MIDI CV Converter MIDI_CV_CONVのノイズを探る

自作のMIDI-CVコンバーターのMIDI_CV_CONV と自作のオーディオミキサーのMIX0401 の電源を、自作のACアダプター分配器を使って電源を共有すると激しいノイズが発生します。

赤色の⇒が電源供給の方向です。

MIX0401とMIDI_CV_CONVの電源をACアダプター分配器 で共有せずに、MIX0401のみ単独の電源を使うとノイズがなくなります。

WaveSpectaraで測定

耳で聞こえるレベルのノイズなので、無音の状態にしてWaveSpectraでFFTしてもノイズがはっきりと測定できました。

MIDI信号をMIDI_CV_CONVに入力してMIX0401の入力レベルはすべて0、出力レベルは中点に設定して測定です。

Audio I/F: TASCAM US-144MKII

MIX0401とMIDI_CV_CONVでACアダプター分配器を使って電源（DC9V）を共有

激しくノイズが乗っている状態です。

MIX0401のみ単独のACアダプター（DC12V）を使用

個別のACアダプターを使うといやなノイズは聞こえなくなります。

MIX0401の内蔵電池電源を使用

バッテリー駆動だと、ノイズはさらに低減されます。

電源ラインにフィルター的なものを入れてみる。

MIX0401とMIDI_CV_CONVで電源を共有しつつ、電源ラインに「ノイズ低減」効果が期待できそうなものを入れて測定してみました。

画像の上が普通のDC-DCケーブルで、下側が経路中にインダクタやフィルタを入れられるようにしたものです。

左上から右下に

1) コモンモードチョーク EV20-1,0-02-3M9
2) EMIフィル BMX016-70
3) インダクタ 1mH
4) インダクタ 100mH

インダクタは秋月で購入した太陽誘電のアキシャルリードインダクタで、1mHより100mHのほうが外形が小さい。

効果があったのは100mHのインダクタでした。

1) コモンモードチョーク EV20-1,0-02-3M9

2) EMIフィル BMX016-70 

3) インダクタ 1mH

4) インダクタ 100mH

電源ラインの可聴帯域のノイズなので純粋にインダクタンスが高い方がノイズが減るのだと思います。

メモ：

MIDI_CVコンバーターはどうやらノイズ源。

MIX0401のジャックをRCAジャックから3.5φミニジャックに変更

MIX0401が不調で、ノイズの原因はこれかもしれません。

入出力にRCAジャックを使っていましたが、ロックタイトを使ってもゆるゆるでプラグの抜き差しが不安です。いきなり音がでなくなることもあります。

RCAは、据え置きオーディオなどずっとつないでいる場合はそれなりに信頼性が高いと思いますが、頻繁に抜き差しする音楽機材としての用途には不向きなのかもしれません。

ギターやキーボードなどでは6.3φのプラグが標準ですが、MIX0401の筐体に収めるには少し大きすぎます。

今やモジュラーシンセの標準と言ってもいい、DoepferのEurorackは基本的に3.5φのミニジャック/プラグを使っています。これを踏襲してMIX0401も3.5φのミニジャックを使うことにしました。

基板を剥がして、既存のジャックを取り外し、ミニジャックを取り付け

配線後、基板を両面テープでPOTの裏に貼り付け

ミニジャックに変更したバックパネル

RCAジャックのゆるみ止めのロックタイト243をつかっていたので、取り外しに苦労しました。一応「中強度」となっていますがそうは簡単にはナットが回りません。

ソケットレンチやらモンキーレンチやらラジオペンチやらいろいろ使って無理やり取り外したので、ケースが傷だらけになってしまいました。



3.5φのケーブルを何本か作らないといけないのですが、年末年始で部品屋さんの通販がお休みなので、本格的なテストは年明け以降になります。

ずっと前に作った「ミニ・ミキサー」にDASS01やKIK01をつないでみると、なんと気になるノイズなく動作しました。

プラケースなのに不思議なものです。もしかするとプラの方がケースへの接地がややこしくなくていいのかも？

とりあえず、これでMIDI_CV_CONVの実験をしたいと思います。

非反転増幅回路の増幅率を決めるPOTの配線

回路図

回路図のIC2A周りの非反転増幅回路で、JP2につないだPOT（レオスタット）で増幅率を可変するようにしていますが、このつなぎ方は良くないそうです。

上図の「1) NG」の接続だとR2のワイパーの接触部分に電流が流れるため、経年変化による劣化に弱いようです。←確かにガリが目立つ気もします。

「2） OK」のように接続するとワイパーに電流が流れないため（オペアンプの入力はインピーダンスが高い）、接触抵抗が無視できます。

「2） OK」の場合は、R3のワイパーを左いっぱいに回すと増幅率が無限大になり（Av = R3 / 0）、出力がクリップして出力振幅いっぱいの矩形波になってしまうので、入力抵抗を入れる必要がありますが。

もしMIX0401を参考にされる場合はご注意ください。

上記については「新・低周波/高周波回路設計マニュアル」で取り上げられています。

MIX0401_TrialをFFTしてみました。

MIX0401のテスト用にMIXしたものをWaveSpectraでFFTしてXSplitで録画/録音してみました。

後半は勢いでMIX0401のMaster Levelを上げているので波形がはっきりと歪んでいます。オーディオ・インターフェイスへの入力が過大だったためだと思います。
EDMとしてはこれはこれで（＾ｑ＾；

20kHzあたりに発振と思われるピークが強烈に出ているときがあります。Xsplitで録音しているので音としてはわからないと思いますがどうなんでしょう。

ライン・ミキサーMIX0401まとめ

MIX0401に

ch1: BSM02 -> PT2399 Echo
ch2: KIK01(Kick)
ch3: KIK01(Noise)
ch4: リズムマシン

とつないで録音してみました。録音後無加工です。



ノープランで適当につまみやスイッチをいじってるだけで垂れ流しです（＾ｑ＾；

2015年に作ったリズムマシンはパターンを記録できないので、シーケンサー＋サンプラーみたいなものも作りたい…

MIX0401の特徴

単3×6(9V)の電池を内蔵しているので取り回しが楽。ACアダプタも使用可。電池を内蔵しているので適度な重さがあります。

Mix後のMasterレベル（出力レベル）を調節可。

入力端子がRCAジャック。わたくしの場合はほとんどRCAプラグで機材をつないでいます。

MIX0401の特性測定

回路図

入力インピーダンス 5kΩ(入力POT最大)～10kΩ(入力POT最小）程度

出力インピーダンス@1kHz 約100Ω

周波数特性

AD9833ファンクションジェネレータ（Bypass出力）からサイン波を出力。
入力POT最大。
Masterレベルは@1kHzで増幅率Av=2になるよう調節。
出力負荷RL=1kΩ

で入出力を測定しました。

増幅率Av=6dBとして、-3dBのポイントは2.5Hz、150kHz程度です。

測定データ

F(Hz)	IN(mVp-p)	OUT(mVp-p)	Av	Av(dB)
1	568	320	0.563380282	-4.983967148
2	568	696	1.225352113	1.765218078
3	568	872	1.535211268	3.723362984
4	568	960	1.690140845	4.558457947
5	568	1008	1.774647887	4.982243928
6	568	1040	1.830985915	5.253700072
7	568	1056	1.85915493	5.38631165
8	568	1072	1.887323944	5.516928993
9	568	1080	1.901408451	5.581508396
10	568	1088	1.915492958	5.645611193
20	568	1112	1.957746479	5.835129031
30	568	1112	1.957746479	5.835129031
40	568	1120	1.971830986	5.897393739
50	568	1120	1.971830986	5.897393739
1000	560	1120	2	6.020599913
10000	560	1112	1.985714286	5.958335205
20000	560	1112	1.985714286	5.958335205
30000	560	1096	1.957142857	5.832450543
40000	560	1096	1.957142857	5.832450543
50000	560	1080	1.928571429	5.70471457
60000	560	1064	1.9	5.575072019
70000	560	1048	1.871428571	5.443465113
80000	568	1024	1.802816901	5.119032419
90000	560	1008	1.8	5.105450102
100000	560	984	1.757142857	4.896141429
200000	552	752	1.362318841	2.685575257
300000	552	576	1.043478261	0.369668114
400000	552	472	0.855072464	-1.359941582
500000	536	384	0.71641791	-2.896671307
600000	536	336	0.626865672	-4.056510246
700000	528	288	0.545454545	-5.264828695
800000	512	246	0.48046875	-6.366697077
900000	496	224	0.451612903	-6.904673163
1000000	488	192	0.393442623	-8.102371866

過渡応答

矩形波だけのファンクションジェネレータで1Vp-pの矩形波を出力
1kΩ負荷
入力POTを最大にして出力が2Vp-pになるようにMasterレベルを調整

ch1:IN1 ch2:OUT

歪率

PCM5102Aファンクションジェネレータで1kHz/1Vp-pのサイン波を出力
TASCAM US-144MKII（Guitar入力)

入力

出力（入力POTを最大にしてAv=1になるようにMasterレベルを調整）

出力（入力POTを中点あたりにしてAv=1になるようにMasterレベルを調整）

入力POTを最大にして入力段で減衰させない場合は歪率が悪化するようですがノイズ・フロアは下がります。軽く歪ませる用途でも使えるかも？

Github:
https://github.com/ryood/MIX0401

ライン・ミキサー MIX0401 ケースへの組み込み

TakachiのTS-1に組み込みました。

外観

背面

内部

ケース内配線図

基板はPOTの裏面に両面テープで貼り付けています。ダイソーの「超強力アクリルフォーム両面テープ」の19mm幅のものを使いました。15mm幅のものもあって、15mm幅のものを3枚並べればC基板の幅（約47㎜）にほぼぴったりになるので、15㎜幅の方がよかったかも？今度からは両方用意しておこうと思います。

LEDの取り付けは今まで瞬着を使っていたのですが、しばらく使っていなかったので固まってしまって使えませんでした。試しにダイソーでグルーガンを買ってきてケースのホールに接着しました。耐久性はまだわかりませんが、接着は瞬着より楽です。

考えてみればグルーガンとスティック合わせて324円なのでその辺の瞬着より安い（＾ｑ＾；

RCAジャックはすぐにゆるゆるになってしまうので、いつものようにロックタイト243を使って固定しました（ゆるゆるになるのはRCAジャックだけ）。ロックタイト243は同じものを3年ぐらい使い続けていますが劣化しておらず使用できました。



ケース組み込み三種の神器（ロックタイト243、超強力両面テープ、グルーガン）

内蔵電池に9V電池を使えばスペース的に余裕があるのですが、９V電池は持ちが悪く電池交換の手間がかかるので単三電池×6で9Vとしました。

単三電池×6を使うとスペースがギリギリで、電解コンデンサと電池が干渉しないように互い違いになるように配置する必要がありました。

厚紙でカバーのモックアップを作って、配置の確認

ひとまず動作確認はしましたが、特性測定もしてみたいと思います。

Github:
https://github.com/ryood/MIX0401

ライン・ミキサー MIX0401 はんだ付け完了

回路図

基板図

仮想GNDのデカップリング用の電解コンデンサはGND側のC13だけで済まそうと思っていましたが、ブレッドボードで実験すると発振することがあったのでVCC側のC12も追加しました。また、出力バッファーのIC2Bの出力に100ΩのR12を入れて発振対策をしました。

テスト用ブレッドボード配線図

470ΩのRと0.1uFのCを負荷として入れています。

部品面

はんだ面

仮接続

ケース内配線図

性能測定

4ch入力 MIX

IN1: PCM5102Aファンクションジェネレータ 1kHz 約500mVp-p
IN2: AD9833ファンクションジェネレータ 2kHz 約500mVp-p
IN3: TASCAM US-144MKII/WaveGene Lch 3kHz 約500mVp-p
IN4: TASCAM US-144MKII/WaveGene Rch 4kHz 約500mVp-p
出力負荷無し
POTはすべて中点あたりに設定

LTSpiceのシミュレーション

オシロで測定

各chの位相がずれているためか、合成波形はシミュレーションとは異なる結果になりました。

周波数特性

AD9833ファンクションジェネレータで周波数を変えて入出力の振幅を測定しました。

負荷RL=1kΩ、入力はIN1、入力POTは中点あたりに設定し、1kHzで増幅率Av=2になるように出力POTを調整。

Av=6dBとして-3dBのポイントは2.5Hz～150kHz程度になっています。

測定データ

F(Hz)	IN(mVp-p)	OUT(mVp-p)	Av	Av(dB)
1	520	320	0.615384615	-4.217067306
2	520	640	1.230769231	1.803532607
3	520	800	1.538461538	3.741732867
4	520	840	1.615384615	4.165518849
5	520	900	1.730769231	4.764783316
6	520	920	1.769230769	4.955689674
7	520	940	1.807692308	5.142490199
8	520	960	1.846153846	5.325357788
9	520	960	1.846153846	5.325357788
10	520	960	1.846153846	5.325357788
20	520	980	1.884615385	5.504454641
30	520	980	1.884615385	5.504454641
1000	520	1000	1.923076923	5.679933127
10000	500	980	1.96	5.845121427
20000	500	980	1.96	5.845121427
30000	500	960	1.92	5.666024574
40000	500	940	1.88	5.483156985
50000	480	920	1.916666667	5.650931799
60000	500	880	1.76	4.910253356
70000	460	880	1.913043478	5.634496809
80000	460	840	1.826086957	5.230429088
90000	460	800	1.739130435	4.806643106
100000	460	800	1.739130435	4.806643106
200000	380	520	1.368421053	2.72439494
300000	280	320	1.142857143	1.15983894
400000	232	208	0.896551724	-0.948492999
500000	200	152	0.76	-2.383728154

ステップ応答

矩形波だけのファンクションジェネレータで1Vp-pの矩形波を出力し、IN1に入力、入力POTを最大に設定し、出力POTを増幅率Av=2になるように調節。負荷抵抗RL=1kΩ。

RiseTime: 920ns
FallTime: 2.120us

入力POTを中点あたりに設定し、出力POTを増幅率Av=2になるように調節。

RiseTime: 1.600us
FallTime: 2.080us

入力POTで減衰させず、AMP部の増幅率を下げた方が立ち上がりは速くなっています。立ち下りはどちらもあまり変わりません。おもにACカップリングによる波形のなまりだと思います。

歪率

PCM5102Aファンクションジェネレータで1kHz/1Vp-pのサイン波を出力してIN1に入力。入力POTは中点あたりで、増幅率Av=1になるように出力POTを調節。負荷抵抗RL=1kΩ。

USBオーディオ・インターフェイス(TASCAM US144MKII）に入力して、WaveSpectraで測定しました。

IN1

OUT

出力はノイズが多くなり、2次、3次以上の高調波歪はノイズに埋もれています。

-	THD	THD+N
IN1	0.04085%	0.07259%
OUT	0.07092%	0.17718%

Guthub:
https://github.com/ryood/MIX0401

ライン・ミキサー MIX0401の設計

要求仕様

• 入力 4ch(mono) RCA×4 入力インピーダンス10kΩ程度
• 出力 1ch(mono) RCA×1 ラインレベル（600Ω程度）をドライブできること
• 電源 DC 9V(単三×6または外部電源)
• 周波数特性 10Hz～20kHz(-3dB)を満足
• 外形 W:20cm×D:20cm×H:10cm以内

POTを中点あたりにしたとき、1ch毎の入力音量より出力音量が少し大きくなること（6dB程度、完成後評価）
最大増幅率は20dB程度（これも使ってみて評価する）

↑だいたいこんな感じで考えています。

回路図

基板図

※R7はピン・ソケットで実装

部品並べ

ケース内配線

ユニバーサル基板で組んでみて動作チェックしてみたいと思います。

ケースをどうしようか悩み中。

MIX0401の構想

KIK01とBSM02のMIXにミニ・ミキサーを使ってるんですが入力端子が足りません。

既製品を買った方が安いんじゃないかな～と相当悩んだんですが、4入力1出力のモノラル・ミキサーを作ってみることにしました。

普通にこういう用途のミキサーが欲しい場合はベリンガーの「MX400 MICROMIX」や「HA400 Microamp」があります。



シミュレーション回路

過渡解析

±100mVp-pで、1kHz、2kHz、3kHz、4kHzのサイン波を入力してミックスして出力しています。

回路図のR9/R10、R11/R12などは入力レベルを減衰させるPOTで、AカーブPOTの中点を測定した結果、15%あたりだったので、その比率で減衰させています。

過渡解析の上側のペインのIN1、IN2、IN3、IN4の信号レベルはその結果±15mVp-p程度に減衰しています。←少し小さくなっています。

出力音量のMasterレベルは回路図のU2の帰還に入れているR6で調整するつもりです。これもAカーブのPOTの中点の15%にしています。

トータルとしてPOTを中点に合わせておけば、出力レベルがそこそこ大きくなるように定数を決めました。

AC解析

ブレッドボード図