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USBアイソレーター(2)

まあ、とっくに入手してあったんですけどね。

IMG_0352.jpg


ざっとチェックしてみましたが、効果は絶大です。
私みたいに同一PCを用いてUSBオーディオ機器をUSBオシロで測定したいとか、PCオーディオでヘッドホンで完結せずライン出力を使用する等で複数の機器と接続される場合にもってこいだと思います。

まずは秋月の9VスイッチングACアダプタでチェックです。

ノートPCにアイソレータ経由で例のUSB DACを接続。別ポートにUSBオシロを接続します。
オシロのプローブは先端をショートさせた状態で、USBのPC側のGNDとデバイス側のGNDそれぞれに接触させた状態で波形をチェックします。PC側のGNDに接触させた状態はアイソレーターを用いない場合と同等です。
いままでは共通GNDの問題でノイズやDCバイアスが乗って困っていました。
IMG_0353.jpg



■PC側 カップリング DCにて
host1.jpg


こんな感じでバイアスが乗ってしまいます。


■デバイス側 カップリング DCにて
dev1.jpg


見事に改善されています。


続いてACカップリングにて電圧軸を拡大してノイズ量をチェックします。


■PC側 カップリング ACにて
host2.jpg


■デバイス側 カップリング ACにて
dev2.jpg


アース電流によるとおもわれるノイズの軽減効果も確認できました。バッチリです。




しかし、もう少しチェックしておきたい項目があります。AC電源からの容量結合による電位の発生です。

主にスイッチング電源ではノイズフィルタのコンデンサによってDC出力がACラインに吊られてしまいます。
これは日本のコンセントが片側接地されていることが原因です。

きちんとした電源は今後、設計・製作していくつもりですが、さしあたり鉛バッテリーで比較テストします。

ノートPCにACアダプタを接続した場合、バッテリーを使用した場合
アイソレータにACアダプタを接続した場合、バッテリーを接続した場合

それぞれの組み合わせでPC側およびデバイス側のGNDをDMMを用いて対地間の交流電位を測定しました。

IMG_0355.jpg

PC関係だったらフィルタのYキャパシタの影響で数十ボルトくらい当たり前のように電位が発生します。
インピーダンスの差こそあれ、決して望ましいものではありません。
機器が複数接続されるなど、酷い場合は感電や火花が散ることさえあります。


測定結果は以下の通り
USBISO_graph 1

やはりスイッチング電源を用いるとこのくらいの電位は発生してしまいます。
電源自体をアイソレートトランスで分離してしまう方法もあるのですが、いずれにせよGNDラインはコンデンサで引っ張られてしまうので、複数の機器が接続される場合は根本的解決にはなりません。

私的にはなるべく各機器をアイソレートしておき、必要に応じて接続し、接続してもGND間に電流が流れない状態を作り出すのが理想と考えます。

USBアイソレータ用にリニア電源組んだとして、この値をどのくらいまで抑えられるのか。これが次の課題です。

USBアイソレーター

問1



USBオシロでの測定用や所謂USBオーディオのGNDノイズ問題回避のためにUSBアイソレーターを組もうと思います。

USBアイソレータICのADuM4160を使った基板がイトウ電子販売より発売されており、毎日のように在庫数が減っています。
http://it-densi.ocnk.net/product/150


市販品と比べるとかなり安価ですし、USBの信号ラインはこれでいいと思います。
しかし問題はバスパワー。

ここでスイッチング電源を使ったらAC経由で少なからず他の機器と結合されてしまいます。YキャパCキャパ入ってると確実にマズイです。

じゃあトランス式ACアダプタかな、といっても今時トランス式自体見かけないなのに、そのなかで仕様が適合してマトモなものを探すのが大変です。

バラで部品買って組むとして、トランスは市販品で例えば6.3V 500mAだとすると500円くらいからあるけれど、
どうせなら仕様を詰めて小型に組みたいし、なるべく一次二次で容量結合とかしないようにしたいよね。
ってことで、見積もり貰ってみようかなーとか思っています。
電源トランスのノイズ、というか結合とか手を出したことのない分野なので色々勉強しながらやってみようと。
容量は500mAでいいかなと考えています。ハブ内蔵する案も考えたのですが、ここで分配してしまってはアイソレートの意味がありません。面倒ですが、アイソレータが必要な状況なら各デバイスごとに分離べきです。
基板に載っている低ドロップレギュレータを使って、入力のダイオードは取り去っても良し。商用電源が若干電圧降下を起こしても5V 500mAが確保できるように、かつ無負荷に近い状態でもなるべく電圧上昇が防げたらベターです。


で、冒頭の問題ですが、どこをどう繋ぎましょうか。
DC電源GNDに関しては上記のUSBアイソレーターに電源フィルタが入っていてデバイス側のGNDとUSB側のGNDが一致しないために項目に入れてみました。
他にも実際には扱わない部分もあるかと思いますが、どう繋ぐのか考えてみましょう。
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