EX

2017年2月11日土曜日

【回路】67.108864MHz OSC, Adjustable.

回路設計:周波数調整できる67.108864MHzの発振器
ブレッドボードで試作
  あまり手が進まなかったので小ネタの紹介です。今回のテーマは67.108864MHzの水晶発振器・水晶発振回路です。
           ☆

 DDSで精度の高い発振周波数を得たいと言うテーマでクロック発振器を模索しています。 この発振器はその目的のために設計した特殊なものです。作ってみたい人は稀ではないでしょうか? 自家用メモの域を出ない内容ですし地味なテーマなので覗き見ても退屈でしょう。 こんなところで時間を浪費しないでもっと楽しいサイトへジャンプをお奨めします。ジャンプしたらもう帰ってこなくていいんですよ。(笑)

                  ☆ ☆

 67108864と言う数字は2を26乗した値です。 では、なぜこんな周波数が欲しいのかと言えば、DDS発振器の基準クロックに使うと正確な1Hz刻みの発振周波数を得るのが容易になるからです。

 例えば、DDS-ICにAD9834を使うとします。 AD9834のアキュームレータは28ビット長なので、発生できる周波数の刻みはクロック周波数の2の28乗分の1になります。 従って67.108864MHzのクロックを与えると得られる周波数の刻みは0.25Hzになります。クロックさえ正確なら、この0.25Hzに小数点二位以下の端数はまったくありません。 例えば40,000,000倍で10MHzちょうどが得られる訳です。そしてこの10MHzに周波数の端数は付きません。(40,000,000は2進数表記では、0010 0110 0010 0101 1010 0000 0000となる)

 ほとんどの用途では必要周波数に対して1Hz以下の誤差で設定できれば支障はありません。 受信機や送信機で必要とされる周波数精度は厳しく見積もっても誤差±数Hzでしょう。それにSSBでは相手局にゼロインしているのかが問題になるのであって、周波数の絶対精度は問題ではありません。あるいはCWなら各自が好みの音調でダイヤルしているので完全なゼロインなど要求されません。 従って、必ずしもこうした特定の周波数で与える必要はありません。 マイコンのプログラム処理によって容易に誤差1Hz以内の周波数に設定できるからです。あとはその周波数でずっと安定していれば良いのです。

 しかし非常に精密な測定のような用途では設定誤差がまったく含まれない正確な周波数が欲しくなることがあります。 その為にはDDS-ICに与えるクロック周波数は任意の周波数ではダメです。プログラム処理ではごく僅かな誤差が残存してしまい取り除けないからです。 従ってクロックは2のN乗の周波数であって、しかも調整によって必要とする周波数へ合わせ込めなくてはなりません。このようなことから周波数調整が可能な2のN乗周波数の発振器が欲しくなるのです。

 DDS-ICに与える基準クロックなので、2のN乗周波数でもなるべく高い周波数が有利です。AD9834を例にとれば、2^25=33554432あるいは2^26=67108864が適当でしょう。 具体的な周波数としては33.554432MHzまたは67.108864MHzになります。 用途次第ですが、高周波の発生が目的なら2^24=16777216(→16.77216MHz)ではやや低すぎます。そうかと言って、2^27=134217728(→134.217728MHz)ではAD9834が受け付けてくれません。(クロック上限周波数が高いAD9850やAD9851なら大丈夫です)

 【67.108864MHzの発振器
 図は67.108864MHzに調整可能な水晶発振回路です。 水晶発振器ですから大きく周波数を変えることはできません。もちろん目的の67.108864MHzに調整で合わせることはできます。

 ただし、それがずっと維持できるだけの安定度はありません。 一番下の桁は4で40Hzを意味しますが、それは67MHzに対して約0.6ppmにあたります。 いくら調整しても長時間維持することは不可能です。どうしても維持したいなら、恒温槽(オーブン)に入れるなどの対策が不可欠でしょう。

 もしDDSで得る周波数の精度が1ppm程度で良いなら、この67MHzの方も絶対精度は1ppmで良いので幾らか楽になります。 ±67Hz以内の周波数安定度が維持できれば済みます。 まあしかし水晶発振器とは言えども無補償で1ppmの周波数安定度を維持し続けるのは困難と言えます。従って1ppmの精度を求めるなら時々校正しながら使うのが現実的です。

 発振回路、及び逓倍器のいずれにも中華製のRF用トランジスタ:S9018Hを使いました。 国産のトランジスタでも支障ありません。 67MHzは大して高い周波数ではありませんが一応VHF帯です。 ここで使うトランジスタはft=300MHz以上の小信号用なら何でも大丈夫です。 しかし2SC1815のような汎用トランジスタは不適当です。  S9018Hは「秋葉原価格@¥10-」くらいのチープなRF用トランジスタです。でも、ft>800MHzですから、このくらいの周波数ならとても快適に動作してくれます。(中華トランジスタ:S9018HのShopping Report ←リンク) 写真のブレッドボード試作例では発振部のQ1に2SC2668Yを使っていますが、S9018Hでまったく支障ありません。足ピンの並びが異なるので気をつけます。

 2逓倍回路はPush-Push形式にしました。トランジスタ1石の逓倍回路でも周波数の2逓倍は可能ですが基本波の通り抜けが多いのが欠点です。 従って1石式でやるなら後続のフィルタはしっかりしたものが必要です。 Push-Push形式は基本波の通り抜けがずっと少ないので後続のフィルタが簡単になります。 安価なトランジスタを1つ追加するだけで、スプリアスの除去にたいへん効果があります。 なお、回路図のようにダイナミック・バランスがとれるようにして一段と不要成分の漏洩を低減するようにしました。

 【出力周波数
 出力周波数です。 この例ではユニバーサル・カウンタで測定しています。もちろん普通の周波数カウンタでOKです。 トリマ・コンデンサ:C6で周波数調整します。 但し、発振トランジスタ:Q1のコレクタ側の同調状態によっても幾らか発振周波数が変化します。 もしC6だけでうまく合わせ込めない時にはC4も微調整してみます。

 この状態で暫く様子を見ていましたが、10Hzの桁あたりが漂動しているようでした。 従って常に67.108864MHzちょうどが維持できる訳ではありません。 何の温度補償もしていない水晶発振器としてはごく普通の周波数安定度でしょう。(こんな多桁で見るから変動が多いように感じるのですが)

 【ダイナミック・バランスの調整前
 2逓倍器のダイナミック・バランス調整の効果を見てみましょう。 写真は調整前の状態です。 出力端子で観測しています。

 写真のように一つおきに波形の振幅が変化しています。 これは、逓倍回路のトランジスタ、Q2とQ3の特性が完全に一致していなかったり、トランジスタのベースに信号を与えるトランス:T1の2次側巻線の2つが良く揃っていない・・・などの影響があるからです。

 ゼロ・バイアスのC級増幅なので、Q2とQ3は交互に動作しており各々のコレクタ出力は合成されて出力に現れます。 各トランジスタのドライブ状態や増幅度に違いがあって一つおきに山の高さが異なっているのです。 このままの状態では基本波の通り抜けや、高調波成分は多くなっています。

ダイナミック・バランス調整後
 Q2とQ3のエミッタ間に入っている可変抵抗器:VR1を調整すると図のように山の高さが揃ったきれいな波形になります。 観測場所は同じく出力端子です。

 よく見るとまだ完全に同じにはなっていませんが、上記の状態よりも明らかに改善されたことがわかります。 この程度ならDDSのクロック用として支障ありません。 用途によっては、よりピュアな信号が欲しくなるかもしれません。それにはもう1段同調回路を加えます。

 Push-Push形式の2逓倍器は入力側のトランス製作が少し面倒ですが、それ以外は特に厄介な部分はありません。 スプリアスを抑えつつ、効率良く周波数の2逓倍が可能なので以前から好んで使っています。 逓倍器としてパワーゲインも大きいので、逓倍を重ねるような用途にも適しています。 なお、奇数次の逓倍、例えば3逓倍・・・したいときはPush-Pull型式にすると偶数次の高調波を抑制できるため有利です。ご参考まで。

                 ☆ ☆ ☆

 複雑なシステムもシンプルな回路の組み合わせです。 ごく基本的な要素回路ですが、テストしてデータをメモっておけば応用するときの安心感はずっと違います。 それぞれの回路にはクセのような物があって、それを知らないと後で問題になることがあります。 この発振+逓倍回路にも幾らかクセがありましたが試作したことで要点は掴めました。 安心感を持ってこの先の活用に進めます。

 以前、秋月電子通商で販売されていた67.108864MHzの発振器をDDS-ICのクロックに使ったことがありました。 電源を与えれば目的周波数の信号が得られるのは便利でしたが、周波数の微調整ができないのが欠点でした。少々精密な用途になるとそれが支障になったのです。 モジュールに加える電源電圧を変えると幾らか発振周波数が変化します。 その性質を利用して「周波数の微調整」を行なう例も見掛けました。  ほかに適当な代替パーツもなかったので、やむなく周波数誤差はソフトウエア的に補正する方向へ進みました。 しかしそのようなソフト処理では済まないことがあります。 そんな時は普通の方法で周波数調整できる発振器にニーズがあります。 さらに消費電流の削減は主目的ではありませんが既成の発振器よりも電源電流が少ないのも一つのメリットになりそうです。 では、また。 de JA9TTT/1


(おわり)fm

12 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
ここ数日寒い日が続きますね。

67.108864MHz、DDSを使うなら出来れば使いたい周波数ですね。
秋月の発振器もPLLタイプになってしまい通信用には使えなくなってしまいました。

ただ67.108864MHzの水晶があまり一般的では無いのが難点でしょうか。
使われているのは時計用などに使われる小型のタイプですね。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんにちは。 快晴で日差しも強いんですが寒いです。

さっそくのコメントどうもありがとうございます。
> DDSを使うなら出来れば使いたい周波数・・・
そうなんです。やはりキリの良い周波数が発生できるのでDDS-ICには良い周波数ですよね。

> 通信用には使えなくなってしまいました。
あれに代わってしまったのは残念でした。昔のサイズで作ってくれる所は無くなったんでしょうね。 小型になっても良いのでごく普通の水晶オシレータが良かったんですが・・・。安く作る方法は他になかったんでしょう。

> あまり一般的では無いのが難点でしょうか。
はい、そう思います。在庫していたものを使いました。 ほかにHC-49/USもありましたが、どちらも旨く発振してくれました。

> 時計用などに使われる小型のタイプですね。
最近はこうした小さな発振子が多くなってきたようです。 従来の発振子よりもドライブパワーを下げてやらないと飽和してしまうようです。 まあ、小さいからしかたがないかも。 図の回路ではややオーバードライブ気味ではないかと思います。

jn3xby@岩永 さんのコメント...

JA9TTT 加藤さん、こんばんは。

先日aitendoでお会いした時に、教えていただいた水晶の活用事例ですね!
当局も昔秋月で売っていた67MHz¥のOSCは何個か持っているのですが、使いきれていません。
電流食うのがやはり難点です。
PUSHにしてバランスを取って波形整形するところは、目から鱗です。
教えていただければ、あ、そうかになるのですが、そういう発想になりません。
頭の片隅に入れておきましょう!

加藤さんの楽しいサイトとはいったいどんなところか興味を持って行ってきました。
普通のサイトだったのですぐに戻ってきましたよ(爆)

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY/1 岩永さん、こんばんは。 近所の公園に行ったら梅がだいぶ咲き始めていました。 寒いですが春は来ているんですね。

いつもコメント有り難うございました。
> 何個か持っているのですが、使いきれていません。
私も岩永さんに無理を言って譲って頂いたのに未だに使い切れていません。どうもスミマセン。 電流大食いなんですよねえ。hi

> 波形整形するところは、目から鱗です。
この種の逓倍回路は真空管のころからあって双三極管の12AT7など使ってたようです。トランジスタ式のようにお手軽ではないですよね。最近のRF回路では低い周波数から逓倍すると言う考えは少なくなったようです。 直接発振させてPLLでロックするのが近代的ですよね。hi

> 普通のサイトだったのですぐに戻って・・・
楽しすぎる所へリンクすると、サービス過剰でその筋から呼ばれても困るので・・・。あしからず。(爆)

JG6DFK さんのコメント...

変わらずご活躍のご様子、何よりです。
思うように暖かくなりませんね。洗濯物がかさんで困ります。Hi.

RFに精通していない人が部品を選ぶと歯がゆいことがしばしば出てきますね。

私も高純度の67.108864MHzをどう得るか悩んだ時期がありました。そのものズバリは無理としても、せめて16.777216MHzの振動子が入手できればなぁ、と思っていたら、ごく最近になって扱うところが出てきました。これならX4でドンピシャが出ます。

だたし、私が見つけた商社では5月くらいまで入荷待ちです。もっとも、それ以外に選択肢があるなら、わざわざ取り寄せる必要はないかもしれませんね。

その前には入手しやすい4.194304MHzから持ち上げることも考えましたが、無理がありすぎるようです。PLLで持ち上げたら本末転倒。Hi.

私事ですが、HAM関係への関心は失せる一方です。来年末の再免許手続きはどうするか思案中。

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、おはようございます。 ちょっとご無沙汰でしたか。お元気そうで何よりです。

いつもコメント有り難うございます。
> 歯がゆいことがしばしば出てきますね。
やはりRF用のパーツは幾らか特殊です。手に入る物もだいぶ限られてきましたしね。

> せめて16.777216MHzの振動子が・・・・
わざわざ特注するのではなく、(安価な)既製品があればなあ・・・と思いますよね。 いまは探せばあるようですが・・・。

> 4.194304MHzから持ち上げることも考えました・・・
ここから16逓倍して作る方法もありますけれど、逓倍数が多くなるとだんだんC/Nが悪くなって・・・。hi
水晶発振子の高周波が進んだお陰て30MHz代まで基本波で普通に作れるようになったのはFBです。

> 来年末の再免許手続きはどうするか思案中。
近ごろのバンドの様子を聞いているとオンエアは面白くもないかも知れませんね。でもRFの実験用に局免許は維持されることをお奨めします。私もどちらかと言えばその傾向が強いんですよ。(笑)

JK1LSE/本田 さんのコメント...

こんにちは。風が強いですね。からっ風です。
67.10・・・・・MHzって、秋月のDDSで使っていた周波数ですね。1Hzが正確に出せるんだと、感心したものです。
DDSの周波数をマイコンで計算するときに、桁数を意識しないと関数で丸め込まれてしまうのかなぁ、とも思ったりしています。トランシバーの周波数ぐらいだったら、わからないと思いますが、きちんと1Hzを連続で出力しようとすると大変ですね。
push-pull風の逓倍機は、私も使ったことがあります。430MHz用のローカル発振器で200MHzあたりの周波数を2倍にするときに使いました。逓倍というより全波整流器ですね。ACの50Hzで整流すると100Hzのハムがいっぱい出るのと同じですね。ダイオードやトランジスターのシングルの回路よりも、これは確実に2倍になります。強いて言うなら部品点数が増えるのが欠点ですが、圧倒的に確実に動作するので、優れものの回路ですね。バランスをとることでさらにうまくいくんですね、今度やってみようと思います。

TTT/hiro さんのコメント...

JK1LSE 本田さん、こんばんは。 北関東は北西の風が冷たいです。

いつもコメント有り難うございます。
> 1Hzが正確に出せるんだと、感心したものです。
秋月のDDSが登場した時は画期的でしたね。 1Hzステップで連続して発生するのはPLLではかなり困難でしたから。

> 桁数を意識しないと関数で丸め込まれてしまう・・・
有効桁数以下は切り捨てられちゃいますので、演算を繰り返すと誤差は累積するでしょうね。 桁落ちが問題にならないくらい多桁で計算すれば良いのでしょうが、普通はそうも行きませんし・・・。

> 逓倍というより全波整流器ですね。
ベース側だけ見るとそのようにも見えますね。コレクタ側で合成している訳です。ほかにダイオード2個で両波整流あるいはブリッジで整流したあとトランジスタでアンプする方法もあります。

> これは確実に2倍になります。
それで基本波の通り抜けは殆ど無くなることになります。

> バランスをとることでさらにうまくいく・・・
RFですので、どうしても多少はバランス不完全が起こるので調整で改善できます。 前段からのドライブが少々足りない時には一段と効果的です。 今度お試しになって下さい。

JR8LJS_豊川 さんのコメント...

加藤さん、こんばんは
お久しぶりです。
札幌名物の雪祭りが昨日で終了し、今日は重機で破壊していたようです。
融けて崩れると危険なので、早々に崩してしまうそうです。
作る苦労に比べて崩すのは、あっと言う間です。
ブレットボードに組んだ回路を解体する時のようです(笑)

本題では無いのかも知れませんが、逓倍回路に興味を持ちました。
ダイオードを2本使った2逓倍回路(両波整流回路?)は見かけますが、
TRを使った方式は初めてです。 なるほど、、、と言った感じです。
試してみたくなりました

TTT/hiro さんのコメント...

JR1LJS 豊川さん、こんばんは。 こちらでは少々お久しぶりですね。 今冬は寒いですね。

いつもコメント有り難うございます。
> 札幌名物の雪祭りが昨日で終了し・・・
何時かは行きたいとウン十年前から思っています。 今年も行けませんでした。(残念)

> ブレットボードに組んだ回路を解体する時のよう・・・
解体する方はあまり考えることなく一気にできますからね。雪像もそうなんですね。どちらも解体するのは何だか勿体ないって思います。

> 逓倍回路に興味を持ちました。
面白い回路ですよね。 昔はTrのような「高価」なデバイスが増える回路は歓迎されなかったと思います。 今はTrはCRと同じように安価です。スプリアス抑制やフィルタが簡単になるなどの効用があればもっと使われて良いと思います。でも逓倍回路なんてまず使いませんよね。hi hi

> 試してみたくなりました
ドライブ側のコイルに3巻線必要なので製作がちょっと面倒です。それ以外の手間は殆どありません。 機会があればぜひお試しを。

JR8LJS_豊川 さんのコメント...

加藤さん、こんにちは

>でも逓倍回路なんてまず使いませんよね。hi hi
私はV・UHFが好きなので逓倍回路にも興味がありますよ。
ただ、スペアナを入手するまでは深くは考えていませんでしたね。
今は周波数が低いうちに子や孫、ひ孫を退治しておかないと、、
などと思っています。
ダイオード2本方式(?)も試してみましたが、やはり損失が
大きいですね。
今度はTRを使ったpush-push方式を使って何か作ってみます。

TTT/hiro さんのコメント...

JR8LJS 豊川さん、こんにちは。 こちら晴天ですけど気温は低めです。まあ札幌より暖かいですけど。w

再度のコメントどうも有り難うございます。
> V・UHFが好きなので逓倍回路にも興味がありますよ。
高い周波数がお好きでしたね。 VHFくらいまではPLLがカバーするかも知れませんが、U/SHFともなるとアマチュア的には逓倍形式も現役ですから。

> 低いうちに子や孫、ひ孫を退治しておかないと、、
そうなんですよ。 周波数が低い段階できれいにしておかないと「コームジェネレータ」になってしまいますからね。 近接スプリアスは後から対策できないので手抜きをすると痛い目に。(笑)

> やはり損失が大きいですね。
SBDを使ったとしても必ずロスになるのでドライブが弱いと苦しいです。 近ごろRFでゲインの高い石が普通になったので意外に旨く行きますよ。

> push-push方式を使って何か作ってみます。
トランジスタの逓倍器はゲインがあるので有利です。 とくにPush-Push形式は6dBくらい有利なようです。 こんどお試し下さい。