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2011年6月13日月曜日

【AVR】 DDS Control Part 2


高安定な可変周波発振器
 安定で任意の周波数に可変できる発振器は通信機にとって長年のテーマである。スーパーヘテロダイン受信機の周波数安定度を決めるからだ。写真はそうした可変周波発振器の例だ。良い物を知らずしてより良き物は作れない。

 左は泣く子も黙ると言われたCollinsの70H-12形VFO(PTO)である。右はTRIOのVFOでTS-130に使われたもののようだ。ほぼ同等のVFOはTS-510からTS-830の時代まで使われ、これまた歴史のある優れモノだ。

 いずれもLC発振回路を内蔵し巧みな温度補償により周波数安定度を得ていた。周波数シンセサイザ以前の時代にあって、高安定な発振器を製作するには高度な技術を要していた。


減速ギヤとダイヤルメカ
 発振回路だけでは実用にならない。十分な減速比をもったギヤメカと読み取りに必要なダイヤル機構が必要だ。

 CollinsのPTOはネジ機構を使ったコアの出し入れで周波数の微動機構を実現している。コイルの巻き方で周波数直線性を確保し、シャフトの10回転で1MHzをカバーする。

 写真のようにTRIOのVFOはエアーバリコンと減速ダブルギヤでバックラッシュを防ぎ、1kHz以下まで読めるダイヤルを実現している。周波数の直線性はバリコンの羽曲げで調整しているはずだ。いずれにしてもメカ+電気の技術で実現していた。


自作VFOも
 160m Band専用受信機のために自作したLC発振VFOである。大きな容量のエアーバリコンを使って安定度を向上させている。周波数が低く、簡略ながら温度補償もおこなってあるから安定度はかなり良好だ。

 バリコンはギヤとボールドライブで減速され同調しやすい。周波数は表示補正機能つきの周波数カウンタで読み取っている。受信周波数と表示を一致させるためにカウンタ基板にあるデジタル・スイッチで補正値を設定する。マイコン以前の昔のテクノロジーで周波数直読を実現したものである。

 こうしたVFOを自作するのはなかなか大変だ。当時は手持ちの部品があったので製作できたが、いまどき1から部品を集めるのでは大変だろう。あえて自作するなら古い無線機から部品取りするのが手っ取り早い方法かもしれない。


ミズホ通信機のVFOとは
 開発の目標としたミズホ通信製VFOユニットである。どんな物か概略わかるようCQ出版の書籍より情報を抜粋しておいた。5MHz帯のVFO-5と7MHz帯のVFO-7があった。

 ミズホのVFOは誰でも買える既製のVFOとしては唯一のものであった。アマチュアの手作りより周波数安定度に優れ、規格化されたVFOは機器の製作再現性に役立っていた。多くの自作記事で標準モジュールとして活用されてきた。

 5MHz帯のVFO-5は9MHzのSSBジェネレータと組み合わせて14MHzあるいは3.5MHzのSSB送信機の製作に使われた。VFO-7は7MHz帯のダイレクトコンバージョン受信機やQRP送信機用だろう。図の左のような初期型から周波数安定度を向上させた右の改良D型へと進化しながら長く販売された。

 しかし、良質な部品やダイヤル減速用のボールドライブなどが入手困難になり販売終了してしまった。 自作に重宝なユニットがなくなってしまったのは残念だ。これも近年の部品事情を反映したものだ。 VFOを自作しようと思っても同じような問題に直面してしまうだろう。結局、これからのVFOは近代技術で解決するべきなのだ。

 MIZUHOのVFOは登場した当時4,600円で、改良D型になってからは6,000円で販売されていたようだ。周波数安定度を確保するノウハウ・苦労や手間を考えたら十分リーズナブルな価格であったと思う。


DDS-VFO開発用基板
 写真はDDS-VFOの開発に使った基板だ。試作検討には十分だが、実用には表示器を延長し基板構造も変更すべきだろう。マイコンはATmega8を使っている。

 同じ28pinのシリーズ:ATmega88/168/328のいずれも使用できる。メモリサイズからATmega48は残念ながら使えない。またBASCOM-AVRも試用版ではコンパイル時に容量オーバーになってしまう。

 手持ちのありあわせ部品で作ったので、スイッチなど機能のみでデザインは考慮していない。実際に使う際は別の物を使おうと思う。なお、ダイヤルの早送りスイッチと、モード切り替えスイッチは写真撮影のあとで追加したため写っていない。

 肝心のDDS-ICはアナログ・デバイセス社のAD9834である。マイコンに搭載した制御ソフトはわずかな変更で他のDDS-ICに使える。なお、データ転送ルーチンを小変更するだけで秋月のDDS基板にも活用可能なように考えておいた。AVRマイコンは内部RCオシレータ(8MHz)で動作する。DDS用クロックジェネレータは67.10886MHzの水晶発振モジュールを使った。詳細は以下の回路図を参照。


DDS-VFOの回路
 なるべく簡単にするため少ない外付け部品になるようにした。しかし、多様な機能を持たせた関係でスイッチやVRがいろいろ付いている。受信機だけではなく、トランシーバに使うことも念頭におき送受回路の制御機能もある程度内蔵した。

 SSBトランシーバは複雑なので作るのは少し難しいがCWトランシーバならたいへん簡単に製作できる。受信部より簡単なくらいだ。送信モードに切り替えればDDS-VFOが送信周波数を発生するからだ。受信周波数に追従するのでトランシーブできる。従ってDDS発振器のあとに数段のアンプを設ければ簡単にQRPトランシーバ(送信機)ができる。

 一方,使用を予想する受信部もかなり様々な回路構成を考えた。オーソドックスに世羅多フィルタを使ったLA1600受信機や、数MHzの自作ラダー形フィルタを使った受信部に対応する。スーパー・ヘテロダイン型を第一に想定しているが、ダイレクト・コンバージョン受信機ももちろん可能だ。 またスーパー・ヘテロダイン受信機においては、CWあるいはSSBフィルタの中心周波数の違いを吸収できる。 帯域幅により中心周波数が移動する世羅多フィルタを含む自作ラダー型フィルタでは特に便利だろう。当たり前であるが、受信モードを切り替えても正確に「表示周波数=実受信周波数」が維持される。

 回路図にモードスイッチや送受切り替えがあるのはそうした機能のためだ。詳細はあらためて「つづき」の機能説明のところででも。

 消費電流はLCD表示器のバックライトOFFで約45mA、バックライトONでは約80mAであった。ミズホのVFO-5/VFO-7の消費電流は20mAだそうなのでその点でははだいぶ負けている。(要するに大食い・笑)

AD9834の優位性
 昨今はアナログ・デバイセス社のAD9834を採用する無線機が増えている。消費電流が少ないのでポータブルな機器に向いているからだ。しかも低コストなのも理由だろう。 より高性能・広帯域のDDSチップも登場しているが消費電流から汎用のVFOにはこれを使うのが最適だと思う。 もちろん消費電力をいとわない機器なら別のDDS-ICの方が良い。マイコンの制御ソフトはそれらにも対応できる。

 AD9834はそのかわりクロック周波数の上限は低めなので発生可能な上限周波数は低めだ。 簡易なリグならDDS出力を直接使用することになるのだが、67.10886MHzのクロックでせいぜい21MHzバンドあたりまでにするのが良い。スプリアスから考えて、クロック周波数の1/3くらいまでで使うのが良い。(特性の良いLPFを付加してクロック周波数の40%あたりまで)

 それ以上のバンドではPLLを併用する。 周波数分解能は十分あるので4倍の周波数のVCOをロックすれば良い。 50MHzバンドの無線機にはそのように使うべきだ。 DDS-ICとして下限はそれこそ1Hzでも可能なのだが、上記の回路ではおおよそ500kHzくらいまでである。

 なお、AD9834には供給クロックの上限周波数が50MHzのAD9834BRUZと75MHzのAD9834CRUZがある。かなり余裕があるらしく、BRUZでも67.10886MHzで使えるが、これから入手するなら75MHzのチップが良いと思う。そちらは100MHzのクロックでも動作すると言う。だいたい1個1,000円〜2,000円で購入できる。(2011年6月現在)


クロック発振器は良いものを
 先のBlogで扱ったが、DDS-VFOには良好なクロックを供給する必要がある。クロックに基づいたタイミングでサイン波のデータを読み出しD/A変換して出力しているからだ。

 基準が揺らいでいては出力信号も揺らいでしまう。奇麗なサイン波にならない。写真は以前販売されていた普通の水晶発振器だったころの67.10886MHzのモジュールである。右手前は同じく秋月電子通商の店頭で売られていた50MHzの小型オシレータだ。

 プログラムによる計算が簡単なので2^Nのクロックが向いている。従って67.108864MHzのオシレータが好ましい。しかし、先のBlogのように最近販売のものはジッタの多いオシレータになってしまった。

 従って、必ずしも2^Nのオシレータでなくても良いよう対策する必要ができた。当初は67.10886MHzを使う前提で開発を始めたが、秋月の事情があってから任意のクロックが使えるようプログラムを改造することにした。現在の最新パージョンでは入手容易な50MHzなど任意周波数のモジュールが使えるようになっている。 なるべく高めの周波数の方が良いが、良く見かける写真のような48.000MHzでも旨く動作する。(但し上限周波数は16MHzあたりになる)


クロック発振器には誤差がある
 上記のような簡便なクロック発振器(Simple Packaged Crystal Oscillator:SPXOとも言う)には周波数誤差があるのが普通だ。密封されたパッケージに入っており周波数の微調整はできない。そのクロック誤差はそのままDDSの周波数誤差になる。

 クロック発振器に与える電源電圧:Vccを加減すると周波数が変動するので、それを逆手にとって周波数微調整する例も見るが調整可能か否かは運しだいだろう。 定格電源電圧を大きく外れると発振振幅に影響が出るうえ発振状態も不安定になってくるので、ダメそうなら別の発振器に交換してみるしかない。

 ここではそうした不確実な手法は採用しなかった。VR1:F-ADJ(写真参照)の値をA/D変換で読み取り、それに基づいてソフトウエアで周波数調整できるようにした。即ち周波数誤差はプログラム内部で数値的に補正する。発振周波数に少々誤差があっても支障は無い。誤差補正は固定値の加減算ではなく、発生周波数を係数とした補正で行なっている。従って特定スポットの周波数だけでなく全周波数範囲で良好な精度が得られている。

 デジタル的に補正する関係でDDSの分解能以下の補正はできないが、50MHzのクロックで約0.1863Hz刻みの補正ができる。67.108864MHzなら0.25Hz刻みである。むしろ、補正しきれない残留誤差よりクロック発振器の周波数変動の方が気になるくらいだ。

 半固定抵抗器:VR1の調節なので、あたかもアナログ的な調整のような感触である。0.1ppm以下の誤差までスムースに合わせ込めるが、実用上の周波数精度はクロック発振器のドリフトしだいだ。総合的に見て校正後の精度・安定度はおおよそ1ppm程度のようであった。もちろん、アナログなVFOと比べたら比較にならぬほど安定している。たぶんCollinsのPTOよりも優秀だ。(笑)

                 ☆ ☆ ☆ ☆ ☆

 DDS-VFOのPart2では開発の目標を明らかにしハードウエア的な部分(=回路や部品の部分)を採り上げてみた。 さすがにミズホのVFOより複雑な回路ではあるがそれほどの規模でもない。思ったよりも製作は容易である。ダイヤルの減速ギヤや周波数直読などの機能を電気的に実現・解決したと考えれば妥当な回路規模と言える。製作の手間を考慮しない「部品コスト」だけで言えばミズホのVFOよりも安価である。全部品を揃えても5,000円で十分なお釣が来るだろう。 もちろんマイコンを使った製作ではプログラムも大切な要素であり、回路に魂を入れる部分だ。 次回は実現した各種の機能を採り上げ、その動きを追って見たいと思う。 de JA9TTT/1

つづく)←リンク

続編)←リンク(おなじAD9834を使った発展バージョンへリンクします)

12 件のコメント:

jn3xby@岩永 さんのコメント...

TTT/加藤さん、こんばんは。
いよいよ姿を現し始めましたね!
TRXに使用できるように、最初から色々スイッチをつけられているので、回路図は少し複雑に見えますね! 機能を分離してみれば、それぞれはシンプルだと思いますが。
当局は、TS-120、130のVFOをDDS化しようと思ってから、早何年です(笑)
出来上がったものを見させてもらって、また刺激を受けて、がんばって見たいと思います。
明日から、夜行便でWへ出張です。

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY 岩永さん、こんばんは。

早速のコメント有難うございます。
> いよいよ姿を現し始めましたね!
基板の製作は5月の始めでした。プログラミングに時間が掛かりましたね。 DDSのコントロールはすぐにできたのですが、機能の追加と整理などに手間がかかりました。 まだ完全ではないかもしれませんが、概ね完了なのでBlogにしてみました。 Blogにするのも手間がかかりますね。

> 130のVFOをDDS化しようと思ってから・・・
そのままでも悪くはないと思いますが、DDS化した方が周波数安定度は向上するでしょうね。 TS-120/130のVFOと同等品なら岩永さんには朝飯前ですね。hi hi

> 明日から、夜行便でWへ出張です。
どうぞお気をつけてお出掛け下さい。 行ってらっしゃい!

JG6DFK さんのコメント...

こんばんは。

かなり本格的なDDS-VFOのようですね。基幹デバイスはいわゆる「定番」で大体決まってしまうようなので、おっしゃるようにトータルの完成度をどこまで高められるかは「ソフト次第」ということになるかと思います。

後半の記述が本題なのに、前半の記述に強く反応してしまうあたりは我ながら情けないです。しかも、ちょうどこのタイミングでアナログVFOの実験をしているという話も。所詮「ノスタルジー」だとわかってはいるのですが… Hi.

ボールドライブは以前に英国から(たぶん)一生分輸入しました。Hi Hi. その気になれば今でも入手できるでしょうが、もはや一般的ではないので、それを使って何か作っても所詮は「自己満足」に終わるだけでしょう。でも、いずれは使わないと腐ります。Hi Hi.

オフセット機能付き周波数カウンタは汎用ロジックICで試作までやりましたが、さすがにそこまででした。

先のアナログVFOといい、あえて非合理なことにばかり手を出している感じで、それならマイコン制御の最新デバイスを積極的に物色し、その制御プログラムでも考えた方がよさそうなものですが…

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> 「ソフト次第」ということになるかと・・・
こうした製作ではソフトウエアの比重が高く、たぶん労力の70%はそれに掛かっている感じも。実際はそれ以上かも。

> ボールドライブは以前に英国から・・・
以前は秋葉原でも入手できたので数個持っています。直接輸入すれば今でも入手可能だろうと思いますが、比較的高価な部品なので勿体無い感じもします。

> あえて非合理なことにばかり手を出して・・
趣味なのですから自身が楽しいことをするのが一番だろうと思います。

アナログ機器の製作もお楽しみになってください。

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは

ミズホのVFOもボールドライブも数個手持ちがありますが、
今更使うのもと思ってしまいいつものように肥やしになっています。

回路的には定番回路にDDS部分が追加された感じですね。
LCDまわりの配線がもっとシンプルになってくれれば良いのですがといつも思います。^^

AD9834が発生する信号純度に興味があります。
次の次ぐらいで評価を拝見出来るかと勝手に期待しています。HiHi

プログラムの比率が上がる反面、ISPにアクセスできるようにしておけば組み込んだ後からでも修正可能なのはマイコン制御の良いところですね。

最近全然違う物をいじっていますが、老眼が進行中でストレスが溜まりただでさえ遅い作業が一段と遅くなってます。
そろそろ眼鏡を作ろうかなあ・・(笑)

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> ミズホのVFOもボールドライブも数個手持ちが・・・
ミズホのVFOは正直なところ今ひとつだと思っていました。それで1つも持っていません。hi hi ボールドライブだけの減速ですので無理があるように思います。 使わないのも勿体ないかも知れませんが、これからならDDS-VFOの方が使い勝手や便利さの点では上でしょうね。

> 定番回路にDDS部分が追加された感じですね。
DDS-ICはシリアルデータを送ってやれば良いだけですので、見ての通りのハードウエアになりました。

> 次の次ぐらいで評価を拝見出来るかと・・・
アナデバのデータシートに実測データがありますので予定はしていませんでした。 では番外と言うことで後で追加しましょう。簡易な評価では悪くなかったと思います。

> 後からでも修正可能なのはマイコン制御の良いところ・・
ハードはそのままで機能を変えるなど自由自在なのはフラッシュ・マイコンの良いところですね。 使ってみて気に入らなければ変更するのは最初から考えに入っています。

> 老眼が進行中でストレスが溜まり・・・
高橋さんはまだお若いと思うのですが・・・個人差もありますね。 確かに細かい作業がつらくなってきますから、これからは真空管工作でしょうか? mt管ではなく、大型のST管が良さそうですね。ソケットでも買っておきましょう。(爆)

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

ふたたびこんばんは

>ボールドライブだけの減速ですので無理があるように思います。
そうですね。ボールドライブは粘るので微妙に調整しても手を離すと少し動く感じがします。
かといって立派なギアメカをつけると手が出る金額ではなくなりますし仕方ないのでしょうね。

>まだお若いと思うのですが・・・
近視の眼鏡を外すとよく見えるのですが、強度の近眼なので今度は30cm先もよく見えませんw
眼鏡屋さんで調べてもらうとまだ老眼というレベルではないそうなのですが。
もう少し慣れてくると楽になるのかもしれませんが、老化を実感するのは悲しいです(涙)

>これからは真空管工作でしょうか?
ツイッターで「老眼自作クラブ」という話が出ました。
真空管とリード付きパーツはNGでチップは1005サイズ以下という条件をつけたら、会員が集まらずボツになりました(笑)

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、おはようございます。

再度のコメント有難うございます。
> ギアメカをつけると手が出る金額では・・
ギヤメカだけでも数千円になってしまいますから、商品として成り立ちませんよね。わかった上で妥協したのでしょう。

> 老化を実感するのは悲しいです(涙)
誰しも老化はあるので仕方ないのですが、眼鏡とかで補えますから自作は十分楽しめます。hi hi

> 1005サイズ以下という・・・
3216サイズでも厳しいですよ。 真空管可に募集要項を変更されて再度募集してください。(爆)

JS1XFN/KAZ さんのコメント...

加藤さん今晩は
ご無沙汰しております。
局免が失効していて、同じコールサインをとるのに時間がかかり、参加できませんでした。
ミズホのVFOですが、前にあった加藤さんの記事を参考にして分度器で100kHzあたりの展開角度を調べてギヤメカを作って1回転100kHzを目指してみましたが、500kHz動いて7kHzよけいに回るので、再度ギヤの切削を検討中です。DDSの技術とは比較にならないアナクロ技術でもがいています。

TTT/hiro さんのコメント...

JS1XFN 青木さん、こんばんは。 ご無沙汰でした。

> 同じコールサインをとるのに時間がかかり・・・
再割当されていなければ、簡単に前のCall Signをもらえるものと思ってました。 無事にもらえたようで何よりでした。

> 100kHzあたりの展開角度を調べてギヤメカを・・
ギヤメカから製作されるのは珍しいと思います。 それはそれで素晴らしい自作だと思いますね。 頑張って下さい。 展開角と周波数変化の関係は、電気回路側の調整で合わせてしまうこともできると思いますが、如何ですか?

> アナクロ技術でもがいています。
突き詰めると「アナログ」技術の方が難しくて費用もかかります。デジタルは簡単かつ安く仕上げるための技術と言えるかも知れませんね。hi hi

JS1XFN/KAZ さんのコメント...

加藤さんおはようございます。
アドバイスありがとうございます。

>再割当されていなければ、簡単に前の
>Call Signをもらえるものと思ってまし
>た。 無事にもらえたようで何よりでし >た。
おっしゃる通りで、手続きだけなのですが、1ケ月以上かかりました。
今年は電波利用税の請求がこないなと思っていて時間が経過したので、関東総合通信局に問い合わせたら発覚しました。ちょっと情けなかったです。総合通信局の方は再割り当てしていないかどうか教えてくれたり親切でした。

>展開角と周波数変化の関係は、電気回路側
>の調整で合わせてしまうこともできると思
>いますが、如何ですか?
こちらもおっしゃる通りです。ただ、調整の主旨が違っていて、ミズホのVFOの可変範囲を5455~5955kHzにして、さらに中心を動かして直線性が一番良いところを選らんでみました。この時点で息切れしてしまいました。手持ちのVFOを利用しようとアナログを選らんだところで、落とし穴にはまっています。

TTT/hiro さんのコメント...

JS1XFN 青木さん、こんばんは。

再度コメント有難うございます。
> 手続きだけなのですが、1ケ月以上かかりました。
意外に掛かりましたね。流してしまうと新規開局の扱いですから費用も掛かってしまいましたね。忘れないようにしたいものです。

> 可変範囲を5455~5955kHzにして、さらに中心を・・
色々ご事情があってのことと思います。 折角でしたらもう少し良いVFOを素材にした方が良かったかも知れませんね。 わたしの自作VFO(上記)はカバー範囲の上端と下端では角度あたりの周波数変化量が異なります。これは周波数安定のため大きな容量のバリコンを使ったからです。あとは十分減速されていれば実用上の支障はないとしてデジタル周波数表示することで済ませています。hi hi