マイクロ波信号発生器MG3692Bを修理する

ブログの更新サボってましたｽｲﾏｾﾝ。春休みに入りわりとヒマなので久しぶりに投稿してみようと思います。

アンリツ製のマイクロ波信号発生器MG3692Bの修理に挑戦してみました。
ブローシャはこちら→ https://dl.cdn-anritsu.com/ja-jp/test-measurement/files/Brochures-Datasheets-Catalogs/Brochure/MG3690B_J2700.pdf

はじめは特にエラー表示もなく動作していましたが、しばらく通電していると「LOCK ERROR」という表示が出ました。マニュアルによると、100MHz VCXO(VC-OCXO 電圧制御可能な恒温槽付き水晶発振器)が10MHzのリファレンスにロックしていないときに出る表示とのこと。

VC-OCXOの不良だったら辛いな～と思いながらもとりあえず開腹して故障箇所の特定に入ります。

意外とスカスカで余裕のあるレイアウトですね。配線もキレイ。もしかしたら旧Wiltronの設計？面構えもWiltronブランドの信号発生器と同じ雰囲気です。

問題の"A3 Reference / Fine Loop"のボードは手前側のコネクタがたくさん出てるユニットです。

シールドケースから基板を取り出して目視で確認してみますが、特に怪しいところはありません。ケミコンは電源ラインのパスコンのみで、液漏れしているような痕跡は見つかりませんでした。「きっとPLLの積分器にケミコンが使われててそれを交換すれば直るだろう」と思っていましたが、この機種ではセラミックコンデンサが使われているようです。

こうなるともう各ポイントをオシロで突いて波形を見ないとどうしようもありません。しかし基板をシールドケースに入れたままでは大変... ということでエクステンションテーブルを自作して通電しながら調査を進めることに。

いろいろなポイントをつついているうちに、少しずつ回路が分かってきました。100MHz VC-OCXOを含むPLLは位相比較器にMCL製のSYPD-1を用いていて、位相比較器の出力は高周波を除去するLPFを通った後にアナログスイッチ（DG441DY）とオペアンプ（U15）で構成されたアクティブループフィルタに入力されます。そしてループフィルタの出力をオペアンプ（U59）でバッファした後にVCXOのコントロール端子を駆動しているようです。

ループフィルタ部分の回路を起こしてみました。アナログスイッチで抵抗とコンデンサを切り替えることで帯域を変更できるようになっています。実際にSetup Menuから切り替えてみると、きちんと切り替わっていますのでアナログスイッチは問題ない...多分。

問題の100MHz VC-OCXOのPLL部分の各部波形を貼っておきます。まずは位相比較器の後ろのLPFの出力を見てみます。上図の"Mixer_out"の点です。

10MHz REFと100MHz VC-OCXOの周波数の差が出てきてますね。続いてループフィルタの出力を見てみると...

なんだこれは...。

すごいことになってます。ループフィルタの出力がこんなんなので当然100MHz VC-OCXOのコントロール端子Vcの電圧は...

たまげたなぁ...。100MHz VC-OCXOの出力を広帯域受信機で聞いてみると、見事に周波数変調されてます。

さらに、ループフィルタのオペアンプの負極入力端子の波形を見てみると...

素直に絶句です。オペアンプの入力端子なのに1V？？？？？

VC-OCXOのコントロール端子をOPENにしてPLLをオープンループで動作させてみると

変な発振はなくなりましたが、やはりおかしい。なぜこんな動作になっているのか意味がわかりませんでした。

各素子の電源電圧、アナログスイッチの制御電圧、コンデンサや抵抗の故障、パターンの断線・ショートなどなど、思いつくことは全て確認しましたが全て正常なよう。こうなるとループフィルタのオペアンプが怪しいような気がしてきました。半導体の経年劣化なんて滅多に無いですし、なぜこんなおかしな動作をしているのかが分からないので確信は持てませんが、「疑わしきは罰する」の精神で当該オペアンプを交換することにしました。

LT1007が届くまで１週間くらいかかるみたいなので、大須でOP177を買ってきて載せてみました。が、しかし... 各部の波形は全く変わらず！

オペアンプ君は悪くありませんでした。やっぱり「疑わしきは罰せず」という原則は守るべきなんですね。

ここまでやったところで、ふとVC-OCXOの周波数を今一度確認してみようと思い、制御電圧を外部から与えてテストしてみました。

コールドスタートからの周波数の変化はこんな感じ。

右側の信号がSG(MG3681A)からの正確な100MHz、左がVC-OCXOの信号です。OCXOなのに温まるにつれ100MHzから離れていく...。

続いて、十分に温まった状態でVC-OCXOのコントロール端子電圧を0Vから10Vまで変化させてみました。

可変範囲はデータシート(http://www.mtronpti.com/resources/XO5080-Series.pdf?v=2013-06-18 XO5081タイプ)の通りですが、発振周波数が100MHzよりかなり低く、コントロール電圧で吸収できないほどズレてます。つまりPLLのフィードバックで吸収できる範囲を大きく外れているために制御不能に陥ってしまったと...。

低い方にズレているということは、水晶振動子の真空が破れて分子との摩擦が大きくなり振動数が下がったのでしょうか。ググってみたら、気圧と振動数の関係について書かれた資料が見つかりました。

• 気体中の水晶振動子のインピーダンスと周波数の圧力依存性の比較
  黒河 明・北條 久男・小林 太吉https://www.jstage.jst.go.jp/article/jvsj2/54/3/54_3_196/_pdf

やはり圧力が上がると低い方に偏移すると。なるほど、VC-OCXOの故障とみて間違い無さそうです。冒頭でも書きましたが、最も壊れてほしくないパーツです（なんせ高い）。PTI社製のオシレータは米軍の軍用機器にも採用された実績があるらしく高い信頼性を持つはずなんですが、壊れるときは壊れるんですね。

この測定器はスタンバイ状態でもオーブンには常時通電される設計になってますが、前の持ち主は元電源のオンオフを繰り返したんでしょうか。何度も温まったり冷えたりを繰り返しているうちに水晶振動子の封止に亀裂が入ったと考えられます。それとも放出するときは完動品で、撤去やらなんやらで振動が加わって壊れたとか？

まあとにかく、故障部品が特定できたのであとは交換です。中古で使えそうなVC-OCXOを探して筐体内の空いてるスペースに設置しようかと考えましたが、もともと装着されていたものと同等以上の位相雑音特性のものとなると中古でもそれなりにいいお値段のようです。少し足せば新品でしかもピンコンパチのVC-OCXOが買えます。

→https://www.digikey.jp/product-detail/ja/abracon-llc/AOCJY3B-100.000MHZ-E-SW/535-10685-ND/2441451

どうするか迷いましたが、結局上記の新品のVC-OCXOを買うことにしました。

はるばるアメリカからやって来たVC-OCXO君。早速実装します。

ピッタリ。で、通電して10MHz REF OUT(100MHz OCXOの10分周出力)と10MHz REF INの波形を同時に観測してみると...

やりました！PLLロックしてます！！！！！！！！！

静止画では分かりづらいですが、Persistence表示なので過去の波形も表示されています。もし２つの信号の周波数がズレているとこんな感じの表示になります

セルフテストも全てパスします！やった～(^o^)

というわけで、修理完了です！修理にかかった費用はおよそ2万円。。。

MG3692Bが加わったことで、低周波ファンクションジェネレータオプション付きのシグナルジェネレータMG3681Aと合わせて0Hz～20GHzまでの信号が得られる環境が整いました。まあマイクロ波帯の工作はしない（そんな技術力は無い...）ので宝の持ち腐れになる予感がしますが...。

ドライフィルムを用いた感光基板の自作

最近は中国の基板メーカーが安くプリント基板を作ってくれますし、CNCが比較的一般的になってきた昨今では、エッチングして基板を作る人は以前に比べると少なくなったのではないかと思います。さらに日本の場合サンハヤトが感光基板を販売していますので、なかなか自分で感光基板から自作するという人は少ないでしょう。しかし外注すると届くまで何日もかかりますし、市販の感光基板は価格も高くコスト面でもちょっと難があります。そこで、安く入手可能な生基板で感光基板を自作し、それを用いてプリント基板を作ることに挑戦してみました。

生基板を用いたプリント基板の自作というと日本ではトナー転写が広く知られた手法ですが、今回は海外のMakerの間でよく使われているドライフィルムを試してみました。ドライフィルムとはフォトレジストの一種で、フィルム状のレジストが保護シートで挟まれた構造になっており、レジスト部分を生基板に貼り付けて露光すると、ネガ型の場合は紫外線が照射された部分が硬化してエッチング時にパターン部分を保護するというものです。一般的に、基板工場ではこれを使ってプリント基板を作ってます。液状のレジストも市販されてますが、これは均一に塗布するのが至難の業らしくあまりオススメしません。
また、市販の感光基板の場合一発勝負ですが、ドライフィルムを使う場合はエッチング以前の工程であれば何度でもやり直せるというのも大きなメリットです。


では実際に基板を作ってみましょう。
ドライフィルムによる感光基板の自作に必要なものは以下の通りです。

・ドライフィルム

　デュポン社のFX515というフィルムをeBayで買いました。"Dry Film"や"Photo resist"と検索すれば他にもいろいろ見つかります。FX515は後述のように粘着力が強すぎな感があるのでやめたほうがいいかもしれません。eBayやAliexpressで売っている格安フィルムが良さそうです。

・炭酸ナトリウム

　露光後の現像に使います。上記のドライフィルムに付属してましたが、簡単に入手可能なので買ってもいいでしょう。（ビニールの小袋に入れるとヤバイ粉みたいになってしまいますね...。）

・生基板

　ヤフオクで安く入手した生基板を使いました。

・OHPシート

　パターンを印刷して露光時の転写シートを作ります。

・インクジェットプリンター

　上の写真には写ってないですが、OHPシートにパターンを印刷するためにプリンターも必要です。

・ラミネーター

　ドライフィルムを基板に貼り付けます。アイリスオーヤマのLTA42Eという機種を使いました。後部のトレーを取り外す必要がありますが、底部のネジ6本を緩めて開腹するだけで取り外せました。

・露光機

　その名の通りです。これを機に露光機を自作しました。

・塩化第二鉄液

　エッチングに使います。

・パイプユニッシュ

　水酸化ナトリウム溶液もしくは水酸化カルシウム溶液により硬化したフィルムを除去しますが、なかなか入手が難しいので、今回は市販のパイプ洗浄剤を使いました。

必要な物が揃ったら、早速感光基板を作ってみましょう。

1.OHPシートにパターンを印刷する

ドライレジストは紫外線が当たったところが硬化するので、転写シートはネガで印刷します。今回はkicadを使いました。Pcbnewでの製造ファイル出力の際に「ネガ出力」の欄にチェックを入れてSVGファイルで出力します。

こんな感じです。

印刷はCanonのMG3700というインクジェットプリンターを使いました。なるべくインクが濃い方がいいので、濃度を最大にし印刷品質も最高にして印刷しました。デフォルトの設定と比べると全く濃さが違います。

こんな感じです。

2．生基板を準備する

新品の生基板であれば磨かずに使ったほうがシートが粘着しづらいのでやり易いです。ひどく酸化していたり汚れていたりする場合はスチールウールなどでよく磨いてください。

3．ドライフィルムを基板に貼り付ける

この工程が一番難しいと思います。使うフィルムによりますが、FX515は感度が高いので部屋を薄暗くして作業した方がいいと思います。

シワを防ぐため、基板と同じかそれよりも一回り小さくドライフィルムを切ります。その後フィルム片面の保護シートを剥がしますが、セロテープやマスキングテープをフィルムの角の両面に貼り付け、保護シートと一緒に剥がすと簡単です。

（うーん見づらい...）

保護シートを剥がしたら、フィルム面を基板にそーっと置き、一辺の数mmをトントンと叩いて軽く貼り付けます。その一辺から少しずつ空気を抜きながら貼り付けます。薄っすらと空気が残っていてもいけません。丁寧に追い出しながら貼り付けてください。ただし、あまり強くこするとシワになりますので注意してください。イメージとしては、スマホの保護フィルムを貼る時の感覚です。

次に基板をラミネーターで熱してフィルムを接着しますが、LTA42Eの場合は温度設定を最も低いAに設定したところ一番うまく行きました。フィルムの種類やラミネーターによって異なると思いますので、ここは試行錯誤してください。貼り付けに失敗しても炭酸ナトリウム溶液で除去可能です。

基板は熱容量が大きいので1回通しただけでは加熱不足ですので、数回通します。

これで感光基板は完成です。

4．パターンを転写する

ここからは普通の感光基板を使う場合とほぼ同じです。転写シートと基板をよく密着させ、紫外線ライトで露光します。インク面が基板側（銅箔）になるようにしてください。

今回用いたFX515はかなり高感度なのか、10W型ケミカルランプ2本、管と基板との距離が約4cmで40秒くらいがちょうどいい感じでした。ここも各自試行錯誤してください。やり直すときは水酸化ナトリウム水溶液（パイプハイター）をかけてフィルムを剥がします。

露光が完了すると上の写真のようになります。

5．現像

次に現像ですが、保護フィルムを剥がし、炭酸ナトリウム溶液に浸して硬化していない部分を除去（現像）します。柔らかいブラシなどでこすると良いと思います。

こんな感じです。現像が終わったらマジックペンなどでパターンを修正します。

6．エッチング

これを塩化第二鉄液に浸しエッチングすればプリント基板の完成です。エッチングに関しては先人の方々が色々と公開されてますのでそちらを参照してください。

7．フィルムを除去する

水酸化ナトリウム水溶液（パイプユニッシュ）をかけて硬化したフィルムを除去すればプリント基板の完成です。なるべく直接触れないように気をつけてください。皮膚が溶けます。

今回はフィルムの貼り付けが下手だったせいでパターン切れやブリッジが生じてますが、もっと丁寧にやれば線幅0.2mm線間0.3mmくらいはいけそうです。

同じ手法で作った基板の写真を載せておきます。

ちなみに上の写真はリニアアンプの基板で、こんな感じになりました。

---

フィルムの貼り付けがなかなか難儀でいろいろと試行錯誤を要しましたが、海外の先人の例をみると、フィルムの一辺を軽く接着しただけでラミネーターに通していますし、FX515よりもっと粘着性の低いフィルムを使えばラミネーターに通す前に全体を貼り付ける工程は飛ばせるかもしれません。

今回の工程がベストとは思っておりませんので、ぜひ多くの方に試していただいて、工程の改善が進めばと思います。

デジタル百葉箱を作りました

大須で電子部品を物色していると話題のWi-FiモジュールESP-WROOM-02が売られているのを見つけたのでとりあえず買ってみました。何を作るかは買ってから考えるスタイルです。いろいろと考えてみましたが、クラウド連携させた何かが作りたいなぁということで、気象データをクラウド上に投げ、さらに自動でTwitterに測定値をポストするデジタル百葉箱を作ることにしました。

まず、完成したデジタル百葉箱の写真です。

パゴダは鉢皿で作りました。上から二段目にファンを取り付け、低速で回すことで下から上にゆるやかに換気するようにしています。

また、センサー類は最下段に取り付けました。LPC1114FN28やESP-WROOM-02が実装されている基板の下にあるのがセンサーです。

センサーは、温度測定にはADT7410、気圧測定にはLPS25Hを使いました。ただ、LPS25Hは誤差がひどいのである程度の期間データを取得して、気象庁のデータと比較して補正しました。補正項は温度のみの二次式として表しましたが、わりと上手く補正できているように思います。
これをベランダに設置します。直射日光が当たらず風通しの良さそうな所を探した結果、エアコンの室外機の下に取り付けることにしました。

インターネットを通じてThingspeak.comに投げた測定データはこのようにグラフ化できます。https://thingspeak.com/channels/97805

さらに、朝昼晩の一日三回、リアルタイムの測定値をTwitterにポストするようにしました。RTCはNICTのNTPサービスを利用して一日一回較正しているので、標準時との誤差は数秒程度に収まっています。

自宅が大学のすぐ近くなので、「大学付近の気温と気圧」と銘打ってます(^_^;) https://twitter.com/NU_Weather

まぁ天気予報をするわけでもないので、特に役に立つアカウントではないですが。

以上のように完全に自己満足な作品が出来上がったわけですが、半ば衝動買いしたESP-WROOM-02やLPC1114FN28を死蔵することなくちょっとしたIoTに利用できたので良かったです。IoT、楽しいですね(^o^)

AD9857 IQ DDS Modulator

先日、TT@北海道さんからAD9857を使ったIQ変調発振器のキットを配布していただきました。

AD9857というDDS ICは、入力された数MHzのデジタルIQ信号を内部でDACのクロック周波数（数百MHz）までオーバーサンプリングし、DACでアナログ信号に変換し出力するというものです。”DDS ICの内部で”というのが肝で、数百MHzのデータレートのIQ信号を外部で生成することは簡単なことではないため、今までは数MHzのIQ信号をDACでアナログ信号に変換し、それをアナログミキサで目的周波数まで持ち上げるという手法が取られてきましたが、このようなICを用いるとある程度の周波数の変調信号を入力すれば、目的の高い周波数の変調波を一発で出力することが可能になります。また、DACは14bitの解像度を持ちますので、C/Nの良いクロック源を用いれば高い純度の波を出力できます。以下はAD9857のブロック図です。

上位のチップにAD9957という1GHz動作が可能なものもあり、そちらはTRX-305に採用されたこともありわりと有名なようです。RFワールド誌やトラ技で解説されてます。

TTさんに配布していただいたキットは、Cortex-M4ベースのMCUを用いたマイコンボードNucleo F401で数MHzのIQ信号を生成し、それをAD9857に渡すというものです。オーディオDAC/ADCも実装されていますので、マイクを接続して変調波を出すことも可能です。詳しくはTTさんのブログを御覧ください。
http://ttrftech.tumblr.com/

早速組み立てて、まずはAM変調を試してみることにしました。AM変調の理論は至って簡単です。まず、搬送波と信号波をそれぞれ$v_c$、$v_s$とすると、それらは

$v_c=A_csin(\omega_c t + \theta_c)$

$v_s=A_ssin(\omega_s t + \theta_s)$

と表されます。AM変調は日本語で言うと振幅変調ですが、その名の通り搬送波$v_c$の振幅$A_c$に信号波$v_s$を加算し、変調波の振幅とします。すなわち、変調波を$v_{cm}$とすると

$v_{cm}=(A_c+ v_s)sin(\omega_c t + \theta_c)$

となります。これがAM変調波です。早速IQ DDSボードに上記の処理をさせて$v_{cm}$を生成しオシロスコープで観測してみましょう。

綺麗に100%変調されていますね。ちなみに搬送波は1MHz、信号波は1kHzとしています。
AMだけでなくナロー/ワイドFM、SSB、DSB、擬似雑音などが出力可能で、その他にもNucleoのコードを変更すればあらゆる変調方式に対応できます。
さらに、なんとステレオFM変調まで！下は実際に試してみた動画です。動画ではモノラルラジオで受信していますが、実際にステレオチューナーで受信したところ綺麗にステレオになってました。


さて、次は出力信号の評価ですが、あいにくスペアナを所有しておりません。SSBの逆サイドやキャリアのサプレッションを評価したいところですが...。オシロのFFTは微妙です。AF域の信号を出力してオーディオIFでパソコンに取り込みFFTソフトでスペクトラムを見るという手もありますが、DDSボードの出力にはRFトランスが入ってますので、そのような低い周波数には対応しておりません。
ということで、SL6440Cでダウンコンバートしてパソコンに取り込むことにしました。うまくいく気はしませんでしたが、SL6440CやLM6365を使ってみたいということもありましたので...。

こんな感じです。SL6440Cで周波数変換し、高速オペアンプのLM6365で少し増幅して出力するという構成です。LM6365は秋月の変換基板に乗せましたが、今回はなんとか発振せずに動いてくれました。

これとDDSボードを接続、LOはSGで生成します。1kHzの正弦波をDDSに入力しAM変調して10MHzで出力、9.9985MHzのLOと混合した信号をオーディオFFTで見たところです。

下の画像はオーディオ入力がない状態でのAM波です。

うーん、それらしい表示ではありますが、やはり微妙...。きちんとしたスペアナでないと評価するのは難しいですね。

キャリアサプレッションだけでも測定しようということで、無線機に入力してSメータを読み、SGにつなぎ替えてSメータが同じ振れになるように調整して値を読み取る方法で測定してみました。まず、単なるDDSとしてシングルトーンを出力した時は-16dBmでした。

48kHzサンプリング、FIRの係数が127タップのコードの場合キャリア漏れは-103dBmなので、サプレッションは87dB

8kHzサンプリング、FIRの係数が239タップのコードの場合キャリア漏れは-80dBmなので、サプレッションは64dB

8kHz 239タップのほうが悪いですが、DC分が残っているのでしょうか...。しかし逆サイド漏れについては、実際に音声を入力して聞いてみたところ48kHz 127タップの場合は低音域の漏れがわりとありましたが、8kHz 239タップの場合は逆サイドサプレッションは良好でした。

また、このDDSキットを試していて気づいた点ですが、AD9857の動作モードを変えると盛大にノイズが出力される不具合がありました。例えば、IQモードからシングルトーンモードに変更し、またIQモードに戻した時などです。こうなってしまうと一旦リセットしないと直りません。IQデータがうまく転送できていないのかなと思いNucleoのコードを見てみましたが、改善には至りませんでした...。

以上のように、AD9857とNucleoを用いたIQ変調実験をしてきましたが、アナログのように不確定な要素がなく、プログラムであらゆる変調方式が実現可能ということの素晴らしさを実感することができました。直交変調に関する知識はまだまだですが、このボードを使っていろいろと実験しながら勉強したいと思います。FPGAを用いることなく安価なマイコンボードで手軽にIQ変調の実験ができるという画期的で素晴らしいボードを配布していただいたTTさんに感謝です。

ブログ始めました

はじめまして、JR2WJMと申します。ブログを始めてみました。アマチュア無線や電子工作関連の記事をメインに書くつもりです。投稿頻度は低いと思いますがよろしくお願いします。