TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： FPGA書き込みケーブルが使えない

FPGAのソフトを少し変更し、書き込もうとしましたが、iMPACT が書き込みケーブルを認識しません。デバイスマネージャはちゃんと認識しているのになぜ？

Console画面をよく見るとこんなメッセージが。

Connecting to cable (Usb Port - USB21).
Checking cable driver.
 Driver file xusb_xlp.sys found.
 Driver version: src=1029, dest=1029.
 Driver windrvr6.sys version = 11.5.0.0. WinDriver v11.5.0 Jungo Connectivity (c) 1997 - 2014 Build Date: Jan 26 2014 x86_64 64bit SYS 13:30:18, version = 1150.
Invalid device driver license.Cable connection failed.

Webの記事を参考にデバイスマネージャからドライバーの更新を試しましたがNG。次にドライバの再インストールを行って無事認識できました。

• デバイスマネージャでJungo ConnectivityのWinDriverをアンインストール
• C:\Windows\System32\drivers\windrvr6.sysを削除
• スタートを右クリック ⇒ コマンドプロンプト（管理者）⇒ C:\Xilinx\14.7\ISE_DS\ISE\bin\nt64\install_drivers.exe を実行

しかし、1月にはちゃんと動いていたのに何が原因だったんだろう？

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： フロントエンドの利得低下

フロントエンドを改修してミキサに入る前で信号を引き出して使っています。当初の利得は13～14dBでしたが、気がつくとほぼ0dBに低下していました。これは、新品交換したはずのトリマコンデンサの不良が原因で再度別のものに交換して対応完了。結果的に利得は18～19dBに上がりました。

当初はアンプの不良を疑い、2段あるFETの直流電圧をテスタで測定したところ正常でした。それならと、スペアナで直接レベルを見てようということでBNCケーブルにみの虫クリップを取り付けたテストリード線を作りました。直流カットのためコンデンサも直列に入れてます。これを使って、FETの段ごとの利得を確認しますが極端に利得が下がっているわけではないようです。

次に、同調調整をやり直します。すると、コイルの同調コアが1個割れていることに気がつきました。

割れたコアはドライバーで回しても空回りするばかり。千枚通しを駆使し砕いて丁寧に除去します。代わりに昔の東光のRFコイルのコアを移植して使います。このコアの交換後に再調整しましたが状況は改善しません。更には、調整中にまたコアが割れて回せなくなり心が折れそうになります。

さらに同調調整を進めていると今度は、トリマコンデンサを回すと大きくレベル変動するのに気がつきました。場合によっては10dB以上乱高下します。これ、新品交換したはずでしたがどうやら接触不良のようです。ジャンク箱を探すと表面実装用？エアトリマがあったので代わりに交換しました。

トリマコンデンサを交換して利得を測ってみると、結果的に従前よりも利得が上がっていました。利得差がトリマコンデンサの影響だったのかはよくわからないところです。

• 76MHz受信時： 17.8dB
• 83MHz受信時： 18.9dB
• 90MHz受信時： 19.3dB

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： デジタルノイズかぶりで苦しむ

チューナを実際に使ってみるとデジタルノイズの影響を受けていることがわかりました。受信電界をかなり強めないと、ザーッ という雑音が目立ちます。さらには本来関係ないはずのケーブルに手を触れると状況が変化。デジタルノイズのかぶりを受けているようです。

ノイズ対策ですが、効果を定量的に比較してみたいと考えました。わかりやすい指標としてここでは20dBNQ法により受信感度を比較することにします。具体的にはRF無入力時に復調後のFMノイズ（ザーッというあれです）の電圧をオシロを使って測ります。そしてRF信号発生器からCW波を入れて復調電圧が20dB抑圧されるときのRF信号レベルが受信感度ということになります。

まずは、ノイズ対策前のすっぴんの状態で測ってみます。受信感度は-56dBm。地元FM局でもノイズ混じり、これはちょっとひどいです。

次に、FPGAチューナの入出力ケーブルにパッチンコア（クランプフィルタ）を取り付けてみます。
S/PDIF出力に取付： -61dBm
アンテナ入力に取付： -65dBm

アンテナ入力とS/PDIF出力に取付： -71dBm

上記写真をFPGAチューナ作者氏にお見せしたところ、基板アースは確実にシャーシに接続すること、コアは基板間近に、それにコアの内径はケーブル外径にできるだけぴったりのものがおすすめとアドバイスを頂きました。

そこで、FPGAチューナ基板のアースを金属スペーサを経由してシャーシに確実に接続すると -73dBm。次にFPGA基板のアンテナ入力、S/PDIF出力、電源入力のそれぞれの最寄りにフェライトビーズFB-801を取り付けると-77dBm。デジタルオーディオインターフェース基板とD/Aコンバータ基板を接続するI2S信号用フラットケーブルにFT82-43を取りつけて-80dBmまで改善しました。

アナログ基板の電源・アナログ出力ケーブルをまとめて大きなサイズのパッチンコアを取り付けると結構効き目があり-84dBm。さらにLCD基板の接続ケーブルにもフェライトコアFT37-43とFT50-43を取り付けて-87dBmとなりました。

さらにわかったこと。
I2S信号用フラットケーブルをシャーシに押しつけるとノイズが減ります。D/Aコンバータの基板のアースが浮いていたので試しにシャーシに接続すると、逆にノイズがめちゃくちゃ増えてしまいます。それなら、と、デジタルオーディオインターフェース基板を調べるとこれもアースが浮いてました。そこでデジタルオーディオインターフェース基板のアースをシャーシに接続すると、かなりノイズが減らすことができました。ここまでやって-96dBmまで改善できました。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： FPGA FMチューナ基板を組み込み

FPGAチューナ基板の組み込みに合わせ、設計データを最新版に更新することにしました。最新版では、ワイドFM（FM補完放送）に対応するため、局発周波数が69.12MHzに変更されているほか、数多くの性能向上が盛り込まれています。さらにはシリアル設定モードに対応しているのは、うれしいところです。

ワイドFM対応の改修については、このサイトが詳しく大変参考になりました。ハード面では、アンテナ入力系のバンドパスフィルタの広帯域化と局発周波数の変更があります。今回は、KT-9900のフロントエンドを活用するという大命題があるので、基板上のフィルタ回路を使用しないことにしました。ワイドFMに対応させるには、外部にワイドFM用のバンドパスフィルタをもうけ、KT-9900のフロントエンドとスイッチで切り替えるしかないかなと思っています。　

次に発振モジュールの交換です。既存のモジュールをちゃんと交換できるか心配したのは杞憂でした。交換をも想定した基板パターン設計がなされているようです。

次に肝心な設計データの更新です。まずは、ISE 14.7をインストールしますが、64ビット版Windows10ではOpen Project と操作するとアプリがいきなり落ちてしまいます。それでもプロジェクトファイルをダブルクリックすると何事もなかったかのように動いてくれるのでそのまま作業を続けることにしました。
受信周波数の初期設定値を地元FM局の周波数に書き換えようと user_if.vhd を書き換え、Generate Programming Fileさせるところまではすんなり成功します。ところが設計データをFPGAに書き込もうとするとiMPACTが途中で異常終了してしまい進めることができません。

ネットで調べるとどうやら既知の不具合のようです。（こちら と こちら）

さて、iMPACTで基板にデータを書き込む方法をすっかり忘れてしまいました。とてもわかりにくいのでメモを残しておきます。FPGAチューナ基板には、ヒューマンデータ社のFPGAモジュール XP68-01が搭載されており、モジュール内のコンフィグPROMにデータを書き込みます。

ISEでManage Configuration Project(iMPACT)を右クリック⇒Run でiMPACTを起動します。

まずは設計データが記述されたbitファイルからPROMに書き込むために必要なmcsファイルに変換するために Create PROM Fileをダブルクリック

PROM File Formatter画面で、SPI Flash/Configure Single FPGA ⇒ Step2に続く 緑色 右矢印 ⇒ Storage Device(bits)  16Mを選択 ⇒ Add Strage Device ⇒ Step3に続く 緑色 右矢印 ⇒ File Format は MCS、必要があればOutput File Nameを指定

ファイル変換元の設計データを聞いてくるので top.bit を指定します。Add DeviceのポップアップはNoを選びます。

iMPACT ProcessesタブのGenerate Fileをクリックして mcsファイルへの変換を実行します。

Boundary Scan ⇒ Right click to Add Device or Initialize JTAG chainのウインドウで右クリック ⇒ Initialize Chain ⇒ Auto Assign Configuration Files Query Dialog は No

SPI/BPI を右クリックし Add SPI/BPI Flashを選ぶと、PROMに書き込むファイルを聞かれるので先ほど生成したファイル（mcsファイル）を指定する。

PROMデバイスとして、M25P16を指定します。

これでようやくPROMへの書き込み準備ができました。FLASHを右クリックしてProgramを実行します。このとき、FPGAモジュールのコンフィギュレーションモードをMaster Serial/SPIに設定(SW1 ON) しておく必要があります。

ところで書き込みに失敗した話です。PROMに書き込もうとしたらidcodeが不一致だと言ってFailしてしまいます。デバイスを自動認識できているくせに Device IDの読み出しにも失敗します。ネットの情報によると書き込み器とFPGAのあいだのJTAG波形が不適切なせいだとのこと。でもこのケーブルで書き込み実績はあるはずです。FPGAチューナの作者様に相談したところケーブルコネクタの抜き差しを試せとの回答があり、やってみるとあっさり解決。どうやらコネクタの接触不良が原因だったようですが何だこりゃという感じでした。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： フロントエンドの特性確認

今回、フロントエンドは既存のものを流用するのでどんな特性か測ってみました。
アンテナ入力からデュアルゲートMOSFET CC3588DEと2SK125の2段高周波アンプの出力がダブルバランスドミキサに接続されているので、ここを切り離し、RF段の通過特性を確認します。また、局発信号もレベルを見ることにしました。

まずは、アンテナ入力にSGから -50dBmを入れて RF段の出力を見てみます。

• 76MHz受信時： -36.1dBm
• 83MHz受信時： -36.7dBm
• 90MHz受信時： -36.1dBm

SG周波数を指でスイープさせRF段の通過特性を見てみます。通過域が平坦ではないのは調整がマズいからですが、これなら十分ですかね。

同調つまみを廻していたら、76MHz付近限定で急に寄生発振らしきものが起きてしまいます。こんなのどうやったら止められるんでしょうか。

これは、局発の通り抜けです。と言っても直接繋がっているわけでもなく電源かどこかから入り込んで来ているようです。

次は局発。まずレベルから。

• 76MHz受信時： 12.4dBm
• 83MHz受信時： 12.2dBm
• 90MHz受信時： 10.8dBm

そしてスペクトルは、こんな感じ。自励発振器そのものなのでシンセみたいにスペクトルのひげは生えていませんが、、、お世辞にも良いとは言えない感じです。これが経年劣化の結果でしょうか。IF信号には、このノイズがそっくり重ね合わされることになります。

そういえば位相雑音の解析機能があったことを思い出しました。結果はだいたい同じです。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： PCM1704 DAC基板を仮組み

自作のDAC基板は無事動いてくれました。WaveSpectraで1kHz 0dBFSを接続すると、ライン出力が開放端で約2.1Vp-p。XLR端子もグランド基準でほぼ同じ電圧でした。少し心配していた-5V三端子レギュレータの発熱も想定通り少し暖かくなる程度で収まりました。

DAC基板は、PCM1704を1チャンネルあたり2個を差動接続したものです。当初は、お気楽オーディオキットのRenew DAC1704基板を1枚入手していたのですが、差動構成にするためにはもう1枚必要なところ現在は頒布が終了しているようで、それなら作るか！と相成りました。
この基板にはI/V変換器やバランスラインドライバも一緒に盛り込んだのでこれでも少し省スペースになっています。

DAIとデジタルフィルタには、お気楽オーディオキットのRenew DAI for DF1706基板を使いました。CN1コネクタは使わないので、空いたスペースにS/PDIF 同軸接続用のパルストランスDA102Cを実装しました。

DAI基板とDAC基板の接続はデジットで買ったリボンケーブルを使っています。この手のものは、自分で圧着できないこともありませんが、作って貰うかジャンク屋の出物を買うのが基本だと思っていました。が、Digi-Keyでも買えることに気がつきました。これなら適切な長さのものを入手できますね。

とりあえず電源ができあがり、DACから音が出せるようになったので次は本丸のFM受信部に取りかかることにします。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： パネルにコネクタを組み付け

KT-9900リアパネルの既存コネクタをすべて取り払って、新たに別のコネクタを取り付けることにしたので、改造が結構大がかりになりました。いつものようにシール紙にレーザプリンタで文字を印刷してそれっぽく仕上げます。
XLRとRCAコネクタはノイトリック、BNCはカナレです。

ちなみに既存コネクタの穴は、アルミテープを貼って目隠し。意外に良い塩梅になります。

光コネクタには、秋月で買えるEverlight製 PLT133/TとPLR135/Tを使いました。残念なことに東芝のトスリンクはもう製造中止です。基板は、お気楽オーディオキットのRenew DAI for DF1706付属ですが、生憎、光送信用にはピンアサインが異なるので基板をひっくり返して、一部のパターンをカットしてムリヤリ使っています。ちなみに受信用の基板なら aitendo の店頭で見つけていたんですがパネルに基板が当たってしまうので今回は使わずでした。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： 電源が完成

アルミ板シャーシの上に電源を取り付けてみました。
±15Vアナログ電源は、既存のトランスを使ったドロッパ式電源ということでお気楽オーディオキットの正負出力定電圧電源基板(TYPE-D)を使ってみました。過電流保護がないので慎重に進めます。
一方、5Vデジタル系はスイッチング電源と割り切ってみました。メーカはどこでも良いですが、基板形、カバー付き、日圧コネクタが使えて、5年補償、入手しやすいという条件でTDKラムダ ZWS15B-5/Aを選定。マルツから通販購入しました。

この作業と並行してフロントエンド用の定電圧回路を空中配線で組んでみます。手持ちのAZ1117H-ADJを使ってほぼ計算通り13.2Vが出てきました。当初、Minimum Load Currentの制約を忘れ軽負荷で実験したら想定外の電圧が出てきてしまい、原因を特定するまでかなり遠回りをしてしまいました。

ちなみに配線は、いつものXHコネクタと熱収縮チューブを使って見栄え良く仕上げます。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： 注文ミスでシャーシ寸足らず

KT-9900内に2mm厚のシャーシを新たに取り付け、その上に各種基板を載せることにしました。アルミ板は、福井の横山テクノさんの切り売りです。
が、問題発生。注文サイズを間違えており2センチ寸足らずでした。ちょっと格好悪いですが大勢に影響ないので我慢することにしました。例のごとくアルミ板に型紙シールを貼り付けて加工します。

さて、加工中にさらに問題発覚です。ボール盤の支柱が邪魔になってシャーシの中央部にドリルが届きません。フトコロ寸法の制約ですね。あいにくハンドドリルを持ってませんので穴あけを見送ることにしました。大きな対象物の加工は初めてなので勉強になりました。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： 解体作業

チューナのガワを再利用するため、まずは内部の基板を取り外します。箱だけでもかなりの重さになってて驚きです。

リアパネルを取り外し、コネクタ穴を新たに加工することにしました。XLR端子がポイントですね。実はコネクタ穴の明け忘れに気がつきました、次週に持ち越しです。

TRIO FMチューナ KT-9900 近代化改修： PCM1704 D/Aコンバータを内蔵

「KT-9900 近代化改修」というタイトルにしていますが、チューナのガワだけ使って中身を別物に入れ替えようという乱暴なプランです。

チューナ部分にはFPGA FMチューナ。さらに、オーディオD/Aコンバータも内蔵することにします。KT-9900でもともと使われていた部品のうち流用するものは、芸術品のようなバリコンチューナ部分と電源トランス系。他の基板類は故障多発の実績ありなので継続使用は厳しい感じでしょうか。

D/Aコンバータには、ジャンク箱から出てきたPCM1704を活用します。他に、h_fujiwara氏のDAI基板やPCM1704用D/A基板が1枚あり、調べたところ2007年に大枚はたいて購入したまま塩漬けとなっていたものでした。これを組み上げるには電源やそれなりの大きさのケースが必要なのでKT-9900は最適です。
さて、PCM1704の手持ち数は4個。片チャンネルあたり2個使い、差動接続するのが妥当に思えます。h_fujiwara氏のD/A基板説明書によると差動接続させるにはD/A基板が2枚必要です。手持ちは1枚なのでもう1枚欲しいな、と調べたところあいにくの在庫切れ。検討の結果、I/V変換やバランスドライバ機能も盛り込んだ基板を作ることにしました。基板サイズ10センチ以内だと割安で製作できます。

直るかFMチューナ KT-9900 その２

前回の記事で音が出るようになったので BLUESS Laboratory さんのサイトを参考に調整をしてみます。シグナルメータの触れ具合がイマイチなので、まずはチューナパックの調整です。
同調回路のトラッキング調整をしようとトリマーコンデンサを廻してみるとパキッと音がして調整できなくなりました。よく見ると蒸着された電極が剥がれ再起不能です。RF段の7個のうち2個が同じように壊れしたが、残りもいずれ壊れるのは明らかですから全数交換することにしました。写真の白い部品がそれです。IF段のコンデンサは、すでにメーカの手で交換されていた模様です。

一通り、同調調整を行いメータの指示の校正をしました。
シグナルメータは、dBf という謎の単位表示になっていますが、dBf の f はフェムトワットを意味しているそうで、0dBf は 1×10-15 W となります。dBm表示に換算すると、
0dBf = -150dBW = -120dBm となります。
試しに 60dBf 相当として、50Ωの信号発生器を接続し 50Ω⇒75Ωの不整合損失2dBを見込み、-58dBmを入力してシグナルメータの触れを確認します。
76MHz で 52dBf、83MHz で 53dBf、90MHz で51dBf と低めの表示になりました。原因は、能動部品の劣化なんでしょうか。

次いで DDLの動作不良を調べようと、信号の流れを追いかけたところ、DDL基板の入力オペアンプ HA1457 の不良がわかりました。ピンアサインはともかく 5532 で置き換えができそうですが、あちこち故障が見つかり満身創痍のチューナを修理することに意味があるのか考え込んでしました。
地道に部品交換すれば、まだ直せそうですが、何しろこんなに部品が使われてますし、あまり状態の良くない個体故、所期の性能を維持するのは並大抵のことではなさそうです。いっそのこと、チューナパック部分とトランスを流用して、FPGAチューナ基板を詰め込んだほうが工作的には面白いかもしれません。

参考資料
FMチューナの感度について - LSIサポート

直るかFMチューナ KT-9900

トリオのFM専用チューナ KT-9900の修理に取り組んでいます。
電源を入れ、FM局に同調するとステレオランプがついて、変調度メータも動きます。しかし、肝心な音が出ません。

調べると、+15V電源が出ていません。電源基板 Q5 電源レギュレータ 2SC1735が壊れていたので、笹原デンキに走り 2SC2235に交換すると無事電圧が出るようになりました。

音声出力をオシロで見ながら電源を入れると、片チャンネルのみ上側の波形が出ない状態でした。調べたところMPX基板の音声出力ドライバのプッシュプルのうち＋側のトランジスタ Q18 2SC1940の不良のようです。そこで先ほどの2SC2235にとりあえず交換。出力波形も正常になりました。それに、オペアンプのフィードバックループに入っているので大きな歪みもありませんが、改めて－側とセットでコンプリメンタリのペアで交換する予定です。

さて、これで終わればバンザイと言いたいところ、音は無事出るようになりましたがセパレーションが悪い感じがするうえDDL回路のランプが付きません。さらにシグナルメータの触れ具合が25dBほど低いようです。まだまだ、直し甲斐があります。。。

参考資料
・TRIO KT-9900 - BLUESS Laboratory
　チューナを修理しまくっているサイトです。このサイトを見なければ、修理に取り組む気にならなかったと思います。
・トリオとケンウッド チューナーのカタログやパンフレット、マニュアル - CoolTune FM/AM TUNER 実験室
　KT-9900の海外向けモデルKT-917の回路図へのリンクがあります。