google-site-verification: google3bd66dd162ef54c7.html
fc2ブログ

JJY受信機がとりあえず完成

◆まえがき
このところ取り組んでいたダイレクトコンバージョン方式のJJY受信機が完成しました。
完成と言っても、ブレッドボードで動いているだけでまだまだ改良したいところが多いのですが、とりあえずJJYの受信は出来ているので現状を公開します。

◆回路図(クリックで別窓に拡大)
JJY受信機回路図
JJYの40kHzの信号を、U1,U2で高周波増幅。トランス式のDBMで局発の40.5kHzと混合して0.5kHzと80.5kHzの出力を作成。U31の2次のLPFで0.5kHzの成分だけ残し、U32で増幅して小さなスピーカーを鳴らしています。

◆回路図のポイント
先にお断りしておくと、この回路はやや不安定で電気的なショックが引き金となって発振する場合があります。後述するようにブレッドボードで作っているので、40kHzとは言え増幅度の高い回路を安定に動かすのは難しいです。

U2でインダクティブな負荷であるT21を直接駆動しているのは安定性の点で問題がありそうです。実験でT21に抵抗をパラに入れたりしてみましたがあまり効果は感じられませんでした。ちゃんとやるならLTspiceで安定性の解析をやった方が良さそうです。

局発に使う40.5kHzの水晶は、時計用の音叉型水晶を改造して作った物です

ダブルバランスドミキサ(DBM)のトランス (T21, T22) はコモンモードチョークコイルを改造して作った物です。

U12はR12を通してU11の入力にバイアス電圧を与えています。このゲートの入力ピン(U12 pin3)の電圧は中間電位になるので本来は好ましくない使い方ですが無理を承知でやっています。このアイディアはこちら様のページから頂きました

U31のカットオフ1kHzの2次のアクティブLPFでも余分な高周波数成分を除去しきれませんでした。そこで、後段にR35とC34で構成するLPFを追加しています。なお、U31は10倍のアンプを兼ねています。

DBMの入力電圧に対するLPFの出力電圧の比を実測すると1.5倍(+3.5dB)でした。U31のアンプの増幅率は10倍(20dB)あるので、DBMの変換感度は-16.5dBということになってあまり良くない値だと思います。

局発の出力は最初はU13の出力から取っていたのですが、再度波形を整形して矩形波に近い波形の方が僅かに感度が上がったのでU14の出力から取っています。なお、SNの点では不利になっているかも知れません。

◆外観
・全体の外観
JJY受信機

・回路部拡大
回路部拡大
上段が局発とDBM。下段がRFアンプとAFアンプです。

バーアンテナはたぶん電波時計を分解した時に回収しておいたものです。

◆受信の様子
この動画にはSNの悪い40kHzのJJYの信号音が入っています。局発の正確な周波数は40.532kHzなのでJJYは532Hzの音として聞こえてきます。この動画でスピーカを拡大した後に、モールスでJJYを二回(トツーツーツー トツーツーツー ツートツーツー を2回)打つ音が聞こえます。これは毎15分と45分に送出されているJJYのコールサインです。

◆まとめ
この受信機の受信周波数はイメージを考慮すると40.5kHz±1kHzということになります。比較的広い周波数範囲を受信していることになるのでSN比の点では不利だと思います。ただ、この受信機で聴くJJYは532Hzの音で、更に1秒周期の繰り返し音になっています。人間の聴覚には強力な音響分析機能が付いているので、このような特徴のある音は聴き分けることが出来るのがこの受信機の強みです。

この受信機で聴くと、部屋の中はスイッチング電源やモーターのインバーターなどから発生する電磁ノイズで満ち溢れていることがよく判ります。電波時計はこのようなノイズの中からJJYの信号を抽出している訳で、その耳の良さはたいしたものだと思います。たぶんものすごく狭帯域にしてSNを稼いでいるのだと思います。

DBMのトランスにコモンモードチョークコイルを使う (JJY受信機)

◆まえがき
自作JJY受信機のローカルオシレーターに使う水晶は何とかなったので、次はダブルバランスドミキサー(以下DBMと記します)に使うトランスを調達します。
トランス式のDBMなんて使わなくても半導体のDBMチップ、あるいは普通の周波数変換回路を使えば良いのですが、以前からトランスを使ったDBMを作ってみたいと思っていたのでチャレンジしてみることにしました。

◆トランスを使ったダブルバランスドミキサ
回路は以下のようになります。
ダブルバランスドミキサ
DBMはSSBの変調や周波数変換回路などに使われますが、その出力周波数は数メガHz程度がほとんどだと思います。今回作りたいJJY受信機は、40kHzのキャリアをダイレクトコンバージョンしてAFに変換したいので、低い周波数成分が出力出来る必要があります。

低い周波数まで扱うためにはインダクタンスの大きなトランスが必要になります。ただどれくらいのインダクタンスが必要になるか良く判らなかったので、まずは実験して確かめてみることにしました。

◆メガネコアでDBMを作ってみた
手持ちにテレビアンテナの平衡/不平衡変換用のメガネコアがあったのでこれにコイルを巻いてみました。
メガネコア
トリファイラ巻きで、インダクタンスを出来るだけ稼ぐために出来るだけ多く巻いてみました。左が30ターン、右は35ターン巻いてあります。(トリファイラ巻きなので実際の線の数は3倍)

・インダクタンス測定結果
値はトリファイラ巻きにしたコイル1つの測定結果です。

メガネコアのインダクタンスとQ
コイルを目一杯巻いたのにもかかわらずインダクタンスは100μH台で、思ってたより小さな値でした。

試しに入力周波数 (Fin) = 40kHz, 局発周波数 (Flocal) = 40.5kHzの条件でDBMとして動作を確認したところ、出力端子にはFlocal-Finに相当する500Hzの成分はごく僅かしか現れませんでした。なお Flocal + Fin の80.5kHzはしっかりと出ていました。

・トランスの周波数特性の確認
出力インピーダンス50Ωのファンクションジェネレーターでトランスに電圧を加え、入力と出力電圧の周波数特性を測定してみました。
測定回路

・周波数特性測定結果
35Tコイルの周波数特性
100kHzから下の周波数で左下がりのグラフになるのは、コイルのインピーダンス変化を考えれば当然なのですが、500Hz付近では数Ωのインピーダンスしかありません。これでは普通のオペアンプなどで駆動するのは無理です。

あと、グラフを見ると、5kHz以下で入力電圧に対して出力電圧差(落ち込み)が目立っています。周波数が下がるとロスが目立ってくるのでしょう。

ここまでの結論としては、「このメガネコアで作ったDBMでは、IF出力500Hzを得ることは難しい」と言うことになると思います。

◆コモンモードチョーク
メガネコアでうまく行かなかったのでトランス式のDBMはほとんど諦めていたのですが、ネットを徘徊していて気付いたのが、スイッチング電源のAC側のノイズフィルタとして使用されるコモンモードチョークコイル(以下CMCCと記します)です。

ネットで参考にさせていただいた情報:トラ技記事で見た記憶が:コモンモードチョークを絶縁トランスとして使う(居酒屋ガレージ日記さん)

手持ちのCMCCのインダクタンスを測ると20mHくらいありました。またコイルが分割巻きになっているタイプの物もあり、中間タップを引き出すことで、DBM用のトランスで必要なセンタータップを作ることが出来そうです。

・CMCC (角型)
角型CMF
分割巻きの乗り換えの配線からタップを出し、中点をピンに引き出しました。(中点のピンはモールドに新設しました)

・CMCC(丸型)
丸型CMF
分割巻きの中点から端子を引き出しました。(ピンを固定する適当な方法が無かったので宙ぶらりんです)

・インダクタンスとQ
CMFのインダクタンス

22mHや44mHあって、これなら500Hzにおけるリアクタンスは数十Ωあるので、一般的なオペアンプで駆動出来そうです。
表の右の数字は中点タップの実際の位置を%で表したものです。(インダクタンスの平方根 ∝ 巻き数 で計算)センターから1.5%くらいズレていました。

・周波数特性
CMCC(角型)の周波数特性です。
CMF周波数特性
測定方法は前に説明したのと同じです。インダクタンスが大きいので低い周波数まで振幅の低下が無くなり、500Hzでも使えそうな感じです。

2.5Mhz付近で出力の振幅が急増しているのは、コイルのインダクタンスと分布容量で二次側が共振しているのだと思います。よく見ると一次側のレベルが少し落ちてますが、これはディップメーターのような現象でエネルギーが吸収されるためでしょう。ちなみにこれはコイルが分割巻きになっている物ですが、もし分割巻きになっていなかったら、もっと低い周波数で共振していたと思います。

参考:コイルのインダクタンス=22mH、共振周波数=2.5MHzから逆算すると、静電容量は約0.5pFということになります。サイズから考えるとコイルの静電容量はもっと大きい気がするので、フェライトコアの透磁率が低下してコイルのインダクタンスが減少する現象が同時に起きている気がします。

◆DBMとして動作OKを確認
前述した条件でIF出力500HzのDBMとして使ってみたところ、問題無く動作することが確認出来ました。詳細は別途記事で紹介予定です。

◆フェライトの透磁率
今回の実験結果で一番実感したのがフェライトコアの種類による透磁率の違いです。CMCCのコイルの巻き数はさほど多くはありませんが、そのインダクタンスは予想外に大きなものでした。少い巻き数(=低抵抗)で大きなインダクタンスを得るために高透磁率のコアを使う、という考え方なんでしょう。
一方で、テレビのアンテナ端子用のメガネコアに目一杯線を巻いてみても、インダクタンスはさほど大きくはなりませんでした。100MHz以上の周波数で使うので、コアの透磁率が低くても、コイルの巻数は元々少ないので大丈夫、ということなんでしょう。そもそもこのあたりの周波数用のコアの透磁率はさほど大きくないようです。

いろいろ調べてみると、そのあたりの違いは、フェライトコアの透磁率の違いから発生しているようでした。次の図はTDKのノイズ対策用フェライトの基礎という資料に掲載されていたものですが、

TDKのフェライトコアの資料
フェライトにはMn-Zn系とNiZn系があり、それぞれ得意な周波数が異なり、透磁率も大きく異なっているようです。

CMCCにはMn-Zn系が使われ、透磁率は5000以上ある。一方でテレビアンテナの整合器のように100MHz以上で使われる物にはNi-Zn系のフェライトが使われ、この透磁率は場合によっては数十程度の場合がある。ということのようです。

私は、フェライトコアは単純にめちゃくちゃ透磁率が高い物、と言う先入観を持っていたのですが、どうもそういう認識は改めた方が良さそうです。適材適所で特性が異なった物が使われていて、特にMn-Zn系フェライトのように低い周波数に特化した物や、高い周波数まで使えるけど透磁率は低目の物があるようです。ちなみに、Mn-Zn系フェライトは電気抵抗が低く、テスターで測るとほぼゼロオームなので識別可能です。

◆まとめ
CMCCの中でコイルが分割巻きになっている物は、中点タップを引き出すことでDBM(ダブルバランスドモジュレーター)のトランスとして利用出来そうです。特に低周波出力が必要な場合に有利になると思います。

スイッチング電源のノイズ対策によく使われているコモンモードチョークコイル(CMCC)のインダクタンスは数十mHでした。100kHz程度までならインダクタや巻き数比1:1のトランスとして使い道がありそうです。なお、2つのコイルの極性を揃えて直列に接続すればインダクタンスが4倍になります。

ジャンク基板からハイエナのように部品を回収することがありますが、AC電源周りの部品は使い道が無さそうなのでそのまま廃棄することが多いと思います。でもコモンモードチョークは1:1のトランスとして使えることがあるので、小型の物なら回収しておくと良いことがありそうです。

時計用の水晶をトリミングして周波数を上げる(JJY受信機作り)

◆まえがき
JJYの受信機を作りたくてあれこれやっているのですが、なかなか完成しません。全部終わったら記事にしようと思っていたのですが、何時になるか判らなくなってきました。

そんなことで、面白そうな話を先行して順に紹介していくことにしました。最初の記事は時計用水晶の共振周波数調整(変更)です。

◆どうやってJJYを受信するか
うちは東京なので、福島県から送信されている40kHzのJJYを受信することになります。一番手っ取り早いのは電波時計の受信モジュールを買ってしまうことでしょう。でも、それでは面白くありません。

ラジオとして受信する方法はいろいろ考えられますが、アップコンバーターで適当な周波数に変換し、ゼネラルカバレッジの受信機で聴くのが一番簡単だと思います。でもこれも当たり前すぎて面白くありません。

そんなことで、40kHzのJJYを自作の回路で受信することにしました。

◆水晶フィルタ
SN比を稼ぐためには出来るだけ狭帯域のフィルタを使いたいところです。狭帯域のフィルタとなると水晶が一番です。ということで、周波数が近い時計用の32.768kHzの水晶の通過帯域を測定してみました。

・手持ちの水晶
ジャンクの時計用水晶
百均の時計を分解した時などに回収しておいた音叉型の水晶振動子がいっぱいあります。
結果は帯域幅が2Hzくらいしかありませんでした。
中心周波数は水晶を物理的にトリミングして調整する予定ですが、こんなに帯域派が狭いと調整がシビアになってきて中心周波数を合わせ込むことが難しそうな感じです。

なお、回路を工夫して振動子のQを下げるようなことを行えば、この帯域幅をもっと拡大することは可能だと思います。しかし、そのやり方が具体的にイメージ出来なかったので、今回はこれ以上追求しないことにしました。なお、電波時計に内蔵されている受信機ではそのような対策を行っているのだと思います。

◆ダイレクトコンバージョンを目指す
40kHzの直接受信は難しそうなので周波数変換方式で行くことにしました。ミキサで一気に可聴周波数に変換し、AFアンプを通して直接音を聞く方式。つまりダイレクトコンバージョンが良さそうです。
ダイレクトコンバージョン
ブロック図で示すとこんな感じ。

◆局発用の水晶を作る。
39.5kHzの水晶なんて特注しないと手に入りません。そこで時計用の32.768kHzの水晶をトリミングして作ってしまうことにしました。

大昔にアマチュア無線やってた人なら、「FT243型の水晶を分解し、中に入っている水晶板をフッ酸でエッチングして共振周波数を上げる」という話を聞いたことがあると思います。実は今回の試みはその話がヒントになっています。ついでに昔話をすると、周波数が上がり過ぎた時は、赤チンを点々と塗って共振周波数を下げるのだそうです。で、赤チンを塗る時に「痛かったろう、、」と言ってやると良いのだそうです。

・開封
開封
ケースの側面をミニルーターのデイスク砥石でカットして開封しました。なお、Φ3mmの水晶を加工しました。Φ2mmの水晶は小さすぎて無理です。

・リード線を付ける
初期状態
周波数測定がやり易い様にリード線を出してピンヘッダに接続しておきました。よく見ると、メーカーがトリミングした跡なのでしょう、水晶の先端を削った跡があります。

これから水晶の先端を切り詰めて共振周波数を上げて行きます。

・周波数測定
周波数測定
加工したら発振させて周波数を確認します。(この写真では時計の基板で発振させています。)

・調整完了
先端をカット
目的周波数に合わせ込んだ状態です。先端にあった透明部が無くなるまでトリミングすると目的周波数に合わせ込むことができました。

・完成
完成
そのままでは簡単に壊れてしまうので、元の金属ケースを被せ、収縮チューブで固定しておきました。

・加工のコツ
水晶は割れやすいので余計な力を掛けないで加工しなくてはなりません。いっぱい失敗したのですが、良さそうな加工方法としては、
1) 大きく調整したい時は、爪切りで先端をかじり取りました。除去する量によりますが一度に2kHz程度上がります。爪切りの角を使い、水晶を少しずつ砕いて加工するのが良いと思います。
2) 微調整は、NTカッターで水晶の角を小さく欠いて除去。一度で10Hzくらい上がります。
3) 小さな破片や汚れが付着しただけで共振周波数が下がるので注意。
4) 油性のサインペンをちょっと塗って周波数を下げる実験を行ってみたのですが、変化が大きすぎでした。赤チンのように極薄の被膜が出来る物を使うと良さそうです。

実は39.5kHzを狙ったのですが、行き過ぎてしまったのでIF周波数が同じになる40.5kHzに狙い値を変更しました。正確には40.532kHzになっています。つまり、JJYの信号は532Hzの音として聞くことになります。

◆発振回路
74HCU04を使った発振回路
最初はオペアンプで作った発振回路を使ったのですが、再現性がいまいちな感じでした。そこで、最終的には上図のような回路を使いました。この回路ではU13の入力ピン(pin3)が中間電位になってしまうために、チップの消費電流が3mAくらいに上がってしまうという問題があるのですが、とりあえず気にしないことにしています。

◆まとめ
記事にまとめると順調に行ったように見えますが、実際には何度も水晶を割って失敗しています。手持のΦ3mmの物が無くなりそうでした。AliExpressなら32.768kHzの水晶は10個で300円くらいで売っているので、この実験をきっちりやりたい場合は購入しておくと良さそうです。
追記:今確認したら 32.768kHz 3x8mmの水晶はAliExで20個で160円 で売られていました。

ともかく、時計用の32.768kHzの音叉型の水晶を物理的にトリミングすれば40kHzくらいまでは任意の周波数の物が作れそうな感じです。ただ、手作業によるトリミングなので±30Hzくらいの誤差は避けられそうにありません。

申し訳ありませんが、この記事の方法では60kHzのJJYを受信するための水晶は作ることが出来ません。短くなり過ぎてしまいます。(どうしてもやりたかったら30kHzを作って2逓倍する?)

これでJJY受信機の局発は何とかなりそうなので、次はミキサー作りです。

◆追記
周波数調整した際の周波数変化の例です。
周波数調整例
徐々に細かく欠き砕いて目的周波数に合わせていく様子です。最後の数値変化を数値で示すと、
 39.3190kHz
 39.3679kHz (+48.9Hz) 
 39.4567kHz (+88.8Hz)
 39.4937kHz (+37.0Hz)
 39.5002kHz (+  6.5Hz)
となっていて、(運良く)目標の39.5kHzにほぼぴったり合わせることが出来ていました。
カレンダー
01 | 2024/02 | 03
- - - - 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 - -
プロフィール

ラジオペンチ

Author:ラジオペンチ
電子工作を中心としたブログです。たまに近所(東京都稲城市)の話題など。60過ぎて視力や器用さの衰えを感じつつ日々挑戦!
コメントを入れる時にメールアドレスの記入は不要です。なお、非公開コメントは受け付けていません。
記事の内容のご利用は読者の自己責任でお願いします。

記事が気に入ったらクリックを!
最新記事
カテゴリ
最新コメント
リンク
FC2カウンター
検索フォーム
月別アーカイブ
RSSリンクの表示
QRコード
QRコード