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2016年9月17日土曜日

【回路】AD9834 DDS-VFO Design

【AD9834を使ったDDS-VFOの設計】
 【AD9834 DDS Chip】
 AD9834と言うDDS-ICに再び注目してみました。 このBlogで初めて本格的に扱ったDDS-ICはこのAD9834でした。 しかし、その直後にAD9850と言う別のDDS-ICを搭載したDDSモジュール・・・いわゆる「中華DDSモジュール」が安価に登場したので移行した経緯があります。 その中華DDSは既に旬を過ぎたらしく安価な入手が難しくなってきました。一つ5〜600円で買うことはもうできないでしょう。*1

 一旦はAD9850の活用に移行したDDSですが再びAD9834に戻りたいと思っています。 何故かと言えば、何と言ってもAD9834は消費電流が少ないのが魅力だからです。 しかもここ数年でチップの価格もこなれて来ました。 次なるDDSとしてAD9834は良い選択だと思うのです。 それほど高い周波数の必要がないならAD9834の性能で十分でしょう。 ただ戻るのではなく以前の試作を見直して回路全体として更に消費電流を減らせたらと思っています。 合わせてモジュール化の検討もしてみましょう。

 写真のようにAD9834は20ピンのTSSOPパッケージに入っています。ピン間隔は0.65mmです。ハンダ付けは容易とは言えませんが困難と言うほどでもありません。 左の旧型はクロック周波数の上限が50MHzでした。AD9834BRUZです。その後バージョンアップされて写真右の75MHzバージョンも登場しています。こちらはAD9834CRUZです。いずれも幾らかのオーバークロックは可能なので、もう少し高い周波数のクロックまで動作できます。

 現在では1,000円以下で入手できることもあるようです。ちょっと前に共同購入のお話があったので陳腐化しない程度に確保しておくことにしました。これからも安価に手に入る機会はあるでしょう。 AD9834は現在も販売されているDDSチップです。仕様の詳細はメーカ(←リンク)のデータシートを参照して下さい。

*1:中華DDSの入手状況(参考・Aliexpress調べによる)2016年9月現在、中華DDSモジュールは単価$8〜$12-程度で売られているようです。送料など含めて1,000〜1,500円で入手できそうです。最盛期よりも値上がりしていますが未だお買い得感は残っています。AD9834では発生できない高い周波数が必要なら手に入れておいて損は無いかも知れません。

                    ☆

 いつものように備忘録がこのBlogの目的です。 ほかのお方に特定の部品を推奨する意図はありません。メモ書きを纏めただけなので貴方が知りたいことのすべてが書かれている訳ではないでしょう。
 AD9834の制御にはマイコンを使います。基本的な使い方は以前のBlog(←リンク)にあります。  活用の際には用途に応じたプログラムを書きます。その部分のハードルが幾らか高いことはわかっていますが、ニーズに合わせて各自で考えるべき部分なのでBlogでの対応は致しません。 データの送り方は少し違っていますが中華DDS・AD9850用ソフトの小変更で行けます。

 【TSSOP-20 ピッチ変換ボード
 検討を始めて便利なパーツを発見しました。 写真左側の小型変換基板がそれです。以前は無かったので最近発売されたのでしょう。 変換後のピン列間隔は10.16mmです。多くのデュアルインラインICよりもやや広いですが十分にコンパクトです。

 従来は右側のような変換基板に載せて試作していたのですが余分な部分が多いと感じていました。 その点、左側の基板は必要最低限の面積に作られています。 コンパクトな製作に向いていますし、試作ではなく実際に使う際にも小型化が図れそうです。

 この基板が登場したこともAD9834で再開する切っ掛けになりました。 aitendoで2枚100円で購入できるのもFBでした。

AD9834を搭載
 さっそくチップを搭載してみました。 出来上がりは写真のように十分コンパクトなので目論み通りと言って良いでしょう。

 但しランドサイズが小さいのとメッキが鉛フリーのようでハンダの乗りが悪かったです。 フラックスを塗布するなどかなり気を付けたのですが数カ所の未ハンダが残ってしまいました。

 何回か修正して写真の程度になりましたが十分満足できる仕上がりとは思っていません。 確実なハンダ付けにはなったので良しとしました。 良質のハンダでランド部分を予備メッキしておくべきでした。

 足ピンはブレッドボードやユニバーサル基板などを治具として使って位置決めしてからハンダ付けすると列間隔が正しく揃います。

#このような状態に変換しておけばAD9834を手軽に実験することができます。

クロック発振器の検討
 DDS-ICは基準になるクロック信号に基づいて出力信号を作成しています。

 従ってクロック信号の品質は非常に重要です。 出力信号の周波数精度や安定度は使うクロックに依存します。 更にジッターのような揺らぎがあれば出力信号も揺らぎを含んでしまうでしょう。 従ってDDSのクロック源には良質の水晶発振器が望まれます。

 市販の発振器にも優秀なものがあります。しかし価格と消費電流の面で満足できませんでした。特に数mAの消費電流で満足に働く発振器の入手は難しいようでした。

 HAMにとって水晶発振回路はお手の物と言えます。ここでは自作することにしました。写真は回路検討の様子で75MHzを発振させています。 後の回路図のようにFETを使ったピアースD-G型オーバートーン発振回路を使いました。 コルピッツ型発振器と等価です。

発振回路のトランス:T1
 LC同調回路を含まず調整の必要がないオーバートーン発振回路と言うのもあるのですが回路的に苦しいようです。 周波数選択回路の無い発振回路は確実な動作に無理があるように思います。 LC回路は使いたくないし調整もせずに済ませたい・・・と言う気持ちはわかるのですが水晶発振回路としてはどうも不利なようです。

 ここではオーソドックスにLC同調回路を使ったオーバートーン発振回路にしています。 FETやトランジスタと言った能動デバイスも重要ですが、確実な発振回路を実現するポイントの一つはLC回路にあります。

 なるべくQの高いコイルやコンデンサを使います。 良いコイル(Qの高いコイル)を使うことは発振し易さだけでなく発振器のC/Nを良くする効果もあります。 コイルにはVHF用の#10と言うコア材を使いました。 写真のように試作に便利なように4×4穴のミニ基板に実装しています。 今はこのような基板が廉価に販売されており重宝しています。  写真は50MHz用のコイルで75MHz用よりも巻き数が多くなっています。 コイルの詳細は次の図にあります。

オーバートーン水晶発振回路
 3次または5次のオーバートーン発振をすれば良いのでFETを使った発振回路にしました。 FETのIdssランクにより回路の消費電流が変化します。 例えば2SK241の場合、Yランクなら5mA程度ですがGRでは10mAくらいです。 GRの方が発振勢力は強いのですがYランクでも十分でした。 消費電流を優先してYランクを使います。

 J-FETの場合、発振が始まるとゲートジャンクションでの自己整流による負バイアスが掛かります。発振振幅が抑制されるとともに消費電流も減少します。これは真空管の発振器と非常に良く似た動作と言えます。 2SK241のようなMOS-FETで同様の効果を得るには、ゲートとソース間にダイオードを追加します。カソードがGNDになる向きに小信号用のSi-Diを入れます。

 もっと高次のオーバートーン発振が目的ならゲインの大きなバイポーラ・トランジスタ(普通のトランジスタ:但しfTが高いもの)を使うと有利です。 AD9834のクロック上限周波数はオーバークロックを考えても100MHz程度です。 周波数範囲から考えて3次もしくは5次のオーバートーン発振で十分なため部品点数の少ないFETを使った発振回路にしました。 5次以上でも発振はしますが3次オーバートーン発振よりも発振勢力は弱くなります。水晶発振子を選んでなるべく3次オーバートーンで行くべきです。

 ここでは50MHzの3次オーバートーン用に作られた水晶発振子のほか、HC-49/US型で基本波が25MHzの水晶で75MHzを得る実験を行ないました。いずれの水晶発振子も図の定数で旨く発振できました。 発振周波数はジャスト50MHzや75MHzにはなりません。真値は実測で求める方法もありますが、仮の数値で信号を発生させて見ます。その仮の値で発生させた信号の周波数を周波数カウンタで測定して比例計算から補正値を求めても良いでしょう。マイコンでコントロールしますから端数の付いたクロック周波数でも支障はありません。プログラム的に補正してしまうので水晶発振器の発振周波数は調整不要です。

 50MHzの3次オーバートーン用水晶発振子は米国製のジャンク出身です。また75MHzのオーバートーン発振に使った25MHz水晶(基本波)は秋月電子通商で購入したものです。 他の水晶発振子でも3次や5次のオーバートーン発振が可能なものはたくさんありました。手持ちを試してみると面白いです。いずれ役立つ時があるでしょう。
 本来オーバートーン用ではない水晶発振子でオーバートーン発振させるのは、水晶屋さんに言わせれば邪道でしょう。アマチュア的には支障ないと思っていますが、販売を目的とした商品・製品に使うのは保証外の使い方になるので慎むべきです。専用の水晶発振子を使って下さい。

 ドレイン側の共振器はなるべくQの高いコイルを使い、同調容量を少なめにしてHigh-Lに設計すると発振が容易です。(共振インピーダンスが上がりゲインがアップするため)

AD9834 DDSモジュールの試作
 AD9834を使った「DDSモジュール」の検討として写真のように試作してみました。

 左側に検討して来たクロック発振回路が載っています。 その右がAD9834を変換基板に実装したDDSの心臓部です。 DDS-ICの出力は巻き数比2:1(インピーダンス比で4:1)のインピーダンス変換トランスを介して出力されます。負荷インピーダンスは50Ωです。 写真右側のトランスはメガネ型コアを使っていますがフェライト・ビーズ:FB801-#43にトリファイラ巻き(6t×3)で作っても同等です。

 DDS-ICの出力には「折り返しスプリアス信号」が含まれているので低域濾波器(ローパスフィルタ:LPF)の付加は必須です。 但し遮断周波数は用途ごとに異なるため外付けするようにしました。 従って実際に使うためには出力の後ろに用途・目的に合ったLPFが不可欠ですです。

 このモジュールは単独で使うものではありません。 発振周波数を制御するためのマイコン回路を必用とします。 シリアルでデータを送れば良くマイコンの種類は問いません。

75MHzクロック発振回路
 クロック発振回路は先に実験済みのオーバートーン発振回路そのままですが、コイルは7mm角のコア入りボビンに巻きました。 トロイダルコアが駄目と言う訳ではありません。

 ちょうどVHF用と言う7mm角ボビンの手持ちがあったのと、トロイダルコアとトリマコンデンサを使うよりも回路の小型化が可能だったからです。コアによる調整範囲は意外に狭い印象がありました。発振周波数に応じて巻き数を細かく加減する必用がありました。 もし新規に部品を購入して製作するならトロイダルコアを選ぶ方が確実でしょう。

 性能的にはトロイダルコアに巻いた方が良さそうでしたが実用上の差はないのでこちらを使ってみました。  調整方法の考え方は同じです。 コアを右に回し入れて行くと発振のピークが現れます。 さらにコアを右回しに押し込むと急に発振が停止するでしょう。一旦発振ピークの位置にコアを戻してから、さらに左に回して少し戻した位置で調整終了します。 調整にはオシロスコープもしくは高周波電圧計を使って下さい。簡易な検波プローブとアナログテスタの組み合わせでも何もないよりマシです。(笑)

 FETはジャンクション型の2SK19Yや2SK192AY(どちらも東芝)、あるいは最近売られているBF256B(Fairchildほか)でも発振は十分可能でした。しかしMOS型の2SK241Y(東芝)あるいは2SK544E(旧・三洋)の方が発振させ易いようです。 使う水晶のアクティビティが低いと発振しにくいかも知れませんから2SK241Yや2SK544Eを使うと良いです。足の並びは異なりますが2SK439E(旧・日立)も良い選択です。

AD9834 DDSモジュールの回路図
 上記のクロック発振回路とAD9834 DDS-ICの部分をモジュール化するための回路図です。 モジュール化せず他の回路と一緒に作っても支障はありません。

 クロックに50MHzを使う例と、75MHzの場合を例示しています。AD9834チップの上限クロック周波数に合わせて決めます。なお、いずれのバージョンでも多少のオーバークロックは可能なようです。AD9834の消費電流は50MHzと75MHzで顕著な違いはありませんでした。(1mA以下)

参考:出力電圧の半減を許容するか、200Ωの負荷で使う前提ならこのモジュールの消費電流は12mAくらいまで低減可能です。図のT2を巻き数比1:1に変更します。またR2の2.7kΩを5.6kΩに変更します。更に水晶発振のFETを2SK192AYにすることで発振部の消費電流も減少できます。出力として200Ω負荷に約300mVppが得られます。なお後続のLPFはインピーダンス200Ωで再設計しなくてはなりません。(過去のBlogに設計事例あり)

 専用の基板を作りDDSモジュールとして組み立てておくと汎用の発振器モジュールとして便利に使えるだろうと思っています。 いずれそのような基板化ができればと思います。将来の課題です。

 このモジュールは発振周波数をマイコンでコントロールします。 私はAVRマイコンを使いましたが、PICマイコンでもArduinoやラズパイなどなんでも良いです。データは3線式のシリアル伝送で簡単な方式です。 電源電圧は5Vが標準ですが水晶発振回路およびAD9834のいずれも3Vでも働きます。 一段と省電力のために3Vで使うのも良いでしょう。 なお、3Vの時はオーバークロックはしない方が良いです。

DDSモジュールを使ったVFO
 AVRマイコンと組み合わせてDDS-VFOを構成した回路例です。 ロータリーエンコーダで周波数を可変し周波数はLCD表示器に表示されます。

 図では発振周波数の上限はクロック周波数の1/3となる25MHzを想定しています。但し75MHzのクロックの場合、LPFの設計を変更すれば30MHzくらいまで可能でしょう。  またクロックを50MHzにするならLPFの遮断周波数は15MHzあるいは20MHzに設計変更する必用があります。 図のLPFは切れの良いElliptic型(楕円関数型、連立チェビシェフ型とも言う)になっています。回路図中の印が付いたコンデンサはすべて0.1μF/25Vまたは50Vです。できたら積層型セラコンを使います。

 消費電流はLCD表示器のバックライトをOFFした状態で約40mAでした。もちろんこの数字はマイコンやLCD表示器を含んだDDS-VFO全体の消費電流です。 昔から売っているLCD表示器のバックライトはかなり暗いので十分な明るさを得るためにはバックライトだけに40mAも流す必要がありました。 全消費電流80mAのうち半分がバックライトの分だと言うのではナンセンスです。 従ってもっと発光効率の良いバックライトを持った表示器に変更するか、最初からバックライトは無しで考えた方が良さそうです。

  DDS-ICをAD9834にしてクロックも低消費電流に作ったことで大幅な省電力になりました。 乾電池電源の機器にはまだ消費電流は大きめではありますがマイコンやLCD表示器を工夫すれば更に削減は可能だと思います。 しかし現状の40mAならまずまずだと思っています。 また200Ω負荷を前提でDDS部分の省電流動作を行なえばマイコンやLCDを含んだトータルで33mAくらいまで低減できました。(バックライトはOFF)

 DDS-VFOとしての機能は以前の試作品と同等です。 個別の事例ではありますがもし興味があれば詳細は以前の記事(←リンク)に戻って下さい。  SSB/CW受信機やトランシーバ向きのVFOになっています。 ここでは試作中のTCA440を使った7MHz受信機を想定してプログラムを修正しています。中間周波は3577.8kHzとなっています。 信号純度も良好なため良好な受信ができています。 AD9834を使ったVFOへの変更は受信機全体の消費電流を低減するために大変効果的でした。

参考:AD9850を使った「中華DDSモジュール」はそれ自体で150mAも消費していました。搭載されているクロック発振器により消費電流には大きな違いがあります。 実測によれば少ないもので120mA、平均的には150mA、多いものでは180mAも流れるようです。 従ってマイコンやLCDのバックライトを加えたらDDS-VFO全体では250mA近く流れていました。

DDS-VFOのテスト風景
 テストには以前開発に使った「AD9834を使ったVFO」の試作品を部分的に流用しています。

 DDS部分は新しいものに置き換え、マイコンと表示器の部分を流用しています。 クロックの周波数が異なるのでプログラムの書き換えを行なっています。
 使用を予定するTCA440を使った受信機に合わせて中間周波のオフセット量も異なるのでそれも変更しました。 取りあえずATmega8という古いチップを使っています。機能に支障はないのですがATmega168Pあるいはmega328Pへ移行したいと思っています。 プログラムはBASCOM-AVRを使って作成していてオブジェクトのサイズは5kバイトくらいです。

 自作のクロック発振器は温度補償型ではないため発振周波数は幾らか周囲温度の影響を受けます。 しかし消費電流が少ないので電源を加えてからの変動はごく僅かでした。温度による周波数変化も普通の水晶発振器並みですから十分な性能です。TCXOには敵いませんが総合的に見て既製品の発振器(SPXO)を使うよりも良好でした。

 実証実験は済んだので、実際の応用に向けて本格的に製作するのが次のステップと言うことになります。AD9834は発熱も殆どなく安心して使えるDDS-ICだと思います。スペクトルを確認しましたが、十分きれいな信号が得られています。

                   ☆ ☆ ☆

 いわゆる「中華DDSモジュール」は安価で扱い易いため一世を風靡した感がありました。 扱いが面倒な面実装型のDDS-ICが基板に実装されておりクロック発振器も搭載され使い易い形で供給されたからでしょう。しかも中国からの直輸入ならとても経済的でした。 このBlogでも様々に活用すべく検討してきました。DDSと言えばVFOへの応用が着目されがちですが、安価なので水晶発振子の代用に使うと言った利用さえ考えられたのです。しかし幾つか欠点もあって消費電流が大きいこともその一つでした。

 最近になってその「中華DDSモジュール」もそれほど経済的ではなくなってきました。 主要部品であるAD9850の調達が割高になったのでしょ うか? 安価が取り柄のモジュールでしたがいずれ供給が途絶えればそれで終わりです。 あえて高額で買うほどの品質でもありません。 新しいDDS発振器を検討しておくことにしましょう。

 中華DDSモジュールが手に入らなくなったからと言って昔に帰りたくありません。 特にHAM用機器では自励発振のVFOやVXOには戻りたくはないのです。 周波数安定度に優れたVFOの製作は部品事情から言っても難しく、またごく簡易なRigを除けばVXOと言うのもいまさらの感があります。 やはりDDSのような近代的な発振器で周波数安定度と読み取り精度をがっちり確保するのがトレンドです。マイコンを使いこなす苦労はあってもVFOとしての製作はむしろ容易です。

 価格がこなれてきたAD9834を使い自前のDDSモジュールを開発しておけば様々な活用が創造できます。 消費電流が少なく信号純度の良いクロック発振器を備えたDDSモジュールが開発できたと思います。やたらと電気を喰わないので中華DDSよりも活用範囲は広がるでしょう。 製作費用もAD9834等の価格低下で「ミズホのVFO」をずいぶん下回るようになっています。 次は具体的な活用を探りましょう。 ではまた。de JA9TTT/1

Dual Gate FETの記事はAD9834/DDS-ICが先行したため機会を改めます。

つづき)←リンクします。fm

2016年9月1日木曜日

【その他】a little rest

【ちょっと一休み】
遅い夏休みです・笑
 ちょっと遅い夏休みです。 いつも忙しくしている訳でもないのですが・・・。 台風が来たり、少し疲れました。

               ☆

 写真はDual Gate FETの3SK22BLです。 次のテーマはDual Gate FETにしたいと思って準備を始めたのですが、途中で疲れてしまいました。 すこし休んでからまた歩き出すことにします。

・・・と言うことで、何時かのテーマは再びFETになりそうです。

良かったらコメント欄にDual Gate FETの思い出とかご自由にお書きください。 ではまた。 de JA9TTT/1

(おわり)nm