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現代のエフェクター用パワーサプライでは、本体とは別にACアダプタを必要とするタイプが一般的ですが、ものによってはACアダプタのサイズがパワーサプライ本体と同じくらいのサイズのものあるようです。大電力を扱うためにはサイズが大きくなるのは仕方がないような気もするのですが、一方で最近のスマートフォン向けのACアダプタは1辺が3、4cm程度という小さいサイズなのに20Wの出力が可能だったりします。

20Wというと、エフェクター向けとして一般的な9Vパワーサプライにおいては単純計算で約2.2Aの出力電流に相当します。これだけの出力があれば、複数のエフェクターに対して十分な電流を流せます。ということで、こういったUSB充電器を電源として使用するパワーサプライを作ってみよう、というのが今回のお話です。

前置き1：USB充電器から12Vを取り出す方法

USB充電器にはいくつかのタイプがありますが、今回使用するのはUSB Type-Cタイプのコネクタが付いている、「USB PD」という規格に対応するUSB充電器です。USBは通常5Vの電圧しか出力できないのですが、USB PDに対応するUSB充電器では、9Vや12V、15Vなど、それ以上の電圧を出力することができます。たとえば秋月電子通商で販売されているUSB PD対応の20W ACアダプターでは、「5V=3A; 9V=2.22A; 12V=1.67A」という表記があり、5Vと9V、12Vの出力に対応していることが分かります。

USB PD対応ACアダプタでは、機器に接続すると最初に5Vの電圧を出力し、続いて接続した機器と通信を行って必要な電圧についての情報を受け取り、出力電圧をそれに応じて変更する、という仕組みになっています。通信が必要というと面倒くさそうな印象がありますが、これを自動的にやってくれる「USB PDシンクコントローラー」と呼ばれるICがあり、このICを抵抗器やコンデンサとともにUSB端子に接続するだけで、USB充電器から希望する電圧を受け取れるようになります。

今回作成したパワーサプライでは、はこのUSBシンクコントローラーICを使ってUSB PD充電器から12Vもしくは15Vの電圧を受け取り、それを高効率のスイッチングレギュレータで降圧したあと、リニアレギュレータでノイズの少ない9V電圧を生成する、という方式を採用しています。

前置き2：リニアレギュレータとスイッチングレギュレータ

今回のパワーサプライのように安定した一定の電圧を出力するには、「レギュレータ」と呼ばれる回路やICを使用します。現在一般的なレギュレータには「リニアレギュレータ」と「スイッチングレギュレータ」という2種類があり、それぞれ以下のような傾向があります。

リニアレギュレータ：出力電圧に含まれるノイズは小さいが、消費電力が大きい

スイッチングレギュレータ：消費電力は小さいが、出力電圧に含まれるノイズが大きい

ちなみにここでいうノイズというのは、出力電圧の微小なブレのことを指しています。

リニアレギュレータは出力電圧を監視し、それに応じて入力と出力の間の抵抗値を変化させることで、出力電圧が一定になるよう制御します。たとえば出力電圧が下がったら抵抗を小さくし、逆に出力電圧が上がったら抵抗を大きくするような制御を行います。そのため、リニアレギュレータにおいては出力電圧は入力電圧よりも大きい必要があり、また原理上「（入力電圧－出力電圧）×出力電流」に相当する電力を消費します。たとえば入力電圧が15V、出力電圧が9V、出力電流が1Aの場合、6Wの電力を消費することになります。この消費電力はすべて熱に変わるため、ヒートシンクなどを使って適切に放熱しないとICや回路の温度が上昇し、最悪の場合この熱によってこれらが破損することになります。

一方、スイッチングレギュレータは入力と出力の間に電子的に制御できるスイッチを設置し、このスイッチをとても短い周期でON/OFFすることで出力電圧が一定になるように制御します。具体的には、出力電圧が下がったらONの時間を長くし、逆に出力電圧が上がったらOFFの時間を長くするような制御を行います。スイッチングレギュレータの出力側にはコンデンサが組み込まれており、スイッチをオフにしている間はそこから電力が放出されるので、スイッチがOFFの場合でも電力の出力自体は連続的に行われます。

スイッチングレギュレータはスイッチのON/OFFで出力電圧をコントロールするため消費電力は少ないのですが、スイッチのON/OFFによるノイズが発生します。そのため、オーディオ信号を扱う機器ではノイズが音声信号に影響しないよう、スイッチを制御する周波数をオーディオ信号の周波数（一般的には20～20kHz程度）よりも大幅に高くするといった手法が採用されています。ただ、それでも（特に大電力を取り出そうとすると）ノイズの影響は避けられないため、高品質なパワーサプライではリニアレギュレータとスイッチングレギュレータを組み合わせる構成を採用していることが多いようです。リニアレギュレータは入力電圧と出力電圧の差が小さいほど消費電力が少なくなるので、まずスイッチングレギュレータで可能な限り電圧を下げ、その出力をリニアレギュレータに入力してノイズをカットすることで、小さい消費電力（＝少ない発熱）でノイズの少ない電力を得ることができます。

前置き3：アイソレート出力

一般的なリニアレギュレータ回路やスイッチングレギュレータ回路は、入力と出力でGNDが共通になっています。そのため、出力端子1つに対し1つのレギュレータ回路を使用する構成のパワーサプライでも、それぞれの出力端子のGNDは共通、つまりエフェクター用のいわゆる「センターマイナス」であればセンターピンがすべて直結されています。

一方、スイッチングレギュレータではトランスを組み込んだ回路構成にすることで、入力側のGNDと出力側のGNDを切り離した状態にすることも可能です（この構成のスイッチングレギュレータは「絶縁型スイッチングレギュレータ」、もしくは「絶縁型DCDCコンバータ」などと呼ばれる）。このような絶縁型のスイッチングレギュレータを採用して、出力端子それぞれのGND側が電気的につながっていない構成としたパワーサプライは「完全アイソレート」型などと呼ばれています。

今回作成したパワーサプライの回路

前置きが長くなりましたが、今回作成したパワーサプライは次のような構成になっています。

このパワーサプライはUSB Type-Cコネクタを搭載しており、このコネクタ経由でUSB PD充電器を接続します。コネクタにはUSB PDシンクコントローラICが接続されており、このICがUSB PD充電器に対して12Vもしくは15Vの電圧を出力するよう要求します。USB PD充電器が出力した電圧はまずスイッチングレギュレータに入力されて約10Vに降圧され、続いてその電圧からリニアレギュレータが最終的な出力となる約9Vの電圧を生成します。このスイッチングレギュレータとリニアレギュレータはどちらも大電流を出力できるので、それを有効活用できるよう出力端子を3つ並列に接続します。この3つの端子はプラス側とマイナス側の両方を共有するため、アイソレート型ではない構成となります。

スイッチングレギュレータとは別に、小型の絶縁型スイッチングレギュレータも搭載しており、こちらは約12Vの電圧を出力します。こちらを独立したリニアレギュレータに入力し、最終的な出力となる約9Vの電圧を生成します。こちらの出力端子はプラス側・マイナス側のどちらもほかの出力端子とは独立した、完全アイソレートな出力端子となります。

回路図は次のようになっています。

USB PDシンクコントローラ部

今回の回路では、USB PDシンクコントローラーとして秋月電子通商で購入でき、かつ抵抗器だけで電圧を設定できるシンプルな「CH221K」というICを使用しました。

CH221Kは6つの端子がありますが、それぞれを次のように配線します（詳細はデータシートを参照）。

VDD：1uFのコンデンサを介してGNDに接続したうえで、1kΩの抵抗器を介してUSB Type-CコネクタのVBUS（電源）端子に接続

GND：回路のGNDに接続

CFG：抵抗器を介してVDD端子に接続。この抵抗器の値によって受け取る電圧が決定される

CC1：USB Type-CコネクタのCC1端子に接続

CC2：USB Type-CコネクタのCC2端子に接続

PG：設定した電圧を受け取れている状態（＝「Power Good」）の場合、この端子がGNDに接続された状態になる。そうでない場合、高インピーダンス（＝絶縁状態）になる

この回路ではCFG端子とVDD端子の間に挟んだ抵抗器の抵抗値で出力電圧（VCCの電圧）が決定されます。たとえば抵抗値が20kΩの場合はVCCが9V、47kΩの場合は12V、100kΩの場合は15Vになるわけですが、すべてのUSB PD充電器がこれらの電圧に対応しているわけではありません。たとえば前述の秋月電子の充電器は5V、9V、12Vのみに対応しているため、CH221K側の回路で15Vを要求するよう設定（＝CFG-VDD間の抵抗値を100kΩに設定）したとしても15Vは出力できず、充電器側はUSBの標準である5Vの出力を行います。逆に、15V出力には対応するが12Vには対応していない、というUSB PD充電器もあります。そのため、今回はスイッチで抵抗値を切り替えることで12Vもしくは15Vのどちらかに対応していれば利用できるようにしています。

また、動作確認用のLEDを2つ設置し（D1とD4）、充電器側が要求した電圧を出力できているかをLEDの点灯状態で判断できるようにしています。D1はUSBから電圧が供給されていれば点灯するLED、D4は要求した電圧を受け取れていない場合（＝Power Goodでない場合）に点灯するLEDになります。つまり、このLEDの点灯状態で下記のように問題の原因がどこにあるかを特定できます。

D1のみが点灯している→正常動作

D1とD4の両方が点灯している→USB PD充電器が指定した電圧に対応していない

D1とD4のどちらも点灯していない→USB端子から電源が一切供給されていない（＝充電器側もしくはケーブル、端子などに問題がある）

スイッチングレギュレータ部とリニアレギュレータ部

スイッチングレギュレータ回路では抵抗器やコンデンサだけでなくインダクタ（コイル）も必要です。そのため設計が面倒なのですが、ちょうど秋月電子通商でこれらを組み合わせてモジュール化した「入出力2.5V~15V 最大1.5A 同期整流式昇降圧型スイッチング電源モジュールキット」というものが販売されていました。価格は2,240円（税込）と安くはないのですが、基板サイズは30mm×30mmとコンパクトで、また表面実装部品はすべて実装済みの状態で販売されています。入出力電圧は2.5～15V、出力電流は最大1.5Aとエフェクター用としては十分です。

このモジュールでは半固定抵抗で出力電圧を設定でき、また入力電圧については2.5～15Vの範囲であれば動作します（入力電圧の設定は不要）。そのため、USB Type-Cコネクタから供給される電圧をこのモジュールの入力に（保護用のPTCを介して）直接接続しています。PTCは流れる電流が一定以上になると抵抗値が上がり、最終的に絶縁状態になる素子です。絶縁状態になっても電流が下がって一定時間が経過すればまた電流を流せるようになるため、「リセッタブルヒューズ」とも呼ばれています。

リニアレギュレータとして代表的なものに「3端子レギュレータ」などと呼ばれるものがありますが、出力電圧が9Vの3端子レギュレータは残念ながら選択肢が少ないため、外付け抵抗器で電圧を設定できる可変型のレギュレータを使用することにします。最終的な出力電圧に含まれるノイズはこのリニアレギュレータ部分の回路に左右されるため、できるだけノイズが少ないレギュレータICを探していたところ、「TPS7A4700使用 超ローノイズ・プログラマブル可変電源キット」というのを見つけました。こちらはDIPスイッチで0.1V単位で出力電圧を設定でき、かつ「超低雑音」をうたっています。こちらも基板サイズは30mm×40mmとコンパクトです。

ということで、結局のところレギュレータ部分はキット2つを組み合わせる構成としました。どちらも幅は30mmなので、構成としても奇麗に収まります。

リニアレギュレータの出力端子には前述のようにDCジャックを3つ並列で接続しています。また、動作確認用のLED（およびLED用の抵抗器）も接続しています。TPS7A4700使用 超ローノイズ・プログラマブル可変電源キットの出力電流は最大1.26A（キットとしては1Aと表記されているが、使用しているICの出力は最大1.26A）なので、3つの端子の合計で1.2A程度の出力までは問題なく可能だと思います。

おまけのリニアレギュレータ

リニアレギュレータの出力はスペック上は最大1.26Aですが、スイッチングレギュレータ部の出力は最大1.5Aと若干余裕があります。そのため、リニアレギュレータICをもう1つ追加できるような配線パターンだけ用意しています（上記の回路図のU6）。ケースの反対側にも穴を開けてDCジャックを追加する、といった使い方を想定しています。ただし、現時点では実際の動作は未検証です。

アイソレート電源部

20WのUSB Type-C USBアダプタでは、12V出力の場合最大1.67Aの電流を出力できます。上記のリニアレギュレータ部分の出力は最大1.2Aに設定しているので、まだ余裕があります。それを有効活用するため、絶縁型DC/DCコンバータを組み合わせたアイソレート出力も用意しました。

絶縁型のスイッチングレギュレータはトランスを使用するため比較的コストが高く、サイズも大きめになるのですが、昨今では1～3W程度の低出力のものであればモジュール化された小型のものが容易に入手可能です。一般的なアナログエフェクターであれば小さい出力でも十分なので、今回は3W・12V入出力の絶縁型スイッチングレギュレータを使用しました。また、これと組み合わせるリニアレギュレータには古くからあるICの「LM723」（正確にはその互換ICのNJM723）を使用しています。LM723は外付けの抵抗やコンデンサなどを必要としますが、ノイズが少なく、電流制御用のトランジスタを外部に接続することで大きな電流にも対応できるというICです。

LM723周辺の回路はデータシートに掲載されているものとほぼ同じですが、出力電圧を約9.0/9.3/9.6Vの3種類から選択できるよう、抵抗器の配線をスイッチで切り替えられるようにしています。

また、LM723では2番ピン（ILIM端子）と3番ピン（CSEN端子）の間に抵抗器を接続することで、出力する電流の制限することができます。具体的には、この端子間の電位差（つまりここに接続した抵抗器の抵抗値×出力電流）が0.7Vに近づくと出力電圧を下げるように制御する仕組みになっています。たとえば2Ωの抵抗器を接続した場合、出力電流が350mAに達したところでこの部分の電圧が0.7Vになるので、それ以上の電流を流そうとすると出力電圧が低下するようになります。

今回はここに抵抗器ではなくPTCを接続しています。PTCは出力端子の直前に入れることが多いのですが、小容量のPTCは抵抗値が大きめなので、そのため出力電圧の低下が発生します。しかし、LM723のILIM端子とCSEN端子の間にPTCを接続することで、LM723はPTCを通ったあとの電圧を監視して出力電圧を制御するようになるため、PTCによる電圧低下を防ぐことができます。

なお、今回使用する絶縁型スイッチングレギュレータの出力電流は最大250mA（12V×0.25A＝3W）なので、実際には出力が250mAを超えたあたりでスイッチングレギュレータ側の出力電圧が低下するはずです。ただ、保険はできれば多いほうが良く、またこの構成であれば出力電圧への影響も小さいのでこのような回路にしています。

こちらのリニアレギュレータの出力にはDCジャックを1つと、動作確認用のLED（およびLED用の抵抗器）を接続しています。

基板の設計と組み立て

今回はこの回路を約90mm×54mmの基板に配置しました。2つの電源モジュールと絶縁型スイッチングレギュレータを配置する必要があるため、表面実装部品を多く使用しています。LM723については表面実装タイプの互換品も存在するのですが、万が一破損させた場合に交換しやすいという理由でDIPタイプのものを使用しています。実際に部品を配置して配線した基板は次のようになっています。

こちらの基板を組み立てると次のようになります。表面にはキットや絶縁型スイッチングレギュレータ、LM723などのスルーホール部品、出力ジャックを配置しています。

裏面にはUSB Type-Cコネクタや表面実装を配置しています。

ちなみに基板の端が白っぽくなっているのは白いマスキングテープを貼っているためです（ケース内の基板をはめる溝よりも基板がわずかに小さかったため、テープを貼って隙間を埋めている）。

ケースについて

今回は安価なアルミケースを使用しました。アルミなので穴開けは難しくないのですが、端子やスイッチ用に長方形の穴を開ける必要があるため、サイドパネルは基板として発注しました。一般的な1.6mm厚の基板であれば強度としても十分ですし、精度も高いです。

こちらはFreeCADで設計したものをDXF形式で出力し、それをKiCADのEdge.Cutsレイヤーに図形として取り込むことで外形を設計しました。また、文字や枠についてはAffinity Designerで作成し、同様にDXF形式で出力したものをF.Silkscreenレイヤーに図形として取り込んでいます。

ケースに基板を納めてパネルを取り付けると、次のようになります。

サイズとしてはBOSSのエフェクターと比べて2周りほど小さい感じです。これとUSB PD充電器を合わせても、体積的にはBOSSのエフェクターよりも小さいですね。

電圧の設定

今回使用している電源キットは両方とも出力電圧をユーザー側で設定できるようになっています（詳細はキットの説明書を参照）。リニアレギュレータ側は希望する出力電圧（たとえば9.5V）をそのまま設定し、スイッチングレギュレータはそれよりも1V程度高い電圧に設定します。スイッチングレギュレータのほうは半固定抵抗で出力電圧を設定しますが、目盛りなどがあるわけではないので、出力端子の電圧をテスター等で測定しながら半固定抵抗を回していきます。

出力ノイズの測定

最後に、出力に含まれるノイズを簡易的に測定したものと、無負荷時の電圧、負荷を接続した場合の電圧について測定した結果をまとめておきます。

ノイズの測定は、以前「パワーサプライのノイズを測定する」記事で紹介したものと同じ方法・設定で行いました。こちらの記事とまったく同じ条件で、出力電流はおよそ90mAです。

USB PD充電器の違いによって出力が変化するかどうかを調べるため、前述の秋月電子通商で販売されているUSB PD充電器と、スマートフォン充電向けの小型USB PD充電器（ラスタバナナ calon 20W）の2種類の充電器を使ってそれぞれの結果を測定しました。それぞれの結果は次のようになりました。

秋月電子通商PD充電器＋非アイソレート側（キット使用側、最大1.2A）：

秋月電子通商PD充電器＋アイソレート側（最大250mA）：

スマートフォン向けPD充電器＋非アイソレート側（キット使用側、最大1.2A）：

スマートフォン向けPD充電器＋アイソレート側（最大250mA）：

まずキット使用側（最大1.2A側）の出力ですが、100Hzあたりまでは高めで、そこから高域にかけてノイズが小さくなっていくという傾向でした。これは前回記事で測定した乾電池に似た傾向で、ノイズはかなり小さめです。また、アイソレート側の出力については、およそ50Hzあたりと100～200Hzあたりに小さいピークがありますが、それ以外は10kHzあたりまでは全周波数帯でおおむね同レベルのノイズがあり、10kHz以降はややノイズレベルが下がっていく、という傾向でした。いずれも手元にあるほかのパワーサプライと比べて同等以上にノイズの少ない電力を供給できそうです。

また、USB PD充電器を変えるとノイズの傾向もわずかですが変化する結果となりました。大きな違いではないため影響は少ないと思いますが、もしかしたらものすごくノイズが大きいUSB PD充電器、なんてものも存在するのかもしれません。

負荷による出力電圧変化

無負荷時の電圧はキット使用側（最大1.2A側）が約9.52V、アイソレート側（最大250mA側）が約9.56/9.29/8.98Vと、おおむね理論値と一致しています。

また、負荷を接続した状態（＝一定の電流を流した状態）での出力電圧も測定しました。こちらは「能動負荷でパワーサプライの電圧と電流を測る」記事で紹介した能動負荷を使用して測定しています。

測定結果は次のようになりました。

秋月電子通商PD充電器＋非アイソレート側（キット使用側、最大1.2A）：

秋月電子通商PD充電器＋アイソレート側（最大250mA）：

非アイソレート側は出力電流が0.1A増加すると出力電圧が0.05V低下する、という傾向になりました。非アイソレート側の出力にはPTCを直列に接続しており、このPTCの抵抗値が最大0.3Ωとのことなので、この影響で電圧が低下しているのではないかと考えられます。また、アイソレート側も出力電流が大きくなると電圧も少しずつ下がっていますが、0.25A（250mA）を超えると電圧がより大きく下がる傾向です。これは前述のように絶縁型スイッチングレギュレータの出力が定格250mAなのと、保護回路の影響でしょう。

発熱について

非アイソレート側（キット使用側）で1.2Aの電流を出力させた状態で5分放置したあと、放射温度計（非接触で温度を測定できる温度計）でリニアレギュレータICおよびスイッチングレギュレータICの温度を測定したところ、それぞれ75.6℃、67.7℃でした。この程度の温度であれば、特に追加での熱対策は不要でしょう。

実際のエフェクターでの検証

デジタルで音声信号を処理する機器を作ろうとする場合、アナログ信号をデジタル信号に変換する処理（AD変換）と、デジタル信号をアナログ信号に変換する処理（DA変換）が必要になります。AD・DA変換はオーディオに限らずさまざまな分野で使われているため、これらを実現するためのデバイスは沢山あります。その1つが、秋月電子通商で購入できるCOOLAUDIOの「V4220M」というICです。このV4220MはAD変換とDA変換の両方の機能を備えるICで、販売価格は240円と、この手のデバイスとしてはかなりリーズナブルなお値段です。

V4220Mは同じくCOOLAUDIOの「V1000」というデジタルエフェクトICと組み合わせて利用することが想定されているようなのですが、「I2S」と呼ばれる音声向けの汎用データ送受信方式に対応しているため、ほかの信号処理プロセッサやマイコンと組み合わせることが可能です。最近ではデジタル音声処理を実行するには十分な性能を持ち、かつ小型で安価なマイコンも多く出回っています。今回はその1つである「ESP32S3」というプロセッサを搭載したSeeed Studioの小型マイコンボード「XIAO ESP32S3 Plus」とV4220Mを組み合わせて、AD変換およびDA変換処理を実装してみました。

前提知識

まず今回紹介する回路を理解するための前提知識として、使用するICやマイコン、そしてこれらの間の通信で使われる「I2S」というインターフェイスについて解説します。あくまで簡単な説明なので、より詳しい知識が知りたい方はそれぞれの単語でWeb検索してみてください。

なお、デジタルエフェクターのようなデジタル信号処理を行うプログラムを作成するにはデジタル信号処理の知識が必要となりますが、さすがにそれをここで解説するのは大変なのでそちらについては割愛します。

V4220Mについて

V4220Mは前述のとおりAD変換とDA変換の両方の機能を備えたICです。デジタル化を行う装置は「コーダー（coder）」、それをアナログ信号に戻す装置は「デコーター（decoder）」とも呼ばれており、その両方の機能を持つことからこれらの単語を組み合わせた「codec IC」と呼ばれています。AD変換・DA変換ともに2チャンネルの同時処理（つまりステレオでの処理）が可能で、対応量子化ビット数は最大24ビット、サンプリング周波数は4～48kHzです。音楽CDで使われている圧縮無しデジタル音声は16ビット/44.1kHzなので、スペック上はこれらと同等以上の品質でのAD変換やDA変換が期待できます。

COOLAUDIOは昔（80～90年代ごろ）の音響機器で使われていたICを現代に復刻させて製造・販売していることで知られるメーカーで、このV4220MもCirrus Logicという信号処理ICメーカーがかつて製造・販売していた「CS4220」というICを復刻させたもののようです。そのため、型番こそ異なるものの、V4220Mの基本的な特性はCS4220と同等で、CS4220を使った回路はそのままV4220Mでも利用できるようです。

ちなみに、Cirrus LogicはCS4220の姉妹製品として、CS4221～CS4224というICも発売していたそうです。基本的なピン配置等はほとんど同じですが（CS4222のみ若干違う）、データシートを見る限りCS4220とこれら姉妹製品では下記のような違いがあるようです。

CS4221：SPIおよびI2Cインターフェイス機能を内蔵しており、マイコンから動作の設定が可能

CS4222：CS4221と同様にSPIおよびI2Cインターフェイスを内蔵するが分解能は最大20ビット固定、スレーブ動作のみ（外部クロックが必須）。廉価版ということ？

CS4223：CS4220と仕様的にはほぼ同じだが音質が強化されている？

CS4224：CS4221と仕様的にはほぼ同じだが音質が強化されている？

V4220MはCS4220のクローンですが、CS4223とも互換性はあるようで、CS4223を使用しているLINE6の「DL4」というディレイエフェクターでCS4223をV4220Mに置き換えても動作するというレポートがありました。

なお、V4220MのデータシートはこのCS4220/4221のデータシートを参考に作成されたように見えるのですが、以下のような違いがあります。

クロックの設定などに関する情報がCS4220とは異なっている

本来V4220Mには搭載されていない（CS4221専用の）I2C・SPIインターフェイスを使った設定機能の話が記載されている

そのため、DigikeyのWebサイトなどで入手できるCS4220/4221のデータシートも一緒に確認することをおすすめします。

ESP32S3について

ESP32シリーズはEspressif Systemsという半導体メーカーが通信機能を持つデジタル機器（いわゆるIoTデバイス）向けに開発したマイコンです。Wi-FiやBluetooth機能を内蔵しているため、ネットワーク接続機能を持つデジタル機器でよく使われているようです。国内では秋月電子通商や千石電商、マルツなどの電子部品を取り扱っているお店でESP32シリーズを搭載する小型マイコンボードを購入できます。

これらのマイコンボードは入手性が良く、価格も1,000～2,000円前後と安価なのですが、特にSeeed StudioのXIAO ESP32-S3シリーズはおよそ2cm四方の小型サイズながら最大240MHz動作のデュアルコアプロセッサを搭載し、かつ「PSRAM」と呼ばれる、SPI接続のRAM（容量8MB）も搭載されている点が特徴です。このPSRAMは通常のメモリと同様に利用できるため、大容量のメモリが必要な処理も余裕で実行できます。

また、ESP32シリーズ向けには「FreeRTOS」と呼ばれる、並列処理を考慮したOSをベースとするシステムが提供されており、（知識さえあれば）簡単にマルチコアを活用した並列処理プログラムを実装できます。さらにハードウェアレベルでI2Sインターフェイスをサポートしており、低い負荷でオーディオ入出力処理が可能です。

ESP32シリーズでの開発にはArduino IDE、もしくはESP-IDFという環境環境が利用できます。Arduino IDEではハードウェアの細かい部分を気にせず開発ができるので、マイコンに詳しくない人でも開発しやすい点もメリットだと思います。

I2Sについて

V4220MとESP32S3マイコンの間では、「I2S」という形式でデータのやり取りを行います。I2Sでは4本の信号線を使用してデータの送受信やタイミング制御を行います。簡単に言ってしまうと、2つのデバイス間で次の4本の端子を接続し、適切に設定を行うだけでデジタル化されたオーディオ信号をやり取りできる、というものです。

データ入力（DIN）：アナログ信号に変換するデジタル信号を入力する端子

データ出力（DOUT）：アナログ信号から変換されたデジタル信号を出力する端子

ビットクロック（BCLK/CSLK）：DIN・DOUT端子でのデータ入出力タイミングを制御するための端子

ワードセレクト（WS/LRCK）：DIN・DOUT端子でやり取りしている信号がステレオの右チャネルの信号なのか、それとも左チャネルの信号なのかを示すための端子

なお、ビットクロックやワードセレクトはV4220Mのデータシートではそれぞれ「シリアルデータクロック（SCLK）」や「レフト/ライトクロック（LRCK）」と呼ばれていますが、以下ではESP32側での呼び方である「BCLK」や「WS」で表記しています。また、ここでいう「クロック」は（雑に説明すると）一定の決まった周波数でHIGH/LOWを繰り返す信号のことです。

DIN端子は接続相手のDOUT端子に、DOUT端子は接続相手のDIN端子に接続します。また、BCLK端子は接続相手のBCLK端子に、WS端子も接続相手のWS端子に接続します。このとき、CSLKおよびLRCK端子から信号を出力する側のデバイスを「マスター」、信号を受け取る側のデバイスを「スレーブ」と呼びます。今回使用するV4220MやESP32S3マイコンはマスター/スレーブのどちらで動作しますが、マスターもしくはスレーブでしか動作しないデバイスもあります。

I2Sでは上記の4つの端子とは別に、各デバイスで「マスタークロック（MCLK）」と呼ばれる、AD変換やDA変換処理も含めたシステム全体の処理タイミングを同期させるためのクロックが必要です。V4220Mは外部からマスタークロックを入力して使用することもできますし、発振子（いわゆるクリスタルなど）を接続してそこから自前でマスタークロックを生成することもできます。また、ESP32Sでは外部からマスタークロックを入力するか、もしくはマイコン全体で使用しているクロックからマスタークロックを生成することができます（この設定については後述）。

ESP32S3とV4220Mを使用したオーディオ信号のデジタル処理回路

続いては実際に作成した回路について紹介していきます。回路の全体像はこのような感じになっています。

マイコンボードにはSeeed Studioの「XIAO ESP32-S3-PLUS」を使用しました。ESP32-S3-PLUSは基板の縁に1.27mmピッチのパッドを設置することで、小型ながら20個の入出力ポートを利用できるマイコンボードです。さらに国内で無線機能を利用するための技術基準適合証明（いわゆる技適）を取得しているため、合法的に無線機能を利用できます。エフェクターで無線機能を使うことはあまりないですが、たとえばBluetooth経由でスマートフォンと連携して設定をカスタマイズする、といったことが実現できます。

ちなみにXIAO ESP32-S3シリーズは複数のモデルがありますが、出力インターフェイスが異なるだけで、搭載するプロセッサや機能はすべて同一です。そのため、同シリーズのほかのマイコンでも、基本的には同じような回路が利用可能です。

電源回路

XIAOシリーズのマイコンボードはUSB Type-Cコネクタもしくは14番ピン（VBUSピン）から供給された5Vの電源で動作します。今回は一般的なエフェクターで使用する9V電源で動作させたかったので、3端子レギュレータを使って9Vから5Vを生成します。さらに、アナログ側の電源供給（+5VA）とデジタル側の電源供給（+5VD）は分離し、+5VAと+5VDはノイズを遮断する効果があるインダクタを介して接続しています。

マイコンボードのVBUSピンは内部的にはUSBコネクタのVBUS端子（+5V供給端子）に接続されているため、USBケーブルを接続した状態で外部から電源を供給しても問題が発生しないよう、ショットキーダイオードを介して+5VDに接続します。

マイコンボードの17番ピン（3V3ピン）は、VBUSピンもしくはUSBケーブルから供給された+5Vから生成した+3.3Vを供給するピンです。ESP32シリーズマイコンはインターフェイス電圧が3.3V、つまり3.3VがHIGH電圧となるため、マイコンに接続する抵抗器やスイッチ、各種インターフェイスなどにはここから3.3Vを供給します。この3.3Vはマイコンに直結されているため、ノイズが多い点には注意が必要です。

マイコン周りの回路

前述のとおり、ESP32S3とV4220Mとのデータのやり取りにはI2Sという仕組みを使用します。V4220MではそのためにDIN、DOUT、LRCK、SCLK端子が用意されています。一方、ESP32S3のI2S機能では任意のGPIO端子をDINやDOUT、WS、BCLK端子として使用できます。今回はGPIO3端子をDOUTに、GPIO4をDINに、GPIO5をBCLKに、GPIO6をWSとして使用することにしました。ちなみにどの端子にどの機能を割り当てるかはソフトウェア側で設定できるのですが、ESP32S3の一部の機能（たとえばADコンバータ）は一部のGPIO端子にしか割り当てできないため、使用したい機能が被らないように割り当てを考える必要があります。

また、V4220MではDIF0およびDIF1端子で入出力動作モードを、DEM0およびDEM1端子でフィルタ機能の設定を切り替えられるようになっています（詳細についてはデータシートを参照）。これらは固定値でも良いのですが、今回はマイコン側から設定できるよう、それぞれGPIO38、GPIO39、GPIO41、GPIO40端子に接続しています。これに加えて、マイコン側からV4220Mをリセットできるよう、GPIO1端子をV4220MのRSTN端子に接続しています。

それ以外の端子は、スイッチや可変抵抗器（POT）、LEDなどを接続することを想定してピンヘッダに接続しています。

V4220M周りの回路1：電源の設定

V4220Mにはアナログ用の電源端子（VA）とデジタル用の電源端子（VD）があり、それぞれに5Vの電源を接続する必要があります。V4220MのデータシートではVAに+5Vを入力し、かつVDは2Ωの抵抗を介してVAと接続する例が記載されていますが、これはデジタル用の電源端子とアナログ用の電源端子を分離することでノイズの影響を抑える意図だと思われます。ただ、今回はデジタル側電源にマイコンボードも接続する設計にしたため、2Ωの抵抗を接続するとそこでの電圧降下が気になります（たとえばマイコン側で100mAの電力を消費した場合、200mV、つまり0.2Vの電圧効果が発生する）。そのため、前述のように今回は抵抗ではなくインダクタでアナログ側電源とデジタル側電源を分離しています。ぞれぞれの電源端子はノイズ対策および安定性向上のため、10uおよび0.1uのセラミックコンデンサを接続しています（いわゆるパスコンデンサ）。

ESP32マイコンは3.3V電源で動作するため、その入出力もすべて3.3Vで行われます。つまり、やり取りするデジタル信号では「1」を3.3V、「0」を0Vで表すことになります。V4220Mではデジタル信号の電圧を設定するためのVL端子があり、そこに3.3Vを入力することで、0V/3.3Vで信号の入出力を行えるようになります。こちらにも同様にパスコンデンサを接続しています。

V4220M周りの回路2：マスタークロック

V4220Mは外部からマスタークロックを入力することもできますし、発振子を接続してそこからマスタークロックを生成することもできます。ESP32のI2S機能はマスタークロック生成機能も提供しているので、そこで生成したマスタークロックをV4220MのXTI端子に供給すれば良さそうなのですが、試したところその場合どうやっても正常に動作させることができませんでした（動作はするがデータ送受信のタイミングがずれるようで、データを正しく送受信できない）。そのため、水晶発振子とコンデンサをXTOおよびXTI端子に接続して、V4220M側でマスタークロックを生成させています。

なお、V4220Mのサンプリング周波数は供給するマスタークロックもしくは発振子の周波数で決まり、V4220Mをマスターとして使用する場合はこの周波数の256分の1がサンプリング周波数になります。また、V4220Mをスレーブとして使用する場合はマスタークロックをサンプリング周波数の256もしくは384、512倍にしなければなりません。今回はV4220Mをマスターとして使用し、かつサンプリング周波数を48kHzに設定したかったので、水晶振動子の周波数として48kHz×256=12,288,000Hz（12.288MHz）を選択しました（この周波数の水晶振動子は千石電商で購入可能です

ちなみに、I2Sではマスタークロックをデバイス間で共有する必要はなく、それぞれのデバイス内で独立したマスタークロックを利用できます。ESP32のI2S機能ではマイコン内部でI2S用のマスタークロックを生成できるので、V4220M側で生成したマスタークロックをESP32S3側に供給する必要はありません（念のため、XTIもしくはXTO端子をGPIO43端子に接続できるようジャンパーは用意しています）。

V4220M周りの回路3：アナログ信号入力

デジタル信号に変換するアナログ信号は、V4220MのLIN+、LIN-、RIN+、RIN-端子に入力します。LIN+およびLIN-が左チャネル、RIN+およびRIN-が右チャネルで、それぞれ差動動作する構成です。LIN-とRIN-をGNDに接続して使用することもできますが、差動構成にしたほうがノイズ耐性は高くなるため、今回はオペアンプを使って入力信号にバイアス電圧を加えるとともに、反転した信号も生成してそれぞれを+および-端子に入力する構成にしています。バイアス電圧はCS4220データシート上の「Common Mode Input Voltage」（2.3V）に近い値（約2.27V）に設定しています。

この部分の回路はデータシートに記載されている参考回路ものとほぼ同じですが、+側出力は入力信号と同じ振幅に、-側出力は入力信号を振幅はそのままに反転させたものになるよう抵抗値を調整しています。V4220Mの入力は差動回路になっているので、その結果V4220Mが受け取る信号の振幅はオペアンプに入力された信号の2倍になります。V4220Mに入力できる信号は2.0Vrmsですが、一般的なエレキギターやエレキベースの出力はおよそ1Vrms未満なので、入力信号を2倍に増幅することでより高い解像度でのAD変換が期待できます。また、オペアンプの入力段の前にはトランジスタを使ったバッファ回路を入れています。そのため、この回路のL_INPUTおよびR_INPUTにはバイアス電圧が付与された信号を入力する必要があります。

なお、オペアンプは単電源で動作させている（-電源端子をGNDに接続している）ため、オペアンプによってはバイアス電圧（約2.27V）が低すぎて正常に動作しない可能性があります。そのため、今回はこの部分で使用するオペアンプとしてTIのTLV2365を選択しました。電源電圧は最大5.5Vと低めですが、RAIL-to-RAIL、つまり入出力ともに0Vから電源電圧までの範囲で正常動作し、かつスペック上はノイズも少なめの2回路入りオペアンプです。あえて2回路入りオペアンプを2つ使用する構成にすることで、右チャネルと左チャネルを完全に分離することでクロストーク（片方のチャネルの信号がもう片方のチャネルに混入すること）の低減を期待しています。

V4220M周りの回路4：アナログ信号出力

V4220Mのアナログ信号出力は、アナログ信号入力と同様に差動動作となっています。LOUT+とLOUT-が左チャネル、ROUT+とROUT-が右チャネルです。

一般的なDA変換では、その過程で本来の信号には含まれていない高周波ノイズが含まれてしまいます。そのため、出力信号にはローパスフィルタを入れてこれらのノイズをカットします。今回はデータシートに掲載されている2-Pole Butterworthフィルタ回路を使用しました。ただし、コンデンサや抵抗器の値は（特性は変わらないようにしつつ）入手しやすいものに変更し、また単電源動作用にGNDをバイアス電圧源に入れ替えています。さらに、入力部と同様にクロストークの低減を図るため、1回路入りのオペアンプを使用して右チャネルと左チャネルを完全に分離させています。こちらはバイアス電圧を十分に高く設定できるので（今回は4.5Vに設定）、オペアンプには入手しやすいOP07を選択しています。

この回路の出力信号はバイアス電圧を含んでいるため、最終的な出力段で直列にコンデンサを入れてバイアス電圧を除去する必要があります。

そのほかの細かい部分

V4220Mとの接続に使用していないマイコンのGPIOピンやアナログ信号入力・出力、電源端子はピンヘッダに接続し、このピンヘッダ経由で外部とやり取りするようにしています。

また、この回路はマイコンとしてXIAO ESP32-S3-PLUSを使用する想定で設計していますが、これ以外のXIAOシリーズマイコンでの使用も考慮しています。その場合、利用できるピンは（電源ピンも含めて）1～14までの14本のみになり、V4220MのDIF0、DIF1、DEM0、DEM1ピンはマイコンから操作できなくなります。そのため、これらのピンに加える電圧（0Vもしくは3.3V）を基板上で設定できるよう、これらのピンにはDIPスイッチやジャンパーも接続しています。また、V4220MからMCLKを受け取ったり、逆にMCLKを送り込むためのジャンパーも用意しておきました。

基板レイアウト

今回の基板はノイズ対策のため、下記のような方針で設計しました。

4層基板を使い、内側の2層は全面をGNDとすることで（いわゆるベタGND）、デジタル部分の回路で発生するノイズの伝搬を抑える

デジタル回路とアナログ回路を基板上で混在させず、できるだけ同じブロックにまとめる

基板サイズは50mm四方以下に抑える

4層基板というと高価なイメージがありますが、最近では4層基板も安価に製造できるようになっています。ただ、JLCPCBで製造する場合、50mm×50mmを超えるサイズになると一気に製造費用が上昇します（それでも一昔前に比べれば安いですが）。そのため、基板サイズは50mm四方以下にするという方針で設計を行いました。実際にCAD上で部品を配置したパターンはこのような感じになります（最初期バージョンなので、一部回路図とは異なる部分があります）。

基板の上側にはアナログ回路、下側にはマイコンを含むデジタル回路を実装しています。また、何らかのトラブルでマイコンやV4220Mを破損させてしまっても交換しやすいよう、両者ともにピンヘッダ経由で接続することを想定しています（V4220Mについては直接基板上にはんだ付けできるよう表面実装のパターンも用意しています）。ただ、XIAO ESP32S3-PLUSの入出力端子をフルに活用しようとした場合、マイコン基板の縁にはんだ付けを行う必要がありるのですが、片側は1.27mmピッチの端子が13個、その反対側は1.27mmピッチの端子7個と2.54mmピッチの端子3個という変則的な構成のため、基板側も2.54mmピッチのピンヘッダと1.27mmピッチのピンヘッダを併用する構成としました。そのため、はんだ付けがかなり面倒なことになっています。

バイアス電圧生成部分（C1とC29）には電解コンデンサを使用しています。C29は一般的な円筒形の電解コンデンサですが、C1はスペースがギリギリだったので長方形型の表面実装電解コンデンサを採用しました。

また、アナログ信号の入力段と出力段のローパスフィルタ部分にはフィルムコンデンサを使用しています。今回使用する容量のコンデンサはあまり入手性が良くないのでスルーホール部品で実装していますが、コンデンサ自体のサイズ（特に高さ）が大きめなので、表面実装品を使ったほうが良かったかもしれません。これら以外のコンデンサはすべて積層セラミックコンデンサです。

基板実装の発注

今回の基板は表面実装部品を多用しているため、JLCPCBに基板製造とともに表面実装部品の実装も発注しました。安価に済ませるため、基本的に使用する部品は追加料金がかからない一般的なものを選択していますが、オペアンプのTLV2365だけは追加料金（約3ドル）を支払って実装しています。

完成した基板

届いた基板に、追加で必要な部品を手元で実装したものが最初に紹介した写真です。V4220Mは直接はんだ付けするのではなく、秋月電子のDIP変換基板を使ってピンヘッダ経由で取り付けています。

I2Sで信号をやり取りするプログラム

この基板を使ってデジタル信号処理を行うには、当然ながらESP32S3側でプログラムを作成する必要があります。こちらについて詳しくは別途紹介する予定なので、ここでは設定すべきことに絞って簡単に紹介します。

プログラムは下記のような流れになります。

GPIOポートの初期化

V4220Mの初期化

I2Sの初期化と設定

I2Sでのデータやり取りと信号処理

ポートの初期化

今回はV4220Mをマスター、ESP32S3をスレーブとして動作させます。この場合、ESP32S3側でI2Sで使用するピンのうちDOUTを出力用に、DIN、BCLK、WSを入力用に設定します。また、V4220Mはその電源投入時もしくはリセットからの復帰時にDOUT端子（つまりESP32S3のDIN端子）が47kΩでプルダウンされているとマスター、そうでない場合はスレーブとして動作します。ESP32S3の各GPIO端子には45kΩのプルダウン抵抗が内蔵されているので、別途プルダウン抵抗を接続する必要はなく、プログラム側で内蔵プルダウン抵抗の有効/無効を切り替えてV4220MをリセットするだけでV4220Mをマスターとして動作させることができます（後述）。

これに加えて、V4220MのRSTN、DIF0、DIF1、DEM0、DEM1に接続されている端子は出力に設定します。

V4220Mの初期化

V4220MのRSTN端子に接続されているGPIO端子の値0に設定すると、V4220Mはリセット状態になって動作を停止します。この状態でDIF0、DIF1、DEM0、DEM1端子に接続されているGPIO端子を希望する値（今回はDIF0とDIF1を0、DEM0とDEM1を1）に設定し、その後にRSTN端子に接続されているGPIO端子の値を1に設定することで、V4220Mが再起動されて指定した値が反映されます。

ちなみに、V4220MのRSTN端子が0になってからリセット状態になるまでは10ミリ秒、1になってからリスタートまでは50ミリ秒かかるそうなので、RSTN端子に接続しているGPIO端子の値を変えたあとはその時間以上待機する必要があります。

I2Sの初期化と設定

I2Sにはさまざまな方言（？）があり、デバイスによって微妙にフォーマットが異なるようです。ESP32のI2S機能はさまざまなデバイスに対応できるようになっているため、設定がやや複雑です。V4220Mも複数のフォーマットに対応しており、DIF0/DIF1ピンでどのフォーマットを使用するか選択できるのですが、今回は最もスタンダードとされる「DIF0＝0、DIF1＝0」（Philipsフォーマット）を使用します。これに対応する設定は以下のようになります。

サンプリング周波数：48,000（48kHz）

ESP32S3側マスタークロックの生成源（SCLK）：PLL240M

マスタークロックの倍率：サンプリング周波数の512倍

BCLKの周波数：マスタークロックの8分の1（サンプリング周波数の32倍）

data_bit_width（データビット幅）：32ビット

slot_bit_width（スロットビット幅）：32ビット

スロットモード：ステレオ

使用するスロット：左と右両方

WSの幅：32ビット

ビットシフト：あり

データの格納方法：左詰め

データの格納エンディアン：リトルエンディアン

ビットの格納方法：高位ビットが先

ESP32シリーズでI2Sを使うに当たっては、個人的にはこのパラメータ設定が一番難しいと感じました（自分も紆余曲折を経てこの設定値に辿り着きました）。それぞれの値は次のようにして決定しています。

サンプリング周波数

接続するデバイス（今回はV4220M）側のサンプリング周波数と同じ値を指定します。

ESP32S3側マスタークロックの生成源（SCLK）

ここでの「SCLK」はV4220MのSCLKではなく、ESP32S3内部のクロック源（Source Clock）を意味しています。下記のいずれかを選択できます。

ESP32S3に接続された（マイコンボード上に設置されている）40MHzの水晶振動子（XTAL）

上記の水晶振動子で生成したクロックを4分割して生成した160MHzクロック

上記の水晶振動子で生成したクロックを6分割して生成した240MHzクロック

外部クロック（ESP32S3外で生成してESP32S3のいずれかのピンに入力されたクロック）

デフォルトでは160MHzからマスタークロックを生成しますが、より高い周波数のクロック源を使ったほうがより正確なクロック生成が期待できるため、今回は240MHzのクロックソースであるPLL240Mを指定しています。ただ、今回はESP32S3とV4220Mとでマスタークロックを同期させていないため、この値を変更したとしても動作や音質への影響はないとは思います。

マスタークロックの倍率（mclk_multiple）

ESP32S3側で使用するI2Sのマスタークロック周波数を指定します。サンプリング周波数の128/192/256/384/512/576/768/1024/1152倍のいずれかで選択します。今回はV4220MとESP32S3とでマスタークロックを同期させていないため、このマスタークロック周波数をV4220Mのマスタークロック周波数（今回のハードウェア構成の場合ではサンプリング周波数の256倍）と一致させる必要はありません。

V4220Mをマスターとして動作させる場合、次のBCLKの周波数によって選択できる値が決まります。

BCLKの周波数（bclk_div）

BCLK（V4220M側で言うSCLK）の周波数を「マスタークロックのX分の1」（Xは整数）という形で指定します。Xは8以上である必要があります。逆に言うと、マスタークロックはBCLKの（8倍以上の）整数倍でなければならない、いうことです。

V4220Mをマスターとして動作させる場合、BCLKはサンプリング周波数の64倍（64Fs）になります。そのため、ここで選択できる値とマスタークロック倍率の関係は下記のいずれかになります。

bclk_div=8、mclk_multiple=512倍（64×8）、マスタークロック24.576MHz

bclk_div=9、mclk_multiple=576倍（64×9）、マスタークロック27.648MHz

bclk_div=12、mclk_multiple=768倍（64×12）、マスタークロック36.864MHz

bclk_div=16、mclk_multiple=1024倍（64×16）、マスタークロック49.152MHz

bclk_div=18、mclk_multiple=1152倍（64×18）、マスタークロック55.296MHz

マスタークロックはクロックソース（40MHzもしくは160MHz、240MHz）から生成する都合上、その周波数がクロックソース周波数の整数分の1になるのが最適です（たとえばクロックソース240MHzの場合120MHzや80MHz、60MHzなど）。しかし、サンプリング周波数が48kHzの場合どうやってもそれは無理なので、この場合はできるだけ小さい値にすることでクロック生成時の誤差を減らすことが期待できます。つまり、この場合はbclk_div=8、mclk_multiple=512倍が最適値となります（この場合、240MHzの10分の1＝24MHzと、9分の1＝26.666…Hzのクロックを49:15の割合で組み合わせることで疑似的に24.576MHzのマスタークロックを生成する形になる）。

data_bit_width（データビット幅）

入出力するデータのビット数を指定します。一般的には使用する量子化ビット数（V4220Mの場合24）を指定しますが、次のslot_bit_width以下の値であれば必ずしも量子化ビット数に一致させる必要はありません。

ただ、ESP32S3のI2S機能では、データビット幅として24ビットを指定した場合、1サンプル分のデータを8ビット型（int8_t）の変数3つ単位でやり取りすることになります。いっぽうで24ビットのデータを処理する場合は32ビット型（int32_t）の変数を使用するのが一般的なので、受け取った3つの8ビットデータを組み合わせてint32_t型の変数に格納する処理が追加で必要になります。

また、ESP32S3のI2S機能ではこの値を24に設定した場合、マスタークロック倍率の設定に制約が発生します。これらの問題を回避するため、今回はslot_bit_withと同じ32に設定しています。この設定の場合、I2Sでやり取りするデータは32ビット単位（int32_t）になりますが、受信したデータの下位8ビットには0が格納され、また送信したデータの下位8ビットは無視されます。

slot_bit_width（スロットビット幅）

「BCLK周波数（V4220MでいうSCLK）/（2 * サンプリング周波数）」を指定します。V4220Mをマスターとして動作させる場合、BCLK（SCLK）はサンプリング周波数の64倍（64Fs）なので、その半分の32を指定します。（64*Fs/(2*Fs) = 32）。

スロットモード

今回は2チャンネル（ステレオ）で入出力を行うのでステレオに指定します。

使用するスロット

ステレオ入出力なので左と右両方を使用するよう指定します。

WSの幅

slot_bit_widthと同じ値を指定します。

ビットシフト

PhilipsフォーマットではWS（LRCK）の値が変わってから1クロック後にデータの最初のビットが送信されます。この1クロックの遅延がビットシフトです（つまりビットシフトあり）

データの格納方法

ビットシフト後、すぐにデータ送信を行うので「左詰め」を指定します。

データの格納エンディアン

I2Sではビッグエンディアン（最上位バイトが左側に送信）でデータのやり取りを行いますが、ESP32は内部的にリトルエンディアンでデータを処理します。そのため、ここではリトルエンディアンを指定してエンディアンを自動変換してもらいます。

ビットの格納方法

Philipsフォーマットでは高位ビットを先に送信します。

これら以外の設定でも動作する可能性はありますので、もし細かく挙動をチューニングしたい場合は試行錯誤してみると良いかもしれません。

I2Sでのデータ送受信

ESP32S3のI2S機能では、プログラム側で用意したバッファを介してデータのやり取りを行います。データの送受信はリアルタイムで行われるわけではなく、あらかじめ指定した単位（＝バッファサイズ単位）でまとめて行われます。また、今回の設定では1サンプル当たり8バイト（1チャンネル当たり32ビット＝4バイト、ステレオなのでその2倍）のバッファが必要になります。つまり、たとえばバッファサイズを3840バイトに設定した場合、480サンプル（＝3840/8）分のデータをまとめて入出力する形になります。サンプリング周波数が48kHzの場合、480サンプルは10ミリ秒分のデータに相当するので、入力されたデータを読み取って処理して出力するまでに、最低でも10ミリ秒の時間が必要になります。バッファサイズを小さくすればこの遅延時間は短くできますが、その分エフェクト処理に掛けられる時間は短くなる点には注意が必要です。

また、入出力バッファには右チャネルと左チャネルのデータを交互に格納します。そのため、畳み込み処理など時間軸に対して連続した処理を行う場合は、インデックス指定の際に注意が必要です。

次回に続く