Bluetooth Receiver LCフィルタ ver1.0(改)(その2)

周波数特性を計測してビックリです。なんと、周波数が2kHzから既に減衰し始めてだだ下がり状態です。改造中は低周波数側ばかりを確認していたので上側の周波数特性を計測していませんでした。

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この原因は直ぐに目星がつきました。元回路に入っていた帰還回路のコンデンサと接地側に入っていたコンデンサが原因です。これを付けたままそれぞれの抵抗値を10倍にしたので遮断周波数が可聴域に入り込んできたのです。この事を確認する方法はそれぞれのコンデンサを取っ払うのが手っ取り早いと思い、実施してみました(下図の赤枠部分)。

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コンデンサの取っ払いは失敗でした。発振してしまいました。もともと発振防止に取り付けられていたと思われるコンデンサを取っ払ったので当たり前ですね。なので、取っ払うのでは無く容量を小さくしてみました。

BTA1_010.png

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発振せず、周波数特性も良さそうです。欲を言えば10kHz以上で少し上がり気味ですが、ここをなだらかにする丁度の値を見つけられず、元回路のままとしました。

BTA1_012.jpg BTA1_013.jpg

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Bluetooth Receiver LCフィルタ ver1.0(改)(その1)

通勤時に Apple AirPods や Bluetooth を使ったヘッドホンを使っている人をよく見る様になり、ちょい聴きには良いのかなと思っていたが、私はCDリッピングで十分だったので我が家のオーディオシステムに組み込む予定はなかった。妻がBluetoothのヘッドホンを買うまでは。妻が便利便利というので重い腰を上げてみようとしたと同じころ、ぺるけさんのHPにBluetoothレシーバー(BTR)の記事がUPされてあれよあれよという間に改良が進んで行くのを見ていて、いよいよ作成する気になった。作成するのは部品点数の少ない LCフィルタ Version1.0。これなら手持ちの部品にチョイ足しで作成できるとチャレンジしてみる事に。

私が購入したのは Type1 の基板の様なので、記事に沿って作成してみた。場所の関係で極力小さく収めたくタカチ YM-50に詰め込んでみた(この時点の全体の写真を撮るのを失念していた)。

BTA1_001.jpg

スマホ(Android)に Function Generator をインストールしてミリバルで大体の周波数特性を確認して問題なさそうだったのでそのままメインアンプに繋いで音出しをしてみた。実は私はスマホで音楽を聴くことが無いのでスマホに1曲も曲が入っていないのだ。そこで、YouTubeを利用してMV等を再生して確認した。スマホはまるでWiFi→Bluetooth変換器になって感じがしないでもないがわざわざ曲を買うのもどうかと思ったもので。

音は普通。欲を言えばクリアさが足りない感じがするが、これがLCフィルタ1発の限界なのかなと。それ以上に気になる事が、聴きはじめと何曲か流した後の音が違う気がする点だ。メインアンプの特性は十分に理解しているのでこの変化はBTRの方だと確信しつつ、作成前に回路を追ってメモ的に書いていた回路図から、BT64Xモジュールとオペアンプ間に挟まっているコンデンサのせいではないかと疑念が出てきた。チップコンデンサでこの大きさとなると十中八九積層セラミックコンデンサであると思われ、容量的にもC0G品なんて使われてないだろうとこのコンデンサを取り換える事を検討した。

ちょうどそんな時にこの基板の各部品の値を計測されて回路図を掲示板に挙げられているのを見て、大改造する事にした。ぺるけさんの調整方法は入力のHPFの低周波数部分をオペアンプの帰還回路にコンデンサを入れる事によって相殺するという方法。この方法だとHPFにそもそもバラつきが多い積層セラミックチップコンデンサを使っているので、個体依存が高いのと、電源ON初期にDC印加で静電容量が変化するので完全な中和は望めない。という事でこの考えをスッパリと捨て、帰還回路は抵抗のみにする。その変わり入力のHPFのカットオフ周波数を低周波数側に寄せる。ついでにうちのシステムでは出力が1.7Vというのは大きいので若干下げるというのを同時にやってみました。

BTA1_002.png BTA1_003.png

HPFのカットオフ周波数を低くするにはコンデンサの容量を大きくする事と抵抗値を大きくする事で、コンデンサは入手できる中でサイズ等の関係で3.3uFのフィルムコンデンサで容量を約3倍へ、ただこれだけではカットオフ周波数はそれほど低くなってくれないので後続の抵抗器を10倍の値にしました。この変更を全体でバランスをとったのが右側の回路図です。回路インピーダンスが上がってしまうのは痛いところですが、割り切ります。

BTA1_004.jpg BTA1_005.jpg

BTA1_006.jpg BTA1_007.png

狭い所に無理くり詰め込むので実装は大変でした。2012サイズの抵抗なので付けられなくもないのですが、フィルムコンデンサが大きくなるのでリードタイプの抵抗を使ってリード線と半田面の設置面積を増やして強度を強くしています(上図の様にチップ抵抗の2パット両方を短絡するような取り付け方)。赤枠の所に付いていたチップ抵抗とコンデンサは取り外しています。油断して1uFのコンデンサの端を溶かしてしまいました…。

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低抵抗器測定用定電流発生機(100mA)

オーディオアンプを作成していると終段のエミッタ抵抗等で1Ω以下の物を使う機会があり、この抵抗を選別しようとしても持っているテスターでは計測できないという何とも言い難いモヤモヤ感がありました。計測するには四端子測定法を使えば良いというのは知っていたのですが、定電流源が必要で何となく後回しにしていたのを今回作成しました。

回路図はこちら。

constant_current_100ma_v4.png

手持ちのテスターで0.1~10Ωの範囲で0.001Ω単位で計測できる様にしたかったので100mAの定電流源です。5V電源を使用する事にして各定数を決めています。

C3とR5(とR7)でオペアンプの発振防止を形成。手持ちの関係でC3を1nFとしましたが、少し大きかったかな~と。でも信号を流すでもなく、電源が激しく動く訳でもないのでヨシとしました。R4はオペアンプの電圧→電流変換(ROHMのトランジスタのFAQの「■抵抗R1について」を参照)とQ1の発振防止とベース・エミッタ間電流の上限規制(CN1に抵抗付け忘れた時に100mA流そうとしちゃいます)で入れています。R7を10Ωにしたのは、そもそも1Ω以下が正確に測れないので作っている回路なのに1Ωの抵抗を使うなんて…ってなところからです。1%品にしてますが、一番重要な所なので一応選別はしています。

R6は測定範囲を0.1~10Ωとして5V電源を使用する事にしたので、Q1のトランジスタだけで余りの電力を消費させるのは可哀想…というか放熱の検討が必要になるので極力熱に強い部品(抵抗器)に分担してもらうように入れました。R2,R3,VR1で基準電圧を0.924~1.134Vの間で調整できるようにしています。VR1のオペアンプ側の端子をVR1の下側とショートさせているのはボリュームが万が一オープンになっても調整範囲内で被測定物に流れる電流が小さくなる方向に倒れる様にしました。C2は…おまじない……基準電圧の揺れ防止ですが、入れても入れなくてもというところでしょうか。

当初、トランジスタのベース・エミッタ間に並列に抵抗を入れようとしていたのですが、常にトランジスタをONにしている状態で使う目的なので、いらないと判断して取り除きました。

IMG_20170204_121048.jpg IMG_20170204_170135.jpg

回路が小規模なので、基板は秋月のDタイプのユニバーサル基板を使用しています。ケースはテイシン電機のTC-102(W55xD75xH20)がちょうど良いサイズだったので使いました。トランジスタは放熱するためにケースに取り付けています。

IMG_20170204_152507.jpg IMG_20170204_180809.jpg

R7の両端の電位差が1.0VになるようにVR1を調整して出来上がりです。
DCジャックとバナナジャックと基板がギリギリ収まってます。
電源SWは無し。使用する電源のコンセントが手元にあり、SWでON/OFFできるのでそれで代用します。

IMG_20170205_081941.jpg

試しにカラーコード表記で0.47Ω±5%の抵抗器を測定したところ、47.1mVとなったので 0.471Ω。ちゃんと100mA流れてるみたいです(厳密には少し少な目になっているハズですが)。

これで、1Ω以下の抵抗も選別できるようになったので、次のステップに移行できます。

tag : 計測

KiCadを使ってみた。

今まで、回路図エディタのBSch3Vが気に入っていたのでその延長でCADソフトは Minimal Board Editor(MBE) を使っていた。MBEって結構自由度が高くてすごくいい感じで使い続けているのだけど、トラ技でKiCadが取り上げられているのを見てお試しで使ってみようと思い基板を作ってみました。

KiCadの使い方はググればいっぱい出てくるのでそっちに任せて…。自分が作ったのは簡単すぎず難しすぎず、実用性のある物として USB-UART 変換基板を作成することにしました。

6年前に秋月のキットとレベル変換ICを使って作った物をオリジナル基板にしただけなんですけどね。常々もう2つないし1つ欲しいと思っていたのでこれが最適かなと。

回路図はこんな感じです。

usb_uart_circuit_diagram.png

前回作成したのでは必ずリファレンス電圧を相手からもらう設計だったけど、5V, 3.3Vだけは自前で供給できるようにしました。その他の電圧の場合は相手からもらうということで。この改良をしたかったのも目的の1つだった訳です。

KiCadって結構MBEに似た思想と思える部分が多く少し好感触。いつの間にか手配線ですましてしまって自動配線機能を使わずじまいになってしもたです。この点は次の機会に使ってみることにする。

まー、初めて使うCADソフトで不慣れだったのと注意力が欠けていて2点やってしまいました。それは、mini-USBコネクタのパッドをリフロー用と思われる物を使ってしまって手はんだがやりずらくなった事と、隣り合う部品の番号を逆に配置してしまった事です(パターンは会っててシルクが間違っている)。

usb_mini_b.png usb_uart_cg_c9.png

基板発注はこれまた初めてのELECROW。いつもはFusionPCBだったけどなんとなく変えてみた。ELECROWで一番驚いたのは基板が出来上がって発送するときにできた基板の写真を送ってきた事。作成までちゃんとやったから後は配送業者の責任だよ的な意味合いなのかな?

基板が到着して、早速3枚作ってみました…本当は4枚だったのだけど、やはりmini-USBコネクタのところのはんだ付けが難しく、1枚失敗しちゃったんですね orz

動作確認もしてイッチョアガリ!

IMG_20160724_182215.jpg

tag : KiCad

誘導起電力の実験

電子回路の部品で重要であるにも関わらず理解出来ていない部品の一つにトランスがあります。今回はトランスの理解を深めるべく簡単な実験をしてみました。トランス以前にインダクタの理解をしておかないといけないのですが……すっ飛ばしてます。いつかしっぺ返しがくるでしょう。

単にトランスと言っても色々な要素があります。製品としての電源トランスを購入するのならさほど知識が無くても使えます。なので、もっともっと基礎的で手軽に実験出来る事をしてみようと、コイルを2つ使っての実験をしてみました。

実験内容はコイルの片方に交流電圧を印可し、もう片方に発生する起電力を2つのコイルの軸の向きを変えて測定しました。

使用したコイルは5mHと40mH(RLCメータで確認した所、5.64mHと41.1mH)です。

RIMG0547.jpg RIMG0546.jpg

5mHのコイルにファンクション・ジェネレータで 2.12V(6Vpp),90kHz の交流電圧を印可した時の40mHのコイルに発生する電圧を電子電圧計(ミリボル)で計測しました。

それぞれの位置関係での起電力…電圧は次のようになりました。
※ 写真では「600」と書かれている方が5mHのコイルです。


入力:5mH,2.12V,90kHz  出力:40mH,11.8V
RIMG0548.jpg

入力:5mH,2.12V,90kHz  出力:40mH,12V
RIMG0549.jpg

入力:5mH,2.12V,90kHz  出力:40mH,4.15V
RIMG0550.jpg


この結果は意外でした。私の考えでは軸を同じにする(1枚目)のが一番誘導が大きいと思っていたのですが、実際には真横(2枚目)が一番大きかったです。

次は、周波数による変化を計測してみました。2つのコイルの置き方は前の結果から真横に置いて、電圧はそのままで周波数を変化させました。

coil_induction.png

これはこれでかなり面白い結果となりました。
コイルの構造に大きく影響を受けると思いますが、今回のケースでは90kHz部分をピークに後は90kHzよりも早くても遅くても急激に誘電力が落ちています。

以上の実験より、このコイルの組み合わせでは「真横に配置する」「90kHzで発振させる」と電磁誘導が最も大きくなると言えます。

この結果と電気磁気学の本に書かれている内容を照らし合わせて理解を深めればもっとインダクタはトランスを使った回路を理解出来るのではないかと思っています。
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