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記事サポート 2024年8月26日

Interface編集部

ラズパイPico DAC特設ページ

「ラズパイPico DAC」は，ラズベリー・パイPicoに搭載されているRP2040の機能をフル活用してΔΣ変調をソフトウェア実装し，アナログ回路基板と組み合わせてオーディオDACを実現したものです．
このDAC（D-Aコンバータ）基板は，いわゆる市販のオーディオDAC ICを搭載していません．その代わり，RP2040のハードウェア機能をフル活用してオーバサンプリングやΔΣ変調をソフトウェア実装し，アナログLPF（ローパス・フィルタ）回路と組み合わせることでオーディオDACを実現しています．市販のDACに頼らず，ハードウェアとソフトウェアの創意工夫でDACそのものをDIYすることが，この企画のコンセプトです．

 

★2024年8月21日更新（2024年10月号掲載）★

■DSDネイティブ再生対応

DSD は，PDM（Pulse Density Modulation：パルス密度変調）方式でアナログ音声をディジタル信号化するディジタル・オーディオ・フォーマットの一種です．Pico DACでもDSDネイティブ再生に対応したファームウェアpico_1bit_dac_v2.30.uf2をリリースしました．
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2024/10/IF2410DAC.zip

 

★2024年7月25日更新（2024年9月号掲載）★
●再生フォーマットのOLED表示
ラズパイPico DACに入力できるオーディオ・フォーマットは，本連載での拡張を重ねた結果，36種類になりました．そこでPico DACに小型ディスプレイ（OLED）を追加して，再生フォーマットを可視化できるようにしました．
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2024/9/IF2409DAC.zip


OLEDを装着した様子

 

★2024年2月25日更新（2024年4月号掲載）★
●ラズパイ音源のビットパーフェクト再生…I2Sコントローラ対応
従来のPico DACでは，基準クロックの問題によりI2Sで受信した音源データを非同期のサンプリング・レートで再生せざるを得なかったため，ASRC（Asynchronous Sample Rate Converter）を用いてサンプリング・レートを変換していました．しかし，この処理はCPU負荷が大きく，RP2040では簡易なアルゴリズムを採用せざるを得なかったため，高周波領域では微弱なスプリアスが発生するなどの課題がありました．
この問題を解決するべく，Pico DACをI2Sコントローラとして動作させるソフトウェアpico_1bit_dac_v2.10.uf2をリリースしました．
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2024/4/IF2404DAC.zip

 

★2023年11月24日更新★

■Bluetoothオーディオに対応（2024年1月号p.113に交換券あり）

ラズベリー・パイPico W（以降，Pico W）は，Picoとピン互換なので，物理的にPico WをPico DAC基板に搭載することが可能です．2024年1月号 特設1では，Pico W とPico DACを組み合わせて，Bluetooth接続に対応したオーディオDAC「Pico W 1bit DAC」を開発しました．過去に新旧Pico DAC基板を製作した人は，PicoをPico W に換装することで，今までのUSB/I2S オーディオに加え，Bluetoothオーディオを楽しめるようになります．また，本稿をきっかけに製作したいと思った人向けに，製作用プリント基板をプレゼントします（2024年1月号p.113に交換券あり）．

 

●関連ファイル一式
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2024/1/IF2401WDAC.zip

 

表1　「Pico W 1bit DAC」を試せるPico DAC基板

項目 ①旧基板/ラズパイPico DAC ②新基板/新ラズパイPico DAC
基板名 Pico 1bit DAC Rev.1.0 Pico DIY DAC V2
Pico W搭載時
基板イメージ
対応機能 USB DAC
Bluetooth DAC(Pico W搭載時)※3		 USB DAC
ラズベリー・パイ3B/4B HAT DAC
Bluetooth DAC(Pico W搭載時)
販売
ページ		 PicoDAC01（CQ出版社）
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-16606/		 CQ-RASPI-Pico DIY DAC V2-B（CQ出版社）
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-17914/
部品
セット
販売
ページ		 CQ-RASPI-PICO-PDM-DAC-K
（秋月電子通商）
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-16605/		 CQ-RASPI-PICO-PDM-DAC-K（秋月電子通商）
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-17913/
周波数
特性		 fc=20kHz(2021/8掲載回路)
fc=40kHz (ハイレゾ改造後)※2		 fc=80kHz，S/N改善他
ハード
ウェア		 2021/8(製作記事)
2022/5(USB電源ノイズ対策)※１
2022/4(ハイレゾ改造記事)※2		 2023/1(製作記事)

※ 1：抵抗１本の換装．改造を推奨
※ 2：Bluetooth A2DP SBC 利用時はSD 帯域となるので，ハイレゾ改造は必須ではない
※ 3：JP1（外部電源機能）はオープンとする
その他必要なもの：USB ケーブル，USB 5V 充電器（Bluetooth 動作時），スマートフォンなどのBluetooth 音源

 

■新Pico DACプリント基板が登場（2023年3月号p.142に交換券あり）

DAC基板の詳細は本誌2023年3月号の連載記事「ハイレゾ&I2S伝送対応！[新]ラズパイPicoDACの製作〈1〉THD+N0.0049%で低ノイズ&低ひずみ！新基板の設計と製作」に解説記事があります．

 

★2023年9月20日更新★
●パラメータ調整機能を実装
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2023/11/IF2311DAC.zip

★2023年5月24日更新★
●ASRC処理改善ソフトウェアをリリース
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2023/7/IF2307DAC.zip

★2023年3月24日更新★
● 新基板の部品セット販売開始のお知らせ
新基板「Pico DIY DAC V2」の部品セットの販売を開始しました．秋月電子通商にて販売中です．
※部品セットの内容は表1の部品変更を反映したもの（Pico DIY DAC V2a）です．
※製作用プリント基板も近日中に発売予定です（4月中旬予定）．
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-17913/

 

●I2S入力対応！正式版ソフトウェアをリリース
I2S入力対応の正式版ソフトウェアpico_1bit_dac_v2を公開しました．
※試作版に比べ再生⇔停止時の安定性を向上しています．
※連載 第3回記事の評価で使用した音源も添付しています．
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2023/5/IF2305DAC.zip

 

★重要なお知らせ★

●連載第2回（2023年4月号）の記事に一部訂正があります（2023年2月24日）
詳細はこちらをご覧ください．

 

●新基板「Pico DIY DAC V2」の部品を一部変更します（2023年2月13日）

新基板「Pico DIY DAC V2」ですが，表2に示す部品を変更させて頂きます．読者のみなさまにはお詫び申し上げます．

表2　Pico DIY DAC V2a部品変更内容

番号 機能 変更前 変更後 変更理由
U2 OPアンプ NJM4556AD
（日清紡マイクロデバイス）		 NJM4580DD
（日清紡マイクロデバイス）		 ラズパイ電源ノイズ対策
C19，
C29		 出力DCカット用電解コンデンサ 16PX220MEFC6.3X11
（ルビコン）
（有極性220μ F 16V）		 16NA100MEFC6.3X11
（ルビコン）
（無極性100 μ F 16V）		 入出力電位差（LA-LO，RA-RO）がほぼ0V であるため

変更済みの回路図，および部品表は次のリンクからダウンロードできます．
・回路図：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/pico_diydac_v2.0a1_sch_20230208.pdf
・部品表：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/BOM.xlsx

 

★2023年2月22日更新★
●  I2S入力対応！試作版ソフトウェア公開中
I2S入力対応の試作版ソフトウェアpico_1bit_dac_v2 を公開中です．
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2023/4/IF2304DAC.zip
pico_1bit_dac_v2は，旧基板用のpico_1bit_dac_HR2（ハイレゾ対応＋5次6ビットΔΣ）をベースに，リファクタリングを実施中のファイルです．試作版につき検証が不十分で，動作が不安定でノイズが出たり，ストールしたりする場合もあるので，ご了承ください．
▼手順1：ラズベリー・パイPico側の準備
まず，実行ファイルの書き込みとデバイス・ドライバの再インストールを行います．USB接続すると，従来通りUSB DACとして動作します．ラズパイ本体と結合して通電すると，HAT DACとして動作します．
▼手順2：ラズパイ本体側の設定
ラズパイ本体用のオーディオ再生ソフトウェア2種と，新基板接続確認用のセットアップ例を表3に示します．表の内容は，新基板固有の設定に絞って記載してあります．インストール，ネットワーク接続やメディア再生方法については、各ソフトウェアのウェブ情報を参照してください．

 

表3　オーディオ再生ソフトウェアと新基板接続確認用セットアップ例（PDFはこちら）

名称 Volumio Audiophile Music Player moOde audio player
入手先 https://volumio.com/en/get-started/ https://moodeaudio.org
操作URL http://volumio.local http://moode.local
I2S DAC
設定音量調整		 左上「≡」マーク→プレイバックオプション→
・オーディオ出力
　I2S DAC :
[Off]→[On]
　DAC Model :
[R-PI DAC][保存][再起動]
→数十秒後にチャイム出音
・音量オプション
　Mixer Type :
[None]→[Software][保存]
右上[×]マークをクリックして完了
画面右下スピーカーマークで音量を調整		 右上[m]マーク→Configure→Audio
・Audio Output
　Named I2S device :
　　[None]→
　　[RPi-DAC][SET]→
　　右上[m]マーク→
　　Power→[RESTART]→
数十秒後復帰
左上[＜]マーク→
ホーム画面・音量操作UI(下の円周マーク)
円周をドラッグして音量値0~100(初期値０)を調整
出力周波数・ビット長調整 左上「≡」マーク→プレイバックオプション→
・Audio Resampling
 Audio Resampling :
  [Off] (音声ファイルのビット長/サンプルレートで再生される)
 Audio Resampling :
  [On] (下記設定に従う)
 Target Bit Depth :
  [16][24][32]のいずれか
 Target Sample Rate :
  [44.1kHz]~[192kHz]の範囲
→設定後、[保存]をクリック※１		 右上[m]マーク→Configure→[▶MPD]→
・SoX Resampling
　Enabled :
　　[No] (音声ファイルのビット長/サンプルレートで再生される)
　Enabled :
　　[Yes] (下記設定に従う)
　Bit depth :
　　[16][24][32]のいずれか
　Sampling Rate(kHz) :
　　[44.1]~[384]の範囲
→設定後、画面上部[SAVE]をクリック
ネットワーク設定 左上「≡」マーク→ネットワーク→ホットスポットの設定 : [ON(default)]→[Off][保存]※２ 右上[m]マーク→Configure→Network→Access Point : Router mode [Off(default)][SAVE]※２

※１：Volumioは[352.8kHz][384kHz]の設定をしても，出力は[176.4kHz][192kHz]に制限されるようです
※２：ホットスポット/Router Modeが[On]の場合や，Wi-Fi通信中はDAC出力にノイズが乗る場合があります

 

●製作用プリント基板を頒布中！
本誌2023年3月号に，Pico DIY DAC V2製作用プリント基板（部品は実装されていない）の交換券が付いています．ご応募頂いた方全員にプレゼントしますので，興味がある方はぜひご応募ください．応募方法の詳細は，本誌2023年3月号のp.142をご覧ください．Interface2023年3月号はこちらから購入できます．
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/MIF/MIF202303.html

(a) 2023年3月号で開発した新基板「Pico DIY DAC2」

(b) 2021年8月号で開発した旧基板

(c) 新基板はラズベリー・パイのHAT DACとしても使える

写真1　ラズパイPico DACの新旧基板
新基板では従来のUSB DAC機能に加えてラズパイのHAT DAC機能を2-Wayで使えるようにする．新連載ではラズパイ本体と組み合わせて384kHz/24ビットのソフトウェア再生にトライする

 

表4　ラズパイPico DACの新旧基板比較

改善ポイント 旧基板［写真1(b)］ 新基板［写真1(a)］
再生機能 USB DAC USB DAC + HAT DAC（2-Way）
USB電源由来のノイズ ノイズあり 対策済み（正負電源回路）
ラズパイPico基板由来のノイズ ノイズあり 対策済み（波形整形回路）
再生帯域（＠－3dB） 20kHz（改造前）→43kHz（改造後） 80kHz（ハイレゾ対応）
THD（全高調波ひずみ） 0.00238％ 0.00096％
THD＋N（ノイズ），S/N比 0.00829％，81.73dB 0.0049％，86.2dB

 

図1　新基板における「ラズパイPico DAC」のシステム全体構成（灰色の部分が改良/新機能部分）

 

●新基板の設計方針
① ラズパイ本体との連携（I2Sによる音声信号伝送）
② 正負電源の採用（USB電源由来のノイズ対策）
③ 波形整形回路の追加（ラズパイPico基板由来のノイズ対策）
④ ハイレゾ対応ローパス・フィルタの搭載
⑤ 可能な限り汎用・低価格な部品を選定

 

●設計情報（2023/2/13更新）
・回路図：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/pico_diydac_v2.0a1_sch_20230208.pdf
・部品表：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/BOM.xlsx
・KiCad基板設計データ：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/pico_diydac_v2.0a1.zip
※基板設計データ，および部品実装に関しては，次に示す補足の説明資料を参照してください．

 

●新ラズパイPico DACの製作用部品入手方法（2023/3/24更新）
▼部品セット
秋月電子通商にて販売中です．
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-17913/
▼製作用プリント基板
近日中に発売予定です（4月中旬予定）．

 

●補足説明
・KiCad6.0基板設計及び部品実装に関する説明資料：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/pico_diydac_v2.0_doc.pdf

 

●プログラム一式
・基本プログラム（旧基板用最新ソフトウェア）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2023/1/IF2301DAC.zip

 

●試し方（実行ファイルの書き込み方法）

ラズパイPico DACは，開発環境をセットアップしなくても手早く試すことが可能です．
本誌ウェブ・ページから，コンパイル済みの実行ファイルをダウンロードできます．PicoとPCをUSBケーブルで接続し，ダウンロードした実行ファイルをドラッグ＆ドロップするだけで試せるようになります．
手順は次の通りです．ここではWindowsの場合で説明していますが，macOSやRaspberryPi OSを含むLinux環境でも同様の手順で試せます．
▼手順1：コンパイル済み実行ファイルを入手する（基本プログラムの場合）
次のURLからIF2301DAC.zipをダウンロードします．解凍フォルダ内にあるpico_1bit_dac_HR2.uf2がコンパイル済みの実行ファイルです．
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2023/1/IF2301DAC.zip
▼手順2：PCとPicoをUSB接続する
Picoの[BOOTSEL]ボタンを押しながらUSBケーブルでPCと接続します．
▼手順3：実行ファイルを書き込む
手順2の方法でPicoを接続すると，PCに「RPI-RP2」という名称のドライブが出現します．このドライブにエクスプローラなどでpico_1bit_dac_HR2.uf2をドラッグ＆ドロップします．
ドラッグ＆ドロップしてから数秒でPC上に新しいオーディオ・デバイスが認識されます．

 

●デバイス・ドライバの再インストール方法

Windows PCでは，初出記事のラズパイPico DACを一度でも接続したことがある場合，今回のプログラムを正しく認識しない場合があります．USBのVID/PID情報が共通なので，OSが同一デバイスと認識し，USBディスクリプタ情報を更新しないためと考えられます．
その場合は，次の手順でデバイス・ドライバを再インストールしてから動作確認を行ってください．
（1）今回のプログラムを書き込んだラズパイPico DACをPCのUSBポートに接続する．
（2）[Windows]＋[X]キーで，リストから[デバイスマネージャー]を選択して起動する．
（3）「オーディオの入力および出力」をダブルクリック，「スピーカー（Pico Example Sound）」を右クリックし，リストの[デバイスのアンインストール]をクリックする．「アンインストール」をクリックして，一覧から「スピーカー（Pico Example Sound）」が無くなったことを確認する．
（4）「サウンド，ビデオ，およびゲーム コントローラー」をダブルクリック，「Pico Example Sound Card」を右クリックし，リストの[デバイスのアンインストール」]をクリックする．「アンインストール」をクリック．一覧から「Pico Example Sound」が無くなったことを確認する．
（5）ラズパイPico DACをPCのUSBポートから引き抜き，再度接続する．自動的に新しいPico Example Sound Card として登録される．

 

■旧基板の情報はコチラ

本誌で紹介している「ラズパイPico DAC」は，Picoに外付けするアナログ回路部分の配線をプリント基板にした製作用基板が用意されています．ブレッドボードを使うよりも簡単に試せます．部品は全てスルーホール・タイプで，2.54mm以上の広ピッチなので，はんだこてがあれば組み立てられます．

●掲載記事

2021年8月号 特集 第6部 第1章：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2108_122.pdf

2021年9月号 特集 第2部 第3章：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2109_070.pdf

2021年11月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈1〉44.1kHz/48kHz両対応！サンプリング・レート切り替え機能の実装：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2111_168.pdf

2021年12月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈2〉ノイズ低減編…3次ΔΣ変調＆出力4ビット化 ：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2112_122.pdf

2022年1月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈3〉音量を絞ったときでも高S/Nを維持！アナログ・ボリュームの追加：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2201_124.pdf

2022年3月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈4〉ハイレゾ対応①…ラズパイPicoに最適な実現方法を探る：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2203_127.pdf

2022年4月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈5〉ハイレゾ対応②…ソフトウェア＆ハードウェアの実装・改造：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2204_136.pdf

2022年5月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈6〉番外編…抵抗1本でUSB電源のノイズを16dB改善！：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2205_126.pdf

2022年9月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈7〉分解能16倍＆処理時間1/4！音量処理の最適化：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2209_192.pdf

2022年12月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈8〉オーバサンプリング処理の高精度化：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2212_128.pdf

2023年1月号 連載 ラズパイPicoDAC［完全版］の製作〈9〉ひずみ率0.002％！ΔΣ処理の高次化：https://interface.cqpub.co.jp/wp-content/uploads/if2301_128.pdf

 

●ラズパイPico DACの製作用部品入手方法

▼製作用プリント基板

秋月電子通商，CQ出版WebShopにて販売中です．

秋月電子通商販売ページ：https://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-16606/
CQ出版WebShop販売ページ：https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/I/I000354.html

▼部品セット

秋月電子通商にて販売中です．

秋月電子通商販売ページ：https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-16605/

 

●回路図と部品表

次のリンクよりダウンロードできます．

https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2021/8/IF2108T.zip

※\IF2108T\IF2108TB6S1に関連ファイルが格納されています．

 

●プログラム一式

・基本プログラム（2021年8月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2021/8/IF2108T.zip

※\IF2108T\IF2108TB6S1に関連ファイルが格納されています．

・サンプリング・レート切り替え機能実装版（2021年11月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2021/11/IF2111DAC.zip

・ノイズ低減版（2021年12月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2021/12/IF2112DAC.zip

・ハイレゾ試作版（2022年3月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2022/3/IF2203DAC.zip

・ハイレゾ対応版（2022年4月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2022/4/IF2204DAC.zip

・音量処理最適化版（2022年9月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2022/9/IF2209PicoDAC.zip

・オーバサンプリング処理の高精度化版（2022年12月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2022/12/IF2212DAC.zip

・ΔΣ処理の高精度化版（2023年1月号）：https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2023/1/IF2301DAC.zip