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◎概要 |
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電子ボリュームは従来の機械式ボリュームと異なり、マイコン等によりボリューム制御が行えるデバイス |
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で、音響効果、オーディオミキシング等いろいろな使い方に利用されています。 |
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今回は新日本無線の電子ボリューム用IC「NJM1159」を使ってみました。 |
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図1にNJM1159のブロック図を示します。 |
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図1 NJW1159 ブロック図 |
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2チャンネルを内蔵していて、各チャンネルは |
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独立してボリューム値を設定できます。 |
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ボリューム範囲は、 |
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・0〜-95dB/1dBstep |
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・MUTE (-110dB) |
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です。また、CE0,CE1はチップセレクト端子で、 |
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これを利用すれば最大4個を接続する |
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ことが出来ます。 |
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ボリューム値(MUTEも含む)は、 |
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DATA,CLOCK,LACTHの3線シリアル |
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インターフェースです。 |
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電源はプラスマイナスの両電源で動作電圧は±4.5V〜±7.5Vです。 |
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ICのパッケージは面実装、DIPいろいろラインアップされていて、今回は扱いが容易なDIP品を使用 |
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しました。 |
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◎製作内容 |
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電子ボリュームの応用として今回は図2のような「赤外線リモコンによる電子ボリューム」を製作して |
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みました。簡単に言うと、「テレビなどにある赤外線リモコン」です。離れたところからオーディオ機器 |
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の操作(音量UP/DOWN,MUTE,オーディオレベル表示等)をしてみようというわけです。 |
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図2 システム図 |
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送受信機の外観を写真1に示します。 |
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送信機は5個のスイッチ(ボタン)で受信機 |
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を制御します。 |
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写真1 送受信機外観 |
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(D) |
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(U) |
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ボリュームダウン |
ボリュームアップ |
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ボリュームアップ、ダウンは今回の仕様では |
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6dBステップです。 |
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(M) |
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MUTE |
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MUTEは「無音」にする機能です。 |
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(LD) |
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オーディオ入力のL/Rレベル表示LEDの感度調整 |
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(これを押す毎に感度が上がる) |
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(LU) |
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オーディオ入力のL/Rレベル表示LEDの感度調整 |
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(これを押す毎に感度が下がる) |
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受信機の概観を図4に示します。 |
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図4 受信機 |
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(IN) |
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(OUT) |
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オーディオ入力端子 |
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オーディオ出力端子 |
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(Φ3.5ステレオジャック) |
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(Φ3.5ステレオジャック) |
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(LとR) |
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オーディオ入力信号レベルを6ポイントのLEDで表示(Lch/Rch) |
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オーディオ信号は曲内容により音量レベルが異なるので、送信機のLD,LUキーに |
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よりLEDの点灯レベルを可変させて、見やすいレベルに調整します。 |
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(MUTE) |
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MUTE時にLED点灯 |
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(LEVEL) |
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ボリュームレベルを5ポイントLEDで表示 |
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減衰量は0〜-84dBの間を-6dB/ステップとし、-95dBとMUTEです。 |
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◎NJW1159の制御 |
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NJW1159の制御タイミングは図5のとおりです。3つの信号(LACTH,CLOCK,DATA)で制御され、LACTH |
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を「L」にしてからのCLOCKの立下りでデータビットがセットされます。 |
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チップアドレスはこの部分をセットすることにより、NJW1159を4個まで同じバスラインで使用できますが、 |
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今回はこの部分のデータは「0」固定値とし、使用していません。 |
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図5 NJW1159の制御 |
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DATAによりボリューム値は1dBステップでLch/Rch独立で制御できます。 |
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パルス幅は今回の場合、10μSにしています。 |
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◎受信機の製作 |
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受信機のブロック図を図6に示します。 |
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図6 受信機ブロック図 |
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電源は外部からDC(ACアダプター等)を供給し、内部で必要な電圧に変換します。 |
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今回はマイコンにPICを用いています。 |
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受信機では、赤外線受光モジュールからの受信信号を「USART」にて受信処理を行います。 |
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※USART (Universal Synchronous Asynchronous
Receiver Transmitter) |
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ユニバーサル・シンクロナス・アシンクロナス・レシーバ・トランスミッタ |
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シリアル伝送用のICまたはモジュールのことで、今回使用のPIC |
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はこのモジュールを内蔵しています。 |
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シンクロナスは「同期」、アシンクロナスは「非同期」の通信です。 |
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つまり、同期、非同期どちらの通信にも対応できると言う意味です。 |
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システムのソフトウェアの流れは図7のとおりです。 |
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図7 システムのソフトウェアの流れ |
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受信側では「割り込み」が無いときは「MAIN処理」を行っていて、MAIN処理の内容は、 |
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・各表示LEDの制御 |
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・入力レベルの演算(AD) |
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となっており、NJW1159への制御は割り込みの中で行っています。 |
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オーディオ部の回路図を図8に示します。NJW1159のオーディオ出力は内蔵バッファー出力を |
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用いています。電源はプラスマイナス電源が必要ですから今回は15V電源を供給し、内部で±5Vに |
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変換して各ICに供給します。 |
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−5Vはプラスからマイナスへ変換できる「DC/DCコンバータICのTC7660」を用いています。 |
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アナログ回路への電源供給ですから、TC7660の出力に「LCフィルタ」を追加して、ノイズの低減を |
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行っています。このICは軽い負荷のマイナス電源用としては手軽に使用できて良いです。 |
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R1〜R4はそれぞれ、入出力の「接地抵抗」です。NJW1159の入力抵抗はデータシートによると |
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50KΩです。R1,R2の値を100KΩにすれば、全体の入力抵抗は50KΩと100KΩの並列になります |
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から、約33KΩになります。 |
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R3,R4の値はNJW1159のバッファー能力が不明なのですが、今回は100KΩにしています。 |
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赤外線受信部は図9のように受光モジュール |
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図9 赤外線受信部 |
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はROHMのRPM7138-Rを用いて、 |
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PICのUSARTへ接続しています。 |
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○製作 |
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基板はサンハヤトの感光基板による手作りです。ユニバーサル基板でも良いです。 |
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感光基板は片面の10K(サイズ75×100)で、ケースはTAKACHIのYM-130を用いました。 |
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基板はケースに入れることをお勧めします。 |
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図11 蛍光灯ノイズ対策 |
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赤外線受光モジュールはこのままですと |
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蛍光灯の光により誤動作する場合があり、 |
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今回は図11のように、なるべく受光モジュール |
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に蛍光灯の光が当たらないようにケースの奥 |
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に配置し、ケースに穴(受光窓)を設けて |
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います。 |
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今回製作の送信機との組み合わせでは、 |
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筆者の環境では蛍光灯を点灯させた条件 |
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で約7mの通信距離になっています。 |
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(ただし、蛍光灯ノイズは環境により |
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大きく異なり、通信距離もこれに左右 |
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されます) |
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○基板パターンの注意点 |
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試作機完成後に各特性を測定しました。(測定データについては後述を参照) |
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各項目の中で、「Lchの減衰量が-84dB以下では不足する」結果になりました。 |
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図12 a ) に試作機の基板パターンを示します。ICのピンは以下のとおりです。 |
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1pin : 出力OUTL |
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2pin : 出力BOUTL |
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5pin : 出力OUTR |
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9pin : 入力INL |
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10pin : 入力INR |
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最初、1pinのOUTLは出力なので出力インピーダンスは低いものと考え、入力信号ラインと多少近く |
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ても良いだろうと判断し a ) のパターンにしています。 |
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ところが、Lchの減衰量が下がらない原因は「INL」と「OUTL」が接近している為と分かりました。 |
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(OUTLとOUTRは使用していないので、基板パターンはピンのパッドのみです) |
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試作機ではOUTLとINLの間に「ガードパターン」を入れることが出来ず、仕方無くICの1pinの足を |
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上げてINLのパターンから遠ざけて対処しています。 |
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このような「ミスパターン」になったのは「思い込み」が原因です。OUTL,OUTRは出力ですが、この |
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ピンはIC内部のボリューム出力なので「ハイインピーダンス」です。 |
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「出力」という文字で「出力=インピーダンスが低い」という思い込みです。データシートを読み返すと |
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「1pin,5pin,9pin,10pinはハイインピーダンス」と、しっかり明記されています。 |
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「減衰量が下がらない」原因はこのように「クロストーク」が原因で、対策案としては「ガードパターン」を |
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入れるか「距離を離す」ことが考えられ、距離を離す場合の例を図12 b ) に示します。 |
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このような失敗例はユニバーサル基板でも同様ですから、上記注意点を試してみてください。 |
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ユニバーサル基板の場合は、ガードパターンを入れることは難しいと思いますので、図13の要領で |
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部品配置をすれば良いと思います。 |
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アナログラインにデジタルラインが接近しないようにマイコンのポート割付をすることが重要です。 |
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写真2 受信機内部の様子 |
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7 |
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デジタル制御ライン(DATA,CLOCK,LATCH)については |
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今回の試作機ではガードパターンは入れていません。 |
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ユニバーサル基板で、線材を用いての配線では、 |
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配線長を短くする目的で線材をまっすぐに接続 |
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するとライン間が平行に接近する場合があります。 |
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このような配線はクロストークの影響を受け易いです。 |
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図14のように信号ライン同士はあまり接近させない |
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ことと、これが難しい場合は信号ライン同士を交差 |
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させます。 |
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また、信号ラインの束線は厳禁です。 |
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(GNDについて) |
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デジタルとアナログが混在する回路はGND接続が重要です。GND接続が良くないと、例えば、 |
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・アナログ信号にデジタルノイズが乗る |
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今回の場合は、AD値がふらつく。音楽信号からデジタル信号が聴こえる。 |
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などの影響があります。 |
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・デジタルのクロックライン(今回の場合はNJW1159の制御ライン)に |
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ノイズが乗って、誤動作を起こす恐れがある。 |
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などの不具合が発生します。 |
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図15に今回の主なGNDを示します。 |
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各GNDをどのように接続するかが |
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重要です。 |
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プリント基板の場合は、やたらと、 |
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「ベタGND」にしないで、各GND系統 |
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が分かるようにしてから接続すれば |
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良いです。 |
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デジタル/アナログ混在回路での |
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最悪なGNDパターンは、GNDの |
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接続順番を考えないベタGNDです。 |
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このようにすると確実にデジタル系 |
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のノイズがアナログ系に混入し、 |
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対策不能になります。 |
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試作機においても、わざと悪いGND接続に |
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するとオーディオ出力にデジタルノイズ |
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が混入しました。 |
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図15のようにGND系統を分けて |
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考えれば、良好なGND接続に |
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なると思います。 |
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ポイントは、アナログGNDとデジタルGND間が「共通インピーダンスを持たないGND」にすることが |
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重要です。 |
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◎送信機の製作 |
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赤外線送信機は今回のレポートのメインテーマではありませんが、参考として簡単に説明します。 |
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○送受信波形 |
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図16に送受信の波形を示します。 |
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赤外線受光モジュールRPM7138-Rの |
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キャリア周波数は37.9KHzです。 |
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キャリア周波数とは、信号(データ) |
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を運ぶための信号で、赤外線の |
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場合、38KHz近辺が多いです。 |
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(受信側では、キャリア周波数のみに |
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反応するようなフィルターおよび |
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増幅回路を使用することにより、 |
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他の光からの影響を受けにくく |
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しています) |
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37.9KHzの繰り返し周期Tは |
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T = 1 / F = 1 / 37.9KHz ≒ 26μS |
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となり、赤外線LEDを点灯させるときはこの周期でON/OFFを繰り返します。 |
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データ(H/L)の長さ(パルス幅)は受光モジュールの規格から600μSとしています。 |
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受信側の出力は図16のように「負論理」です。 |
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USARTのボーレート設定は |
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1 / 600μ S ≒ 1666bps |
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です。 |
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○赤外線LEDのドライブ |
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赤外線LEDは流す電流が大きいほど |
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放射強度が大きくなり、到達距離も |
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長くなります。 |
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今回使用のLEDは東芝の |
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TLN115A(F)で、 |
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・直流順電流 100mA(max) |
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・パルス順電流 1A(max) |
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が定格です。 |
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パルスの条件(周波数、パルス幅)により |
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定格の値は異なりますが、38KHzの周波数で |
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パルス幅26μSの条件で、LEDへ流せる |
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定格最大値を200mAと推定しました。 |
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図18 ポートでLEDを直接駆動 |
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一方、PICの出力ポートは1ピンで最大25mAの駆動能力です。 |
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図18のように、ポート出力を「L」にして駆動する場合 |
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を「シンク駆動」、ポート出力を「H」にして駆動する |
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場合を「ソース駆動」と言います。 |
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いずれにしても、PICは25mAまでしか駆動できません |
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ので、図17のようにトランジスタを介してLEDを駆動 |
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する方式にしています。 |
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なお、100mAくらいの駆動であれば、トランジスタ1個でも |
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駆動できますが、今回はダーリントン接続にして |
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100mA以上の設定でも対応できるようにしています。 |
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また、この回路はPICから見ると、シンク駆動であり、 |
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論理は「負論理」です。 |
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各部の電圧、電流は図19のようになります。 |
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例えば、100mAくらいを流したときのトランジスタの |
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コレクタ・エミッタ飽和電圧をVce、 |
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LEDの順電圧をVFとすれば |
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図19 各部の電圧、電流 |
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Vce = 0.8V |
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VF = 1.4V |
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と仮定し、 R = 10Ω とすれば図19のように |
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LEDに流れる電流Iは |
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I = ( 3 - 0.8 - 1.4 ) /
10 |
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= 80mA |
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となります。 |
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このくらいの電流であれば、2SC1815クラスのトランジスタでも良いです。 |
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Rの値は10Ωの半分くらいの4.7Ωでも良いと思います。 |
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このほうが到達距離は長くなりますが、今回は到達距離は十分と判断して10Ωにしています。 |
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◎入出力特性 |
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試作機の特性をデータシートの条件どおりで実測してみました。 |
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データシートでは電源電圧が±7V、負荷=47KΩですが、今回の実測は下図の条件で行っています。 |
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測定は信号レベルが-100dBVくらいになると、基板は金属ケースに入れないと正確な測定値 |
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になりません。ケース無しで基板むきだしの測定は無意味です。 |
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筆者の実験作業台は特にノイズ等に対する環境が良くないので信号レベルが-60dBVくらい |
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でもアナログ系の測定は金属ケースを用い、近くのノイズ源(照明器具等)にも注意しています。 |
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以下、測定値を示します。「最小」、「標準」、「最大」はデータシートの値です。 |
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(1)最大出力電圧VOM |
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条件:f = 1KHz THD=1% ボリューム=0dB |
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最小 |
標準 |
最大 |
実測Lch |
実測Rch |
単位 |
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3.0 |
4.0 |
- |
2.67 |
2.67 |
Vrms |
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コメント:電源電圧の条件が異なります。 |
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データシートでは±7Vで、試作機は±5Vですからこのような値です。 |
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(2)電圧利得GV |
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条件:Vin=1Vrms f = 1KHz ボリューム=0dB |
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最小 |
標準 |
最大 |
実測Lch |
実測Rch |
単位 |
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-0.5 |
0 |
+0.5 |
0 |
0 |
dB |
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コメント:データシートどおりで問題無し |
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(3)チャンネル間利得差ΔGV1 |
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条件:Vin=1Vrms f = 1KHz ボリューム=0dB |
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最小 |
標準 |
最大 |
実測*1 |
単位 |
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-0.5 |
0 |
+0.5 |
0 |
dB |
*1 Lch基準 |
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コメント:データシートどおりで問題無し |
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(4)チャンネル間利得差ΔGV2 |
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条件:Vin=1Vrms f = 1KHz ボリューム=-60dB |
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最小 |
標準 |
最大 |
実測*1 |
単位 |
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-1 |
0 |
+1 |
-0.2 |
dB |
*1 Lch基準 |
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コメント:データシートどおりで問題無し |
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(5)減衰量 |
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実測 |
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減衰量 |
Lch |
Rch |
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最大減衰量 |
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0dB |
0dB |
0dB |
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条件:Vin=1Vrms f = 1KHz |
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-6 |
-6 |
-6 |
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ボリューム=-95dB A-weight |
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-12 |
-12.1 |
-12.1 |
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最小 |
標準 |
最大 |
単位 |
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-18 |
-18.2 |
-18.2 |
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- |
-95 |
- |
dB |
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-24 |
-24.4 |
-24.4 |
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-30 |
-30.4 |
-30.4 |
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MUTEレベル |
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-36 |
-36.5 |
-36.5 |
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条件:Vin=1Vrms f = 1KHz |
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-42 |
-42.6 |
-42.6 |
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ボリューム=MUTE A-weight |
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-48 |
-48.8 |
-48.8 |
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最小 |
標準 |
最大 |
単位 |
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-54 |
-54.8 |
-54.9 |
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- |
-110 |
- |
dB |
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-60 |
-60.8 |
-61 |
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コメント:Lchの減衰量が-84dB以下 |
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-66 |
-66.8 |
-67 |
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で不足しています。 |
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-72 |
-72.6 |
-72.9 |
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-78 |
-77.9 |
-78.9 |
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Lchの減衰量不足については、対策後に特性が |
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-84 |
-82 |
-84.7 |
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改善されました。その結果は以下のとおりで、 |
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-95dB |
-86.2 |
-94.3 |
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ほぼ、Rchと同様な結果になっています。 |
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MUTE |
-100.5 |
-108 |
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Lch対策後(クロストーク対策) |
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減衰量 |
Lch |
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-84 |
-84.7 |
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-95dB |
-94.1 |
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MUTE |
-108 |
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(6)全高調波歪率 |
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条件:Vo=1Vrms f = 1KHz ボリューム=0dB |
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BW=400〜30KHz |
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最小 |
標準 |
最大 |
実測Lch |
実測Rch |
単位 |
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- |
0.005 |
0.05 |
0.0013 |
0.00175 |
% |
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コメント:データシートよりかなり良い結果です。 |
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データシートでの測定条件は帯域幅が400Hz〜30KHzです。参考として、それ以外の帯域 |
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での結果を以下に示します。 |
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実測 |
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80KHz :帯域5Hz〜80KHz |
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Lch |
Rch |
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20KHz :帯域5Hz〜20KHz |
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80KHz |
0.0027 |
0.0023 |
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20KHz |
0.0013 |
0.0016 |
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(7)チャンネルセパレーションCS |
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条件:Vin=1Vrms f = 1KHz ボリューム=0dB A-weight |
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最小 |
標準 |
最大 |
実測L→R |
実測R→L |
単位 |
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- |
-100 |
-90 |
110 |
110 |
dB |
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コメント:データシートよりかなり良い結果です。チャンネルセパレーションの測定 |
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で入力条件が不明でしたので、信号源抵抗RgはゼロΩ、つまり、入力 |
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ショートで測定しました。本来はRgの値にいくらかの抵抗を規定すべき |
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かもしれませんが、このような測定条件にしています。 |
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(8)信号体雑音比SN |
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条件:Vin=1Vrms f = 1KHz ボリューム=0dB A-weight |
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実測Lch |
実測Rch |
単位 |
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110.9 |
111.2 |
dB |
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コメント:SNはデータシートの項目にはありませんが、データシートの「出力雑音電圧」 |
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に相当します。これと比較すると約5dBほど良い結果です。 |
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なお、入力条件として Rg = 0Ωです。 |
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(8)歪率特性 |
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コメント:歪率の値についてはデータシートと比較しても悪くは無いですが、LchがRch |
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と比較して悪い値です。これについては、試作機のGNDにどこか問題 |
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があるかもしれません。 |
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◎まとめ |
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今回の試作は「思い込み」によるミスが多かったです。パターン設計での「クロストーク」に対する |
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ミスは前述のとおりですが、ソフトウエア設計においても「思い込みミス」をしています。 |
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ここではこのミス(恥ずかしいミス)は公開しませんが、データシートは、あらためて、良く読み、 |
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理解しておくことが完成への早道と痛感しました。 |
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音量レベルの調整(UP/DOWN)、MUTEは市販のリモコンに慣れていますので特別な感想 |
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はありませんが、入力のオーディオ信号レベルの表示は面白いです。 |
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特に、入力される曲のレベルに応じてレベル表示LEDの点灯レベルを手元で操作(調整) |
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できるのは便利です。この発展型として、「5-BANDくらいのグラフィックイコライザ表示」をすると |
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さらに面白い機器になると思います。 |
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減衰量は試作機では「-6dB/step」にしましたが、この仕様が使いやすいです。 |
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あまり、ステップ値が小さいと音量レベルが大きく変化するまでに時間がかかります。 |
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製作はユニバーサル基板でも可能と思います。ただし、アナログ/デジタル混在回路ですから |
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前述の注意点を考慮すれば良いです。 |
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