EX

2015年9月28日月曜日

【測定】Crystal Motional Parameters , Plus

測定:水晶の等価定数の比較測定
 【周波数シフト法による水晶定数測定
 水晶の等価回路:Lm、Cm、Rmよりなる直列共振器と直列に容量:C1を入れると共振周波数が変化する。各記号の意味などは前回のブログ(←リンク)を参照。

fo=1/(2*π*√(Lm*Cm))が、
CmがC'=Cm*C1/(Cm+C1)になることから、
fo'=1/(2*π*√(Lm*C'))と変化する。

 C1は既知であり、foもfo’も実測で求まるから、Cmが計算できることになる。 Cmの値を算出できたら、さらに直列共振周波数:foから計算することでLmを求めることができる。 なお、実際には電極間容量及び、ホルダ容量も影響するのでそれらの合計容量である:Chも実測によって求めておく。

C1が直列になった時の発振周波数をf1とし、C1をショートした時の発振周波数をfoとすれば、Cmは以下の計算式で求めることが出来る。

Cm=(2*(C1+Ch))*(f1-fo))/fo・・・・・(1)
なお、コンデンサ:C1、Ch、Cmの単位はファラド、周波数:fo、f1の単位はHzである。

また、Lmは、Cmとfoから計算できる。
Lm=1/((2*π*fo)^2*Cm)・・・・・・・(2)
Lmの単位はヘンリである。Cmはファラド、foはHzの単位で計算する。

 必要な測定器は周波数カウンタと数pFが精度良く測定できる容量計(Cメータあるいは、LCRメータなど)があれば良い。 周波数カウンタも測定値の安定さ・・・すなわち、基準がふらつかなければ十分であって絶対精度はそれほど必要としない。 少しウオームアップしてから使用すれば十分だ。 むしろ、1Hzの桁まで読み取れる測定分解能が必須である。 一般的な周波数カウンタであれば殆どのものが条件を満たすだろう。 従って、ごく普通の周波数カウンタと小容量が測れるCメータがあれば水晶定数を求めることができる。

 発振部はオリジナルのG3UURのものと同じである。 続くバッファ・アンプは単なるエミッタフォロワよりも、図の回路の方が良い。 少々感度の悪い周波数カウンタでも十分な信号を与えることが出来、測定が安定する。 発振用トランジスタ:Q1には2SC2668Yを使ったが、これは2SC1923Yが同等品だ。 2SC9452SC1815も使用可能である。hFEランクは何でも大丈夫である。 バッファ・アンプのトランジスタ:Q2は2SK544Eを使っている。これは、2SK241Yでも良く2SK439E(ピン配置に注意)でも良い。 9VのZennerダイオードで電源を安定化しているが、大元の電源に安定化電源を使用すれば省略可能だ。 回路図のスイッチ:SW1の部分は、実際にはスイッチではなくジャンパ・ピンの抜き差しで代用する。その方が無用のストレー容量が増えず好ましい。(次項以降の写真参照)

 【重要:C1の値は実測値を使うこと
 この例では、C1=22pFを使っている。 しかし、Cmの計算式でC1=22pFとすれば、誤差が大きくてダメである。

 かならず、C1を測定回路に実装した状態で実測する。 数回計測して、平均値を用いている。この例では、C1=25.75pFであった。

 もちろん、コンデンサの誤差やブレッドボードの分布容量が効いてくるので、22pFのコンデンサを使ったからと言って同じ値にはならないので、各自が実測しなくてはならない。 ひいてはCmやLmの精度にも多大な影響があるから入念な測定が求められる。

 ここでは、LCRメータ:DE-5000(←参考リンク)と専用の「SMDパーツ用プローブ」を組み合わせて使い、ショート・オープン校正を行なってから測定している。LCRメータの測定周波数は100kHzを選ぶと分解能が高くなる。 

foの測定
 最初はC1を短絡(ショート)した状態で発振させる。 そのときの周波数をfoとして記録する。

 ブレッドボードに作った測定回路は不安定ではないかと懸念するかもしれない。 もちろんこれから長く使おうと思うならプリント基板にハンダ付けで作ることをお奨めする。
その際は、測定するクリスタルを挿入するソケットにはスムースで接触の良い物を使うべきだ。 普通のICソケットでは、たくさんの抜き差しには耐えられずヘタってしまうだろう。 その点、ブレッドボードは抜き差しが容易であり、接触もまずまず安定しているので良い。 実際に作ってみると、発振周波数の不安定も見られないから、心配は要らないと思う。測定再現性もまずまずである。

 なお、このブレッドボードは底面にプリント基板を使ったGND板が貼付けてある。 GND板は回路のGNDラインと結んである。このあたりの配慮が安定測定のためのノウハウの一つだ。

 【f1の測定
 クリスタルにC1が直列に入った時の周波数を測定する。

 C1を短絡(ショート)していたピンを抜き去れば良い。 C1が直列に入ると、発振周波数の上昇が見られるだろう。

 なお、「発振周波数が安定しない」、「予定の周波数から大幅に外れている」、「周波数のふらつきが大きい」などは、測定している水晶発振子の不良が考えられる。 実際に、秋葉原で入手した水晶発振子では発振しない物や、発振はしても数値がばらついて不安定な物が見られた。 そのような水晶発振子は水晶発振器に使えないのはもちろんだが、よりシビアな性能が要求されるフィルタ用にはまったく使い物にならない。×印でも付けて除外しておこう。


 【12800kHzの測定例:VNAを使ったもの
 比較の基準には、ネットワーク・アナライザ(VNA)を使って測定した水晶定数を使用することにする。

 図は、12.8MHz・HC-49/U水晶発振子についてネットワーク・アナライザを使って-3dB法でLm、Cm、Rmを求めた結果である。 以下、いずれの測定でもネットワーク・アナライザを使った物を取りあえずの基準としている。

 いずれも平均値であるが、Lm=7.965(mH)、Cm=19.428(fF)である。

 【12800kHzの測定例;発振周波数変化法
 上記と同じ水晶発振子を、発振周波数変化法で測定してみた。 直列容量C1は25.75pFで計算している。

 実測から計算された平均値は:Lm=8.0709(mH)、Cm=19.174(fF)である。

 上記のVNAによる測定値を基準とすれば、周波数変化法で求めたLmは+1.33%であり、Cmは-1.31%の違いとなった。 それぞれの標準偏差を比較しても大きな違いが無いことがわかる。


 【9000kHzの測定例(1):VNAを使ったもの
 この水晶発振子は、aitendoで10個150円で売られているものだ。形状はHC-49/USである。 期間を置いて20個ずつ過去2回購入している。 まずは、最近購入した20個についてネットワーク・アナライザで測定した例を示しておく。

 いずれも平均値であるが、Lm=39.9492(mH)、Cm=7.8352(fF)であった。

 この水晶発振子は、周波数:foのバラツキはまずまず少ないものの、損失抵抗:Rmのバラツキが大きかった。 それに伴い、無負荷Q:Quの値も大きくバラついている。 σが186000もあるのは発振用としても支障がありそうだ。実際に、次項のように発振周波数法では発振できないものがあった。 非常に良い水晶も混じっているので、フィルタで使用するにはピックアップすべきだ。玉石混淆と言った水晶発振子である。

9000kHzの測定例(1);発振周波数変化法
 上記と同じ水晶発振子を、発振周波数変化法で測定してみた。 直列容量C1は再測定しても同じであったため、25.75pFで計算している。

 実測から計算された平均値は:Lm=40.299(mH)、Cm=7.767(fF)であった。

 同様にVNAによる測定結果を基準とすれば、発振周波数変化法によって求めた、Lmは+0.88%、Cmは-0.87%の違いである。


9000kHzの測定例(2):VNAを使ったもの
 上記と同じ9MHzの水晶発振子である。 購入したのも同じaitendoで、形状も同じHC-49/USである。 但し、購入時期が異なっており、数ヶ月間を置いている。 数ヶ月では在庫品が回転していない可能性もあるので、個体に刻印されていたロットを示すと思われる記号をしらべてみた。(左欄外に記載) 共通したロット番号もあったが、異なるものも含まれたので先の20個とは混ぜずに測定してみた。 もちろん大きな差が見られなければフィルタに使う際には混合してしまうつもりである。

 いずれも平均値であるが、Lm=40.477(mH)、Cm=7.735(fF)であった。

 こちらのグループもRmに大きなバラツキがあり、従って無負荷Q:Quも大きくバラついている。 σでみても163000であるから、上記のグループと似たようなものと言えそうだ。 直列共振周波数:foで比較しても平均値では僅か3Hzしか違わないので同じグループとして扱っても支障なさそうである。 いずれにしても、選別して使えば良いフィルタも可能だろう。

 【9000kHzの測定例(2);発振周波数変化法
 同じように、発振周波数変化法で測定してみた。 既に2例を見ているので、同じような結果が得られると推測できるが結果はどうであったろうか?

いずれも平均値であるが、Lm=40.930(mH)、Cm=7.651(fF)であった。

 同様にVNAによる測定結果を基準とすれば、発振周波数変化法によって求めた、Lmは+1.12%、Cmは-1.09%の違いである。 予想通り同じような結果になった。



測定法による水晶定数の違い
 以上、ネットワーク・アナライザを使って水晶定数を求める方法と、直列容量の有無による発振周波数変化から水晶定数を求める方法の比較を行なってみた。

 ネットアナによる方法は、直列共振周波数:foにおいてLmとCmが打ち消し合って、Rmが求められることを原理とする。Rmの値と測定治具における共振特性からLmの値を求めて行く方法だ。 一方、後者の直列に容量を付加する方法は、付加した容量による共振周波数の変化からCmの値を求める方法である。 このように、測定原理は異なっている。

 それぞれの方法で求めてみて、原理の異なる測定法から得られたLmとCmが2%以内の違いで求められることがわかった。 このことから、簡略な方法でありながら周波数変化法で求めたLmやCmも十分信頼できる精度が得られていると推測できる。 標準偏差の比較でも大きな違いは見られなかった。

 ここでは示さなかったが、3周波数法や、±45度法など他の方法と比較しても概ね1〜2%程度の違いしかないから、いずれの測定法でもまずまずの精度でLmやCmが求まることがわかった。 これは得られた数値に基づくフィルタ特性のシミュレーションや、製作したフィルタそのものの実測特性からも得られた数値の正しさが実証できていると思う。  わずか2%程度の違いではフィルタ設計の結果に何ら差異は認められない。従って目的に対して十分な測定精度である。

 もちろん、直列容量:C1の値を実測から精度良く求めるほか、個々の水晶発振子の並列容量:Chも実測で求めるなど相応の注意は必須である。 それでも自作好きのHAMならたいてい持っていそうな測定器・・・周波数カウンタとCメータだけでLmやCmが良い精度で求められることは嬉しい結果だ。

                  ☆ ☆ ☆

おまけ:G3UUR法によるRmの測定
 上記の比較検討は既に紹介したARRLの出版物:「QRP POWER」(←参考リンク)に囲み記事があった「G3UURによる水晶定数の求め方」に基づいている。 十分良い精度でモーショナル・インダクタンス:Lm、及びモーショナル・キャパシタンス:Cmが求められることがわかった。 

 しかし、残念ながら動的な損失抵抗;Rmを求めることが出来なかった。そのため、無負荷Q:Quの値も計算できない。Dishalのフィルタ設計ソフト(←参考リンク)を使う上でRmの値は必要としないが、RmやQuは水晶の良し悪しに関わるので気になる人も多いだろう。 ちなみに、Rmがわかれば、無負荷QはQu=ωo*Lm/Rmで計算することが出来る。ωo=2*π*foなのは言うまでもないだろう。

 Rmが求められない不都合に対応する解決法を見掛けたので要約して説明しておく。 これはG3UUR自身の記事であり、QRP-ARCI(QRP Amateur Radio Club International)の季刊誌、The QRP Quarterlyの2010年10月号に掲載されたものである。 なお、図の回路で発振とバッファ・アンプに使うトランジスタはオリジナルではBC108あるいはBC182となっている。いずれもfT=200MHzくらいの小信号用汎用品なので、2N3904や2SC1815のような代替品で大丈夫だ。ダイオードD1とD2は筆者はOA47と言うMullard製のゲルダイを使っているが、代替として1N60や1K60などのゲルマニウム点接触型を使えばよい。 またVR2は無くても良いようである。コンデンサの単位;1nFと言うのは1000pF(=0.001μF)のことである。

以下、G3UURの発振回路でRmを求める手順を箇条書きに纏めてみた。 測定は1個の水晶発振子ではなく、複数個のグループについて行なうことを前提としている。

(1)準備:
検波ダイオードの先にあるMとGと言う端子間にデジタル・マルチ・メータ:DMMを接続して電圧が読めるようにしておく。また、O/P端子とGの間に周波数カウンタを接続する。

(2)foとVoscの測定:
水晶発振子を挿入する。スイッチS1とS2を閉じて発振周波数:foの測定を行なう。 そのときに、foと共にDMMに表示される電圧Vosc;(発振電圧の相対値)を記録しておく。Voscの測定で周波数カウンタ接続の影響が見られるなら一時的に接続を外すこと。

(3)f1の測定:
スイッチS1を開き、S2を閉じたままで発振周波数:f1を測定する。
測定したfo、f1からLmとCmを算出しておく。(これは、上で行なった方法と同じ)

(4)水晶ペアの作成:
測定した水晶発振子のグループから、DMMで読み取った発振電圧:Voscが近くて(5%以内)、なおかつ周波数;foがなるべく近い(100Hz以内)ものを2つ選ぶ。 もしもそのグループ内でDMMで読み取った電圧:Voscが大きくばらついているようなら、Vosc電圧が大きいもの2個のペアと、小さいもの2個のペアの2種類を作るのが良い。

(5)測定:
作ったをペアをハンダ付けして並列にしたものを発振回路に入れる。スイッチ1、2ともに閉じた状態でDMMの電圧;Voscを読み取る。

水晶が単独だった時よりもDMMの電圧;Voscは大きくなるだろう。

(6)発振電圧の調整;
S2を開いて、VR1=100Ωを加減して水晶発振子が単独だった時の発振電圧:Voscと同じになるように調整する。 ペアにした2個で個々のVosc電圧が異なるなら平均値を用いる。

(7)Rxの測定:
水晶発振子を取り除いてから、TP1とTP2の間にDMMを抵抗計に切り替えて接続し、R1(100Ωの可変抵抗器)の抵抗値;Rxを読み取る。

その抵抗値:Rxの2倍がRmの値である。(ペアにした2個のRmの平均値)

発振電圧が大きいペアと、小さいペアの2種類について上記の測定を行なえば、そのロットのRmについて、大きなものと小さながわかることになる。他はその間にあるだろう。 全体の平均値はその中間あたりだろうか? 誤差±10%くらいの測定精度があるそうだが、これは十分設計に役立つデータになる。

☆上記の方法以外にも、例えばARRL発行のハンドブック:2010年版 ARRL Handbook のCrystal Filter section (11.6)にも簡易ながらもう少し良い精度で求める方法が掲載されている。上記とはまた異なった方法で面白い。お持ちなら参照を。 以上、【おまけ】の項は資料に基づいた解説である。理屈の上では旨く行きそうに思うが、やってみたわけではないのであとは各自で実験されたい。

                  ☆ ☆ ☆

【エピローグ】
 誰しも良い測定器や良い環境があればと望むものだ。 もちろん、それが可能ならベストに違いないが、時として本末転倒になってしまうことがある。 FBなメーカー製Rigが何台も買えるほど投資した挙げ句、出来上がったモノと言えばまったくの初心者レベルだった・・・では笑話しにしかならない。 ならばなるべく少ない出費で楽しむのが賢明と言うものだ。それに何でも高級な方法が格段に優れるわけでもない。(以上、自戒を込めて・笑)

 しかし、簡単な方法には不安があるのも常である。何となく高級な道具を使った方が良さげに見えるものだ。 だから誰かが比較して有効性の検証をしておけば簡単な方法も安心できるだろう。これで簡易な方法も自信を持ってお奨めできると思う。de JA9TTT/1

(おわり)

追記
比較用にデータ付きクリスタルを無償頒布する・・・と言う話しは一旦ペンディングにさせてもらう。周波数変化法で良い精度の測定ができることがわかったので、比較用のクリスタルは必要ないだろうと思う。それに希望されるお方も少ないようだ。(2015.09.28)

2015年9月13日日曜日

【部品】Crystal Motional Parameters

【部品:水晶の等価定数と評価】
 「はじめに水晶定数ありき」である。新しいラダー型クリスタル・フィルタの設計(←リンク)には水晶の等価定数を知る必要がある。そして設計ソフトに与える定数の精度でフィルタ設計が決まってしまう。 水晶振動子(発振子、共振子)は水晶板の機械振動であるが、外部から電気的な特性を眺めるとLC共振器と等価な「回路」として見ることができる。

 等価回路は、LCRが直列になった「直列共振回路」とそれに並列に容量Chが入った回路としてみることができる。 LCRが直列になった部分が水晶板が機械振動しているそのものであり、このLCRをモーショナル(動的)定数と言う。 それぞれ添字を付けて、Lm、Cm、Rmと言う。並列に入ったコンデンサは、主に水晶板を挟む電極板によるキャパシタンスと、水晶板を保持し保護するための外周器によるストレー容量である。ホルダー(容器:Holder)容量の意味で、添字としてhを付けてChと呼ばれることが多いようだ。或はパラレルの意味で、Cpとする例も良く見掛ける。

 このBlogの読者であればラダー型クリスタル・フィルタの話しの中で、何度となく登場している記号なので周知のことと思う。纏める意味であらためて書いておいた。 常識はずれの添字を付けてしまうと話しが混乱し易くなるので、なるべく従った方が良いと思っている。

参考:International Electrotechnical Commission Standard : IEC STDによれば、水晶振動子の等価モーショナル定数はC1、L1、R1とし、並列容量をC0としている。また、直列共振周波数(resonance frequency)をfr、並列共振周波数を反共振周波数(anti-resonance)と呼びfaで示すのを標準としている。論文など執筆のお方はこれに従うのが良いだろう。このBlogも従った方が良いのかもしれないが、全部の書き換えは容易でないのでそのままで行くことにする。w

                    ☆

 以下は自家用メモとして纏めておいたものである。 多少は参考になる可能性もあるが、個々の数値そのものはあまり役には立たないと思ってもらった方が良い。あえて役立つとすれば、一般に手に入る可能性がある水晶の良し悪しが統計的に判断できることくらいだろう。 もしも、この先もご覧ならそのような意味で眺めて頂ければと思う。

(参考)だれでも「標準水晶」のような「水晶定数がわかっている物」が容易に手に入れば良いのだが難しいだろう。そう言う物があれば、自身の測定の確かさの検証がきるのだが・・・。 もし私の測定結果で良ければ「チェック用の水晶」として・・・もちろん基準などと言うつもりはなくて単なる目安だが・・・頒布(無償)も考えている。 ご興味の有無でもコメントしてもらえたらと思っている。



 【aitendoの15円水晶:8MHz
 秋葉原のaitendoで現在でも販売されている8MHzの水晶発振子である。 通販でも買い求めることが出来る。 10個単位で売られており、2015年7月ころ150円で購入して来たもの。 2袋購入し、20個について水晶定数を求めた。 安物水晶の典型と言えそうだが、お手軽なのは有難い。
 【aitendo 8MHz水晶の特性一覧
 直列共振周波数:foのバラツキは標準偏差でみて、75Hzほどである。 悪くない数字だと思う。
 無負荷Qの価;Quを水晶振動子の良さと考えると、平均で128,000くらいあるので、悪くない数字だ。 但し、Quのバラツキはかなり大きい。 標準偏差で24,000もあるので、Quが低い物をフィルタに使うと思うような特性が出ないかもしれない。 従って、良いラダー型フィルタを作るためには、必ず実測してQuの小さい物を除く必要があるだろう。 そのほか、ロットの混合が原因と見られるLmのばらつきも見られるので、Lmをなるべく揃えると言った選別も行なうべきだ。 それでも、20個も購入すれば、特性良好なSSB用フィルタが作れるのは間違いないようだ。



 【NDK製NTSCクロマ発振用;3579.545kHz
 HC-6/Uと同じサイズで溶接で組立られたタイプである。HC-48/Uと言う形状らしい。 リード線も細くて長いハンダ付けタイプである。 3579.545kHzと言うのは、TVがアナログだった時代のカラー復調用サブキャリヤの周波数である。

 NTSC方式なら、どんなカラーTVにも必ず一つは入っていたものだ。同様にVHSやβマックス方式のVTRでも使われていた。(4倍の14.318MHzを使う例も多い)
 この水晶発振子はずいぶん前にIさんに頂いた物だったと思う。 大きくて使いにくいのでやや持て余し気味であったが、実測してみたらなかなか良い物だった。 Quが大きいのだ。

 【NDK 3549.545kHz水晶の特性一覧
 他に使った記憶は無いので、全部で14個頂いたようだ。 但し、測定していて2個は不良品だった。 1個は電極間の絶縁抵抗が低下していた。 もう1個は水晶板がケースに接触しているらしく機械的損失:Rmが異常に大きかった。 そのため、これらの2個は除外して表に纏めておいた。

 この水晶発振子の特徴は無負荷Q:Quが高いことにある。 平均で20万を超えており、低いものを除去すれば平均25万くらいになるので、かなり良い特性のフィルタが作れる。但しSSB用のような帯域幅の広いフィルタでは、中心周波数から見た上下の非対称性が目立つため不向きではないかと思われる。対策としてfpを移動させる方法で対称化を図る方法もありそうに思う。 CW用の狭帯域フィルタには最適そうだ。高いQuを必要とする100〜250Hz幅くらいのTransitional gaussian to 6dB型で設計してみたいと思っている。良い音のCW受信機になるだろう。



 【Toyocom製ボーレート用:11059.2kHz
 ボーレート・ジェネレータ用のクリスタルであろう。コンピュータ時代らしい周波数の水晶発振子である。 同一ロットで無開封の袋入りが非常に安価に売られていたので纏めて購入したものである。
 日本のメーカー名が入っているので、そこそこ良好ではないかと思って購入した覚えがある。 たしかに、中華クリスタルのように100個に3個も不良が混じっていると言うようなことは無かった。

Toyocom 11059.2kHz水晶の特性一覧
 流石に日本メーカの水晶発振子と言いたい所だが、直列共振周波数のバラツキは思ったよりも大きかった。 8MHzの水晶よりもバラツキの絶対値は大きくなるのは当然だが、それを考慮しても大きいようだ。

 ただ、無負荷Q:Quの価はバラツキが少なかった。 残念なのは、そのQuの平均値が小さいことにある。 平均で10万少々と言うのは、発振用には支障ないがフィルタ用としては少々物足りない。  無損失の水晶振動子を前提としたDishalの設計ツールでは現実との乖離が大ききなる傾向が出そうだ。 なるべく、Quが大きいものを選別して使用すると幾らかでも有利だろう。



NDK製時計用水晶:4194.304kHz
 HC-49/U型のこの水晶発振子は2^22Hzの水晶である。22段のバイナリ・カウンタ(2進カウンタ)で分周すれば1Hzが得られるので、おそらく置き時計などの用途に使っていたのであろう。

 周波数はやや低めだが、SSB用フィルタは十分可能だ。 まだ評価の途中なのであるが、無負荷Q:Quは20万近くありそうなので有望だと思っている。 HC-49/USよりも水晶板が大きいのも有利な筈で、あとはバラツキが少なければフィルタ用として最適だろう。 以前はたくさん流通していたので持っている人は多いと思うが?

一例であるが:
fo=4193.174kHz
Rm=16.7Ω
Lm=125.5mH
Cm=11.48fF
Qu=198,000



朝日電波製12.8MHz:その1
 12.8MHz=2^7×100kHzの汎用水晶発振子と思われる。 最近はより小型の20MHzあたりが標準的な汎用水晶発振子のようだが、以前は12.8MHzが多かった。
 そのまま発振回路に使われるケースが殆どだと思うが、TCXOに組み込まれたものもあるだろう。但し、TCXO用と一般発振用は温度特性の決め方には違いがあると思う。 この水晶発振子がどちらなのかはわからない。 次項の12.8MHzの方を先に評価したので、こちらは後回しになっている。一応、概略の価を書いておくに留める。 形状はHC-49/Uを一回り小さくしたものである。

fo=12.797744MHz
Rm=12.2Ω
Lm=19.4mH
Cm=7.97fF
Qu=128,000

 なお、念のために書いておくがfFというのは、フェムト・ファラドのことである。 フェムトとは10^-15で、1ピコ(p)は1^-12であるから、1fFは0.001pFのことである。 mHは1/1000ヘンリーなのは言うまでもない。Quは単位無しの無名数である。



朝日電波製12.8MHz:その2
 同じ12.8MHzの汎用水晶発振子だが、ユーザー名が印刷された専用品である。 形状はHC-49/Uのようだが、何となくケースに厚みがあるように感じる。すこし違うのかもしれない。

 数年前であるが、オークションに大量に登場したことがあって、数名のお方と一緒に分けて頂いたことがあった。その後もオークションに登場しているそうで、これは別途落札したものだそうだ。 前から有った手持ちと比較したら、ロット番号が違っているようである。 その他は同じようだ。 ICOMと書いてあるが、無線機でおなじみのICOMなのかどうかは不明だ。どんな場所に使っていたのだろうか? また、なぜ大量にオークションに登場するのだろうか? 朝日電波と言う会社は既に存在しない(?)ようなので、整理されたとき流出したのだろうか?

ASAHI 12.8MHz水晶の特性一覧
 偶々なのかもしれないが、無負荷Q:Quが高くて、周波数:foのバラツキも小さいのが特徴だ。 Quは平均で15万を超える。標準偏差も1万以下なので良く揃っていると思って良いだろう。 もちろん、選別すれば安心だ。 次項に示した表は選別の一例を示している。


ASAHI 12.8MHz水晶の選別例
 8素子のラダー型フィルタを目的に選別してみた。 まずは、Quの大きさで並び替えを行なった。 その後、周波数順に並び替えを行なったあとで、周波数差が一番小さい8個の組を選んでいる。 このように並べ替えた物を使って設計することになる。

 これらの一覧表はMS-Excelで作成しているので並べ替えはお手のものである。 もちろん、水晶定数も必要項目だけをインプットすればあとは自動的に求まる。平均値や標準偏差の計算も同様である。たくさん計算しなくてはならないから、いちいち電卓をたたいていたのでは日が暮れてしまう。(笑)

 Dishalの設計ソフトには平均値を入れてやれば良い。 この水晶はQuが大きいので肩部分のダレも少なくて良いフィルタになるだろう。 どんな物が作れるのか、気になるお方は表の数値を設計ソフトにインプットして遊んでみてはいかが?



【水晶定数の測定について
 水晶定数の測定は幾つかの方法で試している。 結論から言うと、どの方法で測定しても大差はないようである。 写真では、ネットアナを使っている様子だ。 おなじネットアナを使う方法でも、-3dB法と±45度法がある。スペアナ+TGでやるなら-3dB法と言うことになる。

 さらに、まったく別の方法として発振させ直列容量の有無による周波数シフト量から求める方法もある。 まだ他にも方法があって、同じ水晶発振子についてそれぞれに基づき測定し計算してみた。 その結果、測定方法の間でせいぜい1〜2%くらいの違いしか見られずかなり良く一致した。

 そのような結果から、特別高級な測定器を用いなくても十分良い精度で水晶定数が得られることが確認できた。 従って、もっとも手軽な発振周波数のシフト量を測定する方法・・・G3UURの方法・・・がアマチュア向きである。 安価な手段で実現できなくてはフィルタを製作する意味も薄れるので、これはたいへん良い結果だ。

 注意すべきは、直列に挿入する容量値を発振回路に実装した状態で実測から求め、その数字に基づいて計算することである。例えば30pFのコンデンサを使ったからと言って、30pFで計算するのではなく回路に入れた状態で実測した数値を使用する。測定にはLCRメータDE-5000(←リンク)とSMD部品用測定プローブを使うと容易だった。
 それさえ行なえば良い精度で水晶定数の算出ができるだろう。 周波数シフト法ではRmが求められないが、Dishalのソフトを使った設計ではRmの数値は必要としないので殆どの製作者にとって欠点にはならないだろう。 もちろん、それ以上を目指すならW1FBの測定治具などを検討すべきだが・・・。 G3UURの方法についての比較と考察などは別のBlog(←リンク)で扱っている。

                    ☆

 自家用情報なので、殆どの人は役立たなかっただろう。 それに、外観形状を見ただけでは良否の判定は出来ないから写真と似ていると言って、類似の性能が保証されるものではない。フィルタへの適否は測定によらねば判断できないのだ。

 参考までだが、SSB用フィルタを作る際の判断はQu>100,000と考えている。Qu>150,000ならなかなか良い水晶だ。もちろんQu<100,000でもSSBフィルタは作れるが設計通りに行かないのはやむを得ないだろう。

 発振用に作られた水晶発振子をクリスタル・フィルタ用として使うのはリスクがあるのではないかと思う人もありそうだ。 しかし実測値で示したように、良く吟味すれば非常に良い水晶振動子が安価に手に入るのだから、クリスタル・フィルタはやっぱり「自作するもの」と言えるのではないだろうか。de JA9TTT/1

(おわり)