アナログ回路を極力排した、単純で簡易的な小出力・オーディオ・ステレオ・スピーカー・アンプです。Bluetooth入力機能を持っていますので、スマートフォン等からも手軽に音楽を楽しめます。３系統の入力を持ち、それぞれにレベルとバランスを調整可能なミキシング機能と、ピークホールド付きのレベルメータが付いています。パネルにはメインボリュームしか付いておらず、電源も自動オン／オフしますので、存在を意識しないですむ小物に仕上げました。

　製作費は約１万円ぐらい、マイクロコントローラと汎用部品だけを使用した、デジタル化の高い「フルデジタルアンプ」です。

＜機能／特徴＞

■ライン／ヘッドフォン入力×２＋Bluetooth×１、スピーカ出力は3Wクラス

■操作はメインボリュームのみ、細かい調整はタッチパネルで操作

■アイドル時の消費電力は1W未満まで低減

■全入出力チャネルにレベルメータを付け、音声信号の状況を一目で確認できる

■アナログ回路を可能な限りカットし、部品数が少なく単純、調整不要、特殊な部品はありません

＜仕様＞

名称：オーディオミニアンプ

分類：ステレオ・ミキシング・スピーカ・アンプ

入力数：３系統（AUX×2、Bluetooth×1）

出力数：１系統（スピーカ×1）

AUX仕様：

　　物理接続：ステレオミニジャック3.5mm（メス）

　　インピーダンス：AUX1が1kΩ程度、AUX2が10kΩ程度

　　信号レベル：最大3Vp-p　〜　最小0.3Vp-p（ライン信号レベル〜ヘッドフォン出力）

　　プリアンプ機能：ゲイン＝最大10倍、内蔵ボリュームで調整

　　パネル音量調整機能：0.0〜2.0倍、0.1倍単位

　　デジタル化パラメタ：サンプリングレート＝44.1kHz、分解能＝4096

Bluetooth仕様：

　　バージョン2.1、A2DPプロファイル／シンク、SBCのみ

　　ペアリング：フリー

　　同時コネクション数：１

スピーカ仕様：

　　インピーダンス：４〜８Ω

　　出力電力：最大1.5W×２

　　駆動方法：BTL型、PWM、レート＝44.1kHz、分解能＝4082、

　　　　　　　フルブリッジ、２値制御、駆動電圧＝静的に可変（0.6〜4.5V）

内部信号データ仕様：PCM 44.1kHz

状態表示：3.2インチTFT カラー LCD、320x240ドット、タッチパネル付き

操作方法：ボリュームつまみ、LCDのタッチパネル

外形：幅145mm、奥行100mm、高さ42mm（突起を除く、1DINサイズ）

重量：約380g

電源：AC100V、AC-DCアダプタ使用（6V〜9V、2A以上）

　　　最大約14W（机上計算）、50%ボリューム時1.4W〜アイドル時0.6W（実測）

製作費：約9000円

＜使い方＞

（１）設置

　左上の3.5mmミニプラグジャックはアナログ入力のAUX1,AUX2です。その下が電源DCジャックです。真ん中の赤黒のターミナルがスピーカ端子です。基本的に横置きです。（なぜなら下面にはパネルを付けていないので、中が丸見えなためです）

　スピーカ出力は、左右の「黒」は共通になっていません。接続すると破損／発火する恐れがありますので、絶対つながないようにして下さい。 電磁干渉(EMI)を気にする場合は、シールド付きのケーブルをお勧めします。

　ライン出力（RCAピンジャック）の場合、ミニプラグへの変換ケーブルを用意して下さい。

　ヘッドフォン出力の場合、多くはミニプラグなので、両側ミニプラグのケーブルで接続して下さい。

　電源は、できるだけ安定化されたノイズの少ないAC-DCアダプタを使って下さい。電源スイッチはありません。プラグを差し込むと、２秒ぐらいで上面の画面にレベルメータが表示され、使用出来る状態になります。以下は画面例です。

（２）通常の使用

　前面のツマミはメインボリュームです。レベルメータなどの表示は、上面にあるLCDパネルに出されます。このLCDにタッチする事で、各種指示を行う事が出来ます。

　各系統のレベルメータは３つに分かれ、左から調整前の現レベル／調整後の現レベル／調整後のピーク値です。毎秒５０回で表示更新されますので、あまり遅延は感じられないと思います。ピークメータは、ピーク検出後は毎秒１％のレートで下がりながら、次のピークを待つというスタイルです。

　「＋」「ー」ボタン：レベルの調整、一押しで10%。オレンジの線が調整位置、下の数字が%表示です。

　「＜」「＞」：左右バランスの調整。

　画面上部の「Bluetooth」「AUX1」「AUX2」 ボタンは、押すたびに系統のオン／オフ。灰色がオフ状態です。

　全てのオーディオ入力のレベルは、はデフォルトで100%になっていますので、レベルメータを見ながら調整して下さい。

　Bluetoothで使用したい場合は、「BTSP01」というデバイスを見つけて、ペアリングして下さい。パスコード等の応答はないはずです。すぐ、音声が出力されると思います。アンプ本体の電源が切れると、ペアリングをやり直す必要があります。

-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_ 設計書 _-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_

この小物を再現するのに必要な、設計の結果情報です。

　　目　次

1. 技術的なポイント

    1.1 ハードウエア

    1.2 ソフトウエア

    1.3 開発法

2. 回路図

3. 部品表

4. ソフトウエア

    4.1 開発に必要な物

    4.2 ソースコード

5. 製作

    5.1 基板

    5.2 ケース

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１．技術的なポイント

１．１ ハードウエア

・ST Microelectronics社（以後STMと表記）のSTM32F4マイクロコントローラ（Nucleoボード利用）

・H型フルブリッジでのスピーカ駆動と、可変電源でボリューム調整

・音声入力にオペアンプの反転増幅回路を利用（仮想グラウンドにオフセット＋ハイパスフィルタ）

１．２ ソフトウエア

・プログラミング言語はC、開発環境はOpenSTM32コミュニティ（AC6社提供）の「System Workbench for STM32」を利用

・STM提供のソースコードジェネレータSTM32CubeMXの利用

・タイマ割込＋ADC＋DMAで音声信号をデジタル化

・タイマ割込＋PWM＋DMAで音声データを出力

・自家製Bluetoothソフトウエアスタックを利用

・LCDモジュールを制御する自家製GUIライブラリを利用

１．３ 開発法

・回路検証には、回路シミュレータのLTspiceを利用、ブレッドボードでの試作

・回路製図は、無料で利用出来るCadSoft Computer社のEAGLEを使用

・ソフトウエア開発は、eclipse+gccベースの無料提供している開発環境を利用

　　　各スポンサー様、無料使用できる事に感謝します

２．回路図

　AUXのアナログ入力部は、オペアンプによる反転増幅回路でマイクロコントローラへの入力に必要な3Vレベルの信号にするのと、マイクロコントローラを保護する目的で入れてあります。半固定抵抗は最大位置で１０倍のゲイン、ヘッドフォン出力を受けるには真ん中の位置、５倍ゲインがちょうど良いです。ラインレベルを受ける場合は、１倍ゲインなの1/10の位置に半固定抵抗を設定して下さい。微調整は操作パネルでできますので、おおざっぱでかまいません。

　Nucleoボードは、クリスタルを追加したり、ソルダブリッジを仕込んだり、ちょっとした改造が必要です。詳細は、本回路図のコメントとNucleoのユーザガイドを照らし合わせて参照して下さい。

３．部品表

今回使用した部品のリストです。価格は2017年１月当時のものです。

文書ファイル：V0_1b_parts.numbers

線材を除きます。

　オペアンプは3V電源でフルスイング出力の物ならOKです。低雑音品なら、なお良いでしょう。

　表示不要であれば、LCDモジュールそのものを付けなくとも動作します。配線数が多いし、３インチ級LCDモジュールは入手しやすいものでもありませんので。

　スピーカ出力部に使用するMOS-FETは、部品リストでは入手しづらい品番になっていますが、その時々で入手しやすい物を探して下さい。IDが1A前後、VGSが3V駆動、Cissが100pF以下、Qcが3nC以下を目安に、N型とP型の特性が似ているものです。N/P型が一つのパケージになっている部品は、特性もペアとなっているので選定や配線が楽でしょう。

　USB-Bluetoothアダプタは、古くても良く安いやつでOKです。今は、PCに標準で内蔵されているものなので、古いやつを安く入手可能だと思います。

４．ソフトウエア

４．１開発に必要な物

　PC（System Workbench for STM32が動作する環境、Windows, Linux, Mac等が可）

　ソフトウエア

　　　System Workbench for STM32 (*1、GCCコンパイラを含む)

　　　STM32CubeMX (*2)

　*1) OpenSTM32のサイトからダウンロードして下さい。（要ユーザ登録）

　*2) STM社のサイトからダウンロードして下さい。（要ユーザ登録）

４．２　ソースコード

（１）ダウンロード

　System Workbench for STM32プロジェクトファイル：

　ライセンス： フリーソフトウエア(GPL v3)

　作成者：富樫豊彦 tog001@nifty.com

　開発時環境：

　　　Mac OSX 10.13.xx

　　　System Workbench for STM32 / Ac6

　　　STM32CubeMX For Eclipse 4.20 / STM

（２）ソースファイル一覧

文書ファイル：BTSP01 source code.numbers

注意事項：STM32CubeMXで、ソースコードを再生成した場合、次の対応を行う必要があります。

　①「usb_host.c」のMX_USB_HOST_Init()内に、次の１行を追加

　USBH_RegisterClass(&hUsbHostHS, USBH_WCC_BLUETOOTH_CLASS);

/* USER CODE BEGIN 1 */

/* USER CODE END 1 */

の所のコメントに例を書いていますので、それをコピペすれば簡単に済みます。このソースコードの修正を行わないと、Bluetoothアダプタが認識されなくなります。

　②コンパイラの最適化オプションが-O3になっていません。プロジェクトのプロパティで、コンパイラオプションの設定を変更して下さい。修正しないと、Bluetoothでの再生がとぎれとぎれになります。

（３）機能関連図

　本アプリケーションのコードはmain.cにのみ記述されています。下記の関連図は、一番中心となる音声データの流れです。DMA2-Stream0の終了タイミング割込（１面のデータが満杯になったタイミング）で、処理が起動されます。

文書ファイル：function relation.pages

　できる限り、ハードウエアに任せ、ソフトウエアの負担を減らします。STM32F4のペリフェラルモジュール群は、ソフトウエアの介入なしにアナログ入力とPWM出力をフリーランさせる事ができます。データはメモリバッファ渡しです。絵の青色の部分がハードウエアだけで実現できる所です。

　44.1kHzのサンプリングで、1024個のデータを処理単位としますので、23.2ms毎に割込が発生します。メモリバッファは２面あり、DMAとソフト処理がかぶらないようにします。このタイミングで音声データの変換処理を行い、PWMデータを生成します。Bluetoothからのデータも、同じ周期でデータが届きますので、特別な配慮は行いません。運悪くタイミングがかぶったら音が飛ぶだけです。

　1024個のデータを約20msで変換完了しなければなりませんので、十分速いプロセッサ処理性能やコンパイラ最適化が求められます。

（４）ハードウエア設定

　各入出力ピン、クロック設定、ペリフェラルの設定などの情報です。STM32CubeMXを利用したため、機械出力のドキュメントが利用できました。

５．実装

５．１ 基板

大した回路ではないので、蛇の目基板にて作成可能です。

基板の上面の様子。

開発途上の状態なので、最終的には追加／変更された部品がありますが、おおむねこんな状態です。

この上にコネクタを介してNucleoボードを載せる算段です。

Nucleoボードを差し込んた状態です。

基板の裏面の状態。

LCDモジュールとの接続ピンを立たせており、そこにLCD基板側のコネクタを載せる作戦。

LCDモジュールをのせた状態。

以上、三階層の基板の技となります。

５．２ ケース

　簡単に利用できるような、汎用的なケースはありませんので、適当な物をしつらえる必要があります。タッチ機能付きのLCDディスプレイが、少しやっかいです。

　ノイズの面から金属筐体にすべきだと思っておりましたが、作りやすさからアクリル板で専用ケースを作成しました。1DINサイズにまとめました。

　アクリルケースの作り方は、別途参考情報があります。

＜ 開発情報 ＞

＜関連＞

「 自作電子小物／オーディオ／ミニアンプ0.2」改良版

「 自作電子小物／TIPS／Bluetooth-LEスタック／ペリフェラル向け／STM32版」

「 自作電子小物／TIPS／グラフィックLCD S95160／STM32」

＜あとがき＞

2018.1.21：

　今まで使っていた、ミニアンプの後継機です。先代は、部品モジュールやキット／製品の組み合わせで実現していましたが、検討を進めるうちにマイクロコントローラ１つだけでオーディオアンプ機能を実現できる事に気がつきました。時間をかけた割には、出来た物は機能的には先代とあまり変わりありません。でも、中身はぜんぜん違うんです。

2018.3.16：

　音質にはこだわらないと言った割には、省電力なPWM3値制御から、あっさりPWM２値制御に鞍替えしました。3値制御が劣っている訳ではなく、技術力が足りないだけです。が、あまりにも長い開発なので、そろそろ次に行きたいのです。

2018.12.19：

　アナログ入力(AUX)に、ヘッドフォン出力を接続する場合で、ホワイトノイズが激増する機器（例えばPC）があったので、その対策に回路を修正しました。オペアンプにコンデンサを２個追加して、ローパスフィルター機能を持たせた対策です。アナログ入力系統に関しては、これまで軽視していましたが、常習するテレビ音声（ヘッドフォン接続）に不満を持ち始めて、このような対応になった事に対しては自分でも意外です。音は、自分が思う以上に、人の中に染み込むものなのですかね。今は、新バージョンを開発中です。

富樫 豊彦 tog001@nifty.com