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番外編:e-scope 3-in-1活用法(ケーブル製作)

番外編:e-scope 3-in-1活用法(ケーブル製作)

 

回路入門記事は半年以上更新していませんでしたが、今回は番外編としてiPhone用のアプリ、e-scope 3-in-1(Appストアにて販売中)の活用方法に関する記事です。
e-scope 3-in-1はオシロスコープ、FFTアナライザ、信号発生器の3つ機能を持ったアプリです。

iPhone内蔵マイクだけでもいろいろなことができますが、iPhoneに外部信号を入力できるようにすると、さらに活用範囲が広がるので、今回はまず、iPhoneに外部入力できるようにするケーブルを製作します。

*ケーブル製作

iPhoneのヘッドホン端子は下図のように4極になっており、一番下の端子がMic入力兼マイクユニット電源になっています。
e-scope_cir1
外部入力用にケーブルを用意する必要がありますが、今回は入手のしやすさから100円ショップCanDoで販売しているビデオケーブルを流用することにします。

e-scope_cir2e-scope_cir3
このケーブルはポータブルDVD等から音声信号と映像信号を取り出すためのものです。
上記写真にあるように4極プラグは配線が統一されていないようですが、下から二番目が共通(GND)になっているものであれば、今回の用途に使用可能です。
CanDoのケーブルをiPhoneに接続した場合、白端子がL出力、黄色端子がR出力、そして赤色端子がマイク入力になります。
ただし、そのまま接続した場合、出力は内蔵スピーカーからヘッドホン端子出力に切り替わりますが、マイクは内蔵マイクが有効なままですので、外部入力化のためには、後述する回路を追加する必要があります。
このケーブルの使用上の注意点としては、一番下の端子が下図のように金属の台座と一体になっていることから、絶縁の工夫が必要になります。
e-scope_cir4
次に、iPhoneのマイク端子ですが、外部マイクとしてはECM(エレクトレットコンデンサーマイクロホン )の接続を想定しているようです。
マイク端子にECMユニットを接続したときのイメージは下図のようになります。
e-scope_cir5
ECMユニットは内部にバッファー用のFETを内蔵しており、オープンドレインとなっています。
一方iPhone内部では電源(実測値は2.7V)に接続された負荷抵抗の一端がマイク端子に接続されています。
マイクユニットをマイク端子に接続すると、FETの電流がiPhone内部の負荷抵抗に流れ、マイク端子の電圧が低下します。iPhoneはこの電圧低下を検出し、内蔵マイクから外部マイクに切り替えるようになっているようです。
このマイク端子はリモコン端子も兼用となっており、このマイク端子の電圧変化を利用して制御していると思われます。
マイク端子を外部入力として使用するためには、このマイク端子の電圧をマイクユニットが接続された時と同様な電圧にする必要があります。そこで下図のような回路を追加します。

e-scope_cir6b

iPhone4S以前の機種用の定数 ↑

R1(6.2k)がマイク端子の電圧を下げて外部入力モードに切り替えるための抵抗です。
R2(110k)は入力を減衰させるための分圧用抵抗です。
この定数でe-scope 3-in-1のオシロスコープモードの感度が(mv/Div)表示とほぼ同じになります。
もし、感度を調整したい場合はこのR2の抵抗値を変更してください。
上記感度はiPhone4Sを使用した場合です。
iPhone3Gs、第三世代iPadもほぼ同様の感度でしたが、iPhone5Sに上記定数のケーブルを使用すると、約10dB程度感度が低くなるようです。
他の測定器を使用できる人は、入力に100mVrmsの信号を加え、FFTモード(信号はFFT最適化使用)で表示が-20dBになるように微調整するのがよいでしょう。
また、この定数でクリップしないで入力できるレベルは2Vpp程度なので、もっと大きな信号を観察したい場合や、入力インピーダンスを大きくしたい場合は、たとえばR2を10倍にできるような抵抗を追加し、スイッチで切り替えられるようにすると使いやすくなります。
C1は直流カット用のコンデンサです。容量値は0.1uF以上であればどんな値でもよいのですが、ケミコン等極性のあるコンデンサを使用する場合は、2つのコンデンサの極性を互いに逆に接続したものを使用してください。
コンデンサの後には、ワニ口クリップ等、使いやすいものを接続してください。
次の図はiPhone5s用に定数を変更したものです。
そのままでは入力インピーダンスがだいぶ小さくなってしまうので、下図のように入力感度設定スイッチを入れたほうが良いと思います。
スイッチオープンで感度は20dB下がりますが、入力インピーダンスを10倍程度にすることができます。
iPhone5s_input

iPhone5以降の定数 ↑

もし入力に過大な信号が印加される恐れがある場合は、下図のようにコンデンサと保護ダイオードを追加してください。ダイオードはどんな品番のものでも大丈夫です。

 

白と黄色の出力端子にもワニ口クリップを接続してください。
Outcable1
直結でもかまいませんが、出力端子を電源等にあやまって接続すると、iPhoneにダメージを与える危険性があります。
誤接続に関し自身の無い人は、下図のように保護用の小抵抗や直流カット用のコンデンサを入れてください。
Outcable2

 

*動作確認

ケーブルの製作が終わったら動作確認を行います。
4極プラグをiPhoneに接続し、ケーブルの入力端子と出力端子を接続してください。
e-scope 3-in-1を起動し、オシロスコープモード、信号発生器はサイン波、周波数400Hzにしてください。
感度は100mV/div、2.0ms/div あたりすると見やすいでしょう。
iPhoneのボリュームを上げて正弦波が表示されることを確認してください。
Triggerモードにすると波形が止まって見やすくなります。
IMG_0951
次にFFTモードに切り替えてください。下図のように表示されればOKです。
IMG_0952
ここで一度信号をOFFにします。
次は周波数特性の確認をします。まずは通常のSweep信号による確認です。
分解能が高いとSweep時間を長くする必要があるので、分解能はdf=22Hzのモードにしてください。
信号種別はSweep LinにしてSweep時間は120(秒)に設定してください。
その後、ピーク保持ボタンを押してボタン表示が赤くなっているのを確認します。
準備ができたら、ON/OFFボタンを押して、測定をスタートします。
2分後に下図のような表示になると思います。200Hz以下でレベルが下がっているのはiPhone内部のマイクアンプ経路にローカットフィルターが挿入されているためです(LowBoostモードにすることで、フラットな特性に近づけることもできます)。

IMG_0953
次にFFT同期Sweepモードで同様に周波数特性を測ってみます。
Sweep時間を0に設定します。
この状態でON/OFFボタンを押してください。下図のような結果になるはずです。
IMG_0956
見やすくなるように感度を上げています。(FFTモードでは上にスワイプすると感度を上げることができます)
感度を上げすぎてクリップすると正確な測定ができないので、単一信号でクリップしていないことを確認してください。(クリップすると急激に高調波が増加します。)
このようにFFT同期Sweepモードは周波数特性をリアルタイムに確認することができます。

*外部マイク接続
先ほどのケーブルにECMユニットを接続することもできます。
オーディオ装置の周波数特性を測る時に、iPhone内蔵マイクでは測定しにくい、といった時に使用できます。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-02303/ にあるようなマイクが使用可能です。
もう一本CanDoのケーブルを用意し、極性に注意して赤色端子のケーブルにハンダ付けしてください。

 

注意:製作したケーブルで交流100Vの部分等に触れるのは危険ですので、絶対にやらないでください。

 

免責事項:本記事の利用は利用される方の自己責任で行って頂き ますようお願いいたします。ご利用にあたり、万が一不具合、トラブル  等が発生した場合、一切の責任を負いかねますのでご了承下さい。

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コメント

  1. 中村 より:

    株式会社e-skett様

    はじめまして、神奈川で音響業者を営んでおります中村と申します。
    以前の記事に対してのコメントで失礼致します。
    当方、音響の現場でiphon6を2台使って2会場を中継のように結ぼうと思い、イヤホンマイクのイヤホンL/Rをミキサーに入力しスピーカー出力へ、逆にミキサーのAUX出力をマイクへ送ろうと思い4極のフォーンからXLRへの変換BOXを作製致しました。しかし、記事にもある通り音声は出力出来たのですがマイクが携帯の内蔵マイクになってしまい、外部からの入力に切り替わりませんでした。チェックではマイクINに直接シュアーのSM58をさして確認を行いました。お恥ずかしながらハンダ付けは日常で行いますが、電気の知識があまりなくご説明のように外部入力に切り替わるよう抵抗をかけるという部分が私の頭では追いついていけませんでした。ミキサーのAUXをマイク入力する場合、どのような物を挟めば宜しいでしょうか。ご教示頂けると幸いです。現在作製したマイク入力はXLRで 1番にGND、2番にマイク+、3番はGNDとぶつけてあります。

    • 管理人 より:

      iPhoneのマイク入力を外部入力に切り替えるには、このページの説明にあるように、4極プラグの一番下の電極とGNDの間に抵抗を接続する必要があります。
      下の画像のような回路を組めばAUX入力できると思います。
      R3とスイッチは入力感度切り替えなので省略可能です。

  2. 大島 賢一 より:

    素晴らしいソフト有り難うございました。
    オーディオ波形をお客様にお見せする為のオシロを探していて見つけました。
    この機能と携帯性及び使い勝手でこの価格は涙ものです。
    ケーブルは100円ショップのiPhone用のイヤホンを使いました、絶縁シートは不要です。
    イヤホンコードにはエナメル線が使われていますが半田付けは次が参考になります。
    http://large.rgr.jp/H-aid/ELE/sol/
    入力はR1=6.8kΩ R2=36KΩ C1=1μ、出力はR1=600ΩとしましたC1は無しです。
    R2は私のiPhone6Sでは39Kだと少し感度不足、36Kでピタリでした。
    C1=1μのためか低域の減衰は僅かです。
    この価格で文句言う訳にはいかないのですが、書けば次のようになります。
    ●周波数3KHz以上になると目視でも歪みが目立つ(矩形波を入れるとリンギングが大きく出る)。
    ●ステレオのために2CH欲しい。
    ●ハイレゾも見たい。
    USBにアダプタ付けて改善出来るなら1万円より少し高いくらいでも良い。

    • 管理人 より:

      書き込みありがとうございます。
      おっしゃるように、2ch化やハイレゾ化のためには、外付けオーディオ入力機器への対応が必要になります。直近での対応は難しいのですが、将来的な検討課題とさせていただきたいと思います。

  3. 大島 賢一 より:

    追記:
    手元にiPhone4に付属のイヤホンがあったのでこれのコードを使おうとしましたが、エナメル線の処理が複雑のようで、諦めました。
    質問:
    DC測定をする手段はないでしょうか。

    • 管理人 より:

      iPhoneのマイク入力の構造上、残念ながら直流の測定はできません。
      DC測定のためには、外付け入力機器の開発が必要になるのですが、手軽に波形観察をする、というのが本アプリのコンセプトですので、ご了承ください。

  4. 大島 賢一 より:

    ご回答有り難うございました。
    もしかしてと思い、無理を承知で質問しました、失礼しました。
    廉価な組続け機器でDCと高い周波数まで綺麗に観測出来れば、オーディオ用には大きなオシロは無用になります、可能なら是非実現して下さい。

  5. 大島 賢一 より:

    追記:
    「100円ショップのiPhone用のイヤホンを使いました、絶縁シートは不要」と書きましたが、そうでもありません。
    時々外筺とショートします。私はビニルのクリアファイル表紙を使ってワッシャーをつくりました。3.5φの穴を開けて(バリを大きいドリルでさらえますが、なかなか難しい)6mmの穴あけポンチで打ち抜きました。

    • こいち より:

      絶縁には金属ではないワッシャで瞬間接着剤でつなげてもよろしいでしょうか たとえばトランジスタやFETをヒートシンクにつなげる場合むき出しのフィンの場合は絶縁しないとショートするのでゴムでできた薄いワッシャがあるとおもいます。

    • 管理人 より:

      こいちさんへ
      薄く絶縁性があって、取り付けやすいものであれば大丈夫です。ジャックが奥までささらないような厚いものはNGですが。

  6. 灸太郎 より:

    このケーブルはiPadでも使えますでしょうか?
    当方所有のは第5世代のものです。
    iPhone5以降用の仕様のものでいいのでしょうか?
    よろしくおねがいします。

  7. スズキ より:

    電圧のレンジですが、500mVということで、約±1.5Vほどが電圧の上限ということになりますか?
    また、スイッチオープンにより入力インピーダンスが10倍ということですが、それ以上にあげることは可能でしょうか。

    • 管理人 より:

      そうですね。
      スイッチショート状態での入力電圧の上限は±1.5V程度となります。スイッチをオープンにした場合は±15V程度です。
      R3を大きくすれば入力インピーダンスを高くすることができますが、感度が低下してしまいます。
      感度を維持したまま入力インピーダンスを高くするためには、外部電源とオペアンプを使用した、バッファーを追加する必要があります。

  8. 横沢一男 より:

    追加ソフトを含めて大変便利に活用させていただいている、マニュアです。
    本稿の動作確認の項ですが、入出力を接続しなくっても発振波形が表示されてしまいます。ただし接続すると10dBほどUPします。
    また、この時入力端子に外部信号を入力すると正常に表示されます。(添付写真)
    これは仕様なのでしょうがそれとも設定が間違っているからなのでしょうか、ご教示願えたら幸いです。
    iphone4Sとipadで、2015/07Tr技で拝見して以来大変便利に使わせていただいています。(感謝)

    • 管理人 より:

      e-scope 3in1のご利用ありがとうございます。
      自作されたケーブルで、発振器出力とオシロスコープ入力を接続しなくても、信号が表示されるということですね。
      本来、入力と出力を接続しない場合は、ほとんど信号は観察されないはずですので、作られたケーブルになんらかの問題があるように思います。

    • 横沢一男 より:

      早速のご教示ありがとうございます。
      言われて気がついたのですが、付属の外部マイク付きイヤーホンを接続みたら、当然ですが信号は内部スピーカーからイヤホンへ、マイクも外部マイクに切り替わり、FFT画面にはマイクからの信号のみの表示となり、正常の動作状態となります。
      このことから原因は接続ケーブル側にあると思われます。
      R1の値を変更してみましたが症状は変わりません。
      ちなみに、ビデオケーブルが入手できなかったので4Pのマイク付きイヤーホンを購入し。これを加工して接続ケーブルを作成しました。この接続ケーブルが原因で、内部・外部の切替が旨く動作しないのが原因ではないかと思われます。
      引き続き検討して原因を解明したいと思います。
      ご教示ありがとうございました。

  9. jh4vaj より:

    e-scope 3-in-1、および、自動測定オプションを購入しました。

    試しに、CRの単純なLPFを測定してみたところ、思ったような周波数特性のグラフになりません。
    途中までは周波数が高くなるに連れて値が小さくなるのですが、途中から反転して上ってしまいます。t添付画像の一番上です。

    いろいろ調べた結果、iPhone/iPad内部で出力信号が入力側に回り込んでいるように見えます。

    話を単純化するため、コネクタに抵抗だけ付けて外部マイクに切り替えてみました。画像の二番目。
    すなわち、入力(マイク端子)には外部からは信号が入らない状態です。
    これで測定してみると、右上がりのグラフが観測されました。一番下の画像。

    また、LPFの下落カーブも傾きが大きすぎるようです。

    ここには書ききれないため、ブログにまとめました。

    http://www.jh4vaj.com/archives/11359

    ご覧いただけると幸いです。

    • 管理人 より:

      e-scope3in1のご購入ありがとうございます。また、大変詳細な使用レポートもありがとうございました。
      高域信号のクロストークですが、ケーブルの寄生容量により、ヘッドホン出力がマイク入力に漏れ混んでしまいます。LchとRchで信号を逆位相とすることで、クロストークを軽減できる可能性があります。
      設定画面の「L,R位相反転」で逆位相になりますので、一度試していただけますでしょうか。

  10. jh4vaj より:

    早速のご返信、ありがとうございます。
    先に添付した写真のように、ケーブルはつながず、コネクタに抵抗をつないだだけであのような結果が観測できているため、「ケーブルの寄生容量」は当たらないと思います。
    とは言え、念のため、試してみました。結果の画像をを添付します。
    ※実は、あの記事には書いていませんでしたが、LR位相反転も試してはいました。そのときは、CR LPFの測定で試して位相反転しても変らない結果でした。ケーブル無しはやっていなかったので、今回試してみました。

    • jh4vaj より:

      すみません。返信ではなく、新規コメントにしてしまったようです。

      • 管理人 より:

        大変失礼しました。
        ケーブルの容量ではなく、iPad内部の容量結合のようですね。
        外部でヘッドホン出力とマイク端子に容量を追加して、逆位相で打ち消す方法もありますが、安定して打ち消すのは難しいかもしれません。

  11. jh4vaj より:

    ブログの方には少し書いてあるのですが、計算で相殺させることはできないでしょうか?
    現状では、出力信号を入力へ直結したものをRefとして扱っていますよね。
    これに加えて、入力をオープン状態のものも(例えば、Ref2として)記録し、これも、グラフ表示の際に考慮するというものです。
    言い換えると、クローズとオープンの両方を校正データとして使用するという話です。
    これができれば、ケーブルを含めた校正になり、測定精度が上がると思います。
    ご検討いただけると幸いです。

    • 管理人 より:

      ご提案ありがとうございます。改善項目の一つとして検討させていただきます。

      なお、容量追加でリーク成分を打ち消すという方法ですが、一定の効果はあるようです。
      当方のiPadでは、LR位相反転モードで、Rch出力とMIC端子を2pF程度の容量で接続すると10dB程度の改善が見られます。これ以上改善するには、トリマコンデンサを使用しての調整が必要そうですが。

      • jh4vaj より:

        こちらでもやってみました。
        管理人さんの方では、おそらく、コネクタだけの状態で測定されたのだろうと思いましたので、こちらではケーブルを付けた状態で試してみました。
        ケーブルの先に2pFを付けた状態です。

        ・正相
        ・逆相
        ・逆相 Mic-Rch間2pF
        ・逆相 Mic-Lch間 2F

        この四つで測定してみました(念のためLchも)。
        結果は、コンデンサの効果はあるけれどわずかです。

  12. jh4vaj より:

    試しに、22pFでも測定してみましたが、逆に悪化しました。

    • jh4vaj より:

      上のグラフを見ると、正相と比べて逆相では(コンデンサはなしでも)漏洩がかなり抑えられていることは間違いありません。

      そこで、改めて、逆相でCR LPFの特性を測定してみました。ここでは、外付けコンデンサなしです。

      結果は、シミュレーションを比較的よく一致しているようです。
      やや傾きが大きいように思いますが、これは計算と実デバイスの差なのか、測定系によるものなのかは不明です。
      以前のコメントで「逆相にしても上手く行かなかった」ように書きましたが、勘違いだったようです。すみません。

      結局、LR逆位相にすれば良いということです。
      かつ、2pF程度のコンデンサをRch(使用していない方)とMicの間に入れるとさらに良くなると言えると思います。

      大変お騒がせしました。

      • jh4vaj より:

        度々すみません。問題がありました。
        iPadは上の通りで良いのですが、iPhoneだとうまく行きません。iPhoneはXRです。
        Lightningコネクタから3.5mmに変換するアダプタを通した場合、逆相にすると音が出ません。正相なら音は出ます(が、正相では測定結果に問題があります)。
        何か解決方法はありますでしょうか?

      • 管理人 より:

        Lightningコネクタ接続アダプタで逆相にすると出力が出ない件ですが、御使用の4極プラグの電極の長さの関係で、Lch,Rchがショート状態となっているのかもしれません。
        もし、iPhone純正の4極プラグ型のイヤホンをお持ちでしたら、それを使用して逆相状態で音が出るか確認していただくのが良いと思います。

  13. jh4vaj より:

    ありがとうございます。
    純正変換コネクタを試したり、3rd Party製を試したりと、かなりいろいろやってたどり着いた結論は、iOSの設定でした。
    アクセシビリティの中に「モノラルオーディオ」のスイッチがありました。こういう物があることを知らなかったので、触った記憶もないのですが、これをOFFにしたら、逆位相でも音が出るようになりました。

    • jh4vaj より:

      正相と逆相とで、入力オープン時の測定をしてみました。
      プラグに抵抗だけのものと、ケーブル付きのものとで測っています。
      補正コンデンサは付けていません。

      逆相にすると、ケーブルでのクロストークが大きく改善(キャンセル)されていることがわかります。
      しかし、iPhone内でも漏れているようなで、それはどうしようもないみたいです。

      • jh4vaj より:

        続いて、逆相出力にした状態でCR LPFを測ってみました。
        iPadでの測定結果とだいたい同じようになりましたが、こちら(iPhone)の方がクロストークが大きいようで、高域は誤差が大きくなってしまっているようです。
        クロストークをせめて-60dB以下に抑えられればかなり良くなるだろうとは思いますが、外付け部品でなんとかするのは難しいのでしょうね。

  14. jh4vaj より:

    もう少しやってみました。
    空き端子のRchとMicの間にコンデンサを付けた場合です。
    2、5、10、20pFで試しました。
    2と5pFはセラミックコンデンサ、
    10pFは積層セラミックコンデンサ、
    20pFは10pFを二本パラです。
    10pFが良い結果を示していますが、ケーブルの取り回し等で変化するようなので、概ねこんな傾向という見方が良いと思います。

    • jh4vaj より:

      10pFを付けた状態でのCR LPFの様子です。
      やはり、こちらの方がより良い(シミュレーション結果に近い)グラフになっています。
      概ね-30dBより大きな値のところは良い値だと思います。
      しかし、-30dB程度までしか使えないのは、やはりちょっと物足りません。
      改善できる方法があれば良いのですが。

      • jh4vaj より:

        失礼しました。添付のグラフを間違えました。
        こちらが正しいものです。

      • 管理人 より:

        詳細なデータ、ありがとうございます。
        逆位相でのキャンセルは容量値に敏感なので、容量値が細かく可変できるトリマコンデンサを使用すると、もう少し減衰量を追い込めるかもしれません。

  15. jh4vaj より:

    細かく調整しても劇的に良くなることはないでしょうから、ここまでとしておきます。
    もし、別のアイデアがあれば教えていただけると助かります。
    それから、今回作った基板ですが、もし、希望する方がいたら頒布しても構わないでしょうか?当然ですが、その使用は御本人の自己責任で。

    • 管理人 より:

      基板の頒布、販売等、全く問題ありません。
      よろしくお願いします。

      • jh4vaj より:

        ありがとうございます。
        では、いずれ頒布するかもしれません。
        今後ともどうぞよろしくお願いします。

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