ｎ逓倍回路を作りたいのですが・・・

質問

自分は回路の初心者なのですが、大学の研究でｎ倍の逓倍回路をつくることになりました。
一から勉強していかなければならないのですが、どこから手をつけて良いのかも分かりません。
自分なりに調べてみたところ、コンパレータやカウンタ機能を内蔵したＣＭＯＳを用いて作るのかなと考えてはみたのですが、なんせ「逓倍がつくれる原理」が分かっていませんので、実際に作れるかどうかでさえも分かりません。。
ｎ倍とは言わず、せめて２倍でも３倍でも良いので、何らかの周波数ｆをいれると、２ｆもしくは３ｆとなって出てくるような・・・そんな回路を作ることは可能でしょうか？？
どなたかお知りの方は、ぜひ教えていただきたいです。
自分は初心者ですが、難しいご説明（自分にしてみればですが）でも、何とかそこから勉強して回路を作っていきたいと思ってます。どんなことでも構いませんのでどうぞよろしくお願いします。

回答No.9

noname#60878 · ベストアンサー

No6です。
どうやら、基礎的な研究しての実験あるいは予備実験のようですね。人手と時間をかけられるなら、手持ちの器材を活用して実験できる方法を考えられた方が良さそうです。
下の私の回答は、迅速に高精度の計測するとか、複雑に条件を変えて測定するといった計測装置を製作するというための解法です。
資料をセットすると所定の条件にあわせて連続的に計測される。データの収拾や処理も連動するとか・・・

既存のファンクションジェネレータが使用可能なようですが、それの周波数設定はどうなっていますか？
数値でセットする(デジタルシンセサイザ)タイプならば、２台にパソコン等から周波数の設定を逐次送れば済みます。
外部同期がかかるタイプ(ＰＬＬが内臓されている)ならば、基準周波数の発振器を用意して、これを適当に分周したパルス列に同期をかける(この部分がＰＬＬでロックするということ)ことで済みます。
電圧で周波数を変えるタイプであれば、別にＰＬＬを作って、この出力(ＰＬＬでは入力信号の位相の差が電圧で得られるので)を使って周波数を制御することになりますが・・・・
印加する周波数を短時間に連続して可変する必要が無ければ、２台の発振器を手動で同調（シンクロでリサージュ出してやれば簡単）させても良いはずです。

なお、通常のファンクションジェネレータは、数％～0.5％程度の歪みがあります。
これは、高調波となって実験の精度等に影響すると思います。波形に含まれる高調波の量や分布、高調波の影響の程度について調べておく必要があると思います。
また、波形の歪みは磁気回路を駆動するための増幅回路によっても生じます。鉄芯の入ったコイルやソレノイドなどを駆動する回路は難しいです。
電気的なインピーダンスの他に機械的なインピーダンスや共振がからんで来ますし、逆起電力の吸収とかも。駆動するのは電圧なのか電流なのかという問題もあります。
測定の前に、駆動される回路(コイル？)の端子部分で波形を観測して、よく検討おく必要がありそうです。

高調波の影響があまりシビアで無ければ、デジタル的に波形を(関数の計算で)生成して、ＤＡ変換する方法も捨てがたいと思います。
うまくプログラムしてやれば、実験の自動化・データの収拾・結果の処理と、一貫してできます。プログラムしだいで条件の変更や他の実験への応用も簡単。費用も少ない・・・
なお、下の書き込みは勘違いがあります。パソコンのサウンド回路では(歪みなどはあまり問題にしないとしても)22kHzまでしか出力できませんね。別にＤＡ回路を付ける必要があります。
ある程度高速のＤＡが使用できるならば、サンプリング周波数を高くすることで、フィルタの設計も楽になり、歪みを減らすことができます。出力周波数の16倍以上に上げれば、たいがいのファンクシヨンジェネレータよりは歪みが少なくなると思います。

２つの信号は、別々に必要なのでしょうか。合成して一つのコイル？を駆動するならば、最初から合成した波形を生成する方法もありそうです。駆動用の増幅回路が１個で済みます。整数倍の周波数の合成ですから、単純な波形の変形で済むかもしれませんね。特に、デジタル的に波形を生成するには都合が良いでしょう。

お礼

ご回答ありがとうございました。
とても詳しく説明していただき、感謝いたします。
いろいろな方法を教えていただいたので、最良な方法がどれなのかを良く考えながら試していきたいと思います。
ありがとうございました。

回答No.8

Teleskope

磁性体の磁化特性の非線形の測定のようですが（外してたらご免なさい）、出力をスペクトラムアナライザで高調波成分を測定すれば、高調波の位相も得ますし、それで済むような印象をうけるのですが、どうでしょうか。

補足

ご回答ありがとうございます。
＞出力をスペクトラムアナライザで高調波成分を測定すれば、
今回の研究では、物質に周波数ｆの波とｎ×ｆ（ｎは整数）の波を同時にかけ、磁化を算出し、その特性を調べことを目的としています。
なので、周波数ｆとんｎ×ｆの波を同時に出力しなければならず、逓倍装置が必要だと考えました。
なので、スペアナがあれば測定は可能ですが、物質にｆとｎｆの波をかけることは出来ないのかと思いました。
もしも自分が勘違いしてたら大変申し訳ありません。
さらに、自分の回答が的を得ていなかったら申し訳ありません。。

回答No.7

kobochan

No.5の方への回答に
＞ある基準周波数を出力しそれを増幅して物質を磁化させ、かたや基準周波数をｎ逓倍し、２つの波を比較して物質による特性をしらべるという研究を考えています。
とありますね。

基準周波数で測定し、次にN倍の周波数で測定ですか？
それとも、同時に周波数を物質に加えるのかな？

別々に測定するのなら、逓倍回路を作ってまでやる事は無いのでは？　回路を理解したい、その上で研究したいと言うのなら別ですが特性を調べるのが第一に考えるなら、ファンクション・ジェネレーターで解決する方が早道なのでは？
周波数もデジタル表示出来て設定も楽な機種も多いし、比較的入手も楽です。
その出力を増幅するだけだったら、それほど難しくは無いと（よほどの出力で無い限り）思いますが。

補足

ご回答ありがとうございます。
＞基準周波数で測定し、次にN倍の周波数で測定ですか？
それとも、同時に周波数を物質に加えるのかな？
同時に物質に波を加え、ピックアップコイルから検出しようと考えています。
別々に測定するなら、ご回答の通りファンクションジェネレータ１つで済むのですが。。

＞その出力を増幅するだけだったら、それほど難しくは無いと（よほどの出力で無い限り）思いますが。
はい。増幅器なら作れるので、別々だと簡単なのですが。。

回答No.6

noname#60878

実験の目的から判断して、高調波のかなり少ない交流波形(正弦波)が必要かと思います。また、周波数の可変範囲もある程度は必要でしょう。位相関係を揃える必要が無ければ
逓倍と考えずに、倍数関係にある周波数を発振する１組の発振器を作ると考えてはいかがでしょうか。
必要な範囲の周波数を発振する可変周波数発振器を用意します。電圧で可変できる物が良いですね。ＶＣＦを帰還で発振させると簡単に歪みの少ない正弦波が得られます。一方の発振器を発振させ、この出力をコンパレータを通して矩形に整形、1/nに分周して、他方の発振器にPLLでロックさせる。デジタル的に1/nするのはカウンタ回路で簡単だと思います。実験装置としては、基準発振器を別に使って、両者ともこれにロックするようにする方がデータ収拾が楽でしょうね。

まったく別の解法としては、デジタル的に交流波形を作る方法です。若干の高調波(波形の歪み)を許容するなら、階段状の波形をＤ－Ａ変換で作れます。この程度の周波数(10kHzとして5倍で5KHz。48kHzの帯域には余裕がある)ならばパソコンのサウンド回路など流用して発生できるのではないでしょうか。ステレオで２つの出力が得られますね。時間軸に沿って、正弦波の電圧を計算して、これをwavファイルにしておいて、これを再生すれば良いのでは？

補足

ご回答どうもありがとうございます。
知識が無く、理解するのに非常に苦しんでいます‥！
正に自分が求めているご回答だということは分かるのですが‥
＞必要な範囲の周波数を発振する可変周波数発振器を用意します。電圧で可変できる物が良いですね。
これはファンクションジェネレータでよろしいのでしょうか？？
＞電圧で可変できる物が良いですね。
ということは、何か電圧で可変できる素子を用意すればよろしいのでしょうか？？
＞一方の発振器を発振させ、この出力をコンパレータを通して矩形に整形、
これは出来そうですが‥
＞1/nに分周して、他方の発振器にPLLでロックさせる。
この作業が良く分かりません。。分周させるのにカウンタ機能を内蔵した素子を使い、ＰＬＬでロックさせるということでしょうか？？
無知でお恥ずかしい限りです。。どうぞよろしくお願いします。

回答No.5

xcrOSgS2wY

逓倍回路をつくる目的は何ですか？

特定の回路形式（例えば高調波を利用するタイプとかPLLを使用するタイプとか）の指定があるのであれば、その指定に沿って作るしかありません。

そうでないのであればPLLで作るのが楽ですよ。周波数と可変幅が仕様にあうPLLチップを選択すれば、チップのアプリケーションシートどおりに部品を並べれば完成！です。（まぁ周波数が高いとてこずるかもしれませんが。）最近のチップを使えば部品点数も非常に少なくて済みます。

補足

ご回答ありがとうございます。
＞逓倍回路をつくる目的は何ですか？
説明不足で申し訳ありません。
ある基準周波数を出力しそれを増幅して物質を磁化させ、かたや基準周波数をｎ逓倍し、２つの波を比較して物質による特性をしらべるという研究を考えています。
＞そうでないのであればPLLで作るのが楽ですよ。
ＰＬＬの素子を使おうと考えています。
実はアプリケーションどおりに部品を並べたのですが、思ったように動作してくれませんでした。
なので、まず回路図を理解しようとしたのですが、その前に自分が「逓倍」や「ＰＬＬ」についてしっかりと理解していないことに気づき、それで今回の質問をさせていただいたという流れです。
ちなみに用いる基準周波数は数百Ｈｚから数ｋＨｚ、
ｎ逓倍と言いつつ、実際はおそらく２倍から５倍程度までだと思います。
最近のチップを探す必要がありそうですね。。
見つける自信が無いですが、まずは行動してみます・・・！

回答No.4

gura_

ｎ逓倍回路とは、第n高調波を取り出す回路です。

　歪んだ波には、必ず高調波が含まれています。↓
http://www.circuitdesign.jp/jp/technical/guide71.asp#波を分解すると

　そのうちのほしいものをフィルタで取り出せばよい訳です。

　積極的にたくさんの高次高調波を発生する回路として、「コムジェネレータ」というのがあります↓
http://nadeshiko.sakura.ne.jp/~yamamoto/keisoku/comb.htm

補足

ご回答ありがとうございます。
＞そのうちのほしいものをフィルタで取り出せばよい訳です。
ありがとうございます。
バンドパスフィルタかノッチフィルタを使って取り出そうとしています。

コムジェネレータというものがあるんですね。
水晶子発振子を使っても、同じような動作が出来そうでしょうか。。
もう少し調べてみます。

回答No.3

angkor_h

サイトを検索するとありますよ。
下記は一例です。
回路はもとより部品の理解、調達方法、使い方や工作の自信はありますか?

簡単に言えば、発振器⇒ひずみ回路⇒周波数選択

参考URL：

http://ssro.ee.uec.ac.jp/lab_tomi/e-lab/lecture/RF/20030919jissyuu-program.pdf

補足

＞回路はもとより部品の理解、調達方法、使い方や工作の自信はありますか?
調達や工作は出来ると思いますが、何より肝心の理解が足りていないのだと思います。。
ＰＬＬの素子を使って回路を作ろうと思っているのですが、理解が乏しく、データシートに書いてある基本回路などをただマネすることになりそうで・・・これではダメですよね。
＞簡単に言えば、発振器⇒ひずみ回路⇒周波数選択
発振器から基準周波数を出力して、ひずみ回路・・・ですか。変調する必要があるということでしょうか？？
周波数選択が必要だということはわかったのですが、これはバンドパスフィルタやノッチフィルタを使えばよろしいでしょうか？？
無知ですいません。勉強いたします。

参考URL、ありがとうございます。
勉強させていただきます。

回答No.2

kobochan

簡単に作るなら、発振回路を用意する。
出力側にスイッチング・ダイオードを接続してやれば簡単に逓倍回路は出来ます。

市販の水晶発振器（パソコンのボード上に良く見られる銀色の四角い物）を買ってきて、出力波形をスペアナで見ては？
仮に5MHzの物だと、10,15,20MHzと高次の周波数が出ています。　これは何故？
出力回路の違い（サイン波、CMOS出力）や歪みを考えてみたら？

逓倍回路はダイオードだけだと、出力レベルは小さくなる。
そして、2倍を取り出したいけれど3倍や4倍も出てくる時はどうすれば良いのか？

後は、考えて下さい。

難しく考えないで、数百円で実験するのが覚える早道です。

補足

ご回答ありがとうございます。勉強しなくてはいけないことがたくさんあることを、改めて気づかせていただけるような回答でした。
これから勉強していきたいと思います。
＞出力側にスイッチング・ダイオードを接続してやれば簡単に逓倍回路は出来ます。
すいません。。分かりませんでした。ダイオードは整流する素子ですよね。なので発振回路から出力側にダイオードを接続すると。。もう少し勉強します。
＞逓倍回路はダイオードだけだと、出力レベルは小さくなる。
出力レベルが小さいから、アンプで増幅する必要があると言うことでしょうか？？
＞2倍を取り出したいけれど3倍や4倍も出てくる時はどうすれば良いのか？
バンドパスフィルタやノッチフィルタを使って、欲しい周波数以外の成分をカットすれば良いのでしょうか？？
無知ですいません。。しっかり勉強いたします。

回答No.1

tatsumi01

私も同じような初心者ですが、分周回路は比較的易しいものの逓倍回路は困難だと思います。
２逓倍の場合に考え付くのは、周波数を電圧制御できる発振器を作り発振させます。これを２分周して逓倍したい波形と比較します。そして、二つの周波数が等しくなるように発信機の周波数を制御するものです（確かＰＬＬといったような）。
しかし、周波数範囲を非常に広く取りたいなら、単純な方法では困難でしょう。

補足

ご回答ありがとうございます。
フェーズロックループというやつですね。しっかり勉強しておきます。
私が考えたのは、ファンクションジェネレータを使って基準周波数の波を出し、それを位相コンパレータで差分を出力し、フィルタで直流をカットして電圧制御発振器にいれ、位相コンパレータにフィードバックをかけて電圧制御発振器と基本周波数の位相を合わせようと考えていましたが、そこに分周すれば良いということでしょうか？
前に少し調べたときに、電圧制御発振器のあとに１／２の分周器を入れると２逓倍がつくれると聞いたのですが、そのことでしょうか？
質問ばかりですいません。
＞周波数範囲を非常に広く取りたいなら、単純な方法では困難でしょう。
そうなんですか・・・しっかり勉強します。
ちなみに使いたい基準周波数は数百Ｈｚから２ｋＨｚぐらいまでです。
あいまいでしょうか・・・