【回路】Frequency Counter kit from China

【回路：中華カウンタとプリアンプ】

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I made a kit for a frequency counter. This kit was purchased by mail order from China. It was only $2.9-.
The frequency counter was lacking in input sensitivity as it is. So I will build a pre-amp to increase the sensitivity. I put an amplifier on it and it started counting at an input of about 100mV. This is very practical.  (2020.07.05  de JA9TTT/1  Takahiro Kato)

【お手軽カウンタキット】
　しばらく前から秋葉原のお店で周波数カウンタのキットが安価に売られるようになりました。PICマイコンを使ったもので、5桁のLED表示になっています。キットをよく見ると中国製のようでした。そこでAliexpressで検索したら写真のようなキットが売られていました。価格はわずかに$2.90-です。どうやら秋葉原の商品と類似品のようです。送料無料なのと相まって、あまりに安いのですがちゃんとしたのが届くんでしょうか？

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　HAMの自作にはテスタだけでは不十分です。　何もなかったころの「昔風の製作」を信条とするならともかく、いまなら周波数カウンタは欲しいものの一つでしょう。　ここでは中華通販で買った周波数カウンタとそれに付加するプリアンプを試作してみました。本格的な測定器の代わりとして結構役立ちそうなので紹介することにします。もし周波数カウンタを持っていないなら一つ作ってみては如何ですか？

　既に周波数カウンタを持っていても、この中華カウンタは役立つかも知れません。IF周波数が455kHzの受信機（例：9R59Dとか）はもちろん、それ以外に任意のオフセット値を加減算するカウンタにもなります。VFOとか局発の周波数を読んで送・受信周波数をデジタルで直接読み取る「周波数表示器」としても使えそうです。　機能の詳細については省きますので、設定方法など詳しい使い方はネットにある取扱説明書を参照してください。　プリアンプの付加はそうした「ラジオ・カウンタ」などの用途にも有用です。　以下、もしも興味を覚えたらご覧を。　今回の電子工作はビギナーでも難しくありません。

 【キットが届く】
　注文してから約40日ほど掛かって到着しました。安価なキットですし、送料も無料ですから最も安価な輸送手段で発送されたのでしょうか？　台湾からのようですから、ひょっとしたらVia AirではなくてSurfaceだったのでしょうか？

 　現在はコロナ禍の影響があって中華通販は滞り気味です。昨秋の購入なので約40日でしたが、いまはもっと掛るかも知れません。気長に待つしかないでしょう。　少し高くてもよければ秋葉原のお店で購入するのが手っ取り早いです。あるいは国際通販に不安があるなら国内の通販も良いかも知れません。Amazonにも売っているようです。　購入場所や時期によって幾らか基板のバージョンに違いが見られるようですが、基本的にどれも同じだと思います。

（備考）中華通販はあまりに安い（約330円）ので、ひょっとしてプログラムの書かれていないPICマイコンでも・・なんて疑いました。しかしこれは余計な心配であり、きちんとプログラムは書いてありますし基板も綺麗なものです。部品の過不足もありませんでした。ただし、組み立て説明書のような資料類は一切付いてきませんから自力でネットから探すことになります。でも、簡単に見つけられました。

 【組み立ては簡単】
　部品数も少なくて簡単なキットです。まずは部品の不足がないか確認しましょう。もっとも、もし不足があってもお店にクレームを入れるよりも足りない分を自身で補う方が手っ取り早いです。もちろんLED表示器やPICマイコンのような主要部品の欠品は致命的ですが。

　抵抗器はカラーコードが５本の1%誤差のものが付属していました。5本なのでカラーコード4本の抵抗器に慣れていると戸惑うかも知れません。先頭の3本で有効数字を表します。（注・１）　各部品は浮かせたりせずに写真のように基板にぴったり付けて実装するのをお薦めします。

　この周波数カウンタキットは、クリスタル・テスタを兼ねています。このクリスタル・テスタは水晶発振子を発振させてテストするための機能です。　しかし不良品でもないのに発振できない水晶発振子が多くていま一つのようでした。　もし手持ちに2〜20MHzくらいの水晶発振子があれば装着してみます。　うまく発振してくれれば発振周波数が表示されます。
　周波数カウンタとしての基準は基板上に20MHz水晶発振子が載っています。その周波数調整用のトリマコンデンサも付いています。　正確に周波数がわかっている発振器があれば校正できますが、もしなければとりあえずそのままでも良いでしょう。 いずれ 機会を改めて校正すれば良いです。

　写真は外部の発振器から999.99kHzを水晶発振子の測定端子のところへ与えてみたものです。（1MHz以下の測定では小数点が点滅します）　残念ながらこの方法は感度が悪くて実用性に乏しいことがわかりました。かなり大きめの信号を与えないと計測してくれません。　要するにこの基板単体では周波数カウンタとして感度が悪すぎるのです。　さらに水晶発振子の端子からではなく、その右側のコネクタにある「IN」端子経由で試しても同様でした。（IN端子はもっと感度が悪い。ここは論理信号レベルの矩形波に限るようでした）　そこで、外付けのプリアンプが是非とも必要だと思ったわけです。

（注・１）中国製抵抗器の精度：
日本メーカーの抵抗器は非常に優秀で、1%精度の抵抗器の実力は0.5%くらいです。1%を超えることはまずあり得ません。　これに対して中国製は1%精度の物でも数%以上の誤差を持つこともあるようです。中国製はあまりアテにはなりません。　但しこの周波数カウンタ・キットの場合、抵抗器の誤差は±10%でも支障ないので選別などせずに使って大丈夫です。  悲しいことですが、中国製抵抗器の精度が悪いのは半ば常識のようになっています。

 【プリアンプと接続法】
　電界効果トランジスタ（FET）と普通の高周波用トランジスタ（BJT）を使った２石の簡単なプリアンプです。　カウンタ基板との接続方法も書いておきました。

　アンプはFETを使って高い入力インピーダンスを実現しています。　これは測定対象の回路にカウンタを接続した際の影響をなるべく小さくするためです。  入力された信号はまずFETで増幅されます。さらにそれに続くトランジスタで十分に増幅されます。その結果、30MHzあたりまで約100mVの入力感度が得られました。100mVの感度があればトランジスタ・ラジオの局発回路のような発振電圧が小さな所の測定もできます。　さらに高感度に・・と言うご希望もあるかも知れませんが、製作は難しくなってしまいます。簡単さも考慮すればこれくらいが適当でしょう。

　入力部のFET：Q1は2SK544Fを使います。代替として2SK241GRあるいは2SK439Fでも良いです。ただし2SK439Fは足の並びが逆順なので注意します。２段目のトランジスタ：Q2は高周波特性の良いトランジスタに限ります。ここでは2SC1424と言うfTが2GHzくらいあるトランジスタを使いました。2SC1424は大して高価なものではありませんが代替として中華トランジスタの「S9018H」（←関連Blogにリンク）が使えます。これなら単価10円くらいです。安くても性能十分です。

　回路はごくシンプルなものです。キーポイントはQ2に周波数特性の良いトランジスタを使うことにあります。「ピーキング」と言った広帯域アンプの周波数特性を伸ばす手は使いませんでした。再現性が必ずしも良くないため測定器を持っていないと調整や確認が難しいからです。　しかし、この回路ならバイアス調整のみ行なえばOKです。図の＊１の抵抗器：R5を加減して、トランジスタ：Q2のコレクタとGND間の電圧が2.4〜2.6Vくらいになるよう調整します。測定は普通のテスタなら何でも可です。電圧が低すぎるなら抵抗値を大きくします。高すぎるなら逆にします。　同じ種類のトランジスタを使ったとしても調整は必ず行ないます。入力端子をGNDへ短絡し無信号の状態でやります。この調整は入力感度に影響するので必須です。

参考：合理的な調整方法
100kΩの可変抵抗器（ボリウム）を用意します。可変抵抗器は半固定型でも良いです。R5を取り除き仮に可変抵抗を配線します。電源を加え、Q2のコレクタとGND（電源マイナス側）との間の電圧を測定します。その電圧が約2.5Vになるよう可変抵抗器を調整します。そのまま可変抵抗器を取り外し、DMM（アナログ・テスタも可）で可変抵抗器の抵抗値を読み取ります。　その抵抗値になるべく近い抵抗器を標準品から選んでR5とします。交換したらQ2のコレクタ電圧をもう一度測定して確認します。2.4から2.6Vの範囲にあればOKです。やや低すぎるなら抵抗値を大きくし、高すぎるなら小さくします。あまり厳密である必要はありません。抵抗はE12系列から選べば十分でしょう。

注意：大き過ぎる信号を加えないよう注意します。例えばハイパワーな送信機の出力や真空管発振器のように発振電圧がたいへん大きな回路をそのまま測定すると入力部のFETを壊します。なるべく小容量の結合コンデンサを介して測定するとか「ワンターン・ループ」のような結合を加減しやすい測定プローブを作ってなるべく弱く結合して測定します。送信機のアンテナ端子を直結で測定するなどもってのほか。あんがい良く知った風のOMサンがやらかしてますのでご注意を。（笑）　　アンプの入力部分にダイオード（２つ）を使った保護回路を追加するのも良いでしょう。ただし保護回路は万能ではないので測定の注意は同様です。

 【プリアンプを試作】
　恒久的に使うならユニバーサル基板にハンダ付けで組み立てるべきでしょう。　専用のプリント基板を起こしても良いのですが、何台も作るわけではないので・・・。　とりあえず回路の動作確認のためにブレッド・ボード（BB）に組み立てました。

　部品数もわずかですから簡単にテストできます。　組み立ての注意は「なるべく部品の足を短く」です。　高周波回路ですからリード線が必要以上に長いとうまく動作しません。　配線を短くコンパクトに組み立てると高性能化できます。　写真はあまり上手な例とは言えませんのでユニバーサル基板に組み立てる際はもっとコンパクトに作りたいと思います。

 【カウンタ基板小改造】
　一箇所だけ基板側の改造が必要ですが、魔改造ではありませんから誰でも簡単にできます。　基板端面の水晶発振子の測定端子の上側にある「102」と書いてあるコンデンサを取り除きます。それだけです。（笑）

  もしクリスタル・テスタの機能も残しておきたい場合は、コンデンサを外した場所にピンソケットのような物をハンダつけしておくと良いでしょう。（写真）　ソケットにコンデンサを戻せばクリスタル・テスタになります。　周波数カウンタとして使う時はコンデンサを抜いておけば良いわけです。　ここでは１列型のピンソケットをカットしてコンデンサがあった場所にハンダ付けしました。　センターのピンが邪魔なのでカットしておきます。　写真はそのソケットに「102」のコンデンサを戻した状態です。外付けのプリアンプを付加して周波数カウンタとして使うときには「102」を抜き去ります。

【テスト-1・455kHz入力】
　この周波数カウンタはなかなかよくできています。5桁の表示器をうまく利用するためにオートレンジになっています。

　この例では約455kHzを測定している様子です。写真のように999.99kHzまでは10Hzの分解能で測定できます。　また、99.999kHzまでは2Hzの分解能です。（1Hzではありませんでした。まあ、支障はないですけれど）　このように、有効桁数が活かせるようにレンジが自動で切り替わり、それに連れて小数点の位置も変化しますから読み取る際には良く確認します。　なお、表示値がkHz単位になるときには小数点がブリンク（点滅）します。MHz単位のときはブリンクしません。

【テスト-２・30MHz入力】
　参照した説明書によると50MHzまでカウントするそうです。 詳しい確認はしませんでしたが、それくらいまで可能なようでした。　ただし周波数の上昇と共に感度は悪くなります。プリアンプのゲインが下がってくるのもその原因です。

　それでも周波数特性の良いトランジスタを使ったおかげで、30MHzも100mV(rms)以下の入力で十分カウントできるようです。　もしQ2に2SC1815のような汎用トランジスタを使うと高い周波数でがっくり感度が落ちてしまいます。高周波用トランジスタの効果が実感できます。
　30MHzあたりまで100mVの感度があれば、ほとんどのトランジスタ回路の発振周波数が測定できます。自作した発振器の周波数を調整すると言った用途には十分活用できるでしょう。

　10MHz以上の測定では最小分解能は1kHzになります。 やや物足りないところですが、これはやむを得ないところでしょう。　レンジがホールドできればオーバーレンジさせて下の桁を読むと言ったこともできるのですが、オートレンジしかないのでそれもできません。　330円のカウンタに多くを望むのは酷でしょうか。hi

（参考）この周波数カウンタは、DL4YHFと言うドイツのHAMが開発した回路/ソフトウエアが元になっているようです。それを基板化し、発振回路を付け加えたものでしょう。リンク先にはオリジナルの記事があります。

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　何でこのキットを作ったのかという話です。　しばらく前なのですが「短波ラジオの製作」を記事にしたいと言うようなお話がありました。でもそのお話はお断りしました。　たしか初心者向けの内容をご希望されたように思います。そうなると調整に使う「道具」が問題でした。　まさかシンプルな「短波ラジオ」を作るのに周波数カウンタや信号発生器（テストオシレータなど）を一式買ってくれとは言えませんからね。「短波ラジオ」は中波のラジオのようには行かないのです。

　幾らか工夫は必要ですが、満足に働く周波数カウンタが300円少々で手に入れば道は開けるかも知れません。加えてシンプルな発振器でも自作しその周波数が正確に読めれば信号発生器の代用品も得られます。道具さえ揃えば「短波ラジオ」の調整がちゃんとできるようになるでしょう。このキットにそれを期待しました。作ったあとラジオの周波数表示器としても使えますから。（ラジオのノイズ源になることがあって、良くシールドするとか使い方の工夫が必要になることもあります）

　こんなチープな測定器でも使いこなせば効果絶大です。逆にいくら高級な機器も有効に使わなければシャックのお飾りでしょうね。所有するだけでは価値は生まれません。手元の道具は有効に使いたいものです。これは自戒を込めて。（笑）

　何でも売ってる時代です。昔に比べれば、様々な測定器が安価に手に入る良い時代です。しかし入門向けの製作なのに測定器が何台も必要では製作意欲もそがれます。手作り＋安価な市販品を道具として旨く活用し「ラジオ作り」が長く楽しめる趣味になって欲しいと思っています。　ではまた。　de JA9TTT/1

（おわり）fm

（参考）本格的な周波数カウンタを自作したいならこちら（←リンク）の連載でどうぞ。