ＣＰＬＤで遊ぼう！（２０）
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オーディオクラフト工房（３１）
更新日：２００６年１０月２２日
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろう
今回はひとつのいわゆる集大成みたいな製作を行います。久しぶりに出来上がったものを見て感動しております。もちろん色んな方々の知識を頂いての結果です。
さて今回はデジタルで周波数を選局するＡＭチューナーを作ります。基本的なアイデアは既に世の中にあるものと同じですが自分なりに工夫（？）しました。では製作に取り掛かりましょう。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの基本仕様
ＡＭチューナーの選局を４桁の数字で周波数を設定して行うものです。基本としてははＰＬＬの回路を用いるのでしょうが私にはＰＬＬ回路は出来ないので「もどき」で実現しました。
１）ＡＭチューナーはスーパーヘテロダイン方式とする。
２）４桁の周波数を直接設定入力して選局を行う。設定した周波数は自動追尾する。
３）おまけとして＋９ｋＨｚごとに周波数を変更する機能も有する。
４）チューニング状況をＬＥＤで表示する。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの全体構成図
まずは全体の構成を示します。
（デジタル選局ＡＭチューナーの構成図）
大きく３つのブロックに分かれています。
①ＡＭチューナーブロック
電子チューナーになっています。バリキャップ（可変容量ダイオード）に電圧を掛けることでチューニングを行います。電源は１２Ｖ系にしています。
②ＣＰＬＤブロック
ＡＭチューナーの局発周波数計測、設定された周波数との比較、設定された数値による電圧の出力を行います。電源は３．３Ｖ系です。
③マイコンブロック
テンキーで入力された周波数の数値をＣＰＬＤに送り込みます。ＣＰＬＤから出力される周波数比較の信号を処理してＡＭチューナーのチューニング電圧を決める信号をＣＰＬＤへ送ります。電源は５Ｖ系です。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのＡＭチューナーの購入
ＡＭチューナー部はスーパーヘテロダイン方式としています。自分で設計することも出来ますが部品収集や回路パターン設計を考慮してラジオキットを購入して改造することとしました。こうすれば誰でも確実にＡＭチューナー部を作ることが出来ます。
（６石スーパーラジオ組み立てキット）
インターネットにて科学教材社からＣＨＥＲＲＹのＭＯＤＥＬ　ＣＫ６０６を購入しました。基板と主要部品のみ使用します。基板には既にボリュームとバリコンが取り付けてありますので事前に取り外しておきます。音声アンプの部品は使用しませんので別の機会にでも使用するように保管しておきましょう。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのＡＭチューナーの改造
バリコンの選局ではなく電子チューナー選局にしますので選局部分を改造します。
（バーアンテナ部の改造）
バーアンテナ部は１ＳＶ１４９と４７０ｐＦを使用してチューニングします。（キットの全体回路図は掲載出来ませんのでご了承願います。）
（局発部の改造）
局発部は２個の１ＳＶ１４９を使ってチューニングします。後ほど触れますがこの回路仕様で約５Ｖ付近から１０Ｖ付近の間の電圧でＡＭの周波数をカバーすることが出来ます。
また局発の信号を一部頂いてＣＰＬＤで計測することとします。
１ＳＶ１４９の特性は「オーディオクラフト工房」のＡＭチューナーのページを参照お願いいたします。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの選局電圧制御
上記の回路で約５Ｖから１０Ｖの間で選局が可能になります。ではこの電圧をどのように発生させるかがポイントになります。ＣＰＬＤは３．３Ｖで駆動しているためこのＩＣからは最大３．３Ｖの電圧までしか出力することが出来ません。従って何らかの増幅回路が必要になります。幸い３．３Ｖを３倍にすると約１０ＶとなりますのでＣＰＬＤからの出力電圧を３倍にしてＡＭチューナーの選局電圧とします。ＯＰアンプを用いて構成します。
（ＯＰアンプの非反転増幅回路）
入力電圧Ｖｉｎに対して約３倍にすれば良いので、Ｒ１＝１００ｋΩとすると次のような回路となります。
（電圧３倍増幅回路）
Ｖｉｎの１０ｋΩと０．１ｕＦは入力電圧の急峻な触れに対してノイズを取る目的で入れました。（効果のほどは気休め程度でした。）
ＯＰアンプには一般的なuPC358Cを使用しました。このＯＰアンプで約１０Ｖを振らせるためには電源にはＤＶ１２Ｖが必要です。（ラジオのキットの電源がＤＣ９ＶにもかかわらずＤＣ１２Ｖで駆動しているのはこのためです。）
これでＣＰＬＤからの出力電圧でＡＭチューナーを選局出来ることになります。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのＡＭチューナー部の基板
（電子選局ＡＭチューナー基板＋電圧アンプ＋ＤＣ１２Ｖ電源）
ＡＭチューナー基板の完成の姿です。真ん中下がＯＰアンプによる電圧アンプです。右上がＤＣ１２Ｖの電源回路です。レギュレータＩＣを用いた簡単なものです。左下の方に一部回路が付加されていますが最終的には無くなった回路ですので無視して下さい。キットの基板を使用しましたので確実に動作させることが出来ました。
今回ＡＭチューナー部も金属ケースに入れますのでバーアンテナはケースの外に出す必要があります。幸いにもキットにはバーアンテナのホルダーも付いていますので工夫してケースに取り付け易いように改造しておきましょう。
（バーアンテナの改造）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの周波数相関表
内容が一部前後するかもしれませんが選局電圧と周波数についてのデータを記しておきます。各人の回路環境によっては多少異なる可能性がありますが大きくは違わないと思います。ここでのポイントはチューナー電圧を制御するための電圧の最低が約１．６Ｖからとなっているところです。最大が３．３Ｖですので１．６Ｖから３．３Ｖまでの電圧を出力制御します。
（周波数電圧相関表）
（周波数電圧グラフ）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのＡＭチューナー部の大完成
まずはＡＭチューナー部の大完成の姿を見て頂きましょう。
（ケース加工です）
（こんな感じです）
音声出力以外に局発周波数出力、選局電圧入力の端子が必要です。結構コンパクトにまとめられたと思っています。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのＣＰＬＤ内部構成図
ここからはＣＰＬＤについて説明します。まずは内部回路を見て下さい。
（ＣＰＬＤ内部構成図）
詳細は最後のほうに記載しておりますデータを取り込んでから見て頂ければ良く判ると思いますが、周波数カウンタブロックと数値比較ブロック、電圧発生ブロックに分かれています。
まずダイレクトに４桁で設定された数値（ＢＣＤ）がシリアルでＣＰＬＤへ入力されます。一方でＡＭチューナーの局発周波数を定期的（２０ｍｓｅｃごと）に測定しています。この二つの数値（４桁分のＢＣＤデータ）を１６ビットのコンパレータで比較して等しいか、どちらが大きいかを随時出力しています。またＡＭチューナーの選局電圧がＣＰＬＤへシリアル入力されますのでこのデータに応じたパラレルデータを出力する部分も含んでいます。
これらのブロックを従来のＩＣで組むのもマイコンに置き換えて組むのも私には不可能でありＣＰＬＤの素晴らしさと奥深さを充分に感じ取った次第でございます。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの数値コンパレート結果の出力
数値のコンパレート結果は３本出力になっています。マイコンの端子に余裕があるのであればそれぞれの出力をマイコンで読み込めば良いのですがマイコンの入力端子が限られているのでアナログ電圧に変換してからマイコンに接続することにします。テンキーと同様に少ないポート数で多数値を判断するには最適な方法と思っています。
（コンパレート出力）
３本の出力はそれぞれの入力が等しい時に「１」となるポートとどちらかが大きい方のポートが「１」となる３種類の状態が発生します。上記のように割り付けて電圧値をマイコンで判断することによって数値が等しいのかどちらの方が大きいかを読み取ります。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのコンパレート結果の出力回路
出力データに応じて電圧が変化する簡単なD/Aコンバータ回路としました。
（3bit D/Aコンバータ回路）
この出力電圧をマイコンのA/Dコンバータで判断します。マイコンのA/Dコンバータは10bit、電源はＤＣ５Ｖですので、それぞれの状態の判定基準は1.23Vと0.618Vになります。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの選局電圧の出力回路
ＡＭチューナーの選局電圧の考察からＣＰＬＤは１．６Ｖから３．３Ｖの電圧出力が必要なことが判っています。一方でＡＭチューナーの周波数帯は５２０ｋＨｚから１５８０ｋＨｚをカバーする必要があります。周波数ダイレクトに設定しますので１ｋＨｚの精度での制御が求められます。
これらの内容により約１．６Ｖの電圧範囲を１０００ステップで制御する必要があることが導かれます。また私の住んでいる地方には幸い低い周波数の放送局が無いことから次のように決めました。
①ＣＰＬＤからの電圧出力は３．３Ｖの１／２より上の電圧とする。（１．６５Ｖから３．３Ｖ）
②１０００ステップの分解能には１０ｂｉｔが必要
以上より１．６５Ｖから３．３Ｖの範囲を１０ｂｉｔのD/Aコンバータで制御することとしました。
回路的には０Ｖから３．３Ｖの範囲を１１ｂｉｔで制御します。この時最上位のビットは常時「１」にして使用します。この１１ｂｉｔの精度がどこまで出ているかは正直判りません。出ていないという方が正解かもしれません。とりあえず１ｋＨｚごとで制御する必要から回路的なそうしています。ちなみに周波数によってはかなり揺れるところもありますが、実用上は問題無いと考えます。抵抗の精度を上げれば良いとは思います。従って回路は次のようになります。
（11bit D/Aコンバータ回路）
D10はＣＰＬＤの電源３．３Ｖラインに接続します。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの１０ｂｉｔシフトレジスタモジュール
今回も新しいモジュールのみ記します。
（１０ｂｉｔシフトレジスタモジュールの入出力）
選局用の電圧を出力するためのシフトレジスタです。
（１０ｂｉｔシフトレジスタのVHDLソース）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの１０ｂｉｔラッチモジュール
（１０ｂｉｔラッチモジュールの入出力）
（１０ｂｉｔラッチモジュールのVHDLソース）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの１６ｂｉｔコンパレータモジュール
（１６ｂｉｔコンパレータの入出力）
周波数カウンタで計測した値とダイレクトに設定した値との比較を行います。
等しい時は「OUTEQ=1」になります。Ａ側の入力が大きい時は「OUTLA=1」、Ｂ側の入力が大きい時は「OUTLB=1」となります。回路上の配線が見やすくなるように入力の配置を変えています。特別な意味は全くありません。
（１６ｂｉｔコンパレータモジュールのVHDLソース）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのＣＰＬＤピン接続のまとめ
ピン接続についてまとめます。
（デジタル選局ＡＭチューナーのピン接続）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの局部発振計測入力部のバッファ回路
ＡＭチューナーの局部発振周波数を正確に計測するために入力バッファ（アンプ）回路を設けます。ＳＷチューナーの周波数表示にも使用した入力バッファです。
（入力バッファ回路）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのチューニングＬＥＤの回路
チューニングの状態を見れるように「OUTEQ」「OUTLA」「OUTLB」の出力にＬＥＤを接続しています。周波数が安定しないところではＬＥＤが目まぐるしく点滅しますがまあ良しとしましょう。「OUTEQ」のみ緑色のＬＥＤにすると状態が良く判ると思います。
（チューニング表示用ＬＥＤ回路）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのマイコン側回路図
マイコン側の回路図です。ＣＰＬＤとのシリアル接続は従来と同じポートを使用しています。
（デジタル選局ＡＭチューナーのマイコン側回路図）
マイコンの処理としてはテンキーから入力される４桁の数字表示、決定キーを押した時のデータの出力、ＣＰＬＤから来る数値比較信号に対して選局電圧を上げるか下げるかのデータ出力などを受け持ちます。
テンキーから入力した周波数はＡＭチューナーの中間周波数を加算したデータをＣＰＬＤに送っています。ＣＰＬＤ側で中間周波数分を減算することも出来ますが内蔵ロジックを余計に使ってしまうのでマイコンにやらせています。今回のＡＭチューナーの場合の中間周波数は４５５ｋＨｚです。
数字入力用のテンキーは前回と同じものを使用します。このテンキーパッドは１台作っておくとコネクタで抜き差し出来るので大変便利です。
（テンキー入力回路）
ＣＰＬＤとマイコンの間には電位差がありますので前回と同様にバッファ用にＩＣを付けて接続します。
（レベル変換回路）
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのポート割付と設定
（ポート割付と設定）
ＣＰＬＤには設定周波数のデータ、選局電圧のデータをシリアルで送ります。シリアルのデータ、クロック、リセットは共用してラッチを分けて別々のデータとしています。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの大完成の姿
ではＣＰＬＤとマイコンを組み込んだ部分について完成する姿を順に見て下さい。
（まずはケースの加工から）
（超高密度配線がいきなり完成します）
（バランスの取れた配置ですね）
（上から見るとこうなります）
（ＣＰＬＤ側とマイコン側のアップです）
（テンキーで周波数を入力して試運転中です）
（以前に作った周波数カウンタが大変重宝しました）
（ローカル局を受信しています）
（背面はこんな感じになっています）
正直なところチューナー部とＣＰＬＤ・マイコン部は離して設置したほうがノイズの影響を受けなくて受信がクリアになります。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの全VHDLソースコード
私と同じ製作をされる方、または勉強される方のために全ソースコードなどプログラム一式を公開いたします。フォルダごと圧縮しましたのでそのままもってって下さい。
全ソースコードはこちらです。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうのマイコンソースファイル
ソースファイル一式はこちらからダウンロードして下さい。フォルダごと圧縮しています。全ファイルが入っています。ライタで書き込みする実行ファイルも含まれています。
デジタル選局ＡＭチューナーを作ろうの大活躍の様子
（こんな状態になっています）
左の下の方で今回製作のＡＭチューナーが主張しております。放送局がダイレクト選局出来るので大変便利です。但しマイコン側に不揮発性の記憶部分が無いので電源を入れるごとに周波数を設定しなければならない辛さが少しあります。しかしながら設定した周波数はずれていかないので放送を聞いていても非常に安心出来ます。
いかがでしたでしょうか。今回の製作は非常にすばらしかったと勝手に思ってます。
これからもますます楽しくなる「CPLDで遊ぼう！」をよろしくお願いいたします。
これからも「NEC78K0/K0Sマイコン開発室」はどんどん楽しくなります。
これからも「オーディオクラフト工房」もどんどん進化して行きます。