※トランジスタ技術2004年5月号
20MHzまでの正弦波をスイープ出力する
MAX038を使った周波数スイープ・ジェネレータの製作

2006-06-10

CQ出版のトランジスタ技術2004年５月号に掲載された「MAX038を使ったスイープ・ジェネレータ」回路を紹介します。 正弦波だけですが、比較的広帯域にスイープできるので重宝しています。 そうそう。先日、インターネットでMAX038のスペックを調べていたところ、こんな表示が出たので驚きました。 　製品ディスコン（製造中止）の案内です。 2004年のトラ技にこのICの記事を載せてもらってからまだ2年しかたっていません。 にもかかわらず「新規設計に使うな！」です。 代替品のない「スペシャルIC」だけに困ってしまいます。 ディスコンになったMAX038を追悼して、現用していますスイープジェネレータを紹介します。 ※メーカーの資料 http://japan.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/1257 http://pdfserv.maxim-ic.com/jp/ds/MAX038_jp.pdf

●ICL8038からMAX038に 　可変周波数の正弦波発生用ＩＣといえばＩＣＬ８０３８が有名です。このＩＣを用いて２０年以上前に自作したファンクション・ジェネレータは、アナログ回路を検証するツールとして現役です。 しかし発振できる最高周波数が１００ｋＨｚ止まりで、ちょっともの足りません。今回の製作ではもう少し高い周波数まで使えるようにしようということで、マキシムのＭＡＸ０３８を使ってみることにしました。 　ＩＣＬ８０３８を用いたファンクション・ジェネレータでは、正弦波・方形波・三角波、３種類の波形切り替えや、出力にＤＣオフセット（±１０Ｖ）を加味する回路や周波数変調できる機能を入れ込んでいました。 　ＭＡＸ０３８にもこの３種類の波形を出す機能はありますが、出力信号まわりはできるだけシンプルにということで、正弦波だけの出力にしました。ＤＣオフセットも付けません。そのかわり、ＭＡＸ０３８のＶＣＯとしての広い周波数可変能力を活かし、スイープ・ジェネレータとして使えるようにしてみました。スイープ・レンジおよそ２００倍、最高周波数２０ＭＨｚの発振器を目指します。 ●スイープ・ジェネレータでなにができる 　さまざまなフィルタ回路、低周波ではＯＰ−ＡＭＰの出番ですが数十ｋＨｚを越えるとコイルとコンデンサで構成することになります。その特性を調べたいときなど、専用の測定器を使えば周波数特性が一目瞭然、画面に出てきます。しかし計器が手元になければ、フィルタの入力に可変周波発振器をつなぎ、周波数を変えながら出力波形をオシロスコープで見るというのが基本的な方法でしょう。 　ブラウン管面に描かれた波形のレベルを読みながら、３ｄＢ落ちは何Ｈｚ、−６ｄＢでは、−２０ｄＢではと、発振器の周波数を変化させながら記録に残します。こんなとき連続して周波数を下から上へと振ってくれるスイープ・ジェネレータを使えば、出力を観測しているオシロスコープで、ダイナミックにレベルの変化を見ることができます。 残念ながら対数（ｄＢ）表示ではありませんが、回路の動作検証には十分役に立ちます。

●ブロック図　（手書きの図です） （←クリックで拡大） ●回路図 （←クリックで拡大）

●外観 ●アルミケース内の様子 ●MAX038付近の部品配置

●発振回路 　ＭＡＸ０３８の波形選択入力（A0,A1端子）は使わず、正弦波のみ出力するようにしています。ＳＹＮＣ出力は使わないので、DGND（デジタルグランド）とDV+（デジタル電源）はオープンのままにします。位相検出器も使いません。 　発振用周波数を決めるコンデンサをＩＣの直近に置くため、小型ＤＣリレーを使って切り替えます。パネルに取り付けたロータリースイッチでこのリレーを開閉してコンデンサを選択します。 コンデンサの値はデータシートのスイープレンジを参考にして決めてください。 　今回の製作では手元にあったロータリースイッチ（６接点）の関係で５個のリレー、６レンジとし、１０倍の値のコンデンサを切り替えています。可変できる周波数範囲の事を考えると、コンデンサの値を３倍くらいのステップにして、最低最高周波数をオーバーラップさせておくほうが便利でしょう。 ●スイープ用ノコギリ波発振回路 　ＭＡＸ０３８はIINの入力電流に比例して発振周波数が変化します。これを一定周期で可変すればスイープ・ジェネレータのできあがりです。積分回路を使えば直線性の良いランプ波を作ることができるので、これを応用します。 　（１）積分コンデンサC1をR4とVR1で決まる電流で充電。 　（２）ＯＰ−ＡＭＰ・IC2Aの出力電圧が直線的に上昇。 　　　　これと２．５ＶのREF電圧を比較。 　（３）この電圧に達したらシュミット入力のNANDゲートで組んだ 　　　　フリップフロップを反転。 　（４）C2とR9で決まる時間だけアナログスイッチIC1をオンし、 　　　　充電されたC1を放電。 　（５）出力が０Ｖに戻る。 　これで１サイクル終了です。 現在の定数でおよそ４〜１１０Ｈｚが可変範囲となっています。 R1,R2,R3はC1を短絡させるアナログスイッチの保護抵抗です。４０５３には独立したスイッチが３個入っていますので並列にして使います。

●周波数スイープ用ランプ波

●周波数可変回路 　周波数を変えるためのIIN入力に流れ込む電流は、２．５〜７５０μＡと規定されていて、この範囲を越えると周波数が直線的に変化しなくなったり出力波形が歪んだりします。 　IIN入力は、ＯＰ−ＡＭＰを反転アンプとして使ったときの、ＧＮＤにイマジナリーショートした反転入力と同じと考えられます。マキシムの資料には定電流回路がサンプルとして載っています。こうするとIIN入力のオフセット電圧をキャンセルできるのですが、定電流回路を構成するＯＰ−ＡＭＰを含めて制御系全体を低オフセット品にしないと意味がありません。 　今回は単純に、REFピンから高抵抗（R13）を通して電流を流し最低周波数を確定させ、最高周波数となる７５０μＡの電流を周波数可変回路から抵抗（R12）を通して流します。使ったＯＰ−ＡＭＰのオフセット電圧によりスイープレンジに影響が出ます。現在は少し多めに流れるようにしています。 　周波数を可変する主ボリューム（VR4：１０回転型ポテンショ）でスイープを開始する最低周波数を決めます。その電圧にスイープ幅を設定するVR3の出力、スイープ用ノコギリ波を加算回路で合成してIINに加えるようにしています。加算回路の後ろには＋２．５Ｖのリミッタ回路を置いて、過大にドライブしないようしてあります。 　SW1,SW2はスイープ周波数確認のためのスイッチです。スイープせず固定周波数で使うときはSW2をオフ（黒丸側）にします。この状態でVR4を回せば周波数が変わり、その場所がスイープする最低周波数となります。 　SW1をオン（白丸側）にするとノコギリ波の最大ピークである＋２．５ＶがVR3に加わります。SW1,2ともオンにしてVR3を回せばスイープする最高周波数が決まります。その後SW1をオフすれば設定した範囲の周波数幅でスイープが始まります。 周波数レンジごとの最大スイープ周波数幅は次のようになっています。 　最低 最高 　　　 4 Hz　　 　　　 47 Hz　　 　　　 470 Hz　　 　　　 4.3 kHz　　 　　　 34 kHz　　 　　　 140 kHz　　 1.04 kHz　　 10.4 kHz　　 104 kHz　　 940 kHz　　 7.1 MHz　　 22.4 MHz　　 　　　　　　　（FADJ中央の設定で） ●出力回路 　ＭＡＸ０３８の出力そのまま（直列抵抗を入れていますが）の固定レベル出力と、出力レベルを調整できるようにした可変レベル出力の２つです。固定レベル出力のほうに周波数カウンタをつなぐという運用スタイルを想定しています。それとオシロスコープのトリガ用にノコギリ波を出力します。 　ＭＡＸ０３８の出力は２．０ＶP-Pです。ちょっとレベル不足ですので、可変レベル出力側は高速ＯＰ−ＡＭＰ（AD811）を使っておよそ６ＶP-Pに増幅します。 ●組み立て 　使用したユニバーサル基板は「サンハヤト」の「ICB-96DSE」で、部品面がシールド・パターンになっています。高周波を扱う回路ではＧＮＤの引き回しが重要です。部品を取り付けた直近でベタアースに落とせるので助かります。 　ただこの基板の場合、パターンがフラックス処理されているだけで、組み立て途中に触る手の汚れで、出来上がりがずいぶんきたなくなってしまいます。ハンダメッキ品の登場を待望するところです。 ●高周波の配線は同軸ケーブルで 　基板からBNC出力コネクタまでの配線やレベル可変のためのボリューム間の配線には同軸ケーブルを使います。当初、配線長が短いからと手を抜いて普通の電線を使ったところ、高周波域で思いのほか大きな信号の減衰がおきました。ＧＮＤの引き回しや信号の反射が影響するのでしょう。AD811周辺の回路を手直しして、配線をやり直しするとほとんど減衰しなくなりました。 ●パスコンは贅沢に 　ＭＡＸ０３８と高速アンプ周辺の電源ラインにはしっかりとバイパス・コンデンサを入れてください。回路図には記していませんが、電解コンデンサ、０．１μＦ積層セラミック、１０００ＰＦセラミック・コンデンサを適時入れておきます。 ●タイミング用コンデンサにはフィルムタイプを 　C1の積分コンデンサやC13,C14,C15の発振用コンデンサはフィルムタイプ（マイラー・コンデンサなど）を使ってください。特に、C1をセラミックにするとノコギリ波の直線性が悪くなります。

●波形例

●最高周波数でスイープ VR3を最大にしてVR4をある程度上げると、リミッタ回路で制御電圧が＋２．５Ｖに制限されてピーク部分が平坦になります。 そのため最高周波数になったまま保持する時間ができるので、その部分の表示が濃く見えています。 もう一つ周期の長い波形が濃く写っていますが、これはノコギリ波のリセット区間の波形です。 ●１ｋＨｚのツインＴノッチフィルタに信号を入れた様子 下側の波形がスイープしているノコギリ波です。 周波数が低い時は、スイープ時間を長くしておかないとうまく見えません。アナログオシロの場合、Ｙ軸スキャンが遅くなるので少々見づらくなってしまいます。 ●復同調回路 　７ＭＨｚ〜１６ＭＨｚの範囲でスイープして、ＦＭラジオの中間周波数１０．７ＭＨｚ用ＩＦＴ二つを小容量コンデンサでスタガ結合（復同調）】した特性を見てみました。 上は結合には４ＰＦのコンデンサを使ったときで、同調点のピークが二つに別れてしまっています。 これを２ＰＦに変えると下ののようになり、ピークが近づきます。 特性の違いが一目瞭然です。