テキスト ボックス:               簡単治具製作シリーズ
         「デジタルテスタ用 周波数カウンター拡張装置の製作」

                       2009年10月  KY
◎はじめに
最近サイキンのデジタルテスタ(マルチメータ)は電圧デンアツ、電流デンリュウ以外イガイに周波数シュウハスウの測定ソクテイ機能キノウを備ソナえたものも
多オオくなっています。また、測定ソクテイデータをパソコンに取トり込コめるものもあります。
筆者ヒッシャもこのようなデジタルテスタを利用リヨウしていますが、テスタの機種キシュにより測定ソクテイ可能カノウな周波数シュウハスウ範囲ハンイ
が異コトなり、測定ソクテイ可能カノウな上限ジョウゲン値アタイが数スウ100KHzまたは数スウMHzの機種キシュもあります。
(機種キシュによっては高タカい周波数シュウハスウでも測定ソクテイ可能カノウなものもあるようです)
また、信号シンゴウレベルが数スウ10mVでは測定ソクテイ不可フカの機種キシュもあります。そこで、測定ソクテイ周波数シュウハスウの拡大カクダイと
感度カンドアップを目的モクテキとした「周波数シュウハスウカウンター拡張カクチョウ装置ソウチ」を製作セイサクしましたので紹介ショウカイします。
◎システム
図ズ1のようにデジタルテスタ用ヨウのアプリケーションソフトを利用リヨウして、パソコン上ウエに周波数シュウハスウドリフト
のグラフを描画ビョウガします。
また、周波数シュウハスウドリフトではなく、単純タンジュンな周波数シュウハスウカウンターとして用モチいることも出来デキます。
◎ブロック図ズおよび回路図カイロズ
(インピーダンス変換ヘンカン部ブ)
J-FETを用モチいたソースフォロワ回路カイロです。
入力ニュウリョクインピーダンスは約ヤク1MΩで、過大カダイ入力ニュウリョク(数スウV)に対タイしてはダイオードD1〜D4の保護ホゴ回路カイロが働ハタラきます。
(増幅ゾウフク部ブ)
トランジスタTR2のエミッタ共通キョウツウ回路カイロによる増幅ゾウフクと、インバータIC(アンバッファ)74HCU04により、
ほぼ、デジタル信号シンゴウまで増幅ゾウフクします。
IC1(74HCU04)の電源デンゲン接続セツゾクに注意チュウイしてください。
本ホン装置ソウチではIC1の電源デンゲンおよびGND間カンに抵抗テイコウR11,R12を入イれています。
(波形ハケイ整形セイケイ)
IC1の出力シュツリョクは完璧カンペキなデジタル信号シンゴウではありません。この信号シンゴウをシュミットトリガインバータの74HC14
できれいなデジタル信号シンゴウに波形ハケイ整形セイケイします。
参考サンコウとして図ズ100に74HC14の入出力ニュウシュツリョクの波形ハケイを示シメします。
74HC14の「IN」信号シンゴウ(完璧カンペキなデジタル信号シンゴウではない)がきれいなデジタル信号シンゴウ「OUT」になって
波形ハケイ整形セイケイされているのが分ワかります。
(分ブン周シュウおよび切換キリカエスイッチ)
デジタルテスタの周波数シュウハスウレンジ拡大カクダイを目的モクテキとして「1/10の分ブン周シュウ回路カイロ」を設モウけました。
例タトえば、INPUT端子タンシに20MHzの信号シンゴウを加クワえた場合バアイ、分ブン周シュウ器ウツワを用モチいればOUTPUT端子タンシには
20MHz÷10=2MHz の信号シンゴウに変換ヘンカンされ、最大サイダイ2MHzの周波数シュウハスウレンジのデジタルテスタでも20MHzの
信号シンゴウが扱アツカえる(測定ソクテイ)ことになります。
1/10にすれば図ズ4のように実際ジッサイの周波数シュウハスウは読ヨみ値チを10倍バイして読ヨめば良ヨいので、換算カンサンが楽ラクです。
分ブン周シュウ器キには10進ススムカウンターICの「74HC390」を用モチいています。
なお、このICは2回路カイロ入イりなのでもう1つの回路カイロを利用リヨウすれば「1/100分ブン周シュウ」も可能カノウです。
◎製作セイサク
○基板キバンとケース実装ジッソウ
サイズ 72×95 の片面カタメンユニバーサルを利用リヨウして組クみ立タてました。
配線ハイセンはTR1,TR2部ブのGNDを極力キョクリョク短ミジカくすることと、GNDの配線ハイセン順番ジュンバンに注意チュウイします。
図ズ5に本ホン装置ソウチの各カクブロックの配置ハイチとGND配線ハイセンを示シメします。
ケースにTAKACHIのYM-150を横ヨコ置オきにしたイメージでユニバーサル基板キバンを製作セイサクしました。
基板キバンは実験ジッケンを兼カねて図ズ5のとおり製作セイサクしたのですが、
その後ゴ、ケースをYM-150に対タイして1ランク
小チイさいYM-130の縦置タテオきにすることにしました。
基板キバンもYM-130の縦タテ置オきにすべきですが、実験ジッケンを
兼カねたユニバーサル基板キバンでうまく動作ドウサし、少スコし
面倒メンドウになってきたので基板キバンはそのままです。
YM-130の縦タテ置オきにする場合バアイは図ズ6の配置ハイチが
良ヨいと思オモいます。
図ズ5の基板キバンではINPUTと基板キバンへの入イり口グチが少スコし
距離キョリがあるので、INPUTのBNCコネクタと基板キバン間カン
の配線ハイセンには「50Ωの同軸ドウジクケーブル」を用モチいています。
(同軸ドウジクケーブルは不要フヨウかもしれません)
図ズ6の配置ハイチにすれば同軸ドウジクケーブルでの配線ハイセンは
不要フヨウです。
写真シャシン1に内部ナイブの様子ヨウスを示シメします。
INPUT,OUTPUTは「絶縁ゼツエンタイプのBNCコネクタ」です。これにより不要フヨウなGNDループを作ツクらない
ようにし、アナログとデジタルのGND経路ケイロをはっきりさせます。
今回コンカイ使用シヨウしたユニバーサル基板キバンは取トり付ツけ穴アナの1箇所カショが「ベタパターン」になっています。
(基板キバンはLinkmanのLUPCB-9572-NS)
このパターンを利用リヨウして基板キバンのGNDをシャーシへ接続セツゾクします。
図ズ7にその方法ホウホウを示シメします。
ベタパターンを基板キバンのGNDに接続セツゾクし、金属キンゾクスペーサを介カイしてシャーシと接続セツゾクします。
なお、今回コンカイの入力ニュウリョク部ブのインピーダンスは1MΩと高タカくしていますので、金属キンゾクケースに実装ジッソウ(収納シュウノウ)
しないと外来ガイライノイズの影響エイキョウを受ウけます。(金属キンゾクケース実装ジッソウしないと使ツカい物モノにならない)
ケースをYM-150からYM-130に変更ヘンコウした理由リユウは次ツギのとおりです。
図ズ8のようにケースを縦タテ置オきにした場合バアイ、筆者ヒッシャ所有ショユウのデジタルテスタをそのままケース上ウエに置オけて
場所バショを取トらないからです。
写真シャシン2にケース外観ガイカンを示シメします。
◎部品ブヒン表ヒョウ
部品ブヒン番号バンゴウ 品名ヒンメイ   型番カタバン   メーカー 備考ビコウ  
C1,C6〜C8 積層セキソウセラミックコンデンサ 0.1μF     耐圧タイアツ50V  
C2,C3 セラコン   0.01μF     耐圧タイアツ50V  
C4,C12 ケミコン   100μF     耐圧タイアツ25V以上イジョウ
C5 ケミコン   10μF     耐圧タイアツ25V以上イジョウ
C9,C10 積層セキソウセラミックコンデンサ 0.1μF     耐圧タイアツ50V  
C11 ケミコン   47μF     耐圧タイアツ25V以上イジョウ
D1〜D6 ダイオード   1N4148     同等品ドウトウヒン可カ  
IC1 ロジックIC   74HCU04        
IC2 ロジックIC   74HC14        
IC3 ロジックIC   74HC390        
IC4 3端子タンシレギュレータ 7805        
J1,J2 BNCコネクタ   CN24A   テイシン 同等品ドウトウヒン可カ(絶縁ゼツエンタイプ)
J3 DCジャック   MJ14ROHS   マル信シン無線ムセン    
R1 カーボン抵抗テイコウ   1MΩ        
R2,R9 カーボン抵抗テイコウ   100KΩ        
R3,R5 カーボン抵抗テイコウ   100Ω        
R4 カーボン抵抗テイコウ   4.7KΩ        
R6 カーボン抵抗テイコウ   330Ω        
R7,R8 カーボン抵抗テイコウ   47KΩ        
R10〜R12 カーボン抵抗テイコウ   220Ω        
S1 トグルスイッチ 3P        
TR1 FET   2SK192A-Y 東芝トウシバ Yランク  
TR2 トランジスタ   2SC1906   ルネサス 代替ダイガエ可カ  
XIC1 ICソケット   14P     IC1用ヨウ  
XIC2 ICソケット   14P     IC2用ヨウ  
XIC3 ICソケット   16P     IC3用ヨウ  
  金属キンゾクスペーサ 8mm     M3用ヨウメスーメス
  ビス         M3セットビス  
  ケース   YM-130   TAKACHI    
  基板キバン   LUPCB-9572-NS Linkman サイズ 95mm×72mm
  ゴム足アシ   BP42   TAKACHI    
# 2SK192AはなるべくYランクを使用シヨウ
   他ホカのランクの場合バアイ、R4,R5の調整チョウセイが必要ヒツヨウになるかもしれません。
# 2SC1906は2SC1815等トウの汎用ハンヨウトランジスタでも動作ドウサすると思オモい
  ますが、なるべくftの高タカいトランジスタが望ノゾまれます。
  (例タトえば、2SC2668等トウ)
#   基板キバンは片面カタメンユニバーサル 95mm×72mmであれば同等品ドウトウヒンで可カ
◎評価ヒョウカ
出来上デキアがったものを評価ヒョウカしてみました。
評価ヒョウカは「感度カンドチェック」です。表ヒョウ1、表ヒョウ2に結果ケッカを示シメします。
各カク信号シンゴウレベルを入力ニュウリョクした場合バアイで、「○」は正常セイジョウカウントした部分ブブンです。
「×」はミスカウントまたはカウントしない部分ブブン、数値スウチ部ブは正常セイジョウカウントした時トキの入力ニュウリョクレベルです。
表ヒョウ1の結果ケッカから、「おおむね、10Hz〜10MHzの範囲ハンイでは入力ニュウリョクレベル150mVrms以上イジョウであれば
正常セイジョウカウント」します。
大オオきい信号シンゴウレベルでは「1/10の分ブン周シュウモード」時ジに正弦セイゲン波ハで7Vrms、矩形クケイ波ハで10Vp-pまでは
正常セイジョウカウントします。(それ以上イジョウの振幅シンプクレベルはテストしていない。大オオきい信号シンゴウレベルを扱アツカいたい
のであれば、外部ガイブにアッテネータを付加フカすれば良ヨい)
表ヒョウ1
  正弦波セイゲンハ 40mVrms 正弦波セイゲンハ 1Vrms 正弦波セイゲンハ 3Vrms
  1 1/10 1 1/10 1 1/10
10Hz 70mVrms 70mVrms ○ ○ ○ ○
100Hz ○ ○ ○ ○ ○ ○
1KHz ○ ○ ○ ○ ○ ○
〜 ○ ○ ○ ○ ○ ○
5MHz ○ ○ ○ ○ ○ ○
6MHz ○ ○ ○ ○ ○ ○
7MHz 50mVrms 50mVrms ○ ○ ○ ○
8MHz 90mVrms 70mVrms ○ ○ ○ ○
9MHz 130mVrms 90mVrms ○ ○ ○ ○
10MHz 130mVrms 110mVrms ○ ○ ○ ○
11MHz 220mVrms 140mVrms ○ ○ ○ ○
12MHz 270mVrms 180mVrms ○ ○ ○ ○
13MHz 510mVrms 210mVrms ○ ○ ○ ○
14MHz 560mVrms 270mVrms ○ ○ ○ ○
15MHz 650mVrms 320mVrms ○ ○ ○ ○
表ヒョウ2
  正弦波セイゲンハ 5Vrms 正弦波セイゲンハ 7Vrms 矩形クケイ波ハ 5Vp-p 矩形クケイ波ハ 10Vp-p
  1 1/10 1 1/10 1 1/10 1 1/10
10Hz ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
100Hz ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
1KHz ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
〜 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
5MHz ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
6MHz ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
7MHz ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
8MHz × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
9MHz × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
10MHz × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
11MHz × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
12MHz × ○ ○ ○ ○ ○ × ○
13MHz × ○ × ○ ○ ○ × ○
14MHz × ○ × ○ ○ ○ × ○
15MHz × ○ × ○ ○ ○ × ○
○ カウントOK
× ミスカウントまたはカウントせず
数値スウチ部ブは正常セイジョウカウントした時トキの入力ニュウリョクレベル
周波数シュウハスウが高タカいほど分ブン周シュウしないモードのほうが感度カンドの点テンで不利フリな結果ケッカです。
この理由リユウはOUTPUT出力シュツリョクの手前テマエのR10の値アタイが220Ωと高タカめになっているので、負荷フカ(テスタ等トウ)
の値アタイによって本ホン装置ソウチの出力シュツリョク波形ハケイが崩クズれるからです。
このR10はICの出力シュツリョクショートの保護ホゴ用ヨウですが、当初トウショ、扱アツカう信号シンゴウは10MHz程度テイドと考カンガえていたので
このような値アタイです。
IC(74HC14)自体ジタイはもう少スコし高タカい周波数シュウハスウまで動作ドウサ可能カノウです。
表ヒョウ3に出力シュツリョクバッファの74HC14の入力ニュウリョクピンで正常セイジョウカウントした各カク周波数シュウハスウでの入力ニュウリョクレベルを
示シメします。
表ヒョウ3
周波数シュウハスウ 入力ニュウリョクレベル
(Vrms)
TR2の増幅ゾウフク度ドは、やや、抑オサえ目メなのでこの部分ブブンを調整チョウセイするか、 20MHz 0.49
IC1での増幅ゾウフク度ドを上アげれば感度カンドは改善カイゼンされると思オモいますが、 25MHz 0.69
これで可カとしました。 30MHz 1.26
もし、10MHz以上イジョウも扱アツカうのであれば図ズ9のような 35MHz 1.31
「バッファ能力ノウリョクの強化キョウカ」を試タメすのも良ヨいと思オモいます。 40MHz 1.4
図ズ9ではR10を50Ω(1W)とし、各カクゲートを並列ヘイレツ接続セツゾクしてバッファ能力ノウリョクを上アげます。
また、デジタルテスタ側ガワでインピーダンス整合セイゴウ用ヨウの「50Ω終端シュウタン抵抗テイコウ」を接続セツゾクします。
50Ω終端シュウタン抵抗テイコウには「BNC型カタターミネータ(50Ω)」を用モチい、各カク変換ヘンカンコネクタを用モチいると接続セツゾクが楽ラクに
なります。また、同軸ドウジクケーブルは各種カクシュの長ナガさを用意ヨウイしておくと便利ベンリです。
◎使用シヨウした感想カンソウ
図ズ10に「周波数シュウハスウドリフト測定ソクテイの接続セツゾク」、写真シャシン3に測定ソクテイ風景フウケイを示シメします。
ケース上ウエにデジタルテスタを置オくようにしたのは場所バショを取トらなくて良ヨいです。
測定ソクテイケーブルは50Ωの同軸ドウジクケーブルが基本キホンです。
デジタルテスタのパソコン取トり込コみ用ヨウのアプリケーションソフトで自動的ジドウテキに周波数シュウハスウドリフトをグラフ化カして
くれますので、このような測定ソクテイは非常ヒジョウに楽ラクに行オコナえて良ヨいです。
◎出力シュツリョク信号シンゴウについて
本ホン装置ソウチの出力シュツリョク信号シンゴウは図ズ11のようにデジタル信号シンゴウです。
デジタルテスタの機種キシュによっては、このようなデジタル
信号シンゴウに対タイして周波数シュウハスウカウントしない(反応ハンノウしない)
ものがあるかも知シれません。
このような場合バアイ、図ズ12のように出力シュツリョク信号シンゴウをコンデンサを
通トオしてからデジタルテスタに接続セツゾクしてください。
コンデンサを通トオして抵抗テイコウで終端シュウタン(接地セッチ)すればGNDを
跨マタぐ信号シンゴウになります。つまり、デジタル→交流コウリュウ信号シンゴウに変換ヘンカンします。