nobuの雑記帳「+バイアスを少し」

近頃なぜか真空管や電子工作に興味を持ちだし、日常生活に少しの刺激と楽しみをプラスしようと、凝り固まった頭の体操も兼ねてこの雑記帳を綴ることにしました。
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今さらのFRMS製作(完成)

 トラブル対策に気力を使い果たし、製作が停滞していた「今さらのFRMS」ですが、気を取り直して試験・調整へと先に進むことにしました。しかし少々気が重いです。
 こんなことならCYTECの推奨基板で作っておけば良かったかもしれません。四苦八苦しましたが、何とか完成までこぎ着けました。
 不満が残る完成状態ですがご紹介します。

FRMS完成 パネルアップ


1.作動確認
 (1) PCからコントロール
   PCソフトから周波数範囲の設定、計測/停止等の一連の操作は問題なく、設定した周波数が出力されていることをオシロで確認しました。

 (2) ノイズフロアの確認
   FRMSとしての適切なノイズフロアは-70dB以下とのこと。
   入力BNCコネクタをオープンにして確認すると、何と-60数dBしかありません。やはり簡単にはいきません。他の確認は後回しにしてノイズフロアの改善に注力します。


2.ノイズフロア改善
 (1) 原因
   ノイズフロア悪化の原因は次の点が考えられます。特効薬はなさそうなので一つずつチェックと対策をすることにします。
  ① 入出力の結合:入出力ラインが共通インピーダンスを持ち結合
  ② 入力ラインへのノイズ混入:フェライトコアによるノイズ除去が不十分
  ③ DDSユニットからの放射ノイズがLOGアンプ部に結合
  ④ DDSコントロールラインからのノイズ混入
  ⑤ USBバスパワーからのノイズ混入
  ⑥ 基板のグランドラインの共通インピーダンスによる結合

 (2) チェックと対策
  ① 入出力BNCコネクタは絶縁型を使用して出力側のみ1点でシャーシアースしてるので、パネル部による共通インピーダンスは無いはずです。シャーシーアースを撤去したりアースポイントを変更して変化を見たところ、入力コネクタ側に変更することでノイズの減少が確認できました。
  ② 入力と出力の同軸を極力短くし、フェライトコアを2個に増やすことで改善されました。
  ③ DDSユニットをケース外に出したり銅板シールドで覆ったりしましたが、放射ノイズは特に影響ないようです。
  ④ DDSコントロールラインを動かしたりフェライトコアを増やしたりしましたが、ノイズの影響はないようです。
  ⑤ USBバスパワーの代わりに外部電源でDC5Vを供給すると、若干ですがノイズ低減が認められたので、電源ラインにノイズ対策を追加しました。(コモンモードフィルターを基板裏面に追加)
  ⑥ これが一番厄介です。オーディオ回路であればグランドループが生じないように気を付けますが、RF回路ではグランドの最短化にも気を付ける必要がありケースバイケースで工夫が必要です。
   根本的な解決にはならないのですが、LOGアンプ部とDDS部のグランドをRF的に分離すべく、インダクタを介してグランドに落しました。

FRMS完成 LOG AMP&PICアップ  FRMS完成 外観


3.特性確認
 (1) ノイズフロア
   以上の対策を行って、何とか-75dB程度となりました。
   一番の原因は自己流にユニバーサル基板に組んだことだと言うことはわかっていますが、やはりRF回路は厄介です。

0-30MHz Noise Floor

 (2) スルー特性
   今回はDDS出力を30MHzまで欲張りましたが、入出力を直結(ループバック)で自身の周波数特性を見てみました。

0-30MHz RF Mode_Throu  0-30MHz AF Mode_Throu

   RFモードのグラフでは、20MHz過ぎた辺りから徐々にレベルが落ち始め、30MHzでは20dB近く低下しています。低い方は2MHz辺りから大きく低下しています。なお、10MHz以下でピーク値(15MHz)から2dB程ステップ状に落ちていますが、原因が思いつきません。
   AFモードでは高い領域も低い領域も共に落ち込みが大きいようですが、高い方は不要なので関係ありません。低い方はスイープ時間を8秒程度にするとしっかりと延びていきます。

 (3) RFとAFの切替え
   1kHz以下の低周波領域を見てみます。スイープ時間は8秒としました。
   RFモードのスルー特性は1kHz以下でグラフが大きく波打っており、実質計測不可能な状態です。ノーマライズをしても一直線にはなりません。

0-1kHz RF Mode  0-1kHz RF Mode_Norm

   AFモードに切り替えると計測値の変動がLPFでスムージングされ、安定したグラフが得られます。ノーマライズすると殆ど一直線となりました。およそ100Hz程度までは何とか使えそうです。

0-1kHz AF Mode  0-1kHz AF Mode_Norm


4.感想
  取りあえずは完成しましたが、今一納得できていません。
  ノイズフロアはもう少し下げたいし、スルー特性の直線性もちょっと気になります。
  
  FRMSは多くの方が製作されており、無線を趣味にされてる方には非常に便利なツールとなっているようです。無線をやらない私でも色々と使う場面がありそうで、使えるものを1台は手元に欲しいと思います。
  気力があれば、その内に全面変更して作り直そうと考えています。
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