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クリスマスシーズン突入

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きれいだな

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時の流れ

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今のスマホも何れの時には・・・・と言えば寂しいけれど、その時々に大いに活躍してくれました。

えっ、私への貢献は何かって、それはそれは楽しい夢を見させてくれました。返却口から10円玉が際限なく出て来るステキな夢。


LTspice回路シュミレータによるLPFのシュミレーション(ドップラー動体検知用)

現在、秋月の「ドップラー動体検知キット」を使っていますが、アマゾンで420円で買った「HiLetgo HB100 マイクロ波ドップラー レーダー検出センサ 無線センサモジュール 10.525GHz [並行輸入品]」でもう一台作ってみようと思っています。

秋月のはリレー接点出力の回路付ですが、アマゾンのは無線モジュールのみなので、回路部分は自作する必要があります。
その為に、フィルター(LPFまたはBPF)回路の目処をつけなくてはいけないので、LTspice回路シュミレータで回路の見当をつける事にしました。

秋月製の構成


秋月のキットでは、プリアンプ→電源ノイズフィルター(BPF)→ローパスフィルター(LPF)→コンパレータとなっています。


このままでは面白くないので、LPFの多段構成を試してみる事にしました。


LPF回路



LPFを三段カスケード接続し、各々の段でどの位の効果があるか確認する為、
LTspice回路シュミレータで図1のような回路を作成し、減衰特性を見てみました。


LTspice回路シュミレータによるLPFのシュミレーション(ドップラー動体検知用)
図1 Rの値で通過域のリップルが変わるので、{ R }とし、シュミレーション時に値を変えて変化の具合を確認するようにした



Rの値


1Hz~1KHzの間の周波数特性をRの値を10Kオームから100Kオームまで10Kステップで変化させた時の特性をグラフ化しました。
目的は、通過域のリップ、減衰域での減衰傾度、特に遮断周波数付近の減衰傾度を見る為です。

LTspice回路シュミレータによるLPFのシュミレーション(ドップラー動体検知用)
図2 c点 1Hzから1KHz間の減衰特性 回路中の{ R } の抵抗を 10Kオーム ~ 100K まで 10Kステップで変えた時の特性 (dBスケール)



LTspice回路シュミレータによるLPFのシュミレーション(ドップラー動体検知用)
図3 c点  変化の具合を掴みやすくする為に縦軸をリニアにしたもの

図2,図3ともに下のグラフがR=10kの時で上側がR=100kの時です。

通過域がフラットで減衰域がシャープなのは上から4つ目のR=70kの時です。

Rを変えるとゲインも変わるので10k,70k,100kの低域ゲインをグラフ上合わせたのが下側の図です。

LTspice回路シュミレータによるLPFのシュミレーション(ドップラー動体検知用)
図4 青丸:R=100k 赤丸R=70k 紫丸:R=10k 低域ゲインをグラフ上合わせたもの

用途的にはR=100kのようにリップルが大きくてもかえっていい結果をもたらすかもしれないので、R=100kとフラットなR=70kが狙い目かもしれません。

カスケード数



フィルターの段数は費用対効果の点で考慮する必要があります。

LTspice回路シュミレータによるLPFのシュミレーション(ドップラー動体検知用)
図5 緑(A点:一段) 紫(B点:二段) 赤(C点:三段) での減衰特性(ゲインは比較しやすいようにグラフ上合わせてあります)



制作する時にクワッドOPアンプを使うと、プリアンプ一段、LPF二段、コンパレータ一個とすると具合はいいのですが、三段が必要になるかもしれません。
シュミレーションしている回路の電源は+-2電源で大げさなので、一電源にしたい所です。
さらに直流結合している為、オフセット、ドリフト問題もあるのですが、こちらは実際のドップラーセンサーの出力を見ないとなんとも言えません。


プロトタイプ


入力信号の状況は以前の秋月のキットである程度想像は付くのですが、やはりプロトタイプを作ってみないと明後日の方向を目指す事になりそうなので、シュミレーションはこれくらいにします。



LTspice XVIIのメモ


忘れそうなものを要点のみメモ

■電源
Edit→Component→Select Component SymbolダイアログでVoltageを選択
電圧はシンボルを右クリック→Voltage Souceダイアログで指定

■信号源
Edit→Component→Select Component SymbolダイアログでVoltageを選択
シンボルを右クリック→Voltage SouceダイアログのAdvancedをクリック
Functions→(none)
Small signal AC analysis(AC)→AC amplitudeで電圧指定

■周波数sweepの指定
回路図空白部分で右クリック→Edit Simutation Commandクリック
Edit Simutation CommandダイアログでAC analysisタブ選択
Number of points per decage 100程度指定
Stat frequency sweep開始周波数(kはkhz megはMhz)
Stop frequency sweep終了周波数

■回路図中の抵抗値のパラメータ化(R4,R7,R17)
目的に抵抗シンボルを右クリック→Resistorダイアログ
Resistance[Ω]→{R}と入力 Rは任意の変数名

■変数の値を指定
Edit→SPICE Directive→Edit Text on the Schematicダイアログ
SPICE directove チェックを確認
テキスト欄に .param R=100Kと入力
※他のパラメータを使用する為に無効化する場合は、Edit Text on the SchematicダイアログでCommentにチェックを入れる

■抵抗値を変えてシュミレーションする場合(ステップ)
Edit→SPICE Directive→Edit Text on the Schematicダイアログ
SPICE directove チェックを確認
テキスト欄に .step param R 20k 100k 10kと入力 (20kから100kまで10kステップでシュミレーションの場合)

■抵抗値を変えてシュミレーションする場合(リスト)
Edit→SPICE Directive→Edit Text on the Schematicダイアログ
SPICE directove チェックを確認
テキスト欄に .step param R list 10k 70k 100k(10k,70k,100kでシュミレーション)

■シュミレーショングラフの式の変更
V(c)を表示している場合、グラフ上部のV(c)表示を右クリック→Expression Editorダイアログ表示
Enter an algebraic a expression to plot.欄に式を入力
V(c)*1.7^2 等 ... V(c)を1.7の二乗場合にして表示する例

■シュミレーショングラフで位相を表示しないようにする
クラフの位相値ラベルを右クリック→Right Vertical Axisダイアログを表示
Dont't plot phaseボタンをクリック

■シュミレーショングラフに新たにグラフ式を追加する場合
グラフウインドウ上で右クリック→Add Tracesをクリック→Add Traces to plotダイアログ表示
Expression(s) to add:欄に表示式入力 例 V(n001)



感想


LTspice XVIIはなんと便利なんでしょう。
ユーザーインターフェースもとっても使い良い。

秋月のセンサーをテストしていた時、動くものが無いのにオシロスコープの波形が妙に波打っています。
なんと、それは私の心臓の鼓動でした。
その時、これは部屋で寝ている人の容態監視に使えると思ったものです。そのうちテストしようと何年も放置。
そのうち、製品化されたニュースをみました。残念。


SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定

以前から気になっていた仕様不明のトロイダルコアの損失を測定する方法を考えてみました。

左側が気になるトロイダルコア、右側は比較の為のコイル。
SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定
写真1



測定方法


SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定
図1 : Lは被測定インダクタ,Rpはインダクタの損失抵抗,C1は値が判っているコンデンサー,C2は浮遊容量を含む容量値不明なコンデンサー,Rは値の判った抵抗,Vinは電圧値の判った周波数fの正弦波電圧源(SG)
※ 回路図とベクトル図はVISIO。 (誤記訂正 ベクトル図中のV(誤)はVin(正)です) 式はLibreOfficeのMath。


■概要
(1)被測定対象コイルと並列にコンデンサーを接続し、共振によりインピーダンスを無限化し、LCがない状態にする。
(2)共振により、LC分が無限になった時の損失抵抗成分Rpの測定により、インダクタの損失を計算する。
(3)さらに不明な値として、被測定対象コイルのL(H)とC2(F)の2値がある為、コンデンサーをC1とC1+C2の組み合わせで二回測定し、得られた二連の方程式によりL,C2を求める。


■計算
得られたデータの計算はLibreOffice Calcでする。
SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定
表1 : 各セルの式と入力データを表示。 F列以降は複数条件でテストした為、C列のコピーでデータのみ違う。

SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定
図2 : マクロ


測定


VinはSGで供給。
オシロスコープはCH1がSGのVin,CH2はLの両端(VRp)を測定。
C1,RはLCR METER DE-5000で測定。

SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定
表2 : 測定結果



■トロイダルコア C2は浮遊容量のみでの測定
表2のC列のデータです。
(1)C1がない状態での測定
SGの周波数を変えながら、Vin(CH1)のVRp(CH2)の位相が一致する周波数を探す → C3セルに記入。 下図参照

SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定
図3 : C2のみの時の共振周波数に一致した時

(2)C1を追加した状態での測定
SGの周波数を変えながら、Vin(CH1)のVRp(CH2)の位相が一致する周波数を探す → C2セルに記入。 下図参照

SGとオシロスコープによるインダクタの損失測定
図4 : C1+C2の時の共振周波数に一致した時

図4のように、Vin(CH1),VRp(CH2)の振幅(V)を測定し、C7.C8に記入。 ※VRpは表ではVzと表記


測定誤差


(1)SG周波数
 こちらは十分な精度があり誤差には影響しない
(2)共振周波数の判定
 オシロスコープで目視で判定する為、有効数字は三桁であった。
(3)電圧の測定
 こちらもオシロスコープでの測定の為、三桁が限度であった。
 ただし、電圧値の絶対的精度は要求されない。電圧比が目的の為。
(4)C2の容量
 C2として特にコンデンサーを接続しない場合は、コイル、基板、オシロスコープのプローブ等が浮遊容量となり、
 不安定になりがちになる。
 この為、表2のF列は200pFのコンデンサーを入れて、浮遊容量の変化の影響を少なくしている。
(5)Rの浮遊容量
 Rの浮遊容量は無視している為、これらの影響もある。この為、前出のC2を増やす意味の一つとなっている。
(6)コンデンサーの損失
 今回はコンデンサーの損失はコイルのそれより十分小さいとして無視している。
(7)特定の周波数での測定
 特定の周波数の特性が必要な場合は適していない。この方法ではコンデンサーの値の微妙な調整が困難な為。



感想


やはり、このトロイダルコアは損失が大きく、ノイズフィルター用のようでした。
そこで、マイクロインダクタ(ラジアルリード)(写真の緑)も測定しましたが、損失は小さいようです。

良かった事は、記事にする為にちょっとは真剣に考えたりした事と、体裁を気にしてLiberOfficeのMathなども使った事ですかね。
そうそう、VISOも相当古いバージョンですが使いました。すっかり忘れていて自分でもビックリでした。



補足


図1のベクトル図から判るように、Rとコイルの直列回路のみで任意の周波数で余弦定理をつかい、損失角求める事もできます。
当初はその方法でしていましたが、浮遊容量が気になり今回の方法も試してみた次第です。

浮遊容量は、
抵抗が1pF以下
ブレッドボードの端子間が3pF程度
オシロスコープのプローブが20pF程度
でした。

クイックリリースホビークランプ100mm ダイソー対アマゾン

外しやすいクランプをアマゾンで買いました。便利でした。
その後、ダイソーでも見つけたので追加で購入。

クイックリリースホビークランプ100mm ダイソー対アマゾン
左側はアマゾン 右側はダイソー


でも、ダイソーのは全く使い物になりません。
引きかねのようなレバーで固定するのですが、アマゾンのはレバーの手応えよくしっかり固定されます。
ダイソーはレバーを引くと、内部で「ぐにゃ~」感があり固定できません。



クイックリリースホビークランプ100mm ダイソー対アマゾン



分解してみると、
引き金操作でアームを送る「写真の水色矢印」の金具が柔らかく、レバー操作で曲がるようです。
ラジオペンチで曲げてみると簡単に曲がります。

赤矢印のシャフトもアマゾンに比べて柔らかそうです。


アマゾンのは二本で400円でしたが、今は788円になっています。
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五条の橋でひらりひらりと欄干を飛び渡る牛若丸のように、興の向くまま電子回路にプログラミングに写真にと飛び回っています。

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