「FMmelody」ハードウェア解説
デフォルトでは PWM の方が有効になっています。 スケッチ中のコメント・アウトしてある一行のコメント記号を削除してコンパイルすると ディジタル・オーディオ用 DAC を使うモードになります。
PWM 出力を利用する場合の結線図は次のようになります。
ディジタル 9 番ピン (OC1A 出力) から LPF を介して出力を取り出します。
PWM 周波数は 16 MHz / 512 = 31.25 kHz となっています。 音源としてのサンプリング周波数はその 1/2 の 15.625 kHz です。
Arduino 基板上でディジタル 13 番ピンに接続され、表示が「L」となっている LED を CPU 負荷量の表示に使っています。
アイドル状態が多いほど LED は明るく光り、CPU が忙しくなるほど LED は暗くなります。
ディジタル 13 番ピンを周波数カウンタで測ると (平均で) サンプリング周波数の 15.625 kHz を示し、 デューティー測定可能なテスタでデューティーを測ると、アイドル状態の大体のパーセンテージが分かります。
PWM モードで実測すると、アイドル率が約 50 %、つまりビジー率も 50 % 程度です。
LPF の具体的な回路は次のようになります。
(a) は OP アンプを使ったアクティブ・フィルタで、(b) はパッシブ LC フィルタで、 カットオフ周波数 8 kHz 程度の 3 次バタワース特性の LPF を実現したものです。
LM358/LM324/LM2904/LM2902 タイプの OP アンプを使ってもクロスオーバー歪が出ないように配慮してあります。
(c) と (d) は、圧電スピーカー (圧電サウンダ、Piezo Speaker) を使う場合で (d) は直結した場合です。
(c) は抵抗を挿入して、圧電スピーカーの容量分と組み合わせてカットオフ周波数 4 〜 8 kHz の１次 LPF を構成したものです。
当然 (d) ではノイズが多く、(c) では音が小さくなってしまいますが、ノイズは減って聞きやすくなります。
ノン・オーバーサンプリング・タイプのディジタル・オーディオ用 DAC を使う場合の回路図は下のようになります。
DAC 出力はステレオですが、左右チャンネルともに同じデータを出力しているので、モノラルにしかなりません。
ATmega168 の内蔵モジュールの SPI と TIMER2 を使っています。
ここで、「ノン・オーバーサンプリング・タイプ」というのは、 オーバーサンプリング用のディジタル・フィルタに 使われる 256 fs や 384 fs のクロックを必要としないタイプのことを表しています。
具体的には、
- シリアルクロック (ビットクロック)
- シリアルデータ
- LR クロック
- 16 ビット
- MSB ファースト
- 右詰め
安価で入手可能なものとしては、毎度おなじみ ROHM BU9480F や、NEC μPD6376 などがあります。
実際に接続して音を出して確認しているは BU9480 だけで、 それ以外については実際には確認していません。
LRCK をプルアップしているのは、ISP 時にレベルを確定させ、 DAC から異音が出力されるのを防止するためのものです。
SPI のピンは ISP 用のピンと共用されているので、 ISP により ATmega168 にプログラムを書き込むと DAC の SCK、SDAT も ドライブされ、LRCK 入力が浮いていると、異音が出力されてしまいます。
Arduino として USB/シリアル書き込みしかしないのであれば、 必ずしもプルアップは必要ありません。
ディジタル・オーディオ DAC モードでは アイドル LED をディジタル 8 番ピンに接続することを想定しています。
LED を接続するピンは、スケッチ中の定義を変更すれば変えることができます。 ただし、ディジタル 3, 11, 13 番ピンは回路動作のために必要なので、これらのピンに割り当てることはできません。
また、ディジタル 12 番ピン (MISO) はマスター・モードの SPI 動作では 強制的に入力にされるので、LED 出力としては機能しません。
Arduino 基板上の「L」LED は SCK であるディジタル 13 番ピンに 接続されているので、SCK 信号により薄暗く点灯します。
DAC モードでのアイドル率の実測値は約 30 % で、 つまり、ビジー率は約 70 % ということになります。