今回は、AK4495 DACおよびDDCとArduinoを含むUSB DACシステムの設計情報を書きます．
なお、ここの情報に何らかの間違いがあって、貴殿がどんなに悲惨な損害を受けても知らないのでそうゆう時は素直に死め～
【全体像】
自作物はAK4495が載ったプリント基板のみである．
CM6631A DDCと、Arduino nanoは市販品．
↓特注ケースに入れるとこんなかんじ．
↓全体ブロック図
AK4495基板の回路図はこちらにupしといた．(pdf)
AK4495をステレオ使いしたければそうできるようには作ったが、ステレオの動作確認はしてない．
回路図には描いてないけれど、現物には10000uFの電解コンを12Vに抱かせてある．
CM6631A DDC ￥2400ぐらい
Arduino nano ￥200ぐらい
AK4495 ＠￥1300ぐらい ２個使い
MUSES8920 ＠￥480 ２個使い （秋月電子）
WIMAフィルムコン ＠￥100ぐらい ８個使い
【機能】
動作確認はwindows7 64bit
CM6631A DDCのデバドラは、CM6631_6631A_-1.03(CR).zip
192kHz 24bitがデバドラの制限で決まる最高レート
bit stream audioは不可
電源は12V、消費電流は250mAぐらい(実測)
USBバスパワーは使わない
【AK4495概要】
旭化成のオーディオ用DAC．
最新型ではないが、かつてのフラッグシップモデル．
ステレオ機能を持つが、モノラル使いすることも可能．モノラルだとSNRが向上する．
＜I2S＞
AK4495を外部に繋ぐdigital audio interfaceはI2Sである．それ以外のIFも持つようだがここでは使わない．→I2Sについて
AK4495は、LRCK,DATA,BCLK,MCLKの入力を要する．
例えばclock周波数はこのようになる．
ex. 192kHz 24bit
LRCK 192kHz
BCLK 12.288MHz =LRCKの64倍
MCLK 25.576MHz =BCLKの２倍
このようになるのには理由がある．
まずBCLKは、32bit LR伝送をするので64bit、すなわち64LRCKなのだ．
だとすると24bit modeと不整合になるが、8bitはゼロ詰めだとかそんな操作がされて32bitと辻褄合わせされている．
MCLKは、内部デジタルフィルタの駆動などに使われるのでBCLKよりも高い周波数が求められるのであろう．
＜I2SのMCLK＞
I2Sの規格定義からするとLRCK/DATA/BCLKまでがI2Sの責任範囲であって、MCLKはI2S規格としては知ったこっちゃないらしい．それゆえ、I2S出力を謳った製品であってもMCLKを出力しない製品が存在する．
例えば、Raspberry piのI2Sがそうだ．Rapsberry piにはMCLK出力は存在しない．ゆえに、Rapsberry piにAK4495を接続するのは面倒臭いのである．外部回路でMCLKを生成してやらなければならないからだ．
その点、TIのPCM5102のようなDACには、内蔵PLLでBCLKからMCLKを自己生成してくれる機能が搭載されており、それゆえRapsberry pi向けのDAC基板にはTIのDACが多いようだ．（AKのDACを載せたRapsberry pi向け基板をわたしは知らない）
＜機能制御方法＞
AK4495の機能制御方法はどうなっているか？
外部ピンで機能制御する方法と、内部レジスタで機能制御する方法の２つがある．
AK4495はI2Cバスを持っており、I2Cで内部レジスタ操作をできる．
I2Cの他にもレジスタ制御手段が用意されているみたいだが知らない．
プリント基板を設計するためには、外部ピンで機能制御するのが簡単でよい．
ところが残念なコトにAK4495をモノラル使いするためには外部ピンでは不可能なのだ．
AK4495をモノラルモードにするには、内部レジスタ操作するしかないのである．
そのせいで、内部レジスタ操作のためにI2Cが必要で、わざわざArduinoを追加せざるを得ない．
＜I2C関連ピン＞
・SCL(7) SDA(8)：I2Cのclockとdataである．Arduinoに接続する・PSN(12) I2C(13)：AK4495のI2Cをオンにするため、PSN(12)="0"、I2C(13)="1"に接続する
・CAD0(11) CAD1(16)：I2Cバスには複数のAK4495をパラ接続できる．ゆえにAK4495をアドレッシングする必要がある．CAD0 CAD1でAK4495のI2Cアドレスを設定する．
ここでは、Lch用AK4495はCAD0=CAD1="0"に接続する．Rch用AK4495はCAD0="1" CAD1="0"に接続する．
CAD0,CAD1の設定と、I2Cアドレスの関係はこうなっている．
I2Cアドレス＝｛0,0,1,0,0,CAD1,CAD0｝
上位5bitの00100は決め打ちなので変えられない．
CAD1,CAD0は外部ピンで変更できる．
ゆえにここでのI2Cアドレスはこうなる．
AK4495 Lch用 ＝ {0010000} = 10H
AK4495 Rch用 = {0010001} = 11H
Arduinoは、10Hと11Hを活用して２ヶのAK4495をアドレッシングできる．
（Arduinoのsource codeは後述する）
＜digital入力ピンの5Vトレラント＞
I2Cでレジスタ制御すると上で述べた．制御はArduino nanoで行うこととした．
A4=SDA、A5=SCL である．
わたしが入手したのはどっちなのだろう？ そんなコトに頓着せずに買ってしまったのでね．それでSCLの波形を観測してみると、どうやら5V品らしいのだ．
＜電源＞
AK4495が必要とする電源バリエーションは基本的には D3.3V、A3.3V、A5V の３種類である．しかし出力ampの電源を5Vでなく7Vまで高めることが出来、そうするとSNRがさらに改善するとdatasheetに書かれている．よってプリント基板の電源バリエーションは、D3.3V、A3.3V、A5V、A7V の４種類に最終的にした．
AK4495は電源が貧弱だと音質が劣化するという説(※)があり、電源のアートワークに注意した．４層基板のベタAGND、パスコンを近接配置、ビアの多数打ち を行った．
※audio回路でいう「電源」には２通りの意味がある．
１）IC周辺1cmぐらいのローカルエリアにおけるGND・VCC・パスコン
２）ICから遠く離れた場所にある、ACアダプタやトランスや巨大電解コン
設計をやらないパンピーaudioマニアが電源と聞くと２が頭をよぎるようだが、ここではそれは誤りだ．ここで「AK4495は電源が貧弱だと音質が劣化する」と言うのは１の電源を指している．だからこうも言える「１が貧弱だと２で音が変わってしまう」「１が優れていれば２が少々ダサくても音質劣化が少ない」「１に頓着しないくせに２にこだわるのは愚かである」などと．
ならばメーカーが設計した回路なら１が磐石なのかというとそんなに信用できたものでもないのが現実なのだ．世の中そうそう腕の立つ設計者ばかりとは限らないし、あまりにも凝ったクレイジー設計は却下されてしまうからだ．
実際、わたしがAK4495プリント基板を自作しようと思い立ったのは、既製品のDACプリント基板(AK4490)の１の電源設計がダサくて嫌になっちゃったからだった．
【CM6631A概要】
PCからUSB経由でaudio dataを受信する機能、及びI2S dataを出力する機能、これらをまとめてDDCあるいはUSB-DDCと呼ぶ．DDC用ICで名の知れたメーカーは、XMOS、ATMEL、BRAVO、c-mediaなどがある．CM6631Aはc-media製である．
PCとDACを接続する方法は様々ある中で、どうしてUSB DDCを選んだのか？
＜Bluetooth＞
圧縮オーディオは却下
＜SPDIF＞
clockを伝送しないので、受信側のPLLの性能で音質が変わってしまう怖れがある．またケーブルで音が変わる怖れもある．気が進まない
＜USB DDC＞
USBは非同期伝送なので、DDC上にFIFOメモリを必ず持っている．するとこれまた必然的にDDC上のXtal+PLLで生成されたclockがI2Sに出力されることになる．理論的には、そのclockはjitterが少ない良好なclockだと期待される．
↓中華通販で調達したCM6631Aプリント基板はこのようなもの．片面マウントなので裏面にパーツは無い．右側にLRCK/DOUT/BCK/SCKというお馴染みの文字が見える．Xtalは３つ載っている．12MHz(USB用)、49.152MHz(48kHz系列)、45.158MHz(44.1kHz系列)だと思う．
←PM39LV512
←24C02BN24C02BNはSerial EEPROM 256＊8 である．FLASHで済まなかったのかねぇ？
CM6631Aを使ってみて、おやっ？と思ったことが１つある．もしかしたらUSB cableの伝送品質にクリチカルかもしれない．5mを超えるUSB cableだと接続がブチブチ切れて使い物にならない場面があった．USB cableを2m程度の物に変更すると問題なく使用できる．使用にあたっては注意したほうが良いかもしれない．（XMOSのUSB接続は安定していた）
【DDCが発生する各clock周波数（fs別）】
windows driver settingで様々なサンプリングレートとbit数を選択できる．
CM6631Aではこのようになった．
CM6631Aの特徴は、DACが許す範囲でなるべくMCLKが低い周波数になるようにfirmwareが設計されているように見受けられる．（赤字のところ）
DDCにはXMOS U208もある．手持ちなのでこちらも同様の実測をしてみた．CM6631Aとは異なる結果を得た．
【OPAMP回路】
AK4495は差動出力なのでL+/L-/R+/R-が出力される．
AK4495がステレオモードならばLR独立のOPAMP回路を用意すべきだが、ここではAK4495をモノラルモードで動かすので、L+/L-/R+/R-をひとつのOPAMP回路に入力する．LchとRchを同期加算することでSNRを3dBほど改善しようというのがAK4495モノラルモードの意図するところだ．
↓回路はこのようなもの．
OPAMPを9V単電源で動作させるため、5Vを中点電圧にしている．
AK4495のフルビット出力電圧は、V(L+)=2.8Vpp、V(L-)=-2.8Vppが出てくる．すなわち差動電圧でV(L)=5.6Vppという巨大さだ．それだけでなくモノラル使いゆえにLとRを加算するので等価的に11.2Vppもの差動電圧がAK4495単品から出てくる計算となる．
このOPAMP回路のゲインは、最大出力＝2Vppになるよう定数設定してある．
↓LPFのゲイン特性．カットオフ周波数＝180kHzぐらいかな．
【AK4495レジスタ】
いよいよ細かい話になってゆく．AK4495のレジスタ仕様だ．
AK4495は10BYTEsのレジスタを持つが、10番目はreservedなので実質的に9BYTEsである．
ここでは最終的に決定したレジスタ設定を示す．
adrs[0] = 0b10001111;
{ACKS=1,EXDF=0,ECS=0,0,DIF=111,RSTN=1}
ACKS：AK4495に限らず多くのDACを使うとき、明示的にfsを設定したりはしない．なぜそれで済むのかというと、多くのDACはMCLK,BCLK,LRCKの周波数を自己分析してfsを自己設定してくれるからである．ACKS=0ならその機能をOFFにできる．ここでは当然ONにしたいのでACKS=1に設定する．
EXDF：外部digital filterを追加する場合はEXDF=1にする．ここではその機能を使わないのでEXDF=0に設定する．
ECS：外部digital filter clockは使わない機能なのでなんとなくECS=0に設定．
DIF：これは重要である．I2Sから入ってくるdata formatを設定する．DDCのお決まりdata formatは32bitらしいので、DIF=111に設定する．
RSTN：software resetしたければRSTN=0にする．通常はRSTN=1に設定．
adrs[1] = 0b00000010;
{DZFE=0,DZFM=0,SD=0,DFS=00,DEM=01,SMUTE=0}
DZFE：audio dataがゼロだったら外部ピンをアサートする機能がある．ここでは使わないのでDZFE=0に設定．
DZFM：audio dataのゼロ検出機能の仕組みについて．ここでは使わないのでDZFM=0に設定．
SD：AK4495内蔵filterの特性選択．AK4495 datasheetを読むと、内臓されているアンチエイリアシングフィルタが４種類あると読める．
遅延時間 長い／短い
急峻さ 急峻／なだらか
この組み合わせで４種類ということだ．いまいちよくわからない．
推測ではこういうことではないだろうか？
遅延時間の長短は、回路的にはFIR／IIRの別を指し、位相特性面でFIRが優秀．用途的にはAVシステムへ組み込むには遅延時間は短い方が好まれる．audioシステムへ組み込むなら遅延時間は長くても構わない、ということかと思う．
急峻さは、外部LPFで真面目にアンチエイリアシングしたい人はなだらか特性にして使ってくれよな、ということかと思う．
わたしは"FIR"で"なだらか"を選ぶので、SD=0に設定する．
ただしSDは遅延時間の長短すなわちFIR/IIRを設定するレジスタであって、急峻さを設定するレジスタは後述する別の場所にある．なんだかなぁ．
DFS：fsを設定するレジスタであるが、ACKS=0に設定した場合に留意すべきレジスタであり、ここでは無視して構わない．なのでなんとなくDFS=0にしておく．
DEM：ディエンファシスって何だっけ？ fs32kでemphasisって在ったような気がする、それかな？ いずれにしろ無視、ゆえにDEM=01にしとく．
SMUTE：soft mute機能だそうだ．使わないのでSMUTE=0にしとく．
adrs[2] = 0b00001001;
{DP=0,0,DCKS=0,DCKB=0,MONO=1,DZFB=0,SELLR=0,SLOW=1}
DP：PCMかDSDかを選択する．DDCがDSDを通さないのでここではPCMでしか使わない．ゆえにDP=0にしておく．
DCKS：DSDにおけるclock選択．ここでは無関係につきDCKS=0にしとく．
DCKB：DSDにおけるclock極性選択．ここでは無関係につきDCKB=0にしとく．
MONO：でたーっ！ AK4495をモノラルモードに叩き込むレジスタだっ．MONO=1にする．
DZFB：audio dataのゼロ検出機能のpolarity選択．使わないのでDZFB=0にしとく．
SELLR：でたーっ！ AK4495をモノラルモードにしたとき、Lch音声にするかRch音声にするかを選択するレジスタ．プリント基板を２枚用意して、片方はLchに、片方をRchに設定する．ゆえにLchならSELLR=0とし、RchならSELLR=1に設定する．
SLOW：上のSDで述べた、アンチエイリアシングフィルタの急峻さの設定．"なだらか"にしたいので、SLOW=1に設定する．
adrs[3] = 0xFF; {ATT LCH}
adrs[4] = 0xFF; {ATT RCH}
これらはアッテネータである．アッテネータ機能を使わないので最大volumeのFFに設定しておく．
adrs[5] = 0b00000000;
{INVL=0,INVR=0,0,0,0,0,DFS2=0,SSLOW=0}
INVL,INVR：極性反転．使わないので両方とも０にしとく．
DFS2：上にあったfs選択レジスタのbit2．使わないので０にしとく．
SSLOW：アンチエイリアシングフィルタの急峻さを超なだらかにする．それってどんな特性なんだろうと思うのだが、datasheetには書かれてない．SSLOW=0でOK.
adrs[6] = 0;
{DDM=0,DML=0,DMR=0,DMC=0,DMRE=0,DSDD=00,DSDSEL=0}
全部DSD機能なので無視．全部０にしとく．
adrs[7] = 0; {0,0,0,0,0,0,0,SYNCE=1}
SYNCE：複数個のAK4495を並列運転する場合は、全てのAK4495の内部カウンタまで完全に同期していて欲しい（精神衛生上かもだが）．それをやるのがこのレジスタ．SYNCE=1で同期する．細かくいえばaudio data=0が8192個連続すると同期されるという仕組みだ．
ただしdatasheetを読むと嫌な事が書かれている．同期時にaudio信号に雑音がプチッと出ると書かれているのだ．実際に無音で試してみたがブチッとかボコッとかは聴こえないので問題なしと考えて運用している．
adrs[8] = 0; {0,0,0,0,0,SC=000}
datasheetをよく読んだわけではないのだが、要するに軽いイコライザみたいな機能らしく、そういう機能は不要なのでSC=000に設定しとく．
adrs[9] = 0; Reserved
reservedということで無視しておく．
以上でレジスタ設定の説明はおしまい．
モノラルモードで運用する場合に、Lch用AK4495とRch用AK4495のレジスタ設定の差分は、SELLRのところだけということになるのでそこんとこヨロシク．
【AK4495アンチエイリアシングフィルタと波形】
レジスタ解説で、SD,SLOW,SSLOWはAK4495内蔵アンチエイリアシングフィルタの特性選択だと述べた．最終的にSD=0,SLOW=1,SSLOW=0という設定にした根拠を述べる．
SD,SLOW,SSLOWの設定で波形がどう変わるのかをオシロで観測してみる．結構エグイんだなこれが．
↓PCのアプリで任意のaudio波形を発生させてくれる便利なのがある．これを使う．→WaveGene
＜SSLOW=0＞
まずSSLOWの効果を見てみる．SSLOWは"超ゆるやか"アンチエイリアシングフィルタの意味で、たぶんほとんどフィルタを効かせない特性なのではと推測する．実際に波形を観測してみた．観測点はMUSES8920の出力．
↓まずSSLOWの場合（44.1kHz 16bit 正弦波16kHz fullbit SSLOW=1）
いやはや、ガキガキとエイリアシングが出ていますな．ちょっとこれで使うわけにはいかない．SSLOW機能は使わないこととする．
ちゃんとLPFが効いてGOODな波形になった．
＜SD=0＞
Short Delayの略である．
回路的には、Short delayならばIIR filterであり、Long Delay filterならばFIR filterであろうと推察しているが、その根拠は次の波形写真から来ている．
↓まずSD=0のLong Delay filterの場合 （192kHz 24bit 矩形波10kHz fullbit SD=0 SLOW=1 SSLOW=0）
波形のオーバーシュート、アンダーシュートに着眼する．位相特性がフラットで良い特性である．これはFIR filterでなければ得られない波形である．
オーバーシュートが非対称になった．位相特性が曲がっている事を示している．IIR filterだとこうなってしまう．好みではない．
＜SLOW=1＞
アンチエイリアシングフィルタが急峻かなだらかかを設定する．
datasheetに特性図があるので引用しておこう．
SLOW=0 急峻
SLOW=1 ゆるやか↓SLOW=0 （192kHz 24bit 矩形波10kHz fullbit SD=0 SSLOW=0）
急峻なフィルタだと波形がビラビラになる様が如実に現れている．いわゆるリンギングってやつだ．音の傾向としてはギンギンギラギラになる傾向と云えるが、まぁリンギングの周波数が可聴周波数帯域外なので聴感上はさほど悪化しないとも云える．
↓SLOW=1 （192kHz 24bit 矩形波10kHz fullbit SD=0 SSLOW=0）
リンギングが少なくて良好．
SLOW=1【Arduino source code】
source codeをここに置いた．Aruduino Nanoをtargetにしたので、Unoとか他のシリーズでの動作確認はしていない．
↓I2CのためにWire.hというライブラリを使う．導入はよしなにやってね．
#include <Wire.h>
↓I2Cを使うための初期化、およびシリアル通信を9600psにセット．
void setup() {
Wire.begin(); // join i2c bus (address optional for master)
Serial.begin(9600); // start serial for output
}
void loop() {
// setting AK4495 #0 as Lch
char adrs[10]; // register values
adrs[0] = 0b10001111; // register data (adrs0) {ACKS=1,EXDF=0,ECS=0,0,DIF=111,RSTN=1}
adrs[1] = 0b00000010; // register data (adrs1) {DZFE=0,DZFM=0,SD=0,DFS=00,DEM=01,SMUTE=0}
adrs[2] = 0b00001001; // register data (adrs2) {DP=0,0,DCKS=0,DCKB=0,MONO=1,DZFB=0,SELLR=0,SLOW=1}
adrs[3] = 0xFF; // register data (adrs3) {ATT LCH}
adrs[4] = 0xFF; // register data (adrs4) {ATT RCH}
adrs[5] = 0b00000000; // register data (adrs5) {INVL=0,INVR=0,0,0,0,0,DFS2=0,SSLOW=0}
adrs[6] = 0; // register data (adrs6) {DDM=0,DML=0,DMR=0,DMC=0,DMRE=0,DSDD=00,DSDSEL=0}
adrs[7] = 1; // register data (adrs7) {0,0,0,0,0,0,0,SYNCE=1}
adrs[8] = 0; // register data (adrs8) {0,0,0,0,0,SC=000}
adrs[9] = 0; // register data (adrs9) {0}
↓AK4495 Lchに10BYTEsのレジスタdataを送信する．
AK4495 LchのI2Cアドレスは10Hなので、16を引数として渡している．
Wire.beginTransmission(16); // transmit to device 16 Lch
Wire.write(0); // write from adrs 0
for(int i = 0; i < 10; i++ ) Wire.write(adrs[i]);
Wire.endTransmission(); // stop transmitting
↓AK4495 Rchにレジスタdataを送信する．
ここでの注意点は２つ．
１）SELLR=1に変更している
２）I2Cアドレスを11Hすなわち17にしている
// setting AK4495 #1 as Rch
adrs[2] = 0b00001011; // register data (adrs2) {DP=0,0,DCKS=0,DCKB=0,MONO=1,DZFB=0,SELLR=1,SLOW=1}
Wire.beginTransmission(17); // transmit to device 17 Rch
Wire.write(0); // write from adrs 0
for(int i = 0; i < 10; i++ ) Wire.write(adrs[i]);
Wire.endTransmission(); // stop transmitting
↓AK4495レジスタ書き込みだけでなく、読んでシリアルに出力もする．9600bpsのterminalにレジスタ値が表示されるはずである．
Serial.print("Lch: ");
readreg(16);
Serial.print("Rch: ");
readreg(17);
↓0.5秒待って、同じレジスタ設定を繰り返す．蛇足だが放置している．
delay(500);
【プリント基板アートワーク】
４層基板の呼び名を、A面 → L2 → L3 → B面 とする．
↓まず電源はこのとおり４種類必要だ．
↓A面は電源(D3V,A3V,7V,9V)およびDAC周辺配線．AGNDベタも．
↓A面 AK4495周辺のパスコンとviaの状況．セラミック22uF(MLCC)を電源ピンの間近に優先的に配置し、後背に電解100uFをパラで配置する．viaはMLCCに近接させ出来れば2つ以上打つ．GND viaはそこらじゅうに打ちまくる．電源デカップをギトギトに行った．
↓L2はベタGNDとする．AGNDのベタね．何も考えずにベタGNDで一気通貫．
↓L3は電源層．
↓B面 デカップコンおよびOPAMP配線．配置可能な部位には電解100uFをパラで追加．
こんなところでおしまいとしまーす．
かしこ
４層基板の呼び名を、A面 → L2 → L3 → B面 とする．
↓まず電源はこのとおり４種類必要だ．
こんなところでおしまいとしまーす．
かしこ
