この頁の人目の訪問者です

     高精度10MHz発振器に挑戦
     ルビジウム発振とTVサブキャリアを利用した10MHz発振器

                                                      JAφPX 斉藤義明

第一部  『ルビジウム10MHz発振器を試す』

T はじめに

 一般にアマチュア無線の世界では,水晶発振器は安定度が高いと考えられているが,普通のリグの基準発振器の周波数は室温の変化や内部温度の上昇で数十Hzは変動する.そこで,高安定発振器がオプションで売られている.これも恒温槽に入っていないので一桁程度安定度が上がるくらいであろう.プロ局用の恒温槽入りの発振回路で安定度は10の−8乗から良いもので−9乗位と言われているが,−8乗のものは恒温槽の僅かな温度変化に伴い周波数も上下する.−9乗のものは高価でありアマチュア用にはあまり使われていないであろう.

 一方,テレビ局等では第一種基準発振器としてセシウム発振器が使われており,これは10の−12乗の精度と安定度がある.価格は数百万円はするようである.第二種基準発振器としてルビジウム発振器が使われており,これは10の−11乗の精度と安定度がある.この値段は百万円位と言われていたが,最近ではかなり安くなり,富士通からサンプル価格で30万円と言うものが売られている.これは素晴らしい.宝くじでも当ったら買いたいと思っていた.なんとなく「CQ誌」をめくっていたら広告ページの「()B.M」の所にルビジウム発振器が載っている.電源のついたケース入りが19.5万円,本体(新品)のみ14万円,本体(中古)が7.5万円となっている.早速電話して聞いてみた.「新品も中古も性能に変りは無い.HP(ヒューレットパッカード)のルビジウム・カウンタで測定すると,電源を入れて1時間後で11,000Hzの誤差,その後1/10,000Hzの表示差となる.24V,1〜2Aの電源が必要.時間が経つと電流は半分になる.製品は何個も有ります.」との答えが返って来た.これが本当なら,なかなかの性能である.無銭家には7.5万円は高いが,海外旅行を一度我慢すれば手の届かないものでもない.ただ,精度をどうやって確認するかである.11,000Hzは無理にしても1/100Hzはそんなにお金を掛けなくてもチェック出来そうである.

 ところで,アマチュア無線では,CWでもSSBでも1Hzの精度が確保されていれば十分過ぎるほどで,0.01Hzの精度を確保する意味が分らないとおっしゃる方も居られる.たしかに,実際に通信する事だけを考えたらその通りかも知れない.しかし,アマチュア・スピリットを持つ者としては,予算を含めて可能な範囲で究極を求める事も大切と考える.全てメーカ任せでは無くて,メーカ並みの技術や測定装置を持ち,メーカ製品を評価すれば,やがて更に改良された製品が提供されて来るようになると考える.常に,向上心を持ち続けたい.

U ルビジウム発振器の概要

 送られて来たルビジウム発振器はEGG社製の「RUBIDIUM FREQUENCY STANDARD」でMODEL RFS-10-102と書かれてある.10×10×12.3cmの大きさ(除くコネクタ部)で,コネクタは電源用と10MHz出力用の2個だけである.中古と言ってもきれいで,89年1月製造となっている.ルビジウムの設計寿命は20年と言われ,あと7年は使えそうである.早速,電源をつないで入れてみる.使用するカウンタはプロ局用の水晶制御のものであるから大まかなチェックしか出来ない.カウンタを1時間予熱してから測定を始めた.ルビジウムの周波数は約68GHzであるから,それを10MHzにするためにPLLを使っているようで,最初カウンターの表示(1KHz以下)がふらついていたが,約2分半後に表示が安定した.0.1Hzの桁まで表示させてみたが安定している.販売店の広告には約10分後に安定動作になると書いてある.実際,10分後に0.01Hzの桁まで表示させてみたが安定していた.電流は最初1Aであったが,約5分後に0.6Aとなり,もっと時間が経つと0.4Aまで下がった.恒温槽になっているようで1時間経ってもケースは暖かい位の温度である.10MHz出力電圧は(無負荷時)2Vp‐pの正弦波である.なお,電源としては整流後4,700μF×3を入れ,24Vに安定化したものを使ってみた.

V 精度や安定度の確認

 セシウムやルビジウム発振を用いたカウンタが無ければ本来の性能を確認する事が出来ない.しかし,販売店の言う事を信用しているだけでは能が無い.何とか1/100Hz位までは確認したい.

 カラーTVのサブキャリアにロックさせて10MHzを取り出す方式では10の−10乗の精度が得られると言われている.これを利用して,1/10分周してカウンタの基準周波数とすれば9桁表示のカウンタでは10秒間の測定で0.1Hzが正確に表示される.更に,この1MHzを1/10してカウンタに注入してやれば100秒間の測定で0.01Hzが正確に表示される事になる.

 以前,鰹H月電子通商(以下,秋月と略す)から「10MHz標準発振器」なるキットが販売されていたが,現在ではIC入荷難のため販売中止となって入る.大変残念な事である.そこで,構成は同じであるが,別の部品を使って自作することにした.カラーTVのサブキャリアを取り出すにうって付けの完成基板「RGBコンバータU」(2,700円)が秋月から販売されている.この基板の水晶発振子のIC側端子から信号を取り出すと連続した3,579.545KHzが得られる.

詳しくは,下記の第二部「TVカラーサブキャリアにロックした10MHz発振器」を参照されたい。

 この10MHzの信号を74HC90で1/10してduty0.5の1MHzとし,更に,1/10してduty0.5の100KHzとしたものをカウンタの外部基準入力端子に加える.普通の場合,TTLレベルの5Vを加えれば十分動作する.

W ルビジウム10MHz発振器の性能

 基準発振器の準備が済んだら1MHzをカウンタ外部基準入力端子に加え,測定を開始する.カウンタの測定端子にルビジウム10MHz発振器からの信号を入力する.

@ 先ず測定時間を1秒とし10,000,000Hzが表示される事を確認する.安定に表示が続く事を確認する.

A 測定時間を10秒とし10,000,000.0Hzが表示される事を確認する.8桁表示のカウンタではオーバーフロー表示が出て最上桁が無くなるが,それで良い.ここでも表示が安定に続く事を確認する.

B 今度は100KHzをカウンタの外部基準入力端子に加え,測定時間を100秒とし0,000,000.00Hzが表示される事を確認する.(実際には00,000,000.0Hzと表示される.)この表示が安定していれば0.01Hz以下の誤差と判断出来る.試しに,TV信号を切ってみると,表示はでたらめになる.またTV信号を入れると元の正確な表示になる.これで間違った測定をしていない事が分る.

 実際,私が入手したルビジウム10MHz発振器はこの様に安定した表示が続いた.これ以上良い性能と思われるが,現在のところこれ以上の正確さを確かめる手段が無い.販売店の言う1/10000Hzが本当なのかも知れない.

 たまに,表示が上述と異なる場合がある.これは,自作した基準信号の方に原因が有る.先ず,TV画面が切替わる時に起こる事がある.次に,雷等で画面にノイズが入る場合,或いは近くの電気・電子機器の電源のon, offによるノイズがあげられる.製作上の注意としては,ICの使っていない入力端子は誤動作防止のために必ずアースする.各基板の電源入力端子は必ずバイパスコンデンサを入れる.これは自作の回路から出る信号がTVやハムバンドへ雑音として混入するのを防止する効果がある.これ以外に深刻なのは,自作回路のICとソケットの間の接触不良によるノイズの発生である.IC自身も作られてから20年以上経過しており,端子が酸化物で覆われ絶縁不良になっている事が考えられる.測定時間が10秒の時には問題無く表示されるのに,100秒になると問題が出る場合は接触不良を疑ってみる必要がある.配線技術に自信の有る人はソケットを使わない方が安定する.

 以上のような理由から,測定時間を1000秒にして1/1,000Hzの誤差の確認をする事は難しいと考えられる.16.7分間全く妨害が入らない事は考え難い.更に,カウンタが10KHzの外部基準入力を受付にない可能性もある.

注意:ディジタル測定の原理からして,最下位の数値が“1”ぶれる事がある.即ち,“0”であるべき最下位の桁が“0”と表示されたり,“1”と表示されたりする事がある.この場合は誤差が“1”有るわけではない.この事を確かめてみる.測定時間を0.1秒として表示を見ると最下位の10Hzの桁がたまに“1”と表示される.しかし,測定時間を1秒として表示を見ると10Hzの桁はいつも“0”であり,最下位の1Hzの桁がたまに“1”と表示される.更に,測定時間を10秒として表示を見ると1Hzの桁はいつも“0”であり,最下位の0.Hzの桁がたまに“1”と表示される.測定時間を10秒とした場合も最下位の0.01Hzの桁がたまに“1”と表示されるのであればその桁には誤差が無いと考えられる.上の記述の中で「安定して」と表現したのはこの様な状態を指している.上に述べた実験結果は正にこの状態であった.

X むすび

 やっと念願のルビジウム10MHz発振器を手に入れた.高価なだけに,もし性能が悪かったらどうしようと悩んでいたが,実際に動作させて見ると精度・安定度共に充分な性能であり,満足している.カラーTVのサブキャリアにロックさせた10MHz発振器は外乱のため1時間に少なくとも2〜3回は周波数がふらつくが,ルビジウム10MHz発振器の場合はこの様なふらつく事は起こらないので安心して,「DDS VFO」の基準発振器として使う事が出来る.

 測定器メーカがバスに各種の測定器を積んで巡回してくる事が有る.そんな時,この「RUBIDIUM FREQUENCY STANDARD」を測定してもらおうかと考えている.

 この記事は,ルビジウム10MHz発振器に興味がある人の参考になるように書いたものであって,決してその性能をPRしたり,購入を勧めるものではない.たまたま私が手に入れたものが良い性能のものであったのかも知れないし,全部良い性能のものなのかも知れない.販売店に電話すると親切に質問に対応してくれる.製品は性能をチェックしてから送ってくれるとの事であった.自己の責任において判断して頂きたい.



第二部  TVカラーサブキャリアにロックした10MHz発振器

1.              はじめに

 短波帯のJJYが廃止され,周波数の較正を行うには外国の標準電波のお世話にならざるを得ない状態となった.この外国の標準電波は何時でも聞こえる訳ではなく,安定した状態も長くは無いため不便を感じている.40KHzJJYは受信できてもゼロビート法で合わせたのでは精度が出ない.

 以前,鰹H月電子通商(以下,秋月と略す)から10MHz標準発振器のキットが販売されていたが,残念な事に部品の入荷困難から発売中止となった.回路構成は大変巧く成されているので,何とかこの構成を再現できないかと考えてみた.幸い同じ秋月からRGBコンバータU(完成品)という基板が売られている.この基板からカラーサブキャリアの周波数3,579.545KHzを連続波として取り出せれば,PLL(Phase Locked Loop)を構成し10MHzを取り出す事が出来る.

 TVカラーサブキャリアはテレビ局で高精度のセシューム発振器から作り出しているので正確であり,総務省の電波研究所では在京の6局の精度を測定しいてネットで公表している.10の−12乗の精度であり,おおざっぱに言えば12桁の数字が信用できる事になる.これに位相ロックをかけた発振器はおおよそ10桁の数字(作り方にもよるが)が信用できると言われている.即ち,10,000,000.00Hzまで信用できる事になり,0.01Hzも信用できる事になる.この発振器が出来れば外国の標準電波を使わなくとも常時安定して機器の較正が可能となる.地方でも,キー局の中継を行っているNHK教育や民放のU波局等では精度が保たれているので利用できる.(ただ,地方局製作の番組を流している時間帯は精度が落ちる事がある.)

2.              ブロック図と働き

 全体のブロック図を図1に示す.(左をクリック) TVアンテナからの信号はチューナに入り,チャンネル選択により4.5MHz台の映像信号に変換された後,RGBコンバータに入る.RGBコンバータの水晶振動子の端子には連続した3,579.545KHzが出ているので,この回路に悪影響を与えないようにバッファ回路で受け,その後1/7および1/9の分周回路で分周し56.818KHzとし,位相比較回路に加える.一方,10MHz発振回路は外部電圧で僅か周波数が変化する構成とし,この出力を1/16および1/11分周回路で分周すると56.818KHzになり,これも位相比較回路の他の入力端子に加える.位相比較回路では,この二つの信号が比較され“0V”または“5V”が出力され,一次遅れフィルタで平滑化された後,10MHz発振回路の制御端子に加えられる.

 10MHz発振回路の周波数が少し低い場合は位相比較器から“5V”が出され,可変容量を小さくし10MHz発振回路の周波数を高くする.逆に10MHz発振回路の周波数が少し高い場合は位相比較器から“0V”が出され,可変容量を大きくし10MHz発振回路の周波数を低くする.この様にして常に正確な10MHzとなるように制御ループが働く.

 ロックがかかると二つの56.818KHzの信号は完全に一致し,10MHz発振出力は10桁の精度で正確な周波数となる.

 なお,TVチューナの代わりに,ビデオレコーダ等の映像出力を利用する事ができる.

3.              回路図と動作説明

 実際の発振回路図を図2に示す.(左をクリック) 先ず,ICソケットを用いて配線し,配線が終わったら1個づつICをさして動作を確認して行く様にする.RGBコンバータUのメインのICM52042)の23番ピンにリード線の柔らかい100〜330pFのコンデンサーを半田付けする.ICを壊さないように手短に半田付けする.このプロジェクトで使う半田ゴテはICを壊さないようにセラミックヒータのものを使う.コンデンサーの他端子をFETで受けIC4の波形整形回路でパルス信号にする.この時,FETのソース抵抗を調整し,ドレーン電圧が2.5Vとなるようにする.パルスになった信号をIC5で1/7分周と1/9分周する.ダイオードの接続位置によって分周比率が決まるので接続を間違えない様にする.6番および10番端子は遊ばせておく.9番端子から位相比較器IC38番端子に接続する.(前述の秋月の10MHz標準発振器キットに添付されていた回路図ではここが間違っていると思われるので注意を要する.)

 10MHz発振回路はシュアスタートと言われる回路で,ゲート3段で構成される.普通IC回路の水晶発振ではゲート2段で構成するのが常であるが,2段の回路では周波数調整が巧く行かず,てこずる事になる.このシュアスタート回路はその名の通り発振能力が高いので,水晶振動子の定数や使うICによっては回路定数を変更する必要がる.もし,発振周波数が13MHz位の高い周波数になった場合には*印のついている20pF,30pFおよび1.2KΩのフィードバック抵抗の値を少しづつ大きくしてやる.逆に,8MHzくらいの低い周波数になる場合はこれらの素子の値を小さくしてやる.10pF単位,200Ω単位で変えれば充分と思う.この回路のコンデンサーは周波数安定度に大きく影響するため必ずマイカを用い,セラミックは絶対使わないこと.この出力を1/16分周と1/11分周回路を通して出力は9番端子から取り出す.(秋月の回路図ではここも間違っていると思われる.)これを位相比較IC3の7番端子に加える.回路が不安定の場合は,各ICの電源端子の所で取り扱う周波数に見合ったパスコンを追加すると良い.

 位相比較IC3TC5081)の3番端子からの出力は1次遅れフィルタを通り,可変容量素子に加えられる.

この素子は一般的にはバラクタダイオードを用いるのであるが,手持ちに無い場合にはトランジスタのベース・コレクタ間容量を利用出来る.2SCタイプの高周波用であれば使える.

4.              動作確認と調整

 配線が終ったならば,配線ミスが無いか確認をしっかり行う.問題が無ければ1個づつICを挿入して動作確認を行う.調整には正確でなくともよいが周波数カウンタがあると便利である.オシロスコープでも周波数を読めれば使える.受信機だけでもなんとかなると思うが,完全とは行かないかも知れない.

 先ず,ICを全て入れない状態で電源だけを入れ,Tr1のドレーン電圧をテスター(直流)で計り約2.5Vとなるようにソース抵抗を調整する.2.5Vより高い場合はソース抵抗を小さくし,2.5Vより低い場合はソース抵抗を大きくする.次に,RGBコンバータUをつなぎ,カウンタをドレーンにあて,3,579.545KHzが検出できることを確かめる.OKであれば,IC474HC00)を挿入し,14番端子にカウンタをあて,3,579.545KHzが検出できることを確かめる.もしダメなら1番端子の電圧が約2.5Vになっているか否かを確認する.OKならIC5(74HC393)をさし,5番端子に511.363KHzが出ていることを確認する.更に,9番端子に56.818KHzが出ていることを確認する.この辺りはディジタル信号なので配線が間違い無ければ確実に動作する.(ダイオードの向きに注意.)

 次は10MHz発振回路に移る.IC1(74HC00)をさし,8番端子で約10MHzが出ているか確認する.上の「3.回路図と動作説明」で述べたように,もし約10MHzでなければ*印の付いた素子を調節する.大まかな調節で約10MHzが得られると思う.

 後は,IC274HC393)をさし,6番端子で625KHzが出ていることを確認し,9番端子で約56.818KHzが出ていることを確認する.配線が間違い無ければ問題無いと思う.最後は,IC3(TC5081)をさし,3番端子の電圧をテスターでチェックする.20pFVCを調整し,“0V”と“5V”が交互にでる様に調整する.IC1の11番端子で測定し,カウンタの表示がふらつかない状態になる様に更に20pFVCを調整する.カウンタの表示が丁度10,000.000KHzで無くとも表示がふらつかなければ成功と判断する.カウンタの基準周波数がずれていないことは先ずあり得ない.ロックさえきちんとかかっていれば間違い無く正確な10,000.000KHzが得られたと考えられる.

 受信機で外国の標準電波が強く受信出来る時に,この装置を働かせ,適当な長さのリード線をIC1の11番端子に接続し,ビート音を聞いてみる.ビート音は聞こえないはずである.TVアンテナを外すとロックが外れ,数百ヘルツのビート音が飛び出してくることを確認できる.また,TVアンテナをつなぐとビート音は消える.これで正確な10MHz発振器が完成したことになる.

 ただ,冬の時期で,部屋の温度が20℃も変化する環境では,温度が低い状態で電源を入れてもすぐにはロックしない事が生ずるかもしれない.この場合は,TV信号を切った状態で10MHzが出るように20pF VCを調整し直せば良い.常温になってからTV信号を切ると10MHz−500Hz位になるが,この状態でもTV信号を入れれば10MHzにロックする.

 回路が完成したら,全てを金属ケース内に組み込む事で安定性が向上する.

5.              終りに

 カウンタを見ていると,たまに表示がふらつく事がある.そんな場合,TV画面を見ているとノイズが入っていたり,画面が切り変ったりしている.TV電波を当てにした他力本願なのでこの辺はやむを得ない状況である.

ともかく,これで外国の標準電波を当てにしないで,機器の較正が可能になった.

 この装置の製作には,ある程度の回路製作技術を有することが必要である.また,測定器もある程度必要と思われる.この辺を考えて取り組んで頂きたい.

                                       以 上