AGCアンプとAD変換

2017-12-15      
 仕事の山がひと山越えました。暇になったとは言い難いんですが、ここ数日は比較的早めに帰宅できています。年末に向かって例年なら飲み会三昧なんですが、今春の”異動効果”で何やらペコペコしながらの無駄()な飲み会が減ったとは言えます。まさに良い傾向

 勉強不足が露呈してなかなか進まなかったAGC関連の検討が漸く少し進み始めたと思ったら、AGCアンプの特性の取り直しに逆戻りしてしまいました。半年以上前の実験では最大出力のみに着目して悦に入ってしまいましたが、AGCアンプの後段に当たるダイオードによる倍波整流後の信号はそれほど「線形」にはなっていないのではないか・・・この辺りを再実験することにしました。



 この回路は今年の3月に味見した回路構成通りに組んでいます。IF周波数は4MHzが前提。アンプの肝に当たるFETは、比較的手持ちの多い(というか、秋月で未だ入手できる)2SK192AのYランクを使っています。さらに整流用のダイオードは、V/UHFのデテクタ用途の安価(20円くらい)なダイオードを使っています。Vfが0.4V弱@1mAですから、1N60や古いショットキー(1SS43とか1SS97とか)とドッコイドッコイの特性です。要は、再現性が比較的高いであろうデバイス構成にしてみました。
 入力のコンデンサ容量は、”3月末回路”では12pFというかなり小さな容量にしましたが、「並級ダイオード検波」で出力が下がってしまったため、27pFまで容量アップ。



 検波回路への出力として-13dBm(50mV@50Ω)を仮定し、この出力を最大として入力を絞っていくと、上のグラフのような特性・・・ダイオード検波の特性がよく表れていて、予想通り”線形ではない”ということが解りました。

 この特性の出力をAD変換で受けるとどうなるか・・・実はこれを想定した実験だったわけですが、グラフを流用することでこの様子が解ります。PIC内蔵のAD変換として、10ビットで見てみましょうか。



 -13dBmを10ビットADCで表現できる最大値「1023」とすると、1dB刻みではあまり無理なく個々の「整数値」に変換されるはずです。つまり、今回の回路でも凡そ25dBの範囲はPICに無理なく取り込め、ソフト制御が可能になるというわけですね。

 問題は、90dB程度のゲイン・・・AGCのダイナミックレンジとして100dB超を想定したIFアンプのダイナミックレンジをカバーする程には到底いかないわけで、さらに検討していく必要があります。この辺りが次の記事になりそうです。

半額になった秋月SMAコネクタ活用のススメ

2017-12-10      
 今週末は久方振りの”フリー”・・・といっても少々の買い物やらはありましたが、まずまずマイペースでのんびりの休日となりました。昨日から例のAGC関連の検討を本格的に始め、特性の取り忘れがあったためちょっとステップバックしたりで実験は継続中なんですが、ちょっと思いついて「戯れ記事」を。

 今回のAGC回路の実験を始め、最近の実験には秋月のSMAコネクタを重用しています。



 左が秋月のSMAコネクタです。4個で200円・・・単価50円という値段でちょっと高い気もしていましたが、秋月に寄る度に1袋ずつ購入していました。右は中華で見つけたコネクタで、これは単価換算で33円くらいでした(購入当時)が、芯線が太くてそのままではユニバーサル基板に刺さらないためあまり活躍せず、少し前に製作した50dBアッテネータに使った以外はケース取付用としてストックしてあります。

 基板に直付けする際に邪魔になる白い絶縁材部分は、カッターで切り落として使います。



 ハンダ付けの手間はありますが、端子間(芯線とグランド間)の容量は2pF程度と430MHzくらいまでの良好なコネクションが期待できますし、ワニ口などに比して圧倒的にしっかりとした接続ができます。測定精度の向上ややり直しの軽減など、恩恵はかなりあります
 グランドへのハンダの”ノリ”もかなりいい感じで、30Wのハンダゴテでもちょっと長く加熱すればハンダ付けが可能です。勿論、2mmΦのビス・ナットとタマゴラグを買っておいてもいいでしょう。



 買い込んだコネクタは「食べられません」と一緒に瓶詰めにしています。50個くらいはストックできたようです。

 実はこのコネクタが何と半額になりました 4個で100円、単価25円ですから、単品購入のコンデンサや抵抗などと遜色のない値段で入手できるように・・・これは、活用しない手はありませんよ

忙しい合間の電圧計の処置

2017-12-07      
 師走を迎えて早一週間、めっきり寒くなりました。暑がりの自分はスーツの下にベストを着て凌いでいましたが、流石に今朝からコート着用。まだ、コートの裏に付ける着脱可能なモアモア(何ていう名前か知らん・・・)は外してありますが、快適に通勤できました。

 このところ仕事の方が結構忙しくて早く帰ってきてもグロッキーなことが多く、22時前後に寝てしまう始末・・・これでは、ヘッポコ工作が進みません。そこで、今年のGW明けに発覚した「秋月デジタル電圧計」の発振(多分、ダイナミック表示の電圧変動の漏れ)について処置し、我が主力電源の電圧監視を行えるよう試みました。

 この処置のヒントは、記事にも時々登場する「とおちゃん」の「電源三線化」でした。即ち、二線式電圧計で共用となっている電源と測定端子としての分離です。この改造方法はネットに記事が一杯転がっていますから割愛するとして、どんな風に処置したかを回路図で説明しましょう。



 要は、電圧計の電源はレギュレータのIN側・・・どでかい容量のコンデンサがある方に接続して800Hzのパルスを吸収させようという魂胆です。さらに、この電源の回路構成上ブリッジ出力電圧が結構高くなり、電圧計にとってはちょっと心配な電圧が掛かりますから、回路図上の赤線の先っちょに510Ωの抵抗を直列に入れました。

 では、この対策結果をご覧あそばせ



 やれやれ、これで800Hzご一行様がいなくなり一件落着。



 やはり、ロータリースイッチ周りの小さなレタリングより、電源電圧がハッキリとよく見えます。隣に鎮座まします旧型電圧計もスナップに。斯くして、ちょっと二枚目になった電源・・・平日のプチ修理はめでたく完了となりました。

AGC回路の検討

2017-11-15      
 11月も半ばとなりかなり寒くなってきました。千葉県北西部の風物詩である「早朝の霧」も何度か発生しましたが、今朝は一段と濃い霧で、ちょっと幻想的な風景での出社となりました。
 今週末はまたしても孫娘の七五三などあってへっぽこ工作・実験時間が取れるか判らないため、少しでもその設計フェーズを進めるべく、この記事を認めておきましょう。

 まずは、ブロックダイアグラム的な絵図を。



 では先頭から。AGCアンプは、既に半年以上も前になりますが実験を済ませています。50mVくらいの入力で2V程度の出力が得られる回路ですが、IFアンプの最後段の出力を拾うだけですから、まずは入力インピーダンスが高いことが条件。出力は比較的インピーダンスの高いAD変換に直結しますから、まぁそんなに神経質にならなくてもいいでしょう。

 AD変換部分はPICのAD変換・・・10ビットの分解能で受けることにします。IFアンプの総ゲインを凡そ100dBとすると、これを1024分割した値で受け取りますから、かなり細かい階調になるはずです。問題は変換速度。これが遅すぎるとAGCループとして遅延が生じてしまいますから、できるだけ高速な変換速度が必要ですね。まぁ、PICのクロックを数MHz以上にすればこの変換処理には数十μSしか掛かりませんから、そんなに神経質になる必要は無いでしょう。

 AD変換の結果は、IFアンプのAGC曲線(でいいかな)を考慮した電圧を出力するようにデータ変換し、その値をPIC外付けのDA変換に渡します。ここは、デバイスのチョイスによりSPIインタフェースで渡すことになりますが、シリアル通信で数十μSは必要になり、その後にDA変換にも数十μs・・・あまり問題にはならないでしょう。

 AGC回路の最後尾は、IFアンプの制御電圧との整合を図る部分です。今回はMC1350が前提ですから、凡そ5Vから7Vくらいの出力にするために、いわゆる「ゲタを履かせる」ということになりますが、ここはオペアンプに任せてしまいます。

 AD,DA変換とオペアンプの「ゲタ」には適切な電圧の供給が必要ですが、この辺りはボリュームでの調整となります。全部で4つの調整箇所が必要になりますからあまりスマートではありませんが、試案の段階ですから放っておきましょう

 さぁ、この設計通りに実現できるのか・・・ちょっとワクワクしています

MC1350のAGC特性

2017-11-01      
 三連休の初日には、我が愛する宇宙人一号の運動会が予定されています。当初予定は10/14だったんですが、当日は雨で順延。 翌週末は台風二十一号で雨、そして先週末も雨となり、流れに流れて11/3に予定がずれてきました。ところが、今晩の天気予報を見たらまたしてもあまり良い天気では無さそう・・・よっぽど強烈な雨男子か雨女子がいそうです。

 今週は、ブレボに組んだMC1350アンプが工作机の真ん中に置いてありますから、帰宅後に少しだけ実験を進めています。そして、入出力に同調回路を背負った形の標準的な回路を組んで、利得の様子を見てみました。



 ”標準”なんて気取ってますが、言わば「カタログ通りで何の変哲も無い」ということです RiとRoは必要に応じて入れても良いという意味で、入力側はインピーダンスの固定に、出力側は発振防止用にといったところ・・・今までの実験にも時々登場しましたね。

 さぁ、この回路の利得の様子です。



 特に説明は要らないでしょう。入出力の同調回路のQがあまり高くないためかなり広帯域に増幅してしまいますが、実験中は安定に動いていたことから再現性は良さそうです。

 さて、ここまで組んだらやはりAGC特性は測っておくべきでしょう。

 AGCの測定は出力をどの程度にして測定するかがポイントですが、ひとまず復調回路への入力として必要十分であろう”0dBm”としています。手探りですが、このアンプの1dBコンプレッションレベルは+10dBmくらいだったんで、0dBmはそこから10dBダウン・・・直線性は保たれているレベルでしょう。



 AGCの制御電圧範囲は緑の両矢印で示した範囲くらい・・・この範囲の特性を見ると、-20dBから下に向かっては比較的リニアな特性のようですが、そこから上の方はお世辞にもリニアとは言えませんね。まぁ、この辺りを上手く制御できるAGC回路の完成が最終目的ですから、とやかく言うのは止めましょうかね

 実際のIF回路ではこのICを2つシリーズ接続することになりますから、AGC特性はもっと違った感じになると思いますが、とりあえず基礎データとしては採れたと思っていいでしょう。そろそろ寝ましょうかね

MC1350の出力回路(Single-Ended編)

2017-10-28      
 週末の雨が定着してしまったようですね。実はとある予定があるんですが、この雨でずっと延期しています。まぁその分、ノンビリと休日を過ごしています。

 どうもタイトルが大袈裟になってしまいましたが、MC1350の出力回路をシングルエンド・・・単純なLC同調+インピーダンス変換として動作させてみました。まずは回路図から。



 前回の実験同様、入力側はミスマッチ上等 と50Ωとしています。出力側は、ICの出力インピを1KΩと想定して、QLを12くらいのつもりで組んでいます。
 タンク回路に並列接続している2.2KΩの抵抗は、かなり高いはずのICの出力インピを落ち着ける場合を想定していますが、入力側の測定の場合と同様、付けない場合のデータと比較してみました。



 40dB弱の利得は取れるようですが、やはり”Differential”の場合より少しゲインが落ちてしまいます。コイルの作り方はこちらの方が圧倒的に簡単ですが、きちんと利得を取りたければ「中点タップ巻き」に軍配でしょう。そういう意味では、FCZコイルを利用した製作記事をよく見かけるのにも頷けます。

 これで入出力の条件はハッキリしました。ひとまずこれらの条件で、このICのシングルアンプを組み立てたいと思います。亀の歩みは未だ続く・・・

MC1350の出力回路(Differential編)

2017-10-24      
 台風一過となった今日は好天になるかと思いきやそれ程でもなく、帰宅時には小粒の雨粒が頬に当たるほど・・・何だかピーカン・デーが恋しくなります。「秋晴れ」という言葉を使える日はいつ来るんでしょうね・・・。

 実験途上のMC1350の出力回路ですが、ひとまず手に付けてそこそこの結果が得られた”Differential"の出力回路についてまとめておきましょう。まずは回路図から。



 APB-3を使った測定ですから入力側はミスマッチ必至ですが、出力側は中点タップのタンク回路として差動出力回路を形成していますから、内部回路との親和性はバッチリでしょう。問題は、ICから見たときの出力インピーダンスをどのくらいにするかという部分です。

 前々回の記事で「出力インピは
500Ω~数KΩとしてマッチング可能」と結論しましたが、IF周波数によって大きく変化していることも判っていますから、ひとまず「だいたい1KΩ」という設計仕様で考えました。即ち、タンク回路自体は中点タップの構成ですから、インピーダンスが250Ωくらいになるような同調定数にすればよい・・・というわけで、前提となる中心周波数である凡そ4MHzで「150pFと10μHくらいの組合せ」と導き出しました。
 このくらいのインダクタンス値になると鉄ダスト系では巻数がかなり大きくなることから、今後の設計の幅を広げるために、いわゆる「フェライトコア」(FTシリーズ)の透磁率が低い方のもの・・・FT-37-61に巻いてみました。

 FT37-61で10μHとなる巻数はAL値からの計算で13回巻き。ところがこの巻数でインダクタンス値を測ってみると、7.5μHくらいにしかなりませんでした。フェライトコアは透磁率の誤差が結構あり、±20%くらいは許容差とされています。まぁ、用途を考えればこの程度の誤差は確かに許容範囲であり、そういう意味ではギリギリ計算値内ではありますね

 同調周波数は4.75MHz付近になってしまいますが、そのまま特性を取ることにしました。ただ、2次側のリンクコイルの巻数は1~3回巻きとしてデータを採ってみました。



 巻数が少ないほど利得は高くなっています・・・って当たり前ですね ただ、1回巻きではかなりQが高くなってしまい、ちょっと扱いずらそう・・・っていうか発振しそう。3回巻きでは利得が少し心許なくなってしまいますから、ズバリ2回巻きが良さそうです。

 こんな感じで”Differential”の様子は判りました。次は無論”Single-Ended”でしょうね

MC1350の入力回路

2017-10-22      
 かなり大きな台風接近・・・昨日からの買い出しの成果で今晩は”鍋”と決め、幾本かのアルコール も買い込みましたから一安心。アンテナもモビホと細いワイヤーしかありませんから、仮にワイヤーがぶっ千切れて飛んでいっても大丈夫でしょう。風はこれから強まりそうですが、明日朝の通勤時間まで影響が残るかどうかが今のところの注目点です。

 さて、漸く仕事の方も一段落したんでもう少し”工作系”を加速しようと思います・・・が、まぁ焦っても仕方がありませんから、週末中心の作業をジワジワと進めたいと思います。

 MC1350の味見実験は前回記事にしましたが、入力側の挙動はほぼ掌握できたということにして、同調回路を付けてみました。



 今回の実験では、先に製作した4.095MHzの水晶フィルタに合わせるため周波数は大凡4.0MHzくらい、入力インピーダンスは200Ωの水晶フィルタが直結できるよう、当初は1:4のインピーダンス変換・・・FB801-43にバイファイラ巻きでと考えましたが、このICを2段接続した場合も考慮してLCマッチにしてみました。Rinを820Ωにした場合の入力インピーダンスは720Ω程度と実測されたため、これに合うように定数設計してあります(実験であるため、入力は50Ωとしてあります)。



 出力側は27μHのRFC(FB801-43x4T)でこんな特性になりました。1つのタンク回路としては結構イイ感じの特性になっています Rinを外した場合の方が3dBほど利得がありますが入力インピーダンスも上昇してしまうため、水晶フィルタの出力につながるアンプとしてはこの抵抗を取り外してしまわない方が無難でしょう。この辺りは実際に組み上げた際に確認したいと思います。

 実は出力側も実験したんですが、まだ上手くまとまっておらず追試が必要そう・・・これを次回のネタにしようと思います。

MC1350アンプの味見

2017-10-13      
 前回記事から3週間・・・私的には多分今週末一杯、仕事的には来週一杯までは忙しい状態が続きそうです。この3週間の間に季節はすっかり秋に変わったと言ってよさそうですが、ホンの数日前までは夏日を記録していたわけで、今年はやはりちょっと変わった秋の迎え方になりました。果たして、我が家の前のケヤキ通りはきちんと色付くんでしょうかねぇ

 IFアンプの製作を進めるべく、まずはMC1350単体の味見を・・・とその前に、このアンプ単体で得られる利得を打ち消して、APB-3等で測定するのに取り回しが楽になるよう、50dBのアッテネータを作りました。



 入出力にそれぞれ6dBのπ型アッテネータを配し、その間を7.5KΩ(15KΩを2本並列)で接続した簡易なものです。特性はご覧の通りです。



 500KHzから15MHzくらいまでの間は凡そ-50dBをキープしていますが、その上のHF帯+α(40MHzくらい)までは0.5dB以内の誤差には収まっています。普通のカーボン抵抗で作りっぱなしですから、こんなもんでしょう

 さて、MC1350単体の味見は、以下のような回路をちょっと高周波的に良さげな"改良ブレッドボード"に組みました。



 AGCはグランドに落とすとこのICの最大利得になります。以下、AGCはグランドに落として測定しました。

 測定結果の前に・・・データシートから算出した入出力インピーダンスの様子を再掲載。



 それでは、入力インピーダンスから。上の回路図のRinには何も接続せず、このICの入力インピーダンスを直接測りました。



 データシート計算値と比較的近い傾向です。HF帯の低い方・・・10.7MHz以下は数KΩ~5KΩと考えていいでしょう。これなら”FETアンプ程度”と考えれば良いわけで、そんなに苦労なくマッチングできそうです。

 一方、出力インピーダンスはというと・・・。



 これは、出力インピーダンスを測定する際に終端するインダクタンスに引っ張られる形でしか上手く測定できませんでした。このグラフの赤線は4mHのインダクタ、青線がFB801-43に0.26ΦのUEWを8回巻きした100μHのコイル使用時の特性です。その他、幾つかのマイクロインダクタで測定しましたが、そのコイルの自己共振周波数のインピーダンスを測定しているような格好になるだけで特性の見極めができませんでした。

 まぁ出力側は、実際のアンプとしての動作をさせながら考慮した方が良かろうと、ゲインの測定を行いました。この時の入力インピーダンスはRinを無接続、820Ω、51Ω、出力インピーダンスはFB801-43に0.26ΦのUEWを4回・・・凡そ27μHのコイルを接続した状態でやってみました。



 上がRin無接続、下が51Ωの時です。Rin無接続と820Ωでは殆ど差が無かったこと、逆に51Ωとすると全体ゲインが7,8dBほど落ちてしまいますから、このICの入力については、接続する回路の出力インピーダンスを数百Ωから数KΩ程度に上げてやることが肝要なようです。

 出力インピーダンスは上記の結果からだけではきちんと導き出せませんが、3MHzで27μH・・・500Ω程度のインピーダンスでしっかり利得が稼げるようですから、”どよよんラボ”としては一つの指標として「出力インピーダンスは500Ω以上で整合」という結果にしようと思います。
 ちなみに、出力コイルと並列に51Ωの抵抗を接続すると、ゲインが20dB少々でフラットになります。この辺り、広帯域アンプの挙動と似ています。

 上記をまとめると、以下のような感じでしょうか。

 ◆前提:HFの下の方(数MHz~10.7MHz)
 ◆入力インピーダンス:数百~数KΩとしてマッチング
  Rinを適当に置いてやる
 ◆出力インピーダンス:500Ω~数KΩとしてマッチング可能
  数十Ωでは利得低下
 ◆上記を守ればゲインは40dB以上取れそう

 漸く実験結果がブログに掲載できました。次回はこのIC単体で、先に作ったクリスタルフィルタ(入出力インピーダンス200Ω)を前提に、入出力の整合を含めたブレボ実験を続けたいと思います が、ここ来週一杯くらいまでは手が付くかどうか

ブレッドボードの改良と微小容量測定時のキャリブレ留意点

2017-09-23      
 今朝はかなり気温が下がりました。Tシャツ一枚でゴミ出しに行ったら、暑がりの自分でも流石に涼し過ぎな感じ・・・セミも鳴いておらず、明らかに秋が近づいた気がしました。

 今日はあれこれ片付けながら、合間を見てプチ工作・・・ブレッドボードの改造を行いました。今後のIFアンプの実験で多用すると踏んでの準備です。

 ブレッドボードは大変便利なツールですが、高周波実験ではある程度気を遣いながらの配線が肝要です。ただ、安定に実験を進める上ではそれだけでは少々心許ない感じ・・・グランドに関しては"買ってきたまま"では少々役不足になるように思います。そこで、よく使う小型のブレッドボードの裏にグランドを貼り付けることにしました。



 このブレッドボードの裏にグランドとして0.6mm厚の片面基板をカットして貼り付け、ボード両端の"-"の部分をグランドと直接接続してしまい、グランドへの配線が高周波的に改善するようにします。



 このボードの両端の電源ライン部分は簡単に分離することができます。この部分の金属端子を外して底の部分に小穴を開け、短いスズメッキ線をハンダ付けしておきます。その上で、底面にカットした基板を貼り付ける際にこのスズメッキ線が貫通するように穴を開け、基板を取り付けた後でスズメッキ線とグランドとをハンダ付けして完了です。



 完成後の様子です。四隅のハンダ付けがスズメッキ線と接続した部分です。手前のハンダ付け痕は、実験時に電源のマイナスとの接続が簡単・確実になるようタマゴラグを取り付けたもの。30Wのコテで無理矢理取り付けたためちょっと汚いですが、まぁ裏面ですから見なかったことに

 さて、ここまでできたら前々からやっておこうと思っていた”ブレッドボードのストレー容量測定”を行うことにしました。これは、JA9TTT/加藤OMが既に実施・発表されているものであり、多分同様の結果に落ち着くものと想像していましたが、兎に角自分ので確認することに意味がある・・・ってなわけで実測開始。
 結果は意に反さずほぼ同じ値・・・ではあったんですが、どうも自分の測定結果の方が軒並み0.5pF程度多くなるんです 測定器は氏と同様”DE-5000”を使っており測定前のキャリブレも手順通り行っていますから、拘り症の自分としては納得がいきません。が、コンデンサ容量測定は相当数こなしてきたことから「ひょっとして・・・」とキャリブレの”ある部分”が不味いのでは と考え及びました。

 DE-5000のキャリブレは、測定端子のオープンとショートの状態をそれぞれ30秒間自己測定して行う仕様になっています。ショートの方は直流的に測定端子をショートさせるからいいとして、問題はオープンの方・・・ちょっとスナップを使って説明しようと思います。



 DE-5000の測定端子には、チップ型のデバイス測定に使用するプローブ”TL-22”を使います。このプローブのオープン状態は、このスナップで判るように1cm強の間隔になります。この状態でキャリブレした後に、例えばこのスナップのように隣り合わせのピン接続端子間の容量を測定する場合、プローブ先端が2.5mmくらいに近づきます。すると、このプローブの端子間容量の影響が出てしまい、測定容量が上昇してしまうんです。
 そこで、オープン状態のキャリブレの際に2.5mm程度になるようにしてキャリブレを終えて測定し直すと、期待した(加藤OMの測定した結果に近い)値となることが判りました。

 このことは、キャリブレ中の測定端子間の間隔を”実際に測定する際の間隔”に合わせてキャリブレしないと上手くないという、”自作LCメータでの経験”があったお陰で長時間悩まずに済んだ次第。日々のヘッポコ実験も、こうした部分で役立つわけですな
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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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