BBDを2個使用した600msフルアナログディレイの制作レポート BBDを2個使用した600msフルアナログディレイの制作レポート

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[NEW!] BBDを2個使用した600msフルアナログディレイの制作

【製作マニュアルを掲載】
本記事のBBDアナログディレイ製作マニュアル(PDF)を掲載しています。
このマニュアルで使用するプリント基板をメルカリで販売しています。(「SOLD/売り切れ」の場合、メルカリ内を「BBDアナログディレイ」で検索してみてください。繰り返し出品しています。)

BBDを1個使用した300msアナログディレイの製作記事はこちらから

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基板のタイプ(万能基板、スルーホール/面実装プリント基板)や、ケースのサイズ(ノーマル、ミニ)ごとに、どのように自作したかの記事が見られます。

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【目次】

BBDフルアナログディレイ3台目の制作
自作BBDペダルの仕様
回路図について
部品の入手先
KiCADでプリント基板を設計
プリント基板は「PCB gogo」で製造
基板への部品実装
ケースの穴あけ
動作確認
周波数特性
サウンド・サンプル
ケースへの組み込み
ディレイタイムインジケータ機能追加
3台自作したアナログディレイを並べてみた

BBDを使用したフルアナログディレイ3台目の制作

エフェクター自作 新旧比較今から 年前の中学生のころ、エレキギターを始めた私は、少ない小遣いを貯めて、ディストーションやコンプなどのエフェクターペダルを買っていました。中でもディレイペダルは、BOSSのDM-1やラック型のテープディレイしかなく、とても高価で、中学生が購入できる代物ではありませんでした。

最近はデジタルディレイが数千円買えるようになりましたが、デジタルディレイは、ギターとは分離した「効果音」をつけるイメージが強くあります。それに対してアナログディレイはギターと一体化していて、ディレイによりギターの「音作り」を行うイメージがあります。

このように、私には、アナログディレイには強い思い入れがあります。そこで、今回3台目になりますが、BBDを2個使用して、600msの遅延時間が得られるフルアナログディレイペダルを制作しました。

1台目 300msアナログディレイ制作記事
2台目 表面実装部品アナログディレイ制作記事

自作BBDペダルの仕様

BOSS DM-3をベースにBBDチップを2個に増量

一般にアナログディレイには、4096段のBBDチップが使われています。このBBDチップは、今やレガシーなデバイスとなってしまいました。オリジナルは松下製のMN3005ですが、もう生産は行われていません。その後、後継品種にMN3205が登場しましたが、このチップさえも生産は中止となっており、今国内で入手可能なチップは、Coolaudio社製のセカンドソース品です。

今回は、BBDチップ1個で最長300msのディレイを得るBOSS DM-3をベースに、BBDを2個に増やし、最大600msのディレイタイムを得るペダルにしました。

アナログディレイ Coolaudioチップ

部品はスルーホール部品(THD)を使用

今回は、一般のスルーホール部品(THD)用のプリント基板を自作しました。実は2台目の自作ディレイペダルでは、表面実装(チップ)部品を使って制作したのですが、自作を行うにはハードルが高いので、今回はスルーホール部品にしています。制作したプリント基板は、設計データを公開したいと思います。

その他の詳細仕様は、1台目の製作記事を御覧ください。ノイズリダクションや、プリエンファシス、ローパスフィルタの仕組みについての解説をしています。

 ■BBDを使用したアナログディレイBOSS DM-3 MOD 自作レポート

回路図について

回路図を下に掲載します。フリーの基板設計ソフト「KiCAD 6.0」を使って書いたものです。BBD「V3205」を直列につなぎ、遅延時間を2倍にしています。BBDを駆動するクロックは、1つのクロックジェネレータ「V3102」で行っています。

2つのBBDの間には、ゲインを-2dBに下げる抵抗(R7/R8, 10k/100k)が入っています。これは、BBDへの入力に対して出力が2dB大きく出るため、これに対応するためのものです。

また回路には、エフェクトON/OFFのLEDが入っており、プリント基板に実装しています。エフェクトON時にLED用の端子(LED1)がGNDに落ちるようにスイッチ配線すれば良いようになっています。

このディレイの回路には、ノイズ対策が2重に入っています。1つはプリエンファシス、ディエンファシスによる高域ノイズ対策、もう1つはコンパンダ(コンプレッサ&エキスパンダ)によるS/N対策です。詳細は、こちらに解説しています。

Analog Delay 600 回路図(PDF)

部品の入手先

今回の部品は、いつもお世話になっている「Garrettaudio」さんで購入しました。ただし、ノイズリダクションのチップ「V571」と半固定(ちょうどよい定数)は取り扱いがなかったため、この部品のみ「秋月電子通商」で購入しました。

また、今回のプリント基板は、ポットを直接基板に接続できるように考慮して設計しましたので、3つのポットはリードが長いタイプを使っています。

エフェクタ自作 パーツの購入

KiCADでプリント基板を設計

KiCAD」を使用して両面プリント基板を設計しました。BBDやポッドの端子などの標準ライブラリに用意がない部品は、自分でフットプリント(部品の形状データ)を作成しました。


両面基板パターン


KiCADの3Dビューアーの画面

KiCad基板設計データ

「KiCad (Windows 64-bit) Version: (6.0.4), release build」を使用して作成したKiCADデータです。回路図と基板デザインデータ、自分で追加した部品データが入っています。このデータの利用規約については、添付の「readme.pdf」を御覧ください。

■ダウンロード準備中

プリント基板は「PCB gogo」で製造

今回も、24時間特急製造を標準価格で行ってくれる「PCB gogo」に依頼しました。KiCadで設計したデータを所定のガーバーデータに変換し、WEB経由で送信するだけで作れます。中国深センからの国際宅配便(OCS)の配送時間を含めて、WEB入稿から1週間で届きました。費用は配送料を含めて、たったの$21です。(2022年は円安のため、円換算だと高くなってしまいましたが...)

出来上がり基板

基板への部品実装

部品のハンダ付けは、エフェクタペダル作成では、楽しい作業の1つです。今回は、プリント基板にぎっしり部品が詰まっていますので、作り甲斐がありました。

プリント基板はスルーホールですので、一度部品をハンダ付けすると、部品を取り外すのに苦労します。抵抗などの定数は入念に確認して、間違えないように注意して行いました。

ケース内の配置と3つのポッドの加工

このディレイペダルには、3つのポット(50kB)が使われています。1台目の制作時には、ポッドをワイヤーで基板とつなぐ設計でしたが、今回はポッドの端子を直接続できるように基板を設計しました。

ケースにはHAMMOND社製の「1590N1」を使っています。このケースに納めるには、下の断面図のように、基板とケース底の間にフォーンジャックを置く必要があります。そのため、基板裏側にポットを取り付け、フォーンジャックを置くための間隔、約20mmが確保できるように、ポットのリードを加工しました

具体的には、ポットのリードとL型のピンヘッダを万能基板でつなぎ、リードが長くなるようにしました。今回の制作では、Garettoaudioさんで購入したリードの長い特殊なポットを使いましたが、通常のリード長のものでも、万能基板とL型ピンヘッダで延長加工すれば対応可能だと思います。

ケースの穴あけ

ケース内の配置想定

ケース(HAMMOND社 1590N1)への組み込みは、以下のような配置を想定しました。

基板へ実装したポット、LEDに対応した穴あけ

今回はポットとLEDを基板に実装しているため、その部品位置に合わせて穴あけを行う必要があります。特にポットの穴位置は、基板上のポットの端子位置と、加工したポットのリードとシャフトの位置関係を考慮して決めました。

今回リード加工したポットは、リードのハンダ付け穴とポットの回転シャフトの間隔を15mmになりましたので、これを考慮して穴位置を決めています。LEDは、基板のLED取り付け位置を基にしています。

ハンドドリルを使用したケースへの穴あけ作業のコツ

基板へのポットのハンダ付けは、穴あけ作業が済んでから行いました。まず、ポットやジャックを仮止めし、基板の穴にリードを通して取り付くことを確認してから、その後に仮止めの状態で、ポットのハンダ付けを行いました。
この際に、基板の下にあるジャックと基板の裏側のハンダ面が接触しないように注意しました。

動作確認

デジタルオシロスコープがあると便利

調整には、デジタルオシロスコープがあると便利です。無くても可能ですが、音を聞きながらの手さぐりで調整することになります。1chの簡易的なものなら5,000円位で買えますので、今後もエフェクタをたくさん作ってみたい方は、購入をおすすめします。ハンディタイプを購入する場合は、ワニ口ではなく、BNCプローブ付きのものをお勧めします。

2chの本格的なものなら、RIGOL製の3.5万円位の入門機をお勧めします。

私は最初に5,000円のハンディデジタルオシロスコープを買いましたが、モノ足らず、結局RIGOL製のデジタルオシロスコープ(10年前の機種)を中古で手に入れました。

■(参考)音が出ない時の秘密兵器「デジタルオシロスコープ」

アナログディレイくらいの回路規模になると、部品間違いや配線ミスなどのトラブルも多くなります。これらのトラブルシュートには、デジタルオシロスコープがあると便利です。

テスト信号の入力

基板をケースから外し、ブレッドボードを使って、入出力ジャックを基板に接続しテストを行いましした。テスト信号は、フリーのPCソフト「WaveGene」を使用して200Hzの正弦波を発生し、オーディオインタフェース(Steinberg UR22mkII)から出力し、基板へ入力しました。

調整

CLOCK調整

この調整で、最長ディレイタイムを決めます。予め、DELAY TIMEのノブを、ディレイタイムが最長になるようにしておきます。CLOCKの半固定を右に回し切るとディレイタイムが最長になりますが、折り返し歪(ディレイ音がジャリジャリ濁って聞こえる)が大きくなります。少しずつ左に戻し、ディレイ音を効きながら、折り返し歪が聞こえなくなる(ご自身が許容できる)ところに設定します。設計上は、最長ディレイタイムは500ms程度です。

調整の最初は、CLOCK半固定を15時位に合わせて始めてください。下のBIASやCANCELの調整が終わったあとで、上記のCLOCK調整を行うと良いと思います。

BIAS調整

単一電源で駆動しているBBDへの入力DCオフセットを決める調整です。BIASが外れていると、全く音がでません。最初は、おおよそ11時から12時くらいの範囲にしてみて、ディレイ音が出ることを確認してください。

エフェクトのポットをMAXにしてアンプにつなぎ、ギターの音を聞きながら、BIASを回して、ディレイの歪が最小になる場所を見つけてください。

【参考】オシロスコープでBIAS確認: 

200Hzの正弦波を入力し、コンパンダV751の出力10番ピンをモニタします。入力レベルを少しずつ上げて、正弦波の上下のどちらかがクリップするところで止めます。BIASの半固定を回し、正弦波の歪が最も小さくなる所(きれいな正弦波の形になるところ)に調整します。

下の波形は、上(黄色)がBBDへの入力、下(青)がV751の出力(10番ピン)です。出力が歪み始めるレベルの入力を与えています。左側の波形は、下の部分が歪んでいますが、上は歪んでいません。これはBIAS(波形の中央レベル)が低すぎる状態です。右側は上下が均等に歪んでいます。この状態がBIASが上下しきい値の中央になっており、適正な状態です。

 

CANCEL調整(BBD個別に2つ)

BBDの駆動クロックパルスの漏れを最小にするための調整です。2つのBBD各々に調整があります。

まず、ディレイタイムのノブを最大(最長ディレイ)にします。エフェクト音のポットをMAXにしてアンプにつないで音を聞きながらCANCELを回し、ディレイ音に乗っている発信音(ジャリジャリ歪んだように聞こえる)が最小になる場所を探してください。ギター入力が無音の場合は、V571エクスパンダが閉じておりディレイ音そのものが出ません。ある程度入力を加える必要があります。ギターのTONEを絞って、こもった正弦波に近い音を入れると、発信ノイズが聞き取りやすくなります。ヘッドホンを使ったほうが良いと思います。

半固定位置の目安は、11時くらいです。

【参考】オシロスコープでCANCEL確認: 下の波形は、上(黄色)がBBDへの入力、下(青)がCANCEL半固定の2番ピンです。

上の回路図のように、BBDの内部には4098個のバケツ素子(コンデンサ)が順番に並んでいます。バケツ素子は偶数番目、奇数番目でグルーピングされており、各々が逆相のクロック(CP1、CP2)で駆動されるスイッチが付いています。クロックに合わせて、奇数段→偶数段→奇数段→偶数段のように、バケツに貯めた電荷を受け渡してゆくイメージです。

最後のバケツから電荷を出力する部分では、偶数番目、奇数番目が別々のクロック(逆相)で駆動されているため、4097番目と4098番目の電荷を別のピン(OUT1、OUT2)から取り出し、外でつなぐ必要があります。これをCANCELの半固定でミキシングすることで行っています。

上の左側の波形は、CANCELの半固定のミキシングバランスが悪く、奇数段、偶数段の出力がうまく繋がっていません。この場合は、最終出力にクロック音が混じってしまいます。右側はCANCEL調整がよく、奇数段、偶数段の出力がうまく繋がっています。

オシロを使用する場合、CANCELは、入力をOFFにして行うと簡単に調整できます。このときは、下の波形の様にCANCEL半固定2番ピンの出力が一直線に並ぶように調整します。

※ 波形にはヒゲのようなパルスが見えますが、これは、BBDの後にあるローパスフィルタ(トランジスタで、2kHzのLPFが組まれている)で小さくなり、正弦波の部分のみが残るため、最終出力には出てきません。

周波数特性

原音とディレイ音の周波数特性

周波数特性をフリーの測定ソフト「REW」を使って計測してみました。原音(ダイレクト)とディレイ音のみの周波数特性を計測してみました。原音は、入力オペアンプでプリエンファシスがかかり、出力のオペアンプで同じ特性のディエンファシスがかかります。結果的にはフラットな特性になっています。

ディレイ音は、BBDクロックを除去するためのオーパスフィルタにより、2kHzまでに制限されています。BBDアナログディレイの音が暖かく感じるのは、この特性のためです。


赤が原音(ダイレクト)、青がディレイ音(両者のレベルの違いは無視してください)

サウンドサンプル

録音環境は下のとおりです。ディレイタイムを最長(約520ms)、フィードバック長めに設定しています。

「ハイトーン」、「ロートーン」単音サンプルでは、リピート音が減衰していく様子が確認できます。「ロートーン」のサンプルでは、V751による後段のエキスパンダがノイズゲートのように動作してディレイ音だけが切り取られ、リピートを繰り返し音が濁ってノイジーになっても、無音部分のS/Nが良い様子がわかります。

「ソロフレーズ」では、ディレイ音量を大きめにしても、フレーズの邪魔をしない様子がわかります。

ギター(レスポール、ハム) → 自作BB-Preamp(ディストーション) → 自作アナログディレイ(本機) → 自作キャビネットシミュレータ → UR22mkII → DAW(Studio One)

サンプル:ハイトーン、クリーン単音(MP3)

サンプル:ロートーン、ディストーション単音

サンプル:ソロフレーズ、ディレイ音多め

ケースへの組み込み

ケースへの組み込みは、最初に基板の下に配置するフォーンジャックとスイッチ、DCジャックを取り付けて、配線をしてから、ポット/基板を取り付けました。

入力ラインはギターを直接つなぐとインピーダンスが高くなりノイズに弱い(BBD駆動パルスが飛びつく)ため、念のため細いシールドワイヤーにしています。出力はバッファー出力されインピーダンスは低いので、単線で大丈夫です。

ステッカーシールを貼って完成

今回のケースは、HAMMOND社製の1590N1の互換品を使いました。今までは塗装済みのもの(1,800円くらい)を使っており高価だったのですが、今回の互換品(GarrettoAudioで購入、70N1)は半額(890円)でした。

ディレイタイムが最長で600msですので、「ANALOG DELAY 600」と命名し、プラム色(暗めのワインレッド)にしています。デザインはパワポで行い、インクジェットプリンタでステッカー専用シートに印刷したものを貼っりました。穴は貼ったあとで、カッターでくり抜きました。

無塗装のケースですが、ステッカーを貼るとレトロ感が増して、いい感じに仕上がりました。

ディレイタイムインジケータ機能追加

エフェクトON/OFFのLEDを、ディレイタイムに同期して点滅するようにするモディファイを行ってみました。

フットスイッチでON/OFFを切り替える部分に、BBDクロックを2048分周したパルスで点滅させる回路を挿入して行っています。回路図は以下の通りです。万能基板で作成しています。


スイッチの裏側に万能基板を挿入、クリアファイルを切った透明シートで絶縁

3台自作したアナログディレイを並べてみました

左)BBDを使用したアナログディレイBOSS DM-3 MOD 自作レポート

中央)DM-3 BBD追加ディレイタイム延長MOD 表面実装&最小限ワイヤー配線

右)本製作記事:BBDを2個使用した600msフルアナログディレイの制作


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