電子ボリューム

電子ボリューム BH3532

BH3532版の販売は終了いたしました。　新電子VR基板 (PGA2320) は　こちら

　音量調整用に使う質の良いVR（可変抵抗器）の入手が難しくなってきてます。
　現在、安価に入手できるVRの問題点として、
　　(1) 絞り込んだ時の左右差（ギャングエラー）が大きいため、ボリューム位置で音像が左右に移動してしまう。
　　(2) 最小絞り近辺での音量調整がクリチカルでやりにくい。
　　(3) 回転時に槢動ノイズ（ガリ音）が発生する場合がある。
　　(4) VRを使う場合の一般論として、出力インピーダンスがVR位置で変化するため高域特性が変化する。
　等、種々の問題を抱えています。　定インピーダンス型のATTを抵抗で作るのは高精度/半端な値の抵抗器を
　入手するのは困難で現実的ではありません。　最近では電子VRを使った方がどうも手っ取り早いようです。　

　そこで手軽に使える電子VRユニットをということで、設計・作製しました。

　< 2010年9月追記 >　
　　基板改訂しました。　VRチャンネル数の増設が可能となりまました。　また、バッファ用オペアンプ廻りのパターンは
　　Gain 調整や、単電源OPにも対応できるようになりました。　（ご希望があれば対応した基板で出荷可能です。ご相談ください）

　<主な使用部品>
　　・電子VR用IC： BH3532FS　ROHM製　22KΩ抵抗を256分割/256ステップのATT回路を2回路内蔵　動作電圧 5V
　　　　=>1ChにATT2回路シリーズ使用（512Step相当）し最適な組合せから、0ｄB～-80ｄB 2ｄBステップを実現
　　・制御用マイコン： AT Tiny2313　Atmel製8bit RISCマイコン　FROM2KB/SRAM128B 最大クロック20MHz 動作電圧 5V
　　　　=>クロック/内部発振8MHz　リセット電圧/4.3V　開発環境/AVR studio+WinAVR　ライター/AVRISP-MK2
　　・バッファアンプ： NJM4558 他同等品など
　　　　=>Gain 0dBで使用します。　ATT出力インピーダンスを低インピーダンスに変換するために使用します。
　　・ロータリーエンコーダ：　P-00292/秋月電商扱い　16型　24Step/360度
　　　　=>マイコンで回転方向と回転量を検出し、電子VR IC　を制御します。
　　・その他：表示用LCDまたは、LED回路、等

<主な仕様>

　　・最大信号入力　　　　：　2.1Vrms
　　・挿入損失（0dB時）　：　-0.5ｄB
　　・ ATT量可変範囲　　　：　0ｄB～-80ｄB　　最小絞り　-100dB以上/1KHz
　　・周波数特性　　　　　：　10Hz～100KHｚ　　±1.0ｄB以内　（ATT位置　0ｄB/-20ｄBとも)
　　・クロストーク　　　　　：　-85ｄB以下　（1ｋHz　2V入力時）
　　・ S/N　　　　　　　　　　：　90ｄB以以上　（1ｋHz　2V入力時）　JISA補正時　110ｄB以上
　　・電源(1)　　　　　：　マイコン及び電子VR IC 用　5V　　日圧　EH-2Pコネクタベース使用。
　　電源(2)　　　　　：　バッファアンプ用　±5V～±15V 　日圧　EH-3Pコネクタベース使用。
　　　　　　　　　　　　　　　　（OPA2604使用時には ±12V ～±15V の使用がお勧めです）
　　・基板サイズ　　　：　外形/72㎜×47㎜　取付孔/各辺から-3㎜の位置（ユニバーサル基板同サイズ）
　　・基板材質　　　　：ガラスエポキシ　FR-4材　両面スルホール
　　・信号入出力端子　：　ヘッダーピン　4Pタイプ
　　・表示用デバイス　：　LCD（SC1602 16文字X2行）　または、LED推奨回路　が接続可能です。　無くてもVR機能としては問題ありません。

電子VR基板 V2です。　
VR IC、Buff OP AMP、マイコン等が搭載されています。

チャンネル増設のためのパターンを追加しました。（2010/9/4）
増設用は、マイコンを搭載せず搭載している基板のからの制御
信号で制御されます。増設VRの動作は、メイン基板のVRと同じ
動作になります

< 基板例 >
上の写真が増設用(コントローラマイコン無し）
下が基本となる基板（コントローラ付き）です

電子VR用ロータリーエンコーダ補助基板です。
バランス調整用のタクトSW 2個とエンコーダ位置表示用LED、
パワーLED等が搭載されています。

VR基板本体とは、エンコーダー出力用が 5P、LED用として 2Pのコネクタで結びます。

< 接続・動作例 >

2ｃｈVR用として結線・動作させた例です。

4ｃｈVR用として結線・動作させた例です。

取扱の詳細は、取扱説明書を参照願います。

　・おすすめの電源基板は　（こちら）

　・動作デモビデオは < こちら >

　・LEDで表示する場合は < こちら >

　・5V単一電源で使う改造方法は < こちら >

　・6ｃｈ仕様の例（特注対応品）　 < こちら >

　　

<戻る>

　開発ノート　（参考）

（本内容は、別荘ページで先行掲載している内容のリメイク版です）

　　VR回路2段化の検討
　
　当初は、BH3532FS 1段 1個のICチップでLch/Rchまかなう予定であったが、1段タイプで試作試聴した結果、減衰量が足りないことが
　判明し、Lch/RchそれぞれICチップを用いてATTを2段し、ATT量を稼ぐこととした。

　　=>使用したヘッドホンは、SONYのMDR-F1。　感度は100dB/mWとあまり高い方ではないがインピーダンスが12Ωと低いため、
　　　低インピーダンス駆動能力のあるアンプの場合は、電圧感度換算で8dB程度アップしMDR-CD3000(32Ω)より高感度となる。

　まずは減衰量のシミュレーションである。　2段構成にする場合 VR間にbuff等を入れるなど回路を複雑にしたくないので単純に
　VR回路をシリーズにつなぐことを前提とする。その場合、1段目の減衰カーブは2段目の全抵抗値（22KΩ）が負荷となるため
　減衰カーブが変わる。　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　VR1とVR2のシミュレーション結果
　　　　　

　2段の減衰量の組み合わせで、リニアなステップ設定が出来そうなので、それぞれの減衰量から
　組み合わせで　2dBステップで-80dB程度の組み合わせが可能か、検討してみた。
　最初は手計算で　丁度2dBステップになる組み合わせを探していたのだが、埒があかない。　

　C#でさくっと組み合わせを探すソフトを作ってシミュレーションした結果、結構良い組み合わせがあるようで
　-60ｄBまでなら　2ｄBstepを±0.02ｄB 内で収まるような組み合わせが探し出せる。
　これははっきり言って凄いことで単品の抵抗でATTを作ることを想定した場合、論理計算で出した半端な抵抗値を
　1%以下の誤差で組み合わせすることに等しい。　つまり一般的には不可能ということである。
　　但し、BH3532FS内部の抵抗誤差を全く無視した話であり　「とらぬ狸」　ではある。
　

　この結果は、「思っていた以上に良い結果」でありぜひとも実現したい。　と欲が出てくる。
　
　　　　

　　使用予定のマイコンのメモリーが 2KBしかないため　Cで書いたプログラムを納めることができるかどうか・・・・。
　　ソースコードの見直しと変数の型見直したり（intをint8_t等) データのプログラム参照(const)にするなどして
　　無事、2048byte + 128ｂｙte に収まりました。

　　下の写真のように表示させています。　LchとRchのバランス調整も可能です。

　　
　　　　　　　　-80ｄBまでLch/Rch 独立制御します。　但し、理論値　　　
　　　　　　　　　　　実力の程は・・・・・　こちら

　ボリューム位置の保存
　ATMEL社のTINY2313スペックシートを確認すると、eePROMの書き換え保証回数は　「10万回しかない」
　ボリュームdata保存のため操作するたびに値を　eePROMに書き込んでいると簡単に保証回数を超えてしまう。
　初期値を何らか　別の方法で保持する必要がある。

　　（BH3532は、minからmaxまでのステップが256であり　単純に駆動した場合　10万/256=390　
　　　つまりわずか　390回　最小/最大を繰り返すと保証範囲を超えるのである。　　eePROMが
　　　そんな回数でダメになるとは思えないのだが保証範囲内の対応が望ましいのは言うまでもない）

　操作に使えるSWとしてバランス調整用のタクトSW2個があるので、このSWに以下の3つの機能を持たせている。
　　(1)SWの単独操作では、ボリュームdataを　L/Rそれぞれダウンさせることによりバランス調整を行う。
　　(2)SW同時押しさたときに、L/Rの値が異なる場合は　バランスリセット（L=R)とする。
　　(3)SW同時押しされたときに、L/Rの値が同じであり　且つ1.5秒以上長押しされたときボリュームdataを
　　　　eePROMに書き込みボリュームdataを保存する。　保存されたデータはpowerオン時読み込まれる。
　　　　バランスの値は保存されない。

　　回路と基板の再設計
　　VRが2段になると出力インピーダンスも高くなり、生出しするのはさすがに気が引けるのでオペアンプbuff（0dB）を追加。

　　基板全面書き直し
　　毎回　DグランドとAグランドの分離方法に頭を痛めます。
　　今回は、DグランドとAグランドをパターン上でつながず、Jamperでつなぐことにしました。
　　そうすれば塗り潰しブロックを分けるだけで、D-Aのグランドが分離できます。
　　しかし、両面基板使って　”Jamperか？！”　と野次が出そう

塗り潰し実行画面。　ベタアースが分離しているのが分かります。

　　完成基板での実験風景写真
　　　　　　　　　手前に見えるツマミがロータリーエンコーダ

< 動作デモビデオはこちら >

　電子VRでも　LED表示

ATAPIコントローラで、LCD端子にLED回路を付けて表示する改造の企てが成功したので、気をよくしてこちらの電子ボリュームでも　LED回路を
　接続できるようファームを改造した。　ソフト的には既に開発済の内容であるので移植だけだったのだがこちらにはこちらの都合がありちょっとだけ
　細工を要求された。　というのも、先にも述べているように使用しているマイコンチップのメモリー容量が上限に来ていたため　さらなるコード削減が
　求められたというわけである。　ともあれ無事改造を終え　LED回路でも自動検出及び表示動作が可能になった。

　回路は、ATAPIコントローラでは切換SWとして使っていたポートにも LEDをつなぐようにして 5ステップの表示を可能にしている。

　　　

　LCDと LED回路の制御切換は自動で行われる。　具体的には電源投入時にどちらが接続されているか検出し以降のマイコン制御を切り替えている。

　　　

LED回路手作り基板

　各LEDの表示は、左から　-50ｄB、-40ｄB、-30ｄB、-20ｄB、-10ｄB　のレベルで順番に点灯していく　設定となっている。

　VR IC 2段化の減衰量測定

　パターン設計が一段落したので、2段化したVRの減衰量を実測しました。
　-40ｄB以下になってくると理論値との差異が1dBを超えたため組合せを見直し補正しました。結果ステップ毎の理論値との差は1ｄB以内。
　ギャングエラー（左右差）は最大で 0.66ｄBと ±1.0ｄB以内に収まります。　最大減衰量（∞）は、-103.1dB/-102.3dB でした。
　予想以上の、良い特性が出ています。

　　測定方法
　　　・入力　1KHｚ　2V　一定
　　　・出力　100KΩ負荷　Noiseメータ/JIS-Aカーブ補正

　　　　　　グラフ1.　＜設定step と VR減衰カーブ＞
　　

　　　　　　グラフ2.　＜理論値との差異＞
　　

　ロータリエンコーダについて

　今回使った、ロータリエンコーダー(秋月扱い）には、回転時にクリックがありそのクリック位置でボリュームを　1stepずつ進めたいのですが
　エンコーダの出力は、下図のようにクリックとクリックの間でも変化し且つチャタリングも発生します。従って、単純にエンコーダの
　出力を数えると、ボーリュームコントロールとしての操作に違和感がある変化を生じます。（つまり誤動作が発生する）

　　　最初は、クリックが無くなるように　ロータリーエンコーダを改造して使ってみたのですが、Stepが細かすぎて
　　　音量ボリュームとしての操作としては使いにくいので、クリック有りに　戻しています。(=>改造方法は別荘ページで）
　　　クリック無しとして変化を全て取り込んだ場合、回転角度　3.75°(96step/360度) で 1stepの変化が得られますが細かすぎるようです。

　コントローラ　TINY2313の処理は、割込を使わず入力ポートレベルをソフト的に見ています。

　　　ロータリエンコーダーのチャタリング波形例
　　　一見、チャタリングのないきれいな波形のようにみえるのだが　　　高速で取り込むと、この例では100μS程のチャタリングが観測される。
　　　　　　　　　
　<参考値>
　ロータリエンコーダのチャタリングのスペック
　　　・プルアップ10KΩ時に max5mS
　　　・プルアップ 5KΩ時に max2mS です。
　 TINY2313の内部ポートプルアップ抵抗は、20KΩ～50KΩです。
　　つまり単純にタイマーを使って遅延（5mS～10ms))すると素早い回転時に変化が追いつかない状態が生じます。

　　　プログラムの例です。　（搭載した実際のコーディングとは異なります）
　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　//volume[0]はLch, volume[1]はRch の位置dataに相当

< HOME >