2015年05月01日

ISPでArduinoを楽しむ!

今年も早いものでもう5月です。例年だと玄関先の鈴蘭が綺麗に咲いていたのですが、昨年から東京に移り住んでいるため鈴蘭がどうなっているのか知る由もありません。
この連休はとても穏やかで、むしろ暑いくらいです。
特にやることを決めていたわけでもなかったのですが、何気なくサイトで見つけていた専用ボードを使わなくてもArduinoを使う方法を試してみることにしました。

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もともとArduinoは当局が愛用するAVRを使用しており気にはなっていたのですが、専用ボードとなっておりTRXとか組み込み用として使うにはボードのサイズとか使いにくいな〜とか思っていました。
また使用する言語もCライクな言語で当局にはなかなかなじめないものがありました。
これまではAVRとBASCOM-BASICでなんら不自由を感じていなかったこともあります。
しかし、最近ローカルのOMさんが使い始めておられ、色々を参考アプリが沢山あって便利で簡単だよ!と強力に勧められていました。
確かにWifiアプリやカメラアプリなど自分だけではこなせない難題アプリもあるので、一層気になっていたのも事実です。
そういう状況で見つけたのが、タイトルのように専用ボードではなく、AVRの単体チップにISPで直接書き込んでArduinoを動かそうというものです。
実際は、何も難しいことはなくて、手持ちのAVR(ATmega168や328)と手持ちのライターUSBaspに、ダウンロードしたArduinoIDEに、USBasp用のドライバを組み合わのせるだけで、従来のBASCOM-AVRでやっていた時と全く同じようにAVRチップを組み込み状態(ISP)でプログラムを書き込めるようになりました。

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ALEXPRESSで買っていた200円程度のUSBaspライターとその改造版(どちらも使えた)

これで、何千円もする専用ボードを購入する必要もありませんし、コンパクトに機器を自作することができます。
ここに至る簡単な手順を備忘録として以下に記載しました。

1.ArduinoIDEのダウンロード
 下記サイトから、自分のPCのOSにあったものをダウンロードします。
 ページが開き、すでに100万以上ダウンロードされ更に開発を加速するために寄付をお願いされます。
 試用であれば、JUST DOWNLOADで問題ないでしょう!

 http://www.arduino.cc/en/main/Software

 そしてインストールします。

2.USBasp(ISPライター)のドライバのインストール
 下記サイトからドライバをダウンロードします。

 http://sourceforge.jp/projects/sfnet_libusb-win32/

 zipファイルですので展開して、そのフォルダの中にあるbinの中の inf-wizardを起動します。
 
 inf-wizard1.jpg
 NEXTを押します。
 inf-wizard2.jpg
 USBaspを選択して、NEXTを押します。
 inf-wizard3.jpg
 NEXTを押します。
 inf-wizard4.jpg
 保存を押します。
 inf-wizard5.jpg
 Install NOWを押して完了です。

3.ArduinoIDEを立ち上げます。
 以下、LCDTESTプログラムを書いた状態から、書き込みまでの手順です。

 Arduino IDE.jpg 

 Arduino IDE1.jpg
 ツール>ボード>Arduino Nano を選択します。
 Arduino IDE2.jpg
 ツール>プロセッサ>ATmega168 を選択します。(ATmega168を使用したため)
 Arduino IDE3.jpg 
 ツール>書込装置>USBasp を選択します。
 Arduino IDE4.jpg
 ファイル>書込装置を使って書き込む を選択すると書込みが始まります。

 とりあえず、ISPでの書き込み方とLCDの表示やポートの制御はわかったのですが、タイマー割り込みとか、実用プログラムの作り方はこれからです。休み後半は用があるので、今日辺りで何処までかけるようになるかです。とりあえず頑張ってみます。

※Arduinoは、ハードの壁を低くして色々な機能を実現するというような思想で始められたと理解しております。従って、ISPで組み込みでソフトを含め物作りするというのは、この考え方に反するものなのかもしれませんが、当局は、この考え方に反論しているわけではありませんのご理解ください。
むしろ、ハードの敷居を低くして自作派が増えていることに喜ばしく思っております。
当局的には、Arduinoの成果を借りて自分としてのソフトの敷居が低くなって今までできなかったものができれば良いかな〜と思っております。


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2015年04月04日

FT-817用 世羅多フィルタ製作 その後

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前回の実験と製作はうまく行ったのですが、残念なことに基板をさかさまに作ってしまいFT-817のケースのふたを閉めることができませんでした。
そこで、もう一回気をとりなおして基板を作り直しました。
真剣に探したわけでもないのですが、FT-817に使用されている2mmピッチの基板to基板のコネクタも見つかりそうにもなかったので、2.54mmピッチの8pinICソケットを片側ずつに切り離して使用しました。

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こんな風にFT-817の本体基板のコネクタに刺さっています。

実際には、スピーカの端が少し当たっているようにも思いますが、ふたは無事に閉まりました。
めでたしめでたしです。

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フィルタの素子数は、JA9TTT加藤さんのオリジナルと同じく5素子としました。切れ具合にそれほど差があるようにも思えませんでした。

posted by ja6irk at 12:12| Comment(0) | TrackBack(1) | QRP-HomeBrew

2015年03月22日

FT-817用 世羅多フィルタ製作

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先日、ネットサーフィンしていたらiCOMさんのHPで冨川OMが寄稿されている製作記事BEACONの中にセラミック発振子の周波数を変える記事を見つけました。このときひらめいたのは、周波数を変えたセラミック発振子を5素子、6素子と作れば中心周波数455KHzの世羅多フィルタができるのではないかということです。
 世羅多フィルタはJA9TTT加藤さんによるラジオ用セラミック発振子を用いたフィルタですが、出来上がったフィルタは、中心周波数が発振子の周波数より低くなってしまいます(おおよそ10KHz程度)。
自作のTRXなどに使用する場合は、これでも問題はないのですが(局発の周波数を対応すればいいから)、メーカー製のTRX等では、中心周波数が455KHzものが必要となってきます。
 当局も、FT-817の中古が安くなったので入手していたのですが、CW用のフィルタは本体の入手金額の半分以上の14000円程度もするので、購入していませんでした。世羅多フィルタを使用したQRP TRXは自作機があったから、まあいいかといった感じです。
 http://blog.toshnet.com/article/5109739.html

 しかし、上記記事を見つけ、作ってみたくなり検討から始め、そこそこに良い感じにできましたので紹介します。

 セラミック発振子として使用したのは、以前共同購入で大量に入手していた中華製のCRB455というものです。今でも、100個 送料無料で9$程度で売っているようです。
 記事に従って、セラミック発振子の中を開き、四隅を削って共振周波数があがるのを確認し、まず1素子のフィルタ回路を作って、加工したものが455KHzにできるだけ近づくように少しずつ削ってゆきました。
削りすぎると周波数が高くなり、元には戻せないので不良品となります。従って、周波数を見ながら少しずつ削ってゆきます。

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発振子のケースをニッパでむしりとった
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わきも同様
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発振子が電極にサンドイッチ状に入れてある
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右が削る前、左が削ったもの
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削る前の共振周波数
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削ってゆく途中の共振周波数
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完成した共振周波数(スペアナの表示は違っているが、正しく455kHz)
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フィルタとして構成した時の共振点の特性(山なり)

 勿論、全く同じ455KHzものが作れる筈もありませんが、大体±100Hzに合わせ込みました。5素子ほど作ったところで、世羅多フィルタを構成し、ちゃんと455KHzになっているか確認します。センターは50Hz程度ずれていましたが、まあ使えるだろうとそのまま進めました。
 このフィルタは-3dB帯域を5,600Hz程度を目標にしましたので、入出力インピーダンスが35Ω程度となっており、FT-817に実装するには2KΩにインピーダンス変換する必要があります。ここは、JA9TTT加藤さんの設計を参考に手巻きで7mm角コイルの変換器を作りました。しかし、」挿入損失が-17dB程度あり、フィルタのOn/Offでかなりの音量差が出ていました。3素子で我慢できるかな?といったところでした。コイルを巻きなおしたり色々やって見ましたがうまくいかず、FT-817の本体基板から電源を取ることを前提に、FETアンプを挿入することにしました。これも、加藤さんのSR-7用に設計されたものを参考にしました。

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アンプを入れる前
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実装した時の様子(これで十分実用的)

 どうせアンプ入れるならとフィルタを6素子にし、基板も作ってみました。最初は、蛇の目基板での実験でしたが、結果として、蛇の目基板でも再現性に変わりはないようです。
 結果としては、非常に良い感じのものができました。INRAD等の良いフィルタと比較にはならないのかもしれませんが当局的には、大満足です。以前に仕入れた 安い発振子と、分けていただいていたコイルボビンと線、手持ちのコンデンサ、FETなどを使用しましたので、今回の製作に掛かった費用はゼロでした。
ゼロから集めても2000円はしないと思います。

 FETアンプの電源は、オプションフィルタ用の端子からは取れないので、結果としてスピーカコネクタのすぐ横にあるAFアンプ用のICの端子に半田付けして取りました。(Pinピッチが一番広くて取りやすかったから)

 このフィルタを製作するには、周波数特性を測るFRMSやスペアナ(トラゼネ付き)が必要です。また、中心周波数が重要ですので、10Hz程度以上の精度のある安定した周波数カウンタか基準信号が必要になります。100Hzズレて製作したら何を作っているかわからなくなるのではないかと思います。
 昨年は、周波数高精度病になり、RbOSCやGPSカウンタ等を入手、また作っていましたので役に立てることができました。
 また、基板本体から半田付けで電源を取りますので、もし、まねをされるのであれば自己責任でお願いします。

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基板化したフィルタ

FT-817世羅多フィルタ20150321.BMP
回路図
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実装した様子(上に飛び出している)

フィルタの切れ具合と聴感が聞けます。

 しかし、とても残念なことに、蛇の目基板では裏返しに製作し蓋ができたのですが、基板化する時に裏返しに作ることを忘れてしまい、蓋が閉められない構造になってしまいました。工夫をするか、もう一回基板の作り直しです(トホホ)

追伸:使用したセラミック発振子は、封を開けて削って使用していますので、経年変化に対しては全く考慮されていません。物理的に機械共振だと思うので大丈夫だとは思いますが、湿気や温度での性能変化は?です。


posted by ja6irk at 19:28| Comment(2) | TrackBack(0) | QRP-HomeBrew

2015年02月11日

1SEG USBチューナーでスペアナ

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自作記事ではありません。
1SEG USBTVチューナで広帯域のSDRRXを実験する記事は以前からよく見かけていましたが、試してみることはありませんでした。
aitendoで1000円程度でリモコン付きのチューナーを売っているのも知っていましたが、人気商品のようで入荷するとすぐ売り切れとなっていることが多いようです。
先月は、エアーバンド用のRXを自作してみましたが、上記の1segチューナを使えばエアーバンドも受かるのではないかとaitendoのサイトを見たらやはり売り切れです。
秋葉原に出かけた時になんとなく見ていたら、なんと650円で1segチューナーを売っているではありませんか。
しかも、ふれこみにはSDRに使えそうなことが書いてあります。日本向けの製品で当然日本のテレビも見れるはずです。

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売っていたのは千石です。入り口の床に箱に入ってドンとおいてありました。
アンテナも、ロッドアンテナと、外部アンテナと接続するためのMCX⇒F型の変換ケーブルも付いています。
早速購入してみました。TVを見るためのドライバやアプリのソフトのCDも付いていましたが、インストールすることなく、サイトを探して広帯域RXとしてのアプリを探してインストール。
あっけなくSDR広帯域RXが出来上がりました。なんと、AM、FM、SSB、CWなど色々なモードに対応しており、最初の目的のエアーバンド以外に、144MHzや430MHzのCW,SSB、FMも簡単に受信することができました。
とても便利なソフトです。リグの電源を入れなくてもネットサーフィンをしながらワッチが可能です。


SDR画面.jpg

普通ならここで終わってしまうのですが、このチューナーは22MHz〜1100MHzまでの受信が可能なようで、1.2Ghzが受信できないのはちょっと残念でした。機種によってはもっと高い周波数まで受信できるものがあるようです。
当局的には、折角CWやSSBが受信できるのであればHFも受信できるようにしたいと思いサイト検索をしたのですが、流石に多くの先達がいらっしゃり、コンバータキットもあるようです。100MHzのアップコンバートが普通のようでした。どうせなら自分で作ろうかと思いつつ、これだけ広帯域で受かるのであるならスペアナとして使えるのではないかと考えました。
やはり先達がいらっしゃいます。スペアナとして使用するためのソフトウェアもフリーで見つかりました。
マニュアルも読まずにさっと使った感じでは使えそうな気がします(使いこなしてはいませんが)。

76-90MHz画面.jpg

76-90MHz画面2.jpg

入力にアッテネータ位は必要になると思いますが、自作TXの高調波測定などには使えるのではないかと思います。測定帯域を広げると測定には時間が掛かりそうですが、650円で簡易スペアナが手に入ると思えばものすごく得したような気がします。
オシロなら中古や中華製でそこそこの値段で買えますが、スペアナはまだなかなか手に入れにくいと思います。(当局は清水の舞台から飛び降りて中古を購入しましたが、使い道は信号の性能や高調波の測定、フィルタの特性測定くらいです)
650円なら1台持っていても損はしないと思います。ソフトを入れれば1Segを見ることができますし。
自作記事ではありませんが、お勧めの記事です。

スペアナに関しては下記URLを参考にしました。探せばもっとあるのではないかと思います。
http://pub.slateblue.tk/memo/day3301.html



posted by ja6irk at 15:25| Comment(6) | TrackBack(0) | 徒然なるままに

2015年01月18日

エアーバンド受信機U

ケースベルト1.jpg

先週に続いて、エアーバンド受信機の仕上げをしていました。
まず、適当に作った基板のためにケースに入りきれなかった分を外側ケースを作ってつなぎました。
薄いアルミ板を巻いただけですが、それなりにアクセントになったかと自己満足です。

ケースベルト.jpg

航空無線は短いやり取りの繰り返しで、受信していない時のノイズも気になったので、スケルチを追加しました。
幸いにもラジオICのAGC電圧出力があるので、これをマイコンのA/D変換で読み取って、無信号レベルでAF回路にTRでミュートを掛ける様にしました。
元々マイコンのポートは一杯だったのですが、7SegLEDの表示桁を8桁から7桁に減らして、ドットポイントの表示もやめにして2ポートを捻出しました。
また、折角AGCレベルを読んでいるのでSメータ機能も追加しました。
こちらは、どう表示するか悩みましたが、信号を受信してスケルチが開いた時に、バー表示するモード(このとき受信周波数は表示されない)と、

S表示2.jpg

S表示4.jpg

左端の周波数ステップモードとチャンネルメモリーモードのところを、数値でS表示するモードを用意しました。切り替えスイッチは1つしかないので、周波数ステップモード、チャンネルメモリーモードの切り替えボタンをもう一回押すとバー表示モードと数値表示モードをトグルで切り替えるようにしました。

S表示1.jpg

S表示3.jpg

改造ついでに、KG-ACARS用のAF信号出力とその周波数のメモリーチャンネルを追加しました。
しかし、残念ながらKG-ACARSのデコード率は良くありませんでした。サイトで調べるとメーカー製のRXでもデコード率は良いものと悪いものがあるようなので、まあこんなものかと割り切りました。

posted by ja6irk at 16:50| Comment(3) | TrackBack(0) | QRP-HomeBrew

2015年01月11日

エアーバンド受信機

概観斜め.jpg

今年最初の自作です。
親しくさせていただいているOMさんが年末からエアーバンド受信機の製作をされているのに刺激を受け正月の休みも手伝って当局としても製作してみました。
エアーバンドは保有のリグでも受信できるので敢えて作る必要もなかったのですが、過去から実験のみに終わっている中華製DDSや、これもOMさんから分けていただいたままになっているロシア製も製品化されているAFパワーアンプも内蔵している1ChipラジオIC(オリジナルはTA7316?)、などに加え最近入手した超小型のmini7SEG LEDも使ってみたくなり、以下の条件をつけて自作してみました。

1) 分けていただいたラジオICで実用品を作る
2) 中華製DDSも実用品に活用する
3) mini7SEG LEDを使用して小型に作る
4) 手持ちのケースに入れる
5) 新たな部品は購入しない

ダイナミック点灯の7SEGは物は小型なのですが、片面基板でパターンを引くと基板自身が大きくなってしまうので、パネル面の基板は部品を置くのみとしてジャンパ線などはリード線で手配線としました。
手持ちケースはおそらく15年以上前に購入していたものでラフに寸法を測って基板サイズを最初に決めてパターンを引きました。結構厳しい寸法だったのですが、何とか入ったものの、パネル面の基板の部品の厚みを考慮していなかったので結果としてはその分パネルがはみ出る形となってしまいました。ご愛嬌です。

前面概観.jpg

前面基板.jpg

概観横.jpg

電池比較.jpg

設計時点で悩んだのが、エアーバンドは10MHz以上の帯域があり、ラジオIC側でこの帯域をカバーさせるのには無理があると考え、ラジオICは入力を10.7MHzとしてIF455KHzに変換、フロントエンド側でこの帯域をカバーすることにしたのですが、中華製DDSはせいぜい0〜50MHz位の範囲でしか使用できないことです。
フロントエンドの局発のカバー範囲は107MHz〜120MHz程が必要となります。
そこで、デジタルの良さ?を利用して、うまく行くかどうか?でしたが、今回はDDSとして通常使用する信号ではなく、ナイキストイメージの信号を活用することにしました。
次に問題として気づいたのが、DDSの基準クロックが125MHzであり、エアーバンドの帯域の真ん中にあることです。これが悪さをしてラジオICのAGCを飽和させてしまうと全く使用できない受信機になってしまいます。
やってみないとわからない状況ではあったのですが、10.7MHzにはFM用ですがセラミックフィルタを使用し、また455KHzにもラジオ用セラミックフィルタを使用して選択度を少しでも良くする方法をとりました。お陰で死蔵していたフィルタも活用できました。

全体の制御には、いつものアトメルAVRマイコンを使用し、BASICでプログラムしています。
28pinのATMega168を使用したのですが、7SEG8桁としたのでこれだけで16pinを消費してしまい、ポート数はぎりぎりでした。
ソフト量としては16KBのマイコンですが20%程度しか使用していません。
DDSの制御、ロータリーエンコーダーでの周波数可変、7SEGのダイナミックスキャン等、これまでに作った資産を利用していますので1時間くらいの改造で動くものが出来上がりました。
周波数ステップは航空無線周波数データから25KHzとしています。但し、当局のロケーションでは羽田周辺しか聞けないと思いましたので、あらかじめメモリーした周波数だけを選択するメモリーチャンネルモードも追加しました。ポートが足らなかったので、メモリー周波数は任意に記憶させることはできず、各チャンネルにあらかじめプログラムで周波数をメモリーさせています。

内部全体.jpg

内部拡大.jpg

結果としては一応実用になりそうなものが出来上がりました。羽田のアプローチのやり取りなどが非常に良く入っています。
残念なのは常に信号が出ている羽田の気象情報の周波数が128.8MHz、アプローチの周波数が119.1MHzと離れておりフロントエンドの帯域をもっとブロードにしないとどちらかに感度の最高点を合わせざるを得なくなったことです。
当然のことながら125MHzは強烈な信号を受信しており、使用できません。
その他、スプりアスと思われる信号を沢山受信していますが、とりあえず支障なく使えています。
ポートが後2ポートあれば、無信号時にAFをカットするスケルチを追加したいところです。
とりあえずケースに入れて完成までこぎつけたので、今年最初の自作としてはまずまずかと思っております。

動画は削除しました。

エアーバンドRX 140111.BMP



posted by ja6irk at 14:02| Comment(6) | TrackBack(0) | QRP-HomeBrew

2015年01月01日

謹賀新年!

旧年中は大変お世話になりました。
本年も宜しくお願いします。

         2015年 元旦
posted by ja6irk at 00:09| Comment(5) | TrackBack(0) | 徒然なるままに

2014年12月30日

今年もお世話になりました! 高精度病に明け暮れた2014年

概観20141230.jpg

早いものです。今年ももう暮れようとしています。
今年も多くのOMさんにお世話になり、大変ありがとうございました。
今年の書き込みは夏以降高精度な基準周波数をいかに作るかに明け暮れていました。
このテーマは、もう何年も前に多くの方が通り過ぎられたテーマのようです。
当局的には、そんな高精度は必要ないからと無視していました。
10Hz以下は問題ないと!
しかし、いざ手持ちの自作周波数カウンタで測りだし、調整を始めたら本当に合っているのか不安になってきました。それは、最近のリグは全て周波数表示がデジタルになっており、これとの差が出てしまって何を調整しているのかわからなくなり不安になったのです。
夏ごろに、GPSの1Hzパルスをゲート信号に使って周波数カウンタを作ったらそこそこ精度のいいものができるよ!と教えていただき早速作ってみました。更に、古いGPS基板TU30-D140には10KHzパルスの出力があり、これを使った10MHzの基準信号を作る古いスタンダードになっている記事も紹介を受け作ってみました。しかし、手持ちのVCTCXOは、秋月の12.8MHzしかありませんでしたのでOSCとしてはこれを使いました。
これらを紹介したのが8月16日の記事です。

http://blog.toshnet.com/article/102455817.html

周波数カウンタは、時間はかかりますが、0.04Hzまで測れるようになっています。
しかし、GPSを基準としているとしても合っているのかどうかがわかりません。
それで、OMさんに精度がわかっているルビジウム信号源を貸していただきました。

ここからが、高精度病の始まりです。
お借りしたルビジウム信号源の周波数は、当然10.00000000MHzと表示されます。時々サンプリング誤差で最下桁が±0.04Hzの表示となります。
秋月のVCTCXOを使った信号源は、ルビジウムと比較すると息を吹きかけただけでふらふらしているのが気になりました。GPSでのカウンタでは、12.80000000MHzではあるのですがどうも短期安定度が悪いようです。
そこで、8月のハムファエでジャンクのOCXOを手に入れました。
これは5MHzのOCXOだったのですが、ちょっとの改造ですぐに出来上がりました。

DSC00725.jpg

しかし、これでもルビジウムと比較するとVCTCXOよりはましですが、安定度にはまだ満足できませんでした。
このあたりでやめておけば良かったのですが、ebayでダブルオーブンのOCXOが安く売られているのを見つけ、すぐにポチって入手しました。

DSC00751.jpg

この時には既にお借りしたルビジウム信号源は返してしまっておりました。
やはり比較になるものが欲しくなりました。しかし、ルビジウム信号源は最近高級オーディオ用でニーズがあるようで高騰しています。そうした中で、FE5650Aという比較的安価なものをまたebayで見つけ購入しました。
あまりメジャーなモデルではなかったのですが、関西時代にお世話になったOMさんのサイトで使い方が紹介されているのを見つけて、これなら使えるだろうと踏ん切りをつけました。
但し、これは校正されたものではないので安定度は高そうでしたが絶対周波数は良くわからないところがありました。勿論、10E-9位まではあっているという感じでしたが。
このルビジウム信号源を作った時の記事が、10月13日の記事です。

http://blog.toshnet.com/article/104543388.html

ここまできたらやめれば良かったのですが、ルビジウム信号源の短期安定度は10E-11程度と言われており、自作のGPS周波数カウンタでは、4×10E-9までしか読むことができず、ダイレクトカウント方式のため時間がかかります。
こうした折、ヤフオクでアジレントのレシプロカルカウンタが安く出ていると教えていただき、色々聞くとだいぶ安いらしいと言うことで、そこそこの精度の周波数カウンタを作るのが目的だったのに、10E-11が測れ、標準偏差など計算では10E-12まで表示できるカウンタまで購入してしまいました。
¥15K以下だったので結果はとても良い買い物だったと思っています。
しかし、カウンタは基準信号源あってのカウンタですから、これも精度の高い安定な基準信号が必要になります。当然、最初に搭載されている基準信号は目的を達成しませんでした。
このカウンタには外部基準信号源の入力があり、ここにルビジウム信号源を接続しました。絶対値はともかく安定度の測定はできます。
GPIBの端子もあり、周波数の変化をPCに取り込むためにGPIBのI/Fも作りました。
ここからが、測定の嵐です。
ハムフェアで入手したOCXO、秋月のVCTCXO、ebayで購入したダブルオーブンのOCXOとGPSモジュールTU30-D140を使用したGPSDOと アイテンドーで入手した1980円のGPSモジュールの1Hzを使用したGPSDO(FLL)など時間がかかりましたが、多くのデータが取れました。

代表的なデータとして、ルビジウム信号源FE5650Aを基準信号源としてダブルオーブンのOCXOMV89aを使ったGPSDOの周波数変動を測ったものを掲載します。約1日以上測定したものです。人がいない昼間と人の動きのない深夜に比較的安定していて、人の動きのある時間帯に変動が大きくなっています。
それでも、変動幅として標準偏差で100μHz、最大最小で4〜500μHzといったところでしょうか?!
中心周波数は基準がないのであまり意味を持たないのですが、それでも10MHzに対して1.5mHz程度のズレとなっています。中心周波数のズレは、変動幅を含めて、基準信号源としたルビジウム信号源なのか、OCXO GPSDOなのかは定かではありません。

GPSDOーFLLMV89aRef 周波数変動 LPRO-101.jpg

こうした状況下、大変お世話になっているOMさんに、既に手に入りにくくなっているルビジウム信号源LPRO-101を周波数校正付きで入手していただきました。中心周波数で10MHzに対し、約20μHzしかズレていません。
こうなると100人力です。
既に入手していたルビジウム信号源FE5650Aも調整してしまいました。しかし、ルビジウム同士とは言え、逐次変動していますので、100μHz以下まで合わせるのはとても難しいと言うことがわかりました。
LPRO-101に対し、FE5650Aは約300μHzほど高く調整されています。

入手いただいたLPRO-101は周波数の外部制御端子があり電圧で周波数制御ができるようになっています。
と、言うことは信号源としてルビジウムを使用したGPSDOが実現できると気づき、OCXOの代わりにLPRO-101と入れ替えたGPSDOに改造しました。LPRO-101の周波数可変範囲は0〜5Vの制御電圧で僅か8mHz程度です。
この状態で、先のルビジウム信号源FE5650Aの周波数変動を測ったものが、下記のグラフです。
電源を入れて、10分ほどしてからの周波数収束状況です。次第に10MHzに収束しています。100μHz台の制御には1回の測定で約6時間かかりますので(ダイレクト周波数カウントのため)収束するのに1日以上掛かっています。
変動幅は、標準偏差で50μHz程度、最大最小で300μHz程度でしょうか?! 中心周波数は先に調整した約300μHz程度高くなっています。ちゃんとGPSの1Hz信号を基準に収束制御していると思えます。(おそらく)。

LPRO-101 Ref 周波数変動20141230-3-001.jpg

これで、ルビジウムを校正する信号源がなくても、GPSでいつでも正確な10MHzの基準信号を手に入れることができるようになりました。
ルビジウム信号源の短期安定度は10E-11程度と言われていますので、最大最小の変動状況を見ていてもこれ以上の精度を要求したFLL制御は意味がないし、とても難しいと感じています。10μHz台の制御をするには1回で60時間も掛かってしまいますし(笑)
しかし、10μHz台まで読めてしまう周波数カウンがタがあると気になってしまいます。これが、高精度病を悪化させる原因かもしれません。

実際の無線機の調整では1Hzがあわせられれば十分ですし、この半年これだけで十分楽しめたのでこのあたりで終わりにすることにしました。
もしこれ以上追求するとしたら、セシウム信号源を入手するか、高い評価を得ているけど入手難なGPSDO Z3801あたりを入手するかしかないでしょう。勿論、これに対応した測定器も入手しないと何をやっているかわからなくなってしまいます。

折角ここまで詰めたルビジウム信号源によるGPSDOですので、今年最後の自作としてちゃんとケースに入れることにしました。
と、言っても新品は高いしと思っていたら秋葉原のジャン測やでフィルタとうたった測定器が2000円で売っておりこれがケースに使えると買ってきていましたので入れて見ました。2Uのハーフラックサイズで先に購入したAgilentとほぼ同じサイズです。

DSC00839.jpg

当然、必要のない穴が空いていますが、糊付きシートにインクジェットプリンタでそれらしく印刷して目隠しとして貼ってあります。これの状態が最初の写真です。

内部20141230.jpg
いらない臓物を取り外して、GPSDOとして作り上げた内部(丁度入った)
LPRO-101withHeatsink20141230.jpg
LPRO-101とヒートシンク(ヒートシンクは日米で540円:LPROはインチねじで手持ちがなかったのでワイヤで仮止め)

出来上がった自作GPSDOのソフトとして、GPSは時々捕捉しなくなるので衛星補足が4個以下の時は、その時の周波数測定データを使用しない、マイコンのEEEPROMに100μHz制御時点のルビジウム制御電圧を記録しておき、次回電源ON時にこのデータを読み出してできるだけ収束時間を短縮する、GPSの時刻データを読み出して、シャックの基準時計とするなどそれなりの工夫もしております。

しかし、ルビジウムと言えども温度変化で周波数は変動しますし、ケース内部温度をも考慮した周波数制御や、LPRO-101からは、ロック状態出力やランプの健康状態を表すランプ電圧などの出力があるのでこれらの表示もできるようにしたいな!とかまだまだ追加で色々やりたいのですが、暫くはこの状態で使用することになると思います。でないと、年が越せません。

2014年 各局さんには大変お世話になりました。
特に、JA9TTT/1 加藤さんには色々とご指南いただきました。
ありがとうございました。

皆様、来る2015年も宜しくお願い申し上げます。


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2014年10月13日

ルビジウム信号源

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GPSを基準信号源にした周波数カウンタと10MHzの基準信号源を作ってからだいぶ時間が経ってしまいました。
その過程の中で、最初は秋月の12.8MHzのVCTCXOを使用した信号源もちょっと見は安定度がいいのですが、息を吹きかけると元に戻るとは言え数ヘルツ位の変動がありました。
このVCTCXOをTRヒーターで温度制御しながら温めたりしてみましたが今一納得がいかず、結局ダブルオーブンのOCXOをebayで$23で売っていたので購入して使っています。
お借りしていたルビジウム信号源との比較でも非常に安定しています。勿論、息を吹きかけてもびくともしません。一応ここまで検討したところで、お借りしていたルビジウム信号源をお返ししました。
そうなると、今まで基準にしていたものが無くなり、やはり1台欲しくなりついにルビジウム信号源を購入することにしました。ヤフオクやebayを検索し、ebayでfreeshippingで$100のを見つけ、しかも232C制御で周波数を変えられるらしいとのことでこれを購入しました。FE5650Aというものです。もう高精度病状態です(笑)
最初の写真が、そのルビジウム信号源を電源とともにケースに入れたものです。
現時点は、とりあえずケーシングしただけで、信号出力もFE5650Aの出力をそのまま出しています。
将来的には、分配回路をつけてやろうとBNC端子は全部で5個つけられるようにしました。
周波数制御も、とりあえずはPCから制御できるようにD-SUB9Pの端子をつけました。後ろ側の写真です。

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しかし、購入した信号源はそのまま使えたわけではなく、電源の接続や信号の取出しなどを行うコネクタが特殊でどうしようか悩みましたが、表面実装となっているコネクタを半田ごてではずしてしまい、基板パターンに必要な端子からリード線を半田付けして引き出し、ケースの外側にD-SUB9Pを取り付けてそこから接続できるようにしました。買ったばかりのものを改造する勇気はいりましたが、眺めていても信号は出てこないので、当たって砕けろ!です。結果は、何とかうまく行きました。

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D-SUB9Pを取り付けるためのポスト用の穴あけも結構な作業量がありました。(ケースを裏側からドリルでザグッてねじ穴とした)。

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また、この信号源には電源として15Vだけでなく5Vも必要でしたが、3端子レギュレータをケース外装に取り付け、供給は15Vのみとしました。

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ここまでで発振を確認できましたが、結構熱くなります。ラジエータをつけて冷やす必要があると考え手持ちのラジエータを切り出してつけることにしました。
一番大変だったのは、この切り出し作業です。小さな金鋸で約40分ほどかけて焦らず、苛立たず、のんびりと加工しました。

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電源には、秋月で売っている16V4AのACアダプタを使用しました。メーカーの仕様書に寄ればこの信号源は15V〜18V位で使用できるとわかったので、そのまま使っています。小型で適当に安価で良かったです。

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とりあえずのケーシングも終わりましたので、次は周波数制御です。元々、購入したこの信号源はOPTION58というもので、発振周波数が8.3****MHzとなっているものです。しかし、これらはDDS制御にて周波数が決められており、このDDSの設定を変えれば必要な周波数(範囲の制限はありますが)が出力できることになっており、この制御はRS-232Cでできるようになっています。今回取り付けたD-SUB9Pのコネクタにこの制御信号も配置しました。

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まず、PCの制御(TeraTerm使用)でうまく行くことを確認して、今度はマイコンからの制御実験です。
これも簡単にできました。通常のDDS制御と同じようにデータを計算して、通常はDDSに制御データとして出力するところを232Cシリアル出力するだけで簡単に動きました。そのうちケース内に内蔵して超安定DDS信号源にしたいと考えています。

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8月に製作したGPS-DO/周波数カウンタに積んでみた写真です。テイシンのTK-12という比較的低価格の測定器などに丁度いいサイズのケースです。

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次は、制御回路の内蔵ですが、課題があります。この信号源の周波数を変えていくと、9MHzあたりを中心に低いほうも、高いほうも信号出力が低下します。どうも、共振型のフィルタが内蔵されているようです。20MHzまでは信号源内蔵のマイコンが対応しているようなので、このフィルタの特性を変えてやればHF帯DDS信号源として使えそうです。
サイト検索をすると容易に見つかりました。ちゃんと回路を追って、フィルタの特性をシミュレーションされ、改善する方法も記載されています。オリジナルの特性は当局が実測したものと殆ど同じでした(当然ですが)
とりあえずは安定な信号源が手に入ったのでとりあえず使えるようにして、次のステップは、これからまたのんびりとやっていきます。マイコンでの周波数計算と表示が32bit長の限界にぶつかっており多桁の計算を精度良くやるかうまく表示する方法を考えないといけません。

※このFE5650Aを購入する判断となったのは、dty山本さんのサイトです。OPTION58の制御方法が記載されており、この情報で購入の決断をしました。当然、制御方法はそのまま参考にさせていただきました。
ありがとうございました。

※GPS-DOやルビジウム信号源はもう5〜10年前に話題になっていたようですが、そんな精度は必要ないと関心がありませんでした。しかし、ひょんなことから1Hzが欲しくなりやり始めたらハマってしまったという感じです。その当時だったらもっと安かっただろうにと悔やんでも仕方ありません。

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2014年08月16日

GPSによる高精度簡単周波数カウンタ

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TS-130のVFOをDDS化して本体に内蔵し、バンド毎にバンドエッジをマイコンに組み込んで快適にワッチをしながら、いざ本体の再調整をと始めたら、意外とちゃんと校正した周波数カウンタを持っていなくて(±50Hz程度?)、もう少し精度の高い周波数カウンタが欲しくなりました。
丁度その時に、いつもお世話になっているOMさんからGPSの1pps信号を1/10してそこそこの精度が取れるらしいとご助言いただきました。
だいぶ以前にRockwellのTU30-D140というGPSボードを分けていただいていたのを思い出し、引越しの荷物のどこにあるか大変でしたが見つけ出すことができました。
早速GPSの動作を確認し、232C接続でPCから衛星を捕捉している様子が確認できました。1pps信号も出ています。

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早速、1pps信号を1/10してゲート回路を通してマイコンに取り込み周波数を表示する回路図を作成し、一気に基板も作ってみました。

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基板パターンを作成しながら、このGPSボードからは10KHz信号も出ており、これを使った基準信号発生器(GPS-DO?)も作れるではないかと、あちこちのサイトで目にするG3RUH OMさんのPLL回路も一緒にパターンに組み込みました。
但し、高級なVTCXOを所有している筈もなく、最近、秋月で販売している12.8MHzのVCTXCOが使えないかとダメモトで入れ込みました。通常は、10MHzのVTCXOが使用されていますので、最初に1/10分周してそのあと1/128分周して10KHzを生成し、比較器に入力しました。
ちゃんとケース入れもし長く使えるように仕上げてみました。

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それらしく動き始めたところで、はたして当初の目論見どおり精度良くカウントしているのか知りたくなりました。当然、基準となる信号源も持ち合わせている筈もありません。
これは、お世話になっているOMさんからRb-OSC(ルビジウム信号源)を貸し出していただけることになり、宅急便で送っていただきました。
このRb-OSCは発送前の確認で0.001ppmなら大丈夫そうだということでした。
周波数は10MHzですから、0.01Hz以上の精度があることになります。

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お借りしたルビジウム信号源

早速この信号源の周波数を測ってみました。
どんぴしゃです!気持ちが良いほどきっちり10MHzをカウントしています。
プリスケール1/16、ゲートタイム10Sの仕様で作ったので最小桁は1.6Hz刻みとなります。

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これでは、信号源の精度に遠く及ばず、一部改造してプリスケール1/4、ゲートタイム80Sにして測定してみました。最小桁は0.05Hzになります。80Sだとカウントに1分半ほどかかりますが、見事に10.00000000MHzの表示がでました。10回に一回くらい±0.05Hzの表示となりますがこれは量子化誤差とのことです。確かに、1/16でも、1/8でも最後の桁は時々±します。と、いうことは、もっと精度が取れているのではないかと期待してしまうのですが、残念ながらプログラムに使用している変数の最大桁数を超えてしまい実験はできませんでした。
理屈の上では、ルビジウムよりもGPSの方が精度が高いようです。

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いずれにせよ、1Hz以下の精度は当局的には必要ないと思われますので、これ以上の追求は無しとしました。

次に、このGPSモジュールの10KHz信号と秋月の12.8MHzのVTCXOを使用した12.8MHz基準信号発生器です。
自分の1ppsを使用した周波数カウンタでの測定ではしっかり12.8MHzになっています。
しかし、これ以外に精度の高い周波数カウンタは無く、もう一台GPS周波数カウンタを作ることにしました。

やっと、本題の「GPSによる簡単高精度周波数カウンタ」です。
こちらは、GPSモジュールにaitendoで販売されている1980円のモジュール(G315)を使用しました。アンテナ(DAM1575A4)も50%引き特売の750円のものを使用しました。
このGPSモジュールは10数ミリサイズの小型のもので、ピンピッチは1.27mmになっています。今回は変換基板を作り必要と思われるピンのみを出力しました。

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小型にしたいと思い、ケースはタカチのW90×D135×H35mmに入るように基板を書いてみました。

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今回は、プリスケール1/16⇔1/4の切り替え、ゲートタイム10S⇔80Sの切り替えスイッチも入れてみました。
回路図は下記の通りです。

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プリスケールによりますが、60MHz(1/16時)、15MHz(1/4時)位まで測定が可能です。
出来上がったaitendoGPSモジュールでの周波数カウンタの性能確認です。これもまず貸していただいているルビジウム信号源で10MHzを測定しました。当然ですが、どんぴしゃ10MHzです。

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次に、TU30-D140 GPSモジュールの10KHzと秋月12.8MHzVCTCXOを使用した12.8MHz信号源の周波数測定です。
こちらも、どんぴしゃ12.8MHzとなりました。1/4プリスケール、80Sゲートタイムによる測定で12.80000000MHzとなります。最小桁は0.05Hz刻みです。同様に時々±0.05Hzの表示となります。

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これで、600円のVCTCXOで0.1Hz以上(?)の精度の基準信号ができたことが確認できました。
GPSを使ったカウンタや、信号源の最大のメリットは衛星にロックすれば、ソク精度が得られエージングが必要ないことと、衛星がなくならない限り経年変化が無いことです。
アマチュアにとってこれほどFBな基準カウンタや信号源が安く手に入れられることになりとても喜んでおります。
残念ながら、aitendoのGPSモジュールには10KHz信号が出ていないので信号源は作れていませんが、こちらは比較的新しいモジュールなので衛星へのロックは1分ほどです。TU30-D140はロックするのに40分ほどかかりますのでちょっと使うには不便です。

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窓から2つのGPSアンテナを仮設した様子

今回のGPS周波数カウンタを作るにあたり、衛星へのロックを確認するのにいちいちPCをつなぐのは面倒くさいので、マイコンで衛星からのデータを読んで表示するようにしました。
表示の内容は、緯度や経度、時刻、ロック状態などありますが、表示の切り替えなど含めてこれからおいおいソフトをグレードアップしたいと思っています。

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GPSを使用した基準信号発生器の記事は色々なサイトで見つけられますが、周波数カウンタはあまり無いようです。また、これらと衛星からの情報を同時に表示する自作記事もあまり見当たりません。
この盆休みはTS-130のDDS化改造の追い込みと思っておりましたが、GPSに明け暮れた休みとなってしまいました。しかし、ひょんなことから現時点市場で安価に手に入るGPSモジュールやVTCXOとマイコンを組み合わせた、安価で簡単で精度も高いものが得られたことはとてもFBでした。

【謝辞】今回の製作に辺り、すばらしい助言と、Rb-OSCを快く貸与いただきました JA9TTT/1 加藤OMには大変感謝いたしております。 
 Very TNX


posted by ja6irk at 15:47| Comment(4) | TrackBack(0) | QRP-HomeBrew