艦長日誌・私的記録 DS9

　さて，HP53131Aの続きです。

　53131Aには高精度オプションが用意されていて，これを使うと内蔵発振器の精度を10E-9まで高める事が出来ます。

　OCXOになっているのは当然のことなのですが，このOCXOは電圧制御で周波数を動かす事が出来るもので，その制御電圧はDAコンバータでカウンタ本体から生成されます。

　どうも，正確な10MHzを入れて校正スイッチを入れると，OCXOを調整して10MHzになるようにしてくれるようです。電子校正と取説に書かれているのはこれの事のようです。確かにこれは便利ですね。

　しかし，このDAコンバータがなかなか高価で入手が難しいらしく，自作する場合の最大のネックがこれなんだそうです。高精度なOCXOの入手がそんなに難しくないというのが，今どきの話だなあと思います。

　OCXOにしてもTCXOにしても，どのみち校正が必要なものである以上は，調整方法に外側からアクセス出来ないといけません。電子校正はその手段の1つではありますが，それが難しいなら，手動で合わせる事になります。

　幸い，私が持っているOCXOの1つは，なかなか高精度な実力を持っている上に，電源電圧は5V，電圧制御は出来ないですが，トリマで微調整が出来ます。しかも出力は5Vの矩形波です。

　これを内蔵しようかと思ったわけですが，やっぱり校正が面倒だという理由で，外に置くことにしました。電源だけは53131Aからもらうことにし，24時間通電をすることとしますが，クロックは外部クロック入力に突っ込みます。

　そしてGPSの8MHzで校正をかけます。丸2日微調整を繰り返しましたが，3日後以降は9桁目が±1しかずれなくなりました。なかなかいいです。

　ただ，やっぱりGPSですから，短期的な揺らぎが結構あるのがわかります。これを使って基準クロックを調整出来ても，うまくいって10E-8くらいでしょうから，9桁は全然信用出来ないんですけどね。

　ところで，なんでこんなことをやっているかという話に戻るのですが，TCXOで作った時計が，予想よりも狂わないのが不思議で，ちゃんと測定しないとなあと思った事が理由です。

　TCXOって、1ppmくらいの精度です。1ppmといえば10E-6ですが，これは100万秒に1秒ずれる計算になります。100万秒と言えばすごい数字ですが，一日が86400秒だと考えると，わずか11日で1秒も狂うんです。これは時計としては今ひとつです。

　ですが，実査に作って見たものは，11日どころか，半年くらいでようやく1秒狂うかどうか，という感じなのです。計算間違いか，私の勘違いか・・・

　測定すれば一発でわかると思いきや，10E-6程度の周波数カウンタでは意味がありません。それで，10E-9くらいの精度は最低必要という話になっています。

　そこでGPSです。GPSはそのままでも1秒ごとに10nsくらいのゆらぎであり，これは10E-8くらいの精度を持っていることになります。

　この周波数を基準にして，時計のTCXOをざっくり測定すると，32.768kHzは32.7680020kHzとなりました。精度は6.1E-8となるわけで，1秒ずれるのにざっと190日かかる計算となります。うん，半年くらいで1秒という現実に，概ねあっていますね。

　とまあ，自分がここまで高精度な時間軸を本当に必要とするとは夢にも思わなかったのですが，時計というのは小さな誤差でも積み重なって大きな狂いを膿みますので，やはりこのくらいの精度が必要なんでしょうね。

　しかも，一桁改善した時の効果が大きくて，3年に1秒のズレを一桁改善すると，30年に1秒しか狂わなくなります。当たり前の事ですが，人間の一生なんて本当に短く，我々は長い長い時間の流れを，ほんの一瞬だけ生きているんだなあと思いました。

　ここらでちょっとまとめてみます。1秒ずれるのにかかる時間と，精度の関係です。

1E-5　0.003年（1日）
1E-6　0.03年（11日）　1ppm
1E-7　0.3年（3.6ヶ月）
1E-8　3年
1E-9　30年　1ppb
1E-10　300年
1E-11　3000年
1E-12　3万年
1E-13　30万年
1E-14　300万年
1E-15　3000万年

　ちなみに，普通の水晶発振子が1E-5くらい，TCXOで1E-6程度，OCXOだと1E-7から1E-8と言われています。また地球の自転周期が1E-8，公転周期が1E-10だそうです。

　そして，ルビジウム原子時計が10E-13，セシウム原子時計が10E-14くらい，そして一次標準器という一番精度の高いセシウム原子時計で10E-15くらいという話です。さらに，光格子時計という最新のものだと，なんとまあ10E-18まで見えているそうで，こうなると300億年に1秒のズレになります。さすがにこれくらいになると，もう非現実な世界になってきます。

　なにやら，こういう高精度な時間標準のために，底なしの戦いに身を投じることを，高精度病というらしいのですが，残念ながら私は原子時計に手を出していないので，罹患していないと断言出来ます。

　でも，せっかくの53131Aを意味のある測定器にするためにも，やはり10E-11くらいの精度は，手に入れたいものです。


　さて，話を戻すと，TCXOの時計を10E-9レベルの基準クロックで測定してみました。

　源発の26MHzは26.0000020MHzでした。CLK0からの出力は32.7680020kHzでした。精度を計算すると，源発は26MHzに対し-7.69E-8，CLK0は32.768kHzに対し-6.10E-8です。

　これは，それぞれざっくり150日で1秒のズレと，190日で1秒のズレということになります。

　TCXOのい時計は，2ヶ月動作させて0.3秒くらいのズレだったので，おおよそこの測定結果とあっています。

　しかし，源発のずれと32.768kHzのズレは一致していないといけないはずで，そうなっていないというのは，やはり基準クロックの精度が低く，そのせいでそれぞれのクロックを正しく測定出来ていないんだろうと思います。

　もう一桁，さらにもう一桁精度が上がると，もう少し測定結果が揃ってくるんじゃないかと思います。

　そうなってくると，高精度の周波数基準が欲しくなってきますね。せっかく桁数の多い周波数カウンタを手に入れても，ウソの表示が出ているだけというのは寂しい物です。

　でも原子時計は個人では持ちたくないし・・・GPSDOを作ってみましょうか。

　先日からレストアをしていた周波数カウンタ，HPの53131Aのレストアが終わり，実際の測定に活躍し始めました。今回はその前編として，レストア終了までをまとめます。

　手元に届いた53131Aは1996年頃の製造と言うだけあり，お世辞にも綺麗とは言えない物でした。端子はくすんでいたり，赤いサビが浮いていたりしましたし，強制空冷の機器にはよくある黒いホコリが内部にはたくさん溜まっていました。

　その空冷ファンは長年の酷使によって大きな異音を発生させており，交換は必須です。

　とにかく，ケースを分解して可能な限りハンドソープで水洗いをするのが私のやり方です。ですが，あわてて分解したのでリアのバンパーを外すときにケースを割ってしまいました。これは紫外線硬化型のBONDICで修理したものの，強度が足りずにまた壊れてしまったので，エポキシ接着剤で修理しなおしました。

　水洗いをすると，見た目以上に汚れているのがわかります。内部も水でもこぼしたかのような跡があったりするので，思った以上に程度は悪そうです。

　ファンですが，以前ここにも書いたように，この周波数カウンタは電源スイッチをOFFにしても常時電源が投入されており，ファンも24時間回りっぱなしですので，静かで低速回転のものが望ましいです。

　PCの自作が一般化して久しいですが，その恩恵はこうした空冷ファンを，価格や性能で様々なものから選ぶ事が出来るようになったことも1つあるかなあと，私は思うことがあります。

　DC12Vの4cmのファンですが，私は静音タイプのものを選びました。交換すると，本当に回っているのかなと思うくらい静かに，ゆっくり回ってくれています。

　問題は次です。分解の途中，フロントパネルを外すときにうっかり電源スイッチのキートップを外さないまま無理に外してしまったので，スイッチが壊れてしまったのです。

　オルタネートのDPDTで，ITTのPVA2-EE-H1というスイッチなんですが，これを同じ物を買おうと探したのですが，全く見つかりません。仕方がないので似たようなものを探そうとしたのですが，写真ではよく分からないのです。

　図面を見ながらあちこちのパーツ屋さんに似たような物を注文したのですが，届いたものは今ひとつな物ばかり。高さが合わない，キートップがはまらない・・・写真でそっくりだと注文したのに，届いてみると一回り小さい物が届いたとか，そんなのばっかです。

　唯一大きさも高さもすべてが一致したいるものが見つかったのですが，これは在庫切れ。納期1ヶ月という返事が来てあきらめました。

　仕方がないので記憶をたどると，風呂場に着いているヤマハのスピーカーの電源スイッチが，ちょうどこんな感じのスイッチだったことを思い出しました。早速壁からスイッチを外し，確認してみると，アルプスのSPPH110300でした。

　このスイッチは，軸が中心からずれているので，取り付け位置をずらさないといけないのですが，ちょうど1ピンずれた所でハンダ付けすると軸が真ん中に来そうです。53131Aの基板で確認すると，ずらしてもマウント出来ることがわかり，これでいこうということにしました。

　そうそう，ヤマハのスピーカーのスイッチは，同じアルプスのSPPH2シリーズのスイッチをあてがっておきました。高さもピッチも軸の太さもなにもかも違うので，きっと中身を見た人はびっくりするんじゃないかと思います。

　ところが，左側に2.5mmほどずらして取り付けたことで，正面パネルをシャシーに取り付ける時に，スイッチに金属のフレームがあたってしまうことがわかりました。無理に悪阻込むとスイッチが分解します。これは困りました。

　結局，スイッチが分解しにくいようにテープでしっかり固定すること，それとフレームが入りやすくなるように，パネルのプラスチックを少し削りました。

　それでもかなり厳しいのですが，なんとか収まってくれたので，もうこれいいことにします。

　これで一応組み立てが終わり，期待通りに動き出しました。

　しかしあれですね，レシプロカル式だから高速だと思っていたのですが，必ずしもそうではないんですね。アーミングを桁数で指定してやると，9桁でも数秒かかりますし，10桁ならさらにその10倍くらいかかります。

　しかも，被測定周波数によって測定時間も変わってくる（これは当然のことで，高い周波数になると周期が短くなるわけで，何周期も測定しないと桁数を稼げないからです）

　それでもまあ，8MHzとか10MHzを9桁で測定して，ほぼ1秒ですから，これまで私が使っていた周波数カウンタ（7桁で1秒かかる）に比べて，まさに天国のような使い心地なんですが・・・

　あまり使う事はないでしょうが，24時間通電して異常がないことを確認して，内蔵発振器を調整します。基準となるのはGPSモジュールから出てくる8MHzです。

　でも，やっぱり内蔵の発振器だと6桁くらいが限度で，それ以下はずっと変動していますし，調整のツマミでもきちんと追い込めません。6桁くらいでと割り切って，そこそこの精度であきらめました。

　長くなったので次回に続きます。ここまでで一応53131Aは正常に動作するようになりました。念のためセルフテストも通して見ましたが，すべて合格です。傷だらけですし，変色も破損もありますが，それも含めてうちに来たのが何かの縁です。大事に使ってやろうと思います。

　うーん，これまで散々時間と手間をかけてきた自作の8桁カウンタ，どうしたものか・・・

　LCD8812K4-01のバックライトが暗くなった件，数日前にここに書いたものですが，電源ラインに入れたダイオードの劣化でVFが0.8Vを越えてしまったことが暗くなった理由ではないかということで，ダイオードを外して試したところ，わずか3日で元の暗さに戻ってしまいました。

　電源電圧はこの時5.3V，LEDの両端の電圧は2.3V付近まで落ちてしまっていましたので，これはもう完全にLEDそのものの劣化といってよいでしょう。

　私自身はLEDの専門家ではないので，どういう劣化をするのか，どういう故障モードになるのかをよくは知りません。今度調べて見ようと思いますが，同じ電圧では電流が流れなくなり，それに伴って輝度が下がるということなのか，同じ電流が流れても輝度が下がってしまうのか，その辺もよく分からないです。

　今回のケースでは，VFが2.7Vが2.3Vまで下がっていました。VFが2.3Vということは抵抗で3Vの電圧降下がないといけないので，50Ωの抵抗には60mA流れていることになります。

　並列に繋がったLEDですので，仮に特性が揃っているとして半分の30mAがLEDに流れている電流という事になりますが，VFが2.3Vで30mA，そしてこの輝度というのは明らかにLEDの不良という事になります。

　とりあえず，新しいLEDに交換して様子を見ましょう。輝度が落ちるのに2ヶ月ほどかかっていますので，それ以後の輝度の低下があるかないかで，原因がどこにあるかを考えたいと思います。

　先日，ついつい出来心でOCXOのジャンクを買ってしまいました。10MHzのもので，もともとGPSDOについていたものようです。

　トリマによる周波数微調整がない代わりに，電圧制御で周波数の調整が出来るものです。この手のタイプは初めて買いました。

　安い物なので，ダブルオーブンではないでしょうから，性能的には期待していませんでしたが，動作確認くらいはしようと周波数カウンタの電源を入れました。

　そう，この周波数カウンタは以前GPSを使って内部のTCXOを追い込んで，8MHzに大して0.1Hz以下にしたものです。そして同時に，手持ちの10MHzと9HzのOCXOもぴったりの数字にあわせ込んでいます。

　早速，この時あわせた10MHzと9MHzを測定してみます。電源投入後2時間ほどすると周波数も消費電流も安定してくるので，このあたりで数字を読みます。すると，

9MHz・・・9000.0014Hz（+1.4Hz）
10MHz・・・10000.0012Hz（+1.2Hz）

　となりました。また，今回手に入れたOCXOを測定してみると，

10000.0025Hz（+2.5Hz）

　となりました。

　うーん，すっきりしないなあ。この結果をどう見ればいいのか。考えてみることが訓練になるので，逃げずに考えてみましょう。

　まず，このズレが周波数カウンタのタイムベースと，被測定対象であるOCXOの，両方のズレに来ていることは否定できませんが，2つのOCXOの間のズレが0.2Hz程である事を考えると，タイムベース側のズレの方が大きいだろうと推測できます。

　で，仮に10MHzのOCXOが全くずれていないと考えて，誤差は10MHzに対して1.2Hzですから，0.12ppmです。TCXOの規格が2ppmですし，以前書いたようにこのTCXOは電源電圧の変動に弱いので，電源の安定度まで加味して0.12ppmというのはかなり頑張っている方だと思います。

　でもでも，これだけ頑張っているように見えても数字というのは残酷です。8桁の7セグメントLEDのうち，2桁が違った値を示していることのやるせなさたるや。

　これをきっちりするには，GPSDOを自分で作り，これをクロックソースとして周波数カウンタに供給するしかないでしょう。おや，ここにちょうどいいOCXOがあるじゃないか。

　以前書きましたが，GPS衛星に搭載しているクロックは10E-13くらいの精度が本当はありますけど，地上に届くまでに大気の揺らぎなどで10E-8くらいまで精度が落ちてしまいます。

　それでもまあ10E-8ですから大したものだと思いますし，10E-8といえば10MHzに対し0.01Hzであり，8桁くらいの周波数カウンタならこれでもう十分なわけですが，もっと上を目指そうと思えば，この誤差は蓄積せず長時間の平均を取れば取るほど小さくなっていきますので，1000秒の平均で10E-12，10000秒で10E-13まで理屈の上では追い込めることになります。3時間ほどで10E-13ですか。本当かなあ。

　まあ，0.2ppmくらいならもういいかなと言う気もしますし，GPSDOを作らずともOCXOベースでタイムベースを作ればいいかなとか，そもそも8桁では足りないのでこの際だから53131Aを買っちゃうか，などといろいろ考えているところです。

　今年4月8日に，aitendoで売っているLCD8812K4-01を使った時計をここに紹介しました。この時計，非常に精度が良くて，2ヶ月経過しても目で見えるレベルでのズレがなく，ほとんど狂っていないと言っていい感じです。

　・・・なのですが，5月の末くらいから，なんだか画面が暗くなっていることに気が付きました。いつも煌々と点灯したバックライトにクラクラしていたのですが，日に日に暗くなっていき，なんだか元気がなくなっていくペットを見ているような気分で辛くなってきました。

　最初は，キャラクタ側のドライバICを全く初期化しないで使っている関係でLCDに直流がかかったりして，LCD全体が劣化しているんじゃないかと考えたりもしたんですが，まあそんな馬鹿な話はなくて，新品のLCDを比べて見たところ明らかにバックライトの輝度が落ちていることが確認出来ました。

　LEDなら交換出来るしと，ちょっと安心したのですが，劣化した理由が気になります。

　疑わしいのは，電流の流しすぎです。電流制限抵抗が小さすぎる，もしくは入っていないという状況でよくおこる話なのですが，LEDの電圧を測定すると2.71Vとまあ問題はありません。（そうそう電源電圧は4.5Vとやや低めにしてあります）

　回路を追いかけると，LEDは並列に繋がっています。抵抗は100Ωの抵抗が並列になっており，トータル50ΩでLEDに直列に入っています。これが電源に直接繋がっていました。

　抵抗が並列になっているのは，おそらく電力の問題でしょう。この部分で32mWほどの電力を消費しますので，100mW定格のチップ抵抗1つではちょっと心配です。それで並列にしたんじゃないかと思います。

　LEDのVFにばらつきがないと仮定し，両方に同じだけの電流が流れているとすれば，4.5Vから2.7Vを引いた1.8Vが抵抗にかかる電圧です。ゆえに抵抗に流れる電流は36mAとなりますが，これがLEDに流れるわけですので，LED1つあたりは18mAとなります。

　あれ，VFが2.7Vで18mA？普通じゃないか。なんでこれで壊れるんだ？

　1つだけ壊れるんだったら個体不良でしょうが，2つ同時に同じ程度で劣化しているので，やっぱり使い方じゃないかなあ・・・でも，1つが壊れて電流が流れるようになったら，そっちに引っ張られてもう片側は電流が減るので暗くなるし，逆に電流が流れないようになったら，もう片側にたくさん流れて劣化するので，どっちにしても暗くなるのか・・・

　ということで，LEDの劣化を疑わず，交換をしてみました。交換したら確かに明るくはなったのですが，新品の頃のまぶしいくらいの明るさにはほど遠い感じです。おかしいなあと思ってさらに調べます。

　すると，電源に直列に入れているダイオードの両端の電圧が，0.8Vを越えていることがわかりました。

　いやなに，私はうっかり屋さんなので，逆接続で壊して泣き崩れてしまう事をしょっちゅうやらかします。それで電源にダイオードを入れることをよくやるんですが，ここに小信号用のダイオード（型番不明）を適当に突っ込んだんです。

　ですが，小信号用のダイオードですからね。改めて1N4148のデータシートを見てみると，50mA流せば順方向電圧は0.8Vを越えています。大電流用のダイオードはこのあたりがうまく調整出来ていて，電柱が増えても順方向電圧が低くなるように作られています。その代わり速度が遅いわけですが。

　不思議なのは，以前はこんなに暗くなかったんです。それに，はっきりした記憶はありませんが，ダイオードの電圧降下もこんなに大きくなかったことを覚えていて，もうはっきりしたことはわからないのですが，劣化した，壊れてしまったと考えるしかないんじゃないかと，そんないい加減な結論になりました。

　交換したLEDを元に戻し，ダイオードを外して電源を直結したのですが，確かに明るくなりました。なりましたが，かつての?活差にはまだまだ届かない感じです。やっぱりLED自身の劣化もあるんじゃないかなあと思います。

　まあこれで少し様子を見てみましょう。なんか最近，深追いするのが面倒で・・・

　ところで，LEDに並列に入っている謎のダイオード，向きは逆方向に入っているのですが，結局なにか分からずじまいです。ツェナーかなと思いましたが，ツェナー電圧まで上げるのはなんとなく怖いし，でも普通のダイオードを逆方向に入れても仕方がないと思うし，結局外観から判断出来ない部品ですので，分からないままです。

　おそらく静電破壊対策か高電圧保護用のツェナーではないかと思うのですが，別にいらんよなあと思った私は，外しておきました。

　しかしまあ，どうもすっきりしません。

　もともと中華製で，しかもaitendoでしか売っていないもので，その上そのaitendoが特価で売るようなものですから，まともなものと思う方が間違いなのですが，もし本当にこれがあきらかの不良品だとしたら，検査で不合格になったり，市場でトラブルが出た回収品を廃棄せずに横流ししたものだったりするわけで，ちょっとブラックな臭いがしますよね。廃棄したことにしてブラックマーケットに流してしまうと，横領とか脱税とか・・・なんかそういうややこしい話がついてまわりそうです。

　以前のジャンク品は新品なら品質は実力でほとんど問題なく，大人の事情で安く売られているだけというものあったのに，なんだか残念な話です。

　そういえば，ひところ偽物の電子部品が話題になりました。PC用のCPUで，クロックの低い安い物をリマークして高速版として偽る話も聞きましたし，希少価値の出ているトランジスタも，形がそっくりのものをリマークして売るとか，ひどい物だと耐圧の大きな電解コンデンサに見せかけるために，アルミの缶の中に小さなコンデンサを入れて偽装した物までありました。

　2SC1971という，三菱製の高周波用電力トランジスタがあります。50MHzで10Wくらいとれる便利なトランジスタで，メーカーやアマチュアを問わず多用され，当時は安価に供給されていた定番品ですが，ディスコンになってからはプレミアが付き，今は10倍にも20倍にもなっています。新品が手に入ればまだ良い方で，そういう事情に目を付けた悪い奴らが，偽物をばらまいて一儲けしているんですね。

　見た目はそっくりなものから，明らかに偽物と分かる物まで。差し替えればとりあえず動く「良心的」な偽物から，通電した瞬間にはじけ飛ぶどうしようもない偽物まで，それはそれはこの話だけで酒の肴になるくらいです。

　この手の偽物や不良品が市場に出てくる話は，特に半導体が供給不足になったときにはしばしば出てきた話で，古くは1970年代後半のインベーターゲームブームで訪れたTTLの不足，1980年代中頃のDRAM不足と，悪い業者が一儲けを企んできたわけですが，昨今の不良品や偽物騒ぎというのは，こういうものとはちょっと違っていて，明らかに悪意があるように思います。偏見かも知れませんが，偽装した部品が現役で，大量に使われるような物ではないのに，わざわざ形だけ似せた偽物をつくるんですから。

　今回のLEDが不良品なのか偽物なのかはわかりませんが，繰り返すように通常の使い方をして3ヶ月ほどで擦過してしまうわけですから，これが消費者の手に渡っていたらと思うと，ゾッとします。