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実験用電源ケーブルの要件(了)

2016-07-17      
 三連休初日は、前日の飲み疲れで昼寝を3時間以上してしまい壊滅的な状況、そして酔いが抜けて元気になったのが夕飯後となり、懸案の電源ノイズ対策を進めた結果夜更かしに 日を跨いで漸く「記事纏め」に漕ぎ着けました。

 まず、効果があった電源ケーブルへのパッチンコア装着を棚上げし、現用の実験用電源・・・ヤフオクで「野口英世先生お二人様」で入手したサンハヤトのDK-911の回路を調べてみました。
 この電源はいわゆる「トランス式」であり、スイッチング電源では悩ましい高周波ノイズ等は発生しないことから、アナログ回路には有利と踏んで使っています。安定化回路の中心はポピュラーな”LM317”であり残留ノイズはやや多めですが、まぁ普通の実験用途には十分かと考えていました。ところが回路図をしげしげと眺めていると、折角LM317のデータシートに記述があるリップル低減策・・・LM317の電圧可変端子をパスコンでグランドに落とすと、落とさない場合よりリップル減衰比が15dBほど大きく(65dB⇒80dB)なるという策が施されていないことが判明。



 上記の回路はDK-911の取説からの抜粋です。ひとまず、赤丸で囲んだ部分にパスコンを入れて確認を開始。確認方法は直前記事同様、8MHzの自作FET発振器のスペクトル観測です。



 前回の記事の画像で既にお馴染みの「100Hzの角」波形ですが、コンデンサの追加により少し大人しくなりました。電源からの漏れが少し減った効果かと思われます。

 続いて電源ケーブルのシールド実験・・・1.5D2Vの切れっ端(30cm程)にDCプラグを付けて確認すると、これが何と全く効果がありません 即ち、今回の100Hz&高調波ノイズの問題は、誘導による飛び込みではないことは直ぐに判りました。

 こうなると、パッチンコアで行った対策は、「①電源ラインに乗って到来する100Hz(+高調波)に効果があった」と「②グランドループが断ち切られた」という理由が考えられます。とりわけ、50Hzの高調波が目立たないのはブリッジ整流後に発生する漏れ(全波整流のため、脈流としては100Hzが大きく現れる)が有力であり、この電源回路ではブリッジ整流以降の安定化が不十分でその漏れが大きいのではないかと自分なりには結論しました。しかし、グランドループで余所のノイズを拾って来ている可能性も否めません。

 とは言え、何れにしてもパッチンコアによる対策効果が高いわけですから、これをスマートに実現すべく工作を始めました。これには既存の電源ケーブルの並行フィーダがある程度の巻き数で巻き付けられるトロイダルコア・・・FT82-77を使用しました。最初は1つのコアに7回巻きのものを1つ装着しましたが効果が今一歩・・・ということで、電源ケーブルの両端にバイファイラ巻きのものとキャンセル巻きのものを1つずつの合計2つで落ち着かせました。



 さぁ、ケーブルの確認・・・まずはノイズの軽減具合を確認すべく、DK-910の出力ノイズの様子を9V出力で観てみました。



 ±40mV程度のノイズが見えています。ヒゲのようなノイズが結構ありますね。続いてケーブルを接続してその先端で同様に観測。



 かなり綺麗になりました。早速、発振器のスペクトル観測。



 すっかり綺麗になりました。「100Hzの角」はほぼ殲滅・・・いやぁ、結構気持ちいいです

 800Hzのビートは相変わらずありますが、これは470μFのケミコンを発振器の電源端子に接続すると軽減できます。



 かなり軽減して他のノイズと同程度まで引っ込んでいます。これはお遊びの一環ではありますが、電源ラインのデカップリング(低インピーダンス化)にはやはり意味があるんだなぁと痛感しました。

 以上、紆余曲折はありましたが、この電源でもヘッポコ実験程度はできそう。もう少し高級な電源を用意してもいいんですが、手狭な工作机に似合うこいつをここ暫くは使っていこうと思います。



 電圧計は秋月の小型電圧計です。かなり前から売られてますが、イッパシに校正ボリュームが付いていて結構イケてますよ

実験用電源ケーブルの要件(序)

2016-07-11      
 「暑い、暑い・・・」とボヤいても涼しくはなりません。今日も本社に戻ってきた部下がボヤいているのを聞いてちょっとからかってしまいましたが、7月前半に似つかわない気温、日照、照り返しは、若い衆にも堪えるようですね

 昨日はFET1石の発振回路における最適負荷抵抗値を求めようとヘッポコ実験をしていました。前提としたQ(=5)が低過ぎたためか、350Ωから500Ωまでのなだらかなピークを認めただけで、結局あまりよく判りませんでした。
 夕飯を終え、「この実験はリベンジしよう」と棚上げし、最後にこの発振実験で使った発振回路のピュアリティ・・・発振周波数近辺の様子をAPB-3で見てみようと思い立って観測してみると、何やら100Hzのピークを伴う汚いスペクトルが現れました。そして、あれこれ試行錯誤をした末、原因が判明しました。直ぐさま記事にしよう・・・と思ったんですが、「日曜の夜更かしは翌日、いや翌週一杯響く」とまともな社会人の如くの考えに至り、今日の宿題としました。

 今日は帰宅後に早速、昨晩の再現試験とデータ採りに手を染めました。まずは昨日の再現をすべく、「100Hzの角」が一杯のデータを採取。



 何じゃこれ って感じですね。よくお供になる50Hzを差し置いて、100Hzの高調波が乱立しています。これって、わざわざこうしないとこんなに無残なスペクトルにはならないでしょう。それも、測定しているのは何の変哲もないFET発振器・・・実際、ちょっと呆気に取られました。
 最初に疑ったのは、測定器側の不具合・・・しかし、電源は自作シリーズ電源、最短距離&シールド線で接続するというぽぼ「鉄壁」のノイズ対策を施していますから、流石に測定器側でないことは直ぐに切り分けられました。すると被測定側が・・・

 発振回路はコンパクトに作った上、不安要素は殆どあり得ない・・・とすると、商用電源からのハムのリークが有力。電源からは並行フィーダで発振回路に電源を供給していますが、たかだか1m弱の配線ですから「ここに電源誘導しているとは考え難いなぁ」と思いました。しかし、未だ完成していない周波数カウンタの実験途上で垣間見た50Hzの威力を思い出し、手近に転がっていたパッチンコアでこの並行フィーダをパッチンコ。



 まぁ、こんな無造作な感じで秋月に売っているLF-102Bに5回程巻いてみました。すると・・・



 え~って感じですよね。ちょっと驚くべき劇的な改善・・・というか、これが正しい姿でしょう。つまり、電源ケーブルを無造作に接続すると、電源ハムの影響受けまくりということですね。さらにちょっとおふざけで・・・。



 これは、コアをパッチンした上で発振回路の電源部へパラに470μFのケミコンを接続したものです。800Hz付近にあるビートが明らかに減っています。また、ノイズフロアに当たる部分も細かく上下しており、様子が変わったことが判りますね。

 こんな風に、DC電源からのケーブルが商用電源のハムを拾って悪さをすることは明白になりました。今回のパッチンコアによる対策より、並行フィーダをシールド線に交換する方が効果がありそうです。今週末には、この辺りを明らかにして纏めてみたいと思います。

修正 2016.07.13>
 最後のイメージがシングルスイープになっていませんでした。データ取り直し、差し替えました。

1SS106のすすめ

2016-07-09      
 少しだけ涼しかったのは明らかに雨のせい・・・それでも、インドア派には過ごし易い一日となりました。朝からちょっと圧迫感のあった段ボールをゴミ出しし、工作机をチャッチャと片付けてヘッポコ実験に興じることができる快適な一日

 このところ電力測定関連のプチ調査ばかりやっていたんで、そろそろ次のフェーズに進みたいわけですが、自分なりに「ここまではきちんと調べておこう」という『残務』を片付ける雨降りの午後になりました。漸くあれこれ片付いたんで、ここ一連のプチ調査で活躍してくれたデバイスであるちょいと古めのショットキーダイオードを紹介しようと思います・・・って、タイトルにバッチリ記されている1SS106のご紹介也

 電力測定用のショットキーダイオードは、1SS16⇒1SS43⇒1SS97という系譜・・・というか入手し易さで、これらの型番のものがポピュラーでしょうか。流石に1SS16は古いんで、もう枯渇したと言っていいと思いますが、その後の1SS43辺りは部品箱の片隅にへばり付いているかも知れません。自分は、1SS43の保有個数が減ったときに1SS97を10本程入手し、検波や電力検出用途ではこの程度の本数で十分かと思っていました。
 ところがこの1SS97が案外Vf が高く、0.3V程度は必要であることが後から判りました。こうなると、受動素子で組む-10~-20dBm程度の電力検出にはちょっとしんどいということが判り、「ここぞ」という時(どんな時かは、お読みの皆様のシチュエーションに当てはめて考えて下され・・・と逃げ口上)に使えるショットキーダイオードを探した時期があって、最初に見つけたのが1SS108。ところが、これを手に入れるのに手間取っていると、さらにVf が低そうな1SS106を見つけました。

 まぁ、電力検出がどうのこうの・・・なんてことはそうそう「工作日常的」には起こらず、長いこと手に入れずに放って置いたんですが、中華取引の合間の検索で見つけてややどっさり(といっても20本)入手しました。
 中華取引では「パチモン」を掴まされることを覚悟する必要があり、到着後に早速Vf を測ってみたのは言うまでもありませんが、特に問題はなかったよう・・・ここ数週の電力測定で威力を発揮してくれました。



 この記事用にスナップを撮るべく無作為抽出した1SS106のVf を測定してみました。かなり低いことが判りますね。この位のVf になると、(上手く作れば)-30dBm近くまで検出できる半波整流型で受動型の電力検出アダプタが作れます。表面実装型のショットキーを具に調べたら、この程度のダイオードは見つかるかも知れませんが、小型でガラス封入型としてはひょっとして「最後の一品」かも知れません。1N60よりも検波能力が高そうですから、ラジオ自作派の方々にもお薦めです。

 少し前までaitendoさんにも置いてありましたが、今は品切れとなっています。サトー電気さんには(今日現在)置いてありそうですよ

APB-3のスペアナモードの周波数特性補正

2016-07-03      
 昨日は大きな宴会があり、午前中から夕方まで飲んでいました。流石に夕飯を食べたら爆睡 で今日は完全なる休息日・・・本当はプチ実験を画策していたんですが、水が低いところに流れるが如く()手元でできる簡単なことに着手。これとて直前記事で足を洗ったはずなのにやはり気になる部分は気になる・・・ということで、題名の通りさらなるAPB-3 のソフト改良を行いました。

 直前記事ではAPB-3のスペアナモードにおいて測定対象周波数・・・1MHzから40MHzの測定時の電力値について検証し、10MHz以上での感度低下が結構あることが判りました。これは、AD変換による測定では仕方がないところであり、ひとまずその様子をきちんと知っておきたかったわけです。
 一方、周波数の基準となるクロックの微調整を行うべくAPB-3のPC上の制御ソフトに手を入れ始めたら、自分なりのアレンジが利くことが判り、この感度低下の補正にまで手を出そうと思い立ちました。

 まず、例によってSGの出力を基準に見立て、この電力とスペアナモードの表示電力のズレを周波数毎に偏差としてまとめてみました。



 これを見ると、1MHzから20MHzまでは±0.3dB程度の偏差にまとまっています。しかし、30,40MHzは感度低下が顕在化していることがはっきり判りますね。また、(-5dBmから)-60dBmのぐらいまで測定電力では、各周波数における偏差がかなりリニアです。そこで、-10dBmから-60dBmまでの値を使って各周波数で平均を取り、この値で近似式を導いてみました。この辺りはExcel の十八番



 比較的綺麗な近似曲線が描けています。プログラムの修正は、この多項式をグラフ表示のデータ生成部分に埋め込めばいいんですが、後々さらに微調整する場合を考慮して、この式から導き出される「MHz単位の値」で配列データを作っておき、これを参照して補正する形としました。また、10MHzを正規化基準とするため、10MHzでの偏差が「0」になるように全体の値を少し小さくしました。

 本日午後からチマチマと作業し、夕方にはプログラム改修は終わりました。ソースプログラムの改修の様子は面倒なんでアップしません



 各周波数の偏差が-60dBmまででは±0.1dBチョイ程度まで補正することができました。これで、発振器の高調波測定などのポピュラーな測定には十分でしょう。また、-60dBm以下の電力測定においても、±0.3dBm程度には納めることができました。もう少し追い込むこともできますが、ひとまずはこの辺りで留めたいと思います。

 直前記事で打ち止めの予定だったAPB-3の改修・・・本当にお開きにしたいんだけどなぁ

APB-3の周波数特性

2016-07-01      
 今週は仕事よりも「肝臓」が忙しい一週間。漸く今日(既に昨日か・・・)は「飲み」はなく、かつ早く帰ることができました。

 この記事はまたしても「APB-3モン」ですが、自分としてもここまで纏め切ってしまえば「深み」を抜け出せそうな気がしています。一気に纏め切ってしまいましょうかね

 APB-3のスペアナモードでHF帯の信号の様子を測ることは、自分としては「かなりポピュラーな測定シーン」になります。表示された波形やdBm値はある程度信じたいと思い、直前の記事に記した制御ソフトの改良で少なくともdBm表示は追い込んだ気になっていますが、10MHzを標準とした合わせ込みだけでは少々片手落ち・・・特に、高調波を測定するような場面では周波数特性がフラットでないと上手くありません。
 一方、APB-3の仕組みを考えるといわゆるAD変換で電力測定していることは明白ですから、採用されているデバイスとその使われ方で、高域程落ちる特性・・「高い方の電力値が小さく見える」という傾向はあるでしょう。そこで、この辺りを検証してみることにしました。



 上のグラフは、APB-3としては測定電力が大きい方・・・0dBmから-10dBmの入力(SG出力)に対して表示されるAPB-3の表示電力を示しています。-4dBm以上の部分はリニアリティを失って低めの表示がされることは一目瞭然。例えば、基本波を0dBmとした高調波の測定では、このコンプレッションした分(3dB程度)の誤差が出ることは明白です。
 一方、周波数特性的には1~10MHzの特性にはあまり差がありませんが、20,30,40MHzと周波数が上がっていくと感度が落ちていくことが判ります。総じて、1MHzの表示に対して10MHzで-0.1dBm、20MHzで-0.2dBm、30MHzで-0.7dBm、40MHzで-1.5dBm程度、測定値が下がって見えます。

 では、もう少し小さい電力の方の特性を。



 このグラフでは1MHzの表示から最も大きく下がって見える40MHzにフォーカスし、その差分を「⊿」で記しています。小さな電力の方は、測定値がチラチラ動いてしまうため目視誤差を含みますが、大雑把に言って-1.6dBm程度の差がある・・・逆に、40MHzより高い周波数ではこれより小さな差異に収まっています。具体的には、10,20,30MHzの差異は、電力値に関わらず最初のグラフの解説で記した程度で一定しています。

 以上のことから、例えば「13MHzの基本波の第三高調波を測定する」というモデルで考えると、39MHzに現れた第三高調波の電力表示は、少なくとも実際より-1.6dBm程度低く表示されていると考えることができます。また、その時の基本波電力は-4dBm乃至-5dBmを超えてはいけないということも、併せてチェックしなければならないということです。さらに、これまでの経験として-10dBmを超える入力を与えるとかなり歪みが観測できるようになりますから、測定条件が許せば、安全サイドで「-15dBm以下」の入力というのが望ましいものと思われます。これは、APB-3のOUTPUT電力が-14.6dBmであることからも納得できる値でしょう。

 以上のことは、ネットアナモードではノーマライズしてしまえば全く気にならない部分ですが、スペアナモードでは考慮すべき部分であることに違いなく、これらの周波数特性を制御ソフト側で補正することも可能でしょう。ただ、差があるある と騒いだところでたかだか1dBあまり・・・となると、拘るか否かの問題に帰着します。なおかつ狭帯域な測定では全く問題になりませんから、折角ここまで読んで頂いた皆さんにも「与太話」と整理して貰っても結構ですぜ・・・あぁ、満足、満足、これでAPB-3の素性を暴くシリーズ()は終われそうです
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どよよん無線技士

Author :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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