ディジタルアイソレートUSBモジュールを検討する！の巻き　2011.6.29

PCM2704を使用したDAC2704はUSBに接続してオーディオ出力を得ることができる簡単な基板ですが、
オーディオ出力を得るよりもSPDIFなるディジタル出力を得るための基板として活用する場合も多々あります。
しかし、USB入力を可能にするためにDAC2704はすこし大きいです。
光入力モジュールと同じように、出来るだけコンパクトにUSB入力モジュールがあると便利です。
そのために、オーディオ出力は割愛する必要がありますが、用途を限定した方が案外使いやすいものになるでしょう。

しかし、少し懸念点があります。USBはPCとGNDが絶縁されていませんから、PCM2704のSPDIF出力をDACに接続
するとPCのGNDラインが直接オーディオラインにのってきます。絶縁するにはパルストランスなどがありますが、
これだと大きくなってしまって、結局のところDAC2704をつかったら？ということになってしまいます。

ディジタルアイソレータを探してみる。

おそらくこういった用途のためにディジタルアイソレータは開発されたのでしょう。探してみると色々なメーカからでていますが、
AD（アナログデバイセス）が魅力的なものがでています。

型番で言えばADuＭ１１００になります。８ピンのSOICなので小型化が期待できます。


これが便利そうです。

回路的には１回路しかありませんが、SPDIF自体がシリアル転送ですから問題ありません。

　　　　内部回路は１回路のみ。トランスで分離しているようです。

ADuM1100にはその末尾の記号により、速度が違います。ADuM1100ARは25MHz版です。
そしてADuM1100BRとADuM1100URは100MHzバージョンです。PCM2704のSPDIF出力であれば
25MHzでも帯域的には十分ですが、高いものでもないので100MHzを使うことにしましょう。
ちなみにBRとＵＲの違いは使用温度域の違いで、BRが105℃まで。ＵＲが１２５℃までです。
まあ軍事用途ではないので（笑）、ＢＲにしましょう。

ARは25MHzバージョン　　　　　　　　　BRとURは100MHzバージョン（もちろんこちらを選択）。

さてそうと決まればDIGIKEYに発注です。

部品到着　2011.7.2

DIGIKEYで２個買いました。消費税込みで５２３円/個です。２５個以上買えば４２８円になるのですが、
まずは味見なのでそんなには要りません。

まずは２個だけ買ったADuM1100BR

SO-8のパッケージなのでまずは変換基板に登載します。28Pの変換基板なので
ものすごく間抜けな感じに見えますね（笑）。

変換基板に取り付け

まずはどんな出力がでるかを確認しました。1MHzのＴＴＬ出力の発振器を繋いで
波形をみてみましたが、かなりよさそうな特性です。オシロの帯域が狭い（20MHz)なので
これ以上周波数を上げても、波形が鈍っているのかオシロの表示が鈍っているのか
区別がつきません。もっと高速なオシロが欲しいな〜・・・・・。

まずは信号を確認。（下：入力波形、上：出力波形）

上の写真のように1MHzの信号でこれだけシャープな信号が得られるようならば
USBのＳＰＤＩＦ信号出力としても問題ないでしょう。

あ、そうだ！！

ちょうどRenewDAC1704を組み上げようとしているので、このディジタルアイソレータをつかって
DAIとDACの間に入れることで完全にディジアナ分離を目指しましょう。せっかくの高性能のPCM1704
をフルに性能を発揮させるにはいいかもです。
ということで、まずは動作確認のためのプロトタイプを作ってみました。
いまのところADuM1100が２個しかないので、BCKとLRCKのみをＩＣを通すことにしました。
もっとも高速なBCKが通れば問題はないでしょう。

DAIとDACの間にいれるGND分離の変換基板。

変換基板の動作確認のためにASRCをDAI代わりに使用して、テスト用のR-2R DACとの間に挟みこみました。
これで動作確認ができます。

変換基板の動作確認中。

無事に192kHzの出力でも問題なく動作することが確認できました。

変換基板の動作は問題ないようです。

ちなみに、このときのBCKの周波数は12.288MHzになりますがオシロで観察すると
下の写真のようになります。オシロの帯域が狭いので信号が矩形波であっても
こんな風に三角波にみえてしまいます。

BCK信号の様子。遅いオシロだとこうなってしまいます。

こんなメールをいただきました。　2011.7.3

なるほど。若松のＨＰをみると８８０円とありますね。DIGIKEYをみると１０３６円ですから若松の勝ちです。
多分スピード的にはADuM1400でも大丈夫そうです（動いている実績もあるようですし）。

ADuM1400とADum1100と比較してみると、下表のようになります。

データレートはそれほど代わらないのですが、伝播遅延が大きくことなるのが気になります。
ここは安全にADuM1100Bをつかおうかと思います。というかオーディオだと心理面が大きそうなので・・・・

早速パターンを描いてみる！

まずはDAIとDAC間のディジタルアイソレータです。
ダンピング抵抗も登載可能なものと、コネクタ感覚でつかえるように出来る限り小型にした２種類を描いてみました。
DAC1704-4Dは少しピン配置が違うのですが、4Dでも使えるように少しパターンを工夫しています。

DAIとＤＡＣ間のディジタルアイソレータです。

本題に戻って・・・・
もともとこの検討記はUSBモジュールの製作が目的だったので、そちらの方も描いてみました。
ベタを表示するとパターンが見えなくなるのでベタを抜いています。
とりあえずオーディオ出力もとれるようにしましたが、たぶん使うことはないでしょう。
サイズは３３ｍｍ×４３mmとモジュールと呼ぶには少し大きめです。

ディジタルアイソレートUSBです。

ついでにUSBアイソレータ　2011.7.16

以前にBBSでUSBのアイソレータが話題になったことがありましたが、
どんな型番か忘れてしまいました。

こんなときはDIGIKEYのＨＰから検索です。「USB　アイソレータ」で検索してみました。

[USB　アイソレータ」で検索をかけます。日本語入力なので便利です。

検索するとでてくるのがADuM3160とADuM4160です。マニュアルを比較して速度的にもあまり違いがありませんが、
最大の違いは絶縁電圧のようです。 ADuM3160が2500Vなのに対して5000Vの違いがあります。
しかし、こんな絶縁電圧が必要な分野ってなんだろう？医療用かな？
ここはADuM4160を試してみることにしましょう。

検索してヒットするのはADuM3160とADuM4160

まずはADuM4160を購入。

いつものDIGIKEYで２個ほど購入。１個でいいのですが、とりあえずは予備です。
DIGIKEYのオンラインカタログではナロータイプのパッケージかと思いましたが、
実際はワイドタイプのパッケージでした。

購入したADuM4160。ワイド幅のパッケージだ！

とりあえずは秋月で買ってある変換基板を利用してDIPモジュールに変換です。

まずは変換基板＋変換ピンを実装しました。

おもむろにマニュアルを閲覧

さて、どのように接続すればいいのかマニュアルを読んで勉強です。
ブロックダイアグラムは下図のようになっていますが、なにやら見慣れないピンがあります。
それは入力側のPDEN,SPUと出力側のSPD，ＰＩＮです。

ADuM4160のブロックダイアグラム

見慣れないピンについてデータシートを眺めると
ＰＤＥＮはプルダウンを行うためのピンで、通常はVDDに接続するようです。
SPUはスピードセレクトですが、遅く設定する理由はないのでフルスピード（ＶＤＤ接続）でいいでしょう。


出力側ですが
PINはプルアップを行うためのPINです、ＶＤＤに接続しておけば良さそうです。
SPDはスピードセレクトですが、こちらもフルでいいしょう（VDDに接続）。


ということでだいたい接続方法がわかったので接続回路図を描いてみましょう。
ちょっと考える必要があるのは２次側の電源をどうするかです。外部電源を接続してもいいのですが、
ＵＳＢ−ＵSBコンバータでさらに外部電源を接続するのも面倒です。
かといって、１次側からDC-DCで電源を供給しても、電流容量が限られそうです。
まあ、これについては使用用途がきまればそれに併せて変更していきましょう。
まずは、動作するかどうかですね。


ADuM4160をつかったUSBアイソレータの回路図。とても簡単です。

USBコネクターは？

USBコネクタは秋月から取り寄せました。それぞのPIN配置については備忘録です。


USB-A型のコネクタ（ホスト側）　　　　　　　　　　　　USB-B型のコネクタ（リモート側）　
　
USBコネクタのPIN配置

いきなり完成！

部品点数が少ないの１時間もかからず完成です。まずは外部電源をつかうバージョンにしています。


外部電源バージョンで完成です。

まずは簡単に接続して動作確認です。結果はいとも簡単に動き出しました。
そりゃ、こんな簡単な接続で間違いようがないですからね。

動作確認の様子。すぐに動き出しました。

DC-DCコンバータを接続したいのだけど・・・・・

まずは動作確認ができて何よりなのですが、外部電源が必要なのは面倒です。５Ｖ入力５Ｖ出力のDC-DCコンバータが
あればいいのですが、部品箱にはなさそうです。そりゃ、買った覚えがないですからね（笑）。
以前に正負１５ＶのDC-DCコンバータを買った覚えがあるので、それを探してみました。
取り出せる電流は最大で100mAなので、すこし非力ですがまずは動作させるだけなら大丈夫でしょう。

部品箱から見つかったＤＣ-ＤＣコンバータ。１５Ｖ仕様です。

このDC-DCコンバータの出力を５Ｖに変更する必要がありますから、５Ｖの３端子レギュレータをとりつけています。
しかし、なんと変換効率の悪いこと！　節電しなきゃならないのにね・・・・
さて、このバージョンでも無事動作確認できました。

独立したUSB-USB変換器の完成です！

基板を描いてみるかな？2011.7.16

USBコネクタの向きを考えて２通りのパターンを描いてみました。
２次側の電源については、
１．　１次側からDC-DCコンバータを使って生成するパターン
２．　５Ｖの外部電源を接続するパターン
３．　８〜１２Ｖ程度の電源を入力して３端子レギュレータで５Ｖに変換するパターン
の３つに対応できるようにしてみました。
コードネームはISO4160です。

　ISO4160-A基板　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ISO-4160-B基板

基板サイズが小さいのと、こういった基板は何枚もつかう可能性が高いので４枚綴りにすると便利かもしれません。

あすから２泊３日で東京出張か〜・・・せっかくの３連休が（泣）。

試作基板到着　２０１１．７．２４

試作基板が到着しました。今回は面付け数の制限があったので、その他の基板も１枚にすべてまとめました。
ミシン穴で連結しています。とても細長い基板で約全長360mmもあります。


試作基板。１枚にまとめたので細長くなってしまいました。

USBアイソレートモジュールは２枚つけています。

USBアイソレートモジュール

一枚ごとに切り離して、端部を紙ヤスリを軽くかけて滑らかにします。＃１００くらいの紙ヤスリがよさそうです。

紙ヤスリで端部を滑らかに整形です。

組み立て！
組み立てというほどもありません。必要な部品は抵抗４本、チップコンデンサ１０個、
水晶、セラミックコンデンサ２個、ＩＣ２個、USBコネクタだけです。部品が揃っていれば
１０分もあれば組上がってしまいます。

完成しました！

動作確認ですが、まずはUSBケーブルでPCに接続します。
PCのコントロールパネルのデバイスマネージャをみていて、
USBオーディオデバイスがあらわれましたので、無事認識はされているようです。
　
USBケーブルを接続　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　無事認識されました。

DACに接続しよう！

Renew DAC8741が手元にあったので、これに接続してみました。接続するときの注意点は
DAC側の終端抵抗（７５Ω）はとりはずしておきます。
USBアイソレートモジュールへの供給電源は３．３Ｖに設定しています。

DACに接続して最終の動作確認です。

出力をオシロで観察して動作の確認終了です。

問題なく動きました。

まずは、USBアイソレートモジュールの完成です。USB入力する場合にPCとのGND分離に活用しましょう！

DAI-DACアイソレータを組み立てる！

DAI-DACアイソレータの製作自体は部品点数も少ないので簡単ですが、まずは動作環境を揃えておきましょう。
完成してから、あれこれするのは精神的によくないです（笑）。
まず、動作環境としてはFFASRCとRenewDAC1704を揃えました。この組み合わせでケースに納めようとは思っているですが、
なかなか作業がすすんでいないのですが、アイソレータもできることなので少し組み合わせも変わりそうです。
さて、接続の順番はまず
　FFASRC→RenewDAC1704
になります。FFFASRCの設定は24BitでＲｉｇｈｔ−Ｊ（右詰）にあわせておきます。

FFASRCとRenewDAC1704との接続の様子。

まずは単純な接続の状態で出力が得られるかどうかを確認しておきましょう。RenewDAC1704は電流出力なので、
７５Ωの抵抗をGND間に接続してその電圧を観測します。PCM1704の電流出力はバイポーラ出力ですから、
DCオフセットが生じないのでオシロでの測定もDCモードでできますので簡単です。

まずは出力を確認しました。

最初はコネクタタイプのアイソレータ

FFASRCとRenewDAC1704との接続が確認できんたので、アイソレータの動作確認を進めていきましょう。
まずはコネクタタイプのアイソレータです。基板に直接接続することを想定しているので小さめの形状になっています。

コネクタタイプのDAI-DACアイソレータ

アイソレート用のADuM1100は４個登載可能ですが、必要な信号はDAＴＡ、LRCK,BCKの３線だけなので
ICも３個だけにしておきました。１個４００円以上しますから、無駄に登載するのは勿体ないです。
そういえば４００円って言えば、会社の昼食代（社食）と同じな〜と思うと余計に慎重になったりです（汗）。
部品点数は少ないので組み上げはあっという間です。パスコンについては基板の裏側についています。

組上がったコネクター用のDAI-DACアイソレータ

動作確認！
まずはダイレクトに接続して動作の確認です。

確認の様子。

動作周波数を44.1kHz、96kHz、192kHzで変化させてみましたが、問題ないようです。


Fs=44.1kHz 　　　　　　　　　　　　　　Fs=96kHz　　　　　　　　　　　　　　Fs=192kHz

次はケーブルコネクタータイプ

つぎはケーブルコネクタータイプです。これは、DAIとDACとの中継基板をイメージしています。
少し大きめのサイズですが、入力および出力にはダンピング抵抗を実装できるようにしています。
しかし、今回の用途では必要なさそうなので半田ジャンパーとしています。この基板では半田ジャンパー
がし易いようにパターンを工夫しています。
　
ケーブルコネクタタイプのDAI-DACアイソレータ　　　　　　　　ダンピング抵抗は使用しないので半田ジャンパーです。

動作確認には10pのフラットケーブルを２本つかって接続です。こちらも問題なく動作しました。
スペースに余裕があれば、こちらの基板の方がケース内の見栄えはいいかもしれません。

ケーブルコネクタタイプのDAI-DACアイソレータの動作確認。


Fs=192kHzで動作確認

RenewDAI　for DF1706　と接続してみよう！

単純にRenew DAI for DF1706と繋ぐだけじゃなく、最初にFFASRCを入れてみました。
構成は
　FFASRC→Renew DAI for DF1706→ケーブルコネクタタイプDAI-DACアイソ　→　RenewDAC1704
です。この構成で、オシロの波形をみているかぎり大丈夫そうです。

FFASRC→Renew DAI for DF1706→ケーブルコネクタタイプDAI-DACアイソ　→　RenewDAC1704

つぎは念のために
　FFASRC→Renew DAI for DF1706→コネクタタイプDAI-DACアイソ　→　RenewDAC1704
です。こちらも問題なさそうです。

FFASRC→Renew DAI for DF1706→コネクタタイプDAI-DACアイソ　→　RenewDAC1704

さて、どちらがいいなかな〜？？？・

RenewDAC1704をケースに納める前に、次の基板が完成とどきました

ええ〜、やっっちゃった？？？？　2011.8.24

基板がとどきました。USB-ISOに加えて在庫切れの基板も再製作したのですが、
開封してビックリ。半田レベラです。え〜発注時のオプション設定間違えちゃった？
なんかガッカリです。しばらく動けそうにないです。

え？半田レベラー？

基板の表面処理は違えとパターンは大丈夫。気を取り直して試作にかかりましょう。
同時に再製作の手配もしなくっちゃ・・・・・（発送積み残しもあるので・・・・）。

まずはISO4160-Bから
これはUSBコネクタを同じ側にとりつけたバージョンです。
部品点数は少ないのであっという間にできあがってしまいました。

ISO4160-Bの完成です。

まずは外部電源駆動で動作の確認です。USB機器側（出力側）には必ず電源が必要なので、
まずは＋５Ｖの安定化電源を接続してみました。
問題なく動作しました。

まずは＋５Ｖ電源を入れて動作確認です。

つぎは３端子レギュレータバージョンです。外部電源が８Ｖ以上で非安定の場合はこれが簡単です。
ただし、ＵＳＢ機器の消費電流が大きいようならレギュレータICに放熱板は必須になるでしょう。
ケースに直付けしたほうがいいかもしれません。

３端子レギュレータをつかって８Ｖ（以上）受けにしています。

最後はDC-DCコンバータを登載です。これは秋月で売られているMAU02というもので５V200mAの容量があります。
ＤＣ−ＤＣコンバータをとりつけると、基板への給電が不要になるのでとてもスッキリします。
　
DC-DCコンバータを登載したISO4160-Bが完成　　　　　　　配線はきわめてスッキリです。

次はISO4160

これはUSBコネクタを基板の両端にとりつけたものです。入力、出力を意識し易い構成になっています。

ISO4160-Aの完成

こちらも、まずは外部電源モードで動作を確認しました。

ISO4160-Aの動作を確認中

同様にDC-DCコンバータを登載してシンプルバージョンも完成です。
　
DC-DCコンバータを登載したISO4160-Aが完成　　　　　　　配線はストレートでスッキリ。

兄弟並べてパチリ！
お出掛け用の写真をとっておきましょう。

ISO4160-A,Bが完成しました。

ミスも発見！
シルクが一部抜けていたりずれていたりするところもあったのですが、ISO4160-Aで出力USBコネクタの
VBUS用の電コンに並列につけるパスコンのGND配線が抜けているところがありました。
このパスコンはなくても動作にはまったく支障がないのですが、折角なのでとりつけたいです。
近くのレジストを削ってとりつけようかと思いましたが、もっと簡単な方法で対処しました。
C2の裏側に直接とりつけました。この方が、実際には特性がよくなるかな〜。
　
１つCｐ（パスコン）のGND接続が抜けていました。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表ではなくC2の裏に直接とりつけてみました。

あ〜、折角ならこのミス修正して再製作しておけばよかったですが、時すでに遅し・・・

いつもの金フラッシュ版じゃないけど、勿体ないから少し廉価にして頒布に回そうかな〜（思案中）。
（つづく）