ハートレー型水晶発振と戯れた話

2016-08-05      
 FETを使った水晶発振回路は部品数が少なく済む魅力があり、このブログのヘッポコ実験によく登場します。特にハートレー型をチョイスしていますが、これは水晶の片端をグランド接続でき、必要に応じて可変範囲を広く取る細工が簡単にできるためです。特にコルピッツ型に恨みがあるわけではありません

 さて、水晶発振に関してはこれまであまり苦労した記憶がありませんでしたが、今回その手慣れた筈の水晶発振回路で結構な苦労をしました。結論から言うと、勝手な思い込みやら勉強不足やらが露呈したのに加え、ワニ口クリップに翻弄された・・・という顛末。まぁ、この辺りの話が暇潰しには打って付けかと思われますので、またしても「自分の老後の読み物」として綴っておきましょう。

今回の回路は以下のようなものです。基本に忠実・・・というより、「実現性」と「手持ち部品の数」を考慮した構成です。



 ね、何の捻りもありませんよね これをユニバーサル基板に組んで「次の作り物の第一歩」として着手したわけですが、これがウンともスンとも発振せず・・・結局、ヘッポコ実験が始まってしまいました
 この時、発振の確認に自作のミニ・パワーメータを使っていたんですが、試しにこれを外してオシロスコープ(のみ)を接続すると見事に発振しています。つまり、ミニ・パワーメータのインピーダンスである「50Ω終端」では上手く発振できないことが判ったと同時に、水晶やFETなどは「確実に生きている」ということも判りました。

 詰まるところ被疑になったのは、出力側のタンク回路(←今のところ、この呼称で)。ここは、トロ活譲りの「共振器+Lマッチ」の組み合わせで設計してあり、そこそこ自信のある定数のつもり(L1とTCa,b)。そこで、小粒なコンデンサの容量誤読と踏んでコンデンサの容量確認・・・問題なし。こうなると、残るはトロイダルコアに巻いたコイル。
 計算値を信じて巻いたコイルのインダクタンスを測ってみると、設計値より多めの値になっていました。T37-6に14回巻・・・確かに少し巻き数が少ないことから、このインダクタンス値が多めになってしまうことは自明。1巻き解くとインダクタンス値がちょい小さくなり過ぎるものの、ひとまず解いて付け直して改めて発振確認すると、50Ω終端・・・ミニ・パワーメータでも発振が確認できるようになりました。

 博学至極・経験数多の方々には滑稽たる出来事でしょうが、拙者は(誰)ここで漸く「発振回路の出力部は単なるタンク回路ではなく、この部分を含めた全体が発振条件を決める」という理屈・・・この発振回路の原理に行き着いたんですね。ハートレーやコルピッツの発振原理は「読み物的な知識」として頭では判っているつもりでも、実際目の当たりにしないと結局は理解していないという、まぁ毎度お馴染みの「どよよん無線偽士」が現れた・・・といったところでしょう
 改めてハートレー発振についてにわか勉強すると、出力側の共振部分は「誘導性」にしないと上手くない⇒誘導性ということは、同調周波数より「高め」にポイントを置くようにしなくてはならない・・・ざっとこんな風に理解を進め、なぜ発振しなかったのか(なぜコイルを解いてインダクタンス値を下げたら発振したのか)納得することができました。

 この間、発振が停止したり弱かったりという現象が時々発生。実験途上で起こるため、直前の作業にエラーがあるのでは・・・と、何度も後戻りして確認することが多かったんですが、これはワニ口クリップ付きのBNCケーブルの接触不良が原因。それも、ワニ口クリップの絶縁用ビニールゴムの中(ワニ口を大きく覆っている色付きビニール部分の中)で起きた出来事。この原因にはなかなか辿り着くことができず、結構な時間を浪費してしまいました。

 ところで、先に記したように、今まであまり苦労したことがないように思っていた水晶発振・・・この「比較的苦労知らず」にも理由があることに気づきました。
 これまでの水晶発振回路は、殆ど7K/10Kボビンを使ったコイルで製作していました。これら調整用のフェライトコア付きボビンに巻いたコイルのインダクタンスの変化範囲がかなり広いことは(実測された方には)既知のことでしょうが、この可変範囲の広さで「誘導性」の状態を簡単に作り出すことができていた(調整し切れていた)ということのようです。

 こうして長いダンジョン(2週間程)を抜けたんですから、この作りものの完成に向かえばいいんですが、「誘導性」としてどの程度の所に目星を付けたらいいのか調べたくなってきました。これが次の課題なのか、いやいやブッ千切って完成に導くのか・・・ひとまず棚上げして、今日は寝ることにしましょうかね

PICで分周してみる

2015-11-22      
 昨日は穏やかな日和りの中、ピアノの発表会を観に行きました。毎年11月の行事ですがどういうわけか雨降りの日が多く、昨年に続いての2年連続の好天は珍しく、主催者の身内としては嬉しい限り 帰路は家族で食事をして帰宅・・・と、こう書くと、ヘッポコ工作やら実験やらはやっていないように思うのは素人の浅はかさ(はぁ)。
 実はまたしても横道に誘われ、発表会に出かける前に妙な実験回路をブレッドボードに仕込み、夜遅くからプチ実験を開始しました。

 昨年のハムフェアで格安入手した12.8MHzのTCXO(コスモウェーブさんで、今でも売っています)を、部品箱を漁っているときに見かけたのが数週前・・・そして、aitendoの店頭で「99円」で売っていたLCDも見つけてしまい、「ちっこい周波数カウンタを作ろうか」というダンジョンに行き着きました。周波数カウンタは、このブログにも度々登場する「赤い奴」や「中古を治した奴」があり、特に後者は精度もそこそこにチューンしてありますから当面は要らないんですが、卓上の小さなものを用意するの一興・・・と悪魔が囁くわけです そこで、折角のTCXOから「1Hz」を得るための分周について試してみました。PICは、直前の実験にも使ったPIC16F1823を使用しました。



 PICで正確な周期を刻む方法は様々ですが、クロック周波数の「切れの良さ」によって工夫が必要になります。今回の実験では先にクロック周波数が12.8MHzと決まっていますから、PICの方で「1280万分周」ができれば良いわけですが、これが案外大変 また、できるだけソフトの介在を少なくして余計な誤差発生を防ぐためには、分周比を「2の倍数」になるようにし、割込処理内に分岐命令が不要なようにするのが常套手段です。

 まず、クロックはPICの外部クロックモード(ECH)を使いました。これでPIC自体が12.8MHzで動作。その上で、Timer1を周期カウンタで動作させるため、CCP1モジュールのコンペアモードで実現する「特殊イベントトリガ」を使用し、カウンタ動作として「50,000分周」としました。分周数を以下にまとめておきます。

 ・Timer1にはFosc/4でクロックを供給・・・4分周
 ・Timer1のプリスケーラを使用・・・8分周
 ・Timer1を周期カウンタ動作・・・50,000分周

 ∴ 1,600,000分周

 これで、割込周期が1/8秒・・・8Hzまではハード・ロジックのみの正確な分周ができます 肝心の割込処理は、以下のようになりました。

void    interrupt  int_divider()
{
    cnt = (cnt + 1) & 0x07;                             // 8分周
    PORTA = (PORTA & 0xfe) | (cnt >> 2);       // RA0に出力

    CCP1IF = OFF;
}

 RA0への出力にはビット処理を使わないことで分岐処理を嫌っています。また、出力をDuty比50%の波形にするため、カウンタ「cnt」の2ビット目を利用しました。コンパイル結果を確認してみましょう。



 ビット合わせのシフト命令「cnt >> 2」のところでループを構成していますが、毎回2回固定ですから問題はありません。その他には分岐命令はありませんので、これで必ず「割込発生からPORTA出力まで」(上のリストの608行まで)のステップ数が毎回同じになります。

 さぁ、これを「チューン済みの中古カウンタ」で測定してみました。勿論、ブレッドボード上のTCXOの周波数微調整は済ませてあります。



 このカウンタの「周期測定モード」で10秒間の測定を繰り返しています。分解能は約67nsですから、小数点以下8桁目・・・スナップに写っている連続した「0」の最下桁は誤差含みになります。周辺温度はあまり気にしていませんでしたが、21℃から22℃くらいの間を行ったり来たり・・・それでも最下桁がたま~に動く程度であり、剥き出しのブレッドボードの上で発振している割にはかなり安定していそう。こうなると、周波数カウンタへの応用が確実に近づいてしまい、またしても「大物作り」がお預けになってしまいそう

 お休みはもう一日あります。明日は外出予定もありますが、その他の時間はこの実験の続き・・・周波数カウンタの構想でも練りましょうかね

中華DDSのノイズ軽減中・・・

2015-09-21      
 シルバーウィークに突入しました。どうも、まだシックリ来ない時期のシックリ来ない連休・・・どうせ連休にするなら、全市全郡コンテストが開催される10月初旬の方が「行楽」には良さそうな気もしますが、夏の疲れを癒やすには丁度良い時期であるとも言えます。我が千葉県北西部は長かった悪天候を抜け、この連休中は好天の模様 ちょっと放ったらかしのアンテナ方面に目が向けばいいんですが、土日のベランダは「洗濯物天国」・・・ということで、現在進行中のDDS関連の実験を優先しました。

 中華DDSモジュールに外付けのLOを接続しようと試行錯誤した挙げ句、結局一度「没」にしたLOを復活させようと実験を繰り返していますが、ちょっと気になるノイズ(スプリアスという方が妥当かも・・・)の片付けが、当面のクリアすべき命題です。

 連休前には、7Kボビンのグランド接続部分の強化(ハンダをタップリと盛って、ケース部分をグランドにがっちり固定)と、バッファ部分のエミッタ抵抗の変更(100Ω⇒220Ω・・・ちょっと出力を欲張り過ぎと判断)を行いました。これにより、安定度はさらに良くなった一方でノイズ軽減には殆ど効果無し。ただ、7Kボビンのグランド接続強化は毎度「後から行う」という流れになってしまうんで、組み立ての際の「一工程」として必ず行った方が良いように思いました。
 そして、連休突入・・・昨日はDDSモジュールに着目してあれこれ弄ってみようと、いつものように実験用にセットアップ。ところが、どういう訳かノイジーなデータしか採れない状態に陥り、APB-3やATTの置き方で「不味いパターン」があることに気付きました。そこで、ACラインの引き回しを変えたり、無理なく配置できるようにBNCケーブルを作り直したり・・・随分手間取ってしまい、土曜の半分は無くなってしまいましたが、安定してデータ取りができるようになったんで、あれこれ試行錯誤を開始。大凡、以下の実験を行いました。

 (1) DDSにクロックを与える際のバイアス抵抗の変更
 (2) AD9851の表面に銅テープでグランドを敷き、その上でAD9851の電源ピン直近にパスコン接続

 老眼+近視で細かいピンにパスコンを接続するのが至難の業の自分にはちょっと難儀な(2)の作業も厭わず敢行



 (2)には大きな効果を期待したんですが微々たるもので、結局この苦行は徒労に終わりました。3つの「青い坊主頭」は撤収の憂き目に

 効果があった(1)は、バイアス抵抗として元々は470Ω×2を使っていましたが、LOの負荷としてはもう少し高めの抵抗でも良かろう(その方が、出力電圧的には楽になる方向だろう)と思い、10KΩ×2にしてみたところ、近接スプリアスががかなり減りました。その上でLOの調整で追い込んだら、まずまず見られる感じになりました。ドライブ電圧が変わった恩恵なのでしょうかねぇ

<30MHz発振:10KHzスパン>


<30MHz発振:10MHzスパン>


 10MHzスパンの方は「まだまだ感」がありますが、ひとまず-90dBを下回るところまで押し込むことができました。バラックではそろそろ限界のようですね。

 さて、ここでちょっとヒネった実験を。



 中華DDSのLOとしてクラニシ君を繋いでみました。クラニシ君も-2,3dBmの出力はありますから、動くんじゃなかろうか・・・



 クラニシ君の最高発振周波数を注入したら、30MHzより少し低い周波数が出力できました。もっとメチャクチャ汚い結果を想像していましたが、思いの外綺麗な感じ。勿論、近接するノイズ、スプリアスはかなり高いレベルで、発振周波数の周辺に数百KHzの範囲で広がっている感じですが、もう少し発振周波数から離れた周波数は-85dB以下程度に収まっています。
 この実験ははっきり言って「余興」の類いですが、余程汚い信号源を繋がない限りは、そこそこピュアな信号が出てくる筈だ・・・ということは解りました。

 残り3日(厳密には2日ですね・・・)の休暇もこれら実験のデータを踏まえながら、できれば「2つのDDSモジュールを1つのLOで同時に動かす」というところまで進めたいと思います。

失敗LOを復活させよう

2015-08-30      
 何やら急に気温が下がって、うっかりすると風邪を引くような肌寒いほどの気候になりました。何といってもまだ8月ですから、9月の残暑を含めて考えればもう一山、二山の暑さは覚悟していますが、それにしても涼しく過ごし易い週末。昨日はちょっと別のことに没頭していたんですが、夜が更けてふっと「失敗LO」の件に終止符を打とうと、中華DDSには少々オーバクロック気味である「190MHz」のLOの実験を行いました。

 実験と言っても、36MHzの5逓倍で作った実験用のLOの水晶を換装する(38MHzに載せ替える)だけなんですが、これがどういう訳か上手く動きません。例によって「aitendo」で10個150円の代物なんで気兼ねなく換装を繰り返しましたが、3逓倍と妙な寄生発振を繰り返すのみで5逓倍動作確認できません。ちょっとくたびれてしまい、工作机の上でいじけている「失敗LO」・・・出力電力が少々足りなかった発振回路を眺め回しながら、「涼しいし、そろそろ寝ようかなぁ・・・」などと呆けていたんですが、どうせ「お取り潰し」になるこの回路のバッファ部分のゲインが実際どのくらいまで高められるのか・・・という部分に着目してちょっと見直してみることにしました。



 直前の記事にも書いた通り、上図のバッファアンプのゲインは2SC3776のfT(=3GHz)から考えて171MHz付近でも10数dBはあるだろうと思ったら10dB程度しかなく、タンク回路のリンクの結合度合い(実は7Kボビン内のリンクコイルがタンクコイルと最も離れるように巻いている)を含めた「インピーダンス変換度合い」を疑って、矢印部分に小容量コンデンサを接続して出力電力を測定してみたら「-8dBm程度」が確認できたところで放り出したんですが、この部分の「最適化」を施したらどうなるか・・・寝しなに軽くのつもりでやってみました。

 まずは、矢印の部分に接続するコンデンサの値。トリマを接続して探っていくと、かなり小さな容量で最大出力が得られることが判りました。同調との兼ね合いがありますから、この状態でボビンのコアを回して同調点を探るとコアが抜け切ってしまいました そこで、同調容量も可変として追い込んでいくと、矢印部分へ接続するコンデンサが4pF、同調容量が1pFほどで最大出力-4dBmを得ました。早速、基板にきちんと直付けして測定すると、-3dBmを若干上回る程度まで出力アップ これなら、実験的にDDSにつないで実験できるレベルです。

 時計を見ると午前0時過ぎ・・・それでも、DDSにつないで試したくて実験継続。10MHz/30MHzの発振テスト用に準備してある環境のLOとして換装すると、見事に発振を確認できました。0.04Hz刻みで発信できる周波数を選んで作ったLOですから、PICのプログラムを書き換えてトリマを調整すると、10MHzピッタリに合わせ込むことが出来ました。そのまま通電しっぱなしで朝まで放っておくと、4Hzほどズレていましたがまずまず安定動作・・・やはり、LOとしての資質は高いなぁと自画自賛

 朝からはスプリアスをある程度観測しようとAPB-3で味見・・・後々の比較データとして、画面イメージを貼り付けておきましょう。最初は10MHz発振時の高調波の様子。



 実験用の5逓倍LOを使った場合と比較すると、第三高調波が非常に小さくなっています。この辺りは実験環境依存で随分様子が変わるんで、とりあえずノイズフロアで「互角」とでもしておきましょう。次に、30MHz発振時の近接スプリアスです。



 これは、5逓倍LO使用時の同条件の測定データと比較すると一目瞭然で、ノイズフロアが軒並み-120dBを下回っています。逆に、思いっきり「スプリアス」と見て取れる信号が現れました(青いマーカのところ)が、これも大凡-100dB程度・・・総じて綺麗になったと言えますね。では、若干広めの様子を見てましょう。



 ちょっと嫌な感じですね これは、5逓倍LO使用時の同条件の測定データと比較しても劣化しているように感じます。この辺りが今後の改善課題になるということですね。

 序でに、比較のために10MHz近傍の様子をアップしておきます。

<10MHz近接スプリアス:10KHzスパン、RBW:30Hz>


<10MHz近接スプリアス:10MHzスパン、RBW:3KHz>


 上記の通りデータ取りは終了。これらのデータを見返しながら「失敗LOはひょっとすると使えるんじゃないか」・・・ということで、少し改善を施しました。



 ・出力タンクコイル周辺の改善(前述)
 ・局発用の水晶の発振周波数微調用コンデンサを40pF⇒20pFに変更
  (調整が楽になる)
 ・ダイオードダブラの直流逃がし用のRFCをマイクロインダクタに変更
  (FT225で171MHz付近のインピーダンスを稼いでみたが、
  インダクタに変更しても変化がないため安価なインダクタ採用)
 ・バッファまでの電源ラインが若干長いためパスコン追加

 今回のSG構想では、信号源を2つ持つこと・・・即ち中華DDSを2つ同時に動かすことから、個々のDDSに対してカタログスペックとして明示されている「DDS供給電力として確実に1VP-P を超える電圧供給」を前提にしたく、この辺りを考えながら「軽いアンプ+デバイダ」の部分を用意すれば、この「一旦は没」となったLOを使えそうです。
 また、残り15本程ある2SC3776については、周波数高めのLOやバッファアンプには気軽に使える扱い易いデバイスであることが判りました。今回の回路でも、171MHzで凡そ20dBのゲインを持つバッファアンプが完成・・・これが確認できただけでも自分にとっては大きな収穫、まずまず充実した「工作の週末」でした

DDS用外部LOの失敗

2015-08-24      
 先週末はハムフェアでしたが、今年は結局行かず終い。そもそも少し前から行くか否か迷っていたものの、土曜日の時点で「日曜に行こう」とは思ったんですが、中華DDSの外部クロックの「ちゃんとした版」に手を染めたらそちらの方にのめり込んでしまったというオチ その上、あまり芳しくない結果・・・まぁこれも「修行の一幕」として、この記事にまとめておきましょうかね。

 DDSの外部LOは、制御するPICに無茶な計算(乗算)をさせないように「キリの良い周波数」で発振させようと以前から画策し、「171.79869184MHz」(0.04Hzの2^32倍)を得るために28.3636MHzの水晶を6逓倍して近似の周波数を得て微調整しよう・・・と考えました。回路上の各部位に課題はありましたが、安定な3逓倍回路や7Kボビンによる171MHzのBPFなどの実験を経て回路を引いた上で、割と自信を持って組んだのがこの勇姿。



 これは非常に安定に発振したものの、結果的に「とある部分」の考慮漏れで出力が全然足りないことに・・・。後学のために、回路図に実測した信号レベルをを付記したものを晒しておきます。



 まず、最初の発振出力レベルはギリギリの及第点・・・ダイオードダブラへの印加レベルとしては+7dBm以上が良いよう(@トロ活)ですが、+2dBmくらいでも10dBダウン程度の「2逓倍」された出力が出るはずと予測(これも@トロ活)。すると、凡そ12dBダウン程度の出力が得られました(後続のATTを加味して凡そ15dBダウン)。

 さて、ここですっかり忘れていたのが7KボビンのBPFのロス このBPFで凡そ10dBほどロスっています 何たる設計ミス・・・。さらにバッファアンプのゲインが10dB程度しかない・・・ということで、結果的に-14dBmという何ともひ弱な出力となってしまいました
 この後、終段のタンク回路のインピーダンス変換度合いを疑って、図中の矢印の部分から小容量(39pF)のコンデンサで出力すると、-8dBm程度まで出力は上昇(これでこのバッファのゲインは+15dBほどとなりほぼ設計通り)したものの、+数dBm欲しいところでは梨の礫

 折角検証したBPFのロスの考慮漏れでこの回路は「没」になりましたが、皮肉なことに非常に安定して発振しています。折角ですから、この辺りの様子も「スペアナモドキ」で覗いてみました。まずは発振周波数付近。



 近傍には特にスプリアスは無さそう。続いて500MHzまで。



 環境依存の200MHz帯の2本(20MHz辺りと50MHzちょい上の奴もそうです)を除くと、2逓倍前の信号(約-48dBm)と2倍高調波(約-40dBm)が見えており、前者はダイオードダブラの横に仮置きでシールド板を立てると(一番上のスナップで広めの「空き地」があるところ)、ノイズフロアと同レベルまで落ちました。つまり、出力レベル以外は「総じて良好なLOが出来た」ということ・・・本当に残念無念

 この回路の出力不足はそれこそ「もう一石」で解決できますが、直前の実験で「5逓倍の180MHz」でDDSを動かすことが出来たことも踏まえて考えると、DDSの発振対象周波数帯にスプリアスが存在しない「一気にローカル発振方式」も魅力的 DDS制御のPICを高速に動かして、「乗算」(或いは、乗算っぽいソフト論理)を背負わせてもいいかなぁ・・・と思い始めました。実際の計算ロジックの処理速度を測定してみようかな

中華DDSの外部クロック化

2015-08-16      
 長かった夏休みも最終日・・・家族旅行を過ごしてからちょっとバテ気味となってしまい、夏休み後半はゴロゴロして過ごしてしまいました。明日からはまたしても憂鬱な仕事・・・我が生業たる「キャリア系通信」のシェアはある意味かなり深刻な不況(開発関連は完全にシュリンクしています・・・)に苛まれている状況で先が見えず、立場上致し方のない会議、会議の日々が続きそう。気分だけでも普段の自分を取り戻さなければと思い、今日はDDS関連の実験を進めることにしました。1134KHz(文化放送)をバックに実験を進めていると漸く夏休み気分が抜けてきて、普段の日曜日気分に切り替えることができた・・・というわけで、今日のDDS実験についてまとめておこうと思います。

 今日の実験の「肝」というかこれが上手くいかないと話にならんという最初のハードルは、水晶発振器を取り外した中華DDSモジュールに外部から180MHzのクロックを与えて動かすところです。クロック発振回路自体は夏休み前に既に試作済みであり、これをブレッドボード上に配置したモジュールと接続して動かすというあまり難易度の高くない作業ですが、バラックでの仕立て故に上手くクロックが供給できるのか・・・というか、結構周波数の高い発振回路が安定して発振するのかがポイントです。



 接続は難なく終了。ところがここでうっかり6逓倍モードのまま動作させてしまい、何やら全く安定しない出力が出てきたため発振回路のタンク回路を少し弄ったら、5逓倍の180MHz発振が3逓倍になってしまって遠回り 発振回路部分を一旦取り外して180MHzで発振するように再調整したところで逓倍モードの設定ミスに気づき、PICのプログラムを修正して漸くまともに動くようになりました。



 DDSモジュールの出力に10dBのアッテネータをかましています。高調波の様子は、クロック搭載状態のものとほぼ変わらないということが判りました。

 さて、この外部クロックによる6逓倍を使わない場合のメリットは近接スプリアスに現れるものと考え、さらに実験を続けました。発振周波数は凡そ30MHz(ピッタリには調整していません)、10KHzスパン、RBWは20Hzです。

<6逓倍>


<外部クロック>


 ノイズフロアのザワツキが、外部クロックの方が少ないことが判ります。それでは、もう少しスパンの範囲を広げてみましょう。以下、10MHzスパン、RBWは3KHzです。

<6逓倍>


<外部クロック>


 これは判り易いですね。外部クロックの方は発振周波数の周辺(±1MHz)が大人しくなっています。時折「ヒゲ」が見えますが、この原因はクロック云々ではないような気がします。この辺りはもう少し高周波的に落ち着けないと評価できませんが、何れにせよ発振周波数周辺のノイズフロアは、外部クロックの方が5~10dB程度有利と言えそうです。今回は、このモジュールでSGを製作する予定ですので、やはりモジュール搭載の水晶発振器には立ち退いて貰おうと思います

 夏休み最終日も20時を回りました。DDS実験の首尾は上々・・・残り数時間は、填まっているオンゲーで過ごしたいと思います

AD9851用外部クロック試作

2015-08-09      
 やっと夏休みに突入しました。連日猛暑日でムチャクチャ暑かった8月初旬・・・夏休みに入った途端に少し涼しくなり、昨夜は久し振りに熱帯夜にならず夜中まで工作三昧で過ごしました

 夏休み最初の実験は、『AD9851モジュールに180MHzのクロックを直接与えるのと30MHz×6逓倍で過ごすのとでどの程度の差があるのか』・・・たまたまぶっ壊してしまい搭載されている水晶発振器を取り外したモジュールがあるため、こいつに180MHzの外部クロックを直接与えた場合のデータと、まだぶっ壊していないモジュール(30MHzのクロックを搭載したままの状態のもの)のデータ比較を行うことでその差を見てみようという実験です。果たして、ピュアな外部クロックと内部の6逓倍クロックに大きな差があるのか・・・前々から興味があったこの「戦い」の準備として、180MHzのクロック発振回路を作りました。

 使用した回路は、すでに何度かお世話になっているJA9TTT/加藤OM考案の5逓倍回路・・・トランジスタには2SC2776、タンク回路には7Kボビンで作った4:1のトランス(被せるコア無し、同調容量3pF)とし、その他はほぼオリジナル通りの回路で36MHzの水晶を5逓倍することにしました。作り始めたのが昨晩の夕飯後だったため期せずして夜更かししましたが、結局昨晩中には安定に上手く動かず、今朝起きてから付け忘れていたパスコン(電源ラインに10uFの積層セラコン)を取り付け、7Kボビンのケースアースを強化(1点⇒2点)、さらに水晶を別のものに交換して漸く安定に発振するようになりました。



 安定に発振するようになった一番の処置は「水晶の取り替え」です。最初に取り付けた水晶では3逓倍の性質が強く出てしまい、5逓倍にするための調整がやたらとクリティカルでしたが、水晶を変えた途端に発振し易くなりました。aitendoで10個150円の水晶ですが、やはりオーバートーンについては「何個か壊すつもり」で準備した方よさそうです。
 7Kボビンのケースアース追加も安定度に寄与する形・・・ケースアースに手を触れても発振が止まらなくなりました。この辺りは、これまでの経験が活きた形になりました。

 この発振回路の確認にはGigaSTをフル活用。調整を少しずらすと「3逓倍」で安定に発振してしまうことから、単に出力だけをモニタしても判り難いんです(まぁ、5逓倍の時の方が出力が随分大きいんで、判ろうと思えば判ります)が、微調整を含めて大活躍しました。
 我が「GigaST Ver4」は、無信号時にも幾つか環境依存的に信号を拾っていて、こいつが測定には邪魔になることがあります。今回も作成した発振回路のスプリアスを見ようと思ったら結構邪魔な信号があるため、ひとまずこれを画像にして「脳内」でマイナスすることにしました。



 このスナップが無信号時のものです。217MHzと290MHzの大きめの不要信号に加え、21MHz,54MHz,83MHzにも小さな不要信号が見えていますね。これを、実際の測定データから差し引けばいいわけです。



 ATTを十数dBほどかませたデータです。180MHzの第二高調波である360MHzが思いの外強く出ています。これはタンク回路の問題だと思われ、第三高調波も同程度のレベルで出ているようです。本当はもう少し綺麗にしたいところですが、DDSが処理できる周波数をかなり超えたところのものですから、ひとまず放っておこうと思います。

 今年の夏休みの工作・実験は、こんな感じで緩やかにスタートしました。今年も恒例の家族旅行が控えていますから、果たしてここからどんな風に進んでいくのやら・・・。

7Kボビンで作ったVHF帯のフィルタはどんな塩梅!?

2015-01-15      
 171MHz のフィルタ作りが暗礁に・・・と思っていたわけですが、よくよく考えてみると「測定の仕方に工夫が要る」というところに辿り着き、今日は少しだけ早めに帰宅できたんで試してみました。測定時の工夫と言っても何も必殺技を披露するわけではなく、至極当たり前なことなんですが、やはり丁寧にしなければならないところは横着したらあかん といったところでしょうか

 先日の実験では、スペアナへのつなぎ込み部分をワニ口で引っ張り出していました。しかし、考えてみれば敵はVHF帯・・・普段のHFの下の方とは訳が違って、ちょっとした接続部分のリード線のたるみなどを含めた部分に不要な要素が纏わり付くわけですから、測定結果がシッチャカメッチャカ そして、昨日の朝の通勤途上に「ワニ口では到底無理だった」ということに気づき、今日はSMAコネクタをハンダ付けし、スペアナに接続して再実験してみました。



 被せるコアを取り払った7Kボビンに4T:1Tで巻いたコイルを2つ用意し、5pFで同調を取りました。2つのタンク回路の間の結合コンデンサは、スズメッキ線を数mmの距離に接近させただけのものです(上のスナップの真ん中当たりに写っています)。基板の裏は本当はベタアースにしたかったんですが、早く結果が見たかったんでひとまずスズメッキ線で配線しただけの状態です。そして、入出力にSMAコネクタを直付けしてスペアナで見てみたものが以下のスクリーンイメージです。



 50MHzのちょい上、さらに200MHz 少し上の鋭いピーク2つは測定環境由来のものです。290MHzと360MHz辺りに緩やかなピークが見られるものの、170MHz付近の同調点から凡そ40dBダウンとなっており、丁稚上げの割にはまずまずの特性に見えます。
 7Kボビンで同調を取ろうとすると、コイルの巻き数はこれ以上大きくするのが困難になってきます。本当はもう少しQを高めるべく巻数比を大きくできれば、単純な構成で調整も容易な2ポールフィルタの良さが活きるってもんなんでしょうが、7Kボビンを用いる方法では、既にこの辺りの周波数は限界を超えているようにも思います。

 そもそもこのフィルタ実験は、6逓倍発振回路のダイオード・ダブラの出力をこのフィルタで綺麗にできるかの味見なんですが、こればかりは、発振出力のスプリアスの様子が判らないと過不足が判断できません。まぁ、とりあえず今日のところは眠いんで「合格」にしておきたいと思います

FETの3rdオーバートーンを諦める

2014-11-24      
 前日に引き続き、FETによるオーバートーンの詰めを行いましたが、結局具合良く動きませんでした。28MHz⇒85MHzという3rdオーバートーンを目論んだんですが、何をどう弄っても「基本波」で発振、そして肝心の3倍波が-20dBm・・・これでは、6逓倍で171MHz付近を発振する原発として満足しません 詰まるところ、素性をよく知っているトランジスタに乗り換え。



 以前に散々実験したお馴染みの回路・・・オリジナルの作者はJA9TTT/加藤OMです。これで5thオーバートーンはバッチリだったんで、安心して実験開始・・・始めは、クリスタルの「ベースじゃない側」をグランドに落として発振を確認することに。ところが、流石に上の方で発振するのが得意の回路・・・5thオーバートーンになってしまいます。そこで、「5次より安定な発振にすればいいかも」と思い、コレクタ-エミッタ間に小容量(5pF)のコンデンサを追加すると、見事に「3次」の周波数で安定に発振

 もう少し深掘りするには、追加したコンデンサの適正容量の追試、エミッタのトリマ容量の検討など挙げられますが、これはちょっと後回し。出力周波数として「85.89934592MHz」を出力すべく、上の回路図のような「軽いVXO」が動くかどうかを確認するのが優先です。また、昨日の実験で、それまですっかり忘れてた「明らかにオーバートーン用ではないクリスタルのオーバートーン発振」の結果として、3倍からかなり下方にずれて発振すること(即ち、2.9x倍)を思い出し、これも心配の種に・・・というわけで、直ぐにVXO部分をクローズアップ。

 「ベースじゃない側」にコイル(T37-6 7T)とトリマをつないだら、最初に発振を始めた周波数が85.912MHz・・・これって3倍より高い周波数で、そこからVXOしましたが埒開かず そこで、予備に買ってあった同じ周波数のものと差し替えたら「85.896・・・MHz」となり、結果的にその水晶ではコイル要らずとなりました。さらに、逓倍状態を醸し出す本発振回路の重要要素たるエミッタに入ったトリマでも周波数の微調整が利くため、ひょっとすると「ベースじゃない側」には何も要らないかも知れません。この辺りは、実際の基板に組む際に様子を見ようと思います。



 この水晶は4つ同時購入したんですが、結果的にまともな周波数と思しきところで発振したのは1つだけで、後は全て10KHz程上で発振。「少し下の方で発振するかも知れない疑惑」は生じませんでしたが、何となくしっくりしない結果となってしまいました。まぁ、明らかに「中華モン」ですんで、この程度は「想定内」と言ったところでしょうか

 出力電力は5Vで6.5dBm程度出ています。ダイオード・ダブラのドライブには十分・・・流石にFETより扱い易いですね。

 最後にお遊びを一つ・・・タンク回路のコンデンサを取っ払ってみました。空芯コイルをRFCに見立てるようなイメージなんですが、これでも立派に動作しました。高調波は派手に出てしまいますが、そもそも3rdオーバートーンですから用途によっては「タンク回路不要」ということにもできそうです。



 この程度の実験ですが、相変わらず「自分なりの発見」は結構あるものです。そういう意味でも、ブレッドボードによるお手軽実験は本当に「いい教材」ですね

FETの3rdオーバートーンの実験

2014-11-23      
 6逓倍回路の実験の第一弾は、FETの3rdオーバートーン発振についての実験です。

 遙か昔・・・今のところ唯一の現存自作リグであるクリームちゃん(このネーミングは止めた方がいいな、おっさんのネーミングとして気味が悪い)を製作している最中に、部品点数が少ないのが魅力的だったFET発振にトライしたものの、思いの外安定せず、出力が小さかった記憶があります。そして、ひょんなきっかけで改めてFET発振を実験し、どうやらその原因を突き止めました。今回は、これをオーバートーンにしたら上手くいくのかを確かめようという魂胆です。



 FETは何でもよさそうですが、今後の自作で「ジャブジャブ消費してよいアイテム」として100個も購入したJ310にしました。また、「原因を突き止めた」と自慢げに記している発振の肝となりそうな帰還用のコンデンサ(図中のX pF)はとりあえず8pF。ブレッドに組むためタンク回路はトロイドに巻きましたが、まぁ総じて何の変哲もない回路です。確認事項をまとめましょう。

 1) まずはこれできちんと発振するかの確認
 2) 帰還コンデンサとゲート抵抗の関わり具合
 3) VCCの差(3.3V~12V)による変化

 ブレッドに組んで直ぐに発振を確認しましたが、基本波発振となっていましたので帰還コンデンサを減らしていこうと外したらオーバートーン発振に切り替わりました なるほど、オーバートーンでは「しっかり発振させてはいけない」ということかなぁ・・・そこで、小容量のコンデンサをあれこれ替えてみましたがやはり「なし」がベストな模様。さっきの自慢は何処へやら さらに、2pF程度でも「基本波が素敵」といった塩梅で基本波発振し易くなってしまいましたので、オーバートーンには不要と判断しました。また、ゲート抵抗も大きいほど基本波発振し易くなるようで、定数的には1MΩより100KΩ、そしてさらに低い「47KΩ」で安定していました。

 電源電圧に伴う挙動の変化は、3.3V,5V,9V,12Vで確認しましたが、3.3Vではオーバートーンしなくなってしまいました。5V以上・・・というのが一つの目安になりそう。

 上記を全て取り入れた形(帰還コンデンサなし、ゲート抵抗47KΩ、VCCは12V)として出力を測定すると+3dBm程度となりましたので、アッテネータをかましてAPB-3でスペクトルを取ってみました。第2高調波が60dBダウン・・・まずまず使えそうな感じでホッとしました。



 APB-3は、入力が-15dBmを超えるとかなり歪んだ波形を表示します。誤って+3dBmを直接突っ込んだら、とんでもない表示になりまして・・・いやぁ、壊れなくて本当によかったんですが、入力を0dBm辺りから徐々に下げていくと、-10dBmを下回った辺りから漸くノイズフロア部分が落ち着いていきました。なるほど、APB-3のSG出力が-14.6dBmというのも頷けます。
 実はこの他にも、この実験途上では様々な紆余曲折がありました。とりわけ、お手軽実験ができるブレッドボードにはちょっと高めの周波数のようで、とにかく安定した発振を得るのに一苦労・・・やはり、もう少しマシな実験基板で進めた方が良さそうです。

 それと、この実験の基となった「6逓倍回路」では基本波の周波数を3KHz程下げたいんですが、3rdオーバートーンでの下がり具合がかなり大きそう・・・これ、すっかり失念していました。ただ6逓倍回路では、28.8MHz付近のクリスタルを使いますが、きっとこのクリスタル自体が既に「オーバートーンの素養」を持っているはず。この辺りがどんな風に影響するか、さらに実験は続きます・・・。
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どよよん無線技士

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アパマンというハンデにさらにQRPまで課し、失敗連続のヘッポコリグや周辺機器の製作・・・趣味というより「荒行」か!?

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