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Memorandumの小部屋

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プラスもマイナスも「Bipolarizer」の巻

 

 アナログ信号を扱う「Kuman Updated XR2206 Signal Generator Kit (K76)」、「XR2206使用ファンクションジェネレーターキット (K-03080)」や「ADALM1000 アクティブ・ラーニング・モジュール(アナログ学習ツール) (M-13086)」などは安価でお手頃な基板や測定器ですが、そのままではプラス信号(単極性信号)しか扱うことができないという制限があります。

 例えば、「ADALM1000」では普通のオーディオ信号(交流信号)を直接入力しても正しい波形を観測することができません。 「ADALM1000」のCH  A入力に正弦波、1kHz、1Vpp信号を直接入力した場合の波形観測結果は以下のようになります。  0V以下の波形を観測することができません。 また、入力信号のマイナス電圧部分は、信号源や「ADALM1000」入力回路に対して悪影響を及ぼす可能性があります。

 

正弦波 1kHz 1Vpp信号入力

【 「ADALM1000」CH A観測例(信号直結) 】

 

 この対応方法として、CH A入力〜2.5V出力間にプルアップ抵抗を接続してオーディオ信号出力〜CH A入力をキャパシタ結合することで、ほぼ正しく波形を観測することができます。 例えば、プルアップ抵抗10kΩ、キャパシタ10μFで観測すると以下のようにほぼ正しく波形を観測できます。 ただし、入力信号に含まれるDC成分の観測はできません。

 

正弦波 1kHz 1Vpp信号入力

【 「ADALM1000」CH A観測例(キャパシタ直結) 】

 

 なお、キャパシタ結合しているため入力信号のDC成分の観測や、低い周波数の波形を正しく観測できないなどの欠点もあります。 例えば、正弦波、1Hz、1Vppの入手信号は振幅が小さく観測されて約0.5Vppの正弦波として観測されます。

 

正弦波 1Hz 1Vpp信号入力

【 「ADALM1000」CH A観測例(キャパシタ直結) 】

 

 三角波などの高調波成分を含む低い周波数の信号の場合は、波形自体が変形して観測されます。 例えば、三角波、1Hz、1Vpp信号は、振幅が小さくなるだけではなく、 波形も正しく観測できません。

 

三角波 1Hz 1Vpp信号入力

【 「ADALM1000」CH A観測例(キャパシタ直結) 】

 

 そもそもプラス信号を前提にした基板・機器でプラス・マイナス信号(両極性信号)を取り扱おうとすること自体に無理があります。 と、あきらめるのではなく、安価な基板・機器で低い周波数成分を含んだ両極性信号を取り扱えるようにする「Bipolarizer」(バイポラライザ)を製作してみました。

 「Bipolarizer」と堅苦しい名称にしていますが、とても一般的なゲイン・オフセット調整機能を有するオペアンプ回路です。  なお、「Bipolarizer」は造語です。 一般的に通用する単語ではないことを付け加えておきます。

 

− 目次 −

1.「Bipolarizer」の製作

2.「Bipolarizer」使用例1(交流信号→プラス極性信号変換)

3.「Bipolarizer」使用例2(DCレベル変換)

4.「Bipolarizer」使用例3(プラス極性信号→交流信号変換)

5.「Bipolarizer」特性確認1(Bode Plot測定)

6.「Bipolarizer」特性確認2(オペアンプ交換)

7.「Bipolarizer」特性確認3(ゲイン1時のBode Plot特性)

8.「Bipolarizer」回路変更

9.「Bipolarizer」製作時の隘路

 


1.「Bipolarizer」の製作

 「Bipolarizer」の仕様を以下のようにしましました。

 これらの仕様をもとに製作した「Bipolarizer」の回路図、外観を下記に掲載します。

 

上記回路図をクリックすると拡大回路図をダウンロードできます。

【 「Bipolarizer」回路図 】

 

【 「Bipolarizer」外観1 】

 

【 「Bipolarizer」外観2 】

 

 

【 「Bipolarizer」外観3 】

 

【 「Bipolarizer」外観4 】

 

【 「Bipolarizer」外観5 】

 

【 「Bipolarizer」外観6 】

 

 「Bipolarizer」 の利用に際しては、JP1の設定(非反転(Non−INV)、反転(INV)の設定)、オフセット調整、ゲイン調整が必要です。 実際にオフセット調整、ゲイン調整をしたところ、ゲインが大きい(最大約50倍)場合、オフセット調整が非常に困難でした。 ゲイン調整用RV2の500kΩは適切ではないようです。 ゲイン1程度での利用が多ければ、RV2は20kΩもしくは50kΩがよさそうです。  (後述の「8.「Bipolarizer」回路変更」にも回路定数に関する記述があります。)

 


2.「Bipolarizer」使用例1(交流信号→プラス極性信号変換)

 文頭に掲載した「ADALM1000」によるオーディオ信号等の観測を、製作した「Bipolarizer」 を用いて再度観測した結果を以下に掲載します。

 

正弦波 1kHz 1Vpp信号入力

【 「ADALM1000」CH.A観測例(キャパシタ直結) 】

 

正弦波 1Hz 1Vpp信号入力

【 「ADALM1000」CH.A観測例(キャパシタ直結) 】

 

三角波 1Hz 1Vpp信号入力

【 「ADALM1000」CH.A観測例(キャパシタ直結) 】

 

 上記観測のように、「Bipolarizer」 を用いることで、低い周波数成分のオーディオ信号でも振幅、波形ともに正しく観測できています。 また、波形の0Vレベルを観測範囲の中央値2.5Vdcに設定することができています。 この調整機能(オフセット調整)は交流信号の観測には欠かすことができ ない機能です。

 


3.「Bipolarizer」使用例2(DCレベル変換)

 「Kuman Updated XR2206 Signal Generator Kit」はDC電源(9Vdc)のほぼ半分のDCレベル(約4.5Vdc)を中心にして三角波(Tri)もしくは正弦波(Sin)を発生します。 そのため、「XR2206 Signal Generator Kit」の振幅が5Vdcを超えると「ADALM1000」で観測はできません。

 しかし、「XR2206 Signal Generator Kit」の出力信号に含まれるDC成分を「Bipolarizer」 のオフセット調整でDCレベル変換することで「ADALM1000」でも観測することができます。 ただし、観測できる交流成分の振幅は5Vpp未満の制限があります。 

 

「Bipolarizer」CN3の12Vdcから「XR2206 Signal Generator Kit」用の9Vdc 電源をつくっています。

【 使用例2 測定例 】

 

水色 : 「XR2206 Signal Generator Kit」出力波形  (1kHz)

黄色 : 「Bipolarizer」出力波形

【 「Bipolarizer」 DCレベル変換波形 】

 

 この黄色波形(「Bipolarizer」出力波形)を「ADALM1000」のCH.Aに入力して波形を観測した結果を下記に掲載します。

【 「ADALM1000」 波形観測例 】

 


4.「Bipolarizer」使用例3(プラス極性信号→交流信号変換)

 「XR2206 Signal Generator Kit」の出力信号のようなプラス極性のみの信号を「Bipolarizer」 を用いて0Vを中心とした交流信号に変換できます。 これは「3.「Bipolarizer」使用例2(DCレベル変換)」と同じ要領で、オフセット調整量を変えることで対応 できます。

 

【 使用例3 測定例 】

 

水色 : 「XR2206 Signal Generator Kit」出力波形

黄色 : 「Bipolarizer」出力波形

【 「Bipolarizer」 交流信号変換波形(10kHz) 】

 

水色 : 「XR2206 Signal Generator Kit」出力波形

黄色 : 「Bipolarizer」出力波形

【 「Bipolarizer」 交流信号変換波形(1kHz) 】

 

水色 : 「XR2206 Signal Generator Kit」出力波形

黄色 : 「Bipolarizer」出力波形

【 「Bipolarizer」 交流信号変換波形(1Hz) 】

 

 上記のように低い周波数成分の波形でも、波形の変化無く交流信号変換できています。

 


5.「Bipolarizer」特性確認1(Bode Plot測定)

 「高機能アクティブラーニングモジュールADALM2000 (M-14068)」を用いるとBode Plotを容易に得ることができます。 「Bipolarizer」 のBode Plotを最大ゲイン(約50倍)とゲイン1の2通りで測定した結果を紹介します。

 

【 Bode Plot 測定例 】

 

 周波数範囲10Hzから1MHzで測定しましたが、10Hzから1kHzの変化はわずかでした。 そのため、以下の測定結果掲載は周波数範囲1kHzから1MHzにしています。 最大ゲイン(約50倍)では小振幅入力信号0.2Vppとして出力約10Vpp、ゲイン1では小振幅入力信号0.2Vppと大振幅入力信号2Vppの2通りの計3通り で測定しました。

 なお、Bode PlotのグラフはMagnitudeとPhaseを一つのグラフに2軸でグラフ表示するのが一般的です。 今回は複数の測定結果をまとめて表示するため、MagnitudeとPhaseをそれぞれ単独のグラフで表示しています。

 


【 非反転アンプ(Non−INV)の場合 】

 


【 反転アンプ(INV)の場合 】

 

 出力に接続される負荷に対する依存性を確認した結果を下図に掲載します。 無負荷から2.2kΩの範囲ではBode Plotへの影響は無いようです。


【 非反転アンプ(Non−INV)の場合 】

 


6.「Bipolarizer」特性確認2(オペアンプ交換)

 「Bipolarizer」 では汎用のDIP14pin配列のオペアンプを使用しています。 そのため、同じピン配列のオペアンプに差し替えてBode Plotを測定してみました。 今回利用したオペアンプはTL084C、TL064C、LMC6484A、LM324N,LMV660CN,NJU7044D、LMV324の7種類です。 測定に際して、電源電圧と入力電圧振幅をオペアンプの仕様に合わせて変更します。

 

【 測定オペアンプ外観 】

 

【 LMV324 DIP化基板外観 】

 



【 非反転アンプ(Non−INV)の場合 】

 



 

【 反転アンプ(INV)の場合 】

 

 上記結果より、測定したオペアンプのなかではLMV324の特性が最もよい結果(高域の減衰・位相で比較)となりました。 ただし、パッケージがTSSOP14Pinのため、ユニバーサル基板やブレッドボードを利用する場合は変換基板の利用が必要となります。 変換基板を利用できない場合はTL084CNがよい結果となりました。

 


7.「Bipolarizer」特性確認3(ゲイン1時のBode Plot特性)

 「Bipolarizer」 ゲイン1時のBode Plot特性において、100kHz〜1MHzの範囲でわずかなピークが観測されています。 今までBode Plotを測定したことが無く、これが普通なのかどうか不明でした。 そのため、改めてピークが発生する部位を調査することにしました。 Non−INV設定の「Bipolarizer」の回路ブロックごとにBode Plotを測定した結果を以下 に掲載します。  

 



 

【 回路ブロック単位 Bode Plot測定合 】

 

  U1A(TL084C 14pin〜TP1間:オフセット調整回路)のピークが約3dBと最も大きく、U1B(ゲイン調整)も僅かではありますがピークが見受けられます。 U1D(初段バッファアンプ:ボルテージホロワ)は期待通りの0dBとなっています。 U1C(初段バッファアンプ:非反転)は漸増傾向にあります。

 この結果よりMagnitudeピークはU1A部(オフセット調整回路)起因と推測されます。 LTspiceによれば、現象的には(僅か)1pF程度のスピードアップキャパシタ(R5,R6に並列キャパシタ)が存在するような特性のように見えますが原因までは 特定できていません。 U1AもU1Bもほぼ同じゲイン1程度となっていますが、R5+R6≒100kΩとR11=10kΩの違いが起因ではないかと推測しています。 R5,R6、および、R10の抵抗値をゲイン調整回路と同様に1/10程度にすればMagnitudeのピークを相当減少することができると推測できます。

 なお、動作不安定を起こした初回製作時にはオフセット調整回路のR9(100kΩ)は設けておらず、替わりにノイズ除去目的にキャパシタ0.1μFを設けていました。 動作不安定対策時にはMagnitudeのピークに気付いていませんでした。 そのため、R9に並列にのキャパシタを追加してBode Plotを測定してみました。

 




 

【 反転アンプ(INV)の場合 】

 この結果より、R9にわずかなキャパシタを並列接続することで1.5dB程度のピークに抑え込めるようです。

 


8.「Bipolarizer」回路変更

  オフセット調整のやり易さ、Magnitudeピーク低減上記結果より、オフセット調整回路のR5,R6、および、R10の定数を見直すのが望ましいようです。 R5=R6=4.7kΩ、R10=10kΩくらいかなと思っています。 しかし、後述の「9.「Bipolarizer」製作時の隘路」に掲載している不安定動作調査の過程で基板のハンダ面に相当なストレスを与えているため、これ以上のハンダ付け直しをするとユニバーサル基板のランドが剥離する可能性が高く、見栄えが今以上に悪くなるはずです。 そのため、抵抗定数変更は止めてR9に並列にキャパシタC7=0,1μFを設けることにしました。

 以下に回路変更後の回路図、基板はんだ面外観とBode Plot測定結果(C7有無比較)を掲載します。

 

【 「Bipolarizer」 変更後の回路図 】

 

水色のキャパシタが追加したC7です。

【 基板ハンダ面外観 】

 


【 非反転アンプ(Gain=1)の場合 】

 


【 非反転アンプ(Gain=Max)の場合 】

 

 


【 反転アンプ(Gain=1)の場合 】

 


【 反転アンプ(Gain=Gain)の場合 】

 


9.「Bipolarizer」製作時の隘路

 「Bipolarizer」の製作完了までの道のりはとても遠いものでした。

 「Bipolarizer」の回路自体は普通の教科書にも掲載されている一般的なオペアンプ回路です。 最初の製作も数時間で完成しました。 通電してオシロスコープ「DS1054Z」で動作確認をすると、ほぼ期待どおりの動作をしてくれました。 その後、「Bipolarizer」の最終仕上げのため、ハンダ付け補強をして製作終了しました。

 製作終了後、いくつかの動作確認をして完成したと判断して、正式に様々な波形測定・記録を開始しました。 そのうち、Bode Plotを測定すると、最大ゲイン調整時になぜか27〜28dB(約22〜25倍)程度しかありませんでした。 回路定数上は約34dB(約50倍)あるはずですが、予想外の結果となりました。

 

【 当初のBode Plot測定結果 】

 

 この原因調査をする過程において時たまBode Plotがインパルス的な急変をする現象が発生するようになりました。 測定を繰り返し、時間の経過とともに動作が ますます不安定となりました。 最後には波形急変が頻発するようになり、「Bipolarizer」 特性測定どころではなくなり、動作不安定の原因調査にかかりっきりとなりました。

 不安定動作の症状がランダムな波形急変ということで、接触不良を疑い接触部を有する多回転半固定抵抗器の信号を観測しました。 オフセット調整用多回転半固定抵抗器RV1のセンタータップの波形を観測すると、案の定不安定な信号となっていました。

 

黄色 : +12Vライン AC結合 10mV/div

水色 : RV1センタータップ AC結合 100mV/div

ピンク色 : −12Vライン AC結合 10mV/div

【 オフセット調整用RV1 波形観測 】

 

 多回転半固定抵抗器RV1・RV2は「Poilee 3296W ポテンショメータ」を使用しました。 当初は製造元を考えると若干の不安はありましたが、いつかは使用しないといけないということで、今回初めて使用したものです。 「やはり!」という気持ちで、とりあえずRV1のみを秋月電子通商で購入した何度も利用経験のある多回転半固定抵抗器に交換しました。

 交換直後は動作が安定してくれましたが、そのうち、またもや動作が不安定となりました。 今度はゲイント調整用多回転半固定抵抗器RV1が怪しい測定結果を得ました。(オフセット出力の波形変動無し、ゲイン出力の波形変動有り)

 

黄色 : CN2 4pin(OUT)リード線先端 DC結合 1V/div

水色 : RV1センタータップ DC結合 20mV/div

ピンク色 : TP1(オフセット出力) AC結合 200mV/div

青色 : TL084C 7pin(OUT) DC結合 1V/div

【 ゲイン調整用RV2関連 波形観測 】

 

 それにしてもあまりにも都合のよい不具合現象が立て続けに発生していると感じました。 本当に部品の不良なの? 他にも原因があるのではないのかと、初心にもどって基板を眺めました。

 そういえば「Poilee 3296W ポテンショメータ」以外に今回初めて使用した部材があります。 今までハンダ付けに際してはハンダに含まれているフラックス以外は利用したことはありませんでした 。 今回はハンダ付け補強に際してハンダ盛り用のリード線のハンダ濡れ性がよくなかったので過去に購入していたハンダ用のフラックスを利用しました。 何年も前に購入して未開封のまま室温で保存していたものです。

 

【 初めて利用したフラックス 】

 

 今回の動作不安定の原因調査において、上記フラックスを用いて何度かハンダ盛り直しや部品交換などを繰り返していました。 そのため、基板はんだ面は決して綺麗な状態ではありませんでした。 その際の状況を記録(写真)に残していないので詳しい状態は今となっては不明です。 参考までに初回製作時のハンダ裏面の状態を下記に掲載します。

 

【 初回製作時 基板ハンダ面外観 】

 

 製作当初は、確かにランド間/パターン間の絶縁領域(基板表面)はいつもよりはテカテカ光っています。 しかし、見た目におかしいという様子ではありませんでした。 念のため、基板裏面をアルコール溶剤で洗浄することにしました。 基板裏面に溶剤をかけてブラシでゴシゴシ、 ゴシゴシ、ゴシゴシ、ゴシゴシ、ゴシゴシ、その後に乾燥です。

 その結果が下記です。(【 初回製作時 基板ハンダ面外観 】の再掲です。 上記写真とは色合わせができていません。)

【 基板ハンダ面外観(洗浄後) 】

 

 ハンダ付け配線部分に白い粉が付着しているようですが、この状態で通電してみました。 するとどうでしょう! 今までの動作不安定がピタリと止まりました。 話には聞いていましたが、今回の動作不安定はフラックスが原因である可能性が非常に高いようです。 ここに到達するまで、どれだけの時間を要したことか! 「Poilee 3296W ポテンショメータ」さん、疑ってごめんなさい! なお、洗浄作業以降、動作不安定は再発していません。


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