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2008年9月22日 (月)

リズム音の波形が出た

想像した通りアナログは手ごわい(9/18/08)747
 ブレッドボード用に超簡易アッテネータ(10Kのボリュウムと入出力コネクタ)基板と、モニター用のステレオミニジャック基板を作って、勇躍、アンプの評価をオシロで始めたが、予想していた通りアナログの世界は底がとてつもなく深く、早くも溺れそうになっている。基礎から勉強しなおさないと、これ以上先に進むことが出来そうにない。

 秋月FGは快調に正弦波も方形波も出すし、オシロも忠実に出力波形を表示してくれる。電圧を画面上で測ることが出来るの748 で、増幅率も簡単にわかる。見ようと思えば、立ち上がりパルスの波形も60MHzの帯域があるから楽々だ。

 だがしかし、問題はこれからである。で、どう改善すれば入力波形に近い出力が得られるのかという答えは当たり前のことだが、この測定結果からは出てこない。このあいだ実験したLM358の非反転増幅も、中位点のパスコンを100μFにしたら更にハムが少なくなって10倍程度のゲインで、入力に音声(CDプレーヤー)を入れると一応音楽になるのだが、オシロで波形を見ると、これが全く目茶目茶である。正弦波は歪んでいるし、方形波はオーバーシュートやサグが出てまともな出力でない。それでは、このあいだ綺麗に増幅したトランジスタの方はどうだと言うと、これもしっかりクリッピングされてしまって、デジタルなら問題ない増幅器だがアナログでは恐らく使い物にならないアンプだ。746

しかも、モニター用のヘッドフォンをつけるとトランジスタの場合、かえって出力が入力より下がってしまう。これが何故なのか。パワートランジスタではないにしても、2SC945,2SC1815クラスのトランジスタは、ヘッドフォン位の負荷なら十分鳴らせる力はあるはずで、事実、ヘッドフォンはしっかり鳴るのだが、オシロでは1/10程度にレベルが下がってしまう。しかも入力波形までおかしくなるのだ。これが何故だかわからない。

過大な期待をオシロにかけすぎていた。まともな回路設計をいちから勉強しなおす必要があるようだ。ただ、これまでは2つの回路でしか動かしていない。別のまともなヘッドアンプも作ってみよう。そもそもは、マイクアンプとVUメーター動作のシミユレーションすれば当初の目的は果たせるのである。オシロを買って有頂天になっていたが、やっぱり原点にもどったほうが良さそうだ。

一石トランジスタアンプまで戻る(9/20/08)
 一から勉強しなおしている。アナログをやっている人には余りにも当たり前で話にならないことばかりだろうが、40年ぶりにこの世界に戻ってきたものにとっては、すべてが新鮮で珍しい。思えばトランジスタを使うのに慣れてきたとは言っても、デジタルのスイッチングでしか使っておらず、これはトランジスタを飽和状態で使うのでアナログに比べればはるかに簡単なのである。

 しかし、アナログではそうはいかない。考えてみれば入力が50mVで100倍の増幅率のアンプを作れば、出力は5Vで、電源電圧が5Vしかない回路では絶対にリニアーに増幅できるわけがない。こんな基本の基を測定中に気がつくのだからおめでたい話である。

 まあ、40年前にやっていたといっても、そのころは雑誌や参考書の回路図を頼りに見よう見真似で真空管ラジオやアンプを作っていたに過ぎず、大学で学んだ電子工学の方は完全な理論の世界で実践の世界とはかけはなれていて殆ど役に立たない。

 そこへ長年の憧れであったオシロをいきなり持ち込んだものだから話が余計ややこしくなっている。しかし、幸いなことに今は本や雑誌だけでなくWebの情報がある。なかでも「一石トランジスタ回路の設計」というページ(http://okazaki.incoming.jp/danpei2/rf/design1tr.htm)や、トランジスタ回路の基本設計法(http://www.picfun.com/parttrs.html)というページは大変わかりやすく参考になった。

最近のヘッドフォンの入力インピーダンスは数十Ωで、出力インピーダンスが数kΩのエミッタ接地のトランジスタアンプではまともにドライブできないことも知った。このあいだオペアンプでボルテージフォロワーにしたようにエミッタフォロワーの石を追加する必要がある。

 ただ、これらのページが薦めている、「定本トランジスタ回路の設計」(鈴木雅臣著)を買うかどうかは迷っている(結局、このあと買ってしまった)。 本来はマイクからの音声入力をデジタル化することが目的で始めたアナログの世界である。オペアンプなどを動かしているうちにどんどん深みにはまり、オッシロスコープまで買い込んで波形観測までできるようになった。確かに、トランジスタの電流帰還形バイアス回路の一方の抵抗を半固定抵抗で調節して、上下がクリッピングしない最適なバイアスを画面を見ながら決められるところまで行ったが、依然としてエミッタ抵抗をバイパスするコンデンサーを入れるとクリップしてしまうのにその補正はできないし、わからないことが多すぎる。

 本を買って徹底的に調べるのもやり方だが、がた老AVR研究所と名前をつけたのに本来のマイコンの開発とかけはなれた方向にどんどん行ってしまいそうで迷っている。それでも試行錯誤の上、ブレッドボード上に何とかリニアーに増幅ができるようになったトランジスタアンプが出来た。CDプレーヤーからの再生音を入れてみる。うむ、綺麗な音だ。しかしパスコンを入れると予想通り大きく音が歪む。まあ、こういうことがオシロで簡単に見られるようになっただけでも収穫と思わなければいけないのか。

 そろそろマイクからの音声をコンパレータに入れる1V程度の電圧に上げるオペアンプ2段の増幅回路とAC整流回路を作らねばなるまい。

2段のオペアンプ増幅に成功(9/22/08)
 もともとリズムメーターというしかけを作ろうとして入ったアナログの世界だが、いくら基本に帰ると言っても、エミッタ接地の一石トランジスタアンプだけに関わっていたらいつまでたっても目標に近づけない。回路設計の研究はそこそこにして、本来のマイクアンプの実現に戻ることにする。

 これまでの実験で、コンデンサーマイクの出力電圧は数mVで、数百倍のゲインがあれば、整流してもマイコンのコンパレーター入力に出来るレベルになることはわかっている。ただ、一段で数百倍のゲインをとるのは難しそうなので2段にしたいのだが、適当な回路がWebにころがっていない。単純に同じ増幅回路を重ねるだけで良いのかそれもわからない。

最近のオペアンプはDIP8ピンで2つ回路がはいっているのがポピュラーのようだし、マイクアンプあたりは一段増幅では苦しいはずで、どこかのWebページに例がありそうなのだが、見当たらないのである。思いあぐねていたとき、このあいだ買ったオペアンプの参考書で偶然2段のアンプの回路図を発見した。すぐ組んでみた。しかし動かない。オシロで調べると1段目は増幅しているが、2段目の出力が増幅されていない。しかも、オシロの波形を見てみると1段目の出力波形が歪んでまともなサインウェーブになっていない。

どうもAC増幅とDC増幅とはかなり回路図が違い、この2段の回路はDC増幅なので、この回路では駄目だと思うのだが、何しろ基礎がないものだから手も足も出ない。しかし波形を見ているうちに、これが半波整流の波形とそっくりだということに気が付いた。回路には、参考書にはないコンデンサーマイクの直流印加を遮断するためカップリングコンデンサーを入れ、AC増幅らしくしている。あああ、わかった。オペアンプの入力の片側を接地していてはだめなのだ。ACの下側(マイナス側)も増幅するために、比較する入力は0ではなく電源電圧の半分にする必要がある。AC増幅回路に必ずついている同じ抵抗2つで分圧している意味をここで始めて理解できた。馬鹿な話である。

 参考書の2段増幅回路はDC増幅回路で、反転増幅2つで構成されている。2段目で半波整流のマイナス側を増幅していても出力がでてくるわけがない。分かって見ると2つとも極く当たり前のことだけど、知らないということは恐ろしい。あわてて初段に作った中位電位を2段目にも供給し、念のためカップリングコンデンサーをつけて試してみる。

 でた。マイクで拾った音が2段目に出力に現れる。大声を出すのをやめてこのあいだ作った秋月FGのオーディオ出力をありあわせのPCのスピーカーアンプで音に出し、この音をマイクで受けてみる。そんなに大きな音でなくとも、オシロで測った電圧は0.8V(実効値)まで上がる。P-Pでは2V近くになる。波形も崩れていない。Photo

 やれやれ、やっとのことでブレッドボード上の2段アンプが動いた。オシロの操作に慣れてきたので、スイープを長くし、トリガーをワンショットにしてマイクの前で手を叩いてみる。 出ました、出ました。きれいなパルス状の音声波形が記録された。これ、これ、オシロで見たかった画像である。「あ」とか「あー」とか家内を驚かせない程度の大きさで声を入れてみる。ちゃんとそれらしい波形が出てくる。いや嬉しい。プラス側が少しクリップされているが、1V以上ある。これを検波してローパスフィルターをかければ、立派なデジタルパルスになりそうだ。そうか、アナログ的な処理をしないでも、検波した後、ADコンバータに入れ、チャタリング抑止のときのようにソフトで処理する方法もある。とにかくリズム音を拾ってデジタル化する道筋が通った。

 次は、オペアンプの整流回路とバッファー回路を作ることである。そろそろ実装のことを考える段階に進んだようだ。電源は3V以内にしたいが、アナログのところが心配だ。

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