Ver１．０からＶｅｒ１．１への変更点
第１段、秋月スペアナキットの性能を上げよ！
（Ｖｅｒ１．０修正版）
Ver１．０からＶｅｒ１．１への変更点
ＳＰＥＣＴＲＵＭのスペアナ Ｖｅｒ．１．１では、秋月のスペアナキットの性能アップバージョンです。秋月スペアナキットはオシロスコープのアダプタ方式ですので、当バージョンはオシロスコープに接続して観測するようになっています。したがって、オシロスコープがなければ使えません。簡易的ではありますが、スペアナの動作原理を学ぶには最適な回路と思います。秋月スペアナキットの性能を向上させるテクニックを修得すれば、これが狭帯域版スペアナ設計の布石となっていきます。秋月スペアナからの改良点（本機の特長）は以下のようになっています。
さらに周波数可変のＤＯＷＮコンバータ信号入力（入力の接続を変えるだけ）で、６００ＭＨｚ〜１．１ＧＨｚ帯の周波数が観測可能（秋月キットは観測帯域５００ＭＨｚまで）。
回路構成（ブロック設計）
スペアナの設計にあたり、基本的な回路ブロックから連載して、ご紹介いたします。第１段は、秋月のスペアナキットの性能を上げるという目的で、スペアナの簡易バージョンとして設計します。図１にブロック構成図を書きましたので見てください。
主なブロック構成
（１）ＵＰコンバーター
ミキサー（部品名：TUF-2）と、局部周波数を６００ＭＨｚに固定したVCO（部品名：ＰＯＳ５３５）の２つの部品により構成されるＵＰコンバーターは、０〜５００ＭＨｚの入力信号を、ＩＦ信号として６００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚへ周波数を変換します。
（２）DOＷＮコンバーター
ミキサー（部品名：TUF-2）と、局部周波数可変のＶＣＯ（部品名：ＰＯＳ１０２５）の２つの部品により構成されるＤＯＷＮコンバーターは、ＩＦ信号の６００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚを、一気に低周波４５５ｋＨｚの領域まで周波数を変換します。
（３）フィルタ回路ブロック
フィルタは、手に入りやすくしかも安価な４５５ｋＨｚのセラミック・フィルターが使用できます。また、増幅回路はＬＭ６３６５などのＯＰアンプを使えば簡単に４５５ｋＨｚの信号レベルを検波できる段階まで増幅します。
（４）検波回路ブロック
ＴＶチューナーなどという、そんな高級な回路は必要ありません。ＯＰアンプとダイオードを組み合わせた簡単な半波整流回路とコンデンサで検波回路構成が出来てしまいます。信号レベル表示は、概ねリニア表示です。
（５）掃引信号発生回路
スペアナキットの掃引信号発生回路は、ちょっとお粗末です。性能がよく安定した回路構成とすべきところです。
（６）ディスプレイ
とりあえず、オシロスコープ表示が簡単です。Ｘ軸として掃引信号発生回路からの信号をオシロのトリガへ入力し、Ｙ軸として検波回路からの信号を接続します。
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| 図１． ＳＰＥＣＴＲＵＭ Ｖｅｒ．１．１（秋月スペアナキット性能アップバージョン）のブロック図 |
回路図を各ブロック単位に分けて解説していきます。
ＵＰコンバータ回路部
図２にＵＰコンバータ回路部を示します。ミキサー（部品名：TUF-2）と、局部周波数を６００ＭＨｚに固定したVCO（部品名：ＰＯＳ−５３５）の部品により構成されるＵＰコンバーターは、０〜５００ＭＨｚの入力信号を、ＩＦ信号として６００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚへ周波数を変換します。ＬＭ３１７による定電圧回路は、ＰＯＳ−５３５の周波数を安定にするために用いられています。ＰＯＳ−５３５の特性から約１９．２Ｖで６００ＭＨｚになります。ＬＭ３１７のＶＯＵＴ〜ＡＤＪ端子間の電圧は、１．２５Ｖと一定になっています。したがって、１５０Ωの抵抗に流れる電流は、Ｉ＝１．２５／１５０＝８．３ｍＡとなります。ＡＤＪ端子を流れる電流は、１００μＡ程度ですので、２ｋΩと２００Ωの可変抵抗を流れる電流は、約８．４ｍＡになります。よってＶＯＵＴは、１．２５Ｖ＋８．４ｍＡ×（２ｋΩ〜２．２ｋΩ）となり、可変抵抗の値により、１８Ｖ〜１９．７Ｖ程度の調整ができます。ＰＯＳ−５３５のコントロール電圧の最大定格は２０Ｖですので、２０Ｖ以上の電圧は加えないでください。
スペアナの信号はローパスフィルタＰＬＰ５５０（５５０ＭＨｚローパスフィルタ）に入力し、ミキサ部に０〜約５００ＭＨｚまでの信号を通します。ミキサ部（ＤＢＭ）の原理上、−20ｄＢｍ以上の信号では、直接ＲＦ−ＩＮに接続するとスプリアスが増加しますので、ＲＦ−ＩＮに１０ｄＢ、２０ｄＢあるいは３０ｄＢといったアッテネータ（５０Ω系）を介して信号を減衰させてから入力してください。
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| 図２． ＵＰコンバータ回路部 |
ＤＯＷＮコンバータ回路部
図３にＤＯＷＮコンバータ回路部を示します。ミキサー（部品名：TUF-2）と、発振周波数可変のVCO（部品名：ＰＯＳ−１０２５）の部品により構成されるＤＯＷＮコンバーターは、アップコンバータのＩＦ信号（６００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚ）をフィルタ周波数の４５５ｋＨｚに変換します。ダウンコンバータの掃引信号Ｖｓは、掃引信号発生回路により約０．５Ｖ〜１８Ｖの電圧が入力され、約６００ＭＨｚ〜約１１００ＭＨｚ相当に掃引されます。
ＵＰコンバータからの信号はハイパスフィルタＰＨＰ５００（５００ＭＨｚハイパスフィルタ）に入力し、ミキサ部に６００ＭＨｚ〜約１．１ＧＨｚまでの信号を通します。一方、ＵＰコンバータを通さずにスペアナの入力信号を直接接続することで、６００ＭＨｚ〜約１．１ＧＨｚのスペクトラムが観測できます。ただし、アップコンバータからの信号と切り替えるスイッチを付けるか、外部コネクタで差し替える必要があります。ミキサ部（ＤＢＭ）の原理上、−20ｄＢｍ以上の６００ＭＨｚ〜約１．１ＧＨｚのスペクトラムを観測するときは、アッテネータ（５０Ω系）を介して信号を減衰させてから入力してください。
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| 図３． ＤＯＷＮコンバータ回路部 |
掃引信号発生回路部
図４に掃引信号発生回路部のノコギリ波発生回路を示します。ＯＰアンプ２個を使用し、ＯＰ１のコンパレータと、ＯＰ２の積分回路を組み合わせて構成されます。ＯＰ１のコンパレータ出力Ｖａでは方形波が得られ、オシロのＹ軸をコントロールします。コンパレータで得られた方形波は、ＯＰ２の積分回路で三角波（ノコギリ波）にします。発振周波数は、ｆ＝１／（４ＣｏＲｏ）になります。ここで、Ｃｏはロータリースイッチにより、４種類のコンデンサを選べるようにして発振周波数を選択します。ＲｏはコンデンサＣｏの充放電用の抵抗であり、１０ｋΩと可変抵抗器１００ｋΩで構成します。この合成抵抗をダイオードで切り替える方式により、デューティ比を変化させることができます。可変抵抗器が中央にセットされている場合に、デューティ比が１：１となり、積分抵抗は５０ｋΩ＋１０ｋΩ＝６０ｋΩ、Ｃｏ＝０．２２μＦのとき約２０Ｈｚ程度、０．０４７μＦで約８０Ｈｚ程度に設定されます。コンデンサＣｏの種類はセラミックコンデンサでも構いませんが、なるべくフィルム・コンデンサやスチロール・コンデンサなど温度特性のよいものを推奨します。発振波形の振幅は５．１Ｖの２つのツェナーダイオードで一定に保たれます。５Ｖ程度のツェナーダイオードは、温度特性がよいのですが、２つの電圧特性が揃っていれば入手可能な電圧のもので構いません。ＯＰ１〜８のＯＰアンプは汎用品で可。
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| 図４． ノコギリ波発生回路と、その出力電圧波形 |
Ｖ１端子ですが、通常ＧＮＤに接続すると波形が０Ｖを中心に正負対称に出力されますので、ここは約10Vの定電圧電源回路に接続します。Ｖｃの出力電圧波形を見るように約１０Ｖ程度「ゲタ」を履かせて持ち上げて、正側出力としています。図５にツェナーダイオードを用いた定電圧回路を示します。５．１Ｖのツェナーダイオードを直列に接続して、約１０Ｖの電圧を発生させます。１０ｋΩと０．１μＦのコンデンサは、ツェナーダイオードで発生するノイズを除去するために付けたもので、ローパスフィルタの役目をしています。ＯＰアンプ（ＯＰ３）は電圧フォロアを構成し、定電圧回路のインピーダンスを下げる役目をしています。
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| 図５．ツェナーダイオードを用いた定電圧回路（正電圧） |
図６はノコギリ波発生回路で得られた波形を適正なレベルに補正します。すなわち、０Ｖ〜１０Ｖの正確な振幅レベルにする基準掃引信号回路になります。ＯＰ４では、定電圧回路から得られた安定な電圧を適正なレベルに分圧し、電圧フォロアでインピーダンスを下げる役目をしています。ＯＰ５はノコギリ波の振幅レベルを正確に１０Ｖ幅に設定します。得られた基準掃引信号（ＯＰ５の出力）は、ダウンコンバータの掃引信号回路へ供給し、また１ｋΩを介してオシロスコープのＸ軸へ接続されます。ここでオシロスコープ側に１ｋΩを挿入しているのは、ケース外部へ出る端子ですので（オシロスコープとの接続のため）、ショートした場合を考え、ＯＰ５に過大な電流が流れて壊れるのを防ぎます。
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| 図６． 基準掃引信号回路と、その出力波形 |
図７−１は、ダウンコンバータ用の掃引信号回路です。０Ｖ〜１０Ｖの正確な基準掃引信号Ｖｓを、ＶＣＯのコントロール電圧レベルに合わせる回路です。まず負の安定な定電圧Ｖ２が、抵抗分圧により適正なレベルに変換されます。ＯＰ６は電圧フォロアでインピーダンスを下げる役目をします。ＯＰ７は基準掃引信号（０Ｖ〜１０Ｖ）をダウンコンバータの掃引信号レベルに合わせます。出力は約０．５Ｖ〜１８Ｖで、６００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚ相当の掃引電圧になります。図７−１は０〜５００ＭＨｚ（もしくは、６００ＭＨｚ〜１．１ＧＨｚ）の周波数帯域を観測するときの回路構成です。
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| 図７−１． ダウンコンバータ用の掃引信号回路（１） |
図７ー１〜図７−３のダウンコンバータ用の掃引信号回路ですが、掃引電圧のレベルや幅を変えることによって、周波数帯域を拡大・縮小して観測することもできます。図７−２の例では、ＯＰ６が基準掃引信号（０Ｖ〜１０Ｖ）をダウンコンバータの掃引信号の幅に合わせています。正の安定な定電圧Ｖ１が、抵抗分圧により適正なレベルに変換され、ＯＰ７で掃引電圧のレベルを合わせています。出力は約０．５Ｖ〜３Ｖで、６００ＭＨｚ〜７００ＭＨｚ相当の掃引電圧になります。すなわち、図７−２は０〜１００ＭＨｚ（もしくは、６００ＭＨｚ〜７００ＭＨｚ）の周波数帯域を観測できます。同様に、図７−３の例では、出力は約１．３Ｖ〜１．８Ｖで、６４０ＭＨｚ〜６６０ＭＨｚ相当の掃引電圧になりますので、４０〜６０ＭＨｚ（もしくは、６４０ＭＨｚ〜６６０ＭＨｚ）の周波数帯域を観測できます。このように掃引電圧のレベルや幅をＯＰアンプを使って自由に変えることで、周波数帯域を拡大・縮小して観測することができます。掃引回路の構成としては、掃引幅やレベルの異なる掃引信号回路を幾つか作り、それらの出力ＶＣをロータリースイッチなどでレンジを切り替える方式が便利です。
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| 図７−２． ダウンコンバータ用の掃引信号回路例（２） |
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| 図７−３． ダウンコンバータ用の掃引信号回路例（３） |
図８は、ツェナーダイオードを用いた負の定電圧回路で、安定な電圧（Ｖ２）を供給します。１０ｋΩと０．１μＦのコンデンサは、ツェナーダイオードで発生するノイズを除去するために付けたもので、ローパスフィルタの役目をしています。ＯＰアンプ（ＯＰ８）は電圧フォロアを構成し、定電圧回路のインピーダンスを下げる役目をしています。
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| 図８．ツェナーダイオードを用いた定電圧回路（負電圧） |
低周波増幅＆フィルタ回路部
図９に低周波増幅＆フィルタ回路部を示します。ＬＭ６３６５によるＯＰアンプ２個を使用して増幅します。各２００倍（４０ｄＢ）の非反転増幅回路の構成となっています。ダウンコンバータからの入力は５０Ωの抵抗でインピーダンスをマッチングさせます。フィルタには、４５５ｋＨｚのセラミックフィルタを使いました。フィルタの入出力は１．８ｋΩでインピーダンスを合わせます。
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| 図９． 低周波増幅＆フィルタ回路部（ＯＰアンプ部の電源電圧を＋２４Ｖに統一） |
検波回路部
図１０に検波回路部を示します。ＬＭ６３６１によるＯＰアンプを使用し、簡単のため反転半波整流回路を構成します。１０ｋΩと０．１μＦで平滑化し、その後１０倍のＯＰアンプにより、オシロのレンジで見やすいレベルまで増幅します。検波回路部の出力は、オシロスコープのＹ軸コントロール回路へ接続します。ＯＰ９は汎用品で可。
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| 図１０． 検波回路部（ＯＰアンプ部の電源電圧を＋２４Ｖに統一） |
オシロ接続回路部
オシロスコープのＹ軸コントロール回路を図１１に示します。検波回路部の出力をそのままオシロスコープのＹ軸に接続してしまうと、図１２のように表示はしますが、帰線が見えて線が２重になってしまいます。Ｙ軸コントロール回路では、帰線部分を−５Ｖにしてオシロスコープの画面上から隠します。Ｙ軸コントロール電圧は、ノコギリ波発生回路のコンパレータ出力（ＯＰ１）から取り出して入力します。μＰＤ５２０１による電子スイッチで切り替えを高速化しています。
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| 図１１． オシロスコープのＹ軸コントロール回路と電子スイッチ（μＰＤ５２０１） |
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| 図１２． Ｙ軸コントロール回路の役割 |
観測したスペクトラム波形
図１３に、０〜５００ＭＨｚに設定したときのスペクトラム波形を示します。掃引信号回路は、図７−１の構成です。画面左端が０ＭＨｚ、右端が５００ＭＨｚになっています。ＶＣＯのコントロール電圧対周波数特性が概ね直線的であるとすると、横軸は５０ＭＨｚ／DIVというところでしょうか。
入力には信号を入れていません。このとき０ＭＨｚ付近にピークが見られていますが、これは０ＭＨｚに発生する特有のスプリアスです。GigaSｔのスペアナでも見られているものです。詳細はこちらへ。ライン中央（３５０〜４００ＭＨｚ付近）にも１本スプリアスが出ていることが分かります。それ以外の周波数領域には見られませんでした。秋月キットのチューナー・モジュールを使っていたときには、かなりのスプリアスに悩まされましたが、予想外にスプリアスの発生数は少ないようです。
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| 図１３． ０〜５００ＭＨｚ観測スペクトラム（無入力時） |
図１４に、４０〜６０ＭＨｚに設定したときのスペクトラム波形を示します。画面左端が約４０ＭＨｚ、右端が約６０ＭＨｚになっています。横軸は２ＭＨｚ／DIVということになります。入力にはジェネレータを接続して５０ＭＨｚの入力信号を見てみました。おャッ？と思った読者がいると思います。信号源が１つなのに同一画面上に２つのスペクトラムが現れています。これがダイレクトコンバージョン方式の特徴です。プロの測定器で、同一信号のレスポンスが２カ所も現れたらユーザーからクレームがつくことでしょう。しかし、ここがプロとアマチュアの境ではないかと思われます。その辺のことを十分理解して使うことはできると思います。
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| 図１４． ５０ＭＨｚ観測スペクトラム ２ＭＨｚ／DIV（観測帯域幅４０〜６０ＭＨｚ） |
また実際問題として現れるレスポンスは、フィルタの４５５ｋＨｚ×２＝９１０ｋＨｚ離れているわけですから、図１５のように掃引幅５００ｋＨｚまでの狭帯域スペアナでは、２つのレスポンスが同一画面上に表示されることはありません。大きなピークの右肩に小さなピークが出ているのが分かります。これは使用したセラミック・フィルタの副共振の影響と考えられます。詳細はこちらへ
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| 図１５． ５０ＭＨｚ観測スペクトラム 50ｋＨｚ／DIV（観測帯域幅49.75〜50.25ＭＨｚ） |
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