2010年1月29日金曜日

ルビジウム発振器(6): ケース加工・組み立て

 ルビジウム発振器の分配器も動き出したので次はケースへの収容を考えます。ケースは、タカチのMSケースをラジオデパートのエスエス無線(音が出ます、注意!)から通販で購入しました。このケース、中のシャーシが別売です。初めて買ったときには、しっかり買い忘れました。はじめからセットに含めてくれてたら良いのに。


ケースレイアウト
 まず、ケース内に収納するルビジウム発振器、電源ユニット、分配器基板やパネルに取り付けるスイッチ類のレイアウトをCADで作図します。そして加工対象のアルミ板にプリントアウトを貼り付けて、加工作業を行います。

アルミ板にシール紙を貼り付け


穴明け加工後



パネルデザイン
 パネルに貼り付けるフィルムラベルは、例のごとく文字の配置、大きさ、フォント等を考えながらCorelDRAW Essentialsで使って作成します。手順としては、ケース内のレイアウトをCADで作図しておき、その図に従って各部品の位置をCorelDRAW Essentialsで再作図してます。ところで、フリーのドローソフトでInkspaceというのがあります。少し触ってみましたがフリーとは思えない完成度で、期待できそうです。

パネルイメージ


パネルデザイン(これをパネルに貼り付ける)


フィルムラベルに印刷



組み立て
 製作した分配増幅器基板やルビジウム発振器を仮組みしてケース加工に問題がないか確認します。今回、初めての試みとしてコネクタやLEDのために専用基板を製作しました。通常ならユニバーサル基板やパネルに直付けするところですが、製品っぽい出来映えで性能には関係ないですが自己満足できます。


 分配増幅器基板



コネクタ基板、LED基板



仮組み



ルビジウム発振器の取り付け
  ルビジウム発振器ユニットの固定ビスはインチネジだとは聞いており、パソコンケースのネジがそのまま使えるだろうと、勝手に思っていました。でも、合いません。マニュアルによると、#4-40 ステンレスビスでパネル内に入る長さが1/8インチ~1.25インチと指定があります。

 この手のものは、やはりネジ屋さんだろうと大須というか上前津の伊正産業へ。 Webのトップページによると、“店員は無愛想ですが、頼りになります”とあります。店内は薄暗くて、膨大な在庫のなかを店員さんが忙しく動き回っています。こう いう雰囲気の店は、大阪や東京でも見たことないです。膨大な在庫を持っているので、欲しいものを具体的に指定しなければいけません。私は、ねじの頭の形状を『丸いヤツ』と答えたところ、こりゃダメだと思われたらしく、在庫の棚まで連れて行かれて現物を確認させて貰いました。

 ビスの長さを1/2インチとお願いしたところ、店員さんは「4分(よんぶ)ね。」と呼んでました。建築屋さんの呼び方ですね。写真は、下がインチネジ、上はついでに購入した便利なM3のセムスねじです。(ステンレスは高かった)


インチネジとセムスねじ


 さて、ルビジウム発振器は6つのビスで取り付けますが、1つだけケース内で何かにぶつかって最後までネジを締めることが出来ませんでした。ねじの長さは、マニュアル(DATUM社)の規格内ですが、実際に使ったのはEFRATOM社製のため、少し仕様が異なるのかもしれません。



完成
 配線後の完成写真です。組み立て時にフロントパネルが汚れてしまいました。次回、何かを作るときはシートか何かで養生することにします。


ケース内部


フロントパネル


リアパネル


2010年1月25日月曜日

ルビジウム発振器(5): なぜ波形が歪むのか


 原因がわかりました。情けないことに測定ミスです。


 オシロのプローブの電圧倍率設定スイッチがずれていて、表示だけ実際の10分の1になっていました。そりゃ、歪むのも当たり前。10Vp-p以上の振幅が出ていたわけです。電力で言えば0.25W以上。ちょっとしたパワーアンプ状態です。そういえばICが暖かかった。

 当初は、波形が歪むのはスルーレートが不足しているせいだと思い込んでいましたが歪みは方形波状。よく考えてみたらスルーレート不足なら三角波になるはずだから違う。方形波なら飽和しているはず。でも電源電圧が24Vもあるのに飽和するのは変だ、ということで再度測定してようやく気付きました。
 今回使ったアンプは電流フィードバック型。フィードバック抵抗の値によって特性が大きく変わると言うことで、スルーレートの検討も途中までやったのでメモとして残しておきます。


スルーレートの計算

 オペアンプの出力で必要な出力電圧を考えます。インピーダンスマッチングのためオペアンプ出力に挿入する50Ω抵抗と、アイソレーション・トランス(電圧損失約4%)に50Ω負荷を接続して電圧がドロップします。実測値から類推すると、負荷に0.5Vrms(1.41Vp-p)を与えるのに必要なオペアンプの出力電圧は、1.41Vp-p×(0.83/0.4)=2.9Vp-pが必要になります。

 この電圧を出力するのに必要なスルーレートを求めてみます。Webにわかりやすい解説記事(マッチィ先生の楽しい勉強会)があったので参考にしてみます。この記事によるとV・sin 2πftの正弦波信号のスルーレートは微分すれば求められると言うことで、2πfV・cos 2πftより、波形の傾斜の最大値は2πfVとなります。従って10MHz出力のスルーレートは、π× 10×10^6[Hz] × 2.9[Vp-p] = 9.1×10^7 [V/sec] = 91 [V/μsec] となります。


その他
・オペアンプの出力には、50Ω負荷とフィードバック抵抗がぶら下がっています。
 50Ω負荷には、ピークで1.41Vp-p/2/50Ω=14mA流れます。
・従来の電圧フィードバックオペアンプではフィードバック抵抗に並列に
 位相補償用に帰還コンデンサを並列接続する場合が多いですが電流フィードバック型
 オペアンプではかえって発振の原因になってしまうそうです。


回路図
 そういうわけで、全体のレベル関係を見直しました。と、言ってもオペアンプのゲインを出力レベルに合わせて変更しただけです。出力レベルですが、どうも変動が大きいような気がします。20%くらいは変動している?温度変化、どこか接触が良くないところがある?ケースに収納して様子を見る必要がありそう。


全体回路図(改)


基板パターン
 簡単な回路ですが、基板を起こしたほうが結果的にはラクでキレイに仕上がると思います。下のパターン図では、コンパレータの電源ピンと電源ラインとの接続を忘れています。実機ではジャンパで対応しました。

基板パターン図

2010年1月18日月曜日

QFNパッケージのはんだ付け

Si4710(FMトランスミッタIC)のはんだ付けで苦労しています。

 このICは、リード線のないQFN20ピン。3mm角のチップでピンピッチは0.5mmです。QFNには2種類あって、BGAパッケージのようにパッドがチップ底面だけに出ているタイプと、側面にも出ているタイプとがありますが、Si4710は側面にもパッドが出ているタイプです。

Si4710イメージ図(データシートより)


Si4710の裏側(右上はゼムクリップの一部)


 QFNのはんだ付けは、つい先日もSDR基板の製作で経験しており、位置合わせさえ確実であれば無洗浄タイプのフラックスを使ってはんだ付けが可能です。初めてQFNを見たときは、オーダミスで手はんだできないタイプを頼んでしまったと勘違いしましたが、実のところ見た目ほど難しくないという印象です。


JimCom氏設計のSDR基板


 ところが、Si4710のチップ側面パッドは、申し訳程度のごく小さなもので、はんだが乗らず手を焼きました。SDR基板ではラクラクだったのに、Si4710でなぜ苦労するのか違いを考えてみたところ、側面パッドが底面パッドとつながっているかどうかの差があります。どうも側面パッドが基板のパターンから0.1~0.2mmほど高い位置に付いているのが原因のようで、わずかな距離ながらはんだがブリッジしてくれないので、はんだでパターンと接続できません。


Si4710のパッケージ (データシートより)

側面パッドの拡大図
(L1>0のほう、側面と底面パッドが分離している)



SDR基板で使用したLTC2208のパッケージ図面(データシートより)
(側面と底面パッドがつながっている)


 Si4710のはんだ付けには、かなり頑張ったのですが、うまく行かず失敗を覚悟しました。こうなっては、裏返しにしてジャンパ線で接続してやろうかと取り外そうとしましたが、強固にくっついていてはがれません。それなら、底面パッドがパターンにはんだ付けできているのではと淡い期待を抱きつつ基板のパターンとチップ側面パッドの間の導通を確認します。テスタ棒はパッドに対して大きすぎるので先端が針状の特殊プローブを急遽準備して、全ピンの導通を確認できました。ただ、たび重なるはんだごての熱でチップが焼死していなければ良いのですが、こればかりは組み上げてみるまで結果はわかりません。



”特殊プローブ” で導通を確認



”特殊プローブ”の正体は安全クリップ



Si4710実装状況(物差しの1mm目盛との比較)

2010年1月15日金曜日

ルビジウム発振器(4): ケースに入れる検討

ルビジウム発振器を分配増幅器付きでケースに入れる検討をしてみます。

目標仕様

  • 出力周波数: 10MHz
  • 出力レベル: 0.5Vrms(50Ω負荷)
    測定器側の入力レベルより、0dBm(0.22Vrms/0.63Vp-p)から10dBm(0.7Vrms/2Vp-p)
    程度の範囲が望ましいようです。そこでキリのよい0.5Vrms(7dBm/1.41Vp-p)を
    目標とすることにします。
  • 分配出力数: 3出力
    そもそも接続できる測定器が僅かしかありませんが1.信号源用、2.観測装置用、3.予備
    という考えです。
  • アラーム表示: ルビジウム発振器同期異常、ルビジウムランプ出力異常

内部構成について

(1)電源
 周波数標準ですからドロッパ型のリニアレギュレータで低ノイズな電源を供給してあげたいところですが、今時は測定器でもスイッチング電源が当たり前に使われていますし、面倒なので安易にスイッチング電源を使うことにしました。おまじないとして、ノイズフィルタも使って見ます。いちおう完成したら10MHz出力に電源ノイズが乗ってしまうのかどうか確認してみたいと思っています。
 電源の容量としては、24Vで最大1.7A必要です。ローコストな基板型スイッチング電源としてTDKラムダのVS50E-24RSコンポーネンツで購入しました。50Wタイプなのになぜか2.5A(60W)も取れます。


(2)分配増幅器
 JA9TTT加藤氏のブログと同氏が運営されていたWebでのGPS周波数標準用分配器の記事(現在は運営を休止)を参考にさせて頂きました。元記事では、10MHzのバンドパスフィルタを通しトランジスタ式の増幅器で分配されていましたが、私はジャンク箱に転がっていた高速オペアンプAD813で分配増幅してみようと思います。


(3)アイソレーショントランス
 元記事には分配器出力にアイソレーショントランスが挿入されています。トロイダルコアが無かったのでフェライトビーズFB801に適当に巻いてみました。出力は出てきますが、効果のほどは???


(4)アラーム表示
 LPRO-101のマニュアルの指定ではBITE出力には74HCT14またはFET入力のコンパレータを接続せよとありますが、手持ちの都合でバイポーラ入力で入力バイアス電流の少ない uPC277(uPC393互換)を使うことにしました。コンパレータは初めて使いますが、フィードバック抵抗によりヒステリシスを付けることができるそうです。

コンパレータの応用回路(uPC277データシートより)


 uPC277のデータシートには定数を決めるための計算式が掲載されています。ヒステリシス電圧については、74HCT14のデータシートを参考に、しきい値は0.8V、0.9V~1.7Vとすることにしました。


回路図
 現時点での回路図です。問題点があります。
  • AD813の出力端子で1Vp-pを越えると波形が歪んでしまいます。とりあえず、0.8Vp-p程度に抑えていますが、出力レベルが目標仕様より低いです。ICが発熱します。
  • アラーム表示のLEDの挿入位置を間違えました。トランジスタのコレクタ側に入れるのが正しいのでしょうが、点灯したので良しとしました。

全体回路図

2010年1月10日日曜日

ルビジウム発振器(3): 分配増幅器基板の製作

ルビジウム発振器の分配増幅器基板を作っています。
ところが失敗。温度や露光条件は同じなのに何故って感じです。
露光不足という訳でもないのに、エッチングで不要なパターンが残ります。
2度目でも不要パターンが残った基板ができあがりましたが機能に差し支えないのでOKとしました。
エッチング後、再度露光・現像を行い不要な感光材を取り除くのですがいくら待っても現像が進みません。どうやら現像液がアヤシイようです。現像液の現像枚数には限度がありますが、限度の半分程度使った段階です。使用した現像剤は粉末タイプのDP-10。現像の直前に規定量の水で希釈し、規定の温度で現像処理を行ったつもりなので釈然としません。どうして?



もう1枚は、Si4710を使ったFMトランスミッタ基板。動かせれば良いのですが。

2010年1月2日土曜日

気になるアイテム

 お正月休み、暇を持て余してネットをあちこち見ています。買いはしないけれど興味を引いたアイテムを書き留めておきます。

QUXGA-W(3,840×2,400ドット)ディスプレイ
 IBM製T221液晶ディスプレイで、22インチなのにUXGA(1,600×1,200ドット)の4倍という圧倒的な解像度を誇ります。そういえば、2005年のNHK技研公開でスーパーハイビジョンのモニタ用として使われていたのを思い出しました。走査線数が多すぎてプロジェクタ以外に表示できるディスプレイがなく『縮小して表示しています』と但し書き付きで展示されていました。それでも走査線が2000本!ということでグレイの地味なディスプレイでしたが強く印象に残っています。
 スペック相応の非常に高価な製品ですが、秋葉原でしばらく前から中古品が4万円程度で入手できるそうで、思わず目を引かれてしまいました。ただ、画面のリフレッシュレートがDVIケーブル1本接続の場合13Hz、ビデオカード2枚差し+デュアルリンクDVIケーブルで48Hzということで、メインディスプレイの代替にはちょっとしんどい感じです。それにウインドウズでアプリケーションのアイコンが小さくて見えないとか表示の不都合もありそうです。(現用の1,920×1,200ドットでも少し不都合を感じています)
サブディスプレイとしてデーターシートをA4見開き表示させるといった用途なら最高だと思いますが、設置スペースを考え購入を断念しました。・・・でもやはり欲しいなぁ。


高出力デジタル簡易無線機 アイコムから5W出力のものが定価6万円強で発売されています。以前、仕事用でモトローラの1Wアナログ式簡易無線機を購入したことがありましすが、1台10万円以上しましたし、手続きも委任状がいるとか面倒だった覚えがあります。このデジタル簡易無線は「無線局の登録申請手続き」で使えるそうです。業務用でも安くなったものですね。