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２００６年 ２月２２日(水)
回転式のボリュームはもう、いや！
当サイトで製作、紹介している「バットディテクター」や
「指向性マイク」など音声出力機器を製作すると必ず、抵抗式のメカニカルボリュームが必要になります。
このメカニカルボリュームを何とか、削減できないか、ということで。ボリューム専用ＩＣなども検討してみましたが、小型のものがなかったり、
最適なものは入手が困難だったりと思うようにはいきません。そこで、ＰＩＣでデジタルアンプを構成すれば、デジタルボリュームも同時に実現できるのでは、と考えて数週間。
やっとそれらしいものが出来上がりましたので紹介いたします。
●デジタルボリュームにすることのメリット
抵抗式のボリュームはその機能しか得られませんが、デジタルボリュームはプッシュスイッチで音量を制御でき、
プログラム次第ではこのスイッチを別の機能に柔軟に切り替えることが出来ます、ここがもっとも期待しているところなのです。
デジタルアンプとは
デジタルアンプとは「１ビットアンプ」又は「Ｄ級アンプ」とも呼ばれデジタル制御が可能な、電力ＶＳ出力効率の良いアンプです。
デジタルアンプは元となるアナログ信号をアナログ／デジタル変換することで、量子化し、この量子化されたデジタル値をＰＷＭ比率にすることで、
アナログ音声をデジタル的に出力することが出来るようになっております。ＰＷＭの出力にはＬ/ＣフィルターとＬＰＦを接続すると音声が復元されます。
−−擬似Ｄ／Ａ変換とでもいいましょうか ＝ ※ΔΣ変調
この技術はすでに、さまざまなところで利用されており、例をあげると、ＭＰ３プレーヤーや携帯電話などがあります。
又、単体のオーディオアンプでは効率が良く、小型で発熱の少ない、大出力のアンプとして実用化されております。
ＰＩＣで作るデジタルアンプ
デジタルアンプ。まずは小型化が条件の一つなので、８ピンＰＩＣを選択します。次にデジタルアンプですから、
ＰＷＭとＡＤＣを内蔵したタイプとして「ＰＩＣ１２Ｆ６８３」を採用しました。
今回はＣＰＵを最高速でドライブする必要がありますので、クロックは２０Ｍｈｚのセラロックを外付けします。
これで、Ｉ／Ｏは残り４ピンとなります。アナログ入力で１ポート、デジタル出力であるＰＷＭで１ポート、残り２ポートはボリューム＋／−の２ポートでぴったり全ポートを利用します。
●サンプリング周波数
デジタルアンプはサンプリング周期が音声品質を左右します。これはＣＤを例にとるとわかります。
ちなみにＣＤは４４．１Ｋｈｚでサンプリングしております。これは１秒間を４４１００分割して、４４１００回、数値化していることを意味します。
サンプリング周期としてＰＩＣのポートを２ポートも使ってセラロックを接続し最高速でＣＰＵをドライブする理由はここにあり、
いかに、Ａ／Ｄ変換回数を稼ぐかがポイントになります。今回、アクイジョンタイム、
要するにサンプリング＆ホールド用のキャパシタへの被測定電圧の蓄電時間についてはＰＩＣのデータシートの推奨値１９．７μＳを無視して１０μＳで、ＡＤ変換しております。
音声なので精度は気にせず、聞こえればＯＫです。実際、１０μＳでもぜんぜん気になりません。
最終的にボリューム処理などを盛り込むと、サンプリング周期は１５Ｋｈｚになってしまいました。
音声品質はそれなりですが、なんとか使えそうなレベルです。
今回、添付しているソフトはボリューム処理を入れていないので、サンプリング周期は約３４Ｋｈｚです。
●ＰＷＭ周期
次にＰＷＭ周期は可聴周波数上限（２０Ｋｈｚ）より、極力高くする必要があります。なぜならば可聴周波数に近いと、ザーとかサーなど、
ＦＭノイズが出力に残り、Ｌ／Ｃフィルター、ＬＰＦでも減衰させることが困難になります。又、無理に減衰させると目的の音声も減衰してしまうからです。
ここでは、ＴＭＲ２のプリスケーラ値を１：１、ＰＲ２を7ＦＨとしてＰＷＭ周期３９．０６ＫＨＺでドライブします。
この設定での最大分解能は９ビットですが、高速処理が目的のため下位１ビットを捨てて、８ビットを使用します。
当初は１９．５３ＫｈｚでＦＭノイズが気になりましたが、３９．０６Ｋｈｚにして、だいぶよくなりました。
●アナログ入力
その次は、アナログ入力ですが、回路全体は５Ｖで動作させますので、アナログ音声入力のセンターは２．５Ｖです。
デジタル的には８ビットである２５６の２分の１、１２８が仮想０ボルトとなります。この１２８を中心として、ボリューム制御します。
●出力段
スピーカードライバーとしてＰＩＣのＰＷＭ出力をフルスイングさせるスイッチング部とＬ/Ｃフィルターからなります。
Ｌ／Ｃの定数は音質を第一にカット＆トライで決めました。ここも音質を決定する重要な部分なので、まだ改良の余地があります。
●回路図とソフト
デジタルアンプとはいいながら、プリアンプにはアナログアンプを使用しております。
これはしかたがありません。
「ＰＩＣでつくるデジタルアンプ回路図」 ＰＤＦファイル
※説明ではＬＰＦを取り上げましたが、現状ＬＰＦはつけておりません。
「ＰＩＣでつくるデジタルアンプ、ソフト」 ＨＥＸファイル
※このソフトはボリューム機能がありません。
●応用と今後
今回紹介した簡易デジタルアンプは抵抗式のメカニカルボリュームの置き換えから、赤外線音声送受信などにも、応用が出来ます。
又、簡単な音声加工や短時間の録音もたぶん可能になります。現状は音声品質とボリューム制御について、改善をおこなっております。
次回は動作の詳細説明と実際の音声をアップする予定です。
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