【HAM】 136kHz Transmitter on a Breadboard

【ブレッドボードに136kHz送信機】

【全体を見る】
　ブレッドボードで少々規模の大きな回路を試みるとして始めた製作もいよいよ最終回です。ブレッドボードの範囲はここまでになります。

　ブレッドボードの製作は試作が目的です。状況を見ながら進めて来ました。載せられる回路にも限度があって高周波のパワーものはどちらかと言えば不適当でしょう。　この送信機の場合、ここまでをブレッドボードの範囲と考えています。この先は作り方を変えることになります。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　☆

　前回（←リンク）はヘテロダイン・ミキサまで載せたところまででした。その後、136kHzのバンドパス・フィルタ（←リンク）とフィルタの後に付けるポストアンプ（←リンク）を個別に扱いました。　それらの部分は過去に実績が無く新たに設計から検討する必要があったのです。　それぞれ旨く進んだので、再びブレッドボードに戻って先に進めます。　毎度書くのも気が引けますが個人のメモあるいは暇つぶし用コンテンツなのでそのおつもりでご覧ください。多分に過不足のある内容ですがご容赦を。技術的には書いてしかるべき内容でも誰が見るかわからないBlogには書けないこともあるのです。そのあたりがネットの限界です。

　写真右の中段には既にお馴染みの中華DDSモジュールが載ってます。この部分も起動させる予定でした。マイコンは載りそうでも表示部は無理なのでここまでにしました。写真の中華DDSモジュールは搭載の125MHzクロックに問題があったので、外して外部より12.8MHzを供給します。　ブレッドボード左下の12.8MHz TCXOの所に74HCU04を使ったバッファ回路があります。そこから細い同軸でDDSまでクロックを引くつもりでした。本番でも同じ回路で行くことにします。

【136kHz BPFとポストアンプ】
　前回はミキサーの試作まで進めました。写真はその後追加した部分のクローズアップです。

　前回の簡易評価ではミキサの出力回路に簡単な同調回路を入れて様子を見ました。　その形式のまま同調回路を重ねる方法もありますが、しっかりしたバンドパス・フィルタができたので変更しました。

　ミキサの両コレクタ負荷は約1kΩ程度になるよう最適化します。同時に回路の出力インピーダンスも600Ωにうまく整合するよう考えます。　これはバンドパス・フィルタの特性を生かすために重要です。　同じようにフィルタ後のアンプも入力インピーダンスが600Ωになるよう設計します。前々回の寄り道の通りです。

　ミキサの出力回路については、幾つか候補がありました。シングルエンド形式で抵抗負荷で行く方法が一番簡単です。しかしダイナミックレンジを広くする為には抵抗負荷では不利です。　同調コイルに中点タップを設けるか非同調の整合トランスのL負荷が有利です。　ここでは後者の整合トランスを使う形式にしました。この部分での周波数選択性は無くなりますが135kHzのバンドパス・フィルタがしっかりしているので問題ないでしょう。

【ミキサ出力トランス】
　ごく標準的なトリファイラ巻きのトランスです。製作に当たっては使用周波数に注意が必要です。135kHzは低周波ではありませんが、RFとしてはかなり低いからです。従ってトランスの各巻線は大きめのインダクタンスが必要です。要するにたくさん巻く必要があります。

　後に続くフィルタを考えるとインピーダンス・マッチングは良くしたいと思います。従ってミキサの負荷インピーダンスは1.2kΩになります。　トランスの巻き線インピーダンスはその数倍以上が必要になります。　周波数を考えると大きなインダクタンスが要ります。

　数mHでも行けるかと思って試作したらインピーダンス変換比が不正確で使い物になりませんでした。　結局、それぞれの巻線が13mHくらいになるよう再製作して概ね満足できました。　コアはTDKのH5A材のトロイダルです。巻線はφ0.15mmのUEW線を3本撚りにして53回巻きました。巻線長は約60cmです。　巻くのは大変そうに見えますが、巻線を用意してから15分もあれば作れます。むしろ十分注意すべきなのは結線の間違いでしょう。

　探せば必要なインダクタンスを持った既成のトランスがあるかもしれません。しかし見つかったとしても納期と費用が掛かりそうなので自作しました。

【TDKのトロイダルコア】
　米国アミドン社のコアの方がポピュラーですが国産ではTDKが各種作っています。　写真はTDKのH5A材のトロイダルコアです。　内径が5mm、外径が10mmで厚みが2.5mmです。（型番：H5A T5-10-2.5)

　なるべく少ない巻き数で必要なインダクタンスが得られるように、コア材には透磁率：μが大きなものを選びます。たまたま手持ちがあったので使いました。しかし、このコアは特注品のようです。たぶん最少発注数量と納期の問題があるでしょう。　従って類似のトランスを作るにはアミドンのトロイダルコアから適当な物を選んで代替するのが良いでしょう。　H5A材は初透磁率μiac=3,300で500kHzあたりの周波数に適するフェライト材です。　アミドンなら#75材が適当そうです。FT-50-#75コアに60回×3本巻きすれば良いでしょう。

　アミドンでは#43材がポピュラーですが、透磁率μiが800程度なので巻き数をかなり増やさないと必要なインダクタンスが得られません。もし#43材で行くならコアサイズをずっと大きくして対処します。

【修正版ミキサー回路】
　前回既出のMC-1443を使ったミキサー回路ですが出力部分は上記のトランスに変更しました。　バンドパス・フィルタも含めて書き改めてあります。この部分のインピーダンスは600Ωです。

　MC-1443に与えるDCバイアスはブレッドボード上の他所から貰っているので現況に合わせてあります。

　レベルを変えながら試したら、局発としては少なくとも1Vpp程度欲しいことがわかりました。　それ以上大きくしても違いは僅かです。　1Vppよりレベルを下げると変換利得が急に下がりました。　また同じ歪みでみた最大出力レベルも下がるのでダイナミックレンジも抑制されます。従って局発は1Vppを基準にします。

【ポストアンプ部分】
　前々回のBlogで寄り道したLM359N：ノートン・アンプを使った高周波増幅部です。　135kHzのフィルタを経た約60mVppの信号を3Vppまで増幅します。　ゲインは50倍（34dB)です。

　ICを使ったので周辺部品も僅かで済みコンパクトに製作できました。　周波数特性、ノイズ特性ともに良好です。　ブレッドボードの製作は多少心配しましたが問題ありませんでした。　但し帰還抵抗に数pFがパラに入る関係で周波数特性は伸びていないでしょう。　もちろん136kHzの増幅には支障ありません。

【LM359Nのアンプ回路】
　既出ですが、上記のアンプ部の回路図です。　実際の回路では多少省略を行ないましたが、本質は同じなので変化は感じませんでした。

　フィルタに合わせ、600Ωの入力インピーダンスに設計しました。　性能がわかっている回路は安心感があります。

【出力波形】
　入力に1kHzのシングルトーンを入れときの出力波形です。局発は115kHzなので周波数は136kHzです。　基準レベルは3Vppです。　写真では2.7Vpp程度ですが、もう少し大きい3Vppに合わせて各種の評価を行ないました。

　オシロで見た範囲ではもっと大きな信号でもきれいな正弦波に見えます。もっと大きくても良さそうですが、スペクトラムを見ると3Vpp程度を上限にすれば信号の品質が維持できそうです。　飽和レベルはずっと大きくて6Vpp以上へ伸びています。

【BPFの効果確認】
　まずは、136kHzバンドパス・フィルタの効果を検証します。　局発の115kHzの減衰と、変換逆側に発生するイメージ信号の減衰を見ましょう。

　写真の様に115kHzの漏れは主信号に対して約-60dBでした。　スペアナで見てしまうと、すこし大きいように感じますが一般的には十分な減衰量です。　ミキサのバランス調整をすれば10dBくらい下げられます。ブレッドボードでの製作なのも不利なようです。

　-40kHz離れた変換イメージ信号の方はノイズフロアに近いのでまったく問題ありません。　なお、局発に157kHzを与え「差のヘテロダイン」で136kHzを取り出してみました。むしろ良好なくらいで同じように使用できることがわかりました。

　目的信号のやや上に見えるスプリアスはブレッドボード故に発生しているようです。ミキサの動作を止めても見える物で、GND系配線の引き回しを変えると状態が変化します。従って、20kHzのキャリヤを作る部分は良くシールドするなど対策が必要そうです。もちろん、写真のレベルなら何ら支障ありません。

【目的信号の近傍を見る】
　気になるのはSSBフィルタの通過帯域幅で見えるノイズフロアの上昇でしょう。　もっと多段増幅している市販のRigではさらに目立つこともあるのでそれほど悪くも無いかもしれません。低周波入力端子をGNDにショートしても変化が無いので、初段アンプのノイズが大きめのようです。

　主信号の2kHz下に逆サイドが見えるますがこれは先の評価の時と同じで、使用したSSBフィルタの特性によるものです。この程度であれば支障ありません。　ほか帯域外のスプリアスは上記のようにブレッドボードを使った製作に起因する模様でした。

【ノイズフロアを下げるには】
　実用上の支障はないとは言ってももう少しノイズを低減したいところです。　入力部にあるアンプをパスしてバラモジに直行するようにしてテストしてみました。

　見ての通り効果てきめんです。　ゲイン分だけノイズフロアが下がった感じもします。初段アンプを何とかした方が良さそうですね。　もっとノイズの少ないOPアンプに交代するとか、ローノイズTrやJ-FETを吟味してディスクリートで作れば良さそうです。　大した努力はせずに10dBくらい低減できるでしょう。

【DDS局発部はまだ】
　制御用マイコンだけなら搭載可能ですがLCD表示器も一緒に載せるのは無理があります。　テストでは外部信号源に頼ることにしました。

　　最終的にはAD9850を使った中華DDSモジュールを使います。　信号純度に問題のあった125MHzクロック発振器は外しました。　この送信機に必要な周波数はせいぜい1MHzあたりなので12.8MHzのクロックでも十分すぎます。
　12.8MHzのTCXOは周波数安定度も良くきれいな発振なので信号純度にも問題はないし、クロック周波数を低くするとDDS-ICの消費電流もかなり減ります。　この中華DDSモジュールに関しては右の「同じジャンルの話題を楽しむ」から「DDS」をクリックして関連Blogでご覧を。

　発生周波数の刻みはクロック周波数を2^32で割った値なので12.8MHzにすれば周波数分解能もアップします。具体的には約0.0029802Hz刻みになります。例えば115kHzに対して近傍の周波数は約115000.000596Hzなので0.005ppmほどの誤差になる計算です。　まあ周波数分解能の心配よりもTCXOの周波数安定度の方が問題なると言うべきでしょうか。　WSJT-Xのように細かい周波数精度と安定度を必要とする超低速デジタルモードにも心配なく使える訳です。それ以上はTCXOではなくOCXOやRb-OSCの世界が待っています。

　ところで、DDS発振器では連続的な発振周波数が得られないとして、クレームされたお方が居られました。確かに理屈はその通りですから否定はしません。しかし実用面で見たら0.003Hz以内の周波数の刻みで周波数設定できます。連続と比べて何らも違わないでしょう。（125MHzのクロックを使ったとしても約0.03Hz刻みです）　バリコンのVFOなら完全な連続だと仰るかもしれませんが、ではDDSと同じ所まで細かくチューニングはできますか？・・・と言うことです。しかもその状態をずっと維持できますか？・・・と問われれば、無理ですと言う答えでしょう。DDS発振器は「連続でない」などとイチャモンの前に現実を良く見た方が良いです。実用性能で云々すべきでしょう。　理屈も必要ですがエレクトロニクスは実用の科学です。あとは理想と現実のギャップを掌握しておけば良いでしょう。（笑）

　　　　　　　　　　　　　　　　☆　☆　☆　☆

　大きなブレッドボードに規模の大きな回路を載せる試みで実験を始めました。　周波数が低い長波帯の送信機なのでトラブルにはならないでしょう。　そう思った通りなかなか旨く進みました。　いつまでもこの製作だけにブレッドボードを占有させる訳にも行かないので目標の範囲まで進捗して良かったです。　この先は基板化するなり、ユニバーサル基板に製作する必要がります。

　ハンダ付けで製作する「本番」の様子が見えて来るまで比較用にもう少しブレッドボード版も残しておきましょう。　次の製作に使えないのは不便ですが仕方ないです。　もう一枚買えと言うことでしょうね。　実際、小型ブレッドボードをたくさん購入する人もいるそうで、一旦作ると分解するタイミングが難しいのでしょう。

　実験的な要素が多く含まれる製作にブレッドボードは最適です。　概略の実験試作が済んだら次は基板CADでパターン化するのが今風かもしれません。　何枚も作らないとしても配線の手間やコンパクト化を狙うと基板化は不可避でしょうね。　ここで使ったあらかたのデバイスは面実装品が手に入ります。まあ、SSBフィルタとかBPFは外付けにでもしたら良さそうです。　恒久品に纏めるには別の努力が要るでしょうが、実験して遊ぶにはブレッドボード製作は手軽で面白いです。de JA9TTT/1

（おわり）

（参考リンク）←「ブレッドボードでSSBを！」の初回へ

参考：Windows XP環境でブラウザがIE8の場合、掲載の写真・図面の色調が乱れることがあります。Firefoxなど他のブラザの使用を推奨します。