■タグ「回路図」

■RasPd4 ハードウェア編

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微妙に不安定な面があったRasPd2を作り直しました。「3」を飛ばして「4」になっていますが、奇数番号は多機能タイプで、偶数番号はコンパクトタイプということにしておきます。スイッチやポットの基板についてはRasPd2のものを流用しており、外観は変わりません。初めてPCBを基板製造業者に注文しましたが、まぁまぁ納得の出来栄えでした。Raspberry Piは「zero W」です。

▽回路図
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入力にローパスフィルターを追加し、出力はヘッドフォン出力ではなくライン出力を使っています。ステレオ入力や出力バッファー追加も考えていたのですが、チップ部品でないと入らなさそうだったので諦めました。ダンピング抵抗は22Ωから47Ωへ上げて様子を見てみます。電源は9Vではなく5Vにしたので、大きな降圧レギュレータが不要となりました。DCジャックには間違えて9Vのプラグを挿さないように、秋月電子で買った「電圧区分4」というものを使用しています。

▽レイアウト(KiCadのデータはこちらへ)
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あまり意味はないかと思いますが、一応レイアウトも載せておきます。GNDはアナログ(右側)とデジタル(左側)に分けていて、中央下のあたりの一点で接続するようにしました。GPIOの番号は「*」印で示しており、使わないGPIOについては左端に引き出してあります。Raspberry Piが重なる部分は高さ7mmの電解コンデンサを使いましたが、スペースがあるので横に倒してもなんとか入りそうです。注文した基板は1M(R1)と1K(R2)の印字位置を逆にするというミスがあり、危ないところでした…

ノイズについてはRasPd2とほぼ同じくらいです。ギターが拾うノイズの方が大きいので、まぁOKということにしておきます。最大入出力レベルは0.9Vrms程度で、これも問題ないと思います。以前あったエラー音のような音については、起動して数十秒の間に短くビッと鳴ることがありますが、それ以外では今のところ大丈夫なようです。

WM8731より性能がよいIC(CS4272が候補)を使うとさらに高品質になると思われます。自作するとなると情報が少ないのですが、今後取り組んでみたいところです。

■NJM2073ギターアンプ

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ミニギターアンプとしてはLM386を使用したスモーキーアンプが有名です。私も自作したものを使っていたのですが、大きい音を出そうとするとどうしても歪んでしまいます。そこで、ある程度大きいクリーン音が出るミニアンプを自作することにしました。一応ミニサイズということで、卓上に置けて9V電池駆動可能なものにします。

まず電力効率がよいD級アンプを考え、PAM8408というICを試しました。しかしギターを繋いでみると、過大入力時にミュートがかかるらしく音が途切れ途切れになりうまくいきませんでした。他にもいろいろとD級アンプICはありますが、新たに購入するのが面倒だったので、昔何かのついでに買っていたNJM2073Sを使うことにしました。

NJM2073は、LM386と同程度のゲイン・出力の回路が2つ入っているパワーアンプICです。TDA2822という互換品もあります。BTL動作だと9V、8Ω負荷で3W以上出力がありそうです。スピーカーは出力に余裕があるものがよいだろうと思い、秋月電子の8Ω10Wのものにしました。

▽回路図
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簡単なオーバードライブ回路を前段に入れてスイッチで切り替えるようにしています(※トーンを上げすぎると発振するかもしれません)。プリアンプ部分は単なるフェンダー型トーン回路です。NJM2073の電圧利得が高い(+44dB)ため、ゲインはあまり上げなくても大丈夫だと思います。

パワーアンプは今後変更するかもしれないので別基板にしました。通常、出力には発振防止のための抵抗とコンデンサ(Zobelフィルタというらしい)を入れます。データシートでは抵抗が1Ωですが、歪みやすい気がしたので10Ωにしました。コンデンサはありあわせの100nFですが問題ないようです。NJM2073「S」(SIP9ピンパッケージ)は生産中止品で、「D」(DIP8ピン)とピン番号が違うので間違えやすいです。

▽レイアウト
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▽PCB
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ケースはタカチMB-3(90×60×125mm)です。スピーカー部分の穴あけ精度はイマイチですが、円状なのでそれほどズレが気になりません。意外と内部スペースがあるので、スピーカーの配置は真ん中でもよかった気がします。

どのくらいの音量かマイク録音して調べてみました。クリーン音のまま出せる音量は、ドレッドノートサイズのアコギをストロークしたときと大体同じくらいでした。歪むくらい音量を上げていくと、ケース自体が振動してジワジワ移動し始めます。大きい音を出すには、やはり頑丈なケースが必要となるようです。まぁそれなりの音量でクリーン音が出すという目的は達成できました。今後テスト用アンプとして使っていく見込みです。

■RasPd2 ハードウェア編

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Raspberry Pi Zeroを使い、コンパクトなデジタルエフェクターを作りました。今回はLCDがなく、単機能エフェクターとして使うことを想定しています。オーディオインターフェイスはUSBではなくI2Sで通信するとレイテンシーが低減できるようで、WM8731というICを使用しました。レイテンシー実測値は7msとほとんどリアルタイムに近いレベルとなりました。

WM8731については、別記事に記載しています。
WM8731 設定メモ
Raspberry Pi Zeroでもほとんど設定は同じですが、ADC High Pass Filterはオンにするとノイズが増えたためオフにしました。音量は Master 56(-9dB) Capture 87(+9dB) です。

SN比を稼ぐため、RasPd1のときには外部回路で入力前増幅→出力後減衰を行っていました。WM8731のデータシートを見てみると、IC内部でアナログな増幅・減衰ができるため外部回路は入力バッファのみとしました。電源電圧が3.3Vと低いですが、+9dB(2.8倍)程度までは歪まないだろうと思います。

▽回路図
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出力のコンデンサが100uFと大きい値なのはイヤホンを直接繋ぐためでしたが、誤って大出力になったとき危険なのでイヤホンでのテストはしない方がいいでしょう。各スイッチには少し面倒ですがチャタリング防止の抵抗やコンデンサを入れています。とりあえずたくさんコントロールを準備したという感じで、割り当てをどうするかは未定です。WM8731への接続に入っている抵抗(ダンピング抵抗)はありあわせの22Ωにしましたが、役割はあまり理解していません。

ノイズ対策のため、電源・GNDは4系統に分かれています。
 [アナログ9V電源・GND(バッファ用)]
   ↓
 [デジタル5V電源・GND(Raspberry Pi用)] → [アナログ3.3V電源・GND(WM8731用)]
   ↓
 [デジタル3.3V電源・GND(WM8731用)]

▽レイアウト
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▽PCB(横111.8mm縦73.7mm)
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あまり見慣れない水晶振動子というパーツがありますが、ケースが金属なので基板から少し浮かせて取り付けています。周波数の値はそんなに高精度のものでなくていいようです。WM8731には、シングルタイプのピンソケットを使うことでICの下にパーツを配置できるようにしています。レイアウト上部の基板間の配線は、着脱式にして後からの修正をしやすくしました。また、GND等のいくつかのジャンパーは基板の裏側(半田面)で配線しています。

今回もノイズには悩まされました。まずサーというホワイトノイズがRasPd1より多く出ていました。Raspberry Pi自体から電磁波的ノイズが出ているのかと思いアルミホイルでシールドしてみましたが効果なしでした。pedalSHIELD DUEのようにRチャネルに位相反転した入力を入れて、ノイズキャンセルしようとしましたがこれもダメでした(LとRでノイズの乗り方が違うようです)。結局電源を分離すると解決したため、ノイズ源はWM8731用アナログ電源だったようです。

その他にもギターを繋いだときに少しキーン&プツプツというノイズが出ていました。RasPd2内蔵のバッファを一旦外し、別電源のバッファを前段に繋いだ場合はほとんどノイズが消えたため、電源とGNDの取り方が原因と考えました。試行錯誤の結果、絶縁型のDC-DCコンバータを使用し、その出力部に各GNDを集めるというレイアウトになっています。

下写真のように基板を2枚重ねにしています。
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ケースは高さがあるHAMMOND1590BSです。発熱が心配ですが、裏フタをあけた状態ではCPU温度50℃程度で安定しているようです。そのうち無線接続可能なRaspberry Pi Zero Wに変更し、改めて長時間使用時の安定性を調べようと思います。

---以下2017年12月24日追記---
現状以下の問題点があるので、作り直す必要がありそうです。
・微妙にノイズが残っている
・ダイナミックレンジが狭い
・たまにビーというエラー音のような音が入る



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■Nuverdrive+

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「Nutubeで作る自作エフェクター・コンテスト」で佳作を受賞したNuverdriveですが、フットスイッチを押したときのマイクロフォニックノイズが大きかったため作り直しました。もともとNuverdriveを小さいサイズにしたのはコンテスト審査でインパクトを与えるためだったので、今回の「プラス」バージョンが本来の姿といえます。

▽回路図
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変更点は以下の通りです。
<トーン追加>
この形のトーン回路(ただのローパスフィルタ)はCカーブのポットがよさそうです。ただちょうどいい値(2kCカーブ)が手に入りにくそうなので、1kBカーブにしました。可変幅は少ない感じです。
<トリマーを固定抵抗化>
歪みエフェクターなので、細かな調整は必要ないと考えました。Nutubeの個体差によってはほんの少しゲインが下がるかもしれません。
※修正しました(追記参照)。
<オペアンプ>
高音質な印象を与えるためOPA2134を使っていましたが、TL072でも全然問題ありません。
<3.3Vレギュレータ追加>
フィラメントにかかる電圧が安定するため、電池駆動が可能になりました。何Vまで低下しても大丈夫なのかはテストしていません。

▽レイアウト
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▽PCB(横55.9mm縦22.9mm)
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マイクロフォニックノイズはまだ少しだけ出ている状態ですが、演奏中切り替えても特に気にならないレベルになりました。以下のような対策をしていますが、HAMMOND 1590Bサイズではこれが限界だろうと思います。
<シリコンワイヤー>
Nutube使用ガイドで柔らかい線材が推奨されていたため、シリコンワイヤーという線材を試しました。茹でたスパゲッティのような感触です。
<適度なスポンジ>
ぎゅうぎゅうにスポンジを詰めると振動がNutubeに伝わりやすくなる気がするため、ほんのり位置を固定する程度に詰めています。
<フジソクのスイッチ>
見た目は頼りない感じで、本来は足踏み用ではなさそうです。スイッチを押したときの感覚がかなりソフトになります。ただし、荒っぽく踏んだ場合は他のフットスイッチとあまり変わらないかなと思います。

トーン約半分の位置でNuverdriveと同じになります。Nuverdriveの音は下記イベント・レポートの動画で聴くことができます。
KORG / Nutube BUILDER SUMMITイベント・レポート

---以下2017年5月14日追記---
Nutubeを別の個体に差し替えたところ、変な歪み方になりました。たまたま今まで使っていた個体が大丈夫だっただけで、バイアス調整トリマーは必要なようです。回路図・レイアウト・PCB画像を修正しました。

■RasPd1 ハードウェア編

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Raspberry Pi 3とPure Data(Pd)を使ったデジタルエフェクターを作りました。名前は適当ですが「RasPd」(ラズピーディー)です。このシリーズが続くかわかりませんが、とりあえず1号機は完成ということにしておきます。

Raspberry Pi 3を選んだのは、ウェブ上での情報が多く、GUI環境があるというのは大きなメリットだと思ったためです。結局はレイテンシー低減のためGUIなしでやることになりましたが、やってみるとなんとか慣れてくるものです。実用的な設定でのレイテンシーは14msとまずまずの値となりました。

USBオーディオインターフェイスについては、別記事に記載しています。
Raspberry Pi 用USBオーディオインターフェースの選定

Plugable USBオーディオ変換アダプタには前段にバッファーが必要となります。デジタル用USB電源5Vでそのままバッファーを動かすとノイズが大きいため、バッファー用にアナログ用電源を用意します。今回は絶縁型DC-DCコンバータで5Vを12Vに昇圧しました。絶縁型DC-DCコンバータはA.GND(アナロググラウンド)とD.GND(デジタルグラウンド)が内部で繋がっていない状態となっていて、ノイズ低減が見込めます。他には9V程度の電源からUSB用5Vに降圧させる案も考えられますが、Raspberry Pi 3に使えそうな5V・2Aの絶縁型DC-DCコンバータは手に入りにくいと思います。

▽回路図、接続図
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電源は「USB5V電源→フィルタ→絶縁型DC-DCコンバータ→フィルタ→アナログ用電源」という形になっています。スイッチング電源のフィルタにはインダクタを入れるのが普通ですが、可聴域ではあまり変わらないのと手持ちに適当なものがなかったため入れていません。消費電力が大きいオペアンプでは電圧が下がりすぎるので、フィルタの抵抗値は半分でもよいと思います。
※ずっと「キーン」というノイズに悩まされていたのですが、Raspberry Pi 3本体を新品に変えるとなくなりました。いろいろな実験をするうちにどこかが故障していたのだと思います。ですので通常はここまでノイズ対策をする必要はなさそうです。絶縁型でないDC-DCコンバータでもよいかもしれません。

USBオーディオの周辺回路が面倒な感じになっているのは、高域のプリエンファシス・デエンファシスを考えていた名残です。高域だけ増幅すると影響が出そうなエフェクト(コンプレッサー等)がある気がしたので、単に音量を増減するという形にしました。

「超小型LCDキャラクタディスプレイモジュール」「2色LED付スイッチ付ロータリーエンコーダ」(1色だけ利用)は秋月電子で販売しているものです。回路図は省略しましたが、データシートの通りチャタリング防止の抵抗やコンデンサを入れています。

▽コントロール割り当て
左スイッチ/ロータリーエンコーダ: エフェクト切替/パラメータ増減
中央スイッチ/ロータリーエンコーダ: エフェクト切替/パラメータ増減
右スイッチ/ロータリーエンコーダ: パラメータのページ切替、長押しでシャットダウン/パラメータ増減
左フットスイッチ: エフェクトオン・オフ、オン時左LED点灯
右フットスイッチ: 特殊機能(ブースト機能等)オン・オフ、オン時中央LED点灯
側面トグルスイッチ: 緊急時のバイパス用

現在はエフェクト単機能を切り替えて使用するプログラムとなっていますが、将来的には複数のエフェクトを繋いだパッチを切り替えて使用できるようにしたいと思います。そのためにはプログラミングはもちろん、スイッチやLCDも変更していく必要がありそうです。



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