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2020年10月30日金曜日

PCM5102Aの出力に8次多重帰還LPF(ベッセル特性/96kHz/10dB)をかけてみる その2

PCM5102A_FGの出力と8th MFB LPFを直結すると信号波形が歪むため、間にバッファとしてOPアンプのボルテージフォロアを入れて測定し直しました。


OPアンプは、アクティブフィルタ、バッファ、仮想GNDともNJM4580DDを使用しました。

ノコギリ波


100Hz

1kHz

10kHz

44kHz

入力波形の崩れがなくなり出力波形もきれいになっています。10kHzからはノコギリ波の立ち下がりの遅れがはっきりしてきます。44kHzでは1波形ごとに参照するテーブルの要素が異なるため、出力にうねりが現れています。

スペクトラム


PCM5102A_FGから44kHzの正弦波を出力し、Analog Discovery 2 + WaveFormsのSpectam機能でTHD、THD+Nを計測しました。

バッファなし

バッファあり

バッファを入れることにより歪率(正弦波)も改善するようです。

OPアンプの品種を変えてみる


OPアンプの品種を変えて、歪率が改善されるか見てみました。

アクティブフィルタ、バッファに使うOPアンプを変更し、仮想GND用のOPアンプはNJM4580DDです。

NJM4580DD

NJM072D

OPA2134PA

OPアンプの品種による歪率はあまり変わりません。44kHzあたりになるとOPアンプの性能より、PCM5102Aから出力される波形のガタガタとDDSのテーブル参照によるの出力波形の周期性などの方が問題になるようです。

2020年10月26日月曜日

PCM5102Aの出力に8次多重帰還LPF(ベッセル特性/96kHz/10dB)をかけてみる

以前作ったオーディオ用DACのPCM5102Aを使ったファンクションジェネレーター(PCM5102A_FG)の出力に8次多重帰還LPFをかけてみました。

PCM5102A_FG

設計


PCM5102A_FGは32bit/384kHzですが、出力波形はもろにデジタルのガタガタが現れています。


PCM5102A_FGは波形テーブルを使っているので、正弦波だけではなくプログラム次第で任意の波形を出力できます。過渡特性を良くして波形を崩さないようにベッセル特性で設計しました。

サンプリングレートが384kHzなので半分の192kHzより上を遮断域にすればよいのですが、ベッセル特性は次数を上げてもカットオフ周波数付近のキレが悪いので、今回は様子見としてカットオフ周波数96kHzにしました。

また、PCM5102Aの出力振幅は2.1[VRMS]ですので、使いやすいように利得を10dBとしました。単純計算では6.3[VRMS]の出力となります。

シミュレーション回路図

周波数特性

192kHzでは約-17dBの減衰です。(利得10dBから見て)

ステップ応答

特性の実測


製作した基板

仮想GNDを使って単三電池x6の9Vの単電源を電源としています。OPアンプはNJM4580DDを使用しています。

周波数特性

ステップ応答

PCM5102A_FGの出力にかける



フィルターに10dBの利得があるため、直結すると電源電圧の制限で出力がクリップしてしまうので、途中に10kΩのPOTを入れて出力を減衰させました。

フィルターを通したあともPCM5102A_FGの出力と同じ振幅になるようにPOTを調節しています。

また、今まで使っていた4次VCVS LPF(バターワース特性)も同じ条件で測定しました。

出力周波数は少し意地悪して44kHzとしています。

PCM5102Aの生の出力

4次VCVS LPF

8次MFB LPF


8次MFB LPFでは4次VCVS LPFと比較しても歪さが取れてきれいな正弦波になっています。

スペクトラム


PCM5102Aの生の出力

4次VCVS LPF

8次MFB LPF

高周波数でのピークがかなり取れています。Measure機能でTHDとTHD+Nを%表示させていますが、8次MFB_LPFでは

THD:     0.0843%
THD+N: 1.313%

とかなり良好だと思います。デジタル歪は高調波歪(基本周波数の整数倍)とは限らないのでTHD+Nの値も重要です。

今回はカットオフ周波数96kHzとしましたが、100kHz付近にまだピークがみられます。これは高調波歪のようです。

ノコギリ波


100Hz、1kHz、10kHz、44kHzのノコギリ波を出力して8次MFB LPFを通してみました。

100Hz


1kHz

10kHz

44kHz


ノコギリ波の底の部分で波形が歪んでいます。入力側も歪んでいるのでフィルターに入力する前にバッファを入れれば改善するかも知れません。(←淡い期待)

いずれにせよ、高周波数になると素の波形がはっきりと階段状になってくるので、ノコギリ波では10kHzぐらいが上限だと思います。

この点、アナログ発振器は小細工しなくてもきれいなノコギリ波を得られるので有利だと思います。

 

2019年9月26日木曜日

アナログ・ファンクションジェネレーターとデジタル・ファンクションジェネレーターの比較

アナログの菊水のMODEL 459は出力がBNC端子で適当なケーブルがなかったので出力をきちんと測定していませんでした。片方がBNC、片方がICクリップのケーブルを作って、自作のデジタル・ファンクションジェネレーターのPCM5102A_FG(+4次バターワースLPF)と出力を比較してみました。


秋月でBNCコネクタを2種購入。




赤いラインが入っている方が秋月の通販コード「C-08868」で、もう一方が「C-08869」です。どちらもメーカーは「JIARONG Electronics LTD.」となっています。赤ラインが150円、無印が110円でした。

比べると赤ラインの方が若干作りがいいかな?という感じです。コネクタに差し込む感触も赤ラインの方が若干きつい感じです。

今回は無印の方を使いました。

ケーブルの作成。


取り扱いしやすいようにケーブルは4φのソフトタイプのシールドケーブルにしました。


はんだ付けはせず、ねじ止めとカシメで取り付け。


はみ出しているシールド線をニッパーでカット


ICクリップ側


仕上がり


ケーブル長は2mにしました。

オシロで波形測定


MODEL 459


サイン波で1kHz/±1Vp-pになるように調節して波形を切り替えて測定しました。

サイン波

正側の頂点あたりでヒゲがみられます。

三角波

矩形波

アナログ的に出力周波数・振幅を設定するので、きっちり合わせるのは難しいです。

PCM5102A_FG


こちらも、サイン波で1kHz/±1Vp-pになるように調節して波形を切り替えて測定しました。

サイン波

ノコギリ波

サイン波で比較すると、MODEL 459の方が若干線の太さが細くなっています。高周波数でいらない帯域が出ていないためだと思います。

WaveSpectraでTHD+Nの測定


WindowsのWaveSpectraでFFTしてTHD+Nを測定しました。

Audio I/F: TASCAM US-144MKII

MODEL 459

PCM5102A_FG

MODEL 459は、全高調波歪が約0.2%、+ノイズが約0.9%、PCM5102A_FGは、全高調波歪が約0.05%、+ノイズが約0.08%。

かなり残念な成績です。高調波歪だけでなくAC電源由来と思われる低周波数でのノイズも大きく出ています。

逆に言えば、自作のPCM5102A_FGは操作性を含めて、かなり優秀なファンクションジェネレーターと言えると思います。PSoC 5LPとI2S DACのPCM5102Aを使って、ほとんど暗中模索で作った割にはよくできたな~と今更ながら我ながら(^q^/

WaveSpectraでFFTした結果15kHzあたりに出ているピークはMODEL 459、PCM5102A_FG両方に出ているのでPCM5102A固有の問題ではなさそうなこともわかりました。

MODEL 459は内部で多数の調整箇所があるので、校正すればもっと良い結果になるかもしれません。(手順書も何もないので手出しできませんが・・・)

オシロでFFT


500kHzまでの高帯域でのノイズの測定です。

MODEL 459 (~500kHz)

PCM_5102A_FG (~500kHz)

PCM5102A_FGでは275kHz、300kHz、400kHz、450kHzあたりにピークが現れていますが、MODEL 459はおとなしい。

さらに高帯域の250MHzまでのノイズです。

MODEL 459 (~250MHz)

PCM_5102A_FG (~250MHz)

こちらもPCM5102A_FGではピークが出ていますが、MODEL 459は静かです。

メモ:


ここ1~2年ほど、音としてアナログの良さを実感してきましたが、こういった正確さ、精密さを要求される場面ではデジタルが断然有利なようです。デジタルも捨てたもんではないな~と再認識しました。

MODEL 459は使いどころが難しそうですが、メリットは高周波数でのノイズが出ないこと、出力振幅が大きくとれることでしょうか。

PCM5102A_FGも出力部のフィルター/アンプの性能を上げられれば、この点でもアナログ・ファンクションジェネレーターに追いつけるかもしれません。

低歪、低ノイズの1kHzのサイン波だけを出力するのに特化したアナログ発振器も使いでがあるかも?