#si5351

また、前回バージョンの評価時に測定した結果から、クリスタルフィルタの入出力インピーダンスは計算値とぴったり合うことが確認できているので、今回は測定を省こうかとも思いましたが、念のため測定して設計値通りになることを確認しました。下の写真は測定に用いた自作のインピーダンスブリッジです。これとAPB3の組み合わせで測定を実施しました。

自作インピーダンスブリッジ

これらの測定でクリスタルフィルタの特性が把握できたので、プログラムを書き込んでいつも通りラジオを受信してみました。フィルタの切れ味が良くなっていることが音でも実感できました。ちゃんと機能しているようです。

前回の投稿で紹介した、RF Front End基板も一緒に届きました。写真を載せます。まだ何も評価してません（笑）今週末にJA7YAAのOB会があり、宮城に帰る予定なので、それに合わせてこのFront Endボードも組み上げて、大きなアンテナで受信を試したいなぁという希望があります（笑）実はまだラジオ以外は受信したことがないのです。なぜなら．．．アンテナがないから！！

マンションはアンテナ設置には何かと苦労しそうです。実家のアンテナのありがたみを感じます。

RF Front End基板とRFユニバーサル基板

どうでもいいことですが、今回の投稿から、撮影するカメラをスマホからミラーレス一眼に変更しました。パンケーキレンズで撮ってますが、やはりスマホとは段違いに良く撮れますね！

[GNDの分割方式について(メモ)]

表題のGNDの引き回しについてですが、いろいろと測定やらパターンカットやら試していて細かくは説明しきれないのです。結論としては、今回の回路に関しては「各機能ブロックごとにGNDプレーンを分割して、戻り電流のルートを明確にする」ことが最善と判断しました。今まではアナログGNDとデジタルGNDの二系統構成でしたが、この構成ではLO信号によってGNDが揺れていることが観測されました。この辺のGND処理方法は基板や回路ごとに対応する必要があり、なかなか予想しにくい領域ですね。これがソフトな時代に生きるハード屋さんの存在価値でもあると思います。

あとは、このLOノイズを退治すれば、目的信号のみのクリーンな送信信号が得られます。もっとも、現時点でもRF Front End基板に載せる送信LPFで十分退治可能なレベルにはなっていますが。オンエアも近づいてきてますね！

裏面(部品面）

無線機の肝 - 局部発振器としては、安価で入手しやすいクロックジェネレータICであるSi5351を採用しました。このデバイスはElecraft社の最新デバイスであるKX2にも採用されており、無線機の局発として採用することに対して全く障壁を感じさせない期待のデバイスです。高橋さんがスプリアスの調査してますね。以下にKX2の構成ブロック図を載せます。 

上述のようにいろいろな回路を参考にしつつ、独自のテイストをブレンドして（👈これが醍醐味ですよね！）回路設計・レイアウトし、いつもお世話になっているelecrowに注文しました。メタルマスクも注文し、ホットプレートでなっちゃってリフローで完成させました。最近、elecrowは発注してから商品到着するまで７日を切ることが普通になってますね。とても助かってます。回路の構成については、図を作ってないので、後日載せることにします。

これまでは回路中心に開発を進めてきたため、マイコンの開発環境については勉強不足でした。開発環境の構築はとても骨の折れる作業のイメージが強かったのですが、世の中はどんどんオープンソースの方向に進んでいて、意外と簡単に素晴らしい環境が整ってしまいました。ソフトウェア開発環境の構築ついても後日説明したいと思ってます。それにしてもSTMicroのHALライブラリはよくできているなぁと思いました。程よい抽象度、レジスタを叩いていないのになんでもできる感じがいいですね。これから勉強していきます。

「進捗」

STM32CubeMXとSW4STM32を導入し、マイコン開発環境の構築完了

FreeRTOS、LED制御、Si5351による２周波発振確認、I2C LCDの動作確認完了

20MHz 2nd IF Filterの伝達特性の測定完了（設計通り：BW 3kHz, Loss 1dB）

「メモ」

I2C LCD( AQM0802A )は400kbpsのデータレートonly

「今後の予定」

TLV320AIC3204 （MCLK: 16MHz) の初期設定パラメータの算出

TLV320AIC3204とSTM32F303のI2S full duplex動作の実現（DMAの設定含む）

テスト信号（単一周波数正弦波？）を用いて変復調の基本動作確認

Si5351Aは、クリスタルを一つ付けるだけで、10数kHzから200MHzまでの周波数を生成することのできるクロックジェネレータです。内部に独立したPLLが二つ、出力は3つあり、個別に設定することが可能です。出力は50Ωを駆動することができます。価格は比較的安価で、謳い文句にあるように、たくさんの水晶モジュールを使わずに済むメリットがあります。

気になる無線への応用ですが、信号純度が重要です。ターゲットがクロック用とはいえ、最近の高速通信用途ではクロックへの要求が高いので、それなりの性能があります。データシートを見てみたところジッタの数値が十数psのオーダーで、それほど良いわけではありません(まともな水晶モジュールなら1ps以下です)。しかしながら、Webには無線への応用例をいくつか散見したので、もし使い物になるのなら、応用範囲も広そうですので、試してみたいと考えていたところでした。

チップのパッケージはMSOP10ですが、Strawbery Linuxのモジュールでは水晶も一緒に10ピンDIPの基板に載せられています。

動作させるためにはI2Cでの設定が必要です。この設定のため、Arduino環境で使えるSparkFun Pro Micro(互換品)を使用することにしました。Pro MicroはAtmelのMega32U4を使用したUSB対応のボードで、3.3V版が選べて互換品を安価に入手することができます。商標の問題もありません(Arduinoという名前が付いていない)。5V 16MHz版と3.3V 8MHz版がありますので、今回のように3.3V用のモジュールを使うなら3.3V版を選ぶ必要があります。Arduino開発環境から使えるようにするためには、SparkFunのサイトを参照して、Arduino環境にアドオンを組み込む必要があります。

組み立てですが、ブレッドボードにPro MicroとSi5351Aモジュールを挿して、適宜配線します。I2CのSDA,SCLはD2,D3に接続します。Si5351AはVcc,GNDが複数本あるのでそれぞれ接続します。

さて、Si5351Aを制御するためのソフトウェアですが、Adafruitからライブラリが提供されています。下記のようにしてgithubから取得します。

cd ~/Documents/Arduino/libraries git clone https://github.com/adafruit/Adafruit_Si5351_Library

Arduino環境を立ち上げると、exampleからAdafruit Si5351という項目が選べますので、Arduinoらしくすぐに動作させることができます。

気になる信号純度ですが、スペクトラムを観察してみました。Clk#0の出力を観測したところ、最初に見えたのがこんなスペクトラムで、がっかりしました。たくさんのピークが見えて、なんじゃこりゃという感じです。

実は使ったサンプルが、三つの周波数を出すものでした。Clk#0に112.5MHz, Clk#1に13.55331MHz, Clk#2に10.706kHzの設定になっていました。同時に複数の出力が出ているので、さきほどの結果では、Clk#1の出力が混じってしまっていたようです。そこでコードを修正して、Clk#1,#2を出力オフにして、Clk#0のみを動作させてみました。そうしてみたところ大変綺麗な出力が得られました。

Span 200MHz, RBW 1MHzです。目立つスプリアスも無く、これならなかなか良い感じです。わずかに±12.5MHz(=25MHz/2)と±6.25MHz(=25MHz/4)が見えているくらいです(-65dBc以下)。

近傍はどうでしょうか。

Span 1MHz, RBW 5kHzです。位相ノイズが見えていますが、この形は測定系の位相ノイズです。信号そのものの位相ノイズは悪くても測定系と同程度もしくはそれ以下のようです。

もっと近傍はどうでしょうか。

Span 20kHz, RBW 200Hzです。出力周波数の設定は112.5MHzでしたので、5kHzほど低いです。Strawberry Linuxのモジュールで使われている水晶は最適な負荷容量が8pFと記載されていました。Si5351は水晶の負荷容量を10pF,8pF,6pFから選択して設定することが可能ですが、Adafruitのライブラリでは10pFの設定になっていました。容量が若干多かったので周波数が低くなっているようです。そこで、コードを修正して8pFに変更してみました。

Adafruit_SI5351.cpp

//m_si5351Config.crystalLoad = SI5351_CRYSTAL_LOAD_10PF; m_si5351Config.crystalLoad = SI5351_CRYSTAL_LOAD_8PF;

再度計測してみたところ、-1.3kHzほどになりました。-12ppmなのでいいところでしょう。信号も綺麗です。

さらにもう一段近傍を見てみます。Span 2kHzです。

十分綺麗だと思います。

さて、Si5351Aは、フラクショナルPLLとフラクショナルディバイダで出力を生成することができますが、実は112.5MHzの出力は整数PLL(25MHz x36=900MHz)と整数ディバイダ(1/8)で動作しており、実は条件が甘かったのです。

それでは、フラクショナル動作ではどうでしょうか。今度は13.55331MHzの出力を観察してみます。これは、25MHz x(24 +2/3)=616.666MHz、ディバイダは2/90の動作となります。同様にスペクトラムを観察します。

Span 40MHz,RBW 500kHzです。方形波なので奇数次の3倍が強く出ています。2倍もそれなりにありますが、これはそういうものです。他にスプリアスは見えませんので十分綺麗です。

近傍はどうでしょうか。

Span 1MHz, RBW 20kHzです。これも十分綺麗。

Span 10kHz, RBW 100Hz。文句ございません。

というわけで、無線用途にも十分使えそうです。フラクショナルディバイダは20bitすなわち10^6の精度がありますので、およそHz単位で周波数設定が可能です。

ちなみに波形はこんな感じです。ちょっと跳ねているのはオシロのプローブのせいだと思われます。

Si5351Aは複数の出力を得られますが、実は同じ周波数に設定したり、さらに位相差や反転の設定が可能です。例えばこんな出力を得ることができます。

Adafruitのライブラリは位相差の設定をサポートしていないので、別のEtherkitのライブラリを使用しました。EtherkitもSii5351Aボードを販売していて、ライブラリをやはりgithubで提供しています。同じようにサンプルがありますのですぐに試せます。

位相差の設定は7bitの精度しかなく、設定可能な範囲も限定的です。しかしながら、たとえば90度位相差を生成してのクァドラチャミキサのローカル信号生成に使えるかもしれません。というわけでSi5351Aは安価な割にはいろいろと遊べそうです。

リファレンス

Strawberry LinuxのSi5351Aモジュール900円 http://strawberry-linux.com/catalog/items?code=15351

Adafruitのモジュール http://www.adafruit.com/product/2045

AdafruitのSi5351AのHow-to https://learn.adafruit.com/adafruit-si5351-clock-generator-breakout/wiring-and-test

AdafruitのArduinoライブラリ https://github.com/adafruit/Adafruit_Si5351_Library

データシート https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Si5351-B.pdf

レジスタの設定方法のアプリケーションノート。Manually Generating an Si5351 Register Map https://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/AN619.pdf

SparkFun Pro Micro 3.3V 8MHz https://www.sparkfun.com/products/12587

Arduino環境(>=1.6)へのアドオン https://github.com/sparkfun/Arduino_Boards