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夏だ!一番電子工作祭り!

  • 2011/08/22 18:32
  • カテゴリー:make:

 先週はまるまる1週間,夏休みでした。

 私は学生時代はフルタイムで働いていたので,夏休みなどはありませんでした。そういう意味では,丸一日家に閉じこもって,好きなことをただひたすらやるだけの生活をこれほど毎日堪能した夏休みというのは,実に高校生の時以来だと言えます。

 社会人になってから,これほど印象深い夏休みになったことは,私にとって大きな意味を持ちます。

 というわけで,この長い夏休みの成果を列挙しようと思います。この夏休みのテーマは「夏だ!一番電子工作祭り!」でした。いやー,中学生以来だなあ。


・松下 RC低周波発振器VP-7201Aのメンテ

 VP-7201AはRC発振器の癖に,なかなかの低歪みをたたき出す,当時の定番でした。出力レベルが0.1dB刻みのアッテネータで調整出来ることもなかなか素晴らしいのですが,10年ちょっと前に私の手元に来たときには満身創痍。

 周波数調整用のダイアルは根本から折れてしまい,アキバで売っていたバーニアダイアルを分解して取り付けてなんとか修理をしましたが,徐々に100Hz以下で発振しにくくなってきたのと,各レンジの4xから5xあたりで突然発振が止まるなどの問題を出していました。

 もともとRC発振だし,どうせ歪み率も0.1%くらいだよ,と調べもせずに放置していたのですが,偶然仕様を見たところ,なんと1kHzで0.002%を実現していました。うーん,このだと修理しないともったいないですね。

 回路図が手に入らなかったので,回路をざっと見た限りですが,状態変数型の発振回路で,フィードバックにモリリカのMCD521という有名なフォトカプラを使って,低歪みを実現しているようです。トラッキングも管理された2連ボリュームも奢られています。現在でも中古品が15000円以上するということからも,この手の発振器としては,なかなか良くできた人気機種です。

 とりあえず,劣化していると思われる電解コンデンサを全て交換しました。交換して見ると,足下から電解液を出しているものも多数見つかりました。危ない危ない。

 電源を入れてみるとさっと発振を開始して,壊れている様子はありません。オシロスコープで波形を見ると,波形も綺麗です(まあ0.5%でも目視で分かるほど歪みはしませんが)。

 100Hz以下での発振も安定していますし,なんといっても面倒だった4xから5xでの発振が止まりません。電解コンデンサを交換しただけで,これだけ状況がよくなるとは,ありがたい話です。

 この勢いで調整まで済ませてしまいたい所ですが,サービスマニュアルが手に入らなかったのであまり適当にいじるとかえって状況を悪くします。とりあえず電源電圧を測定して出力レベルを校正(0dB = 1.0V),DCオフセットを0Vにしてから,フォトカプラのフィードバックを調整してギリギリ発振するところを狙っていきます。こうすると歪みが小さくなるのです。

 10Hzと500KHzで同じレベルになるように,それらしいトリマやらボリュームをちょっとずつ回していきます。あとは,レンジを切り替えたときに,2,3かい程度で振幅があるレベルに終息してくれればそれでもう大丈夫。

 歪率計がないので,私ができる事はここまで。後述する自作の歪率計が完成したら,まず調べてみたいですね。


・菊水 交流電圧計1631Bのメンテ

 中越地震の日に蒲田のカマデンで買った1631Bです。平均値を正弦波の実効値で目盛ってあるなんちゃって実効値電圧計ですが,見やすいアナログメータに-80dBまで測定出来る高感度,それに見た目にかっちょいい(これとオシロスコープを並べておくと,大体の素人は「おおおー」と声を上げます)ので,なくてはならない測定器です。

 これも電解コンデンサを交換しましょう。こちらの電解コンデンサはそんなに劣化している様子はありません。もともとそんなにおかしな動作をしていたわけではないのですが,菊水のホームページで取説と調整法も手に入ったことですので,調整をしてみます。

 詳しい手順は書きませんが,実はなかなか難航しました。まず,基準となる電圧計を決める必要がありますが,実効値が測定出来て1MHzあたりまで帯域が伸びているのは,先日購入したDL2050だけです。これを信じるしかありませんが,考えてみると長い単線で繋がった電圧計が,特に高域かつ低レベルの状態で正確な値を表示するとは思えず,発振器の正弦波を測定しているのやら,ノイズを測定しているのやら,わからない状態でした。おかげで,400KHz・3mVでの校正で調整範囲を超えてしまい,作業を翌日に持ち越す羽目になりました。

 ずるい方法なのですが,発振器からは1V程度とノイズの影響を受けにくい電圧を取り出し,外部に用意したアッテネータで3mVを作る事にします。400Hzで3mVになれば,400kHzでも3mVになるはずと言う間接的な方法に頼ることにしました。

 調整をしてみると,なんとなくそれらしい値を示すようになり,各レンジ間でのバラツキも小さく収まっています。DL2050のようなデジタルメータに比べて読み取り誤差が大きいと言われるアナログメータですが,ほんの少しの変動でも針が動くので,正確な値は分からなくても相対的な状態の確認には,やっぱりアナログがよいなあと,再認識しました。

 とはいえ,やっぱり400KHzの3mVなんてのは,なかなか素人では用意が難しい信号です。今回の校正の結果としては,実用になるのは可聴帯域である20KHz位までだなと,ある程度割り切って使う必要があるかも知れません。


・ハンダゴテのパイロットランプ増設

 私はハッコーの936というハンダゴテを使っていますが,このハンダゴテの欠点の1つが,通電中を示すランプがないことです。唯一のLEDはコテのヒーターがONの時に点灯するものなので,電源が入っていても消えるときがあります。

 実は先日,一晩電源が入りっぱなしだったことがありました。しっかりしたコテ台もありますし,滅多なことはないと思いますが,先日オシロのプローブを溶かしたこともあり,ぞっとしました。

 そこで,切り忘れがないよう,目立つパイロットランプを用意することにしました。穴を開けてLEDを増設する手もありますが,基板から直流電源を探し出すのも面倒なら,その改造で特に安全性に影響がないとも限りません。

 そこでAC側で光るネオンを使います。また,私は936の本体を,電源スイッチが上に来るように横に倒して使っています。このスイッチをネオンランプ内蔵型にすれば,綺麗に収まりますね。

 偶然,手持ちに同じサイズの波動スイッチで,ネオンランプ内蔵型がありました。2回路タイプですので,2極を同時に切ることができて安心ですし,抵抗とネオンランプも配線済みですので,スイッチを取り付けるだけで光ってくれます。これ,また買っておこう。

 1時間ほどの改造で,どこにも穴を開けずに,目立つパイロットランプを取り付けることが出来ました。切り忘れはありませんが,トイレに行くときもこまめに電源を切る癖が付きましたし,チラチラとパイロットランプを見ることも多くなったので,この改造は本当にやって良かったと思います。


・安定化電源器の検討

 小学生の時に,共立電子のキットで作った1-14V・3Aの安定化電源器は,今でも重宝しています。精度やノイズ,安定性,電流の制限機能がないなど,それほど高いスペックではありませんが,普段使っていて特に問題を感じません。

 ただ,よく使う電圧調整用のボリュームが16型の安物で,25年も交換していないので,気になっていました。

 偶然,30型の2kΩで日本メーカーの高級品を手に入れたので,これに交換しようと思ったのですが,もともと10kΩですので,無改造というわけにはいかんでしょう。

 当時の説明書をみると,5kΩのボリュームが入ったキットもあったようで,その場合にはある抵抗の値を変えるようにと指示がありました。

 まあなんとかなるだろうと2kΩにしてみましたが,電圧可変範囲が狭くなり,ちょっと使い物になりません。さらに手持ちを探して24型の5kΩを見つけ,説明書通りに改造しましたが,やっぱりだめです。

 基板も古くなっており,簡単にパターンも剥がれてしまうので,無理に改造をしないで,潔く10kΩのボリュームを買って来ることにします。この時,同時に電解コンデンサも交換することにしましょう。


・GPS時計の改良

 以前,GPSモジュールを使って時計を作ったわけですが,私の作例ではLCDに大型のものを使いました。このLCD,大型は結構なのですがバックライトがなくて見にくく,結局見る事がなくなっていました。

 そこで手持ちの,バックライト内蔵の物に交換することにしました。秋月で売られている,白色LEDバックライトで,文字が白抜きになるやつです。

 抵抗を入れていたのに,勘違いして電源直結でLEDに過電流が流れて大ピンチ,とか,さすが鈍くさい私だなと思うような事故も起こしつつ,1時間ほどで作業完了。おかげでとても見やすく,作業台に置いてもさっと視線を動かすだけで正確な時刻がわかります。これも改造して良かったと思います。

 それにしても,雑誌に出ているGPS時計の作例は,相変わらず1PPS出力のないGT-720Fばかりです。これで原子時計の精度!なんていうのは超ウソっぱちだと思うのですが,そういう意味では最近の電子工作の世界は,とてもレベルが下がったなあと思います。そういえば,「最先端の有機ELを使った工作」といいつつ,実は発光原理も歴史も異なる無機ELを使った工作だった,という詐欺まがいの素人工作も雑誌に出ていました。

 そういうならおまえが雑誌に載せろ,となるわけですが,機会さえあればぜひやりたいです。アマチュアの心を知るプロのエンジニアが最大の配慮を行ってウソのない電子工作を行うとどんな物が出来るか,見せてやりたいところです。ふふ。


・歪率計の自作

 テスター,オシロスコープ,低周波発振器,そして交流電圧計が手に入り,オーディオ機器の自作が一通り出来るようになると,次に欲しくなるのは,歪率計です。文字通り歪みを測定する測定器ですが,これは系の直線性を確かめるために必要で,他に代用品がありません。

 原理は簡単で,例えば1kHzの正弦波を系に突っ込み,出てきた信号に1kHz以外の周波数の成分が出てきたら,それがすなわち系の非直線性から生まれた,いわゆる「歪み」の成分です。

 そこで,歪みを含んでいない系への入力の信号をある電圧に決めておき,系からの出力信号から1kHzをフィルタでカットして,その電圧を測定してから,入力の電圧との比率を出してやると,歪み率が求められるというわけです。

 とはいえ任意の周波数で歪み率を測定出来るようにするには,周波数の可変が可能な低歪み発振器と,カットする周波数を可変出来るフィルタを用意しなければならず,しかも測定時にはこの周波数をぴったり同調させなければならないので,操作がとても大変です。

 これらを自動化した測定器が「オーディオアナライザ」と呼ばれるもので,特にCDが登場してからの低歪みアンプを測定するために,新しいオーディオアナライザはとても高性能な発振器とフィルタを内蔵しています。

 しかし,このオーディオアナライザは新品を買えば軽く100万円,中古でも20万円近くします。最近安くなったとはいえ,それでも10万円程度は最低覚悟しないといけない測定器の最後の砦なのです。

 それでいて使用頻度は低く,アンプを作ったときに1度か2度使うだけ,と言う状況ですから,価格もそうですし置き場所ももったいないです。そこで自作という話になるわけです。

 私の場合,トランジスタ技術の2000年6月号に掲載されたものを,そのまま作る事にしました。ここまでの高性能なアナログ回路をきちんと設計して製作できるほどのスキルは,私にはありません。

 この回路は,100Hz,1kHz,そして20kHzの3ポイントの歪み率を測定出来るもので,最小レンジは0.1%です。0.1%レンジで1Vを示せば0.1%ですから,もし100mVなら0.01%,10mVなら0.001%,1mVならなんと0.0001%まで測定可能です。

 ただし,20kHzよりは10kHzの方がありがたいので,ある方の改造例を参考させて頂いて,10kHzに回路を変更しました。

 同時に低歪みの発振器も必要なので,これもトランジスタ技術2003年7月号のある発振器を作る事にしました。抵抗とコンデンサをロータリースイッチで切り替える事にし,必要な3つの周波数を発振できるようにしました。フィードバックの電圧制御抵抗にJ-FETを使っていますので,実はVP-7201Aの方が低歪みかも知れません。

  3年ほど前からコツコツと部品を集めてありましたが,なにせ部品点数も回路規模も難易度も過去最大級の工作です。時間が取れないという理由で尻込みし,なかなか取りかかることが出来ませんでした。

 そこでこの夏休みを使って,作ってしまおうと考えたのです。

 しかし,実に手強い相手でした。1枚の基板にフィルタが3つ,これが3つの周波数で9個の回路ブロックが存在します。これにリレーを使った全体のコントロールブロックにプリアンプと出力バッファ,そして電源回路に発振器と,基板の数は全部で6枚,すべて手で配線です。

 1日6時間頑張っても,最終日までに完成しませんでした。

 結局出来たところまで,ということになりますが,ケースの穴開けは完了,各周波数のフィルタは動作確認と調整を完了してあり,あとはコントロールブロックの動作確認と配線を行えば,一応完成となります。

 実は残った作業がなかなか面倒で,時間がかかります。週末にコツコツとやっていくしかないですね。


・低歪み発振器の製作

 先程のひずみ率計のケースに内蔵する,低歪み発振器です。先に書きましたが,トランジスタ技術の2003年7月号に掲載された回路で,状態変数型の低歪み発振器です。

 3つの周波数を切り替えられるようになっているのですが,アッテネータは面倒くさいので普通のボリュームを使っています。

 ただ,周波数の調整と歪み率の調整については,バーンズと東京コスモスの多回転型を奢りました。こういうのを使うのが,夢だったんだよなあ。

 基板が狭かったせいで無理な配線を強いられてしまい,安定して動くか心配になりましたが,いくつかの配線ミスを修正すると,スパッと発振してくれました。周波数の調整は多回転ボリュームのおかげでなかなかうまくいきそうです。

 あっさり動いてしまいましたが,オシロスコープでの波形を見る限り歪みもなく,かなり期待できそうな感じです。歪率計が組み上がったら,この発振器の歪率を測定してみたいと思います。


・ん,まてよ?

 これを書いていて気が付いたことがあります。

 1kHzの正弦波が0.9V,2kHzの正弦波が0.1Vの波形があったとします。1Vのこの波形の歪み率は,(0.1/0.9)*100=11.1%です。これが高調波歪み率の定義に従った真の値です。

 この波形を,自作の歪率計に入れてみますと,1kHzと2kHzの和である1Vを分母に,2kHzの高調波である0.1Vを分子にして,(0.1/1.0)*100=10%となります。1.1%もズレが出るのですね。

 測定器で有名なエヌエフ回路ブロックのホームページの解説を読むと,この方式の歪率計では,30%以上の歪率では誤差が大きくなるとあります。1kHzが0.9V,2kHzが0.3Vだったら真の歪み率は(0.3/0.9)*100=30%ですが,これが自作の歪率計では(0.3/1.2)*100=25%となります。なるほど,5%も少なめに出てくるとさすがに問題ですね。

 では,0.1%あたりだとどうでしょうか。1kHzが0.999V,2kHzが0.001Vとすると,真の歪み率は(0.001/0.999)*100=0.1001001%です。自作の歪率計では(0.001/1.000)*100=0.1%となり,その差は0.0001001%とごくわずかです。これなら無視しても構わないでしょう。

 同じように1%だとどうでしょうか。1kHzが0.99V,2kHzが0.01Vとすると,真の歪み率は(0.01/0.99)*100=1.0101%です。自作の歪率計だと(0.01/1.00)*100=1%で,その差は0.0101%です。まあ,このくらいなら読み取り誤差に埋もれてしまうでしょう。

 次に,真の歪み率が0.01%の信号を使って,0.1%の歪み率の系を測定するケースを考えます。

 まず0.01%の信号ですが,1kHzが0.9999V,2kHzが0.0001Vの波形の真の歪み率は0.0010001%です。自作の歪率計では0.01%となりますね。その差はわずかです。

 測定対象の系の歪み率は0.1%です。これは1Vの1kHzを入れると,2kHzが0.001V発生する系です。

 この系に,0.01%の信号を入れて見ます。1kHzは0.9999Vのまま変わりませんが,2kHzは0.0001V+0.000999V=0.0010999Vになります。真の歪み率は0.110001%,自作の歪率計では(0.001099/1)*100=0.1099%となります。両者の差はごくわずかですが,本来0.1%となって欲しいところが,発振器の歪みである0.01%がのってしまいました。

 まあそれでもこの程度なら許せるでしょう。では0.1%の発振器しか手に入らなかった場合はどうなるでしょうか。

 同様に計算をします。1kHzが0.999V,2kHzが0.001Vで,真の歪み率は0.1001%です。自作歪率計では0.1%です。

 これを0.1%の歪み率の系に入れると,2kHzは0.001999Vになります。1kHzには変化はありません。よって真の歪み率は0.2001%となります。自作の歪率計では0.1999%です。同じように,両者の差はほとんどありませんが,発振器の歪みがそのままのってくるため,実際には0.1%の系が0.2%と測定されてしまいました。

 ノッチフィルタを使った歪率計など,私はほとんど使ったことがありませんから,測定結果が真の値からどのくらいずれるのかを意識したことなどありませんでしたが,今回の自作歪率計を使いこなすには,このあたりもちゃんと整理しておくべきでした。

 結論としては,

(1)今回自作する歪率計は,分母に入力信号の電圧がそのまま入るため,高調波の電圧も含んでいる。本来の歪み率の定義から考えると分母には基本波のみの電圧が入るべきであり,この歪率計は正確な歪み率を測定できない。

(2)高調波が分母に含まれるとは言え,低歪みな信号ならその量は少なく,1%以下の信号なら歪み率の誤差は無視して良い。

(3)しかし30%を越えるような大きな歪み率の場合には,分母の値が大きく変わってくるので,実際の歪み率よりも小さく出るようになり,その誤差も無視できなくなる。

(4)今回自作する歪率計は,発振器とフィルタの間に挟んだ系で発生した高調波だけを測定するわけではないので,発振器そのものの歪み率を測定することも可能。

(5)系が発生する高調波は,発振器の高調波に加算されて測定されるため,発振器の歪み率以下の値を測定することは出来ない。従って入力される発振器は十分に低歪みである必要がある。


 どれも考えてみれば当たり前のことですが,では誤差が実際にどのくらいになるのか,発振器の歪みをどう考えればいいのかどうか,など,モヤモヤしたまま測定するのはよろしくありません。原理を知り,回路を知り,結果を知る。測定器自作の醍醐味というのは,実はこのあたりにあるのかも知れませんね。

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