オシロFFT活用検討(製作編4)

製作編4

製作したフィルタ回路を使って、発振器の信号をFFT解析してみます。

FFT解析動作確認

構想編でオシロFFT機能は、プローブやオシロの感度設定に関わらず、オシロの入力で4Vppの信号が0dBとして観測される事を確認しました。今回製作したフィルタ回路の初段の10倍(20dB)の増幅をしている為、フィルタ回路入力で0.4Vppの正弦波が0dBとして観測される事になります。今回の確認では、0.4Vppの正弦波の周波数を変えて、オシロFFT解析結果のレベルの確認を行います。信号はCold側に入力し、ジャンパSWは1に挿入しました。初めに100Hzの信号を入力してみました。

画面上部が観測波形で、下がスペクトル解析結果です。サンンプリングを1msとして、10Kサンプリングしているため、観測波形は帯状に見えています。記事作成時に思いましたが、サンプリング周波数を変えずに、タイムスケールを拡大すれば波形確認ができるとおもいます。後で別途確認したいとおもいます。スペクトル解析結果は100Hzにピークがあり、カーソルの読み値は0.4dBでした。200Hz, 300Hz, 400Hzに高調波成分のピークも観測されます。想定どおりの結果となっています。上記結果は測定時間を考慮してアベレージ回数を4としています。次に周波数を200Hzに上げてみました。結果は以下のとおりです。

ピークが200Hzに移りました。レベルは0.4dBのままです。高調波成分は400Hzに観測されています。さらに周波数を300Hzに上げてみます。

ピーク周波数は300Hzに移りました。高調波と見られるピークが400Hzに観測されていますが、300Hzの2次高調波が500Hzで折り返されて観測されていると考えられます。

さらに信号の周波数を上げて、上記結果の2次高調波折り返し周波数に相当する600Hzの正弦波を入力してみます。

ピークは400Hzに観測されていますが、レベルは-8.8dBにダウンしています。4次のアクティブフィルタの限界です。さらに信号を800Hzに上げてみました。

ピークは200Hzに移り、レベルは-20.4dBとなっています。ほぼ設計どおりの結果となっています。この結果からアクティブフィルタの減衰量が大きくなるまでの周波数帯域(500Hz~1KHz)の信号の有無を常に意識しながら観測する配慮が必要そとなります。

製作機器測定準備

今回の製作の目的は、アンプ出力のハム特性の測定です。真空管アンプは、負荷抵抗により終段のゲインが変わるため、抵抗によるダミー負荷が必須です。私のスピーカーの公称インピーダンスは8Ωなので、8Ωの負荷を準備します。秋月電子のラインナップを確認しましたが、都合のいい物がなかったので、1Ω3本と5Ω1本を直列接続してダミー抵抗を準備する事にしました。ノイズ観測が目的なので、許容負荷は小さくても問題ありませんが、他への転用も考慮して5Wのセメント抵抗を選択しました。

サイズが大きいのでフォーミングを考えながら、直列接続していきます。まずは5Ωと1Ω抵抗を直列接続しました。

コンパクトにまとめる為に横並びで密着状態としています。残りの2本の1Ω抵抗も同様に接続し、それを積み上げて4本を直列接続しました。

できあがったダミー抵抗をアンプのターミナルに取り付けてみました。こんな感じです。

いい感じに取り付けられました。これで測定準備が完了です。次回は準備が整った測定環境を使って実際にアンプのハム特性を観測してみます。

 

つづく(運用編1)

オシロFFT活用検討(製作編3)

製作編3

引き続きフィルタ基板の動作確認を行います。

動作確認続き

初段の動作確認が終わったので、次は反転回路と加算回路を構成する2個目のオペアンプ回路の動作確認を行います。確認前に改めて回路図を掲載します。

まずはオペアンプを実装しました。

動作確認は前回と同様に、100Hz/0.4Vppの正弦波を入力します。出力の確認は3個目のオペアンプで構成されるフィルタ入力端子(基板ポスト)で行いました。初めにHot側の確認を行います。ジャンパピンは2番目に挿入します。結果は以下のとおりです。

出力は初段のバッファアンプ出力となりますので、波形はごらんのとおり問題ありませんでした。次はジャンパピンのみ3番目に挿入しなおして波形観測をしいました。

Hot系は20dB増幅後に反転アンプを通して加算回路に入力されるため、入出力波形は同相となります。波形は問題ありませんでした。同様の確認をCold系も行います。最初にジャンパピンを1番目に挿入して波形確認行います。

これは初段出力と同じ波形となっています。次にジャンパピンを3番目に挿入し直します。結果は以下のとおりです。

初段出力が加算回路に入力されるため、出力波形の位相は反転します。想定どおりの結果となっています。最後に残った3段目のオペアンプを実装します。

入力信号は今までの確認と同様に100Hzとするので、出力波形への3段目の影響はありません。初めにHot系の確認を行います。ジャンパピンは2番目と3番目の2とおり行いました。写真はジャンパピン3番目のものです。

特に問題はありません。続いてCold系の確認を同様に行います。Colde系はジャンパピン1番目と3番目の確認を行いました。写真はジャンパピン1番目のものです。

これも問題ありません。最後に加算回路の確認の為に、Hot系とCold系の両方に100Hz/0.4Vppの同じ信号を入力し、ジャンパピンを3番目に挿入して出力の確認を行います。結果は以下のとおりです。

設計どおりHot系とCold系の信号が打ち消し合っている事が確認できました。これで基本動作確認は完了です。

フィルタ特性の確認

動作確認の最後は、アクティブフィルタの周波数特性の確認です。オペアンプ回路3段目の確認なので、信号はCold系入力のみ行いました。信号レベルは今までの確認に併せて0.4Vppの正弦波としています。確認した周波数は500Hz, 800Hz, 1KHz, 2KHzです。それぞれの波形は以下のとおりです。

波形は設計どおり、周波数が上がるについてレベルが下がっています。結果をグラフ化してみました。

設計値とほぼ同じ特性となっている事が確認できました。追加で念のため入力信号の周波数をさらに上げて10KHzの場合も確認しました。結果は以下のとおりです。

出力波形に10KHzの正弦波は確認できませんでした。波形の保存はしていませんが、入力信号を1MHzまで上げて確認を行いましたが、10KHzの確認結果と相違はありませんでした。これでフィルタ回路の確認は完了です。次回は初めにこのフィルタ回路を使ってFFTモードの確認を行い、問題がなければ試作アンプのハム特性の確認を行います。

 

つづく(製作編4)

オシロFFT活用検討(製作編2)

製作編2

前回実装した基板の配線確認と通電確認を行います。

基板配線確認

実装が完了した基板の配線確認を行います。オペアンプおよびフィルタ部品非実装の状態で行います。具体的には、端子台、オペアンプソケット、フィルタ部品実装用ポスト間の抵抗値の確認を行います。

確認開始直後に、設計上のミスに気づき愕然としてしまいました。入力段の20dBのアンプの帰還抵抗値を誤り、2本を並列接続としていました。

修正は後回しとして、実装確認を進めます。R07, R08, R09, R10間の抵抗測定結果が7.7kΩとなっています。最近購入した10kΩの抵抗がおかしいかと思い、確認しましたが問題ありません。改めて回路を見直したところ、どうやら初段の帰還抵抗とGNDラインを介して閉回路となっている事の影響とわかりました。という事で実装は問題なさそうです。全実装の確認が終わりましたが、上記のミス以外は特に問題ありませんでした。

ミスの修正

まずは回路図を修正します。最初から気づいていれば回路図も実装もすっきりしたのにと思いつつ回路図を修正しました。

現状の基板の実装状態は以下のとおです。実は、さらに追い打ちをかける間違いをしてしまい、一旦並列接続された抵抗を直列接続としてしまい、さらに修正をしました。余計な事をしなければ、並列抵抗をカットするだけで済んだのに・・・。

余計な事をした為に、被覆電線が必要な部分が1点ありましたが、危険を犯して空中配線を使いました。

それでもなんとか、修正を完了する事ができました。修正部分はこんな感じです。

改めて配線確認を行いました。確認結果は以下のとおりです。

フィルタ部品の実装

フィルタ部品は、万が一の事を考えて後から簡単に変更できるようにするために、基板ポストに実装します。実装部品はコンデンサーと抵抗ですが、一部抵抗の在庫がなかった事から、2本の抵抗を直列接続して使用しました。初めに一番奥に0.0047uFのコンデンサを実装します。使用部品はメタライズドポリエステルフィルムコンデンサーです。誤差+/-5%品ですが、価格も高くなくお手頃です。足をフォーミングして基板ポストに取り付けました。

続いて、抵抗を取り付けます。36kΩをつくる為に12kと24kの抵抗を直列接続して使用します。幸い24kΩ抵抗が小型品だった為、直列接続しても基板ポスト間に取り付ける事ができました。

写真は勢いで2つのフィルターともに同じ合成抵抗を付けてしまった状態ですが、後で気がつき片側を22kΩに取り付け直しました。残りのコンデンサーと抵抗も同様に取り付けました。これでフィルター基板の実装は完了です。

通電確認

最初は、オペアンプを実装せずに+/-12V電源を供給して、各オペアンプ用ソケットの端子電圧を確認しました。3つのソケットともに4pinが-12V, 8pinが+12Vで特認問題はありませんでした。次に初段のオペアンプを実装して初段アンプの動作確認を行います。オペアンプ実装前に、SW用のジャンパを空き端子に実装しました。各種色の在庫がありましたが、赤のジャンパを選択しました。

確認には、発信器から100Hz/0.4Vppの正弦波を入力し、ジャンパソケットピンから初段アンプ出力をモニタしました。下記が波形の観測結果です。

上がHot系、下がCold系の入出力波形です。特に問題はありませんでした。動作確認はさらに行っていますが、波形の観測をやりなおす必要があるため、今回はここまでとします。

 

つづく(製作編3)

オシロFFT活用検討(製作編1)

製作編1

部品在庫を確認の上、部品発注を行いフィルタの製作を行います。

部品発注

作成した回路図から、部品表をおこしました。発注は秋月電子通商を前提としている為、型式欄および価格は秋月電子のものを表記しています。

在庫欄は、私の部品在庫確認結果です。在庫があっても追加発注をかけておきたい物があるので、別に発注欄を設けています。残念ながらフィルタ用の抵抗の一部は秋月電子にも在庫がなく、備考欄に示すとおり2本の抵抗で代用します。

回路見直し

週末に部品発注をかけた翌週の通勤途上で、設計した回路の不都合に気づきました。私のシステムは、バランス回路を採用していますが、バランス回路のメリットの1つはハム等の外乱の影響を受けにくい事です。この効果の確認が設計したフィルタ回路ではできません。効果を確認する為には、フィルタ回路もバランス入力する必要があります。部品発注はかけてしまいましたが、回路の変更検討を行います。基本回路は、入力信号の片側(Cold)を反転して加算し、フィルタ回路に入力します。現状の仕様のまま、バランス入力化すると回路規模が大きくなり、1枚の基板に実装できなくなってしまいます。仕方がないので、入力段のゲイン選択をやめて、フィルタも6次から4次に減らして、バランス化に必要なオペアンプを確保する事にしました。回路図は以下のとおりです。

この結果、フィルタ特性は以下のとおりとなります。

部品表も改版しておきます。一部部品は使用しなくなりますが、幸い新たな特殊部品は不要です。

試作

初めに全体の部品配置を決めます。端子台とICソケットを並べて様子を見ます。オペアンプが3個なので基板を縦に使います。念のため、アクティブフィルタを実装した廃基板を並べてアクティブフィルタの実装幅の確認もしました。

次にGND配線を行います。具体的には電源端子台と入出力用端子台のGNDを接続します。

次に入力抵抗をつけます。場所は入力端子台のすぐ脇としました。

続いて入力アンプの抵抗を実装します。帰還抵抗を合成しているため、実装の難易度が高くなっています。

次はフィルタ入力選択用のジャンパポストを実装します。実装位置は、フィルタ用オペアンプの端子位置を考慮して決めました。

このポストを実装する事で、信号をポストに流す事で、自然な流れが乱されて実装の難易度高くなってしまいます。続いて2個目のオペアンプの反転アンプと加算回路の抵抗を実装します。

次はフィルタ用部品を実装する為の基板ポストを実装します。今回初めて秋月電子で調達しました。一度間違えて5mmピッチのポストを買ってしまい、買い直した物です。

最後の追い込みです。各オペアンプの電源端子にパスコンを実装します。サイズを考慮して0.01uFを実装しました。

あらかじめ実装を考慮して、他部品を実装した為、すんなりと実装する事ができました。最後に各オペアンプの電源配線を行って実装完了です。

残念ながら、ハンダ面に1本被覆電線を使用してしまいました。実装済みの配線を変更すれば、使用を回避できましたが、そこまでこだわりませんでした。次回は実装の確認からスタートしますが、お気づきの方もいるかと思いますが、実装というか設計で大きなミスをしてしまいました。やれやれ。

 

つづく(製作編2)

オシロFFT活用検討(設計編1)

設計編1

追加でFFT機能の確認を行い、ハム観測用のアンチエイリアスフィルターの設計を行います。

閑話

Windows8.1のサポートが今月10に終了しました。個人パソコンのOSがWindows8.1なので買い替えました。使用していたパソコンは8年前に29,800円で購入したものでしたが、今回はいろいろ探してLenovo Ideapad 81,290円にしました。(本記事のアイキャッチ写真参照)OSはWindows11でMS office2019付属です。原材料高騰と円安を改めて実感しました。office2019のインストールに一悶着あり、最終的にMSのサポートセンターに電話して、すごい長いIDを伝えて、その後すごい長いNoを口頭で聞いて打ち込みアクティベーションがようやく完了しました。あのマイクロソフトがすごく不効率な事を行っている事に驚きました。閑話休題

FFT機能追加確認

オシロスコープの取扱説明書を改めて確認したところ、繰り返し波形をFFT解析する場合、AVEモードを設定する事と、ACカップリングモードの使用を推奨していました。改めて確認を行ってみます。入力信号は、50Hz/4Vppの正弦波として設定を変えてスペクトル波形の違いを確認してみました。最初は前回記事の測定時の設定とACカップリング時の比較を行います。

予想どおりDCレベルが下がっていますが、低周波域のスペクトルがスッキリしています。次にAVEモードを設定してみます。AVEモードのデフォルトが4回で、16, 64, 128回の設定ができます。まずは4回の設定を試してみました。

AVE=4回設定の方が、ノイズレベルが約6dB下がっています。回路の本質的な特性を確認する場合には、有効な設定だとおもいます。さらにAVEの回数を最大の128回に設定してみました。

さらにノイズレベルが下がりました。但し測定に時間がかかる為、状況に応じて設定したいとおもいます。

アンチエイリアスフィルター

今回想定しているハム観測用設定は、1KS/secなので、500Hzで折り返します。500Hz以上を急峻なフィルターでカットする必要がありますが、現実的には難しい為、200Hzまでパスさせて、それ以上の周波数域をカットするフィルターを設計したいとおもいます。フィルターはサレンキー型アクティブフィルターとし、設計したフィルターの特性を確認して四次か六次のフィルターとします。

回路定数はOKAWA Electric DesignのWebページに掲載されている設計ツールを使って決定しました。通過域の特性をフラットにする為に、Q値は約0.7としています。カットオフ周波数500Hz, 800Hz, 1KHzの二次フィルタを直列に接続した場合の特性を計算してみます。

まず始めに、fc=500Hzとfc=800Hzの二次のLPFの周波数特性を計算して、それを直列に接続した場合の周波数特性をグラフ化してみました。

200Hzではほぼ減衰していません。500Hzで約-3.6dBという結果でした。さらにfc=1KHzの二次のLPFを直列に接続してみます。

500Hzの減数量は約-3.9dBでした。500Hzの減衰量をかせぐために、上記追加したLPFのカットオフ周波数を1KHzから800Hzに下げてみました。

500Hzの減衰量はわずかですが、増えて-4.1dBとなりました。この六次LPFフィルターを採用する事にします。

回路設計

ジグは使い勝手および精度の観点からフィルターの前段にバッファーアンプを実装します。3種類のバッファアンプを実装し、状況により選択できるようにします。ゲインはそれぞれ、0dB、20dB、40dBとします。オペアンプはとりあえずMUSES8920としました。入手できない場合は、別品種に変更します。

今回は特殊な定数のCRを使用するため、部品在庫を確認して事前に発注をかけたいとおもいます。次回はフィルター基板の実装を行います。

 

つづく(製作編1)

オシロFFT活用検討(構想編1)

構想編1

オスロスコープ付属機能FFTの活用について検討します。

オシロスコープFFT機能

私のオシロスコープはOWONブランドのSDS1102です。以前DAC製作の際にダイナミックレンジ測定の為に1度FFT機能を使用した事がありました。その時に、アンチエイリアスフィルタの外付けを行い、同条件(設定)でレベルのみの比較を行いましたが、表示されるレベルの絶対値が理解できていませんでした。今回は絶対値を理解した上で、ハム改善検討用に測定システムを作りたいとおもいます。

SDS1102の仕様

Verticalの仕様は以下のとおりです。

・分解能:8bit(2ch同時)

・感 度:5mV/div(x1設定時最大)

FFTの仕様は以下のとおりです。

・ch1/ch2選択(1chのみ)

・Window選択可(Hamming/Rctangle/Blackman/Hanning/Kalser/Bartlett)

ハム観測用設定

発振器で50Hzを入力してハム観測に適した設定(Time Scale)決めます。条件は以下のとおりです。

・50Hzのピークが容易に観測できる事

・ハムの高調波も観測できる事

・上記条件を満たした上で、サンプリング時間を短くする事

上記条件で決定したTime Scaleは1KS/secです。この時のサンプル時間は10秒でした。

入力信号は50Hz/4Vppの正弦波です。50Hzのレベルが約0dBとなっていますが、入力電圧を調整した結果です。

Vertical仕様の確認

基準信号を100Hz/4Vppの正弦波としてオシロの設定を変更して測定結果を比較してみます。最初は入力信号を変えずに、オシロのプローブ設定をx1からx10に変えてみました。結果は以下のとおりです。

左がx1設定で右がx10設定です。しかし設定変更しても100Hzのピークレベルは変化がありません。波形画面の縦軸が1V/divから10V/divに変わっているにもかかわらずです。ここから推定される仕様は、オシロの設定にかかわらず、FFT画面のレベル表示はオシロの入力レベルにのみ依存するという事になります。これを検証するために、プローブの倍率設定を変更してみました。

左はプローブ倍率x1、オシロプローブ設定がx10で、右はプローブ倍率x10、オシロプローブ設定がx10です。画面上の波形レベルをあわせるために、右は感度を10倍に上げています。この結果右は左に比べて信号の入力レベル1/10となっています。この入力レベルの変化によりFFT画面のピークレベルが約20dBダウンしています。上記の推定仕様どおりの結果となっています。さらに念のためオシロの感度を6dB下げてみました。

オシロの画面上の波形レベルは半分になっているものの、オシロの入力レベルに変化はないため、ピークレベルは変化しません。右は感度を6dB下げた事で、暗騒音レベルが約6dB下がっています。ここまでで確認できた事項を整理します。

FFT画面レベル表示はオシロスコープの設定には関係なく入力信号レベルで決まる

FFT画面レベル表示は4Vppの正弦波入力時に約0dBとなる

アンチエイリアス確認

このオシロを使って正確なレベルを観測する為には、アンチエイリアスフィルターが必要な事はわかっていますが、念のため確認してみました。確認は400Hzと600Hzの正弦波を入力してFFT画面波形の比較をします。結果は以下のとおりです。

測定時の設定は、サンプリング周波数が1KHzの為500Hz以上の周波数の信号はFFT画面上で折り返されて表示されます。従って600Hz入力時は400Hz入力時とまったく同じFFT画面となっています。この結果から、正確なスペクトルレベルを測定する為には、500Hz以上の周波数をカットする急峻なフィルターを準備する必要があります。次回はハムのスペクトルレベルを観測するためのフィルターの設計をします。

 

つづく(設計編1)

Behringer CX3400(番外編45)

番外編45

ベリンガー製チャンネルデバイダーCX3400をもらったので使ってみます。

ベリンガー

私が学生時代には聞いた記憶がないメーカーですが、印象はHiFiオーディオというよりも、楽器用ないしはPA機器用を主製品として、低価格が売りのメーカーです。まずはインターネットで調べてみました。ドイツで1989年に設立されたとの事なので、私が学生時代にはありませんでした。社是は「性能は倍に、価格は半分に」との事で、私の印象に間違いはありませんでした。設立後エファクターの製造からスタートし、現在ではPAシステム、マイクロフォン、アンプ、スピーカー、ミキサー、ヘッドフォン等いろんな製品群を扱っています。現在はエレクトリが日本の代理店となっていて日本語の公式ホームページもエレクトリが管理していました。

CX3400

このモデルを上記ホームページで検索すると、クロスオーバー機器としてCX3400 V2が見つかりました。

この製品のエレクトリストア価格が25,300円との事で、価格破壊レベルと感じます。私がもらった製品はCX3400ですので、1世代前のものとなります。

CX3400の情報を探したところ、取り扱い説明書が見つかりました。

はじめに取扱説明書から機能を抜粋してみます。

MONO 4-WAY, STEREO 3-WAY, 2-WAYに対応し、クロスオーバー周波数も実用上必要な周波数範囲を網羅しています。特性は以下のとおりです。

ノイズ比の単位dBuは馴染みがなかったので調べてみました。0dBu=0.775Vで600Ω終端したときに1mWとなる電圧との事でした。機能に話を戻しますが、このように多機能な操作を狭いパネルに組み込む為に、モード切り替えと表示に工夫がされています。

MONO 4-WAY, STEREO 3-WAY, 2-WAYをモードボタンで切り替えて、パネル上部の表示で各ツマミが各モードの時に何の機能となるかわかるようになっています。初見で取扱説明書をみなくても操作できるレベルです。リアパネルも同様な仕組みとなっています。

パネルのつまみは左右チャンネルで同配置となっていて、STEREO 3-WAY設定時は左から以下のとおりです。

・INPUTレベル調整

・LOW/MIDクロスオーバー周波数調整

・MID/HIGHクロスオーバー周波数調整

・LOWディレイ調整

・LOWゲイン調整

・MIDゲイン調整

・HIGHゲイン調整

・MULTIBANDリミッター値調整(パネル一番右の枠外)

システム接続

まずはクロスオーバー周波数のみ現行のマルチアンプシステムと同じ周波数に設定し、各チャンネルの音を聴いてみる事にしました。念のため、各チャンネル1つづつ接続し、NS-1000Mのかわりにフルレンジスピーカーで音聴きをしてみました。音源はEIAJのテストディスクを使用します。はじめにR-ch LOWの音を聴いてみました。音はクリップ状態で歪んでいました。残念ながらこのまま接続はできません。

状況確認

仕方がないので、オシロスコープで波形確認を行います。写真は入力波形とR-ch LOWの出力波形です。

見てのとおり、出力波形が大きくクリップしています。尚、入力波形は250Hz 0dB正弦波で、INPUTレベル、R-chゲインともに0dB設定としています。同じ条件でL-chの出力波形をモニタしてみました。

L-chは問題ありません。仕方ないので中を確認してみる事にしました。

基板は2枚構成で、フロントパネルとリアパネルにそれぞれ平行に固定されています。効率的な配置だと思いますが、多機能をフロントパネル側の基板に実装する為に部品が高密度実装されていました。部品やコネクタの接触不良を疑い、いろんな部分を突っついてみましたが、状況は変わりませんでした。回路図がない中で高密度実装基板の信号を追う事は難しい為、解析を断念しました。現行にシステムにはないdelay機能を使って音の変化を確認してみたかったですが残念です。回路図の入手ができた等、なんらかの変化があったらまた修理を考えてみたいとおもいます。

 

番外編45(おわり)