迷走の果て・Tiny Objects

迷走する日々の覚え書きです。自分で分かってることは省略してますので、念のため。

DABPを使った発振回路(4)ランプ変更(修正版)

【間違いがあったので修正しました】
ランプを変更しました。
ネットで検索していて偶然見つけました。
小糸製作所のE1543、モノタロウで購入
10個入り、こんなに必要ないんですが・・・。一番右のは外したランプ。

定格28V40mAですが、E1660:定格28V30mAというのがあるのを後で知りました。
ランプとして使うのではなく、振幅制御として使うので電流値は少ないほういいのです。いまさら買い足す気はありませんが。

5Vを印加したときの電流値を測ってみましたが、12.9mA~13.2mAの範囲に収まってました。

実験の様子、下の黒い台は居酒屋ガレージさんの「はんだ付け補助ツール:文鎮」「男の黒」です、とても便利ですよ。
DABP_OSC基板20170918


回路図を書き直し。U1bとVR3は測定時に便利なように追加。
DABP_OSC回路20170918



スペクトル。
DABP_OSC_4580DD_LAMP_KOITO_E1543.jpg

オシロでの波形、VR3は最大にしてあります。
TP-Bは3.9Vp-p、TP-Cは3.2Vp-pとなってます。同じになるはずだと思ってましたが、そうなってません。
TPB_TPC.jpg


ESR(等価直列抵抗)の影響かもしれません。

ESRについてはリンクさせていただいているセピーナさんの
誤解している人が多そうなコンデンサの“ESR”の意味
が参考になります。

0.047μFのキャパシタを外し、以前に買ったMTesterで測ったところ、ESR=18Ωと出ます。
ESR.jpg

MTesterがどのようにしてESRを測っているのかわかりませんが、これを元にシミュレーションしてみました。
out1がESR無し、out2がESR有りです。
LTSpice.jpg

シミュレーション結果、out2はout1に比べて2.5dBほど低下してます。
LTSpice_sim.jpg

先の実験では3.9Vp-p -> 3.2Vp-p となったので1.7dBの低下ですから、シミュレーションとは一致しません。
ESRは一定ではなく周波数によって変化するということですので、MTesterの数値を使ったシュミレーションと違っていても当然かもしれません。


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DABPを使った発振回路(3)LEDからランプ制御へ

2次高調波を減らせないかとあれこれやってます。
LEDの下にある3x3の丸ピンソケットは、LEDのバランス調整用の半固定抵抗を取り替えて2次高調波が減るかどうか試すためですが、あれこれ変えても結果はダメでした。
22μFのバイポーラコンデンサを直流成分をカットするために入れてみましたが、これもダメ。


2次高調波はLEDリミッタの問題ではないようです。確認のため振幅制御に手持ちのランプを使ってみました。
DABP_OSC_Lamp回路

ランプの取り付け、ソケットが無かったのでスズめっき線を巻きつけました。
Lamp取り付け

かなり以前にデジットで買ったランプ、定格24V25mAですが、今もあるかどうかわかりません。
Lamp24V25mA.jpg

スペクトル。3次高調波は減りましたが、2次高調波のレベルは変わりません。
発振が安定するまで振幅が波打ちます。ランプ任せなので仕方の無いことですが。
Lamp制御

どうやら2次高調波はDABP側の問題のようですが、理由がわかりません。

ちょっと頭冷やします。

【追記】
昨日で64歳になりました。
64=0b01000000
ですから二進数ではキリのいい数字です、それがどうしたと言われたらそれまでですが・・・。

DABPを使った発振回路(2)

前の記事で高域発振はデュアルオペアンプのクロストークの影響かもしれないと書きました。
確認のため実験しました。

まだオペアンプは載せてませんが。
DABP_OSC2基板


GICを構成する二つのオペアンプに別々のデュアルオペアンプを使いました、これでクロストークの影響を確認できます。

結果はダメでやはりNJM4580では高域発振します。
クロストークの影響でありませんでした。

あれこれ考えた末に、R4とR5をそれぞれ1KΩにしたところ(以前は5.1KΩ)、高域発振はなくなりました。
DABP_OSC5_201709030540587f6.png

「R4とR5は同じにしておけば値は問題ではない」という記事を見たことがありますが、広帯域のオペアンプが無かった昔々の話でしょうか?
この二つの抵抗はネットで見ると10KΩを使ってることが多いようです。発振に悩まされてるという記事もありました。

残念ながら、この抵抗の値によって高域発振したりしなかったりする理由が私にはわかりません。

なおVR2は二次高調波を減らせるかもしれないと思いつきで入れただけです。効果はまったくありませんでした。
もう少し大きな値が必要かと思います。

DABPを使った発振回路

DABPはバンドパスフィルタですので振幅制御して入力と出力を繋げば発振するはずです。
そこで下図のような回路で実験すべく久々にデジットでお買い物。
ところがコンデンサを買い間違えてしまいました。
やむなくC1、C2は回路図上では0.047μFとなってますが、実際は手持ちの0.1μFを使ってます。
振幅制限は簡単にLEDリミッタとしました。またBPFとしてのQは30です。



DABP_OSC基板


WaveSpectraで測定。
THDは0.01%を切ってます。2次高調波が大きいのですが、リミッタが正負対称になっていないのかもしれません。LEDは特に選別はしていません。あるいはオペアンプの出力にオフセットがあるからかもしれません。
VRを調整してなるだけ高調波が少なくなるようにしますが、やりすぎると発振が停止します。
発振停止寸前まで追い込んでやると今度は電源投入から振幅が安定するまで時間がかかります。
私の実験では20秒ほどかかりました。
DABP_OSC.jpg

気になるのは中心周波数±30Hzぐらいにある二つのピークですが、これが出る理由がわかりません。
300Hz_700Hz.jpg

オペアンプは当初NJM4580DDを使いましたが、数MHzで発振しました。
500Hzぐらいで発振してますが、高い周波数での発振が混ざってます。
DABP_OSC異常発振

拡大してみると、4MHzぐらいの発振です。
DABP_OSC異常発振拡大


利得帯域幅積 はLF412が3MHzなのに対し、NJM4580DDは15MHzと広帯域です。
デュアルオペアンプはクロストークがあるのでその影響かもしれません。特にGICのような両入力端子を使っている場合は余計に影響を受けやすいのではないかと思います、定量的な話が出来ませんが。

周波数を可変にしようとするとちょっと厄介です。R2とR3を二連ボリュームにすればいいように思いますが、それではBPFのQが変わってしまいます。当然THDも変わります。
C1もGICで可変にすればQを変えることなく周波数を可変に出来ますが、そこまでやるなら状態変数型のほうがいいでしょう。

スポットオシレーター向きといえます。



DABP(Dual Amplifer Band Pass)フィルタとGIC(Generated Immitance Converter)の解析

DABP回路図
回路1はDABP(Dual Amplifer Band Pass)型フィルタで、前から知ってはいたのですが、ちゃんと調べてませんでした。
接続がどうもややこしそうだったのですが、書き直してみると回路2になりました。これならわかります。
右側がGIC(Generated Immitance Converter)になってます。この回路2のGICはインダクタと等価です。
したがって回路3のようにLCによる共振回路になっています。(OUTについてはあとで書きます)

GICは以前に取り上げたことがあります。
GICによる電子インダクタの実験

ちゃんと解析していなかったので、この際やってみようと思いましたが、すでにWebにありました。
徳島大学の川上博氏のOSillators.pdfです。
8ページから10ページにかけてGICの解析があります。10ページから引用します。

GIC原理

注意すべきは各オペアンプの+及びー入力が負帰還により仮想短絡されているという条件で式が組まれているということです。
出力が飽和していては条件が成立しません。

回路2のOUTは図6の回路のv3になります。またv4=0です(接地されている)
したがって
v3=(1+Z4/Z5)v1
Z4=R4、Z5=R5ですが、R4=R5とすると
v3=2v1
となります。したがって回路2の中心周波数におけるゲインは2となります。
A=2
ω=1/sqrt(C1C2R2R3)
Q=R1sqrt(C1/(C2R2R3))

C1=C2=C、R2=R3=Rとすると
ω=1/CR
Q=R1/R

参考文献
OPアンプによる実用回路設計
馬場清太郎氏 著

百均のUSB LED電球(2)

コメントを頂いたのでダイソーのLED電球も買ってみました。
LED電球ダイソー1

電球色のLEDがなんと10個、電流制限抵抗はミーツのと同じく18Ω。でもこれだと電流値はパソコンのUSBポートの制限超えるんじゃ??私はモバイルバッテリーで点灯させてみましたが。
LED電球ダイソー内部

大きさの比較、左のダイソーのが一回り大きいですね。
LED電球比較1

色の比較、うまく写らんのですが、左のダイソーのは電球色です。こちらのほうが目に優しい感じです。
LED電球比較2

ばらして何かできないかと妄想中。
前に店の電飾をやったんですが、小さいんで目立たなかったです。
これならたくさん並べたら目立つだろうなぁ。でもそうなると電源の問題が・・・。

百均のUSB LED電球

近くの百均(ミーツ)で見付けました、USB接続のLED電球。

LED電球2

LED電球1


即バラシ(汗)、白色LEDが五つ、電流制限抵抗は18Ωです。

LED電球内部1


中はスカスカ、調光回路を組み込むのも簡単そうです。

LED電球内部2

光らせて抵抗の両端電圧を測ってみたら約1.5Vでした。電流は約83mA、全部で約420mAとなります。
箱には消費電力最大4Wと書いてあります。実際には2W程度なのですが。

さて、調光回路はどうしようか、あれこれ考え中。
ボリュームで明るさを調整するとなると、Arduino持ち出せば簡単なのですが、それとも久しぶりにPSoC1にするか、アナログ回路で組んでみるか・・・。

状態変数型バンドパスフィルタ(2)

A Beginner's Guide to Filter Topologies

以前にも参考にしたことのあるWebページです。
ページの中ほどにState Variable Biquadについて書かれてます。
3オペアンプタイプと4オペアンプタイプです。

今まで何度か取り上げてきたのですが、解析が中途半端でした。
A(利得)=1の場合についての結果を記録しておきます。(導出過程は省略します、手書きの汚いメモならありますが・・・)
State variable Biquad
上の回路のLTSpiceファイルはこちら、保存後、適当なファイル名をつけ、拡張子をascに変更してください。

3オペアンプタイプはネットで見ると発振回路によく使われてるようです。
R11のところに2SK30などのJ-FETを使って振幅制御をします。
Qを大きくしたときにR11の両端電圧は小さくなります。
上の回路図ではQ=10ですが、分圧比は1/21です。Q=30なら1/61です。
J-FETを使って振幅制御をする場合、歪を抑えるため両端電圧を小さくする必要があるのでかえって都合がいいようです。

【追記】J-FETを振幅制御に使ったWebページ
The Art of Analog Circuitsさんの2006年8月20日の記事、2SK30AでAGC
アナログエンジニアさん、電圧制御可変抵抗
EDN Japan、外付けFETの“電子抵抗素子”でゲイン制御アンプを実現、AGCにも応用可能

状態変数型バンドパスフィルタの解析、発振回路に応用するため。

バンドパスフィルタは入力と出力を繋いでやれば、発振します。
ただし位相条件と振幅条件があります、位相が2*pi*n(piは円周率、n=0,1,2...)でゲインが1という、バルクハウゼンの条件です。

状態変数型発振回路は過去に何度か作った事がありますが、状態変数型フィルタについてちゃんと解析していなかったので、整理を兼ねて書いておきます。

下図のような回路とします。
状態変数型バンドパスフィルタ
V3はバンドパスフィルタ出力となります。

結果です、LibreOfficeの数式エディタを使いましたが、慣れないせいか面倒でした。
式(2)の導出過程は省略してます、間違いがあるかもしれません、念のため。
発振回路として使いたいので、A=1での回路定数の条件を求めています。

振幅条件に位相条件(すなわち発振周波数)を決めるCRが入っていないのがありがたいところで、これがウィーンブリッジだと両方に入ってしまうんですね。

Qの値はいくらでもいいように思いますが、高調波除去のためには大きいほうがいいです。

状態変数型バンドパスフィルタの解析

CJMCU Beetleを試す

CJMCU Beetleを購入。
前の記事のSS MICROと同じUSBに挿せるタイプで、ATmega32U4を使ってるのも同じ。



違いはUSBポート・ATmega32U4間に22オームが入ってること、サージアブソーバ(多分)が入ってること。
なお3.3Vのレギュレーターはありません。

ATmega32U4のデータシート6ページ目にはこのようにあります。

2.2.8 D-
USB Full speed / Low Speed Negative Data Upstream Port. Should be connected to the USB D- connector pin with a serial 22Ω resistor.
2.2.9 D+
USB Full speed / Low Speed Positive Data Upstream Port. Should be connected to the USB D+ connector pin with a serial 22Ω resistor.


「22Ωを直列に入れるべきです」ということなんでしょうが、先の記事のSS MICROには入ってませんでした。

さてこのCJMCU BeetleですがArduino IDEではボードをArduino Leonardoとしたらちゃんと書き込めました。
今元気にLチカ中・・・。

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