後部端子群BNC端子は画像中央下部が外部10MHz入力端子です。2個あるBNC端子間にあるスライドスィッチが内蔵10MHzと外部10MHz入力切り替えスイッチであり 現在外部入力としてあります。左端のスイッチはBNC外部入力または内蔵OCXOからの信号を切り替えるための増設したスィッチです。元は本体接地端子を除去して取り付けました。新規スィッチとスライドスィッチとも左側に移動すれば 改造前と同じ本体内蔵TCXOで動作します。今後この操作は発生しないと思います。
OCXOの構造はシールドされた本体下部に４本リード線が取り出されています。
① GND,接地端子 ② REF,周波数調整直流電圧入力端子 ③ OUT PUT,10MHz出力端子 ④＋VCC,電源入力端子+12V/DC
採用したOCXO は通電時発振器内にある加熱装置への突入電流があり約200mA程度短時間ですが電流が流れます。OCXO内の温度が安定すれば消費電流は 約80mA程度に落ち着きます。本体内部の季節による温度変化もありますが 約１０分以上経過すれば発振周波数も安定し消費電流もほとんど変化しません。
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| V , 2V/DIV H , 0.2μsec/DIV×1０(MAG) 10MHz |
左図はOCXO出力端子から バッフア(緩衝)用途 IC SN74HCU04N インバーター(NOT,反転論理) 集積回路IC 論理回路数６組です。以前工作したGPSレシーバー出力回路と同等です。 １段目から次段３パラレル・インバーター接続出力として取り出した 10MHz の矩形波 4.４Vp-p の波形です。この信号がSC-7203 の外部10MHz入力端子に接続します。
観測波形の解説ですが プローブは１対１０の入力抵抗値は１０MΩです。水平線の中央破線部のレベルはグランドレベルであり プローブのカップリングはDC(直流・ダイレクトモード)です。ACカップリングの交流波形観測では水平破線から対照的な波形観測となります。水平の中央ラインを基準として波形の出力電圧が直読できます。IC SN74HCU04N 動作電圧が DC:5V ですのでほぼフルスイングされた波形といえます。
今回改造するまでは工作した校正基準器の OCXO 出力をユニバーサルカウンター外部10MHz 入力端子に接続して使用していました。測定するときはこの本体と校正基準を同時に通電しなければ使うことができませんでした。
SC-7203 内部構造を調べてみますと DC:+5V,DC:-5V,DC:+5V の３電源仕様であり DC:+12Vは搭載されていません。電源トランスの２次巻線は４組あります。回路計でPTからの各引き出しリード線交流電圧を測定するとAC:5Vが３組と AC:12V (白色)が存在しました。本体基板を詳しく確認の結果 AC:12V ラインは基板ではどの回路にも接続しておらず 開放状態であるのが判明しました。ここでひらめいたのは遊休巻線 AC:12Vラインがうまく使えないか ? 正解でした。遊休巻線の許容電流は不明ですが OCXO基板を搭載して実験です。
電源基板及びOCXO基板は 机上での定電圧電源を使った動作確認をしてあります。当初外部電源を供給することで工作していましたが とりあえず遊休巻線と電源基板を接続して動作確認すると正常に動きます。儲けものです。しかし問題もありました。それはブリッジ整流後１０Ωの電流値測定用精密抵抗を回路に直列に挿入した結果 ピーク電流は250mAであり 最大抵抗器で 2.5Vの電圧降下が発生し +12Vが確保できない場合が発生しました。電流測定用抵抗を1Ωとして変更の結果、瞬間的な電圧降下はなくなり正常に動作しました。
通電時だけであり通常の測定するときであれば消費電流は 120mA以下となりOCXO回路での消費電力は 1.44Wとなります。長時間通電テストもしましたが 電源トランスは元々温度は高く以前の状態と比較しましたがあまり温度変化として感じなかったため このまま使用することにしました。電源トランス・放熱板などは連続して触れ続けることができる場合 ６０℃前後と思いますので一安心です。触れ続けるのが困難な場合は放熱対策をしなければ故障要因ともなります。
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| 5V電源IC ,OCXOとバッファIC SN74HCU04N |
上図は OCXO基板のバッファIC SN74HCU04N インバーター(NOT)回路です。今回数種類のICに変更して出力される信号波形の違いを実験しました。NAND IC 74HC00 でも動作違いを確認しましたが アンバッファのNOT SN74HCU04Nが波形崩れが発生しないため採用しました。そのためにICソケット仕様としてあります。少しの配線変更で各種のICが搭載でき最良のIC選択となりました。
最終調整 10MHz GPS信号と工作したOCXOの校正作業です。
OCXOにはREF端子として発振周波数微調整端子があります。通常安定した定電圧電源からの基準電圧を可変抵抗器で分圧した電圧をREF端子に加えることにより 発振周波数を微調整することができます。REF端子に何も接続しない場合OCXO単体での動作では10Hz前後違っていると思います。使用したOCXOではREF端子に 2.368V加えることにより発振周波数は丁度 10MHzとなりました。小数点以下一桁までの精度です。表示された周波数は 10000000.0Hzです。
精密調整用半固定VRは多回転トリマーVR使用しました。今回採用したOCXOの仕様書は入手できません。校正基準器にも オシロクオーツ社製 3661-Aを搭載しています。その仕様書によると半固定可変抵抗器は２０KΩ以上を使用すると明記されていたため それと同様に 20KΩとし DC:12Vの電圧を分圧可変してREF端子に加える構造としました。GPSの10MHzと同じ周波数での電圧は2.368Vです。本体底に丸穴を開口し 調整用マイナスドライバーで調整可能としてあります。 0.1Hz単位の調整となるため通常の半固定抵抗器では 調製角度が微妙となり微調整が困難と思います。多回転半固定ＶＲを使用することをお勧めします。
上図中央左に多回転半固定VRの頭が確認できます。OCXO基板は垂直状態として取り付けたため ちょうど調整用VRの回転軸が底板に向いて取り付けとなります。そのため底板に5φのドリルで開口しました。
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| 完成した SC7203 ユニバーサルカウンター GPS信号との校正作業 |
上図は以前工作した 10MHz
校正基準器(Calibration Standard)との校正作業です。冒頭に掲載した画像と同じものです。屋外にブースター内蔵、外付けGPSアンテナを窓の外に設置しての測定です。今回 RS232C 端子とUSB変換器をPCに接続しておりませんので GPS衛星に３個以上のロック状態のモニターはできていません。以前の経験から３分も自然放置しておればGPSレシーバーはロックがかかり正確な 10MHz がBNC端子より出力されます。
工作した 10MHz 校正基準器には GPS ユニットを目視できる窓が取り付けてあります。窓越しに確認できるのは GPSユニット内の青色チップ型LEDの点灯状態です。薄暗いですが点灯すれば GPS衛星にロックされている証拠です。アンロック時は青色LEDは点灯しません。出力状況が把握できますのでPCと接続しなくても校正基準器の動作確認はできます。
まとめ
当初 SC-7203 では通常使用の場合でも基準周波数 10MHz ,周波数ドリフトは発生しています。工作した校正基準器で校正の結果 安定した時でも数Hz～10Hz程度のの周波数変動が発生していました。それ以外に立ち上げ時から安定時になるまでの周波数変動は結構発生していました。TCXO発振周波数調整は本体上部カバーを外してTCXO内にある周波数調整用トリマーコンデンサーを調整するのですが調整後上蓋を取り付けると数Hzの周波数変動が発生してうまくジャストに調整できません。又使用中本体内部の温度変化に伴い数Hz以上の変動も確認できました。一桁台 数Hz単位の調整でもふらついて数字が安定しません。
その後工作した校正基準器に内蔵しているOCXO信号を SC-7203型 外部10MHz BNC端子に接続してこの数年間運用していました。ただ難点は外部10MHｚの付属機器があるため測定作業には手間取っていました。そこで本体内部にOCXOを搭載しようと思い立ったわけです。
OCXOに変更してからは段違いの安定度です。長時間通電しても周波数変動は0.1Hz以内で動作しますので安心して周波数測定ができるようになりました。ありがたいことです。
追記 もしも所有している周波数カウンターに外部基準信号入力端子付きの機器をお持ちの場合測定精度を上げませんか。
上図はオークションサイトで見つけ出した小型の OCXO です。左基板は DC:5V 安定化電源基板でジャンク品のACアダプターから安定した DC:5V を供給します。右基板は米国製 Isotemp OCXO 143 Series OCXO 143-141 型(外形 W25.78 D25.78 H14.99 PIN 5.08)製造年月 1126 (2011年26週製造) で 中古品でしたが送料別1300円で入手したものです。規格として 10MHz CMOS (方形波出力) DC:5.0V入力 消費電流 MAX 500mA～140mA 程度で動作します。発振素子内のヒーターが動作し短時間ですが最大500mA程度消費しますが オーブン内温度が安定すれば 150mAほどに安定します。安定するまでは約５分です。
OCXO周辺回路として REFERENCE VOLTAGE 端子に約2.2V程度を印可することにより発振周波数を微調整することができます。次項目で説明している自作 GPS 10MHz 基準信号発生装置に使用したスイス製OCXOでは発信ユニットには REFERENCE VOLTAGE 端子が設けられており 安定したDC電圧出力端子が存在しこの電圧からVRで発振周波数微調整します。しかし今回使用した OCXO では定電圧出力端子は存在しません、そのため発振周波数調整回路のDC電源は新たに回路設計します。この OCXO は DC:5V で動作するため 3.3V 3端子レギュレーターICを使用して基準安定化電源回路を作成します。この安定した DC:3.3V から１０KΩ多回転半固定VRの中点から OCXO のREFERENCE VOLTAGE 端子に接続し発振周波数の微調整をします。今回も上記と同じように出力バッファ回路として IC 74HCU04N を使用してから10MHz出力回路とします。
上記回路を動作するための電源用に用いたジャンク品のACアダプターです。左側はDC:5V 1A容量スイッチング電源ACアダプターです。これを使用する場合 DC:5V 電源安定化基板は使用する必要はありません。右側は電源トランス内蔵ジャンクACアダプターで規格は DC:6V 500mA と記載されています。回路全体では電源投入時 DC:5.0V 570mA 消費しますのでトランス式ACアダプターを使用する場合電源電流値を適切に選択する必要があります。５分もすればOCXOは安定動作となるため消費電流は200mA弱に落ち着きます。使用したACアダプターでは無負荷出力電圧は DC:8.8V であり３端子レギュレーターIC 7805-1A には放熱板を取り付けます。
今回作成した 10Mz 基準信号発生装置は小型になりました。精密測定の結果 通電後５分もすれば 10.000000MHz ±0.05Hz 以内の信号が出力されます。周波数カウンター・ユニバーサルカウンターの精度は非常によくなります。外部基準信号入力端子がある機器の測定精度向上されることをお勧めします。
同じような形状のOCXOでは今回使用したメーカーは米国製 ISOTEMP でしたか中国製 OCXO CTI製も安価に入手することができます。
複数台のOCXOを実験使用しましたが 周波数微調整端子電圧は DC:2.2V 前後で発振出力周波数はジャスト周波数となります。参考まで ! ! ! (2024/04/25追加)
無銭庵仙人の独り言
上図は工作した 校正基準器内部に搭載した OCXO部 10MHz と GPS信号から得た 10MHz信号との校正作業です。改造した下段のユニバーサルカウンターは入力端子として BNCコネクター端子 A , B , C ,各端子があります。
A ,端子は 150MHzまでの測定端子であり B , 端子は15MHzまでの測定端子です。 C ,端子はプリスケーラが搭載されていますので 分周器により50MHz～1.3GHz(1300MHz)まで測定可能な機種です。
工作した校正基準器の校正作業として上記測定は A端子に GPSからの10MHz信号を接続、B端子はOCXOからの10MHz信号を接続します。測定モードは単独の周波数測定モードとは異なり 入力端子 A-B モードで両端子に接続された信号を引き算するモードです。同じ10MHz信号が比較・引き算されて誤差分がデジタル表示される仕組みです。今の状態はGPS信号とOCXO信号との誤差が 0.０Hz ですので同じ周波数であるとなります。再校正完了です。
ユニバーサルカウンター校正作業前の動作確認を兼ねた 校正基準器の校正です。上記接続で校正前の数値として +0.2Hz が観測されました。以前校正してから数年経ちますが OCXOの周波数はほとんど狂っていません。この校正基準器を SC-7203 の外部クロックとして今日まで運用していましたので 以前の測定結果は精度が出ていたと判断できます。標準信号と同等である精度の良いGPSからの10MHz信号は外部アンテナを使わなければ常時運用できません。道楽作業部屋での運用は内蔵 OCXOからの10MHz信号を使って SC-7203 は使用していました。市販品 GPSDO などでは GPS信号 と OCXO信号 を位相比較し周波数制御して常時安定した10MHz出力されるような回路で動作しています。GPS信号 が無い場合では OCXO信号 のみ出力する構造と思います。
工作した校正基準器は簡単な構造で GPS,OCXO 単独で動作する構造としました。OCXO 単体でも安定すれば周波数変動は ±0.1Hz 以内の精度で動作しますので周波数ロック機能の必要性は感じませんでした。
周波数測定器として ユニバーサルカウンター・周波数カウンターを使用している方でも 外部標準信号 10MHz 入力端子が取り付けられている機種の場合 GPSレシーバー・OCXOなど外部接続の機器を工作すれば測定精度は向上します。又完成品 GPSDO 搭載の機器も販売されています。オーディオ用途となりますが 10MHz マスタークロック・ジェネレーターでもよいと思います。内部には OCXO が組み込まれている機種も市場には数多くあります。しかし小生は購入するための財力は乏しいため 今回改造工作となったわけです。
参考までに SC-7203 OCXO 通電時からの発振周波数偏移 室温26.5℃ 基準10MHz GPS衛星にロック信号
通電直後 １０秒ほどはセルフチェック時間 OCXO 搭載時
10秒 +198Hz 1分 +63Hz 2分 +2Hz 3分 +0.1Hz 4分 ±0.0Hz 5分 ±0.0Hz となり 5分以上経過すれば事実上誤差は発生しません。TCXOに比較して格段の性能向上です。初期周波数変動幅は 約200Hz ですが 安定時 ±0.1Hz 以内で安心感が得られました。
内蔵 TCXO 使用時では
通電後10秒 +4Hz 1分 +4Hz 2分 +5Hz 3分 +6Hz 4分 +6Hz 5分 +7Hz 10分 +10Hz 30分 +13Hz 60分 +13Hz 周波数変動幅は 約9Hz
筐体内温度上昇に伴い周波数はずれていきます。多少調整不足ですが 13Hz±1.0Hzほどで安定しました。
異機種 XO水晶振動子搭載している TR-5142 では
通電直後 +35Hz 1分 +29Hz ２分 +27Hz 3分 +25Hz ４分 +23Hz 5分 +20Hz 10分 +10Hz 60分 -1Hz 周波数変動幅は 約35Hz 安定時±２.0Hz 以内に収まります。
上記のような通電後の周波数変動です。OCXOは３分までの変動率は大きいですが 安定動作となれば桁違いの実力です。カップ麺出来上がる時間までの測定は避けなければなりませんね。
以上の測定監察結果から通電後３０分までプリヒートタイムとすると OCXO では ±0.1Hz以内 TCXO では調整が必要と思われるが 基準値より 13Hz ほどずれているが ±1.0Hz の安定度でした。TR-5142 では基準値から ±2.0Hz 以内に収まります。
上記観測結果から判明しますが 水晶振動子の基準信号でも発振器周辺温度管理及び回路設計で優れた性能が確認できました。たとえTCXOであっても温度管理が不十分な場合温度補償型水晶発振器であっても性能が出ないこともあります。又周波数の微調整において調整用トリマーコンデンサーはクリチカルな動作をしており 周囲温度及び筐体内温度変化により性能を発揮・維持するには結構調整作業の難易度は高いと思います。OCXOに改造の結果 自己満足の自己校正作業内容報告でした。
今回採用した新古品 NDK製 OCXO ATA3082-Aは安立製測定器のリファレンス基板に搭載されている OCXO と同じものです。以前購入願望であったアドバンテスト製ユニバーサルカウンター TR5823H(10MHz OCXO搭載) でしたが価格的に折り合わず市場には TR5823(10MHz TCXO搭載) はよく見かけますが TR5823H はほとんど見かけません。その後 Iwatsu SC-7203 を購入となりました。この機種がポケットマネーで OCXOを搭載となりましたのでほぼ TR5823Hと同等性能となりました。TR5823 はTCXO搭載機種であり性能は SC-7203 と同性能でしたが 今回の改造によりパーションアップです。
おかげさまで道楽作業で使用している骨董品、いやガラクタである ユニバーサルカウンター及び周波数カウンターの校正作業も完了し誤差も把握できました。今後安心して道楽における測定作業、および 改修・工作作業ができます。
自己校正とは自己満足の道楽作業です。
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| 各種 GPSレシーバー実験用途として工作 u- blox社 NEO-6M-0-001(GPSユニット) |
上記画像は工作した 10MHz 校正基準器に搭載している同等のユニットです。周辺回路を模索し実用化となるまで試行錯誤した実験基板です。現在でも DC:5V電源と外付けアンテナを接続すれば正常に動作します。購入当時付属していたGPSアンテナでは道楽部屋での運用は感度不足で使用できません。
愚痴です
以前から所有している タケダ理研製周波数カウンターは製造後４０年近くなると思います。型番は TR-5142 80MHz です。現アドバンテスト製です。この機種のキャリブレーション作業は上蓋を外せば簡単に調整できます。内部の熱源から離れた場所に設置してあり10MHz 水晶振動子 HC-49U が使われていますが 実際に運用している状態に似通った状態での校正・調整は簡単にできます。安定動作時では TCXO搭載されている SC-7302 よりは周波数変動は少なく安定しているように感じました。SC-7302 では上部キャビネットを外さなければ調整はできません。TCXO は温度変化の大きい電源制御回路ICが取り付けた放熱板付近にあります。これらの配置が周波数変動の原因とも考察できます。調整中とキャビネットを元に戻した場合 周波数変動を確認しました。筐体内で大きく温度変化が発生する付近にTCXO温度補償型水晶発振器取り付けですが 安定度には ? 疑問があります。特に温度変化で発振周波数が変動する発振回路では 常用状態でどれだけの精度が得られるか ? 製造コストも重要ですが特に精密測定する場合 校正・調整方法・内部構造などにも 製造メーカーは考慮してもらいたいと思います。SC-7302 での多く発熱のある個所は電源回路であり 電源トランスと電源部レギュレーター IC が取り付けられている放熱板です。
工作した校正基準器に内蔵している OCXO 周波数調整は本体側面にあり 通常M4のビスでメクラしてあります。調整時キャビネットを分解せずにビスを外して周波数調整できる構造としてあります。
上記記載事項は自己満足による改修作業内容の記述です。参考程度の記述とご理解ください。頭の体操および暇つぶし策ができました。
