KiCAD事始め  【2021.11.15】



 今更と言っては何ですが、2019年には、新たなプリント基板作成ツールとして、KiCADのVer5を弄り始めていました。そのころには、海外の基板屋さんで10cm四方なら格安で基板を作ってくれるところが現れたので、さすがにちょこっと弄っておかないと時代遅れになるぞ・・・ということで始めました。2021年の終盤の今では、もう、自作は外注基板に限る・・・外注の綺麗なプリント基板じゃ無ければ自作にあらずなんていう雰囲気もそこかしこに漂っていて、ランドカッティング法で自作する流儀の私は、なんとなく肩身の狭い思いをしていました(んなことないか:笑)。

 RFの実装に限って言えば、空中配線も併用したランドカッティング法が、動作が確実で、ある程度の強度もあり、なにより、試作で特性特性確認できたら、それがそのまま最終品にできるという、スピーディーな製作が可能だったので、もう、これ以外の方法で自作する動機はあまり感じられないというのが本音です。ただ、配線が面倒な表示器(7セグLED、ニキシー管?とそのドライブ回路とか、使う部品が微細な引き出しピン(0.5mmピッチQFPとかQFNとか)だと、必然的にプリント基板を採用しなければ、自作ができません。特に後者のケースは今後増えることはあっても減ることは無いと考えられるので、ここで、少しはプリント基板作りにも慣れておかなければ・・・・とは思っていました。

 そういえば、遥か昔、同じ理由で、Eagleに飛びつき、ブルガリアのOlimexという会社に基板を発注したことがありました。ネタがDDSのAD9952の基板で、初めてのプリント基板製作でしたが、なんとか「動くもの」を作ることができました。そのあたりのくだりはここに残っています。基板製作会社のOlimexはその後、支那勢の台頭で競争力を失ったのか、個人からの(法人からもか?)基板製作の受注を中止してしまい、今に至ってもそれが続いています。もう、多分再開することは無いのでしょうね。

 現在は個人用のプリント基板作成は、KiCADで書いて、支那の基板製作メーカーに発注というのが、デファクトスタンダードになっているようです。なので、今後のことも考えて、世の中のデファクトはフォローしておくことにしましょう。

 ということで、基板製作なのですが、まー、ネタとしては変わり映えしないのですが、なんとかの一つ覚えよろしくAD9952DDSのモジュールを作ることにします。実は、Olimexに発注した時は4台分で、それらは全て使用済みになっており、今後、AD9952を使いたい製作ブツに対応させたいからです。肝心のチップの方は4個残っていましたので、これらは全て使い切ってしまいたいと思ったのです。もう、4台もの高速DDSがあれば、自分の頭がボケて、自作を止める頃までは持つのじゃないでしょうか(大笑)?高速DDSが不要な小規模な製作にはSi5351も併用することになれば、ま、死ぬまで安泰というところかもしれません。

 ここではKiCADに関して記述しても仕方がないので、いきなり製作物の説明に入ります。回路図は以下の通りです。





AD9952DDSのモジュール回路図



 以前に書いた回路と殆ど同じです。巷にはEAGLE to KiCADコンバータもあるようですが、勉強も兼ねて最初から書いてみました。特に変わったところはありません。使った感じは回路図書きは殆ど同じ感じですかね。デザインルールチェッカーの使い勝手がKiCADの方がスムーズだったかも?くらいでしょうか。殆ど違和感無く書くことができました。部品に関しても私の使うものはたいてい最初から用意されているので苦労はないですが、今後、ニキシー表示回路なんか作るときには、パーツを作らないといけないですが、豊富に説明資料や、ネット情報があるので、随分と便利になっている気がします。





実際の基板



 いきなり基板ができてきましたが、発注先はデファクトのFusion PCBです。5×10cmの10枚5ドルのものです。10×10cmを分割して2回路分搭載することもできたでしょうが、20枚も基板は必要ないので、欲張りませんでした。見た感じ、カット面は綺麗だし、シルク印刷もとりあえずOK、0.5mmピッチのパターンも問題なさそうだったので、うーーん、安くなったものだと感嘆しきりですね。





実装図


 上図は実装したところですが、まぁなんとおおらかな配線ですね。まず、チップ抵抗が無かったので、全て1/6Wのリード抵抗を使ってしまいました。まぁ、この程度のRFでは殆ど悪影響はないと思います。ミスが一か所あって、抵抗が未搭載にしてあります。また、TRのシルク印刷が逆になっていました。この程度だと、なんとかリカバリーが可能で、最初の習作として仕方がないと諦めました。また、後から考えたら、SMAコネクターは横方向に引き出すタイプにしておけば良かったと後悔しています。こうやって手痛い?ミスを重ねながら上達していくのでしょう。





4台完成の様子(但し出力トランスは未実装あり)


 上記は、この調子で4台を動作可能にした様子です。出力トランスの実装していないものがありますが、動作は確認できており、実際に使うときになったら、装着することになります。AD9952DDSが4台あると、相当に安心感があります。なにか高純度のローカルが必要になったら、これを持ち出せばいいわけですから。




基準発振器


 上の図はAD9952用を想定している基準発振器です。AD9952はクロックとしては400MHzが規格なので、そのあたりのクロックを用意したいところです。たまたまオクで落札したものですが、この用途にピッタリの物ですね。日本電波製ですから完璧に安心できます。たしか1K円かそこらで落札したと思いますが、あまり用途の無さそうなこの周波数帯のXOでも、AD9952にはベストフィットと言うわけです。ちなみにこのクロックの周波数にあまり制限はありません。2^Xなんてきっちりした周波数でなくて良いです(もっとも、XOならその周波数きっちりにはなりませんが)。





基準発振器の近傍C/N


 このように、(期待はあまりしていなかったのですが)素晴らしい近傍C/N特性です。もう、これ以上を望むべくもありません。これをクロックに用いてDDSの出力を見たのが以下の図です。





AD9952の近傍スペクトラム


 私が近傍C/Nを重視するのは訳があります。どうせ、DDSの出力は高調波と中帯域のスプリアス抑制のためのBPFを装着するので、発振器の「生の特性」が出る近傍周波数のノイズは重視する必要があるからです。この図からは、3kHz程度離れたところに-90dB程度のSpurがありますが、これは、まったく検知できないレベルなので、ほぼ、理想的なローカルを構成することができると考えていいと思います。


PS
 ところで、2019年に食いついた基板が何故2021年までほったらかされていたか、ちょいと書いておきます。基板は2019年の年末にはできていて、部品搭載も終わって、さぁ動作だ~~~となっていたのですが、なぜか動かずでした。一応、基板のパターンチェックは問題ないところまでは確認していたのですが。そこで、詳細にチェックをすれば良かったのですが、他のネタとか、プライベートな案件が重なって、一次的にほおり出してしまったようです。

 それから齢を重ねること幾星霜ではありませんが、1年半ほど触れることなく過ごしてきましたが、ある製作物の企画がきっかけで、DDSモジュールが足りなくなってきて、「昔作った基板って、どんなんだっけ?」という話になり、詳細チェックに臨んだのです。今度はDDSの64ピンQFPのピンとその接続先をしっかりチェックしていたら、IOSYSピンのルーコンを発見しました。このピンはLowにしなければならなかったのに、浮いていたので動作しなかった訳です。これが解って、基板そのものは間違いがないことが再確認できました。めでたしめでたしです。これが今年の9月の始めのことでした。あとは一気呵成に3台(合計4台)を仕上げて完成と相成りました。ちゃんちゃん(終)。