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2017年10月11日 (水曜日)

据え置き形DSPラジオの製作No.2(2017/10/12:トータル回路図追記)

 前回、AM&FMステレオDSPラジオチップAKC6952使用の据え置き形を作った訳ですが、あれは手のひらに乗るくらいの小さなものだったので音量控えても4日間連続で鳴るくらいにしか電池を積めませんでした。そこで第二弾は、FMステレオ専用DSPラジオチップRTC6215を用い、16.2Ahもの大容量なリチウムポリマー電池を搭載、ステレオ3WのD級アンプPAM8408でスピーカーをガンガン鳴らして6日間ぐらいは使えるものを作ってみました。
 なお普通に室内でうるさくないBGM的な音量で聴くなら、なんと24日間も連続で鳴り続けた実績があります。

 参考までにフリスクDSPラジオ据え置き形①ポケット形①ポケット形③ポケット形④を作ってます。

Img_15802Img_15822 両サイドに小さなスピーカーボックスを備えたラジカセ風なFMステレオ専用の据え置き形DSPラジオです。中央本体ボックスはノッペラボウで天面に操作系ボタンがあるのみ、裏面も同様にあっさりした外観となっています。各部寸法について、左右のスピーカーボックスは縦50mm×横50mm×厚25mmな大きさのTAKACHI製TW5-3-5を、中央本体ボックスは縦60mm×横115mm×厚40mmな大きさのテイシン製TB-36をそれぞれ使っていて、トータル長さは215mmとなっており可成り細長い印象です。

Img_15833 短縮時15cmで伸長時90cmな8段ロッドアンテナを装備、使わない時は先端を引っ掛けて固定できるフックを設けてあります。

Img_15873 タクトスイッチが5個しかない極めてシンプルな操作系で、中央には電源ON/OFF用、向かって左側には受信選局用、右側には音量調整用ボタンを配置しています。φ1mm光ファイバー導光の赤LEDは電源ON時に点灯するだけでなく、選局時は点滅表示となって動作状況を示します。

Img_15893 中央本体ボックスを開けてみたら、なんと容積の7割を電源のリチウムポリマー電池が占めていてビックリ。FMステレオDSPラジオチップRTC6215モジュールと3WステレオD級アンプPAM8408基板とが申し訳なさそうに隙間へ押し込まれています。

Img_15912Img_15932 FMステレオDSPラジオチップRTC6215モジュールは15mm角で、3WステレオD級アンプPAM8408基板は21mm×9mm角の大きさしかなく、動作安定用のφ10×9mmな10V1000μF電源パスコンが随分大きく見えます。

Img_15952 今回の据え置き形DSPラジオ弐号機は、スピーカーを気兼ねなくガンガン鳴らしても長時間使える様にするため電源を奮発しました。3.8V2700mAhなリチウムポリマー電池を6枚並列接続して組電池を構成、2700mAh×6枚=16200mAh=16.2Ahものトータル容量を稼げたのは良かったのですが、【本体ボックス=電池ボックス】となってしまったのはご愛敬?

Rtc6215pam8408 FMステレオDSPラジオチップRTC6215からLR音声出力と外部アンプ制御信号とを引き出して、3WステレオD級アンプPAM8408へ繋いだトータル回路図を記載しておきます。

【3WステレオD級アンプPAM8408のこと】
 PAM8408は同シリーズの中では、唯一メモリー機能付きのデジタル式UP/DOWN音量調整機能を持つタイプです。差動入力を採用しているので、Positive端子に音声を入力し、Negative端子はGNDへ接続して使います。

【電源制御をどうするか】
 PAM8408はシャットダウン機能を装備しており、SD端子をGNDへ落とすと電源が落ちます。これを利用して、RTC6215の外部アンプ制御信号にNPNトランジスターを噛ませてからSD端子を駆動します。これで、RTC6215の電源ON/OFFとリンクしてアンプ電源もコントロールされます。

【音量調整をどうするか】
 両チップそれぞれデジタル式UP/DOWNボリュームが内蔵されていますけど、今回はRTC6215のものは使わずPAM8408の方で行うことにしました。この理由は後者の方が高分解能なので音量が飛び飛びになりにくいからです。

【消費電流について】
 PAM8408のボリュームをゼロまで絞った時だと19mA、室内で普通の音量を流していても30mAを越えるかどうか。これで鳴らしっぱなしだとしたら、16.2Ah÷30mA=540時間=22.5日、ということになり、3週間ほど電池が持つことになりますにゃ。

【実際容量について】
 実際の連続稼働時間がどうなったかというと、なんと24日間鳴り続けてました。そののち充電に丸一日を掛けて14.5Ah吸い込んだのを確認、表示容量の16.2Ahからは9割となりましたが、中古セルなのでそんなところでしょう。


 そして次の放電テストでも24日間連続で鳴り続けてくれたので、しかっり充電出来ていたようです。長い間使われずに放置されていたセルがそろそろ活性化されて容量戻ってくれれば有り難いです。

 2回目の充電は制限電流(650mA)の関係で30時間30分掛かって14.2AH吸い込んだことを確認しました。前回よりも少し低い充電容量で活性化どころかむしろ劣化が進んでいる?

 さらに次の放電テストでも24日間連続稼働を確認、充電と放電とはちゃんと行われていることを認めても良いでしょう。 

これより以下は試作編。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

 全く予想外でTS-SOP16タイプのRTC6215を手に入れたので、まずは載せるためのピッチ変換基板を既製品からカスタマイズしてみました。 

Stereofm_dsp_chip 安価で手に入るワンチップFMステレオDSPラジオチップを何種類かリストアップして比較検討。

Img_15722 検討当初はRTC6215もSOP16サイズなはずだったのに、なぜかaitendoで実際に手に入れてみるとTS-SOP16サイズだったという。 

Img_15733Img_15743   おもて面のTS-SOP28面                うら面のSOP28面

 秋月電子のTS-SOP28およびSOP28を2.54ピッチに変換する基板に細工して、SOP16のRTC6215を載せるための変換基板にカスタマイズします。 

Img_15753 TS-SOP面にチップを載せ、反対面のSOP面へ各種SMDパーツを載せたり配線を引き出したりします。TS-SOPの0.65mmピッチから配線引き出すのは骨が折れますけど、SOPの1.27mmピッチなら楽勝です。2.54ピッチのパターンまで残すようにするとさらに楽なんでしょうけど、そうすると試作では問題ありませんが組み込み用途では小型化が望めませんので。

Img_15763 カスタマイズしたピッチ変換基板を使って本格的な組み込み用途の動作検証試作品を作ってみました。RTC6215メインボードは15mm角の大きさしかなく、巨大なリチウムイオン電池や操作系スイッチボード、音声出力段カップリングコンデンサー基板と比較してかなり小さいです。 

Img_15772 アンテナ同調用の24pFコンデンサーがデカくて飛び出していますが、メインボードは大体15mm角に納まっています。ピッチ変換基板のTS-SOP側にはチップのみ搭載します。 

Img_15782 ひっくり返してSOP16側に各種SMDパーツを搭載しつつ、スイッチや音声出力、電源入力用の各配線を引き出します。ピッチが1.27mmなのでそれほど苦労はしません。

 さて、aitendoおよび公式PDF取扱説明書の最終ページに記載がある回路図どおりに組立てテストしてみましたが、32Ωの一般イヤフォンを繋いだらバリバリ音割れして大変な目に遭いました。おかしいな、と思って入力インピーダンスが10kΩと高いSTAX製イヤスピーカーSR-001Mk2を繋いでみたところ全く問題なくスバラシイ音でした。このことから、RTC6215のLRオーディオアンプは出力インピーダンスが高めに設定されており、32Ωのイヤフォンを繋ぐと音が歪む様です。対策としてはLR出力へ330Ωの抵抗を噛ませれば歪みが消えて大人しい音になります。アンプ出力は151mVrmsもあるので、抵抗を噛ませても音量は十分確保できます。SC1299の時はとても素直だったのに、このコはちょっとクセがあるようです。

 

Rtc6215circuit_2

 ※使い勝手に関して列記しておきます。(2017年10月4日:少し追記)


イ)局シーク時はLEDが忙しなく点滅して一生懸命探しているのが判るから健気。
 SC1299だとシーク時は何か同調するまで動いているのかどうかさっぱり判らないから
 ちょっと不安になる。
ロ)シーク時にボタンを押すと非同調な状態でも止められる。つまりボタンを高速で
 ダブルクリックすれば好きな周波数で止められて、同調してなくても受信音が出る。
 SC1299では何か受信できるまでひたすらシークしっぱなしになって、その間は
 強制ミュート状態が続く。
ハ)電源ON/OFFボタンは1秒長押しでないと反応しない。SC1299は直ぐに反応する。
 電源ボタンが不意に押され勝手にONしてたという事はRTC6215では起こりにくい。
ニ)受信感度に関しては、SC1299よりも若干良いようです。スペック通りかも。
ホ)音量調整ステップはゼロまで絞れる。SC1299ではゼロに出来ない。

※製作は各人の判断にて行い、それによって生じる責任を負うこともお忘れなきよう。

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コメント

お披露目有難うございます。

ガンガン鳴らして6日間連続稼働というのは物凄いです。
一日数時間程度、音量控えめで鳴らすのなら1、2ヶ月可能でしょうか。

外見を見て一瞬、スピーカーを左右に広げてステレオ臨場感を広げられるのかと思ったのですが、ロッドアンテナがくっついていることを考えるとスピーカー固定式ですね。


私の方は、
889円ラジオの少し大きめ筐体での音が意外に良かったので他のラジオを探索していました。
受信感度良さそうで長時間稼働、レビュー評判が悪くないRAD-F777Zを発注しました。
届いたら分解して使用IC等ご報告します。

だいぶ大型ですが、単一アルカリ二本で音量中の時にスピーカーで530時間(イヤホンでは1350時間)と長持ちなので、普段はBGM用で、非常時は据え置きで使うのに悪くなさそうです。

口径77mmスピーカー使用。
OHM製 RAD-F777Z (幅206×高さ129×奥行61㎜)

※アルカリ乾電池単一x二本使用、音量中程度として
スピーカー出力時…AM 約480時間、FM 約530時間
イヤホン使用時…AM 約1300時間、FM 約1350時間

O( ^-')o ここ数日の勢いだけで強引に完成させた、という感じです。

 早速、一晩中NHK-FMを流しっぱなしにして朝を迎えたところなんですけど、中々いいもんですねぇスピーカーから鳴っているというのは。ポケット形を常時携帯してイヤフォンで聴いていたりすると、そのうちコードの煩わしさが嫌になってくるので。

 スピーカーを本体ボックスから分離しない方式にしているのは、小さなスピーカーでも低音を稼ぐため接続面を開口して本体ボックスと空間を繋げて共振容積を増やしているからです。

 [mytoshi]さんの新しいラジオ、単一電池×2本使用でスピーカー駆動時に500時間はスゴイです、だいたい35mAくらいの消費電流と推測します。イヤフォン使用時だと余裕で20mA切ってくるでしょうから、そこそこ電気食わないDSPチップを積んでいるのでしょう、液晶表示の無いモノラル専用機だとAKC4926だったりして。

回路図追加をありがとうございます。
細かいテクニックを駆使している様子がわかり、眺めていて面白いです。

各ICのボタン配置を改めて実感しています。
アンプON-OFFにはトランジスタ経由が必要なのですね。

それにしてもPAM8408は低消費電力なのですね。
アンプの音量調整がタクトスイッチでOKというのも実にぴったりです。
ラジオより専用アンプの機能のほうが格段に使い良いでしょうし。


ところで、
長時間駆動可能ラジオがなかなか届かないのです!

ゆうパックの追跡をして、今日の早朝時点で地元郵便局が持ち出し済みとなっていたので、午前中には配達されることを期待していたのですが。
届き次第、受信感度とDSPICをチェックします。

ラジオが夜8時近くになってようやく届きました。
大きさは889円ラジオの二倍くらい。予想通りの大きさ。
結論は、ほんの少し改造すれば普段かけ流しするラジオとしては十分な品質です。

到着して早速、電池を入れて聞いてみる。
音質は聞きやすい。安っぽい低音が出ている。

FM受信感度はまあまあ、ZM-AF1のKT913よりは劣るが、889円ラジオST-RDSL1のC9611よりは良い。
AMを聴くと他のラジオとは違って1242KHzも調子よく受信できる。
ダイヤルを回していると、うん?アナログ?

早速分解。
何と!アナログICで有名なCD1691CBでした。感度がまずまずなのは納得です。ICの仕様からすれば、ラジオの消費電力はカタログ表示値よりもっと少ないはずです。

バーアンテナは長さ100mm有り、当然バリコンとIFT使用、バリコンは大型組み合わせギアで駆動しているので微調整しやすくてワイドFMなのに側面のツマミで微調整して十分同調できます。

音声増幅と思われるものはSS8050が一個だけ。安っぽい音のはずです。その割にはまずまずですが。これを別物に変更すればもっと良い音に出来そう。

電源表示LEDはあるがいつも同じ明るさで、同調表示につながっていない?
せっかく機能があるICなので同調表示LED端子へつなぎなおしてみる予定。

ボリュームと兼用の電源スイッチは天井部へ独立スイッチを増設する予定。
FM-RFアンプを追加すれば常用ラジオとしては満足な一品になると思います。

!( '-')! 分解情報有難うございます、[mytoshi]さん。アナログ式なら消費電力低くて当然ですね。

[RTC6215の外部アンプ制御ピン] [PAM8408のシャットダウン端子]

  電源ON時  → Lowレベル    GND接地 → 電源OFF
  電源OFF時 → Highレベル    未接続   → 電源ON

 上気の様に信号レベルと動作状況とが逆論理になっているのでトランジスターを噛ませて反転させる必要がありました。なお、LM4880の時は正論理なのでそのまま繋げました。

 CD1691CBはaitendoでも手に入りますが資料PDFのリンクが切れてて...、仕方ありませんが諸外国の記事を読み解かねばなりません。19番ピンがMETER端子になっていて、ここへLEDを繋ぐと同調時にチカチカするのだと推測します。METERということはラジケーターを駆動出来る?超小型なものを組み込んでレトロっぽくしてみたくなります。

> ラジケーターを駆動出来る?超小型なものを組み込んでレトロっぽく

このICは周辺部品が多くてあまり小型にはならず、超小型ラジケータは勿体ない。百均電池チェッカーのメーターくらいで釣り合うかと思います。

あっ!RAD-F777Zにメーター追加というのも良いですね。LEDよりも同調具合が分かり易いはずです。
こんな形のラジケータなら追加できます。引っ越し後未開封の部品箱のどこかに数個あるはずです。
https://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=EEHD-4LVF
http://www.mwatanabe.com/wiki/%E3%83%A1%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%9A%E3%83%BC%E3%82%B8_wireless_ant%20imp%20meter%20-%20MwWiki.html

> CD1691CB

ICの最小電流はAMで3.5mA、FMで7mAとあるので、オーム社のカタログでAMの駆動時間短いのは納得いきません。

以前1380円で購入したダイナモ充電、ソーラー充電可能なラジオ、ドリテックPR-317に使われているのが同じICでした。このラジオは感度が良いもののツマミがバリコン直結で希望局に合わせるのがシビアです。
ダイナモの性能は三相モーターで良いです。
これと同じ商品です。 https://plaza.rakuten.co.jp/aisuke37/diary/201407140000/


RAD-F777ZのボリュームはAカーブが使われていて使い易いです。
10時から12時の位置が普段聞く音量になります。中華ラジオはBカーブで、スイッチが入る8時くらいの位置でもう大きな音で使い難いのとは大違いです。

SS8050のみの音量増幅でも慣れてくると聞きやすい音です。筐体が大きくて優しい音が出るのでお気に入りになりました。

RAD-F777Zの電流を測定しました。

FMモード、スピーカー、単一マンガン
普段聞く音量(9時半の位置)、10mA (800時間稼働と予想)
大き目音量(11時半の位置)、15mA (600時間稼働と予想)

アルカリを使えば二倍以上の時間持つと思いますが液漏れ心配なので、百均で三本組みを探して買えば十分。以前は単一x4本も見かけたが三本組みに変わった。最近は二本組みばかり多くなった。

( '-')o 最近はラジケーターなんて使うところが無いからスゴイ値段が付いています。

 閉店する前の鈴商店舗で安く小さなタイプを見た記憶があるのですが、それももはや手に入りません。こういうパーツはジャンク屋を回って探しださねばなりません。

 RAD-F777Zの消費電流データを有難うございます。アナログ式でも結構電気食うみたいで意外でした。

10月16日のつぶやきと別記事へのコメントでC9612の検証結果をありがとうございます。

C9612がまずまずということはC9611も感度は同等と考えます。

そこで再度挑戦、
消費電流多めなC9611使用のST-RDSL1(889円ラジオ)を常用可能に再検討します。

FM用RFアンプ追加してロッドアンテナ伸ばさなくても私が希望する感度を得られるようにします。
周波数範囲は前回検討したように抵抗見直しで範囲を狭くし表示を広くします。同調表示ランプは周波数を追いかけながらランプも見えるように、目盛りの可動部分へ超小型チップLEDを取り付けたいです。
AM受信感度はバーアンテナを118mm化でアップ狙う。

又、CD1691CB使用のRAD-F777Z(オーム社)も改造検討。
FM、AM共に受信感度はまずまずですが、双方にRFアンプ追加したい。消費電流考えて増幅率少なくなっても良いので、動作電流1mA以下に調整したい。
周波数表示目盛りの可動部へ超小型チップLEDを埋め込み、AM-FM切替スイッチを利用して動作する側の同調ランプが点灯するようにする。メーター内蔵は見つけ出すまで保留する。

更に、双方の低周波増幅アンプもD級アンプに換装する。

音質が今一つなTDA2822MやS8050一石アンプの代わりに、PAM-8403モジュール(D級アンプ、Amazonでは現在130円前後)を入れようと思います。
このアンプは一年ほど前に小型二連ボリュームが欲しくて購入したのですが、クロヤマネ子さん絶賛のD級アンプで有ることに今頃気付きました。消費電流に大差なければ換装する方が満足できるかなと思います。

加えて、スリープタイマーも追加します。
電源スイッチ独立化検討に加えて、50分程度固定で十分だと思うのでスリープ機能入れる。
タイマーON-OFF切り替えスイッチ追加するか、電源ボタン=タイマーボタンに簡素化するか。
電源3Vなので、秋月のICM7555CDを使用するのが良いかなと思います。
http://bbradio.sakura.ne.jp/555_04/555_04.html
R2、C1を検討すれば一石でも50分タイマー実現できると思います。

( '-') 気が付いたらまた知らないうちにDSPラジオ三昧になっていてLEDライト改造が疎かになってます。

 C9612の欠点はヘッドフォンを鳴らすにはアンプが必須であることと、AMの感度は良くても音質がイマイチな二点です。チップがSOP16なのは作り込む方としては有り難いのですけど。[mytoshi]さん入手ラジオのC9611が単純にC9612のモノラル版と考えるならば、AF/FM感度に関しては何とかなるのではないかと考えます。

 また新しいチップを仕入れてきました。Si4831というSSOP26(0.635ピッチ)なチップでAM/FMステレオ受信可能なもの。TSSOP28(0.65ピッチ)の変換基板に載りそうなので手を出しました。微妙に端子間ピッチが異なりますが、少しづつピンを曲げてずらせば大丈夫でこれは確認済です。このチップを理解するにはメインのPDF資料だけでは無理で、AN555という名称のリファレンスマニュアルPDFを熟考する必要があり骨が折れました。

> また新しいチップを仕入れてきました。Si4831というSSOP26

素晴らしい探求心に感心しきりです。

DSPラジオの記事を検索すると良く出てくる名前のICですね。
短波も受信出来てトーンコントロールも可能など機能が豊富で据え置き型を作るにはもってこいな感じです。
受信感度はAKC6952同レベルという感じでしょうか?

デザインガイドもざっと見てみました。
9018を使ったSW用RFアンプまで載っていて親切ですね。
内容豊富過ぎて消化不良です。


私の方は作成する技能未熟なので、
入手したラジオでICの正体が判明しているものを使いこなすことに専念します。
部品箱の分解した基板の中に1.5x2.0mmLEDが有ったので同調表示ランプに使ってみようと思います。埋め込むには少し大きいサイズなので、少しみっともないですが周波数表示ラインの横にくっつけようと思います。


中華ラジオを使ってみて感じたこと。
周波数同調や音量調整時に、ツマミの動作方向と増減の向きが自分の感覚と(人間工学的にも)逆であることは非常に使い難く感じます。

例えば、
側面にある音量や周波数同調ツマミを下に下げると電源が入り音量(周波数)が増加(上昇)する。
上面にある音量ツマミを左(反時計回り)に回転させると音量が増加する。とてもストレスを感じます。
ツマミの位置と表示の方向が違う場所にあれば問題にはならないのですが。

日本人が設計したオーム社の製品は、
側面にある同調ツマミを上方向に回すと周波数が上昇し。
正面にある音量ツマミを時計回りに回すと電源が入り音量増加するので、私が希望する通りに動いてくれるのでストレスが有りません。

中華品は、ボリュームの向きを180度変えるか端子を入れ替えて、期待する動作になるよう改造しようと思います。

( ^-')> Si4831の存在は知ってましたが、AN555リファレンスマニュアルを見つけて一気に引きずり込まれました。

 バリエーションの中でaitendo扱いなのはSi4831とSi4825の二つあり、前者はAM/FMステレオのみのSW無し版、後者はAM/FM/SWのモノラル版なので前者狙いです。
 VRアナログチューニング式に加え、デジタル音量UP/DOWNか音質コントロールのどちらか選択式というのが他には見ない機能で興味あります。難があるとすれば、FM受信帯域において64~109MHzを一つのバンド設定で連続受信できないこと。64~87MHzと87~108MHzで二つ分必要であり、これはAMモードと併せて3接点スイッチ切り替え式になること。と言っても、VRの狭い回転範囲で広大なFMバンド全域をカバーするには選局がクリティカル過ぎて使い物にならないでしょうけど。

 Si4831の各パーツ定数やピン配置は、先に調べたC9612に似ている様な気がします。もしかするとC9612はSi4831の廉価版なのかもしれません。

 自作ラジオをデザインする時、ボリュームの配置や回転方向などは人間工学を意識して対応してます。特に銘板を読まなくても感覚的に操作方法が判る様にします。そのほうが混乱しないし使い勝手に優れるからです。BRAUNの工業デザイナー、ディーター・ラムスの製品は本当にスバラシイ、憧れます。
 

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