EX

2016年7月20日水曜日

【測定】Crystal Impedance Meter and Test Fixture

【測定:クリスタル・インピーダンス・メータとテスト治具】

Crystal Impedance Meterとは?
 クリスタル・インピーダンス・メータ:略してCIメータは水晶発振子(振動子、共振子)の評価を目的とした測定器です。
 写真はAgilent社のE4916AというCIメータです。構造や機能から見て研究開発用の測定器ではなく、水晶発振子の製造ライン向けのようです。

 測定可能な項目は水晶発振子の直列共振周波数とその等価定数です。 モーショナル・インダクタンス:Lm、同キャパシタンス:Cm、同レジスタンス:Rmのほか、並列キャパシタンス:Cpが測定できます。 もちろん、無負荷Q:Quも計算され表示されますが表示器の文字数の関係で一度に表示しきれないため切換え表示になります。 液晶表示器はバックライト付きですが余り見易くありません。製造ラインでは人が直接数値を読むことはなく、GP-IBインターフェース経由で自動測定と自動選別が行なわれていたのでしょう。 測定周波数範囲は1〜180MHzです。

 非常に古くからあるCIメータとは測定法が異なるようで、ネットワーク・アナライザ(VNA)での評価に近い測定方法で水晶定数を求めているようです。 水晶振動子の測定に特化した測定器ですからVNAのような汎用性はありません。 備考:写真で型番の下にLCR Meterとありますがこれはオプションの機能です。

 このCIメータは、Tさんのご好意でテストの機会が持てました。測定用の治具(テスト・フィクスチャ)は付属しないため製作する必要がありました。 その製作のためにテストソケットやアッテネータ用パーツまでご提供頂いたのですが完成までにずいぶん時間が掛かってしまいました。延び延びになり申し訳ないです。

                     ☆

 一般的ではない測定器を扱っています。 他にも良い方法があるので水晶発振子(振動子,共振子)の評価に不可欠なものとは言えません。 偶々入手されたお方には少しは参考になるかもしれませんが殆どのお方にとって無縁でしょう。 向学の為にご覧頂くのは結構ですが入手をお奨めする意図はありません。 なお、12.5Ω測定治具はネットアナやスペアナ+TGでも役立つ可能性が有ります。製作に興味があれば前のBlog(←リンク)も合わせてご覧下さい。 以下、主として自身のメモですがお暇でしたらお付合いを。

測定用治具を作る!
 正規のテスト治具があれば一番なのですが新品は驚くばかりのお値段です。(笑) 中古品の出物でもあればメンテナンスして使いたいところですが、手動測定用アクセサリは滅多に出てきませんので余り期待できないでしょう。

 せっかくの機会ですが、あまりにも高額な出費になっても困ります。 CIメータのテストに支障のない測定治具を製作することにしました。 もちろん正規の物とは違うので測定精度に何がしかの影響はあると思われます。しかしクリスタル・フィルタの製作に使えるデータが得られれば良いのでその辺りを目標にしてみましょう。

 写真は治具のケースに相当する部分をプリント基板を使って製作しているところです。板取りと穴加工が終わり組み立てる段階です。 組立はハンダ付けによって行ないますが上手に作ると非常にしっかりした物が作れます。 基台部分はt=1.6mmの片面基板を使いサイド部分はt=1.0mmの両面ガラエポ基板を使いました。これは手持ち部材の都合によるものです。

 【テストソケットは重要部品
 こうしたテスト治具では水晶発振子を装着するソケットが非常に重要です。 数回の抜き差しでは済みませんからテスト用に作られた耐久性のあるソケットを使います。

 普通のICソケットを使ったのでは数10回の測定が限度でしょう。 比較的短時間で接触不安定が発生し安定した測定は望めません。 水晶振動子のQは非常に高く、良いものでは直列共振周波数に於けるインピーダンスは数Ωに過ぎません。 従って治具に接触不良があるのは致命的で測定器や測定方法による誤差以前の問題でありきちんとした評価はできないでしょう。

 ここではテスト用として作られたソケットを使っています。 治具の製作用として纏めて入手されたもの分譲して頂いています。 最近販売が始まったaitendoのこれ(←リンク)と類似品ではないでしょうか? 少々高いですが測定の確かさに影響しますから良いソケットを使いましょう。

 【抵抗減衰器で12.5Ωに変換
 水晶発振子の測定には12.5Ω治具を使うのが標準です。 これは一般的なHF帯水晶発振子のRmが小さいため低インピーダンスの治具を使う方が測定し易いからでしょう。 最近の表面実装型超小型水晶では励振電力が非常に小さくRmも大きいためもっと高いインピーダンスの治具を使うそうです。 

 ここでは50Ω→12.5Ω変換回路を使った標準的な12.5Ω治具を作ることにします。もっとも一般的な測定治具です。 アッテネータの製作には高周波特性の良い14.2Ω、66.2Ω、159Ωの抵抗器が必要です。精度も±1%くらいは確保したいところです。

 測定器メーカでは特注によって必要な抵抗器を作らせているでしょう。最初から厚膜印刷抵抗を使ってアッテネータ形式に作ってしまっているかもしれません。 しかし一般には入手できませんからEシリーズの抵抗器を組み合わせで作ることになります。

 実際には14.2Ωの部分に6.8Ωと7.5Ω、66.2Ωの部分に15Ωと51Ω、159Ωの部分には2Ω、75Ω、82Ωの組み合わせで製作しました。 いずれも抵抗器2個あるいは3個の直列で得ています。 誤差1%のチップ抵抗器なので無線別でも良い精度が得られました。 使用周波数はHF帯です。30MHz以上の水晶を扱うことは稀なのでストレー容量に気をつけコンパクトに作れば良いでしょう。
 テストソケット部分とBNCコネクタまでの配線はプリント基板化してストリップライン構造にするのがベストです。ユニバーサル基板では難しいので0.8D-QEVと言う細芯耐熱同軸(50Ω)で配線しました。HF帯ですから効果は同じようなものでしょう。この同軸ケーブルの芯線はかなり細いですがクラッド銅線になっているので適度な強度があります。銅喰われしないよう銀入りハンダを使いました。
 
 【測定治具が完成!
 写真のように完成しました。ネットワーク・アナライザによって周波数特性を確認したところ、概ね50MHzあたりまで減衰特性はフラットでした。治具内部の配線の関係で幾らか位相回りが見られました。

 実際にCIメータで水晶を測定する際にはショート、オープン、ロードの各校正を行なってから使用します。 この治具の素の特性が現れるわけではありませんから精度は十分得られるでしょう。 CIメータ専用と言うわけではなくネットアナ等でも使えますので良い治具ができたと思っています。 30MHzまで安心して使え、気をつけて使えば50MHzあたりまで活用できるようです。

 【CI-Meterで測ってみる
 測定治具を接続するためのコネクタは全て背面にあります。 写真のように使うためには、少々長めの接続ケーブルが必要です。 使用に際してはケーブルも含めた校正を行ないますから極端な長さのケーブルでなければ支障はありません。

 テストソケットに装着可能な水晶発振子の種類・形状は、HC-18/U、HC-49/U、HC-49/USなどです。 足ピンの太いHC-25/Uも無理をすれば装着できますがソケットのヘタリが心配なので別のソケットを介した方が良いでしょう。 HC-6/UやFT-243などの大型水晶を測定するケースは稀だと思いますが直接挿入できないのでそれら専用のソケットを介して測定することになります。 その際はそれぞれのソケットの端子間容量を実測しておき、並列容量Cpから差し引くことで良い精度で測定すことができます。 それほど高い周波数の水晶を測定する訳でもないので神経質になる必要はないと思っています。

 【10MHz水晶の測定例
 10MHzの水晶発振子を測定しているところです。 LCD表示器に各水晶定数が表示されます。 無負荷Q:Quも表示できますが、表示画面の切換えを行なう必要があって少し面倒です。仕様書によればGP-IB経由でデータを取出すことでさらに詳しい情報が得られるようです。

 いずれにしてもラダー型クリスタル・フィルタを作るのでしたら選別のためにEXCELの表に纏める必要があります。 fr、LmとRmからQuは簡単に計算できるのでわざわざ切り替えてE4916Aで表示させなくても良いでしょう。 E4916AのLCD表示ではLmはL1、CmはC1、RmはR1となっています。 また、並列容量:CpはC0で、直列共振周波数:f0はfrの表示となっています。 並列共振周波数fpは表示されませんが、fpは治具などの外部容量によって変化する値なので必要度は低い筈です。 E4916Aの表示で添字の付け方はいずれもIEC標準の標記方法です。 水晶定数の詳細については過去のBlogでも扱っていますのでこちら(←リンク)もご覧を。

 【ネットアナ測定との比較は?
 既存の測定との違いが気になる筈です。 8MHzの水晶発振子についてネットワーク・アナライザ:VNAを使って求めた値とE4916Aで測定した結果を比較してみます。 私のところではVNAによる測定を基準にしています。

 以前のネットアナでの測定では50Ω測定治具を使いました。 従ってCIメータ:E4916Aとは異なる測定治具を使用しています。いずれの測定器にもGPS周波数基準器の10MHzを供給して周波数精度を上げています。これはルビジウム周波数基準器でも良いでしょう。(外部周波数基準は必須ではありません)

 平均値から測定結果を見てみましょう。 まず直列共振周波数:frですが差異は僅かに「1Hz」でした。 周波数基準器の10MHzを与えた効果は十分ありました。 肝心のLmとCmですが、こちらは約-2〜+2.4%の違いになりました。治具の違いや測定器の違いなど考慮するとまずまずの精度で一致しており良い結果ではないでしょうか。

 Rm(=R1)の違いが少し大きくなっています。 これはNo.12とNo.17のクリスタルのR1が特に大きいためのようです。 それに伴って無負荷Q:Quの違いも-3.3%と大きめになりました。 Quの値は直接フィルタの設計計算には使いません。使う水晶の平均値を求め帯域幅との関係から設計補正に使います。従って±10%の違いなら十分な精度です。Quが大きなものを選別してその平均値を求めると言った目的には支障ないでしょう。

 直流:DCや低周波:AFでの測定と違い、僅かなストレー容量や配線インダクタンスが影響する高周波:RFの測定では測定誤差が現れ易くなります。 この比較のように違う測定法による差が2%前後でしたらとても良い再現性と言えます。同じ測定器、同じ治具を使ったとしても±2%程度の違いは容易に現れるからです。

 表はネットアナとの比較です。既にG3UURによる周波数シフト法とネットアナの比較でも精度良く測定できることが確認されています。 ラダー型クリスタル・フィルタの設計・製作に使う水晶はいずれの測定方法で求めても良いことがわかります。

 従ってアマチュア的には周波数シフト法(←リンク)がもっとも手軽と言えるでしょう。 損失抵抗:Rmや無負荷Q:Quを求める必要があるなら紹介済みの書籍:A Tester for Crystal F, Q and R : Doug DeMaw W1FB (W1FB's Design notebook, pp192 to 194)の測定治具がアマチュア的で良いです。自作の治具と手軽な測定器との組み合わせで求めることができます。関連ページ(←リンク)に帰って参照して下さい。(W1FB's Design notebookはネット上に電子データ版があります。おそらく違法なものでしょう)

参考・1:過去にも紹介していますが、測定方法と水晶定数についての比較検討結果はK8ZOAのレポート(←pdfにリンク)「Crystal Motional Parameters」に詳しい報告があります。それによると、各種の測定法の間でC1やL1で2〜5% 程度、R1では5〜20%の違いが生じています。 彼とは測定器やテスト治具がまったく異なる私の比較測定でも概ね同等以上の精度が得られています。状況から見て結果は十分信用できると考えています。

参考・2:CIメータは使い方さえわかれば誰でも簡単に水晶定数を求めることができます。便利な測定器ですが、スペアナ+TGあるいはネットアナのように主共振周波数の近傍に存在する有害な副共振の様子を簡単に見極めることはできません。*1  発振用の水晶を使ってフィルタを作ろうとする際にはこれが欠点だと思います。従って、他の方法で予備測定し共振状態を見てから使う必要があります。CIメータだけでは万全ではありません。(*1 E4916Aにはスプリアス測定モードがあります。但し画面で見るようなわかり易さがありません)

                     ☆

 ラダー型クリスタル・フィルタの話しは一区切りついていたのですが残った課題があったので扱いました。これでクリスタル評価の一通りの方法と道具について済んだと思っています。 まさかCIメータまで試用できるとは思いませんでした。12.5Ω治具もできたので、様々に活用できるでしょう。
 それまで 汎用測定器でどこまで精度良くクリスタルの評価ができるか努めていた所に、CIメータの登場とは正直な話しかなり脅威を感じてしまいました。結果がぜんぜん違ったらどうしようかと心配したのです。(笑) 自身で比較評価してみた結果、いずれの方法でも良い精度の測定ができるとわかりホッとしているところです。
 振り返って見ると良い精度を得るには治具や手順の違いのような部分で差が現れ易いように思います。 慎重に行なえばどの方法でも良い再現性が得られます。当然いずれのデータを用いてフィルタ設計しても大丈夫です。違いはごく僅かなので製作段階に於いて誤差として処理できる程度に過ぎないでしょう。 上手に測定し、ばらつきの少ないクリスタルを集めることでとても良いラダー型クリスタル・フィルタが作れます。

                   −・・・−

 色々実験していると様子(窮状?)を見かねたお方からご好意を頂くことがあります。 有益な情報ばかりでなく物品のご提供を頂くこともあって恐縮しております。 ご不要品を片付けるケース(笑)もあるとは思いますが、多くは使って試して欲しいお気持ちもあるのでしょう。ですからさっそく試して結果をお知らせするのが礼儀なのでしょうね。
 しかし現実はなかなか厳しいものがあります。 私の実験リストには計画項目が溢れています。なかなか優先順位が付けにくくて比較的容易そうなものから始めている状況です。そうでなくてはリストが少しも減ってくれませんからね。 途中の割り込みも多くてもともと何をやっていたのか忘れてしまいそうです。(爆) せっかくのご好意は無駄にしたくありません。気長にお待ち頂けたなら幸いです。いつかきっとやりたいと思っています。 何だか言い訳になってしまいました。w ではまた。de JA9TTT/1

(おわり)fm

8 件のコメント:

T.Takahashi JE6LVE/JP3AEL さんのコメント...

加藤さん、こんにちは

梅雨が明けて酷暑の毎日です^^;

CIメーターの評価おつかれさまです。

>CIメータだけでは万全ではありません
測定器は測定の理屈を理解して使わないと正しい値が得られない場合が多々ありますね。
ジャンク水晶だと壊れていることも時々ありますし^^;

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんばんは。 関東は梅雨明け前ですが今日も暑かったです。

さっそくのコメント有り難うございます。
> CIメーターの評価おつかれさまです。
すでにご自身のBlogで評価されていますのでTさんが高橋さんなのはすぐわかってしまいましたね。スミマセン。 評価の機会が持てて良かったです。お世話頂きどうもありがとうございました。

> 理屈を理解して使わないと正しい値が得られない・・・
それで、旧来のCI-メータの測定原理など調べていたのですがE4916Aとは少し違うように思いました。 勿論十分に検討されている測定器なのでしょうね。水晶メーカーの製造ラインを支える測定器でしょうから・・・。 当たり前ですがきちんと測定できていると思いました。

> ジャンク水晶だと壊れていることも時々ありますし^^;
秋葉原名物の水晶などQが低くて発振しにくいとか、電極がケースにタッチしているなど、従来では考えられませんから。 周波数特性を見てからCIメータで選別しないと安心できないですね。新品が激安なので仕方ありませんけれど。(笑)

治具もできたので活用したいと思います。

Kenji Rikitake さんのコメント...

水晶フィルタの分野はまったく経験がなく、今後の製作予定もないのですが、12.5Ω治具とソケットの話は大いに参考になりました。
複数の測定法で同様の結果が出るというのはとても面白いですね。

Kenji Rikitake, JJ1BDX(/3)

TTT/hiro さんのコメント...

JJ1BDX/3 力武さん、こんいちは。 そちらは猛暑でしょうか? 今日の北関東は肌寒いくらいです。

いつもコメント有り難うございます。
> 大いに参考になりました。
どうもありがとうございます。 12.5Ω治具はIECの標準測定法で決まっていたように思います。 ラダーフィルタの製作ではたくさん測定する必要があるのでソケットは耐久性が必要になりますね。少量でしたら普通のICソケットでも何とかなるのですが・・・。

> 複数の測定法で同様の結果が・・・
いずれも共振回路を測定するアプローチとして確立しているので方式による差は出ないのでしょうね。 逆に大きな差が出たら原因を追求しないと安心できなくなってしまいます。(笑)

厄介そうなBlogにコメント頂きありがとうございます。 もうコメントは付かないと思っていたんです。(爆)

jn3xby@岩永 さんのコメント...

TTT/加藤さん、こんにちは。
ついにCIメーターまで登場ですね! XTAL測定用の治具を製作され、これまでの測定法との比較はとても参考になります。
これまでいくつかの特性の良いXTALフィルタを製作されたわけですが、これまでの測定法で良い結果を出され、メーカー製の測定器で再確認されて問題がなかったということになって自作派は手軽にフィルタの製作にチャレンジができることになります。
(同じでないと海外のこれまでの記事は何だったんだということになってしまいますが)
当局も、フィルタの基板を分けていただいておきながら、製作まで至っていないので早く使わなくてはと反省しきりです。

TTT/hiro さんのコメント...

JA6IRK/1 岩永さん、こんにちは。 こちら曇天で涼しくてFBです。 ショッピングに出掛けておりました。

いつもコメント有り難うございます。
> 比較はとても参考になります。
どうもありがとうございます。 クリスタルの測定は単純ではないため、なかなか自信が持てませんでした。最近の評価方法で良さそうなので安心しているところです。

> 自作派は手軽にフィルタの製作にチャレンジができる・・・
そうあって欲しいと思っています。 FBなフィルタが出来たと言うメールも頂いています。 特にCW用フィルタでは良い結果が得られ易いようです。

> 何だったんだということになってしまいますが・・・
そうなんですよね。 せめて彼らの結果が再現できるレベルまでは行きたいものです。 だいたい追付けた感じでしょうか?

> 早く使わなくてはと反省しきりです。
お忙しいようなのでお暇ができたら製作されて下さい。aitendoの安水晶でもFBなフィルタが出来ますからお手軽で良いと思います。 CW用でしたら6素子、SSBには8素子がお奨めです。 水晶の選別も以前よりもずっと簡単になりましたね。

JG6DFK さんのコメント...

こんばんは。梅雨明けしたようですね。梅雨明け10日とはいかないようですが、これから暑さが増して大変そうです。

FBな計測器を入手されたようで何よりです。RFへの関心がすっかり失せた私にはたぶん「猫に小判」です(笑)。

今回の結果はまさに「弘法筆を選ばず」ですね。逆にどれだけ高度な計測器を備えていても、本質をきちんと理解していなければ、いつまで経っても正しい結果は導き出せないでしょう。

関心があるテーマをいろいろお持ちのようですが、外野席は無視してマイペースで取り組まれるのがFBかと思います。顧問料でも頂戴していれば別でしょうが(笑)。

私の場合は昔から、やりたいことがあっても必ずお金か時間のいずれかに阻まれます。世の中うまくいかないものです。

蛇足ですが、メインPCを滑り込みでWindows 10にしました。今のところ、Windows 7に戻さなければならないほど大きな問題は見つかっていません。アップグレード後、一見アップグレードされていないのではないかと思えるほどに以前の環境を再現してくれたのには感心しました。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、こんばんは。 関東も梅雨明しましたねえ! これから暑くなりそうです。w

いつもコメント有り難うございます。
> たぶん「猫に小判」です。
クリスタルばかり測定するなんてことは有りませんので、私にも猫に小判ですよ・・・と言うか、殆どの人がそうでしょう。(爆)

> 本質をきちんと理解していなければ・・・
高周波測定の基本的な部分はある程度わかっていないと誤差ばかり大きくなってしまうでしょうね。 多少の経験も必要です。

> マイペースで取り組まれるのがFBかと思います。
はい、基本的にBlogネタはマイペースですよ。 手軽で面白そうなネタが優先になってしまいますね。hi hi 現在は原稿の依頼も無いので気楽で良いです。やはり頼まれ事があると気がもめます。w

> Windows 10にしました。
幾つかアップデート可能なPCもあったのですが、用途が限定的なのと使用頻度が低いので結局行ないませんでした。 現状で取りあえず支障ないと思っています。 児玉さんはアップデートのトラブルが無かったようで良かったですね。