いろいろやりたい

DBMを知る

GigaStほしい。　

今、研究室でネトアナ使わせてもらってるんだけど、それと同じようなこともできるらしい(トラッキングジェネレータ機能？)。価格も29000円で十分手が届くし簡易的でもスペアナが使えれば、開発の幅が広がる。何しろ高周波を測定できる環境が家にない。今後の最優先事項にしておこう。

今日は、SSBを復調するときに使えるDBM(Double Balanced Mixer)と仲良くなっていきたいと思う。
DBMの回路は↓

T2の1次側電圧はこのように求まる

こんなふうにVcが正か負かによってVsの正負も変わるわけか。
んーてことは純粋な乗算器じゃないんかなーそれともﾀﾞｲｵｰﾄﾞのスイッチングをON, OFFで考えたからこうなったのかな。Vcをﾀﾞｲｵｰﾄﾞの立ち上がりの際どい所にもっていけば乗算器的な動きをしてくれそうな気もする。　ここは今後の課題かな

それも含めてSpiceで動作を確認してみる。

Vs:1kHz Vc:100kHzでやってみた。なお定数は適当。きちんと乗算できているが、「ひげ」がすごい。

今日わかったことは
・DBMを構成するﾀﾞｲｵｰﾄﾞは特性が一致したものを使用しなければならない。(→本来逆相であるべきVc成分がきえないから）
・ﾀﾞｲｵｰﾄﾞを十分ONさせるだけVc信号は大きくないといけない

課題
・トランスの特性はどうすればいいのか　トランスのコア、巻き方でどのように特性が変わるのか
・実際動かしてみるとどうなるか

間違っている箇所がありましたら、指摘してくださるとうれしいです。

SSB復調を知る

日々の記録をつけたいなーっと思ってCGIにPythonが使える無料サーバ探してたけど見つからない。自宅サーバも考えたけどめんどくさいし、このブログで記録つけていこうかなと思うてる。

最近は、「無線」という大まかなやりたいことはあるけど、知らないことが多すぎて勉強してると煮詰まってきてモチベーションも下がってるって感じ。どこまでやれば自分のものにできたのかがあんましわかんない。
とりあえず、いろいろ作りながら理論は後からでいいかなと。

今興味あるのはこれ → 7MHz受信機
7MHzはアマチュア無線で人気のバンドらしい。まず、Sallen Key LPFは前作ったアナログシンセで使ったんだけどその時はオペアンプやった。見た感じ同じなんだけどトランジスタではどうなるんかなと特性測ってみたい。
あとのブロックは検波段の中身がわからんてこと。
全体的にはSSBの復調で検波段がVFOとANTからの信号ミキサーになってると思うんだけど、SSBの復調理論がまだわかってない。　いまから調べる。

ということで、大学の教科書を読む。SSBはDSB信号のUSBもしくはLSBをフィルタで取り除いたものだからDSBから考えるといいっぽい。

「アマチュア無線では、7MHz帯以下ではLSB、10MHz帯以上ではUSBを使う慣習になっている(wikipediaより) 」らしいので、USBを取り除くと..

こうなるのかな。スペクトルはLSBのみ残る。
これで受信波のスペクトルが求まった。これに局部発振の信号をかけるとスペクトルはfcだけずれるから

となって、第二項をLPFでばいばいするって感じか。

コルピッツ発振回路１

学祭が終わり一区切りつきまして、とりあえず今開発中のものは「なし」の状態になりました。んでこれからの目標は、無線で通信できたらおもしろそうってことで今勉強してる最中です。

この日記をとおして、やったことをアウトプットできたらええなー思うてやっていくつもりです。

ここ最近やってたのはストレート方式のAMラジオをブレッドボード上で組んだり、ここみながらトランジスタの高周波増幅について式を追っかけたりしてました。

今日は超再生検波回路の前身となるコルピッツ発振回路について理解を深めていきます。
コルピッツ発振回路についてはここが詳しく説明されてました。　コルピッツ発振はコンデンサで分圧するところが肝のようです。

２つのコンデンサを直列に接続したとき、どのように分圧されるのかは

のようになり、抵抗で分圧するときとは逆になりました。コンデンサの中間点をGNDにすると

という２点の電圧が得られます。コンデンサの値を適当に決め、入力に1kHzの正弦波を与えてLTspiceでシミュレーションしてみました。

計算結果と一致しています。ここで重要なのは上の結果の通り逆位相の出力がとれるとこです。たとえばC1=C2であれば、出力の振幅は入力の半分となり位相は逆のものが得られます。

まずはわかりやすいエミッタ接地型のコルピッツ発振回路についてみてみます。（参考：URL）
回路はこんな感じです↓↓

増幅回路は電流帰還バイアス回路で帰還回路はLC共振回路となっています。増幅回路は反転増幅、帰還回路は先の通りコンデンサを２つ直列につなげた形なので逆位相の出力となり回路全体としての位相は180度＋180度 = 360度で発振条件を満たしています。

んなとこで今日はここまで。明日はどれだけ高周波まで発振できるか求めていきたいと思います。

マイコンのCPU負荷率測定法

ある処理のCPU負荷率を調べたいときは多々ありますよね。オーディオ関係の高負荷処理や、ある割り込み処理がどのくらい負荷率が高いか、通信部の負荷率など...

「マイコン　負荷率　測定」とか調べてもRTOSありきの説明だったりとかで出てこないのです（ただ調べ方が悪いだけなのか？）

ここで紹介ってほどおおげさじゃないですがみなさんはどうやってるんだろうという事も兼ねて自分の方法を書いてみます。

（Ⅰ）オシロスコープを利用した方法
まずマイコンのある一つのピンを測定用端子としてオシロのプローブとつなぎます。あとはそのピンに、測定したいロジックの最初にＨ終わりにＬを出力します。

これでオシロに矩形波が表示されデューティー比が負荷率になります。
またこの方法では測定するロジックの実行時間も分かります。

ペリフェラルを利用しないマイコン間シリアル通信

マイコンには多くの通信機能が搭載されています。私が今開発に用いているAVRマイコン（ATMega1284P)にはSPI, TWI, USARTなどの通信機能があります。これらの通信機能はマイコン内部のハードウェア上で行っているのでソフトウェア上でそれを再現するより高速でしょう。

まずペリフェラルを利用しないマイコン間シリアル通信をするメリットを挙げてみます。

SPIは1対多の通信をサポートしていますが新しいモジュールと通信するときなど不安要素はなるべくなくしておきたいものです。対象のモジュールはSPIを使いマイコン間通信はソフトウェアで行えば安心です。
今回の通信方法は超低速マイコンと高速マイコンの通信でも動作します。（人対マイコンなど笑）
I/Oさえあれば動くので楽です

普通に通信するときはペリフェラルを利用すればいいのでソフトウェアで行うことは稀でしょう。

使用するピンですが超低速マイコンと高速マイコンの通信でも動作させるためにDREQピンを使います。

SCK
MISO
MOSI
DREQ

下のように定義しました

//COMピン

#define COM_PORT_OUT PORTB

#define COM_PORT_IN  PINB

#define C_SCK  0

#define C_MISO 1

#define C_MOSI 2

#define C_DREQ 3

回路はお互いに同じピンをつなぐだけです。

あとは下のフローチャートに従って通信します。

参考にAVRのコードを載せておきます

1. Master側



//シリアル送受信関数 Master

// uint8_t COMSendData(uint8_t data);

// r24 : data(u8bit)

.GLOBAL COMSendData

.FUNC COMSendData

COMSendData:



	.irp bit, 7,6,5,4,3,2,1,0

		CBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_SCK



		;MOSI

		CBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_MOSI	

		SBRC r24, \bit

		SBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_MOSI	



		DREQ_LOOP_L\bit:

			SBIC _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_IN), C_DREQ

			RJMP DREQ_LOOP_L\bit	



		SBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_SCK



		DREQ_LOOP_H\bit:

			SBIS _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_IN), C_DREQ

			RJMP DREQ_LOOP_H\bit



		;MISO

		CBR  r25, (1 << \bit)

		SBIC _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_IN), C_MISO

		SBR  r25, (1 << \bit)

	.endr



	MOV r24, r25



	RET

.ENDFUNC

2. Slave側



//シリアル送受信関数 Slave

// uint8_t COMRecvData(uint8_t data);

// r24 : data(u8bit)

.GLOBAL COMRecvData

.FUNC COMRecvData

COMRecvData:



	

	.irp bit, 7,6,5,4,3,2,1,0

		SCK_LOOP_L\bit:

			SBIC _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_IN), C_SCK

			RJMP SCK_LOOP_L\bit

	

		CBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_DREQ	



		SCK_LOOP_H\bit:

			SBIS _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_IN), C_SCK

			RJMP SCK_LOOP_H\bit



		;MOSI

		CBR  r25, (1 << \bit)

		SBIC _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_IN), C_MOSI

		SBR  r25, (1 << \bit)



		;MISO

		CBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_MISO		

		SBRC r24, \bit

		SBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_MISO	



		SBI _SFR_IO_ADDR(COM_PORT_OUT), C_DREQ

	.endr



	MOV r24, r25

	

	RET

.ENDFUNC

引数には送信するデータを渡してあげると受信したデータが関数から返ってきます。

電子回路のお勉強その１ウィーンブリッジ発振回路理論編

さて、理論編です。
前回のとおりこのウィーンブリッジ発振回路は２つのパートからなると書きました。
まずは発振回路の仕組みからですかね。この辺は自分もさっぱりなので感覚だけでもつかめればいいと思っています。

この回路において定義をします。
：増幅率何倍に増幅するかを表す。もちろん増幅器で増幅される
：帰還率　帰還回路で何倍の値を帰還させるか

例えば増幅率が3（３倍に増幅）で帰還率が 0.5（増幅した信号の半分を帰還）として最初の入力を１として考えましょう。
１　→　増幅(1*3) = 3　→　帰還(3*0.5) = 1.5　→　増幅(1.5 * 3) = 4.5　→
　　　　　　　　　　　　　　　　　　→　帰還(4.5 * 0.5) = 2.25　→　増幅(2.25 * 3) = 6.75 ......
というようにだんだんと大きくなっていき飽和します。
つまり
　　：　飽和
　　：　減衰
ということが分かります。

では
　
のときはどうなるか

増幅率が4で帰還率が 0.25で考えてみましょう
１　→　増幅(1*4) = 4　→　帰還(4*0.25) = 1　→　増幅(1*4) = 4　→
　　　　　　　　　　　　　　　　　　→　帰還(4 * 0.25) = 1　......
同じ信号を永遠と繰り返すことが出ます。
つまりこれが発振です。

同じ信号といいましたがこれは帰還回路で決めることができます。帰還回路がフィルターになるわけです。
また入力信号と同位相のものを帰還させることを正帰還、逆位相のものを帰還させることを負帰還といいます。ウィーンブリッジ発振回路では正帰還を使います。

では実際の回路と見比べながらどこが増幅器で、どこが帰還回路に該当するか見てみましょう。

このように増幅した信号を帰還しています。
前回の例では増幅率 3、帰還率 1/3でやっていました。
もちろん増幅率、帰還率は部品定数によって決まるので求めてみましょう。

１．増幅率を求める
まずは増幅率です。
この増幅器は非反転増幅回路というものでそこだけ取り出すと次のような回路です。

それでは求めていきましょう。
オペアンプの特性から次の式が成り立ちます。
ここでのは電圧増幅度といい（Ａとは別物）、それぞれのオペアンプに固有の値をとります。電圧増幅度はデータシートに値も載っていますが、ここでは理想オペアンプとして計算しています。
　
（１式）

R1、R2で分圧しているので次の式も成り立ちます。
　
（２式）

回路図から
　
　
となっているので（１式）、（２式）は
　
　
となります。（１式）へ（２式）を代入すると
　
これを変形していきます
　
　
　
　
　
オペアンプの理想としては無限大なので
　
　
　
こうしてやっと増幅度Ａが求まります。ViがVoに増幅されているわけですから
　
　
　（式３）

R1とR2はもちろん正の数なのでＡは必ず１以上となることもわかります。

２．帰還率を求める
前回の回路図から帰還回路のみ取り出すと


緑の部分は

これが帰還回路であり、Viから入ってきた信号の帰還率だけVoへとだすものです。
まず青い枠で囲ったようにZ1とZ2のインピーダンスを求めます。
　
　
　
VoはZ1、Z2でViを分圧したものだから
　
帰還率βは
　

発振する条件は
　
だったのでそれぞれ代入すると
　
　（式４）

（式４の左辺）について
　
　
分子分母にjωC2をかけて
　
分母分子にjωC1R1＋1をかけて
　
分子の展開をして
　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　
　

（式４）へ代入すると
　

両辺がイコールとして成立するには左辺が実数なので右辺も実数でないといけません。よって虚部は０です。
また別の考え方として左辺は帰還するときの信号を表す式に使われていたので、増幅された信号（実数→位相０）と位相が同じでないといけない、つまり位相０でないといけないので虚部は０です。
実際０になるのは正弦波のみです。普通の信号、つまりいろんな周波数の混ざった信号の場合、信号が同位相の周波数成分（虚部が０に近くなるような値）のみ増幅される結果となります。これは虚部がω以外すべて定数で虚部はωによって決まるからです。
信号は多種多様な正弦波から足し合わせてできていると考えることができるのである周波数だけの信号を取り出すことで正弦波が出力されます。

（発振条件その１）

虚部は０でないといけないという条件から
　
　
よって
　
ω＝２πｆより
　（発振条件その２）

すごく長くなってしまいましたが、この２つの条件がそろうとき発振が起こります。
なので部品定数は出力したい周波数をきめればもとめることができます。

<参考文献>
・アナログ回路の基礎
・ウィーンブリッジ発振回路の動作原理
・オペアンプの基礎と応用　

SDカード(SDHC)の読み込みその１

ここでは、自分のMP3Playerの製作記録を書いていこうと思います。
自分と同じようにMP3Playerを作りたい人はもちろんSDカードの読み込み、MP3デコーダicの取り扱い、OLEDの表示などをしたい人にとっても参考になるようにするつもりです。

さて本題のＳＤカードの読み込みですが、まずはＳＤカードについてです。

まずSDカードには電源が必要です。電源電圧は 2.7V ～ 3.6Vとなります。
通信方式はシリアル通信（データを一本線、データの取り込むタイミングを送るクロック１本）とパラレル通信（複数ピンで一気にデータを送る）のどちらも選べます。
それぞれの通信方式には一長一短ありますが、ＳＤカードの読み込みでは速度を優先したいのでパラレル通信でいきたいです。
しかしながらパラレル通信の細かい通信プロトコルなどは「ＳＤカードアソシエーション」とかいう団体の会員にならないと手に入らない（要年会費）ので趣味でやる分にはシリアル通信となります。
またこれらの電気的な話は SDカードも miniSDカードも microSDカードも変わりません。

まぁ重要なことは上の赤文字ですね。

それではＳＤカードとAVRとを通信させようともＳＤカードのソケットが必要です。
秋月で買ってもいいですがここではダイソーで売っているＳＤカードリーダーからソケットをパクってきましょう。

これが例のＳＤカードリーダーです。これはＵＳＢで挿すタイプですがソケットをいただくのでどんなやつでもかまわんでしょう。

解体して...

ほしいのはこいつ！

基板に固定して...

完成！！

次に一番重要なピンの役割です

Vcc : 3.3V電源に接続
GND : GNDへ
SCLK : シリアルのクロックです。AVRの出力ピンへ（後にSCKへ接続することを考えます）
DO : ＳＤカードのDataOutputだからAVRの入力ピンへ
DI : ＳＤカードのDataInputだからAVRの出力ピンへ
CS : ChipSelectつまりいまはこいつと通信してるよっていう合図

画像では見えにくいですが、VccとGNDが先に接続されるように接続部分がちょっとだけ前に出ています。

ということで今回は終了です。
次回は、一番初めの鬼門
ＳＤカードの初期化
をしたいと思います。

電子回路のお勉強その１ウィーンブリッジ発振回路実践編

今回やる実験はウィーンブリッジ発振回路の作成。
こいつは正弦波を出力してくれる。なんでこれをつくろうと思ったかというと後々に回路の応答を見るのに使えそうだから。

というわけで回路図

オペアンプ : UA741（汎用オペアンプ　オペアンプが使われだしたころからあるらしい）
R1 : 10K
R2 : 1K
R3 : 0 ～ 10K（理想値は R4 * 2）
R4 : 4.7K
C1 : 0.1uF
C2 : 0.1uF

この回路では２つの区画に分かれていてそれぞれが役割をはたしているらしいです。
一つ目が 「バンドパスフィルタ」 特定の周波数のみ通します。
これはみかん大学の某電気回路Ⅰの知識で確認くらいはできそうです。

２つ目が「非反転増幅回路」 その名の通り反転させずに増幅します。
オペアンプの基本回路っぽいです。

今回は理論はせずに実際に作ってみて終わりとします。理論は次の回にでもします。
作ってみた結果の出力（上が増幅後、下が増幅前）

んんんーこれは正弦波とはいいにくですね。
発振条件と出力正弦波の周波数を計算しつつ部品定数を決めてもきれいな正弦波にはなりませんでした。

あとオペアンプになれてないけぇ電源からつまづいたｗｗ
単電源オペアンプもあるらしいけどUA741は両電源オペアンプというらしく +Vcc と -Vcc がある。
なので +Vcc に5V、 -Vccに0Vではだめで抵抗で分圧するなどして +2.5Vと-2.5Vを与えてあげないといけない。
これに気づくまで１時間はとられたわｗｗ

<<追記 2014.1/7>>
上の波形はオシロ当てるとこ間違ってました。
本当はきれいな正弦波が出力されていました。

次回は理論編かな