世の中にはすごい人もいるものです。今回紹介する基板は、大変なポテンシャルを持っています。このようなシステムをキット化できる方は、本当にすばらしいです。エンジニアというのはこのような方をいうのでしょう。もう、尊敬尊敬で言葉もありません。と、ただただ感心していても、ここを覗いた方にとっては「？？？？？」でしょうから、そのすばらしさについて、拙サイトでできる限り説明していきたいと思います。

　ことの発端は、しばらくぶりに覗いたOjisannkoubouのアナウンスでした。ここは、以前から定期的に拝見していて、「いいなぁ、こんな作品の基板や主要部品が手に入れば、真っ先に食いつくのに・・・・」と思っていたら、なんと、キットを配布していただけるというのです。これはなんとしても製作しなければと思いながら、気がついたら、メールを出して、インターネット銀行振り込みのクリッククリックです（笑）。

さて、数日後にセットが送られてきました。

きれいにまとめられたパーツ類

　ちょっと見づらいですが、上の写真のように部品種別毎に大きなビニル袋、その中は同じ定数の部品（ＣＲＬ）ごとに小袋に入れられて、さらには小袋毎に定数を印刷したシールが張ってあり、このような丁寧な作業にびっくりしてしまいました。中を覗くと、チップ部品の多くは２０１２と１６０８サイズで、特に１６０８はいままで使ったことがないので、なかなか手ごわそうな感じです。１００５になると、もうギブアップに近いですが、最近は０８０４なんていう恐ろしいチップ部品もあるとか・・・・・。さらには、お決まりの０．５ｍｍピッチ１００ピンのＦＰＧＡ、６４ピンのＡＲＭ-７マイコン、バッファ類、Ａ/Ｄはそれでもちょっと安心の０．８ｍｍピッチと、手ごわそうな相手が袋詰めされています。老眼の私には（まだ、手は震えませんが（大笑））、相当にチャレンジブルなキットです。

基板上面

　これが基板です。シルク印刷の精度が高く、ほとんど、回路図に頼ることなく部品実装ができそうです。何回か試作されたのでしょう、よくこの小さな基板（８０×１００ｍｍ）の中にこれほどの部品を搭載できたと、ただただ感心しきりです。もう、これはアマチュアレベルの作品ではありません。

基板下面にＣＲＬを実装

　これは、裏面の様子で、ＣＲＬを搭載し終わったところです。チップ部品のシルクはＣＲＬごとに記号と部品番号が書かれています。これで、チップ搭載時に殆ど間違えることはないでしょう。このパターン面ですごいと思ったのは、ＣＲＬのパッド面にスルーホールが切ってあって、表面とつながっています。これは、配線面積の低減に大きく貢献してるのではないでしょうか？さて、ここまでは、すんなり搭載できたと思ったのですが、難物は集合抵抗でした。これは、表裏で全部で６個あるのですが、なれないと半田の載りが悪く、一回はうまく搭載できずに、パターンを壊すか！？というとことまできましたが、なんとか取り外して再度搭載して事なきを得ました。こいつは一番ヒヤヒヤしたパーツです。次はアンチエイリアスフィルタ用の0.27μＨの円筒形チップインダクタです。これは下手に半田づけすると、頭（半田面）がもげてしまいます。私も一箇所やりましたが、そーっとマウントして、半田で固めてしまいました。導通はあるので、ここでは問題なかろうと思っていました。（うーん、あとで、これが影響しているかもしれないという場面があります（笑））。

とりあえず実装完了・動作確認

　上図は一通りのパーツを搭載して、ほぼ完成といったところです（μＳＤカードのインターフェースは除く）。実は、ここまでは、大変親切なマニュアルのとおりに実行「できれば」結構スムーズに行きます。もちろん、０．５ｍｍピッチの多ピンＬＳＩのマウントは最大の難所で、これができないと先に進めないのですが、マニュアルによれば、各ブロックの主要部品搭載時に、そのブロックの動作試験を行えるようになっていますので、製作途中でも「ここまでは動いている」という安心感があります。これが、部品搭載が最後まで終わらないとチェックができないのでは、「部品搭載がうまくなくて、どこかおかしいかも」という不安があるように思います。このキットではそれが無いのは、心理的に大きく違うと思います。

100pin FPGAの実装例
さすがに老眼の進んだ昨今では手ごわいゼ！




集合抵抗の実装例
一度搭載に失敗したがなんとかリカバーして異常なし！

近傍スペクトラム例

　このキットのすごいところをすこし紹介しておきます。このキットはどんどん成長・改良が続くようなのですが、組み立ててみて「これは！」と感心するところが何箇所かありました。まずは、スペクトラムアナライザに関してです。上図は水晶発振器の近傍スペクトラムです。基本波は-10ｄＢくらいのところですが、１ｋＨｚ離れの雑音レベルを見ると-110〜-120ｄＢの間になっています。これは一回のスイープ結果なので、平均化処理ができると（←うーん、ＷＥＢマスターのバージョンアップを期待してしまいます）、平均値は見た感じ、-120ｄＢに近い領域でしょう。基本波から差し引き、Δでみると110ｄＢちかく行きそうです。ＲＢＷが12.5Ｈｚとのことなので、1ＨｚあたりのＣ/Ｎは120ｄＢｃを超える？くらいになっているようです。これは、もしかすると私のスペアナよりも高性能かもしれません。デシメーション処理の結果でしょうが、このあたりの性能が出てくると、近傍ノイズ特性を求めて、高価なスペアナを求める必要がなくなるかも知れません。最近は測定対象が広帯域化しているのか、狭い帯域の測定できる良質なスペアナはかなり高額です。その意味で、このキットは廉価ですばらしい特性を提供してくれていると思います。

＜スペアナ（続き）について＞　【2009.8.16】

　シリーズ初回のアップはいつも触りだけしか書かないので、どうも見ている方はじれったいと思うでしょうから、すこしスペアナについて追加しておきたいと思います。とっかかりの特性が好感触だったので、まずはケースに入れてみることにしました。部品棚を探すと、昔、なにやらオーディオのアクセサリを作ろうと思って買っておいた手ごろなケースが見つかりました。ちょうどいい大きさなので、ちょいちょいと穴あけして基板を固定してみました。左からオーディオＳＧ出力、トラジェネ/ＨＦ-ＳＧ出力、ロジックアナライザ入力（１６ビット）、信号入力（スペアナ、ＶＮＡ、オシロスコープ）、ＬＥＤの順番ですが、仮止めなので、基板端子以外は接続してありません。右側の銅の網目状の箱はこの文脈では無視してください（笑）。

仮のケースイン

　この状態で、入力開放で、フルスパンでみると、あれま、とんでもないスプリアスが観測されます。これは、後に述べるシールドはなし、金属箱入りという状態です。スプリアスは１０ＭＨｚごとに出ているのですが、掲示板でも議論のとおり、Ａ/Ｄコンバータの入力にあるアンチエイリアスフィルタ（のインダクタンス）への飛び込みだとのことです。実は、ケースに入れない状態ではノイズレベルをちょっと超えるくらい（-90ｄＢ〜-85ｄＢ）近辺のスプリアスだったのですが、これを見て、まさに「ぎょえ〜〜」です。これだと、近傍スペクトラムだけしか観測対象にならないかも・・・・と思っていたところ、みなさん、思いは同じなのか、掲示板にこの話題が出ると、ＷＥＢマスターが即座に対応して、スペアナ時に不要な内部発振器をオフするように、プログラムしていただきました。さすが！

私のこのケースは、塗装のために基板とＧＮＤ接続ができていないのと、パネルとカバーも電気的につながっていないので、単なる「反射板」の役目しかしていないので（＝いいこと無いじゃん！）、後で各コンポーネンツを「電気的に」接続する必要があります。これも、特性悪化の大きな原因でしょう。（と涼しげな様子はいったい何？）

スペアナのスプリアス（ケースイン、シールドなし、プログラム変更前）

　実は、ＶＮＡでも内部信号をかぶってしまうとまずいと思って、ユーザが独自にできるところはシールドしておきました。下図の右側がトラジェネの出力、左がＡ/Ｄの入力のアンチエイリアスフィルター部分です。あらかじめアースパターンが露出しているので、ここをうまく使って、銅箔テープでシールドしてみました。一部銅板も強度確保のために使っています。

表面のシールドの様子

これは裏側です。完全にシールドできているわけではなく、支柱のないところは、すこし空間がありますが、私の工作力ではこれが限界です。

裏面のシールドの様子

　プログラム処理の改善とシールド施工効果で、ケースに入れても十分な特性を得ることができました。下図は、その様子です。ＲＢＷを小さめにしてフルスパンを見ています。大きな目立つノイズは-100ｄＢ以下なので、これで十分な特性ではないかと思います。通常使う領域では問題なさそうです。

スプリアス低減（ケースイン、シールド有り、プログラム変更後）

　さて、話を変えて、どこまで狭帯域の観測ができるかも見てみました。先の水晶発振器で、スパンを２ｋＨｚ、ＲＢＷ１２．５Ｈｚという設定が以下の図です。かなり見られる波形ですね。これで、平均化処理ができれば、もう怖いものなしだと思います。

狭帯域の測定例

　いずれにしても、この小さな基板で、ここまでできるのは、本当にたいしたものです。まだまだ、機能はたっぷりありますので、気のついたところを追加していくつもりです。

＜スペアナのダイナミックレンジ＞　【2008.8.28】

　しばらく、ＦＰＧＡのＦＭ　ｔｕｎｅｒをいじっていたので、こちらをかまってやれなかったのですが、ちょっと気になることがあったのでデータを取ってみました。実は、なんぼなんでも↑の測定例でノイズフロアが-110ｄＢなんて書きましたが、この領域は本当にリニアなのだろうか？ということです。なんせ、Ａ/Ｄは１２ビットですから、何も処理しなければ、扱えるレンジは６×１２＝７２ｄＢのはずです。ちなみにＳＦＤＲは８０ｄＢ（ｔｙｐｉｃａｌ）です。そうなると、相対値で１００ｄＢを超える領域の信号（ノイズ）を測定できるはずがありません。そこで、上の条件でスペアナ表示のリニアリティを測ってみました。

スパン５ｋＨｚにおけるレベル表示のリニアリティ

　これがその図です。スパンを一定にして、ＲＢＷ毎にリニアリティを測っています。これは面白い図だと思いました。RBW最小の１２Ｈｚではほぼ直線にのる領域は85ｄＢくらい、スペアナ表示値で-90ｄＢくらいまでです。これ以下の領域ではRBW=１２Ｈｚではまったくでたらめな表示になります。ということは、近傍スペクトラムの図の-90ｄＢ以下の表示は当てにならないということになります。この図はそれらしい表示なので、すっかり信用してしまいましたが、実力はこのくらいです。

一方、ＲＢＷを上げていくと、たとえば、１００Ｈｚではかなりリニアな領域が広がり、ちょっと無理があるかもしれませんが、１００ｄＢくらいの領域に広がってるように見えます。ＲＢＷが多いほうが、雑音帯域が大きいですから、一種のディザ効果によって、リニアリティが上がったと考えるのでしょうか？そのあたりの原理にいまいち自信がありません。ただ、このＲＢＷだと、波形表示がなまったものになり、ちょっと興ざめになります。

デジタル処理の場合、デシメーションによるノイズ減、ディザによるリニアリティ向上というテクが使えるらしいのですが、実際に特性を取った時、「この改善の理由はそれ、それの改善の理由はこれ」と即座に理解できるようになりたいものです。

＜スペアナのＩＭＤ＞　【2009.9.5】

　さて、↑のようなことが気になりだすと、このスペアナ機能のＩＭＤを測りたくなってしまいます。このスペアナの場合、入力信号をダイレクトにＡ/Ｄ変換しているので、このＡ/ＤのＩＭＤを測るようなものですが、いずれにしても、測っている信号が正しいのか、歪を含んだ波形なのか、意識しておきたいと思うのは自然な流れです。

　ということで、いつもの２-Ｔｏｎｅ信号をスペアナに入力してみます。入力信号は周波数が8ＭＨｚ+/-20ｋＨｚでレベルが-7ｄＢｍ（実測）×２です。入力レベルは「Ｏｖｅｒ」表示の出ない最大の値に選んでいます。この状態で、3ｒｄＩＭＤを測定すると、下図のようになります。

スペアナ自体のＩＭＤ測定例

　３ｒｄＩＭＤ比は（78+79）/2＝78.5ｄＢなので、ＩＩＰ３＝-7+（78.5/2）＝32.25・・・32ｄＢｍ　というかんじになるようです。ここで、３ｒｄＩＭＤの測定領域である、スペアナ表示が-90〜-95ｄＢの領域ではリニアリティが確保できています。波形をみると、いかにもＦＦＴスペアナですというかんじですが、これ以上ＲＢＷを小さくすると、この領域のリニアリティが怪しくなります。また、Ａ/ＤのＩＭＤの出方が３乗則に従うかどうかは未確認（というか測れない・・・・これ以上信号を下げると、ＩＭＤが見えないし）ですので、ＩＩＰ３＝32ｄＢｍという値も確定値ではありませんので、目安として考えていただければと思います。

　周波数依存性はあるのだろうなと思って、高い周波数でどうなるのか見てみました。このスペアナは３０ＭＨｚが測定範囲の上限に指定されていますが、２８ＭＨｚで測ってみました。これを以下に示します。ＩＭＤが１０ｄＢくらい増えて、ＩＩＰ３は５ｄＢくらい減少しているようです。

スペアナ自体のＩＭＤ測定例（２）

＜ネットワークアナライザ機能＞　【2009.9.13】

　次なる特性測定項目はネットアナです。このネットアナはＳパラメータを測るような高級なものではなく、ＤＵＴの振幅/位相、遅延を表示するタイプですが、私が使うにはこれで十分です。この周波数領域で、詳細な測定パラメータをと設計パラメータをつき合わせて、高級な設計をすることはありませんので。ということで、同様な機能を持つスペアナと比較してみることにしました。

　まずは低い周波数領域の代表として、455ｋＨｚのメカニカルフィルタです。これは、ＴＲＸに使っている八重洲純正でＣｏｌｌｉｎｓの銘の入っているものです。スペアで持っていたようです（って、しばらく存在を忘れていました）。

455ｋＨｚ　メカニカルフィルタ　（Ｃｏｌｌｉｎｓ？）

　これの特性を以下に示します。ずいぶんとスカート特性が甘いし、なんだか帯域内のリップルも多めだなぁ、測定値は本当かしら？という感じに測定されています。振幅のリップルをみると、それに対応するようなところで群遅延特性がうねっています。減衰域にかかる振幅の遷移領域は急峻な変化なので、この図をみると、どうもきれいに整合が取れているようには見えません。以前、と同じような測定をしたことがありましたが、そのときに比べてうまい整合ではないように思います。少し、考えてみないといけませんが、今回は測定後、すぐに使用するわけでもないのでこのままとします。

455ｋＨｚ　メカニカルフィルタ　（Ｃｏｌｌｉｎｓ？）　ＡＰＢ-1の測定例

　ところで、この特性は、どこまで確からしいのか、ＴＲ4171と比べてみます。このスペアナは格安ジャンクなので、そもそも測定値が正しいのかまったく保証がないのですが、とりあえず、比較してみましょう（笑）。上図と比べると、かなり似通った波形が得られています。ただ、帯域外の減衰量は、スペアナには及ばないようです。

455ｋＨｚ　メカニカルフィルタ　（Ｃｏｌｌｉｎｓ？）　ＴＲ-4171の測定例

　ということで、今度は9ＭＨｚのＸＦ↓について見てみます。これは、真空管式ＴＲＸで遊ぼうとおもって、途中で挫折中のものです。そのうち手をつけようと思っていても、あとからあとから面白いネタが出てくるので、着手できるのかまったく見通しが立っていません（笑）。

9ＭＨｚクリスタルフィルタ

　これが測定結果です。なんだかちょっとへんな感じがするなぁ。そうです、帯域外の減衰量が７０ｄＢくらいしか取れていません。センターより上側の周波数においては60ｄＢです。そんなに悪いはずはないと思っていました。

9ＭＨｚクリスタルフィルタ　ＡＰＢ-1の測定例

　と思って、スペアナでみると、↓の図に示すようにやっぱりフィルタ自体の帯域外減衰量はしっかり取れています。自作ＡＰＢ-1のネットアナの特性がここまで及んでいないということなのでしょう。それから、ＡＰＢ-１とスペアナでは整合状態も異なるようで、ＡＰＢ-1では振幅、遅延共に暴れている様子が見て取れます。この辺の改善は今後の課題ですね。

9ＭＨｚクリスタルフィルタ　ＴＲ4171の測定例

　それでは、ということで、ＡＰＢ-1のネットアナモードで、ＴＧ　ＯＵＴ、Ｓｉｇｎａｌ　Ｉｎｐｕｔのいずれも５０オームで終端した場合のリーク特性を見てみました。ＲＢＷ＝２００Ｈｚでは案の定、-80ｄＢくらいのところにフロアがありました。私の作り方が悪くてこのＴＧのリークが生じているのだろうと思いますが、このキットの規模でここまで測定できるということに素直に感動したいと思います。トラジェネを厳重にシールドするか、別筐体にして、なおかつ処理系のダイナミックレンジを拡大するのは大変で、これ以上に特性向上を期待すると、大幅な回路構成の再検討が必要になると思います。

ＴＧのリーク

＜リーク特性の改善＞　【2009.9.20】

　ＡＰＢ-1のサポート掲示版を見ていたら、面白い記事がてていました。ネットアナのリークを減らすために、ノイズフィルタのフェライトをリーク/ノイズ発生源にかぶせてしまえ！というアイデアです。昨日、ＡＫＩＢＡをぶらついていて、ちょうどいいぱっちんノイズフィルターが安価で見つかったので購入してきました。

ぱっちんノイズフィルタ

　これ↑がそのフィルタです。＠５０円だったと思います。ＴＤＫの正規品は、もう少し大きなものが＠４８０円の値札がついていたので、どうしようかと思いましたが、安さには抗し難く、こっちを買ってしまいました。効果がなければＴＤＫのものを買ってみればいいや・・・てなのりです。あまり急いでいませんので。

設置市は状態

　掲示板を参考に、フェライトの中身を取り出して、リークの発生源と受信部に「かぶせて」みました。別に固定はしていません。

ぱっちんノイズフィルタ設置後の9ＭＨｚＳＳＢフィルタ特性

　これで、例の９ＭＨｚのＳＳＢフィルタを測ってみたのが↑の図です。以前に比べて、帯域外減推量の改善が見られます。フロアは５ｄＢくらいの改善ですが、どうも、これは、ＴＧのリークを受けているのは別の原因があるのでは？と考えています。というのも、↓

ぱっちんノイズフィルタ設置後のＴＧリーク特性

　この図は、入出力を５０オームのターミネータで終端して、リークを測ったのですが、このとおり、以前に比べて-20ｄＢも改善されて落ちています。ＲＢＷは200Ｈｚなので、この帯域なら振幅レベルの信頼度は比較的高い領域です。にもかかわらず、9ＭＨｚフィルタの帯域外減衰量の測定値がＴＲ4171の領域まで到達しないのは、フィルタの減衰域ではネットアナと入出力の整合がうまくいかずに、ＤＵＴをつないだ正規のルート以外からもれているのかも知れません。このあたりは、時間があればおいおい調べてみようと思います。

＜信号発生器の純度＞　【2009.9.18】

　さて、今回のネタは信号発生器の純度です。この多目的測定器の信号発生器は、察するところ、ＦＰＧＡで数値制御発振器（ＮＣＯ）を構成して、その１０ビット出力を外部のＤ/Ａコンバータでアナログ変換しているようで、トータルではＤＤＳの動作をしていることになります。Ｄ/Ａのビット数が１０ビットで165Ｍｓｐｓなので、ＤＤＳチップで言えばＡＤ9851と同等な能力を有しているのではないでしょうか。その信号純度が以下のような感じに観測できます。いつものスパンが５ｋＨｚで測定しています。ＳＳＢ帯域で使えるかどうか見るため、最近は近傍特性はスパンを５ｋＨｚで観ています。この写真にあるとおり、近傍特性はかなりきれいです。ＡＤ9951にもあまりひけをとりません。さすが、ＤＤＳ（ＮＣＯ+Ｄ/Ａ）です。

10ＭＨｚの信号純度
SPAN:5kHz RBW:30Hz

　次にワイドスパンでみてみます。スパン４０ＭＨｚですが、３次の高調波がちょこんと-７０ｄＢくらいに見えるだけで、かなりりきれいだといえます。通常のＤＤＳではあまり考えられない良好なスプリアス特性です。

10ＭＨｚの高次スプリアス
CENTER:20MHz SPAN:40MHz RBW:100kHz

最後に、周波数を３０ＭＨｚにアップして近傍特性を観てみます。このとおり、ノイズフロアは殆ど変わらず、良好な特性です。キャリアは十分な純度を有しているといえそうです。

30ＭＨｚの信号純度
SPAN:5kHz RBW:30Hz