VXO式水晶発振器を使ったFM変調器(TRIO/Kenwood TS-700)

図1. VXO式水晶発振器を使ったFM変調回路 10.7MHz VXO発振・変調部

(TRIO/Kenwood TS-700, copyright reserved by TRIO/Kenwood Co. Ltd.)

水晶発振器は、周波数または位相変化がほとんど無い安定した周波数で発振する特性があります。

このため、水晶発振器を使ったベクトル合成位相変調方式では、必要な周波数偏移

(40KH WFM zまたは20KHz NFM)を得るため、12MHz 近辺の小さな位相変調量を12逓倍して144-145MHz帯の必要な周波数偏移/位相偏移量を得るFM変調波を得る方式が、チャネル切り替え式自動車無線器(モービル無線)では多用されていました。

無線従事者国家試験でも、かつては、そうした水晶発振式ベクトル合成位相変調回路と逓倍回路が、FM変調方式出題の定番でありました。

しかし、例外的存在として、当時の人気機種と思われるTS-700(TRIO/Kenwood社)では、VXO方式の水晶発振回路について、水晶に直列するコイルとバリキャップ(可変容量ダイオード)によるFM変調方式が採用されていました。

発振周波数が10.7MHzと、こうした低い周波数でのFM変調は困難と考えられていました。

周波数偏移は、WFM/40KHz, NFM/20KHz と十分な周波数偏移が得られています。

前段のAFアンプは、TA7061 IC アンプによる、実に60dBという大変大きな電圧利得のハイゲイン・アンプになっています。[1]

その後、PLL式FM変調が主流になり、近代では、2000年を過ぎるころからDSPやマイコンによる数値演算式FM変調回路が主流となっています。

そうした数値演算式FM変調・復調を実現、理解するために必要となる、FM変調に関する計算式を図2.にまとめました。[2][3]

図2. FM変調関連の計算式

文献[2],[3]を参考にして、FM変調信号の電圧波形を時間の関数で書き、図2.にまとめました。

      図3. FM変調の計算波形    (Copyright reserved by MIT OCW 6.003, USA) 

MIT OCW 6.003を受講し、図3.に、FM信号電圧波形のアニメ画像を作りました。

     図4. FM変調の計算波形(自作オリジナル)

図4.は、Macbook Pro.(OSX Yosemite) で"Grapher"アプリを使い、図3.の計算を再現し、アニメ画像を作りました。

　図5. LTspice計算で再現した数値演算式FM変調波の過渡解析結果とFFT解析結果

（自作オリジナル）

図5.は、LTspice IV (Macbook pro. OSX Yosemite)にて、図3., 図4.と同じ数値計算を行い、

かつFFT解析で、周波数成分のスペクトルを見ました。

入力する低周波の変調周波数1KHzの偶数倍(2,4,6 倍,...)の周波数成分が見えています。

これはcos(βsinωt)によるサイン波をcos関数に入れ子にした演算結果によるものです。

sin(βsinωt)によるサイン波をsin関数に入れ子にした演算では、入力する低周波の変調周波数1KHzの奇数倍(1,3,5 倍,...)の周波数成分が現れます。これは、図2.計算式に従う結果です。

参考文献/参考資料:

[1] TS-700回路図　TRIO/Kenwood社

[2]MIT OCW 6.003 "Modulation2" , Apple iTunes, Youtube

[3]アナログ回路　電子書籍教科書　新原盛太郎さん

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VXO式/Super VXO式 周波数可変型 水晶発振器の設計

発振周波数がほぼ一定で安定した水晶発振器の発振周波数を、わずかだけ可変させられるVXO回路は局部発振器のVFO代わりに使われることがある。
通信機メーカでもTR-1300(50MHz SSB, TRIO/Kenwood社)が製品に採用したことがある。

LTspiceでVXO発振回路が再現できるか確認したところ、容易に再現できることがわかった。

また、通信実験ファンに人気のある水晶を２個並列にして可変周波数を大きくするSuper VXO回路も再現したが、発振回路の特性に課題があることもわかってきた。

図1. 水晶14.145MHz　VXOのAC特性

図1.では、14.145MHz共振用に定義した水晶に、直列にコイル L1= 15[uH]、バリコン xC=20[pF]〜140[pF]を接続してAC特性を見た。

この例では最大8KHzの共振周波数を下に下げられることがわかった。
バリコン容量はこれ上大きくしても共振周波数は変化せず、変化幅に上限値があるようです。
インピーダンスが極大になりNULL周波数に変化は見られない。

図2.1  VXO発振器の過渡解析とFFT解析(狭帯域)

無調整型水晶発振器と呼ばれる回路で、図1.のVXOを適用し、発振特性をシミュレートした。

たしかに発振しているが、波形が正弦波からかなり波形が崩れ、クロック波に近いような歪みが見られる。

発振回路との関係からか、予定の14.145MHzでは発振せず、かなり発振周波数がずれてしまった。（後日解析予定）

図2.2  VXO発振器の過渡解析とFFT解析(広い帯域)

図2.1の周波数スペクトラムを広帯域で見ると、やはり高調波成分が多いので、BPF/LPFを使わないと通信機応用では、スプリアス抑圧基準を満たせないかもしれない。

図3. 水晶14.145MHz並列2個のVXO　AC特性

図1.と同じ水晶を2個並列にしてSuper VXOのAC特性を見た。(図3.)

言われているように、共振周波数の可変範囲が広がり、34kHz幅までとかなり広い共振周波数の変化幅が得られた。

NULL周波数は図1.と同様に変化していない。

図4.1 Super VXO発振器　動作例(狭帯域)

図4.2 Super VXO発振器　動作例(広帯域)

図3.のSuper VXO水晶で無調整型発振回路を構成した。(図4.1, 図4.2)
大変広い周波数可変範囲になったが、水晶の基本同調周波数から大きくずれた周波数で発振してしまった。
使用する水晶の特性パラメータでこの結果は大きく変化するかもしれない。

発振周波数の歪みが多く、高調波成分が多い。
やはり、BPF,LPFが必要そうに思える予期せぬ結果となった。

課題：
・水晶もVXOもRLC線形素子なので、単体での計算は容易と思われる。
・発振回路の発振周波数の式は、後日求める予定。


22MHz水晶でのVXO発振実験結果：
・発振器として実用になるが、スプリアスが多い可能性が高い。

（これは測定器がないとわからない。）
・バリコンを回転中に周波数がブルブルと振動して変化する違和感を感じた。

　回転をやめると振動は止まる。

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