工作と競馬

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タグ:ノイズ

概要

 オーディオインターフェースを用いて自作した電子回路のノイズを簡易的にはかる方法を考えてみた。


背景と目的

 電子回路のノイズを測定するには、本来ちゃんとした測定器が必要だが、大変高価であるため個人でそのようなものを買うのは難しい。そこで、オーディオインターフェースを用いてオーディオ帯域内のノイズについて簡易的にはかる方法を考えてみた。


活動の詳細
1.方法

 まず、オーディオインターフェース(以下、オーディオI/F)に入力された信号のレベルは、PC内ではディジタルフルスケールに対する比dBFSで表示される。したがって、このdBFS値が物理的な電圧の何Vに対応しているかをはっきりさせる必要がある。そこで、まずはdBFSと電圧の対応を求めてみる。
 今回使用するオーディオI/FはUA-25(EDIROL)である。UA-25の説明書を見ると、仕様として規定入力レベルが最大+4dBu(TRS標準タイプ、ここで、0dBu=0.775V)とある。なので、TRS標準タイプ入力端子に+4dBuを与えて本当に0dBFSになるかをフリーソフトWaveSpectraを用いて確認したが、そうならなかった。その理由を検討したところ、UA-25はA/Dコンバータ前段に入力AMPのゲインが前面パネルのSENSというつまみでコントロールできるからであった。つまり、dBFSと電圧の対応はSENSつまみによってどうにでもなるということであるが、ゲインを上げ過ぎると入力電圧範囲が狭まるし、入力AMPの持つノイズも増幅されてしまう。また、小さすぎるとと、記録されるディジタル値のビットが目減りして精度が悪くなる。そこで、今回はSENSつまみを調整することで+4dBu入力時に0dBFSになるようにする。その結果、およそ4目盛りを少し上回ったあたりで対応が取れた。(図1を参照)これで、dBFS値と電圧は

電圧値[uVrms]=0.775*10^{(4+dBFS値)/20+6}

として、求められるはずである。

dBFS_+4dBu
図1 +4dBu入力時の0dBFSになるようにあわせた

2.ノイズ測定

 次に、実際にノイズを測定してみたい。ここではノイズの大きさが既知の回路を用意してその値とオーディオI/Fで測定される値が対応するのか見てみた。ただし、測定時のフィルタの条件はあわせられないのでそれなりに近いであろう設定で比較する。
 まず、ノイズが約240uVrms(30kHzLPF)のものを測定してみた。そのとき、WaveSpectra上ではRMS値-73.8dBFSと表示された。これを電圧に換算すると、0.775*10^((+4-73.8)/20+6)=250uVrmsである。したがって、なかなかよい対応がとれたと思われる。
 次に、ノイズが約15uVrms(30kHzLPF)と小さいものを測定してみた。このときのWaveSpectra上のRMS値は-91.9dBFSであった。これを電圧に換算すると、0.775*10^((+4-91.9)/20+6)=31.2uVrmsとなり、大きく上回ってしまった。しかし、いろいろ理由を検討したところ、そもそもオーディオI/Fの入力AMPが持つノイズがあるため、入力信号が非常に小さいときはそのノイズが測定値に影響を与えているのではないかと考えられた。つまり、入力されるノイズとオーディオI/Fの持つノイズが無相関と考えると、

(入力されるノイズ^2+オーディオI/Fの持つノイズ^2)^0.5

という合算値が測定値に現れると思われるので、

入力されるノイズ=(測定値^2-オーディオI/Fの持つノイズ^2)^0.5

として計算してみればよいと思われる。ここで、オーディオI/Fの入力AMPが持つノイズは1で示したゲイン設定では、およそ28.8uVrmsであった。(入力ショートで-92.6dBFSとなることから)これで計算してみたところ、12uVrmsとなった。まあまあ対応が取れているといえるのではないだろうか。

 以上より、もちろん厳密ではないが、おおよその値としてオーディオI/Fを用いて測定することが可能であることがわかった。


まとめと今後の課題

 オーディオI/Fを用いて電子回路のノイズを測定する方法がわかった。今後の自作回路の評価に役立てたい。

要旨

 以前制作したSkype用マイクアンプのノイズの原因について調べてみた。


背景と目的

 以前制作したSkype用マイクアンプは、マイク感度の点ではPC付属マイクよりも優れていたが、ノイズ性能の面で十分満足いくレベルではなかった。そこで、マイクアンプのノイズ性能の向上を目指しまずは原因がどこにあるのかを探ってみる。


活動の詳細
1.原因となる部位

 図1に自作Skype用マイクアンプとその使用環境の構成を示した。その図よりノイズの原因として考えられることは、以下の数点があげられる。

  • マイクのバイアス回路がノイズに弱い
  • マイクアンプ回路がノイズに弱い
  • PC自体のアナログ性能がいまいちである

 まず、マイクのバイアス回路であるが以前制作したものはUSBより+5Vの電源をもらい、簡単なLCフィルタを通したあと、バイアス用抵抗を通してコンデンサマイクへバイアス電圧を供給していた。したがって、USBの5Vラインにノイズが乗っているとバイアス抵抗を通してもろにノイズとしてマイクアンプに入力されてしまう構成である。
 次に、マイクアンプ回路のノイズ性能であるが、制作した回路はUSBから供給される片電源で動作するようオペアンプによるバッファで信号GND(中点電位)を作り出している。しかし、このバッファの入力側の電位は5Vラインを抵抗分圧しただけなので、当然5Vラインにノイズが乗れば中点電位がゆれる事になる。したがって、電源の影響を受ける回路構成である。
 最後に、PC自体のアナログ性能であるが、マイク入力端子からA/D変換回路までのアナログ経路は各種ディジタル回路が混在するPC内に存在するため十分な低ノイズは実現されていない可能性がある。

システム
図1 自作Skype用マイクシステムと使用環境の構成

2.検証

 1.において、3つの可能性について触れたが、ここではそれぞれを検証していく。ただし、原因を切り分けるためには、通る経路が短い順に検証を行う必要があるため、検証の順番としては、PCのアナログ性能、マイクアンプ回路、マイクバイアス回路という順とする。なお、検証の方法としては、ノイズのレベルと帯域を評価できるようフリーソフトのWaveSpectraを使用した。使用するPCはAcer Aspire1410とし、入力はマイク端子、コントロールパネルのプロパティで設定できる入力ボリュームは100(最大)、ブーストは0dB(なし)とした。


2.1 PCのアナログ回路ノイズ性能

 入力端子をショートし、測定した結果は図2.1のとおりである。RMS値で-69.76dBである。この表示の0dBはいったいどんなレベルなのか知らないがとにかくそういう値である。またノイズの帯域としては、90Hzとその整数倍の周波数が目立つのと、2kHz付近の盛り上がりが気になる。このノイズの原因は明らかにPC内のものであろう。ときどきハードディスクアクセスランプが点くとこのスペクトラムは形が変わり、90Hzの倍音が消える代わりに2kHzに非常に大きなピークが発生する。ためしにこの状態で音をヘッドフォンで聞いてみたがハードディスクアクセスがないときは全体にジーという音が支配的だが、2kHzにピークが立つとキーンという音が気になる。いずれも通常使用であまり聞こえて欲しくない音であるがまったく我慢できないレベルではない。
 以上より、PC自身の持つノイズのレベルと帯域がわかった。

検証21
図2.1 PCのアナログ回路ノイズ性能の測定結果

2.2 マイクアンプ回路のノイズ性能

 次に、マイクアンプ回路を接続し、マイク端子をショートした状態でのノイズを測定した。結果は図2.2のとおりである。RMS値は-61.69dBとなりおよそ8dB上がった。スペクトラムを見ると1kHz以下のレベルが上昇し、しかも新たに140Hzとその整数倍のピークが現れている。この新たに現れたピークに関してはおそらくUSBの5Vラインからの混入であろう。低域側が全体に上がる原因はよくわからないが、聴感上気になるのは140Hz系のピークであるため、ここでは深追いしないことにする。

検証22
図2.2 マイクアンプ回路のノイズ性能

2.3 マイクバイアス回路のノイズ性能

 最後に、マイクバイアス回路のノイズ性能であるが、バイアス回路はUSB5VからLCフィルタを通し抵抗を介してマイクにつながっているだけなのでLCフィルタで落としきれなかったノイズがそのまま混入する。結果は図の2.3であるが、RMS値-48.06dBと大幅に悪化しただけなく1kHz以下のレベルが大きく上昇している。また、2.2と同様に140Hz系のピークも確認できる。これを見ると2.2の結果で1kHz以下が上昇したように見えるのは、LCフィルタで落としきれなかった成分がマイクアンプ回路に混入しているためということがわかる。つまり、LCフィルタのカットオフ周波数は1kHz付近であり、LPFとして減衰できているのは高々1kHz以上の帯域だけということである。(これは定数設定からわかることなので改めて言うことでもないのだが、理論と実測が食い違っていないということである。ちなみに定数設定はL=300uH、C=100uFなのでfc=1/2π√LCより918Hzである。)

検証23
図2.3 マイクバイアス回路のノイズ性能

2.4 まとめ

 以上から、3つの原因について検証したが、もっともノイズが大きいのは回路構成上影響を受けやすくなってしまっているマイクバイアス回路であった。また、マイクアンプについても回路構成上ノイズが混入しやすく測定結果でもそれが実証されてしまった。そして、これら2つの回路に混入しているUSB+5VラインからのノイズはLCフィルタで十分に落としきれていないためであり、それはカットオフ周波数1kHzと高いことが原因と考えられる。また、PC自体のノイズ性能としてもそれほどよいものではないが、とりあえず聴感上はどうにか我慢できるレベルなのでほかの2つを改善すればどうにか使い物にはなる見込みは立った。
 というわけで、上記の結果からまずはマイクのバイアス回路の構成を見直してみて性能の変化を見て見るのがよさそうだ。


まとめと今後の課題

 Skype用自作マイクアンプについてノイズ性能が悪い原因を検証し、原因を明らかにできた。今後は、もっともノイズを悪化させている原因であるマイクバイアス回路の改善をしてみたい。


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