S/PDIF 光セレクタの製作

S/PDIF 光セレクタの製作

製作の動機

光セレクタの EverGreen DN-84237 は、性能的には問題ないですが、使い勝手が悪いのです。フロントパネルの [SELECTOR] ボタンを押すと、本体が軽過ぎるので、ズルッと本体ごと動いてしまいます。

動かないよう、本体を上から押さえ付けながら [SELECTOR] ボタンを押さなければならず、これがとても煩わしいのです。私の欲求を満たす製品がないか電網検索したのですが、皆無でした。これだけデジタルオーディオが普及していて、S/PDIF セレクタ製品が皆無に近いのが不思議です。

もう1つの問題として、出力端子が1個しかないので、セレクトされたソースを同時にデジタル録音というようなことができません。

これらの解決のために、2013年9月7日、S/PDIF 光セレクタを製作しました。製作費は5千円程度とかなり掛かりますが、毎日使うので気に入った製品を使いたいと製作に踏み切りました。

左の写真の上はフロントパネルで、下はリアパネルです。右の写真は電源として使う超小型 AC アダプタです。

回路設計

右図は回路図です。クリックすると大きな pdf の回路図を表示します。
設計ノート
- 全ての入出力端子で完全絶縁型とします。光モジュールはそもそも絶縁型です。同軸端子にパルストランスを入れて本格的な絶縁型にします。
- 同軸出力に使っているパルストランス TDK 123G1E は巻線比が 1:2:2 となっています。これを 4:1 になるよう配線します。
  1. 規格では、S/PDIF 同軸信号レベルは 0.5±0.1V_P-P で、インピーダンスは75Ωです。
  2. 電源電圧 5V で C-MOS IC を駆動しているので、IC 出力は 4.8V_P-P 程度です。
  3. C-MOS IC 出力から 4:1 パルストランスを通ると 1.2V_P-P となります。
  4. S/PDIF 同軸信号の出力はインピーダンス75Ωとします。
  5. S/PDIF 同軸信号は入力側でインピーダンス75Ωで受けるので、ここで 0.6V_P-P となって規格内となります。
  6. 規格の上限に設定しているのは、同軸ケーブルを長く引き回しても規格内に入ることを考慮しているためです。
- 電源スイッチはあまり必要性を感じないので省略します。電源通電を表示するパイロットランプは付けます。
- セレクト方式は一般的な電子スイッチ方式ではなく、メカニカルスイッチ方式とします。これは、この程度の切換え数なら、メカニカルスイッチ方式のほうが回路が簡単になり、かつ、フレキシビリティがあるためです。
- 設計上での妥協の産物ですが、 セレクタ2台分の働きをするアイデア回路 を盛り込んでいます。 世界初？
  1. 最初は [8光入力]→[2光出力] で設計したのですが、ケースサイズの要因で光モジュールが7個しか搭載できない。
  2. [6光入力]→[1光出力＋1同軸出力] に設計変更。
    - 光→同軸変換機能も実現できるので、まぁ～イイか！
  3. 6接点ロータリスイッチを2個にして、光出力と同軸出力で別々に入力選択可能とすることを、通勤での満員電車の中で閃きました！！！
  4. でも、同軸出力を光出力と同じに（リンク化）する機能も欲しいよな。
    - 同軸出力の選択を7接点ロータリスイッチとして7接点目を光出力ラインに接続すれば可能。
    - すっすっ素晴らしい！！！
  5. シメントリカル思考で光出力側も7接点ロータリスイッチとすればどうなるだろう？
    - 光出力側ロータリスイッチを7接点目にすると、同軸出力側ロータリスイッチで光出力を切換えできるようにもなるぞ。
    - 右手効き／左手効きのいずれの人にもやさしい。
  6. 光／同軸とも7接点目にしたらどうなる？
    - 入力側との接続が切り離されるので無信号になる。
    - MUTING 機能と言うことにしておこう。ひょっとしたら測定等で使えるかもしれない。
    - 妥協、妥協。人生を楽しく過ごすためには、時には妥協も必要だ。

部品調達

以下の部品をアキバなどで調達しました。合計4,350円です。

No.	部品	単価	個数	金額	購入先
1	S/PDIF 光受信モジュール PLR135/T9	220円	6	1,320円	共立エレショップ
2	S/PDIF 光送信モジュール PLT133/T9	220円	1	220円	共立エレショップ
3	絶縁型 RCA ジャック RJ-2008 (白)	150円	1	150円	秋月電子通商
4	DC ジャック MJ-14	60円	1	60円	秋月電子通商
5	ブラケット入 LED (緑) 豊田電子 SLP-721H	100円	1	100円	秋月電子通商
6	両面ガラス・ユニバーサル基板 140x40mm	200円	1	200円	秋月電子通商
7	インダクタ 47uH	10円	6	60円	秋月電子通商
8	積層セラミックコンデンサ 0.1uF/50V	4円	10	40円	秋月電子通商
9	オーディオ用電解コンデンサ 10uF/50V	10円	9	90円	秋月電子通商
10	オーディオ用電解コンデンサ 100uF/25V	20円	1	20円	秋月電子通商
11	超小型スイッチング AC アダプタ　5V/2A GF12-US0520	600円	1	600円	秋月電子通商
12	C-MOS IC 74HCU04AP	30円	1	30円	千石電商
13	ツマミ MAV B-30R (ローレット型)	100円	2	200円	千石電商
14	ケース Takachi SY-150B	840円	1	840円	千石電商
15	ロータリスイッチ TMS 1段1回路7接点　(Non-Short)	210円	2	420円	若松通商
16	パルストランス TDK 123G1E	(不明)	1	－	手持ち品
17	抵抗器、配線材	－	1式	－	手持ち品

No.1～2 の光モジュールはシャッター付きが欲しかったので、在庫のある大阪・日本橋の共立エレショップから購入しました。
No.15 のロータリスイッチは7接点と特殊のため、一般には入手困難かもしれません。
- 秋月電子通商で販売されているロータリスイッチ 1回路12接点 RS2268-0112-38N (ツマミ付属) で代替できます。ワッシャ状のストッパ金具が付属しており、2～12接点の範囲で変更可能というヘンテコリンな代物です。
- ロータリスイッチにはノンショート型が必要です。
No.16 のパルストランスは大昔に TDK 代理店に問い合わせたら、「100個単位で販売」というので数百個を直接購入したものです。
- まだまだ手元在庫はいっぱいあります。値段は忘れました。
- 代理店から買ったのは、当時、アキバなどで一般売りされていなかったからです。その後、アキバなどのパーツ店で1個700～1,000円くらいで売られていたようです。
- 1:2:2 の巻線があり、74HC04 タイプで出力する場合は 4:1 として、74LS04 タイプで出力する場合は 2:1 として使えばよいです。もちろん、入力側にも使用可能です。

板金加工設計

右図は板金加工図です。クリックすると大きな pdf の加工図を表示します。
- 回路図 CAD を使って描いているので、分解能 1mm です。従って、0.5mm とかの正確な寸法線を表現できていません。
- 部品は部品 CAD を使って描いているので正確な位置を表現できています。
- 図面中で [×] の付いた箇所の穴を開けます。
設計ノート
- Takachi ST-150B ケースはフロントパネルとリアパネルはケースのスリットに挟み込む構造になっています。
  - この構造ににより、板厚 1mm にも関わらず強度が確保されています。
  - フロントパネルとリアパネルを完全に取り外せ、アルミ平板となるので、加工しやすいです。
  - 板寸法の内側にある大きい長方形は、ケースのスリットに入る境界や、ケース支柱の境界を表しています。従って、この境界線の外側を加工してはダメです。
- 使用したロータリスイッチをフロントパネルに直接取り付けると、ツマミがフロントパネルから浮き過ぎます。
  - そこで、1.5mm 厚のサブパネルを設け、ケース内側でフロントパネルとロータリスイッチの間に挟みます。
- 電子部品は普通 2.54mm ピッチ (1/10インチ) です。今回、2.54mm ピッチの万能基板 (蛇の目基板) を使ったので要注意です。
  - 基板に実装する部品、すなわち光モジュールは 2.54mm ピッチで並びます。
  - すなわち、リアパネルの光モジュール用の穴は、この 2.54mm ピッチとする必要があります。注意が必要なのは、水平方向だけです。
  - 更に、今回使った万能基板の中心線は 2.54mm ピッチの中間となります。このため、光モジュール用の穴を左に 2.54/2＝1.27mm ずらす必要があります。
- 今回の主要パーツの寸法図は前項の部品リストにリンクさせています。
  - この部品寸法図を参照して、各部品の正確な位置を図面にプロットします。
- 光モジール固定強度について
  - 光モジュールの上側はリアパネルにタップネジで止めるので、上側の固定は問題ないです。
  - 光モジュールの下側は基板を固定することで、同時に固定されます。すなわち、基板をしっかり固定して水平方向の強度を確保する必要があります。
  - 今回は、基板をケース内部の溝突起に当たるように加工して、水平方向の強度を確保します。
  - この構造としたので、基板自体はケースの床面から固定していません。基板固定ネジがないので、メンテナンスがやり易くなります。
  - 部品配置上は基板の下にボス (高さ10mm) が取り付けられるよう設計してあります。

板金加工

図面を見てアルミ板の裏側に部品の正確な位置をけがきます。私はけがき器として100円ショップの [千枚通し] を使っています。
- 何しろ安いですから。先が丸くなったら消耗品的に交換できる値段です。 私はケチなので、丸くなった先を研いで再利用しています。
けがく時の注意
- 2.54mm ピッチ基板を使った関係上、図面では 0.01mm 単位の表示がありますが、ノギスの測定分解能は 0.05mm です。従って、この分解能 0.05mm に一番近い値に丸めて測定します。最大 0.05mm の測定誤差があることになりますが、我々がやる板金加工では全く問題ありません。板金加工精度の誤差のほうが大きいです。部品には取付マージンがあって、0.05mm は十分このマージン内です。
- 誤差が積算されないように位置測定します。例えば、ある部品の隣の部品位置を、（ある部品からの）相対距離でやったら誤差が積算してしまいます。絶対的な原点（例えば左上端）を決めて、そこからの絶対距離を測定します。
けがき終わったら、2013年8月24日より導入した新兵器ミニボール盤などを使って加工します。
0.5mm 以上の精度が必要となります。細心の注意で工作しましょう。

製作

基板に部品を載せて基板内配線します。
パネルに機構部品を取り付けます。
基板とロータリスイッチなどの機構部品の間を配線します。右の写真は配線完了後です。
- ロータリスイッチを出入りする信号は 96kHz サンプリングで 13Mbps (＝13MHz) 程度の速度です。厳密に計算すると、[Sub Frame＝32bit] (L ch. または R ch. に必要な bit 数), [Frame＝2 Sub Frame], [96kHz サンプリング], [バイフェーズ変調] (2倍) のパラメータより、32×2×96×10³×2＝12.3Mbps となります。
  - 電波と変わらない信号のため、シールド線を使ってノイズの影響を排除します。通常の単線で長く引き回すと、これがアンテナとなって周囲の高周波を拾ってしまいます。 FM 放送を受信してしまうかも？？？
  - C-MOS IC はインピーダンスが高いので、できるだけ短く配線します。ケース内部なのでミテクレは関係ありません。短くすることのほうが重要です。
- 回路が簡単になるメカニカルスイッチ方式を採用した代償が、この「配線の煩わしさ」です。
  - シールド線の配線は少々難しいです。
  - 私は外径 2.2mm の1芯の難燃性シールド線を使いました。難燃性なので、半田付けの際に被覆が溶ける心配がありません。
  - アキバの九州電気で 84円/m で売られています。シールド線としては、やや値段が高いです。

動作確認

以下のように良好に動作しました。 (-：Don't care, ×：No signal)

No.	OPTICAL SEL	COAXIAL SEL	OPTICAL OUT	COAXIAL OUT
1	1	-	IN1	-
2	2	-	IN2	-
3	3	-	IN3	-
4	4	-	IN4	-
5	5	-	IN5	-
6	6	-	IN6	-
7	LINK	1	IN1	IN1
8	LINK	2	IN2	IN2
9	LINK	3	IN3	IN3
10	LINK	4	IN4	IN4
11	LINK	5	IN5	IN5
12	LINK	6	IN6	IN6
13	LINK	LINK	×	×
14	1	LINK	IN1	IN1
15	2	LINK	IN2	IN2
16	3	LINK	IN3	IN3
17	4	LINK	IN4	IN4
18	5	LINK	IN5	IN5
19	6	LINK	IN6	IN6
20	-	1	-	IN1
21	-	2	-	IN2
22	-	3	-	IN3
23	-	4	-	IN4
24	-	5	-	IN5
25	-	6	-	IN6
26	1	2	IN1	IN2

同軸出力にパルストランスを使ったので、何の調整もなくアッサリと良好動作しました。パルストランスの威力は凄い！！！
ロータリスイッチでの操作なので、この操作で本体が動いてしまうことがありません。
音楽再生して実際に使いながらロングランしましたが、良好な動作でした。
製作して正解でした！！！