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周波数カウンタをさらに改良

  • 2014/07/14 16:19
  • カテゴリー:make:

 先日,何気なく秋月電子のWEBを見ていると,新商品の中にTCXOがラインナップしていました。温度補償型の高精度発振器をTCXOといいますが,これは本来特殊で高価で,また標準品として普通にお店に並んでいるものではありません。

 とはいえ,無線系では今も昔も必須と思われる重要な部品で,時々「残りもの」がこうして,安価に出てくる事があります。

 以前は12.8MHzのTCXOが安く手に入ったものですが,それも入手が難しくなり,私が以前レストアして完成させた周波数カウンタのタイムベースを,25年前の古い12.8MHzからPLLで10MHzにして搭載してあることは,ここにも書きました。

 10MHzのTCXOが手に入れば何の問題もないのですが,そういう話も期待薄で,まあとりあえず25年前のTCXOにPLLという若干不安な構成でもいいか,とあきらめていました。

 ところが,なんとまあ2個で350円という安価な価格で,TCXOが出ています。今どきの発振器らしく,面実装品です。

 周波数は10MHz,12.8MHz,20MHzの3種類。周波数の誤差は最大で2ppmで,肝心な温度特性は-30度から+85度の間で2ppmと,まずますの性能です。

 現在搭載しているTCXOは,温度特性が3ppmということですので,交換するだけで性能アップしそうな感じです。

 加えて,ケースを開けたときと閉じたときとで,測定値が変化することが先日わかったのです。10MHzのOCXOを測定していると,数Hzの変動がゆるやかにあります。温度のせいとは言い切れませんが,他に要因も見当たらないので,きっとそうなんじゃないかと思うのですが,仮に3Hz変動すれば3ppmですので,まあスペック内ですから,文句も言えません。

 ということで,こういうスポット特価品は買い逃すと後悔しますので,さっさと確保です。

 回路構成を少し考えましょう。この周波数カウンタは5Vで動いていますので,信号レベルも5Vでなければなりません。しかしこのTCXOは3Vで動きますので,10MHzのTXCOには3VのLDOを通して供給します。

 TCXOの仕様を見ると,2.9Vが標準とありますので,電圧可変型のLDOの電圧設定抵抗を多回転ボリュームにして,2.9Vに合わせます。

 TCXOを電源に繋いで,10MHzで発振していることを確認してから,手持ちの関係で74AHC04を繋いで見たところ,全然信号が出てきません。おかしいなあ,ちゃんとロジックレベルは確認したつもりだったのになあ・・・

 と思って遅ればせながら波形を確認してみると,TCXOの出力が1Vp-pくらいしかありません。あれ,どっか配線間違いしたかなと確認しましたがそういうこともなさそうです。あわてて仕様を見直すと,このTCXOの出力は0.8Vp-pと規定されていました。これで正しいんですね。

 思い込みで設計するとこういうことがあるから問題なのですが,通信機用のTCXOでこの出力仕様というのは標準的なものらしく,私の不勉強も露見してしまいました。恥ずかしい話です。

 対策を考えますが,振幅が0.8Vしかありませんので,ロジックICに確実にHとLを入力するのは難しそうです。そうなると,波形そのものを増幅してやる必要があります。

 10MHzという速くもないが遅くもないという信号を,ただ振幅だけ確保する増幅回路ですので,出来るだけ簡単に済ませます。2SC1815を使ったインバータですが,トランジスタがONするベース電圧としては0.8Vは結構ギリギリですので,しっかりベース電流を流すために,割と小さなベース抵抗にしないといけません。

 そして崩れた信号波形が出てきますから,ここはシュミットで波形整形です。74HC14を使う事にします。

 計算でざっくり抵抗の値を求めてバラックを組み,波形を見ながらカットアンドトライをして,次の段にひかえている74HC14の入力を確実にHとLに出来るあたりを探っていきます。ここでは,ベース抵抗を220Ω,コレクタ抵抗を1kΩにしました。ん?なんか不思議な値だなあ。まあいいか。

 これでようやく,TCXOが5VのTTLレベルに変換できました。

 さて,次です。この周波数カウンタは1/1024のプリスケーラを使って2.4GHzまでカウント出来るのですが,値を直読するために10MHzを1/1024した9.765625MHzをベースクロックにすることになっています。

 これまでは,10MHzこそTCXOでしたが,この9.765625MHzは通常の水晶発振子を使っていました。まあ,1/1024分周するので,タイムベースの誤差もそんなに小さくなくても良いかもしれませんが,そこは気分の問題です。例えばですね,2GHzの測定を行う場合,この周波数カウンタでは2MHzの周波数をカウントすることになります。水晶発振子の誤差が20ppmとすれば,2MHzの20ppmで4Hzの測定誤差が入ってきますから,実際の周波数に直すと4kHzの誤差となります。結構大きいですね。

 これがTCXOを使って2ppmに出来れば,誤差はヒトケタ下がり,400Hzの誤差となります。つまり,20ppmなら1kHzの桁は信用出来ないけれども,2ppmなら1kHzの桁が信用出来るようになるというわけです。

 ですが,こんな中途半端な値のTCXOは売っていません。困ったなと思いつつ,ならば手持ちのTCXOを改造するというのはどうだ,という発想にいたりました。

 手持ちのTCXOは,トヨコムの9.98MHzのものと,NECの15MHzのものの2種類です。前者の方が値が近いのでこちらを分解して,推奨を交換しましたが,残念ながら規定の値に調整出来ません。サーミスタは使われておらず,どうも水晶の温度特性を打ち消すようなコンデンサと組み合わせた回路のようです。そこでコンデンサを交換して無理矢理合わせましたが,今度は温度特性が無茶苦茶で,ちっとも安定しません。失敗です。

 それならとNECのTCXOを分解すると,こちらはサーミスタを2つ使ったオーソドックスなタイプです。温度変化するデバイスがサーミスタですので,コンデンサの温度依存性に頼る割合は小さいはずで,こちらの方が脈があります。

 水晶だけを交換しても規定の値にならないので,コンデンサを交換してなんとか値を出します。ドライヤーを使ったりして温度を振ってみたところ,変動は10Hz以内です。10MHzに対して10Hz以内という事は,1ppm以内の変動という事ですので,これはなかなか結構な性能です。

 ところが,このTCXOの出力は2V付近を中心に3Vくらいの振幅がでているようで,マイナス側にも触れています。さすが通信系のTCXOです。しっかり振幅が出ているので,ここは簡単に2.5Vでバイアスするだけで済ませます。これを74HC14で整形して完了。

 これでめでたく,10MHzと9.765625MHzのタイムベースが完成しました。

 あとは現在取り付けられているPLLによるタイムベースと交換するだけです。

 交換して電源を入れ,普通に動作することを確認してから,安定度を見ていきます。手持ちのOCXOを見ていると,24時間経過しても値が変動していません。以前ならなかなか値が落ち着かなかったのですが,今回は電源投入時から値が変動することはありません。

 もちろん,新しいTCXOの方がスペックは上なのですが,どうも以前のPLLに使っていた12.8MHzのTCXOは,随分と性能が落ちていたような感じです。

 もう1つのTCXOである9.765625MHzをどうやって合わせるかという問題が残っていますが,これはもう面倒なのでこの周波数カウンタで会わせてしまいます。

 2ppmのTCXOで別のTCXOを調整するのですから,結果は20ppmしか保証出来ないわけですが,そういうことをいっていても始まりません。

 こうして,レンジに寄らず,ある範囲に入った測定結果を出す周波数カウンタが出来ました。試しにSSGの周波数を測定すると,10MHzまでなら10Hzの桁までばっちり会っています。

 ここからまた24時間を運転し,OCXOの値の変動を見てみますが,1Hzの桁が全く動きません。OCXOの安定度がTCXOの10倍良いという事を考えると,値が変動しなかったというのは,TCXOが随分安定しているという事でしょう。

 この周波数カウンタ,キットを素組みしたときには値が動いて仕方がなく,PLLを使ったTCXOの10MHzタイムベースを用いたときには,2時間で数Hzの変動がありました。

 しかし今回は電源投入から24時間経過しても値は安定し,絶対値が3ppm程度しか信用出来ないとしても,温度による変化がほぼなくなったことで,とても良い結果が得られました。

 絶対値については,8桁精度の基準クロックがそもそもありませんし,そこまでの精度管理はしんどいので,私はさっさとあきらめているのですが,今回の10MHzのTCXOは調整の仕組みがないので,初期値が実力ではそれなりに追い込まれている上,経年変化も小さいと期待しており,使って見た結果もその通りになっているような印象です。

 繰り返しになりますが,9.765625MHzの改造TCXOも思った以上に安定しています。

 これまで,周波数カウンタは今ひとつ信用出来ない測定器と思っていましたが,これくらい安定してくれるのであれば,もっと積極的につかっていけそうです。

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