しろくま製作所

Raspberry Pi WHでI2Cエキスパンダーを使用した時の備忘録。


環境

Raspberry Pi WH
 

使用したI2Cエキスパンダー

MCP23017 Microchip社製
※秋月電子様で販売してます
 

Raspberry PiのI2Cは最初からプルアップ抵抗が内蔵されているのでSDA、SCL、GNDをつなぐだけでOKです。

ただし、Raspberry PiのI2Cは駆動力が貧弱なのでデバイスが複数ぶら下がる場合はI2Cバッファを経由する必要があります。

 

> sudo i2cdetect -y 1

で0x20が表示されなかったら配線間違いです。

(チップアドレス端子が全てLowの場合)

 

はまりポイント

1.RESET端子はLowレベルで動作します。

->使用するときはHighレベルにしておく必要があります。

 

2.初期状態はIOCON.BANK = 0になっている事に注意する

->GPIOAで出力する場合は下記コマンドになります。

> sudo i2cset -y 1 0x20 0x00 0x00 b

> sudo i2cset -y 1 0x20 0x12 0x01 b

これでGPIOAのポート0がHighになるはず。

 

IOポートの拡張をするだけなので直接負荷を接続しないようにしましょう。

今回はリレーの制御に使用しましたが、MCP23017の先にTBD62083を接続しました。

ダイオード内蔵なので逆起電力の処理とかそういうのを考えなくていいから便利です。

 

 

更新日：2019/01/14
よくあるご質問について回答しております。

お問い合わせ01
Q.挿す向きがわからない
A.添付している説明書に1番ピンの位置を記載しておりますが、挿入例の写真を掲載いたします。

装着前の状態

※赤丸が1番ピンです

オペアンプを抜き取った状態

※赤丸が1番ピンです

通常版のOPA627を装着した状態

※赤丸が1番ピンです

小型版のOPA627を装着した状態

※赤丸が1番ピンです

交換前に挿入されているオペアンプがシングルタイプの場合は使用できません。

お問い合わせ02
Q.オペアンプの抜き取りに使用する工具を教えてほしい
A.下記写真のような専用工具がございますが、マイナスドライバーでも抜き取りはできます。
新品のICソケットの場合、固く挿入されていることが多いので慣れていない方はマイナスドライバーで少しずつ浮かしたほうが安全に交換できると思います。
専用工具はAmazonなどで購入できます。


お問い合わせ03
Q.ICソケットにそのまま装着できますか
A.無加工でそのまま装着できます。はんだ付けなども不要です。

お問い合わせ04
Q.OPA627の白基板の物と小型版の違いは何ですか
A.寸法以外に差異はありません。ポータブルアンプの場合は小型版を使用してください。
通常版だと接触しショートする可能性があります。

お問い合わせ05
Q.～の製品に使用できますか
A.製品適合に関する回答はできません。理由としてはオペアンプ交換自体がメーカー非サポートの行為であり、動作異常に対する保証ができないためです。
一般的な情報から推測する形でたぶん使用できるだろうという回答はできますが、その回答が動作を保証するものではありません。
その製品のユーザーフォーラムでお問い合わせください。

お問い合わせ06
Q.THS4631を使用したら動作がおかしい
A.THS4631は通常のオペアンプとは用途が違うオペアンプで不安定な製品となっています。
異常に発熱している場合は発振しているため使用できません。

お問い合わせ07
Q.OPA627の刻印が見えない
A.個体差が大きいのですがレーザー刻印の物は刻印が薄く、光の角度や明るさ、指で触った時の汚れなどで見えにくくなります。
ルーペとライトを用いて確認しても見えない場合はお知らせください。
フラックスが残っている場合も見えにくくなりますので、もし可能であればアルコールで表面を拭いてみて改善されるかお試しください。

2024/4/1 更新

●在庫状況について
「OPA627AU デュアル 8Pin DIP変換基板実装済み」は現在購入可能です。
「OPA627AU デュアル 8Pin DIP小型変換基板実装済み」は材料がないためしばらく欠品します。

●ロット番号の混在について(2021/12/14)
同一ロットのパーツ調達が難しくなっているため、表と裏でロットナンバーが違う物があります。
動作としては問題ありません。

●OPA627AUの刻印について(2021/08/06)
レーザー刻印の物と白の印刷刻印の物が混在しています。
生産地の違いとなりますので、性能などに変更はありません。
レーザー刻印の物は台湾製、白の印刷の物はマレーシア製となります。
3/4補充分からレーザー刻印のポンチマークになっているOPA627AUを使用しています。
生産時期が比較的新しいものはポンチマークがレーザー刻印のようです。

●新品のOPA627AUについて(2022/06/14)
現在のところ新品のOPA627AUを実装した製品の販売は予定していません。
特注での対応についても受注しておりません。

●運送会社について
当店は発送処理を全てAmazon様に依頼しているため、お客様の配送地域によっては中小のデリバリープロバイダが選択される場合があります。
運送会社に関するお問い合わせはAmazon様へお願いいたします。

●ご購入後の異常動作について
使用後に動作がおかしい(左右で音が違う、ノイズが入るなど)がありましたらAmazon様より返品リクエストをお願いします。
故障内容にもよりますが30日後でも対応するようにいたします。

長期在庫の品番についてはAmazonでの販売を終了しました。

事の発端は11/19にdigikeyでAK4497EQの予約を発見したことです。
早速予約し、基板デザインをしてすぐにElecrowに製造をかけました。
チップが11/26に届いたので大急ぎで組み立て、大急ぎでプログラムも作りました。
プログラムは大変かなと思っていましたが、大体のレジスタは変わっていないこともありAK4495の資産があるのでコピペで動きました。
今回はI2C IOエクスパンダーを使ったのでそこで少しはまった程度です。(使う必要性は少ないのですが練習のため)
というわけで到着してわずか1日で音が出ました。

作ったのはAK4497EQデュアルMONO仕様です。
ちなみにAK4497EQは1個5800円ぐらいします。
AK4495EQが1個1400円ぐらいなのを考えると驚きの価格です。

感想
AK4495より何倍もいいか？と言われるとちょっと良くなったぐらいかなと思います。
AK4497クラスになると基板デザインの良し悪しで大きく影響が出るともいますので、私がとにかく急いで書いたパターンでは性能が出なくて当然かなと思います。

苦労したところ
TPS7A47のサーマルパッドのハンダ付けに失敗して基板ごと壊してしまった。
VQFNは1発で決めないとだめですね…
LQPF64のハンダ付けが思ったよりも難しかった。こんなに難しかったっけ？

基板バグの備忘録
DAC部
TPS7A47の電圧指定が間違っている。特にVREFの項目をよく読むこと。
書き込み機器のスペースも考慮してCPUの位置を決めること

LPF部
C9のピッチが間違っている

前回のエントリでなんとなく制御ができて、そっれぽい信号が出力されたので音出ししようと思います。
しかし、LPFボードの部品がなかなか揃いません。(どうせI2C制御でめちゃくちゃはまると思っていたので部品を買っていなかった)
オペアンプによるフィルタなので、珍しい抵抗値を指定されていましてしばらくかかる予感です。

AK4495は電圧出力ですので、直流成分をカットすれば聞けないことは無いのですがDACの高周波ノイズが山盛りになります。
そういえばこの前のアンプ基板はトランス入力です。
トランスなら高域が落ちるのでいい感じにLPFと同じ働きをするのでは？と思いHOT側だけコンデンサを介して接続。

結果
音でました

感想
すごく適当な接続にもかかわらず、私が使ってきたDACの中では段違いの音でした。
解像度が2ステップぐらい上がって聞いているのが気持ち良いレベルです。
さすがDual MONO構成なだけはあります。

いざ完成してみると、色々追加したい機能が出てきますね…
制御をひとつのCPUにまとめてI2Cバスでつないだ方がよかったり、液晶つけたり、電子ボリュームつけたり…
入力から全部バランス仕様のアンプを作りたくなりました。

後から追記11/19
LPFボードが組みあがったので、本来推奨される構成にしました。
劇的に良くなりました。やっぱりコンデンサーを使った直結は良くなかったようで…

だいぶ前に買ったけど部品入れの肥やしになっていたAK4495EQを使えるようにしました。
DAC自作には夢がありますけど、考慮しないといけない部分があまりにも多すぎて挫折しますね…
(データシートの分析、試作、プログラム開発、基板設計、アナログ部分etc)
今回はあっさりいけたので良かったです。

AK4495EQをI2Cで制御できたので備忘録です。
I2CのデバッグはRaspberry pi 2で本番制御はArduino Pro Miniです。
Arduinoは秋月電子様のAE-ATMEGA328-MINIです。
(これ安くて小さくて便利なのでお勧め)
5V系から3.3V系へのI2CのレベルシフトはPCA9306モジュールを使いました。
DAIはWM8805を使いました。こっちも自作基板。

作りたい仕様
AK4495EQを2個使ってデュアルMONO動作で、バランス出力も付ける。
11/19追記。とりあえずできました。

以下備忘録

前準備
電源投入時はPDN pinをLOWにしてください。
Highのまま電源投入すると起動しません。
起動の流れは下記のとおり
電源投入(PDN pinはLow)
最低150nsec待ってからPDN pinをHigh
以下I2Cなどで制御します。

PDN pinをHighのまま起動してもI2C操作を受け付けますが、音が出ないのではまります。
AK4495のロジック電圧は3.3Vです。
多くのArduinoでは直接操作できないので注意してください。(3.3V機種の除く)
私は2N7002でレベルシフト回路を作りました。

パワーオンとフォーマットセレクト
パワーオンとPCMフォーマットの選択は同じレジスタにあります。
Raspberry piのI2C機能で起動する場合は下記コマンドとなります。
※フォーマットはI2S 24bit
i2cset -y 1 0x10 0x00 0x07 b

特殊な例ですが2パラする場合は下記のようになります。
i2cset -y 1 0x10 0x00 0x07 b
i2cset -y 1 0x11 0x00 0x07 b

CAD0とCAD1でチップアドレスが決まります。
CAD0とCAD1がLowの場合は0x10
CAD0がHighの場合は0x11
プルアップする場合は1k程度の抵抗でプルアップしたほうがいいでしょう。
I2Cで使用するときはI2Cピンのプルアップを忘れないこと。
パラレル制御関連のピンについてはGNDに落とすこと。

モノラル動作
0x10を左チャンネル、0x11を右チャンネルにする場合

左出力の場合
MONO bit 1
SELLR bit 0
コマンド：i2cset -y 1 0x10 0x02 0x08 b

右出力の場合
MONO bit 1
SELLR bit 1
コマンド：i2cset -y 1 0x11 0x02 0x0A b

バランスアンプ用の測定ケーブルができたので特性を測定してみました。

まずは周波数特性


低音が落ちてますけど、出力トランスが原因のようです。
入力トランスのほうは低音でも安定しているっぽいのですが…

THD/N(歪み率の残留ノイズ)

半導体アンプなので0.1%以下となっております。

オペアンプとバッファ付きの構成でレールスプリッタを作っているのですが、分圧抵抗を選別しても電圧が狂うようです。
しばらく悩んだので備忘録として置いておきます。

オペアンプを使用する場合は正負電源が必要です。
要するに+電圧とGNDとー電圧の3つが必要になります。
しかし、ACアダプターや電池は+電圧とGNDしか持っていません。
これだとオペアンプが動かないので仮想的にGNDの位置を定義してやり、無理やり-電圧を作るのがレールスプリッタといいます。(仮想GNDともいいます)
抵抗分圧や専用ICを使う方法、オペアンプと使う、トランジスタで作る方法などがあります。
私は抵抗分圧+オペアンプ+ダイヤモンドバッファを使っています。
理由としてはそこそこ電流が取れるためです。

まじめに確認していなかったのですが、NJM4580で作った時に電源の電圧差が大きくなる事がわかりました。
結論としては、高精度オペアンプを使わないと狂うようです。
現在安価で入手できる物としてはOPA2277がベストでした。
かなり良いのはOPA2604
比較的マシなのはOPA2134

一応OPA277を2個使って0.03Vのずれでした。VRつけて調整するしかないのかな。

前回の基板の製作中にバランスヘッドホンアンプの基板も製造依頼を出していまて、その基板が仕上がってきたのでお披露目。
元々、バランスヘッドホンアンプの回路から部品点数を減らしてアンバランス仕様だけにしたのが前回のアンプでした。
回路的にはOPA659で作ったバランスアンプとほぼ同じです。

部品が多いので作るの大変でした…
試作品なのでカーボン抵抗が混じっていたり、コンデンサつけてなかったりします。
ニチコンのKZってとにかくでかいですね！Fine Goldeと同一容量、同一電圧でもかなり大きさが違います。



このヘッドホンアンプの仕様

電源：24V ACアダプター 出力0.5A程度 ダイオードを入れてあるので極性は関係ないです。
オペアンプ電圧：約±11.3V
入力：普通のステレオRCAまたはヘッドホン出力からの接続(アンバランス入力)
出力：バランス出力(ヘッドホンまたはイヤホン用)※1
使えるオペアンプ：通常の電圧帰還オペアンプなら大体使えます(電源用オペアンプの変更は推奨しません)
基板寸法：20cm x 19cm(かなりでかいです)
●注意 DACではありません。アナログ接続のアンプです。
PCと電気的に絶縁された機器との接続を推奨します。(光接続のDACや携帯プレーヤーなど)

※1 アンバランス出力仕様も対応可能

どんなオペアンプでも使える事が第一目標でしたので、大体のオペアンプが使えます。
苦手なOPA637とかTHS4631とかも問題なかったですし、BURSON AUDIOのv5iなども問題ありませんでした。
構造上、出力側はトランスで分離されているので、前回のヘッドホンアンプで問題となったDCオフセットは影響しなくなっています。
ICソケット周辺は電解コンデンサなどを配置してないので、大型のオペアンプも使えます。

地味な特徴
仮想GNDはオペアンプと高出力バッファによるレールスプリッタを採用しています。(2回路実装)
パスコンは全てPMLCAPです。(位相補償回路のみセラミックコンデンサを使っています)
オペアンプ用のコンデンサは導電性高分子アルミ固体電解コンデンサを使用しています。
電源コンデンサはニチコンのオーディオ用最高グレードのKZを使用しています。
オペアンプの出力はダイアモンドバッファを経由しています。(パワートランジスタで駆動しています)

大きな特徴
入力トランスで正相信号と逆相信号を生成して、差動増幅回路から出力トランスに送り込んでいます。
正相信号と逆相信号それぞれが信号がトランスで衝突するような感じです。
そのためトランスの能力を最大限に生かして鳴らすことができます。(多分…)
オペアンプには出力バッファとしてダイヤモンドバッファを付けています。
そのため、トランス自体の負荷によるオペアンプ側への悪影響を低減しています。

ブロック図


実はアンバランス出力にもできるようにパターンは引いているので、部品が集まったら作ってみます。

音の方ですが、バランスということもあり音の広がりが広く、すごく明瞭で細かい音まで再生されます。
HD800と組み合わせるととても良い感じで、聞き入ってしまいます。
イヤホンだと無音時のノイズが気になるので、メタルケースに入れてGNDの処理をきちんとしたほうがいいと思います。
一応我慢できるレベルではあるのですが…
ヘッドホンの場合は問題ありません。

注意点
トランスを使っているので50Hz以下の領域がかなり歪んでいる事がわかりました。
THDですと20%ぐらいです。
100Hz超えると急激に改善されるのですが…

本製品はTexas Instruments社の高精度高速オペアンプOPA627AUを8PinDIP変換基板に両面実装したものです。
OPA627は特に高音質で有名なオペアンプとして有名です。
他のオペアンプと比較して特に高速応答で、正確な応答を行います。
そのため、高感度センサーや高級オーディオシステムなどに使用されています。
オペアンプの交換用としておすすめします。
※ベンチャークラフト製品には寸法が大きすぎて使用できません。
小型品があります

日本アルミット 鉛フリーハンダ SR-37LFMを使用して実装しております。
実装後は洗浄を行い、試験装置で動作を確認してからに静電気防止包装を行っております。



本製品はデュアルオペアンプ仕様となっておりますので、LM358やOPA2134、NJM4558などのデュアルオペアンプの交換品として使用できます。
また、シングルオペアンプとはピン配置が異なるため使用できません。
差し込む方向をご確認の上ご使用ください。
逆方向に差し込みますと、破壊されますのでご注意ください。
挿し間違いによる故障については、返品対象外ですので予めご了承ください。
また、本製品は静電気に敏感なため作業前に静電気の除去をお願いします。
(静電気は水道管やアースに触れると除去されます)

スペック
入力電圧ノイズ密度：4.5nV 10kHz時
ゲイン帯域幅：16MHz
スルーレート：55V/us
動作電圧：± 4.5 – 18V
Unity gain stable
FET入力 Difetテクノロジー採用

非常に高性能なオペアンプで医療機器やプロ用オーディオ機器向けオペアンプです。

※本製品は再生品を選別して製造しています

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