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2021年5月22日 (土)

16倍 24Bit スーパーサンプリングSDメモリープレイヤーの試作

16x 24Bit Super Sampling SD Memory Player Prototype

Sd_ss4490all 
写真1.試作したスーパーサンプリングSDメモリープレイヤー
photo1. Prototype Super Sampling SD Memory Player


今回はスーパーサンプリングSDメモリープレイヤーを試作したので紹介する。

再生可能なファイルフォーマットは、44.1kHz16bitのwavのみで、これを16倍24bitスーパーサンプリング処理(3次自然スプライン関数によるデータ補間処理)してI2S DACであるAK4490でD/Aして出力する。

32bitマイコンPIC32MX230F064Bを動作クロック11.2896MHz(発振器は22.5792MHz)で動作させSDメモリからWAVを読み出してI2Sに変換し、これをトラ技MAX10基板(10M08SAE144)で受けて16倍24Bitスーパーサンプリング処理を行い、705.6kHzサンプリングのI2SとしてAK4490に送る。
16倍サンプリングでは44.1k x 16でLRCKが705.6kHzとなり、このときBCLKは705.6 x 64 = 45.1584MHzとなる。今回は水晶発振器に22.5792MHzを使い、MAX10で2倍PLLして45.1584MHzを生成している。
MAX10でPLLを行う場合、ソースクロックはCLK0またはCLK1端子に入れる必要があり、トラ技のMAX10基板ではメインのCN1,CN2には接続されておらず、CN5-5に接続されているP28(CLK1n)から入力した。

 

This time, we will introduce a prototype of Super Sampling SD Memory Player.

The supported file format is 44.1kHz 16bit wav, which is 16x 24bit supersampling processing (data interpolation processing by the 3rd order natural spline function) and D/A is output by AK4490 which is an I2S DAC.

The 32-bit microcomputer PIC32MX230F064B is operated with an operating clock of 11.2896 MHz (oscillator is 22.5792 MHz), WAV is read from the SD memory and converted to I2S, and this is received by the Tora Gi MAX10 board (10M08SAE144) to perform 16 times 24-bit supersampling processing. Send to AK4490 as I2S with 705.6kHz sampling.
In 16x sampling, LRCK is 705.6kHz at 44.1k x 16, and BCLK is 705.6 x 64 = 45.1584MHz. This time, 22.5792MHz is used for the crystal oscillator, and 45.1584MHz is generated by double PLL with MAX10.
When performing PLL with MAX10, the source clock must be put in the CLK0 or CLK1 terminal, and P28 (CLK1n) connected to CN5-5, not connected to the main CN1 and CN2 on the MAX10 board. ).



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写真2.PIC32はMAX10の下に配置してある
Photo 2 of PIC32 placed under MAX10 shows the implementation of PIC32.


写真2にPIC32の実装の様子を示す。PIC32はトラ技MAX10基板の下に配置しており、書き込み用のICSPピンヘッダはPIC32の1~6ピンの横に配置した。PIC32の上側の14ピン部品は発振回路に使用した74HCU04で、水晶は22.5792MHz。

The PIC32 was placed under the Tora Gi MAX10 board, and the ICSP pin header for writing was placed next to pins 1 to 6 of the PIC32. The 14-pin component on the upper side of PIC32 is 74HCU04 used for the oscillation circuit, and the crystal is 22.5792MHz.


Sd_ss4490_sdcard
写真3.SDアダプタとOLEDユニット(SSD1306)
Photo 3. SD adapter and OLED unit (SSD1306)


SDカードのホルダは、microSD→SDの変換アダプタを利用した。変換アダプタの接点に直接はんだ付けして各信号線を引き出している。
表示パネルはI2C接続のOLEDユニットSSD1306を使用した。

再生波形は以下のとおり。

The SD card holder used a microSD to SD conversion adapter. Each signal line is pulled out by soldering directly to the contacts of the conversion adapter.
The display panel used an I2C-connected OLED unit SSD1306.

The reproduced waveform is as follows.

 

Sd_ss4490_1khz
図1.スーパーサンプリング1kHz再生波形
Figure 1. Super sampling 1kHz playback waveform

 


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図2.NOS 10kHz再生波形
Figure 2. NOS 10kHz playback waveform

 


Sd_ss4490_10khz
図3.スーパーサンプリング10kHz再生波形
Figure 3. Super sampling 10kHz playback waveform

 


Sd_ss4490tr1khz_nos
図4.NOS 1kHz方形波再生波形
Figure 4. NOS 1kHz square wave reproduction waveform


Sd_ss4490_tr1khz
図5.スーパーサンプリング1kHz方形波再生波形
Figure 5. Super sampling 1kHz square wave reproduction waveform


音質はスーパーサンプリングの良さが出ていて、D/AデバイスにI2S、ΔΣのデバイスを使用する場合は、内部デジタルフィルタをOFFにするため、デバイスの個性は出にくいように思える。

電源は、9VのACアダプタを2個使用し、正負電源を構成した。この場合正負電源の消費電流が、正側約200mA、負側約10mA(オペアンプの負電源のみ)と非常にアンバランスなので、バッテリー駆動にするには検討が必要だ。

The sound quality is good for super sampling, and when using an I2S, ΔΣ DAC device for the super sampling DAC, the internal digital filter is turned off, so it seems that the individuality of the device is hard to come out.

The power supply used two 9V AC adapters to form a positive and negative power supply. In this case, the current consumption of the positive and negative power supplies is very unbalanced, about 200mA on the positive side and about 10mA on the negative side (only the negative power supply of the operational amplifier), so it is necessary to consider how to drive it with a battery.

●20210529追記
・NJW4191による負電圧チャージポンプ回路追加により、単電源に対応
・ランダム選曲機能追加

● 20210529 Addendum
・ Addition of negative voltage charge pump circuit by NJW4191 supports single power supply
・ Addition of random music selection function

●20210530追記
負電圧にチャージポンプを使った単電源回路で、単4(AAA)サイズのリチウムイオン電池ICR10440での動作試験を行った。
回路の消費電流は約200mA、この電池の容量は350mAhなので、

350 / 200 = 1.75h = 105min

つまり1時間45分使える計算になる。
実際に動作させてみたところ、14時45分開始、16時27分終了となったので1時間42分でほぼ計算通りとなった。

● 20210530 Addendum
A single power supply circuit that uses a charge pump for negative voltage, with AAA size lithium-ion battery ICR10440. An operation test was performed.
The current consumption of the circuit is about 200mA, and the capacity of this battery is 350mAh, so

350/200 = 1.75h = 105min

In other words, it is a calculation that can be used for 1 hour and 45 minutes.
When I actually operated it, it started at 14:45 and ended at 16:27, so it was almost as calculated in 1 hour and 42 minutes.

20210530sssd_batt
写真4.リチウムイオン電池による動作試験
Photo 4. Operation test with lithium-ion battery

●20210602追記
・ヘッドホンモニター用にΦ3.5ステレオミニジャックを付けていたが、ボリュームがないと不便なので、ヘッドホンアンプとボリュームを追加した。

● 20210530 Addendum
・I had a Φ3.5 stereo mini jack for the headphone monitor, but it was inconvenient if there was no variable resistor, so I added a variable resistor  and headphone amplifier.

Add_hpa
写真5.ヘッドホンアンプおよびボリュームを追加
Photo 5. Added headphone amplifier and variable resistor


回路図
Schematic
ダウンロード - sd_ss4490_003sch.pdf



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