周波数特性測定装置の製作

当時の機材で現存するのは、上写真左の低周波発振器 ( 10～1MHz ) と右のレベルメーターだけ。右は旧電電公社初期の搬送端局の搬送波検出用増幅器だが、一部オペアンプに改造して選択レベル計兼広帯域のレベル計として使った。共に電電公社仕様 当時でも廃却品で古かったが高性能で手放さなかった

アナログ機材の利点は先の発振器TCO-48の高調波スプリアスの低さを見るとよく分かる。上はTC-48 1MHz出力のスプリアスとICL8038で組んだ発振器1MHz出力を比較したものでTC-48の第１高調波のレベルは-50dB程度なのに対してICL8038は-20dBと電圧レベルで30倍ほども大きく２次以降の高調波も大きなスプリアスを持っている

機材一式を持ち込んでの音場特性の測定は、計測レベルの校正も不十分ではなはだ怪しいものでしたが、レベル測定の要となる発振器と広帯域アテネーターは精度が良かったのでなんとか形をなしました。これらの経験からⅠに勧められて室内音場の特性測定を自動的に行える測定機材の構築を思い立ったのです。

初号機はもう４０年近くも前の話で、掃引発振器と対数変換増幅器 ( Logアンプ ) 及び周波数特性表示部の独立した3つの部分からなり、前者２つはディスクリートで組みましたが、特性表示装置の方は当時電子マニアの間に普及し始めたばかりのマイクロコンピューターFM-8を流用したものでしたがプログラムの記録をカセットテープに頼っていたため、プログラムをロードするまでに何分も掛かりました。

初号機に続いて掃引発振器と対数変換増幅器をひとまとめにし、マイコンにミニフロッピー搭載のMSX機やPC9800 USを使うシステムを造りました。プログラムの読み書きが楽なミニFDD搭載のPCに置き換えたものですが、こちらも30年以上も古い話でどちらも機材は現存していません。

このような経緯の後、最後に掃引発振器から対数変換増幅器及び特性表示器のすべてを一体化したコンパクトなシステムを組み立てました。

October 1947 BELL SYSTEM TECHNICAL JOURNAL掲載の大戦中のマイクロ波検波器の開発状況。初期の真空管による1GHzより大戦後期のIN23Bでは10倍の10GHzの検波が可能となった。この当時の周波数単位は今では懐かしいＣ ( cycle ) でありHz ( Hertz ) ではない

左は当時の3GHzレーダー波用クリスタルコンバーター。右は私がアマチュア無線時代マイクロ波検出に使っていたNEC製のIN23B もちろん基本特許は米国にある。このIN23Bは、私が電力会社の通信機械室に勤務していた1967年頃でも業務用のマイクロ波受信機のクリスタルコンバーターとして広く使われていた

さらにこの研究は戦後米国のベル研究所を中心とした研究者達によって固体増幅器・トランジスタの発見を生み、これに伴う半導体の物性、物理研究とトランジスタの素材と製法の革新はデバイスに大変革をもたらして、高周波と温度特性に難の有った初期のゲルマニウムトランジスタよりシリコントランジスタの時代に突入、1950年後半以降、電子デバイスの開発は疾風怒濤の時代を迎えます。

まだ手元にある1950年代後半から1970年代の電子回路を支えたトランジスタ各種。CES品名 ( JIS登録名 ) の若いゲルマニュウムトランジスタがないか調べてみたがもはや一個もなかった　

この時期の研究開発を牽引したのはベル研究所から分かれてテキサスインスツルメンツの半導体部門を率いた研究者達と、接合型トランジスタの発明者でノーベル賞学者・ショックレーが立ち上げたショックレー研究所に勤務したが、支配者肌のショックレーとは合わずにフェアチャイルド社によってシリコントランジスタの研究開発を推し進めた若手の研究者達でした。

ことにフェアチャイルド社が切り開いたプレーナートランジスタの技術はその後のＩＣ・ＬＳＩの飛躍的な発展に直結し、フェアチャイルド出身の研究者や技術者がシリコンバレーの半導体産業を牽引することとなります。

1971年世界初のストアドプログラムのマイクロプロセッサ4004を生み出したインテルも、当時ェアチャイルドより分かれた研究者達によって設立され、4004は彼らが日本製電卓の演算処理装置として開発したものです。

日本の電機メーカー各社も、戦後欧米との目も眩むような技術格差に圧倒されながらも、欧米各社との技術指導や特許使用契約を結び、国内の家電、通信系需要に応えるため国産のトランジスタ生産を開始します。

更には遅ればせながらシリコンバレーの新興企業と特許契約を結び、国産のICやLSIの生産・開発にもしのぎを削ります。そして日本の特質とも言える量産技術の強みを生かして、半導体デバイスの生産分野では徐々にアメリカと肩を並べるまでに成長してゆきます。

マイコンの原点ともいえるエド・ロバーツが開発したAltair 8800  ( Wikipedia Altiair 8800より )  ビルゲイツはAltiar搭載のBasic開発を振り出しに、日本の各メーカーが売り出したマイコンのBasicをすべて独占し、マイコンのソフトウエア帝王へと昇り詰めるきっかけとなった

デジタルの本目マイクロプロセッサについてはインテルの8080の登場が1973年末、その一年後8080を用いた世界初のマイコンAltair 8800が発売され、学生のビルゲイツがAltair 用のBASICを開発するに及んで、世は徐々にプログラムによって動くＣＰＵ全盛の時代へと移行して行きます。

今となっては懐かしい当時様々な用途で個人的に使用していたICとLSI。下の大きなチップはマイコン関連チップとメモリー

日本でも電気メーカーはインテルやフェアチャイルドと特許契約を結び、シリコンバレーで開発された商品を用いてＮＥＣから1976年にTK－80のような基盤剥き出しのマイコン評価キットが発売され1979年ＰＣ8001、1981年にはモトローラ6800互換の最新チップを2組搭載したFM－8が発売されて、それまでの実験機風の商品から個人ニーズを意識したマイコンの時代となります。

上はefu氏開発になる驚嘆すべきフリーソフト、多機能掃引発振器WaveGene WG150と周波数特性測定器WaveSpectra WS151  オーディオ帯域といえ、この様な高機能高精度なソフトが無償提供されているとは、私のように昨今のCPUのハード・ソフトに無知なものには信じがたい。WS151にあってはその解析信号のダイナミックレンジはなんと120dBに及ぶ。これほどのダイナミックレンジは私の知るアナログの時代には数百万を超える産業用測定機材でさえ難しかったものだ。先に上げたAnritsuのスペクトラム・アナライザではダイナミックレンジ80dB

上はアナログ時代後期のHPの回路網特性測定機8752Bの周波数特性表示画面。GHzを超える超広帯域のこともあるが100dBの表示幅が限界でこれ以下ではノイズに埋もれる

まことに有難い便利な時代になったものですが、インテルやモトローラから8bitマイコンチップセットがようやく登場した1974年ころの話では、測定用の音源発振器でさえも、手軽に利用でき歪の少ない精度の高いものを望むならメーカー製の高価なアナログ機材以外に入手が難しかったものです。

しかし電子デバイスの進歩は目覚ましく、1970後半にはデジタルIC、アナログIC共に極めて高機能・高性能なLSIが手頃な価格で誰でも簡単に手にすることの可能な時代になっていました。

嘗てお世話になった懐かしい半導体デバイスのメーカーマニュアルその他の技術書籍。今も稀に覗くことがある 

アナログデバイセズの超広帯域エンベロープ出力ログアンプ。メーカーの技術力は誠に恐ろしいもので、何年も前に私が苦しみ抜いて、多数のオペアンプとダイオードにC,Ｒを使ってやっとの思い出組み上げた擬似的対数出力エンベロープ検波増幅器が遥かに高い精度と高ダイナミックレンジ、周波数帯幅を持って爪の先ほどのＩＣで実現可能となっていた。

その後何年かしてアナログ・デバイセズのAD8307がワンチップで広帯域の交流信号のエンベロープを対数出力してくれるのを知ってほんとに驚いたものです。私はその後このＩＣを対数変換に用いてコンパクトな最後のセットを組むことになります。

このセットに関してはかなり細かい記録が残っているので正確なことが言えます。過去の機材がいくつものセットに分かれて可搬性に難があったため、このセットでは持ち運びが楽なようすべてを一つのケースに収めました。ケースは不要になった計装盤から切り出して設計サイズに合わせて溶接したものです。

可能な限りコンパクトに仕上げるため、収容ケースは収容する部品のサイズに合わせて切り出して溶接加工した

当時の設計シートを下に示します。それまでのマイコンに替えて産業用のシーケンサーを組み込み、特性の表示と発振器の操作は小型のタッチパネルとしました。今ならRaspiやArduinoの小型マイコンで組み込めますが、仕事の関係で産業用機材の扱いに慣れていたためシステムの制御・操作・表示はシーケンサーとそれに接続するタッチパネルに拠っています。

掃引発振器は10～1MHzと広帯域なXR2206とし10Hz～10MHz任意のバンド幅の掃引発振器兼単波発振器として使える様にしましたが、安価なデジタル合成の発振器は温度や電源変動に対する周波数や歪率の変動が大きく、PLCのソフトで動作させる前には絶えず周波数調整をする必要に迫られました。

Log Amp AD8307の特性測定。80db以上のダイナミックレンジで交流入力をLog変換して直流出力してくれる

発振は10Hzから10倍ごとに5バンドに分け、タッチパネルよりスタート周波数、ストップ周波数をアナログ電圧指令して各バンドを通して連続掃引する場合には周波数の連続性が保たれるようにしました。

周波数掃引と帯域特性描画のテストシーン。設計したシステムが思い通り動いてくれると心楽しいものだ

バンドごとに信号の位相が変わるので2秒の安定時間の後１バンド10秒間で掃引し10～１MHz通しての掃引では１分程の時間がかかります。高い周波数であればAD8307Aの振幅出力は一瞬で安定するのでもっと高速の掃引でも問題ないわけですが、特に必要性もない各バンドとも１０秒で統一しています。主たる部分の回路構成は次のとおりです。