいなぁと思っていたのだが、いつも使っているタカチなど色々見たが、良いのが見つからなかった。
そこで気がついたのだ。既成オーディオ製品の箱を流用すれば良いのだと。
既成オーディオ製品は、結構良いケースを使っている。しかも、RCA端子などの穴あけも終わっている。電源ケーブルやヒートシンクまでも付いてくるのだ！
ということで、メルカリでジャンク品を探していると、1500円（送料込み）で DENON の UAVC-300 というホームシアターアンプが販売されているのを発見。
ポチっ
届いたケースがこちら↓（すでに呼び方がケースになっている笑）
背面のお姿がこちら↓
バラしてみると、こんなに立派なヒートシンクが。
これは流用できて嬉しい。しかも、レギュレータを取り付けるための穴が既に空いている。
これは助かる！
トランス電源は、トロイダルトランスかRコアトランスを期待したのだが、EIトランスだった。残念。前述したとおり、EIトランスは電力効率が悪いので、流用するのはやめた。
解体後のケースはこんな感じ↓
S/PDIFやRCA端子の穴が空いており、加工がとても楽そうだ。
このLED用の穴を使えば、電源ON/OFFのランプも光らせることができる。
送料込み1500円で手に入ったケースとは思えないくらい品質が高い。
部品実装
現在、部品とプリント基板の到着待ち
コメント