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2008年11月14日金曜日

【測定】ヘテロダイン周波計


LM-21型・米海軍用ヘテロダイン周波計とは
 既に、シャックにはGPS周波数基準器やルビジウム原子周波数標準器が入っています。 いまどき『ヘテロダイン周波計』でもないかもしれません。

 ところが、意外に人気があるらしいので少しだけ紹介してみることにしましょう。

 左の写真は米海軍の『LM-21』と言う、ヘテロダイン周波計です。 この『LM型』は米海軍の標準的な装備品だったようで、長いあいだ継続生産され、マイナーチェンジ版が多数存在しています。 それらの中でLM-21は最後期型らしく性能的にも完成しているようです。

 日本のHAM局には米陸軍用のBC-221(→参考リンク)の方がポピュラーだったようですが、回路を見ると基本的に同じようなものでしょう。 なお、BC-221はMetal/GT管化されましたが、LM型は最後まで使用管はST管のままだったようです。

   心臓部である検波管はLM-21では6A7と言う7極管が使われています。 BC-221の後期型では心臓部は6K8と言う6極・3極複合管になっています。

 ヘテロダイン周波計を使った周波数の測定は未知周波数信号と、内蔵の『校正された発振器』(補間発振器と言う)とをヘテロダイン検波してゼロ・ビートを求めることで行ないます。
 但し補間発振器は2バンドしかないのでその高調波を積極的に利用します。 ちなみに補間発振器はLow Bandが125kHz〜250kHz、High Bandが2.0MHz〜4.0MHzを発振します。 高調波とのビートは当然弱くなります。 しかし、むしろ高調波とのビートの方がゼロビートの幅が狭くなり検出精度が上がるため有利と言えます。 そのように使うのが標準的な用法です。2MHz以下の測定にはLow Bandを使い、2MHz以上の測定ではHigh Bandの方を使います。

 その補間発振器の校正には、内蔵の水晶発振器を用いています。 従ってその水晶発振器の周波数精度と安定度がLM-21全体の測定精度を決めることになります。 金属容器に封入された1000kHzの水晶発振子を使った校正用水晶発振器は、仕様によれば1ppm/℃以内の安定度を持っているようです。(オーブン無しなのだから、なかなか優秀だと思います)

 周波数カウンタ以前の時代においては、「ヘテロダイン周波計」は精密周波数測定の決め手でした。 しかし、いまどきヘテロダイン周波計の使い方を詳述しても仕方がないと思いますから、このへんでやめておきましょう。


LM-21の内部構造
 むしろ、興味があるのは内部や回路の方ではないだでしょうか。

 回路図を見ると5球式ですが、そのうち2本は中央に見える『991』と言うネオン管です。 但しこれでも一応『定電圧放電管』なのです。(放電電圧=約60V)。 従って実質は3球構成です。

 上部の横になった真空管が、補間発振器の5極管77です。 これは3ペン式真空管ラジオ(俗に並三ラジオとも言われる)で有名な6C6の前身のような五極管です。 発振回路はカソード・タップ式のハートレー型です。

 その右下が、ヘテロダイン検波を行なう6A7と言う5グリッド管(7極管)です。 もともとスーパーヘテロダイン受信機のコンバータ回路に使う目的で開発された真空管です。 この球で校正に使う1000kHzの水晶発振も行なっています。水晶発振子はATカットで1000kHzにて±10Hzの誤差となっています。(@20℃)

 左の球は76と言う3極管です。この時代の代表的な中ミュー3極管です。 ヘテロダイン検波で得られた低周波の増幅を行ない、ヘッドフォンを鳴らしています。 なお、切換えで約500Hzの低周波発振器として動作し、補間発振器に変調を掛けることができます。この機能は主としてヘテロダイン周波計をRF信号源として用いる時に使います。

 シャシ下の中央やや右に光った頭部が見える円筒が真空封止された1000kHzの水晶です。

 回路構成は『ダイレクトコンバージョン受信機』にたいへん良く似ていますが、入力信号を選り分けるアンテナ同調回路はありません。 また、一般に感度は受信機ほど良くはありません。低周波増幅部のゲインが少ないからです。

LM型周波計の回路図
 左に回路図を示しますが、図面を見るとごく簡単な装置であることがわかるでしょう。(この回路図はLM-18型のものです。ほぼ同等です)

 測定精度を決めるのは回路と言うよりも部品にあります。 容量が安定していて設定の再現性が良く、温度係数が小さい精密なバリコンと、良く防湿処理された安定な空芯コイルを使ったLC発振器(=補間発振器)が回路のキモと言えるでしょう。

 また、同時にそれを駆動するダイヤルメカの精度もたいへん重要です。 もちろん組み立て後のエージングと周波数校正作業がこの測定器に魂を吹き込むことになります。

校正表
 ダイヤルが校正された結果は、このようなCalibration Bookにタイプされています。 もちろん一台ごとに微妙に違う筈で、実測して一つずつ作っていたのでしょう。(実は、このCalibration Bookにも結構タイプミスがあると聞いたことがあります・笑)

 ゼロビートを得た時のダイヤル目盛を読んで、このCalibration Bookから周波数を得るのです。 アナログダイヤルから、5桁を読み取ろうとするのですから、なかなか大変な装置であることがわかると思います。如何でしょうか? (上手に測定すればDIALからもう一桁分読取れる) 今では周波数の測定はごく簡単にできますが、この装置は半世紀以上も前の1951年製なのですから・・・。

                   ☆

 1000kHzの水晶発振にやや経年変化が見られました。 GPS周波数基準器と周波数カウンタを使って1000kHzの再校正を行なってから、Calibratio Bookと『既知信号』(GPS周波数基準器を元に発生。±0.001ppmくらい)を比較して精度を調べてみました。

 長波から15MHzあたりまで調べましたが、良く精度が維持されていました。 仕様書の規格による測定精度は、100ppm(2MHz以下は200ppm)とあります。 100ppmの精度と言うのは、1MHzで100Hz、10MHzで1kHzの誤差です。 いま考えるといささか甘いとも感じられますが、アナログな手段でここまでの精度を出すことができたとは素晴らしいと思います。 同時に57年後の今でも十分その機能と精度が維持できていることは驚きでもありました。

さて、今時の機械は50年後にこれだけの機能を保っことができるでしょうか?

本機はJO1LZX河内さんに頂いたものです。貴重な体験ができました。VY-TNX!

(おわり)」2017.03.18一部改訂

(Boggerの仕様変更に対応済み。2017.03.18)

12 件のコメント:

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは。
ヘテロダイン周波数計は名前だけは知っていますが
実物は見たことがありません。
いきなりこれを渡されると使い方どころか
使い道すらわからないでしょう(笑)

発振器とゼロビートを求めるというと
ミズホのBCL用マーカ DX-555を思い出します。
発振器と周波数カウンタを組み合わせた物でしたが
当時はあこがれました。
今では980円のラジオですらカウンタ表示ですね。
今だとアナログダイアルの方が高くつくのでしょう。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE 高橋さん、おはようございます。

さっそくコメント有難うございます。
> 使い方どころか使い道すらわからないでしょう(笑)
繋げば数字で読み取れる、今風のデジタルな測定器ではありませんから・・・使うにも技術を要しますね。(笑)

> ミズホのBCL用マーカ DX-555を思い出します。
BCL用ラジオがまだアナログダイヤルだったころの補助装置でしたね。でも、うっかりするとDX-555の方がラジオよりも高価だったりして。(爆)

> 今だとアナログダイアルの方が高くつくのでしょう。
メカ部品は安くないですからね。時代も変わりました。

実際にヘテロダイン周波計を使うのは厄介です。まったく未知の周波数はかなり面倒なんです。ゼロビートは高調波でも起きるので、あちこちに現れます。複数箇所から求めて多分、これ・・・と言うような勘が必要なんですね。(笑) あらかじめ別の装置(受信機etc)で概略を求めておくと楽なんですけれど。

jo7wai/takahashi さんのコメント...

こんにちは、
文中にあるBC-221と国産品を所有しています。一応、いつでも動作する状態ではありますが出番はありません。
結局は、構造や部品を眺めるために入手した様なものです。

JA2NKD/JA1 さんのコメント...

こんにちは、加藤さん、皆さん

ヘテロダイン周波数計といえばわれわれHAMでは、DELICAのHM'sAというのが一般的であり、若かりし頃OMさんのシャックを訪問したときに見せていただき憧れたものでした。

回路図を見ると12AT7で100Kc水晶発信、12AT7で10Kcマルチバイブレータ、仲介発信(補完発信)に12AT7、検波増幅に12AT7、整流6X5、安定OA-2

誤差±0.025% これで無線局の周波数測定装置として認められていた。

それを思うとLM-21はすごいですね。さすが軍用。

ちなみに私は1952年生まれ
少々校正しないと老朽化が進んできました。
ひょっとして更生かも。。。。。

TTT/hiro さんのコメント...

JO7WAI 高橋さん、こんにちは。

コメント有難うございます。
>BC-221と国産品を所有しています。
きっとお持ちだろうなあ・・・と思いながら書いておりました。(笑)

> 構造や部品を眺めるために入手した様なものです。
今はより手軽で精度の良い周波数計測手段がありますから、まず使うことはありませんね。

もはや作られることはないので、大切にされて下さい。

TTT/hiro さんのコメント...

JA2NKD 松浦さん、こんにちは。

コメント有難うございます。
> DELICAのHM'sAというのが一般的であり・・・
こうした米軍放出品が枯渇してからは、DELICAの周波計がハイパワー局の落成検査用設備のようになっていましたね。 その後はバンドエッジが解るマーカーと、JJYが受信できるラジオが有れば良くなって助かりました。

> それを思うとLM-21はすごいですね。さすが軍用。
回路は大したこともないと思うのですが、バリコンやコイルなど使ってある部品は素晴らしいと思います。もっとも、それが命だったのでしょうけれど。(笑)

> 少々校正しないと老朽化が進んできました。
校正で前と同になれば良いのですが・・・お互い様ですね。(爆)

JL1KRA Nakajima さんのコメント...

ヘテロダイン周波数でアマチュアバンドが計測しやすい位置に並んでいるので使いやすそうな気もします。
でも、直読できて当たり前の世代に近いので、対数表に並んで驚愕の周波数計測プロセスです。
表をなくすと使い物になりませんね。

>さて、今時の機械は50年後にこれだけの機能を保っことができるのだろうか?(笑)

1アマ変更100W申請で周測装置として買ったカツミの安い周波数カウンターがあります。
50年どころか、5年もすると動作しなくなりました。
安物買いのなんとやらです。
そして自分が作ったものが50年後に動くかと問われると絶望的です。

TTT/hiro さんのコメント...

JL1KRA 中島さん、こんにちは。

コメント有難うございます。
> 直読できて当たり前の世代に近いので・・・
中島さんなら扱えると思いますが、職場の最近入社の社員にはアナログで読み取るスキルはまったくないだろうと思われます。(笑)

> 表をなくすと使い物になりませんね。
今でしたら、表を作り直すことは難しくないのですが、そこまでする価値がないでしょうねえ。。。

> 50年どころか、5年もすると動作しなくなりました。
何でも使い捨ての時代ですから、数年持てば良いという発想の電子機器ばかりですね。 長いこと使えるものを作ろうとすると、逆に大変難しいです。(汗)

> 自分が作ったものが50年後に動くかと・・・
50年ともなると、抵抗器、コンデンサでさえ怪しくなってきます。よほど良い品質の部品を吟味しないと無理でしょうね。ハンダ付けでさえも、怪しくなってきます。面実装はまずダメでしょう。でも自身で検証するのは、もはや不可能と思われます。(爆)

JS1XFN/KAZ さんのコメント...

こんばんわ
ヘテロダイン周波数計の紹介、ありごとうございます。楽しく見させていただきました。個人的には、エレキ屋ですがメカ機構が好きで本業?の回路そっちのけでメカ系に力が入っている状況ですのでアナログダイアルの写真を見ると、つい目が止まってしまいます。昔の受信機の記事を見ますと熱膨張の少ない合金でバリコンを作ったりしていたそうですが、ひょっとして同じようなことをやっているのかな等いろいろと想像しています。

TTT/hiro さんのコメント...

JS1XFN 青木さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> アナログダイアルの写真を見ると、つい目が止まって・・
昔の電子機器は、メカの助けも借りて機能・精度を実現していましたね。R-390Aなど、その極致でしょう。(笑)

> 熱膨張の少ない合金でバリコンを作ったり・・・
インバー(Invar)合金ですね。LF〜HF用の本機ではそこまでやってるのか確証はないですが、そうかも知れませんね。 こうした測定器は温度補償するより温度で変化しないよう作るのが一番だと思いますので・・・。

松下 透 さんのコメント...

こんにちは。
ヘテロダイン周波計は小沢康OMの「無線と實瞼別冊アマチュア無線の測定技術」のなかで10ページにわたり原理と使い方、設計の勘所を述べられており大変興味深く読みました。当時はヘテロダイン波長計と呼んだようです。しかし加藤さんの記事は、この本で触れていないところにも及んでおりいっそう興味が湧きましたが、入手しても使う当ても無く飾りで終わりそうなのでやめておきます。

TTT/hiro さんのコメント...

松下さん、こんにちは。

コメント有難うございます。
> 当時はヘテロダイン波長計と呼んだようです。
今では廃れましたが、電波を周波数ではなく波長で表示していた時代が長かったので、古い測定器では「波長計」と呼んでいたようです。その名残でしょうね。 米軍のマニュアルについて過去に遡って見ましたが、ほぼ一貫してFrequency Meter(周波計)と呼ぶようですので、そのように書いています。今では、「波長計」と書くと何か特殊な測定器をイメージさせそうですね。(笑)

なお、その本は読んだことがないので、何処が違う部分なのかわかりません。認識が間違っているようでしたらご指摘を。(爆)