デジタルモード用インターフェース Ver.3 (絶縁型) の製作 (その2)

残りの部品も実装し、ようやく基板が組み上がりました。

基板が出来上がったところで、動作や特性の確認を行いました。
結論としては、当初の回路で取りあえず動作はして、そのままで FT8 での交信もできました。

◆◆ 基板の動作確認 ◆◆
① 回路電流
無負荷、通信信号無しの状態で実測し、217 mA でした。
IC のデータシートなどから計算した電流値は 244 mA ですので、まあ妥当な値だと思います。
また、RS-232 の負荷を接続したり、信号を通信したりしても、まず 500 mA を超えることは無いと思われます。
MAX3232 の TXD 出力電圧は、±6 V で、RS-232 の負荷抵抗 (規格の標準値) は 5 kΩですから、
RS-232 の負荷電流は、せいぜい 1 mA 強といったところだと思います。
なので、USB のバスパワーでも使用できそうですので、安心しました。

② 回路の主要箇所の電圧
電源電圧、バイアス電圧などは想定内の値であり、特に問題はありませんでした。
トランスのドライブを DC 直結することを検討するため、トランスの二次側の片端をバイアス電圧に切り替え、
C32 とC37 のそれぞれの両端の電圧 (下図) を測ってみたところ、どちらもほぼ 0 mV (0.1 mV 以下) でした。

したがって、C32 および C37 をショートして DC 直結しても、トランスに電流は流れません。
取りあえず、DC 直結するようにしました。

③ RS-232 通信
RIG (TS-590 および TS-2000) との接続確認を行い、通信できていることが確認できました。
HAMLOG での周波数取り込み、WSJT-X での CAT 制御が、問題なくできています。

④ PTT 制御
TS-590 および TS-2000 と WSJT-X との組合せで、PTT 制御ができていることを確認しました。
RTTY と CW は未確認ですが、PTT と回路構成が同じなので、恐らく問題ないものと考えています。

⑤ Audio 信号 (周波数スペクトル)
DIN コネクタの部分で入出力を短絡し、ループバック試験をしてみました。
ローパスフィルタの信号通過帯ゲインを 0.2 倍としていますので、この部分でオーディオ信号が 14 dB 減衰します。
ループバックで往復すれば 28 dB 減衰し、USB Audio コーデック IC に帰ってくる信号のレベルがかなり小さくなります。

WSJT-X でよく使う 1500 Hz の信号では、目立った高次歪み成分やノイズ成分などは見られませんでした。

1000 Hz でも特に問題はありません。

500 Hz では、僅かに歪み成分が見られますが、信号比で -70 dB 以下なので、まだ問題ないレベルかと思います。

250 Hz では、３次歪みが信号比 -60 dB くらいです。

100 Hz では、だいぶ歪み成分が大きくなり、３次歪みが信号比 -55 dB くらいです。

トランスで低周波を通すのはしんどいのかも知れません。
データ通信の副搬送波で、極端に低い周波数で送信しなければ、
恐らく問題はないのではないかと思います。

⑥Audio 信号 (オシロスコープ波形)
1 kHz の信号を出力し、その波形を測定してみました。
下の写真のように、かなりノイズが重畳した波形になっています。

試しに、GND の波形も見てみました。
555 kHz ぐらいの周期で、バースト状のノイズ信号が乗っています。
IC 内部の DC-DC コンバータのスイッチング周波数が 625 kHz なので、
おそらくこれが見えているものと思われます。
プローブの自分自身の GND 点をプローブを掴んで測定していますが、
どうもプローブが１ターンコイルとなって、ノイズを拾っているようです。
※オシロスコープの周波数表示はデタラメです。
　横軸が 500 ns/div で、周期が 1800 ns 程度なので、周波数は約 555 kHz です。

波形を拡大してみると、350 MHz ぐらいの高周波ノイズのようです。
※オシロスコープの周波数表示はデタラメです。
　横軸が 10 ns/div で、1目盛り当たり 3.5 サイクル程度の波形なので、周波数は約 350 MHz です。

これは、絶縁用 IC の ADuM5402 が発しているノイズと思われます。
この IC のノイズ輻射が大きいことは、予め承知していました。
メーカーの情報では、IC 内部で約 180 MHz のクロック信号を使っており、
その高調波ノイズが輻射され、特に２倍高調波である約 360 MHz の輻射が
一番強いようです。
なので、電源ラインや信号ラインにフェライトビーズや貫通コンデンサを挿入するなど、
ある程度ノイズ対策を施していたつもりです。
ただし、GND は特に対策はしていませんでした。

色々いじっていると、IC を実装している基板の裏あたりを指で触ると、
ノイズの量に変化が見られます。

そこで、以下のような仮説を考えてみました。
ADuM5402 の前後で絶縁しているため、当然 GND も分離されています。
IC 内部で生成された高周波ノイズが、コモンモードループ
　　GND1 → ･･･ → VDD1 → VISO → ･･･ → GNDISO
を形成しようとしますが、GND1 → GNDISO 間が分離されているため、
GND1 および GNDISO の銅箔パターンがダイポールのようなアンテナの働きをして、
ノイズを空間に輻射しているのではないかと。

なので、GND1 と GNDISO を高周波的に結合 (短絡) させれば、ノイズの低減が見込めます。
指で触ったのも、ちょうど GND1 と GNDISO の間の部分だったので、
指を介して GND1 と GNDISO が緩く結合したため、ノイズ量に変化が見られたと思います。


さて、どのように対策するか、少し考えました。
極力短いループでノイズをリターンさせないと効果がありません。
メーカーでは、4層以上の多層基板で VDD1、GND1、VISO、GNDISO の銅箔パターンを
重ねることにより、バイパスコンデンサを形成させることを推奨しているようですが、
2層基板ではそのようなことはできません。
そこで、IC の近くおよび基板の裏面に、GND1 と GNDISO の両方に掛かるような形で、
銅箔テープを貼ってみることにしました。
銅箔テープは、ダイソーを何軒か回り、何とか見つけることができました。

基板表面

基板裏面

ソルダーレジストの上からテープを貼っていますので、GND1 と GNDISO 間は導通していません。
絶縁耐圧も特に必要な訳ではありませんので、問題にはならないと思います。

結果は非常に良好でした。
1 kHz 正弦波の出力波形です。
ノイズがかなり軽減されています。
オシロスコープの輝度が高いので、波形の回りがノイズっぽく写っていますが、
実際はかなり綺麗なトレース曲線になっています。

GND のノイズ波形です。
625 kHz のバースト状ノイズも見えなくなっています。

今回、折角絶縁しているのに、高周波をバイパスさせる対策を取りました。
まあ、トランスによる絶縁も、高周波はスルーしているのではないかと思います。
なので、USB ケーブルやリグとの接続ケーブルにパッチンコアでも入れて、
高周波をカットするようにしたいと思います。

また、銅箔部分がフローティングのため、電位が不定です。
(高周波的には、中間電位になると思いますが)
GND1 か GNDISO のどちらかに接続した方が良いかも知れませんので、
今後の課題としたいと思います。
取りあえず、しばらくこれで様子を見ようと思います。

そこそこ上手くいきましたので、次は最後の仕上げをしていきたいと思います。

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