シンプルな16bit DAC
2024.08.08/2025.11.23更新
以前、Adafruit QT Py ESP32-S2 の内蔵DACを用いて、8ビット・モノラル WAVファイルの再生を行いました。
内蔵DACによるWAV再生
今回は、16bit DAC TM8211 を使って、16ビット・ステレオ WAV音源を鳴らせてみます。
●Features and Specification of TM8211

TM8211はPT8211の後継互換品です。デジタルオーディオ用に設計されたR-2Rラダー抵抗型CMOS16bitD/Aコンバータです。
低THD、両チャンネル位相差0(typ)、またラダーネットワークの採用で高速変換が可能です。
・3-6V Operating voltage, suitable for 3.3V & 5.0V operations.
・This D/A converter uses CMOS Technology
・It supports 3.3 V bus input level
・Low power consumption
・16-bit dynamic range
・Low total harmonic distortion
・In this microcontroller Two audio channel output in the same chip
・No phase shift between both output channel
PT8211 16-Bit DAC
TM8211を使うメリット
・符号付16ビットステレオWAV音源に対応している
・専用ライブラリを必要とせずArduino基本関数のみで構築可能
・WAV音源編集に対して自由度が高い
・周辺の電磁波ノイズの影響を受けにくい
補足:R-2Rラダー回路
R-2Rラダー回路とは、抵抗値Rと2Rの2種類の抵抗をラダー状に配置した、デジタル信号をアナログ信号に変換するD/A変換回路の一種です。
デジタル信号の各ビットが、抵抗ネットワークの特定のスイッチ(アナログスイッチ)をON/OFFすることで、それぞれのビットの重みに応じた電圧レベルを生成し、アナログ信号として出力します。
補足:ΔΣ(デルタシグマ)変調
パルス変調技術の一種で、アナログ信号をデジタル信号に変換する際に用いられます。
この技術は、Δ(デルタ)が引き算(差分)、Σ(シグマ)が足し算(積分)を表しており、信号の「差」を積分して処理することで、ノイズを抑えながら高分解能な変換を実現します。
主に、オーディオ機器に用いられる「デルタシグマ型ADコンバーター(アナログ・デジタル変換器)」などで使われています。
入力信号を、非常に速いクロックで1bitのデジタル信号のパルス列に変換します。
PT8211 Pinout


PT8211 Interfacing_Diagram
データシートの参考回路通りに組んでもよいのですが、直接スピーカー・アンプに繋いで問題ありません。
電源ノイズ対策用のキャパシタも必要ありません。
●LM385N
参考回路通りに組む場合に使える単電源オペアンプです。
バイポーラー/
回路数:2/
動作電源電圧min.:3V/
動作電源電圧max.:32V/
入力オフセット電圧:2mV/
入力バイアス電流:20nA/
入力オフセット電流:2nA/
消費電流:0.7mA

●Adafruit QT Py ESP32-S2 WiFi Dev Board with STEMMA QT
・ESP32-S2 240MHz
・4 MB Flash & 2 MB PSRAM
・2.4 GHz Wi-Fi (SoC)
・Two I2C ports
・Hardware UART
・Hardware SPI
・Hardware I2S on any pins
・3.3V regulator with 600mA peak output
Ref.Adafruit QT Py ESP32-S2
Qt Py ESP32-S2 Pinout
●配線
| ESP32-S2 | | TM8211 | | Speaker Amp. |
| A0 | - | 1:BCK | | |
| A1 | - | 2:WS | | |
| A2 | - | 3:DIN | | |
| GND | - | 4:GND | - | GND |
| 3V | - | 5:VCC | | |
| | | 6:LCH | - | LEFT |
| | | 8:RCH | - | RIGHT |
| | | microSD | | |
| A3 | - | CS | | |
| SCK | - | SCK | | |
| MISO | - | MISO | | |
| MOSI | - | MOSI | | |
| 3V | - | Vin | | |
| GND | - | GND | | |

回路をユニバーサル基板上に纏めています。

左のラズベリーパイはビルドおよび電源として利用しています。
中心上部、MP3ラジオの外部入力端子に繋いでアンプ内蔵スピーカ―として利用しています。
●音源の準備
AudaCityに音源を取り込んで、WAV形式で書き出します。

44.1KHz ステレオWAV音源では、SDカードモジュールからの読み込みに時間が掛かってしまい、演奏が遅延してしまいます。
サンプリング・レートを11.025KHz、符号付き16bit-PCMに落として出力します。
モノラルにして、22.05KHz、符号付き16bit-PCMとしてもファイルサイズは変わりません。
●コード解説
掲載用にコードは簡素化しています。
tm8211.ino
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
#include <FS.h>
#define SD_CS A3
#define SDSPEED 40000000
#define PIN_BCK A0 // 1:BCK
#define PIN_WS A1 // 2:WS
#define PIN_DIN A2 // 3:DIN
#define NOP __asm__ __volatile__ ("nop\n\t")
#define BUFFER_SIZE 2048
#define NORMAL 1.0
#define LIGHT_LOLI 0.6
#define HEAVY_LOLI 0.5
#define ETS_DELAY_US_RATE NORMAL
//#define ETS_DELAY_US_RATE LIGHT_LOLI
//#define ETS_DELAY_US_RATE HEAVY_LOLI
// The Canonical WAVE file format
typedef struct {
uint8_t ChunkID[4];
uint32_t ChunkSize;
uint8_t Format[4];
uint8_t Subchunk1ID[4];
uint32_t Subchunk1Size;
uint16_t AudioFormat;
uint16_t NumChannels;
uint32_t SampleRate;
uint32_t ByteRate;
uint16_t BlockAlign;
uint16_t BitPerSample;
uint8_t Subchunk2ID[4];
uint32_t Subchunk2Size;
} WAV_FORMAT;
File file;
WAV_FORMAT pwf;
uint8_t buf[BUFFER_SIZE];
boolean getWavFormat()
{
long len;
short cbsize;
if (file.read((uint8_t *)&pwf,20) == -1) return false;
if (memcmp(pwf.Subchunk1ID,"fmt ",4)==0) {
if((len = file.read((uint8_t *)&pwf+20,24))==-1) return false;
} else if (memcmp(pwf.Subchunk1ID,"LIST",4)==0) {
if (file.seek(20+pwf.Subchunk1Size)) {
if((len = file.read((uint8_t *)&pwf+12,24))==-1) return false;
if (pwf.Subchunk1Size == 18) {
// skip cbsize on WAVEFORMATEX
if((len = file.read((uint8_t *)&cbsize,2))==-1) return false;
}
if((len = file.read((uint8_t *)&pwf+36,8))==-1) return false;
} else {
return false;
}
} else {
return false;
}
if( memcmp(pwf.ChunkID, "RIFF", 4)
||memcmp(pwf.Format, "WAVE", 4)
||memcmp(pwf.Subchunk1ID, "fmt ", 4)
||memcmp(pwf.Subchunk2ID, "data", 4))
return false;
else return true;
}
void writeDACChannel(int16_t mono)
{
unsigned char pos = 16;
// Send data into PT8211 in least significant bit justified (LSBJ) format.
while(pos > 0) {
pos--;
digitalWrite(PIN_BCK, LOW);
digitalWrite(PIN_DIN, (mono & (1 << pos)) ? HIGH: LOW);
NOP;
// Toggle BCK.
digitalWrite(PIN_BCK, HIGH);
NOP;
}
}
boolean writeDAC(char *filename)
{
unsigned short left, right, delayus;
long block;
if(!(file = SD.open(filename))) return false;
getWavFormat();
delayus = (1000000 / pwf.SampleRate) * ETS_DELAY_US_RATE;
long len = pwf.Subchunk2Size;
while(len>0) {
if (len>BUFFER_SIZE) block = BUFFER_SIZE; else block = len;
file.readBytes((char*)buf, block);
for(int pos=0;pos<block;pos+=4)
{
left = buf[pos+1];
left = (left<<8) + buf[pos];
right = buf[pos+3];
right = (right<<8) + buf[pos+2];
digitalWrite(PIN_WS, LOW); // right channel
writeDACChannel(left);
digitalWrite(PIN_WS, HIGH); // left channel
writeDACChannel(right);
ets_delay_us(delayus);
}
len -= BUFFER_SIZE;
}
file.close();
return true;
}
void setup()
{
pinMode(PIN_BCK, OUTPUT);
pinMode(PIN_WS, OUTPUT);
pinMode(PIN_DIN, OUTPUT);
if (SD.begin( SD_CS, SPI, SDSPEED)) {
writeDAC("/sound/odeon_16bit11KHz.wav");
}
}
void loop() {}
getWavFormat();
WAVファイルのヘッダー情報を取得しています。
delayus = (1000000 / pwf.SampleRate) * ETS_DELAY_US_RATE;
取得したサンプリング周波数に応じて、TM8211へのデータ送信間隔を算出しています。
while(len>0) {
if (len>BUFFER_SIZE) block = BUFFER_SIZE; else block = len;
file.readBytes((char*)buf, block);
ここではある程度纏まった単位でデータを読み込んでいます。
ステレオ16ビットWAV音源では1データの最小単位は左右合わせて4バイトですが、 この単位で頻繁に読み込みを行うと処理への負荷が高まり、音の再生が安定しません。
for(int pos=0;pos<block;pos+=4) {
left = buf[pos+1];
left = (left<<8) + buf[pos];
right = buf[pos+3];
right = (right<<8) + buf[pos+2];
16ビット・ステレオデータは符号付き2バイト整数値で左→右→左→右のように格納されています。
さらにこの2バイトデータは下位バイト・上位バイトの並びで格納されているので、並び替えて変数に格納します。
digitalWrite(PIN_WS, LOW); // right channel
writeDACChannel(left);
digitalWrite(PIN_WS, HIGH); // left channel
writeDACChannel(right);
ここではTM8211を制御しています。
送信タイミングは下記のようになります。

WSピンをLOWあるいはHIGHにすることで、ステレオ音源の左右データのどちらを送信するかを指定します。
BCKピンをLOWにして、音源データ1ビットを送信後にHIGHに戻し、これを繰り返します。
for (int pos = 15; pos >= 0; pos--) {
digitalWrite(PIN_BCK, LOW);
digitalWrite(PIN_DIN, (mono & (1 << pos)) ? HIGH: LOW);
NOP;
// Toggle BCK.
digitalWrite(PIN_BCK, HIGH);
NOP;
}
音源データを上位ビットから送信しています。
また、送信直後にNOP(No Operation)命令を入れています。
NOP(No OPeration)に関して、インラインアセンブラで定義しています。
#define NOP __asm__ __volatile__ ("nop\n\t")
CPUが特定のデータを読み込んでから、次の処理を開始するためには、少しの間データを保持する必要があります。
その間、NOP命令を実行することで正確な処理が実行されるようになり、CPUの動作が安定します。
ノーオペレーション命令 NOPとは?
ets_delay_us(delayus);
左右1セットのデータを送信したあとで、次のデータ送信間隔を調整することで、周波数を圧縮、伸長することができます。
音声データであれば、データ送信間隔を短くすると高い声になります。
●開発環境
ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO
●WAV音源の再生
実際に再生した様子はYouTube動画をみてみてください。
暮れてゆく空は
アーティスト: 遊佐未森
アルバム: ハルモニオデオン
リリース: 1989年
●余談
ソースコードの下記の部分を変更してビルド、再生してみてください。
ちょっとだけ楽しめます。
#define ETS_DELAY_US_RATE NORMAL
//#define ETS_DELAY_US_RATE LIGHT_LOLI
//#define ETS_DELAY_US_RATE HEAVY_LOLI
↓
//#define ETS_DELAY_US_RATE NORMAL
//#define ETS_DELAY_US_RATE LIGHT_LOLI
#define ETS_DELAY_US_RATE HEAVY_LOLI
ここでは波形圧縮のみですが、TM8211を使うと独自に波形を作り込んでリアルタイムに再生するということも簡単にできてしまいます。
●参考情報
・dilshan/pt8211-dac.ino
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