外部I2C制御のシンプルなDACを検討してみる!の巻き 2024.9.15

ことのはじめ
現在DIV5142の統合コントローラタイムアライメント機能を検討しているけれど、
接続するDACはどうするの?という課題が自分には残っています。
 手元にはDACは色々と、それも数多くありますが、DIV5142と接続するには
すこし(?)問題があります。というのも、必要なことはPCM入力(I2Sフォーマット)が
できるDACということになり、それらは多数ありますが、一部の例外を除いて、
すべてマイコン内蔵で表示器やスイッチを必要とするオールインタイプになっています。
そのため、統合コントローラから制御することがかなり難しいです。
もっとも、DAC機能のみを使って統合コントローラとは分離するという手もありますが、
そうなるとボリュームが固定になってしまいます。ボリューム固定になるということは、
出力にはコントロールアンプが必要になってきます。DACの電子ボリュームが使えれば
コントロールアンプを排することができ、とてもシンプルです。

そのため、外部からI2C制御できる単体DACがあると、色々と便利そうです。
いわゆるマイコンを搭載しないDACということになります。

外からマイコン等でI2C制御がなければ、なにも設定が変えられないことになりますが、
まあ、それは仕方ありません。ただ、リセット後はデフォルト設定になるので、
いわゆるI2Sフォーマット入力で、出力最大(ボリュームMAX)となるでしょうから、
マイコンを使わなければいわゆる普通のI2S接続のDACとして使えるでしょう。

候補のDAC素子は?

やはり、あまり高くなくて気楽に使えるものがいいです。
高くても1000円台程度がいいです。

候補1 AK4493S
  旭化成の32BitDACです。AK4493SはDIGIKEYで1500円程度です。
  この上のクラスのAK4499になると、とたんに価格が跳ね上がりますし、
  現在はAK4499EXになって、AK4191と組み合わせが必要で、必要な電源も
  多数あって気楽というにはほど遠いです。そういえば、AK4499EX+AK4191
  組み合わせは検討中だったけど、ほとんど寝ているなあ〜。

候補2 BD34352
  ROHMの32BitDACです。BD34301はかなり高いですがBD34352なら国内で1500円程度で入手
 できます。そういえば、BD34352をつかって外部からI2C制御できる基板(DAC343XX-S)がありました。
 PICをすこし書き換えて、電源投入シーケンスが終わったらPICをSLEEPさせるように変更したら
 良さそうです。ということで、候補には上げましたが、ここでは検討する必要はないでしょう。

候補3 PCM179X
  TI社(もとはBB社)の24〜32BitDACです。I2C制御できるものは色々とあり、DIGIKEYで
 1000円前後で手にはいります。このDACは今までに色々使ったこともあります。

候補4 M9000(CS4398コンパチ)
  秋月で売っているCOOLAUDIO社の24BitDACです。550円と安価です。
 中身はシーラスロジックのCS4398と同じのようです。これについても
 以前にDAC4398とのコードネームで開発したことがありますが、作るとすれば
 ポストアンプ付にしないといけないですね。

ほかにも色々とありそうだけど、まずが候補1,3あたりでまずは考えましょう。

課題は色々あるなあ〜
 最初に考えたのは下記のような構成です。
 一応DACのRESETも加えました。おそらくパワーオンリセットはあるでしょうけど、
 AK4493Sはないとダメなような記載があったので、入れておきました。
 これで、問題がないような気がしていたのですが・・・・・


 もっともシンプルな形です。これでは課題が残ります。

 考えてみると、課題大ありです。これで、動くことは問題ありませんが、
 リセット直後はほぼすべてのDAC素子でデフォルトであるボリューム最大になります。
 ということは、このままパワーアンプに接続していれば、スピーカは逝ってしまいます。
 そのため、立ち上がりのときにはDACのボリュームはミニマム(MUTE)になっている
 必要があります。

そのためにはどうすればいいかの対応案が必要です。

対応案その1
 小さいPICでも搭載してI2C信号にパラに挿入です。そして、電源投入時にMUTEをかけておいて、
 あとはPICからはI2Cラインを開放する方法です。案外スマートにできそうな感じがありましたが、
 PICからの制御と他のコントローラからの制御が衝突する可能性がどうしても残ります。そのため
 他のコントローラからの制御は、PICからの制御が十分に終わったあと判断した後(例えば数秒)に
 行う必要があります。これって、待ち時間が結構多くなってしまいます。
  それに、DACが別の筐体(電源が別系統)だったりしたら、使えません。電源投入の順番を
 間違えでもしたら、悲劇がまっています。

対応案その2
 すこし面倒ですが、外部からのI2C信号でAMP出力のMUTEを解除する素子を追加します。
 すなわちI/Oエキスパンダを追加して、それでアンプ出力のMUTE制御を行います。
 ついでなので、DACのリセットコントロールも行えばいいでしょう。
  ちょうど下記のような感じです。

 外部制御のソフト負荷は増えますが、この方がいいでしょう。

こうすれば、制御負荷は大きくなりますが、安全にコントロールできます。

回路図を書いてみましょう

2種類書いてみましたが、要はDACの部分が異なるだけなので、ほとんどがコピペです。
しかしI/Oエキスパンダですが、16ポートもあるのに、2ポートしか使わないのは勿体ないなあ〜。





ちょっと悩むのは電源

電源部分についてはちょっと悩みます。
DACで必要となるのは、主に下記の電源ラインです。

OPアンプ用(±12〜15V)
DACアナログ用(5V) ※AK4493では3.3Vも必要
デジタル用(3.3V)

横着するなら、OPアンプ用電源のみ供給して、そこから降圧して5V、さらに降圧して3..3Vを得るというパターンがあります。
もうちょっと分離するなら、OPアンプ用電源とデジタル用電源の2系統を用意して、DACアナログ電源はOPアンプ用電源
から降圧するというパターン。さらに分離するなら、すべて分離して3系統にするというパターンもあります。
いずれのパターンにも対応できるようにしておけば、電源の準備が楽になるでしょう。


電源部分については、色々な給電パターンに対応できるような形がいいかもです。


DACに必要な電流はPCM1795の場合はディジタル、アナログとも多くて30mA程度です。
AK4493の場合はディジタルが35mA、アナログで50mA程度です。
レギュレータを考えた場合は、小型のものでも済みそうですが、5Vレギュレータは
OPアンプ用の電源から降圧させると10Vの電圧差になりますから、100mA程度は必要と考えると、
熱容量は1Wになります。ある程度パッケージの大きなものが必要でしょう。
ただし、3.3Vレギュレータは5Vからの降圧なので電位差は1.7Vしかありませんから、
SOT-23のような小さいもので十分でしょう。



5Vのレギュレータはこのくらいのものが最低必要でしょう
標準基板サイズなら消費電力1Wでも大丈夫です。


3.3Vのレギュレータはこんなものでも十分でしょう。


でも、5Vレギュレータとサイズを合わせるならこちらかなあ〜?

基板のアートワークも書いてみましょう 2024.9.16

電源とポストアンプなどの共通部分を明確にしておいて、DAC部分のみパターンを変更して
作成です。PCM179Xの場合は部品が少ないので余裕がありますが、AK4493Sの場合は
すこし窮屈になってしまいました。


PCM179X用とAK4493S用のパターンです。電源とポストアンプ部の回路は共通です。

高くなったなあ〜 2024.9.18

MUTE制御には機械式のリレーを使います。
MOSFETリレーという手もあり、無接点ということでちょっと魅かれますが、
なんといっても結構高価であるということと、高域では結構音漏れもします。
ということもあり、機械式リレーがやはりこういった面では便利です。

下記はよくつかう12Vリレーです。以前は1個100円で購入できましたが、
いまは150円ですね。高くなったなあ〜。
といっても、国内メーカのものを買おうとおもったら、1個400〜500円はしますから、
それに比べると随分安いです。まあ、信頼性はよくわかりませんが。
以前には中華製のリードリレーの動作不良でえらい目にあったしなあ〜。
まあ、命に関わる部分の部品ではないので、安いものを選択しましょう。




いつもつかう12Vのリレーです。動作電流も12mA(12V)と小さく扱いやすいです。

こんなリレーもあるなあ〜

秋月のサイトで12Vリレーで探してみると、こんなリレーもありました。
NECなので良さそうです。といっても、かなり製造年は古いでしょう。
ただ、価格は80円と安いです。それになんといっても、高さが低いです。
そのため、基板の高さを低く抑えたい場合はこういったリレーが適するかもしれません。



こういったリレーをつかうと基板の高さも抑えられるでしょう。

両用パターンにしましょう

折角なので、どちらのリレーも使えるようなパターンに変更しておきましょう。

どちらのリレーも使えるようにパターンを変更です。

とりあえず、完成 2024.9.24


dac179x-i2c.pdf


dac4493-i2c.pdf


印刷シルクおよび部品面パターン i2c1795b_top.pdf


半田面パターン i2c1795b_bot.pdf

さて、他の基板CADも仕上げていきましょう。

基板ができてきました。 2024.11.11

基板ができたけど、いつ手がつけられるだろう?

(つづくかな?)