#g4sdr

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G4SDR: STM32G4 internal signal rooting test while the ALL JA Contest 2020

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G4SDR開発進捗① 部品実装完了→96x64ドット有機ELに表示してみた

前回、ラダーフィルタで所望の特性が得られる見込みが立ったので、G4SDRに部品実装を行いまいした。 一部、LTspice SIMで問題点が出てきたので、その部分については、パターンカット等の手をいれて対応しました。軽微なものでよかった^^; 何気に、一番問題になったのは、120kOhmの抵抗が必要なところを120Ohmで注文してしまい、手持ちにそんな大きい抵抗値はリード付抵抗しかなく、これはどうしたものかと少し悩み中です(リード付抵抗をボンと置くのはカッコ悪い)。

部品実装の流れ紹介

部品実装の過程を少し書いてみます。他の自作派の皆さんがどうやっているのか、意見交換したいところです。この方法いいよ！っていうの持ってる方いたら教えてください！僕としては、部品実装の過程を楽しんでるわけではないので、できるだけ楽をしたいのです。当然、費用対効果が絡みますが。

まず、基板はFusion PCBに発注しました。 初めての発注にトライするような方にアドバイスとしては、 「デザインルールと部品実装ルール（自分が実装できる仕様になっているか）を確実に読み込み、自分自身が理解してからレイアウトしましょう！」 これは、デザインが完成して、いざ発注だ！というタイミングでの設計変更を防ぐためです。この設計変更はかなり骨が折れます。特に小型化を狙っているような場合です。あらかじめ、ルールがしっかり入っていて、配線一本を引く度に、目視で「ルールOKだな、さぁ次」と進められれば、先のような戻りは防げます。

ちなみに、私がレイアウトする際には、ほとんどDRCエラーは発生しません。昔はエラー山盛りであることに終盤で気付くというようなへっぽこをしていた時代もありますが。

話を部品実装に戻します。 今回、基板と一緒にメタルマスクも発注しました。1000円程度なので、発注しない方がもったいないくらいです（送料の方が高い）。

まず、メタルマスクは厚紙？に挟まって納品されます。この厚紙を使ってメタルマスクと対象の基板の位置合わせをする環境を作りました。

メタルマスク固定用基板(対象基板と厚みが同じだと良い)を準備して、先の厚紙に張り付けます。それらの基板で、対象の基板を挟んで動かなくするのが目的です。 今回は２枚で行いました。横縦に動かないために三点以上で止めるために、場合によっては3~4枚必要かもしれません。G4SDR基板には 電源コネクタ取り付け用の出っ張りがあったので、これを利用して動けなくしてやりましたhi。

上にメタルマスクを置いて、はんだペーストを流し込みます。使い終わったクオカードを使いました。ちょっとやりにくいので、今後、要改善です。コツとしては、部品の手載せ時のスムーズさを上げるために、「多めに塗っておくこと」です！ 多すぎてブリッジした分には、はんだ吸い取り線で対応できますが、少ないと、そもそも部品が基板に接続されなかったりします。 また、部品を手載せしていく際には、はんだペーストが少ないと、載せた部品を食べてくれません（表現が難しい、埋まってくれない？）。今回、基板の左半分のペースト量が少なく、部品を載せるのに苦労しました。

そして、あぶります！！！ 僕は、これ（リフロー的な）専用のフライパンを常備してます。料理しちゃだめよ？（笑） 弱火であぶりながら、溶け具合が見やすい点を見つけて凝視し、はんだの溶け具合と煙？の出具合で判断して、ヒートクリップで取り出します。 あらかじめ、とりだした後に冷ますための場所も確保しておきましょう！僕は、ブリキのクッキー缶の蓋にしました。どうなってもいいやつが良いです。 その後のチェックで、ペーストが薄かった部分の付が悪かったので、手直しをすることになってしまいました。

裏面。回路機能のほとんどは裏面で成り立ってます。

表面。こちらは、UIやハード的インターフェースを集めてます。

㊤SMAコネクタは送受切り替えスイッチの出力につながっています。つまり、そのままアンテナに接続すればOn Airできる想定(簡単なLPFはつけないといけない)。

㊦SMAコネクタは、送受切り替えスイッチをDisableしたときに、受信信号専用の入口になります。一方で㊤SMAコネクタは送信信号専用になります。G4SDR外部にPAやLNAを追加したい時や、送信と受信のアンテナを別にしたい時に有用です。

これで、99%実装が完了した状態が整いました。そして、いつもドキドキの火入れです。USBから電源を供給したら、Green LEDがきれいに光る予定です。「せーの！」で投入するも、うんともすんともないです。調査したところ、LEDの電流制限抵抗のはんだ不良でした！！！そういえば、後で要チェックだなと思いながら部品を置いたのを思い出しました。ペーストの量、大事です！ 手直しして、無事動き出しました！

さてさて、マイコンは動作してるかなと気になります。 僕がいつもやる、マイコンの生存確認方法を紹介します。 「USB経由でPCがDFUデバイスとして認識するかどうか試す」 です。STM32マイコンで、USBポートがついているデバイスは、起動時に[BOOT0]ピンの状態を読み取って、HIGHならばブートローダ機能を立ち上げてくれます。これは、あらかじめチップに書き込まれたプログラムなので、ユーザーがプログラムを書く必要はありません。 以下、手順です。

BOOT0ピンがHIGHになるように回路を設定する（BOOT0ピンと電源間にスイッチを置くと便利です）

PCにつながったUSBケーブルを基板にさす（同時に電源が供給されてもよい）

基板に電源を投入する

PCが「おなじみのピン！」と鳴って、DFUデバイスを認識してくれるかどうかチェック（何らかのソフトを立ち上げる必要はない）

これのいいところは、Lチカで動作確認だー！と走り始めて、興奮のあまり、出力のピン設定を間違ったプログラムを書いてしまい、「L、チカってくれなーい！！！」と大慌てするようなことを防げます（笑）たぶん、世の中で結構な人がやってると思いますよ。一日一人とか（笑）

で、Lチカもできたので、秋月で売ってる96x64ドットの有機ELディスプレイにSDRっぽい絵を表示させました。このディスプレイをSTM32で使っている例があまりなくて困りましたが、あちこちのソースを参考して、物理レイヤ(一番めんどくさい)は大体完成できました。 ライセンス等の絡みがまだ整理できてないので、公開は保留します。

下の箱の部分にFFT結果とウォーターフォールを表示しようと思ってます。さすがに小さいディスプレイなので、情報を入れるのが大変です。そのうち、大きいディスプレイに拡張する基板もおこす予定です。SDR機能の本質ではないので、とりあえずこれで良しとします。これはこれで綺麗だし、かわいいですよ（笑）かわいさ大事です。 これから、RF回路のデバッグ、マイコンの信号処理プログラム(DSP)を書くという流れで進んでいきます。

[jo7ozw]

小型・オールモード・マルチバンド SDR → [ G4SDR ]を立ち上げます！

久々の投稿です。放置しすぎました。 近頃、コロナで大変ですね。コロナちゃんの影響で、会社が休業となったため、それを見越して発注しておいたSDRを作り上げてしまおうと、活動を再開しました！

以前、[SDR-YAGI]という名前で、SDRの立ち上げを行いました。実験により、1~144MHzの送受信ができる見込みまで行きました(紹介したブログ)。 しかしながら、クリスタルフィルタ部の難しさ（マッチングやクリスタルの素性がつかめず帯域を広げられないなど）とソフトウェアの壁でフラフラしてるうちに、別コンセプトが浮かんできたので、今回、[G4SDR]と命名したSDRに乗り換えます。

[G4SDRのコンセプト]

一般的な 基板サイズ (47x72mm)とし、独自の回路ブロックを気軽に(穴あけ不要でスタック)追加できる構成とする。

RFフロントエンド(送信パワーアンプ、受信BPF、LPF、アンテナスイッチ等)は外付け

HF+50MHz(144MHz)の任意周波数で送受信が可能

変復調モードはSSB, CW, AM, PSK etc..に対応

IQ信号の出力機能を備える(できればUSBで送り出したい)

PCは必要とせず、スタンドアローン動作

搭載するUIは必要最小限、UI拡張用のI/O出力ポートを備える

学生さんがプログラムやハードをいたずらできる余地を残す（いたずらしたくなる）

今風のおしゃれな部屋に馴染む佇まい、できればインテリア風になってほしい

長い間、構想を練ってきました。僕が作りたくなるものの条件として、「世の中にまだないもの」であること、そして、「僕自身のアイディアが表現できていて」かつ、みんなにも「いいね！」って言ってもらえるものを作りたいというのがあります。これを求めると、なかなか答えが出せず苦しんでいました。しかし、ここにSTMicro.が答えを与えてくれたのです。この結末の詳細は後日紹介いたします。

超小型クリスタルフィルタ部の設計

さて、話は変わって、G4SDRの肝となるクリスタルフィルタ部の設計であちこちつまずいたので、これを紹介していきたいと思います。 私も含め、クリスタルフィルタ初心者ないし、自分で作れるような気になっている（僕がそうでした）読者の方の一助になるように、できるだけ丁寧に書きます。ちなみに、ここで検討した水晶振動子は2016(2.0 x 1.6mm)の極小サイズです。自作派アマチュア無線家のブログをいくつも拝見しましたが、このサイズで作っている例は見つかりませんでした。 そういう意味で、冒険の始まりです（笑）

今回作りたい ラダーフィルタ の目標仕様を定義しました。

周波数　32 MHz

帯域　4~6 kHz

素子数　3

水晶サイズ　2016

通過帯域損失  5dB以下

入出力インピーダンス　500Ω以下

不安要素として、

32MHzのような高い周波数でラダーフィルタを作っている例をほとんど見かけない（一つありました）

小型サイズの水晶はその小ささの弊害で、フィルタとしての性能を損ねる要因を持っていないか？

という２つが頭から離れませんでした。 そこで、実現できるのかどうか、シミュレーションで検討しましょう！と走り始めました。

様々なブログを渡り歩き、最終的にJA9TTT 加藤OMのページに行きつきました。ここで紹介されている設計ソフトはとても素晴らしいものでした。是非、使用されたい。 以下、加藤OMページの抜粋 参考：Warrington Amateur Radio Club（英国）のサイトに、Jack Hardcastle, G3JIRによって最新バージョンDishal2031がアップされています。あまり違いは無いようですが、Windows OSによっては新バージョンの方が良いこともあるのでリンクしておきます。→ここから．　（追記：2015.08.25） 

この辺で、絵を入れたくなったので、採用を検討した水晶振動子の直並列共振周波数の測定の様子をお見せします。いつもお世話になっているAPB3で測定しました。

ちょっと右寄りに浮いてるのが水晶振動子です。いい加減な配線ですが、これで精一杯でした（笑）

いい加減な測定でしたが、それらしいデータが取れました。直並列共振周波数の間隔は45kHzであり、仕様とした帯域は満たせそうだと判断しました。この周波数差が大きいほど広帯域なフィルタが作れます。

さあ、それでは設計していきましょうと、設計ソフトを立ち上げて、「ん？」と固まりました。設計を進めるためには水晶振動子の等価回路の各パラメータを「実測で！」あらかじめ求める必要がありました（最初から知ってましたが、多少話を盛ってみます（笑））。 「実測で！」と強調したのは、データシートからは読み取てない素性だからです。なぜなら、本来の振動子として使うときには、「あまり重要ではないデータ」だからと推測します。そんな計算をいちいちやらないとマイコンを水晶振動子で動かせない世の中だったら、みんなアナログ屋さんになれますよね（笑） そうはいっても、そんな特殊な測定器(LCメータなど)は手持ちにないので、ひたすら水晶振動子のデータシートをアサリました。すると、ありました！！！ 全部の必要なパラメータを列挙したおかしな？データシートが！！ NDKさん、さすがすぎます！！

手持ちの水晶とサイズも一緒なので、さほど素性に乖離はないと判断し、この水晶振動子のパラメータを使ってラダーフィルタを設計しました。

いい感じに設計できてます。実測でもこのように動いてくれれば大満足です。

設計もできたので、実際に秋月で売っているSMDユニバーサルに組みました。 これおすすめです。って、裏面がベタのやつなくなってるやん！！悲しみ。。。

はい。なにがなんだかわかりませんよね。拡大鏡で頑張りました。

そして。APB3による測定結果です。ムムム、通過帯域は所望になっているけど、なぜか阻止域で跳ね返ってきてる！この手の特性は、経験上、測定の問題だと断定し、調査すると、同じようなことを書いている方が何人か見つかりました。 JM1DPL OMと最近はNanoVNAの創造主として有名人(←いいなぁ。そして、素晴らしい！)のttrftech　高橋さんです。 これらの内容を参照して、ユニバーサル基板の裏面ベタを利用してGNDを強化したところ、見事に跳ね返りが消滅しました！！

普段、数~数十GHzの回路を扱っているので、32MHzをなめてました。すみません。君は立派な高周波だよ。。。 そして、時代の流れに乗るために、そしてコロナ休み中にプロジェクトを進めるために、ついにNanoVNAをアマゾンで入手した。 ２日で届いた。(eBeyで首をながくして待つより良いと判断)

使い方はjh4vaj OMのページを参考にした。なお、Cal.説明の 「THRU」 については、誤っている。ここでこそ、SMAメスメスの出番です。同軸２本がNanoVNAに接続された状態で,それらの先端をSMAメスメスで接続しあうのが正解。

いいね！！APB3と同じ特性が測定できました。NanoVNAは、タッチストーンファイルの出力機能を備えているので、問題が出ても、PythonのScikit-rfなどで解析できますし、安心できます。高橋さん、ありがとう！！！ というわけで、仕様に合うフィルタの設計と実測検証が完了しました。 明日から、G4SDRの基板に部品実装し、動作検証に入っていきます！