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zoom RSS D/Dコンバーター基板をいじくる

<<   作成日時 : 2014/09/10 15:54   >>

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DigiFi No.15 付録のA/Dコンバーター部分にまだこだわっている。

前回、USBバスパワーを止めて別電源にすることで残留ノイズが劇的に減ったことを書いたが、ハイレゾというにはもう少しノイズレベルをダウンしたいところ。 悶々としているところへ、ふと思いついてノイズのFFT分析をしてみた。

USBバスパワーで動作させたときのノイズと、別電源で動作させたときのノイズを比べると、別電源では、300〜400Hzから低域に向かって大幅にノイズが改善されている。 100Hzで10dB以上、10Hzでは30dB以上減っており、別電源の効果が絶大だ。
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USBバスパワーでの動作

一方で気になるノイズがある。 60Hz、120Hz、240Hz・・・のように、ツンツンとピークのある雑音。 この電灯線周波数のノイズは別電源でもほとんど変化がない。 だからノイズが別電源から回って来ているのかもしれないが、基板がむき出しなのでアナログ回路が影響を受けている可能性だってある。
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USBの+5V OUTから別電源で電力を供給

ちなみに、基板に手をかざすと電源周波数帯ばかりでなく、高音域にまで盛大にノイズが増える。そこで、アナログ部のシールドをしようと考えた。
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D/Dコンバーター基板に手のひらをかざす

ジャンク箱の中に、ACアダプターについていたコの字型の銅のシールド板発見、これを使う。 スイッチングレギュレーター式のACアダプターを壊すと、よくこういうのが出てくる。 ノギスをケガキ代わりに使い、ハサミで必要サイズに切り取って、ものさし、机の角、ペンチなどで折り曲げてケースにする。 0.2ミリ厚の銅板だからできることだが、強度的には心もとない。
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取り付けはネジ1本のみ、あとは内側に貼った2.5ミリ厚のゴムシートが2本のケミコンの頭に当たって、シールド板が基板に接触しないように支えている。 またケミコンの金属容器は、電位が不定で他から電圧を与えてはいけないとのことなので、ゴムシートはシールドケースとケミコン容器との絶縁のためでもある。

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できたシールドケースはRCAジャックにネジ止めすることで、ケースがアナロググラウンドに接地されてシールド効果を発揮する。 流用したコの字型銅板はサイズがちょっと足りず、A/Dコンバーターチップを覆うまでにいかなかった。 あと5mm足りない、あり合わせの物ってこんなことがよくある。

最初ピカピカだった銅板も、こねくり回しているうち、手あかで黒ずんでしまった。 見るからに効果が期待できない気分になる(笑)。 結果は電源ノイズが数dB良くなったかなという程度。 DigiOnSound4のレベルメーターでは、シールドなしの-69dB前後が、シールドケースをつけて-72dBほどになった。
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別電源駆動、シールドケース装着

さらに10kHz〜20kHzでも1〜2dBノイズレベルが下がっているので、デジタル回路からのノイズカットにも少しは効果があるように思う。
しかし、60Hzや120Hzなどが、その周辺の周波数とのレベルより20dB前後も高く、根本的な電源ノイズのカットに至っていない。 

そこでD/Dコンバーター全体を金属ケースで覆ったらどうなるかをやってみた。 お菓子の金属ケース(例えば鳩サブレーの缶)の中に入れてノイズを見たら、これは感嘆ものだった。 ただし、金属ケースもアナロググラウンドに接続しなければノイズは十分に下がらない。
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金属缶の中に入れる

このときのレベルメーターでのノイズレベルが不思議なことに、ほとんど変わらない。 ツンツンと林立していたノイズがなくなったにもかかわらず、レベルメーターはわずかに下がり-72dBを切る程度だ。 10Hz以下の、-90dBから-110dBという比較的大きな低域ノイズが、表示に大きく影響しているんだろうか。

ADCチップメーカーのデータシートを見ていて、そのへんのことが分かるグラフを見つけた。 9ページの図13。 リニアスケールなので低域が分かりにくいが、このチップのノイズレベルは0kHzから数十Hz付近が-90dBぐらい、それ以上の周波数では-120dB〜-130dBの範囲のノイズレベルだ。
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そして、このD/Dコンバーター基板にのったADCもだいたいそのあたりになっている。 つまりこの基板は、チップのノイズ性能をほぼ出し切っているといってよい。 だからこれがチップそのものの限界、もうこれ以上はノイズの改善の余地がないといえる。

 ・・・あとは重箱の隅。 120Hzにわずかなピークがある。 これは電源回路のリップル電圧の漏れの影響だ。 それを確かめるためにさらに別の電源を作ってみた(もう、泥沼だ)。

No.16付録のD/Aコンバーター基板を接続するための6ピンコネクタが付いているので、とりあえずここに3端子レギュレーターで安定化した電源を送りこんでやることにする。 超簡単にするため、安定化5Vを出力するだけの回路を組む。 このレギュレーターにはすでに安定化した8〜10Vぐらいの電圧を入力する。 このコネクタはUSBOUTよりもADCに近いため、よりレギュレーションが良くなるはずだ(笑)。
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6ピンコネクタに取り付ける3端子レギュレーター基板

しかし次号のD/Aコンバーターをここに接続するなら、USBの+5VOUTに電源を接続するなどの方法が良い。 いまのところ次号を買う予定はないけれど、いつ気が変わるかはわからないし。

このコネクタは、1、3、4番ピンがGND、2番がSPDIFout 5、6番が+5Vになっている。 したがってピンが2本あれば電力を送れるが、機械的強度を持たせるためにすべてのピンを用意して、電気的にも2番以外はすべて使う。
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使用部品は、全部ジャンクを使う(新たな出費をしない)。
3端子レギュレーターの7805、どこの馬の骨か全く不明。
レギュレーターの入力と出力にそれぞれ日本ケミコンのOSコン25V15μF。 ただ、現在の日本ケミコンのカタログにはないCFMというタイプ。 しかもOSCという印刷があるからOSコンだと思っている始末・・・。
DCジャックは古いFMVノートから取った物、相方のDCコードはそのパソコンのACアダプタから切り取った物。 ちなみにコの字型銅板はこのアダプタに付いていた。
6ピンコネクタの電極は何かのコネクタの分解した物。
基板だけは未使用品、だが20年以上前に買ったもの。
以上全6点。

その結果は、120Hzのピークがきれいに取れた。 ノイズに関しては、多分もうこれ以上すべきことはないだろう。 参考までに、SE-U55のノイズレベルと比べると・・・
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3端子レギュレーターでの駆動、D/Dコンバーター基板を金属缶に入れた状態

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SE-U55のノイズスペクトラム

チップの問題だと分かっていながらしつこいが、全体的にノイズレベルが高めだ。 計算上、24Bitなら16Bitより量子化ノイズが48dB低くなるはずだから、全体的なノイズももう少し低くてもよいはずなのに、逆にSE-U55より高めだ。 しかしこれがチップの性能だから、これ以上を望むなら他の機械を探すしかない。

SE-U55は高域で雑音レベルの起伏が激しい。 アナログ回路が基板の半分近くを占めているにもかかわらず、部分シールドが施されていない。 そのため基板内のデジタル回路からの信号が、アナログ回路にノイズとなって飛び込んでいるのが原因ではないか。 また、アナログ入力の切り替えにアナログスイッチIC(74HC4053)を使っているのも気になるところだ。

ノイズ対策をまとめると、
1.USBバスパワーの電源の質が悪いときは十分に安定化した別電源にする。
2.A/Dコンバーター部はシールドをする。
3.D/Dコンバーター基板を金属ケースに収める。

3番目は、ケースが基板の複数のグラウンドと接触しないように注意が必要。



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