ちょっと針が動いて楽しいアナログ計が欲しいなと思っても、昨今ではラジケータ(ラジオ用の精度の低い電流計の総称)もかなり高価で、秋葉原だと安くても500円〜という感じです。この値段だと、インターフェイスの味つけ程度のために買おうとは思いません。

ふと思いたって ebay で analog panel meter で検索してみると、100円程度で売られているものがありました。仕様的には AC 0-300V と、かなり高圧のフルスケールのものです。とはいえ、どうせ抵抗が入ってるだけなので、ちょっと改造すれば使えそうだと思い買ってみました。

仕様

見ての通りパネル全面にダイオードと抵抗がついています。簡単にはずせそうで便利ですね。このダイオードと抵抗は無視して、電流計本体のフルスケールと内部抵抗を測りました。

フルスケールはだいたい1500uA(1.5mA)ぐらいのようです。このとき、電圧は 620mV でしたので、内部抵抗は約413Ωです。


あまり格好いいメータとはいえませんが、スケールを貼り替えてカバーを塗装すれば多少マシになるかもしれません。ただ針の振れかたも安っぽく、ヒゲゼンマイのトルクがいまいちという感じがします。

とはいえ、ちょっとしたケースでデジタルPWMに繋いでアナログ表示させてみるみたいなケースでは使えそうです。3.3V なら 1.8kΩ、5V なら 2.9kΩ を直列に繋げばちょうどよさそうです。

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先日

最初は 3.3V で動かしていたのですが、どうしても途中から出力電圧が上がりませんでした。定格上では 3.3V でも +10dBm までは入力可能のはずなのですが、-2dBm ぐらいから出力が上がらなくなり、全くよくわかりませんでした。

http://lowreal.net/2016/02/22/1

と書きました。これの原因のちゃんと調べてみました。

まずAD8307 のデータシートには以下のような記述があります。

In most applications, the signal is single sided and can be applied to either Pin 1 or Pin 8, with the other pin ac-coupled to ground. Under these conditions, the largest input signal that can be handled by the AD8307 is 10 dBm (sine amplitude of ±1 V) when operating from a 3 V supply; 16 dBm can be handled using a 5 V supply. The full 16 dBm can be achieved for supplies down to 2.7 V, using a fully balanced drive.

要約すると、

  • シングルエンドアプリケーション時 (入力の片方のピンがAD8307のGNDに接続されている場合) は 3V のとき 10dBm までの入力が可能。
  • 差動接続の場合は2.7Vでも16dBmまでの入力が可能

と書いてあります。

これを見て 3V でも +10dBm まで使えそうだな、と思ってしまいました。

出力が頭うちに

しかし実際 3.3V で使ってみると、10dBm 入力しても想定した出力がでません。よくよく調べてみると、英語版の最新データシートだと以下のような記述がありました。

Note that while the AD8307 can operate down to supply voltages of 2.7 V, the output voltage limit is reduced when the supply drops below 4 V. This characteristic is the result of necessary headroom requirements, approximately two VBE drops, in the design of the output stage.

要約すると 出力回路に2つのトランジスタがあるので、4V未満ではこれらの 分出力が低下するよ、という感じのようです。出力回路の制限なわけですね。

が 0.7V とすれば2つで1.4V、電源電圧が3.3Vなら、出力電圧は1.9Vまで低減されます。これを入力 dBm に換算すると-8dBm付近になります (実際の によります)。

が -84 dBm、 が 25mV/dB で が 1.9Vだと -8dBm になります。

ということで、実測だと 3.3V 時に出力が頭うちになるのは完全に「仕様」なのでした。

結論

つまり、3.3V で使う場合で、-8dBm 以上入力させたいなら、傾きの調整が必須なのです。

傾きを 20mV/dB にすれば、 1.9V で +11dBm になります。20mV/dB に設定する方法はデータシートにそのまま載っていて、32.4kΩの抵抗と50kΩの可変抵抗を直列にして AD9807 の OUT と COM に接続 (内部の出力抵抗と並列に接続) して調整すれば良いようです。

といっても調整するのが面倒なんですが…

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はぁほんと心底 Spring とか嫌だ…… なんでこんなクソなことをしないといけないのか。普通に書きたい……

「コイルとコンデンサは電圧と電流の位相差を90度進めさせる/遅れさせる」という説明を良く見ますが、どうも直感的に理解できていませんでした。電圧と電流の位相差が±90度か0度しかとらないという話ではないだろうし、「途中の位相はないの?」と思ってしまうのです。この説明の意味がわからない、という意味です。

疑問の詳細

コイルとコンデンサの組合せで共振回路をつくった場合、電圧と電流の位相差はゼロになるはずです。ではすこしだけ共振していない場合はどうなるのでしょうか? 現実的には殆どの場合共振していないはずです。

「すこしだけ共振していない状態」であっても回路全体としてはインダクティブであるかキャパシティブであるかのどちらかであり、±90度の位相差は起こっているはずです。

でも現実問題としては回路全体で観測できる電圧と電流の位相差は必ずしも±90度ではありません。少しだけ共振していない場合は殆ど位相はずれていません。

途中の位相はどこいった?

式を使って「このように位相がずれます!!」というのは置いといて「途中の位相はどこいった?」という疑問だけ解決します。


純リアクタンス成分に関していえば、確かに±90度の位相差を常に起こしています。これはコイルとコンデンサだけで構成された回路なら回路全体に対してもあてはまります。「少しでも」コイルやコンデンサがあれば必ず±90度の位相差が起こっています。コイルとコンデンサの複合回路でも、共振していなければ必ず±90度の位相差が起きます。これはシミュレーションでも確認できます。

しかし実際の観測される位相は抵抗成分も含めて考える必要があります。これにより回路全体を見たときの位相差は任意の角度をとります。

全体として、抵抗成分が少なければ少ないほど-90度か+90度に近付き、リアクタンス成分が少なければ少ないほど、0度に近付いていきます。

複素平面上で見たときも、純リアクタンス成分は全体としても±90度にしかならないが、抵抗が加わった瞬間、合成された絶対値はいろんな別の角度をとりうることがわかります。

つまり

「コイルとコンデンサは電圧と電流の位相差を90度進めさせる/遅れさせる」というような説明は、純粋にそのコンポーネントの理想的な電圧の電流の関係をいっていて、抵抗成分を含めたことは言ってないわけでした。この説明、何度も何度も目にしてきたのに、何を言ってるのかわかりませんでしたが (途中の位相もあるよな?と思っていた)、ようやく意味がわかった気がします。

そして思いますが、この説明の仕方は筋が悪いと思います。現実のコイルやコンデンサには必ず無視できないほどの抵抗成分がありますから、これらのコンポーネントだけで回路を構成したとしても必ずしも位相差は±90度のどちらかになるというわけではないはずです。コイルやコンデンサと言うのではなくて「純リアクタンス成分は〜」とかで書いたほうが正確だと思いました。

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A‐Dコンバータ活用成功のかぎ―変換のメカニズムと性能の引き出し方 (アナログ・デザイン・シリーズ) - 松井 邦彦

松井 邦彦

5.0 / 5.0

これを読みました。ほぼデジタル回路しか触らないぞと決めていたとしても避けて通れないのはADCです。

ΔΣ型や逐次比較型の説明ももちろんですが、他の構成(全く知らなかった)のADCについても解説がありました。

一番面白いというか役に立ちそうなのは精度に関するところで、何が支配的になって精度に関わってくるか、補正しにくい誤差はデータシートのどこの項目なのかが詳しく書いてあります。こういうノウハウはなかなか知る機会がないのでわくわくしました。

「何が支配的で何に影響を与えるか」は何を考えるときにも大事なところで、「コツ」の言語化だと思うので、こういうことがひたすら書かれた書籍を読みたいところです。

このへんのエントリの続きです

2014年に作ったSWR計でしたが、先月あたりセンサー部分の作りなおしをしてみて、前よりもよさそうだという感触を得られたので、一旦常用できるように仕上げることにしました。というのも、デスク上にバラックで積んであるブレッドボードと液晶がさすがに邪魔だからです……

PCB Milling で基板作成

今回 PCB-GCode という Eagle のプラグイン (ULP) を使ってみました。前に PCB Milling したときは謎の GCode 生成 ULP を使いましたが、こちらのほうが良くできていそうです。

こんな感じの基板を作って

PCB-GCode はこんな感じで

こんな感じの GCode をつくって

GrblServer で切削させて、実装しました。0.8T の基板なので配線が透けています。

片面切削だけにしたかったので、できるだけ Via をつかわず配線しています。そのため、DIP のピンとピンとの間を通すラインがあり、これがうまくいくか不安でしたが今回はうまくいきました。これぐらいなら 0.1mm 単位ぐらいの雑な調整でもなんとかなるようです。

CNC 切削で基板を作る場合、この程度の規模だと時間的にはユニバーサル基板で雑に実装するのとそれほど変わりません。しかし配線を Eagle 上でやって ERC にかけているのをそのまま切削しているので「配線ミス」というのが起きず、安心して実装できます。ユニバーサル基板での実装は結構気を使って疲れるので、ちょっと面倒でも切削でつくるのが気は楽です (ケースバイケースですが)。

インターフェイス

前に作ったものの中身をそっくり入れかえただけで、液晶も昔のものを再利用しています。バラック状態のときと違うタイプの液晶なので、ライブラリのAPIを適当にあわせたりして対応させました。

本当はせっかくなのでもっと格好いいケースに入れたいのですが、ひとまずこのような形におさめました。

ほかにも、高SWR時にブザーを鳴らす機能だとか、送信中にオンになるオープンドレイン出力だとか、シリアルに常時SWRを出力する機能なども実装してあるのですが、使ってません。

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そういえば KX3 の源発振はDDSではなくて Si570 とかいうプログラマブルオシレータだよな、ということを思い出し、どうやって90度違いのI/Qを作ってるのが気になりました。

回路図を見ると以下らへんです。左側からきているのが Si570 からのクロックです。

NC7SB3257 はマルチプレクサ、74VHC4040 はカウンタで、ここはバイパス可能な1/8分周器なのでI/Qには関係ありません。

次に出てくる 74LVC74 は Dフリップフロップで、ここでI/Qのクロックを作っているようです。CLKc CLKs がそれぞれ In-phase と Quadrature のようです。

LTSpice でシミュレーションしてみる

LTSpice に入ってるデジタル素子でシミュレーションしてみました。この素子は理想素子なので、そのまま使うとシミュレーションできませんでした。適当に伝送路に遅延を入れるとなんかそれっぽい波形が出てきました。

4クロックで1つのI/Qクロックに変換される様子がわかります。

源発振の分周比を思い出す

KX3 で無線局免許を更新するとき、送信機系統図に源発振と出力周波数の関係を書いたことを思い出しました。これは電波法の規定で書かなければらないのですが、あまり深く考えていませんでした。以下の表です。

Dフリップフロップを使ったI/Qクロックは上記の通り4分周に相当するので、ここで書いてある表も殆どのケースで 1/4 の分周率になっているのでしょう。

1.8/1.9MHz だと4倍すると7.6MHzぐらいですが、Si570 が 10MHz〜 の発振器なのでさらに分周している、という話のようです。マルチプレクサとカウンタの分周は1.8/1.9MHz用というわけのようです。

DフリップフロップによるI/Qクロック生成のメリット/デメリット

メリット

  • 実質デジタル処理なので広い帯域で正確に90度位相差を得られる
  • クロック発信源が1つだけで良い

デメリット

  • 欲しい周波数の4倍の源発振器が必要
  • 矩形波出力 (デメリットかどうかは場合による)

200MHz ぐらいまでの発振器は安いのがいくらでもあるのですが、ここを超えると急に高価になる気がするので、50MHz で使うかどうか、DDS2台にするかどうか大きく判断が別れそうです。とはいえ、基本的にはDDS2台よりも安価で省電力そうです。

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京都は住むのに心地良いところだったなあと思う。長く住んだらそうではないのかもしれないが、圧倒的に神社が充実していたし、気が滅入ったときに明確に休息のポイントがあった。

自分はどこにいても「余所者」扱いされていると感じるので、観光客という余所者が多いところはかえって孤独を感じず、心地が良く感じる気がする。鎌倉とかも良かった。東京も絶対数としては観光客は多いと思うが、圧倒的にクソみたいに馴染んでいる人間が多いのでクソが支配的でクソだと思う。

特に関東の中でも渋谷という土地は知っている中では最悪中の最悪で、どうしようもない。品川とか大崎とか、あるいは悪くとも新宿も比較的綺麗で落ちついている面もあるが、渋谷はどんなに新しいビルでもタバコ臭く、清潔感がない。どこを歩いてもドブの臭いがする。どこにいっても汚ならしいおっさんと汚ならしい若者が同時に存在しており混沌としている。谷底なせいで悪い空気が漂っているとしか思えない。