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カテゴリー「make:」の検索結果は以下のとおりです。

周波数カウンタをグレードアップ

  • 2011/10/11 14:59
  • カテゴリー:make:

 周波数カウンタの改良をしました。

(1)精度

 これまでは,12.8000MHzに調整したTCXOを使っていました。しかし,これも25年近く前の部品ですし,調整だってスペアナの周波数カウンタ機能を使って行った物ですので,どうも自信がありません。

 そこで,某巨大オークション経由でOCXOを買いました。といってもジャンクの外し品で,精度もどれくらい出ているかわかりません。値段も安く,あてにする方が間違いと思われるほどです。

 周波数カウンタへの内蔵も考えたので5Vで動く物を選びましたが,現物が届いてあきらめました。まず想像以上に大きいこと。そして大飯ぐらいなこと,特に起動直後は800mA近くも電流を食っています。そして熱いこと。OXCOなんですから当たり前ですが,この熱さでは小さいケースに閉じ込めるわけにいきません。致命的なのは,ウォームアップに1時間ほどかかったことです。

 15分ほどで安定してきますが,そこから1時間くらいはゆっくり周波数が上がっていきます。最終的に落ち着いたのは,電源投入後3時間を経過してからでした。これはちょっと厳しいです。

 そこで,このOCXOはリファレンスクロックとして使い,これを元にTCXOを再調整します。

 ほとんどずれておらず,気温25度で30Hzほど低くなっていました。10MHzに対して30Hzですので,-3ppmですか。おー,結構いい数字だったんですね。

 これをもう少し追い込んで,10時間で±5Hzの変動になるようにしました。これで±0.5ppmです。温度変化に対して±3ppmという仕様ですので,これを加味しても10MHzフルカウントに対し,誤差は±35Hz以内ということになります。

 まあ,8桁のカウンタとしては少々心許ないのですが,ここから先はもう泥沼になりそうなので,妥協することにします。

 それにしても,実力は10MHzに対し3Hz程度のズレだったりしますので,素人が使う測定器としては十分という事にしておきましょう。

 この検討で分かったもう1つのことは,PLLが大変安定して動作していたことでした。12.8MHzから10MHzを作るPLLは,もしかすると周波数の揺らぎが長周期であるのではないかと思っていましたが,電源投入後に30秒もすると,ぴたっと数字が止まって動きません。これなら十分使い物になります。


(2)広帯域化

 現状は,1/10プリスケーラを使った場合,DC~24MHzまででした。プリスケーラを使って精度を一桁悪くして,24MHzくらいで頭打ちというのはあまりに惜しいので,以下の改造を行います。

・高速ロジックICへの交換

 プリアンプ出力を波形整形する74HC14と,1/10分周を行う74HC390の2つが広帯域化を阻んでいますので,これを74ACシリーズに交換します。入手がそろそろ難しくなってくるころかも知れませんので,早めに手配が肝心です。

 74AC14と74AC390は,本来100MHz以上でも動作する高速C-MOSロジックです。一気に100MHzを狙えるかと思いましたが,まずICだけを交換したところ,50MHz位でミスカウントを起こします。それでも随分改善した物ですが,これはもうプリアンプに手を入れないと,実力を発揮できません。

・プリアンプのトランジスタを交換

 プリアンプは,初段が2SK241,2段目が2SC1815,3段目が2SA1015の校正です。2段目と3段目でしっかりゲインを確保して,次の74AC14に送り出します。

 実は,仕様書にかかれた2SC1815や2SA1015のfT(80MHz)は結構控えめな数字で,ちゃんとコレクタ電流を流してやると200MHzくらいまで伸びてきます。FMラジオくらいなら十分作る事が出来る性能です。

 ですが,さすがにしっかりゲインを確保するのは難しいようで,ここに定番の高周波トランジスタである2SC1906を使う事にしました。

 ピン配置も同じですので,まずは2SC1815を交換します。ついでに,電源のノイズ対策(フェライトビーズとパスコン追加)と,シュミットインバータの帰還抵抗を大きなリード部品から,チップ部品に変更しておきます。

 お,60MHzくらいまで伸びました。けど64MHzではコケますね。

 仕方がありません,あまり気乗りしませんが2SA1015を交換しましょう。PNPの高周波用トランジスタというのは品種が少なく,ちょっと定番が思いつきません。ぱっと調べて2SA1161という謎のトランジスタを購入しました。

 東芝のトランジスタなのですが,データシートが見つからず,CQ出版のデータブックで概略を掴んだ程度です。2GHzを越えるfTは立派なものですが,hFEが20というのは小さすぎないか?まるでゲルマニウム時代の2SDxxみたいです。

 これに2SA1015を交換しますと,おおー,なんと68MHzをラクラククリア。シュミットをバイパスして直接プリアンプ出力を74AC390に入れると,100MHzもカウントします。さすが高周波用トランジスタです。

 しかし,今度は低周波で感度がガタ落ちです。従来,1kHzで20mVrmsだった感度は,100mVrmsを越えてもカウントしません。ガタ落ちというか,もう低周波領域では動かなくなったといってもいいでしょう。波形を見ると,ゲインが低いようで波高値が小さいままです。

 こりゃいかんということで,手持ちのPNPトランジスタを片っ端から試すことにします。fTが1GHzの2SA711なんかは期待できそうだったのですが,いまいち。

 で,試行錯誤の末最も良い結果を出したのが,2SA562。2SC1959のコンプリです。2SC1959といえば,2SC1815ではちょっと心許ない時に使う,1ランク大きな電流を扱える便利なトランジスタです。今時はもう1ランク上の2SC2120などが定番化しているのですが,2SC1959は高周波特性も良好で,ちょっと他に変わりがないトランジスタだなあと思ったりします。

 で,2SA562と2SA1015を比べてみると,2SA562はコレクタ電流が大きくても小さくても,fTがあまり変化しません。150MHzから300MHzくらいです。一方の2SA1015は,コレクタ電流が小さい時のfTの低下が顕著で,コレクタ電流が低いときは50MHzを割り込みます。でも,コレクタ電流を50mAも流すと,fTは一気に400MHzを越えるのです。

 だから,今回の回路でもコレクタ電流を増やしてやるだけで済んだことかもしれないのですが,面倒なので2SA562に置き換えることで決着です。低周波特性も変わらず,20mVrmsを維持しつつ,高周波は68MHzをクリアする性能を実現しました。

・その他対策

 74AC390の入力部にプローブを当てると,特に64MHzを越えるところでミスカウントがウソのようになくなります。波形の乱れによってトゲが出ているのが,プローブのような小容量のコンデンサをあてがうと消えるので,ミスカウントしなくなるのではないかと思います。

 そこで,10pFくらいのコンデンサをGNDとの間に入れました。これで高周波でもミスカウントしなくなります。

 また,74AC390からの出力ですが,74ACのような高速で強力なドライバを持つICは,出力波形が結構暴れます。そこでダンピング抵抗をいれました。分周後ですので10MHz未満ですからいらないといえばいらないのですが,後段のICを保護する目的もあり,オーバーシュートとアンダーシュートを小さくする目的で,330Ωという結構重い抵抗を入れました。


 ということで,高精度化と広帯域化を実現した周波数カウンタは,かなり使える機材となった気がします。本当なら1/10プリスケーラで100MHzくらいまで測定出来ると素晴らしかったのですが,実際にそこまで必要な事は少ないでしょうし,あまりいじくり回して壊してしまっても残念なので,このくらいでよいことにします。

次の工作テーマ

  • 2011/09/27 11:07
  • カテゴリー:make:

 歪率計,低歪み発振器,そして周波数カウンタといくつかの自作測定器がに動き出しました。周波数カウンタについては,1/10分周器を74AC390で作るなど,広帯域化を行う予定でいますが,それはまあ部品を買ってきて交換するだけの話ですので,大したことではありません。

 ですが,最後の大物が1つ控えています。安定化電源器です。

 安定化電源器については,私が12歳の時に,シリコンハウス共立のオリジナルキットで作った,1~14V・3Aの電源器が現役で,随分重宝しています。ショートなどの過電流に対する保護回路がサイリスタによる電源のカットであり,良くある電流リミッタと違って,電源器の破壊を保護するのではなく,負荷の破壊を防ぐという役割が非常に助かっています。

 当時も,0V近いところから電圧を可変出来ること,3Aから5Aくらいまでの電流を取ることができる事,電圧は15V程度まで出せることを条件に選んだキットで,この25年,本当に役に立ってくれました。

 ただ,問題がないわけではなく,もう少し電圧が上がって欲しいこと,電圧の変動が結構あるということ,負荷が重いときは電圧がやや下がるということ,あと突入電流にも律儀に保護回路が働いてしまうことです。これらは「そんなものだ」と頭に入れておけば問題になることも少ないのですが,それを差し引いてもベークライトの基板はかなり劣化が進み,なにか手を打たないとまずいなと思っていました。

 そんなおり,秋月の再販リストに,超定番の安定化電源キットが出ていました。あれ,これって販売中止になっていたのか,と改めて驚いたのですが,ひょっとするとパワートランジスタや723といった部品の確保が難しくなっているのかも知れません。今回の再販も数量限定とのことでした。

 他の買い物と一緒に買っておいたこのキットですが,なにせ電源トランスにかなり大げさな物を使う必要があり,そのままつくると大変です。そこでケースや電圧計,電流計,そして電源トランスを流用することで,中身を新規にするという作戦を考えています。

 そのためにやらねばならないことがいくつかあります。


(1)電圧の低いトランスを使いこなす

 現在使っている電源器のトランスは,16Vで3Aというものです。軽負荷なら20V位のDCが取れるだろうと思いますが,秋月のキットは入出力電位差が10Vも必要です。例えば20Vの出力が欲しかったら,入力は30Vないといけないのですが,これで3Aや5Aのトランスなんてのは,もう鉄と銅の塊そのものです。

 入力と出力の電圧差を小さくするには,まずレギュレータICの723の電源電圧を別に供給することです。16Vの巻線から取ると,負荷の重い時に電圧が下がり16Vくらいまで下がるかもしれません。パワートランジスタの駆動がダーリントン接続になっていて,しかも723内部でもう1段ダーリントン接続になっているらしく,これだけで3V近く,出力電圧に対してICの電源電圧が高くないといけません。

 そこで723の電源を分離し,これを別巻線の電源から作り,20Vほどの電圧を供給するのです。723の消費電流は大きくないので,そんなに大げさな回路にはなりません。こうすると,15V位までなら制御可能になるでしょう。


(2)平滑コンデンサは22000uF

 現在の電源器は,22000uFという大きな物を搭載しています。劣化が相当進んでいるように思いますが,これはまあ流用しましょう。


(3)パワートランジスタを1つ減らす

 キットの回路では,2SC5200というパワートランジスタを2パラで使っています。結果10Aという大電流の制御が可能となっていますが,トランジスタをパラで使う時にはアンバランスが起きないよう,低い抵抗を介してパラ接続します。

 しかし,この抵抗の電圧降下がバカになりません。0.1Ωですので,例えば5A流れると0.5Vです。ただでさえ重い負荷で入力電圧に余裕がないのに,こんな所で電圧が下がったらもったいないです。

 そこで,パワートランジスタを1つにします。単純に5Aまでとなりますが,そもそもトランスが3Aまでしか取れないわけですし,10A仕様にすることはオーバースペックです。パワートランジスタを1つにすれば,現在の電源器で使っている2N3055(東芝製というのが80年代らしいですね)をそのまま,放熱器ごと流用できます。

 2N3055のhFEは100以下,一方の2SC5200は160ほどあるようですが,2N3055を1つだけドライブするなら似たようなものです。回路の変更もせずにそのまま部品を流用し,しかもバランス用の抵抗もいらず電圧降下を防ぐ事も出来て,好都合です。


(4)電流制限回路

 723は,2ピンと3ピンの電圧が0.6Vになると電流制限がかかるようになっています。ということは,負荷に流れる電流を低い抵抗でモニタし,この抵抗の電圧降下を使う必要があります。

 キットの回路では,この抵抗に0.1Ωのパラ付け(0.05Ω)を使っていますが,これだと12Aで保護回路が働くので,あんまり保護してくれそうにありません。また,この回路には保護回路の動作電流調整VRが付いていますが,これは保護回路が働く電流を大きくなるように調整する物であり,12A以下に出来るわけではありません。

 私の場合,3Aで保護回路を働かせたいわけですから,ここは0.2Ωにするのが正しいです。大きくする方向の電流リミッタ調整などあっても仕方がないので,その機能は省略し,3A以上にならないようにする回路とします。

 ちょっとgoogleで調べてみたのですが,この電流検出抵抗に直列にダイオードを入れて,0.6Vをバイアスするという方法で,0Aから動作電流を可変出来るようにしている人がいます。

 なるほど,それも手だなと思いましたが,考えてみるとここで必ず0.6Vのドロップがあること,例えば3Aの電流を引っ張ったとき0.6V x 3Aで1.8Wもの電力がここで消費されるなど,あまり良くなさそうです。

 ただ,0Aからリミッタを可変出来るのは魅力ですね。3Aなんて流れたら,あっという間に炭になってしまう部品も多いです。もうちょっと考える事にしましょう。


(5)SENS端子と電流計

 回路に入った電流計は低い抵抗に見えますから,そこで電圧のドロップがおきます。当たり前の話ですが,ドロップした電圧を計って安定化する機能が,このキットにはあります。それがSENS端子ですが,フィードバックループの一部を引っ張り回すわけですから,発振しやすくなるのも道理です。気をつけなければなりません。

 同様に,電圧可変用のVRも,あまり配線を引っ張り回すと発振します。手持ちの多回転VR(1kΩ)を使うか,1回転の巻線タイプ(2kΩ)を使うか,悩ましいところです。


(6)723に供給する電源

 先程,レギュレータICの723に供給する電圧を別巻線から取る,と書きましたが,今使っている共立のキット付属の電源トランスは,0V-35V-43Vという,いかにも往年のトランジスタアンプを前提に作られたかのようなトランスです。

 共立のキットでは,35VをGNDに接地して+35Vと-8Vを作りだし制御回路に供給することで,電圧可変範囲を1V未満からスタート出来るようなっていますが,今回は単純に20V程の電圧が欲しいだけです。

 723の耐圧は40Vまで。35V巻線から整流するだけでは簡単に越えてしまう電圧だけに,なんとかしてドロップさせねばならないのですが,ここはツェナーダイオードでも使って,ローテクでみましょう。


 とまあ,プランとしてはこんなものでしょうか。723はレギュレータICとしては初期に登場した古典で,30年以上前から多くの所で使われてきました。その割には私は一度も使ったことがなく,今回の製作が最初で最後となりそうです。

 

8桁周波数カウンタの完成

  • 2011/09/25 13:47
  • カテゴリー:make:

ファイル 511-1.jpg

 8桁周波数カウンタが完成しました。

 ざっと最終的な仕様をまとめておきます。

・表示桁数 8桁
・機能 周波数,周期,周波数比,インターバル,ユニットカウンタ
・プリスケーラ 1/10および1/1000
・測定周波数帯域 0.1Hz?10MHz(1/1)
         1Hz?24MHz(1/10)
         100Hz?2400MHz(1/1000)
・感度      20mVrms(1kHz)
・タイムベース TCXO(±3ppm/-20℃~60℃,±1ppm/年)
        水晶発振器(±20ppm)1/1000プリスケーラ使用時
・ウォームアップ時間 約15分
・電源 DC6VのACアダプタ(800mA)

 秋月のICM7216Bを使用した周波数カウンタのキットを作り直したものですが,これまでの不満点を改称したものになっています。

 写真は,背面から出力している10MHzのタイムベースを,1/1000プリスケーラを通して周期測定を行っている様子です。1/1000プリスケーラ使用時のタイムベースはTCXOではなく9.765625MHzの水晶発振ですが,通電後約15分でTCXOを源発振とする10MHzの周期を,100.0000nsと測定してくれています。


(1)LED表示のゴースト

 ドライバトランジスタのキャリア蓄積が問題だと思っていた8桁目のゴーストですが,結論から言うと違っていました。波形を見ると244usのON期間の後,次のONまでの時間,なだらかに電圧が落ちていて,中途半端にONになっている長く時間があります。

 原因を調べていたのですが,2SA1015のベースが5Vになりきっておらず,トランジスタがOFFし切れていないようです。そこでベースとエミッタ間に2.7kΩをつないで,確実にトランジスタがOFFするようにしました。というか,PNPトランジスタではこれは必須の抵抗でしょう。

 さらに,0.022uFのコンデンサもベースとエミッタ間に入れました。抵抗だけだとあまりに波形が汚く,他の信号が変化するときに電源が引っ張られてベースの電圧がガクガク変動しているので,それを吸収するためです。

 この結果,8桁目のゴーストは消え,また各セグメントの輝度も揃うようになりました。(コンデンサの容量を大きくすると,今度は明らかにスイッチング速度が落ちてしまい,ぼんやり点灯するようになるのです。)

 また,DPもぼやーっと点灯する事がありました。ドライバである2SC1815に同様の対策を行って,解決しました。


(2)プリアンプの改良

 もともと5Vでもミスカウントするくらいだったのですが,以下に行った改良で20mVrmsまでカウント出来るようになりました。

・初段の2SK241のソースを直接接地
・段間のコンデンサを100uFに増大
・2段目のトランジスタを2SC2901に交換
・電源電圧を5.75Vまで上げた

 本当は作り直しをしようと思ったのですが,それも面倒になったので改良することにしました。ミスカウントは,周波数というよりは立ち上がりパルスの幅がICM7216Bの限界以下になっているからのようで,これは電源電圧を上げて速度アップすることと,プリアンプの電圧も上げて余裕を持たせることで,調整を追い込むことにしました。アナログ回路は,高電圧ほど性能を出しやすいと,実感しました。

 トランジスタの交換は,手持ちのジャンク箱を見ていたら偶然ftが750MHzくらいの2SC2901が見つかったのでこれを使いました。最初は2SC3358というft=6.5GHzのトランジスタを使ってみたのですが,うまくゲインが取れず,また発振をしているような感じもあったので,やめました。


(3)1/10プリスケーラ搭載

 新規に1/10プリスケーラを取り付けました。手持ちの74HC390を使って1/10ディバイダを追加しただけですが,これで分解能を犠牲にせず,24MHzまでのカウントが出来るようになりました。これは使い勝手に大きく貢献してくれると思います。


(4)TCXOの搭載

 20年前に買ったTCXO,TCO-703Aを12.8MHzに調整(小数点以下6桁まであわせました)しなおし,これを源発振にPLLで10MHzを作るモジュールを作って,タイムベースとしました。

 このTCXOのスペックは,温度偏差が±2?3ppm/℃,年間偏差が±1ppmというなかなかのものです。市販の安価な周波数カウンタでは,これが±5ppm位だったりしますので,そう考えると十分実用になってくれるでしょう。

 PLLがロックした場合には,左下のLEDが点灯するようになっています。VCOの制御電圧の変化で輝度が変わりますので,明るさの変動によってその安定度を見ることも可能です。

 ただし,1/1000プリスケーラ動作時は,タイムベースも通常の水晶発振で作られる9.765625MHzに切り替わりますので,TCXOの精度は出ません。この水晶発振が結構温度特性をもっているのですが,ICM7216Bと基板の間に寝かせて配置し,LSIの発熱による簡易恒温槽になることを期待しています。

 この結果,通電後約15分で規定の周波数に入ってくるようになります。もともとこの水晶発振は,1/1000のプリスケーラ用のものですから,分解能が1/1000になることを考えると,1GHz以上の高い周波数を測定する時以外は,精度を上げても表示に反映されにくいものですので,これで私は十分です。


(5)電源

 従来はトランスを内蔵し,5.6Vを三端子レギュレータで作って供給していましたが,発熱やAC100Vを扱う危険もあって,好ましくありません。ケースも小さくなりましたので,今回はスイッチング式のACアダプタで6Vを供給することにしました。小さく軽く安全で,いい世の中になりました。

 この6Vから,PLLやプリスケーラなどに供給する5.0Vと,カウンタに供給する5.75Vをそれぞれ別のLDOで作り,供給しています。PLLやプリスケーラはカウンタから信号をもらいませんので,レベルコンバートの必要もありません。

(6)ケースの加工とパネル

 ケースは定番の,タカチYM-200を使っています。やや小振りのケースですが,この大きさなら使いやすいし,取り回しも楽で,かわいらしいです。正面には文字高さ10mmの7セグLED8桁と,オーバーフローとPLLのロックを示すLEDが表示部に並び,右側に機能切り替えとタイムスケールのレンジ切り替えを行うロータリースイッチ,1/10プリスケーラの切り替えスイッチに1/1000プリスケーラ用の入力切り替えスイッチがあります。トグルスイッチの下には2つの入力端子がありますが,左側は10MHzまでの入力,右側は1/1000プリスケーラ用の入力です。

 背面は,周波数比などを計るときの入力B端子(ただし2.5MHzまでなので使い道はほとんどない)と,10MHzのタイムベースを出力する端子を設けてあります。なにせうちで一番正確な時間情報です。この10MHzを基準に使いたいと思うことは,これからもいろいろ出てくる事と思います。

 パネルは,今回はプリンタで印刷を行ってみました。表示部の角穴が大きく,どうしても素人くさい加工が目立ってしまうからです。最近はインクジェットプリンタで耐候性のあるステッカーを作るシートなども市販されていて,色も綺麗に出ます。文字のにじみもなく,ご覧のように綺麗にパネルを作ることができました。

 穴あき加工済みのパネルを部品取り付け前にスキャナで取り込み,この実寸の画像にあわせて印刷用の画像を作り込んでいきます。気に入ったフォントを使って文字を入れていくのは,その昔インスタントレタリングを使って文字を入れた手間を完全に過去のものにしてくれました。


 ということで,実用レベルの測定器に仕上がりました。マルチメータの上にでも重ねて,常用することにしたいと思います。

秋月の8桁周波数カウンタをレストアする計画

  • 2011/09/20 19:21
  • カテゴリー:make:

 先日書いた,秋月のベストセラーキットの1つ,8桁周波数カウンタのレストアを先日の週末から本格的に始めました。

 このキットを完成させたのは1991年3月だったと記録が残っていますが,完成後にこれを使って便利だったと思う記憶はほとんどありません。思うに,使いにくい,性能が信用出来ない,見た目に格好が悪いという理由で,自然に遠ざかったのだと思います。

 まず性能ですが,8桁のカウンタなのに,基準クロックの偏差が20ppmも30ppmもあるので,今ひとつ信用出来ないということです。これは先日,12.8MHzのTCXOからPLLで10MHzを生成する回路が完成したことで,解決しそうです。

 性能と言えば,なぜかDCから10MHzの入力感度が低いのです。5Vの矩形波を入れてもミスカウントが起こります。おそらく入力アンプが上手く動いていないのだと思いますが,こんなもんかなとそのままにしてありました。

 さらに,8桁目のLEDがうっすらと点灯しているのです。実害はないのですが,どうも不細工で好きになれません。この問題は,WEB上では全く見かけませんが,CQ出版から出ていた秋月のキットの本には問題の1つとして採り上げられているので,回路設計上の問題でしょう。

 ケースが鉄製でガチャガチャと嫌な音を立てることも嫌いでしたし,7セグLEDが大きすぎて,操作部が窮屈になることも嫌いでした。さらに,入力端子をBNCにしたのはよいのですが,周波数測定に適当なケーブルがなくて,結局オシロで確認する方が早いし楽だということになりました。

 また,せっかくの8桁カウンタも,プリスケーラを使わない場合は10MHzまでということで,その真価を発揮できませんでした。当時私は,2.4GHzのプリスケーラ付きを奮発しましたが,1/1024分周されることで測定周波数の上限拡大と引き替えに,周波数の分解能が犠牲になることをあまり深く考えてなかったようです。おかげで,例えば12.8MHzを測定すると,プリスケーラなしでは感度不足で動かず,プリスケーラを通すと12.8MHzとオシロ以下の精度しか出ません。

 今にして思えば,1/100分周のプリスケーラを搭載した250MHzまでのバージョンを買うべきだったと思うのですが,まあ済んでしまったことは仕方がありません。

 そしてとどめは,なぜかスイッチ類に油が浸透していて,まともに機能しなくなってしまっていることです。プリスケーラの切り替え,レンジや機能の切り替えなども上手く切り替わらないことがありますし,AC100VをON/OFFするスイッチなど,こわくて触りたくもありません。

 とまあいうわけで,このボロボロの周波数カウンタキットをレストアし,使える測定器にすることにします。

(1)精度

 何度も書いているように,20年前に秋月で買った12.8MHzのTCXOを活用すべく,TC5081を使ってPLLを組み上げ,10MHzのクロックを作る事が出来ています。このTCXOは年間1ppmの変化率,温度変化に対しては2から3ppmということですので,8桁精度としてはやや心許ないですが,安価な既製品の周波数カウンタの精度くらいは出ていますので,なんとか使い物になるという感じでしょうか。

 ところで,12.8MHzのTCXOの発振周波数の調整は,とある所のとある測定器を使って,なんとか小数点以下6桁まであわせることが出来ました。ということは8桁精度ですかね,本来8桁のカウンタに使うには,9桁精度以上が必要ですが,まあやむを得ません。


(2)入力回路

 プリアンプは,初段は2SK241のソースフォロワ,2段目は2SC1815,3段目は2SA1015という構成で,これが74HC14に入ります。74HC14には470kΩで負帰還がかかり,シュミット電圧幅を小さくして,上手く調整をすると20mVくらいの感度を持つように出来るそうです。

 この回路については,トラ技の製作記事にそのままパクられたりするほど良い回路らしく,特に問題も見聞きしません。しかし私は上手く動いていません。5Vのロジックを見るときでも,ミスカウントします。DCバランスを崩せば上手くカウントしますが,それだと感度は稼げていないでしょう。

 部品の故障やハンダ付けのミスなどを洗ってみてもいいのですが,面倒くさいので1段減らしたシンプルなプリアンプに置き換えることを計画中です。


(3)プリスケーラ使用時のクロック

 このキットに使われているプリスケーラは1/1024分周です。従ってカウント結果を直読出来ません。これは面倒ですので,普段は10MHzの基準クロックを,1/1.024の9.765625MHzにすることで,直読が可能になっています。

 10MHzの水晶発振子はカウンタLSIであるICM7216の直下に配置し,LSIの発熱で簡易恒温槽を作るという面白い工夫をしてありますが,プリスケーラ用の9.765625MHzの水晶発振子は,普通に基板の上に置かれています。

 だから,プリスケーラを使った状態では精度が随分悪いと予想されます。もともと1/1024の分解能になってしまうのですから,20ppmや30ppmでも実質問題はないよという考え方もあるのですが,それでも1GHz以上を測定するようなことがあると,結構気になるところでしょう。

 そこで,ICM7216の直下に置く水晶発振子を10MHzから9.765625MHzに置き換えることにしました。10MHzについては先程のTCXOとPLLで作り,外部発振器入力に入れて使う事になりますので,ちょうどよいです。


(4)8桁目の7セグLEDがうっすらと点灯する

 8桁目がぼんやり点灯する問題については,ダイナミックドライブゆえに,おそらく8桁目から1桁目に切り替わるときに,8桁目のドライブトランジスタのOFFになる時間が長くかかって,1桁目がドライブされる時刻でもまだONになったままだからではないかと思います。

 ICM7216で直接ドライブすればこんな問題はなかったのでしょうが,秋月のキットはトランジスタによるドライバを使っていますので,この問題が起きているのだと思います。

 実は,ICM7216のスキャン周波数は500Hzと,この手の周波数としては高めです。データシートによると,1桁分のLEDがONになる時間は244us,6usのブランキング時間を加えて合計250usです。これが8桁ですから8倍して2ms,つまり500Hzです。

 ダイナミックドライブが目の残像を利用する以上,スキャン周波数が30Hz程度だと結構ちらついて見えるものですが,高ければいいという物でもなくて,100Hzもあれば十分です。

 ですがこの回路では,500KHzという速度で100mA近い電流をバシバシ切り替えているわけで,トランジスタの仕事としては結構荷が重く,キャリア蓄積のせいでしばらくしてからでないとOFFにならないという現象が起きてしまいそうです。

 手としては,トランジスタのベース抵抗に200pF程度のコンデンサをパラに付けるか,電荷を抜く抵抗をベースとエミッタの間に入れるか,を考えています。ま,最悪駆動電流を減らして,目立たなくしてしまうと言う作戦もありでしょう。

 しかしですね,キャリア蓄積による遅延は,2SA1015なんかだと2から3us程度じゃなかったかなと思います。ブランキング時間を6usも確保してくれてあるのに,本当にこれが原因なのかどうかは,波形を見てみるしかありません。

(5)常用域でのプリスケーラ

 10MHzを境に,それ以上はいきなり精度が1/1000になるというのは,大変使いにくいものです。そこで,1/10のプリスケーラを追加することにしました。

 といっても,専用のICなど持っていませんので,74HC390を使います。30MHzくらいまでなら動いてくれるでしょう。どうせ入力アンプの帯域もこのくらいでしょうが,それでも30MHzまで1/10の分解能くらいで観測出来るのであれば,これまで1/1000になってしまったことを考えると,かなり便利なはずです。


(6)ケースと使い勝手

 薄い鉄製のケースは精度も低く,私の加工も下手で見るからにボロボロだったのですが,今回はタカチのYM-200という定番アルミケースを使う事にしました。以前のケースよりも一回り小さく,なかなか良い感じです。

 しかし,従来の7セグLEDをそのまま使うと,フロントパネルに他のスイッチやコネクタを置けません。あちゃー,と思っても後の祭りです。

 もともとLEDが大きすぎるのが嫌だったわけですし,小型の7セグに置き換えましょう。ということで,秋月の4桁ダイナミックドライブ用の7セグを買いました。ピュアグリーンなので楽しみだなと思っていたら,届いた実物の大きさが従来のLEDと同じであることがわかり,がっかりです。

 しかも,ICM7216がカソードコモンのLEDを使うので,てっきり同じと思っていたら,ドライバ回路を外付けにしてあり,アノードコモンが使われていました。さらにがっかり。

 秋月でアノードコモンの7セグを探すと,シャープの小型7セグが10個150円と大特価でさらにがっかり。悔しいのでこれと,スタンレー製のさらに小さいもの(1個50円)を買いました。

 届いてみると,スタンレーの超小型は,ピンピッチが2mmで,穴あき基板に載りません。無理に載せることも考えましたが,ここはおとなしくシャープのものを使う事にしました。文字高さは10mmで,従来が約14.2mmですので,随分小さいです。

 これで7セグ基板を作ってみると,予想通り小型にまとまってくれました。それでもYM-200の大きさと考えると,もうギリギリです。

 BNCコネクタを2つ,プリスケーラ切り替えスイッチを2つ,レンジとファンクションのロータリースイッチを並べると,もういっぱいです。これまで装備していたリセットスイッチやホールドスイッチはもう使わないと割り切って廃止します。

 ところで,周波数カウンタ(正確にはユニバーサルカウンタ)は,なにせ機能が豊富で切り替えが多いため,パネルの文字入れがたくさん必要です。文字入れをしないでおくと,実用も難しい位です。そこで以前はインレタでコツコツと文字を入れたのですが,今回はプリンタでシールを印刷し,これをパネルに貼り付けることにします。


(7)スイッチ類

 スイッチ類は,なぜか油で壊れていました。ロータリースイッチは今は入手が難しいアルプス製のものですが,接点数が希望の物とは違ったらしく,分解して無理矢理改造してありました。油のせいでこの改造も壊れていて,再利用は無理です。

 そこで,買い置きしてあったロータリースイッチを使う事にしました。このロータリースイッチは中国製だと思うのですが,接点の数を自分で決められる優れものなのです。

 2回路と1回路があり,1回路だと12接点まで,2回路だと6接点まで,金具を掛け替えるだけで設定出来るのです。素晴らしい。今回は1回路で十分ですので,ファンクションを5接点,レンジを4接点にして使う事にします。

 ただ,このスイッチは,感触はあまりよくありません。剛性感がないのと,精度が低いので,そこは我慢ですね。

 他のトグルスイッチ類は,小型のものを選びました。電源スイッチは背面に持っていきます。今回はAC電源を内蔵することはせず,5Vのスイッチング式ACアダプタから給電することにしますので,電源スイッチの重要性はそれほど高くはありません。

 
 ということで,冷静に考えてみると,キットを作るという手間(そしてそれが一番楽しい作業)がないだけで,あとはほぼ完全に作り直しになっているレストアですが,やるからには実用レベルにしないといけません。念願だったTCXOも搭載出来る目処が立ったのですから,頑張って仕上げたいと思います。

10MHzの基準クロック

  • 2011/09/14 17:34
  • カテゴリー:make:

ファイル 507-1.jpg

 もう20年近く前のことですが,その当時秋月電子のキットの定番,周波数カウンタキットのフラグシップであった,8桁周波数カウンタ2.4GHzプリスケーラ付き,を買って,さくっと作ったことがあります。

 当時の秋月電子で5000円を超えるキットというのは,結構手強いキットでした。その上貧乏学生にとって,この出費はちょっとしたチャレンジでした。

 キットの概要はICM7216BというインターシルのユニバーサルカウンタLSIが主役で,これにスタンレー製の高輝度7セグメントLEDが8桁で,その値段のほとんどを占めていたように思います。10MHzまではこのカウンタICで直接カウント,10MHzから2.4GHzまでは1024段のプリスケーラを通してカウントするという仕組みでした。

 10MHz以上の場合は表示を1024倍しないといけないことになり,これはかなり面倒という事から,このキットでは10MHzの源発振を1000/1024倍した9.765625MHzに切り替えるという工夫をしてありました。

 しかし,どちらも普通の水晶発振子を使っており,せっかくの8桁カウンタでも,その精度はせいぜい6桁から7桁ではなかったかと思います。

 当時から精度を上げるには源発振を高精度化するしかないと思っていましたが,安価に手に入るTCXOは12.8MHzでしたし,9.765625MHzに至っては手に入るかどうかすら怪しいものです。キットの説明書にあるように,そこそこ発熱するICM7216をオーブン代わりに水晶発振を安定させ,調整はテレビのカラーサブキャリアを使うという方法で完成させました。

 今にして思うと,当時の秋月のキットというのは難易度が高いとはいえ,素人の設備でもなんとか完成まで持って行けるように作ってあったんだなと思います。他のキットでも,最終的に手詰まりになることがなかったですからね。

 せっかく作った周波数カウンタでしたが,低周波の周波数はオシロスコープで測定するようになりました(2465Aは300MHzあたりまで観測出来ますから)し,その後私はGHz帯域の高周波など全く手がけなくなりましたから,結局ほとんど出番がないまま20年が経ちました。

 ところが先日手に入れたマルチメータの周波数カウンタ機能が案外便利だったのです。ただ残念な事にこの機能が1MHzくらいまでしか使えないため,少なくとも10MHzくらいまでは測定出来る環境が欲しいと,この周波数カウンタキットを使えるようにする方法を考えるようになりました。

 当時の鉄製のケースはもうボロボロですし,それはまあ作り直すこととして,問題は精度です。アナログテレビ放送が終了したこともあって高精度な周波数が手に入れにくくなっている昨今,どうにか10MHzの高精度発振器を手に入れたいなあと思っていた所,なかなかいい方法がありません。

 幸い,手持ちに20年ほど前に秋月で買った12.8MHzのTCXOがあまっていて,これを使って10MHzを使えるようにする方法を考えていたところ,google先生は偉大な先輩の製作例を探し出してくれました。

 12.8MHzを1/128し100kHzを作りこれを基準とし,10MHzのVCO出力は1/100して,100kHzがロックするようにPLLを作っている例でした。PDにはTC5081という80年代の定番を使っています。ぱっと見るととても簡単な回路です。

 しかし,面白い工夫があります。VCOの可変範囲が広いと,ロックした後でもジッタが多く,とても周波数カウンタの源発振には使えないそうで,水晶発振回路にバリキャップを付けて,狭い範囲で周波数が可変するようなVCOを採用しています。

 もともと,10MHz固定で周波数の可変をしないPLLですので,VCOの可変幅は大きい必要はなく,ジッタ軽減のために狭い範囲で可変するという方法は理にかなっています。そしてループフィルタのカットオフを10Hzと極端に下げ,位相余裕の十分な確保と,100KHzのカットを行っています。なるほど,こういう設計もあるのかとPLL初心者の私は感心したわけですが,その代わりロックアップにかかる時間は長くかかることになります。

 周波数を可変するシンセサイザではないのでロックアップが遅いことはそれほど問題にならず,またアマチュアが使うものですので,なにを重視するのか,という設計の目標の結果であると理解すると,なるほどと頷けます。

 部品点数も少なく,実用的な価値もあり,経験値も稼げますので,是非作ってみたくなりました。早速サトー電気に部品を注文です。

 TC5081はさすがに古いICで,もうとっくの昔にディスコンになっています。スタンダードCMOSと同じようなプロセスで作られているので,果たしてこの遅いPDが,どれほどの性能を持っているのか私にはわかりません。

 ふと思ったのは,PLLの定番である4046は使えないのか,と言う事です。VCOは使わないとして,PDくらいは使えそうでしたが,PLLの素人がいきなり応用をやってしまうと失敗するので,まずは実績ある回路できちんと作る事にします。

 これで正確な10MHzが得られるとよいのですが,なにせ20年前のTCXOを使いますので,温度特性は別にしても,絶対値が狂っているかも知れません。どっかで確認しないといけません。

 仮にこれが正確だったとして,次に問題となるのはプリスケーラを使った場合の源発振である9.765625MHzが問題です。これはもう,10MHzの源発振で9.765625MHzを調整するしかありません。


 さて,揃った部品を数えてみると,案外少ないなと印象です。小さく作りたいので出来るだけチップ部品を使って組み立てます。

 最初,バリキャップ周辺の配線が間違っていたのですが,修正をすると一応100kHzでPLLがかかってくれているようです。

 問題だなと思った事がいくつかあり,まず秋月で25年も前に買ったTCXOの12.8MHzが全く信用出来ないということ(仮に1ppm/年として,25ppmずれているわけですから,そこら辺の水晶発振器と同じくらいのズレになってるわけですよ)が最大の問題です。

 これは,高精度の測定器を使ってTCXOの調整をするしか方法がありません。

 次に,PLLの収束時間が結構長く,数秒かかるということです。もちろん,数秒たてば安定してくれますが,それもオシロスコープで見た限りの話です。8桁の周波数カウンタの基準クロックとしてふさわしい物かどうかは,ちょっと怪しいです。その分,ジッタは少ないのでしょうが。

 最後に,PLLのロックを示す端子の動作が期待はずれだったことです。PLLがロックしたらLEDが点灯するように,TC5081のPhaseOut端子を使ってみたのですが,ロックしたらHighになると言うより,ロックが外れてもLowにならず,いわばLowになる時間が長くなっているだけですので,LEDがちょっと薄暗くなるという感じです。

 これではロックしたかどうかなんて,わかりません。せめて,完全にロックが外れたときにLEDが消えて欲しいのですが,今ひとつです。

 ということで,さっと組み立てが終わっても,今ひとつ完成に持っていくことが出来なかった私は,今ひとつ達成感を感じることなく,休日を過ごしたのでした。

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