周波数標準用分周器 に関す る賓験的研究

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周波数標準用分周器 に関す る賓験的研究

磯 暴 行

玄ⅩperimentalStudy on theFrequency Dividerfolt LaboTabry FTequenCy Standard

By YasuyukilSO

Abstract: Thestabilityofthefl･equenCydividerisconcernedboth with the stabilityinfree‑runnlngfrequencyandwiththeeasinessofsynchronization,andcan beexpressedbytheratiooftheinputfreqllenCyrangetO keep synchronization totheval･iation infl･ee‑runningfrequency･ Undel.exami nation ofthisratioand otherexperiments,followingresultsareobtained･

(1) TheLClockedfrequencydividellhas considel･able advantages ovel･the multivibrator;thatis,ithastheaboveratiowhich isseveraltimes as great as t

hatofthemultivibrator,moreoverthesinewaveandpulseoutputcanheeasily obtained.

(2) TheLClocked dividerwhen dividedbyten operateswithollt falling out ofsynchronization astheplatesupplyisvariedfrom 25to300volts,andasthe tube6SN7isexchangedto6SL7･

(3) The.multivibratoll,When properlydesigned,isfail･1y stable,itkeeps syn‑

chronization underthecondition dividedbyten,when theplatesupplyisvaried from 120to350 volts｡

(ReceivedNov.5,1953)

1. ま え が き

分周界 としてはマル チバイブ レーターが広 く用 い られ てい るが ､マルチバイブ レーターは分周の 安定性 につい て不安が ある｡ 特 に兵 基管特性の影 響 を受 けやす く､兵 基管 の劣化や取替 に際 して､

分 周比がか わった t)､又は同期外れ をきたすお そ れが 多分 にある｡従っ て もつ と安定 な分周帯 を得 よ うとす る試 みが種 々為 され てい る｡ その 中で も 弛張発振器 の 白由畿振周波数 をLC共振 回路 に よ っ て安定化す る方法(1)や､LC発振許 の高調波含有 率 をわ ざと大 き くして同期 しやす くす る方法〔2)(3)

等 は簡単で面 も効果が大 きい ようで ある｡ 筆者 は 茸験 窒用周波数標準 を作 るにあたっ て､此 の種分 周器 について二 ､三比較驚験す る機会が あったの で発表す る｡

2.分周器 の安定度

分周器 の安定 さには､種 々の回路 パ ラメーター の奨化 に対 して,同期外れす る ことな く､叉分周 比 の奨化が 無い ことと､入力 ､出力の位相関係が 出来 るだけ一定 に保 たれ る ことの二つの事柄が考 え られ るが ､今の 目的 には前者 だけを考 えれば充 分で ある｡

一般 に分 周期 としては､同期 す る鴬の調整が容 易で ある ことは勿論極 めて望 ましい ことで ある.

マルチバイブ レーターが広 く用 い られ るのは､同 期が容易で あるか らで ある｡ 同期 の容易 さは一定 の分周比 を輿 える入力周波数及入力電圧 の範囲で あ らわす ことが 出来 る｡ これ を簡 翠に同期範囲 と よんでお く｡

分周器が安定で ある馬には､種 々の回路 パラメ

82 岡

‑クーの奨動 に対す る､入力 を挿入 しない場 合の発振周波数 (自由饗線周波数 と呼ぶ こと にす る｡)の挙動が上記 同期範囲内に お さ ま る ことが必要で ある｡

従っ て同期範 囲 と自由発振周波数 の奨動 を しらべ る と分周器の安定性 を或 る程度知 る こ とが出来 る｡

3.= ､∵三の回路の比較

図 1､2､4は茸験に用 いた回路で ある｡図

1は陰極結合型マルチバイブ レーター､図2は マルチバイブレ ーターの 自由畿振周波数 を安 定 にする為､rl､r2を大 き くと り､グ リッ ド 抵 抗 を陽極供給電圧側 に返 してある｡更に入力 を

E｡ 挿入 して10:

1の分周 を行 う状態で波形 が 出来 るだけ

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Cl三300PF

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C1三2畑 FF

千/00PFトL)7

対千掛こなろ様 Cl､C2の値 を 少 し く襲 えて いるo(4)

E8 図4はLC発

Tl 振器で あるが 卜0人カ この回路 を用 いたのは､回

⊥ ｣ ̲

路が簡単で ､ 入力が他の部

Ii1 2 分 に全 く独立

r. C

∈8

に挿入出来 る ので賓験 に便 利で ある と云 う理 由で ､他 の回路で も勿 論差支 えない 一般 に図3の

Rp 様 な回路で充

図 4 iL小｢′㌧㌧LL.rT L‑bLJ

分 Loopgain を大 き くし､

寅茎管の非直 線領域 を用 い る と､非常 に 高調波の多い 発振を起す｡図 4の回路の増 巾器部分の特性 を囲

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Eg(Ⅴ) 図 6 1

5､6に示す｡ 図 5は真茎管6SN7GTの場合 ､図6 は6SL7GTに と りか えた場合の特性で ある｡真峯 管 に よる特性のちがV,の影響 をし らべるた め6SN 75本､6SL72本 について特性 を上 げてお く､以下 の貰験に於 て もすべて同 じ真基管番牧 を用いてあ る｡

図4の各部 の電圧波形 を参考のため図7､図8に あげる｡図7 (a)､(b)〜(C)I(d)はそれぞれ図 4の回路のa､b､C､d､の電圧波形､(e)は(d) の微分波形 を示す｡ 図8はrF Oの場合の波形で (d) と(b)は殆ん ど同 じ波形 とな り,a点の波 形が図7の場合 に くらべて相常歪が大 き くなって い る｡r2が 大 きい程 (b) (d)等 の跳躍が大 とな る｡.更に r2と共にr'を大 き くす る程 (●d) の電圧 は短形波 に近づぐ｡r,=は大 きす ぎる と弛張振動 を す る棟 になる｡

周没数標準用分周器 に関 す る実験的 折究

(e)

図 7 L#2.5H,

Rp‑20kfl, r1‑50kfl, r3=a:) 声 1000C/S

C‑0.01/̲LF +500pF可変 Rk=2kf2

r?‑20kfi

83

(e)

L ‑2.SH, C‑0.01FlF +500pFq変

Rp‑2^{0kf2, R‑(‑2kf2}

r1‑Ofl, ^r2‑5ki之

r3=∞

ノ≒ 1000C/S

図 8

(1) 同 期 範 囲

各回路の同期範 囲を図 9‑20に示す｡

図9は､図1の回路 (C‑500PF)の場合で､国 中の数字 は分周比で ある｡ 勇､周比の大 きい ところ で は分周比の移 り轡 る附近の詳細 は図には現われ ていない｡図の曲線が斜 になっ てゐる部分では入 力電圧が 少 し奨 化す る と分周比が奨 り､分周群 と して使用す るには避雷でなtJl｡

図10は同 じ回路で ､図1の点線の ように入刀 を 100KBの抵抗 を通 して挿入 した場合で図9の下の 方 を引 きのぼ した ものに相 当す る｡

図11は､LC牽放置 (図3)､L‑2･5H､C‑0･01iLF +350pF可愛Rp‑50kB､Rk‑2k凱 Rg‑30kB､

rl.≠oもrz‑0､r3‑ CD､C‑‑0.05/上Fの場合 を示す 図10と11を比較す る と､分周比10の場合 入力周波 数の範 囲は､図10の方が2倍位大 きい ことがわか

∫

磯 黍 行

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示 してい る｡ (2.自由畿 図12‑18はすべ

場合で､ rl,rP､r3を除 く回路定数 すべて同 じ値である｡ これ等ではす ベて6SN7と6SL7と英13

に広い ことに索が付 く｡

図19は陰極結合 マルチバイ ブ レーク

‑ (図1)の場合で同 じ く6SN7､6SL7

(JCI̲(申dくノ7､〇21

(JL)̲(%･Qく

る｡

何lりtl F'&J Cさ,lepFF,葦生硬 No.EI^ * f○○た11舌面LL鞭へ

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らわす ｡

(2) 自由発振周波数

管 に よる周波数変化 も極 めて大 きい｡

化 も5%以下にお さまってい る｡6SL7

図24は同 じ回路で ､其基管Nolで､

r】､r2､ r3にいろtJlろの値 を輿 えた場 合 ､図25図 はB電圧 200V一定で夷基 管 を とか えた り場合の周波数変化 をあ

図12‑20は分周比10の場合 について､各種 回路 (3) 分周の安定度

定数 の影響 を示す もので ある｡寅基管の影響 を も (1)〜(2)を併せ考察 する と分周の安定度 に関 し 示すた めに点線で 6SL7に関す る同期範 園 もあわ て或 る程度知 る ことが出乗 る｡

周政教標準用分周器に関す る実験的研究

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入 力 周 波 数 の 百分 率 で 現 わ した 同期 範 囲 と､回 路 パ ラメー タ ーの変 化 に対 す る周波 数 変 化 の 比 を とる と､分 周 の 安 定性 の 目安 に な る｡此 の場 合 電 源 電 圧 の変 化 は ､ 自由畿 振 周波 数 に変 化 を輿 え る と共 に ､発 振 振 巾に変 化 を輿 え ､雨 も同期 の 模 様 は入 力電 圧 の振 巾 と､登 板 振 巾の比 に よっ て き ま るの で ､入 力電 圧 がB電 圧 に比 例 す る様 に振 巾制 限器 を通 して入 力 を挿 入 してや る もの とす る (図 27参 照)､更 に 両 親範 囲 は･(国々の寅 茎 管 に よっ て幾 分 変 るので ､上 記 の値 は正 確 に は求 め難 いが ､大 凡 の 目安 を輿 え る もの として は意 味が あ る と思 わ

図1の 回 路

(I./,)鞘Vr:笹

lrl)○I I

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B電姪 (Ⅴ) 図 21

(3‑/)(SJ,)鞘登Li(

3.,)‑

れ る｡

一 定 の顛 基 管 で 電 圧15OV‑3OOVに対̀

す る上 記 の比 をSvで ､‑ 定電 圧 (例 えば EB‑2OOV)で兵 基 管 の さ しか え に対 す る もの をStで ､兵 基 管 並 に電 圧 両 者 を考 えた場 合 の値 を Soで あ らわす こ とにす れ ば ､本 実 験 の場 合 ,

図1の 回路 で は､Sv空1､St空0･5､Su空0･2 図2の 回路 で は､Sv竺4 SL′空2･5So窒0･3

St//空0.5 図4の 回路 で は Sv空4‑5､St空7‑8

So⊆≧三3〜4

但 しSt′は6SN75本 だ け に関 す る値 でSt′′ は6SL72本 も共 に考 慮 に入れ た 場 合で あ る｡

以 上 の 考 察 か ら､ マル チバ イ ブ レー タ ー も設 計 を道 営 にす る こ とに よっ て,鷲 涯 電 圧 に対 す る安 定 度 は実 用 上 充分 にす る ことが 出来 る こ とが わか る｡ これ に反 して ､兵 基管 の特 性 に対す る安 定 度 はLC畿 坂 寄 型 に くらべ て著 し

く劣 る｡

実 際 に陰 極 結 合 型 マル チバ イ ブ レー タ ーに於 て 兵 茎 管 N0.1で 分 周此10を保 つ 棟調 整 し ておい て その ま ゝ兵 基 管 だ け を と りか え る と､表 1の様 に分 周比 が か わ る｡

図2の 回路 に於 て ､振 巾制 限器 を通 して入力 を 挿 入 した場 合 ､分 周 比10､兵 基 管 N0.2に対 し最 適 な棟 に詞 塾 を行 っ た場 合 ､各真 峯管 に対 し､‑

図2の 回路

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図 3の 回 路

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/J8 .2do 2J2' 300 日 ノ亀 /‑i LV) 図 24

手鵜 孝 行 ‑

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何 2 5‑

定の分周比 を保つべ きB電圧の範囲は表2の如 く で ある｡′

表 1

∃∈｣‑｣

真峯管番号 ⊇ 分周比 E B 電 圧 範 囲 No.1

No.2 JVo.3 A/0.4

JVo.5 JVo.6

nuonunU10CO111111

200‑ 350以上 120‑ 350〝

120‑ 350〝

250‑ 350〝

100‑ 220 130‑ 350以上 120‑ 350〝

この回路は以上の様 に実用に際 して も充分満足 出来 る程度の安定性 を具 えてい る｡

LC発振界 (図4)では､図12‑18及び図2to)‑24 か ら極 めて安定 夜分

周界が出来 る ことが わか る｡

特 に､図12‑13叉は 16､17等の回路定数 の場合 ､(電源電圧及 び兵茎管の挿啓 に対 して) 白由発振周波 数が極 めて安定で あ るので ､前記の棟 に

カを振 巾制 限群 を通 して挿入 してやると 更に分周の安定性が 向上す る｡例 えば図 13に相嘗す る回路定 数の場合 ､顛重曹 N0.1を用い,分周比 10でB電圧25ボル ト か ら300ボル トまで 同期 を保 ち､真裏管 を と りか え た 場 合 N0.7まですべてに 渇‑して､B電圧150ボ ル トか ら250ボル ト の範囲で 同 じ分周比 を保つ｡

図16の回路定数の場合 は出力 として割合 に盃の 少ない正弦波 と,パル スが得 られ るので都合が よ

2.46

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電 圧 (Ⅴ) 図 26

いが ､同期範囲がや ゝせ まいので,L､Cの長野 に亘 る変動や湿度に よる変化 に対 して同期外れ を きたすお それが ある｡従ってL､Cとして特性甲 良い ものが得 られ るな らば,叉温度に対す る補償 を蓄電器で行 えるな らば,相常 に安定な分周器が 得 られ るが ､ これ等の部 品が得がたい ときは適 当 で ない.

額結合用蓄電器Cl､陽極抵抗R^pは50%程度変

1k ( 正 絹 ･:4

周波数標準用分周器に関する実験的研究 入 えて､白由登板 周波数の変 化%以下で あるので

此等の値の変動の影響 は問題にず る必要 はない｡, 4･設計 に曝 し官の彊慧

LC発振器型分周器 は上述 の通 り極 めて安定 な ものが得 られ るが ､寮 際 に設計製僅す る場合 は次 の様 な考慮が必要で ある｡

自由畿振周波数 は殆 んどLとCで決定 され るの で ､此等 には出来 るだけ安定 な㌔ものを用いる こと 特 に､イ ンダクタンス線輪 としては鉄心のある も のを用いるので ､振 中佐 よる♪インダクタンスの変 化が ､自由登坂周波数 の変動の原因 となる｡捉つ で匝導嘩雫系合金の鉄骨 を もった ものが望 ましい 此処 に用Y漆 もの蜂櫨波器素子 として用い られ て いた もので､振 巾に対す るイ ンダクタンスの変化 を図26に示すO.図 を見 て もわか る通 り､振 巾の パ ーセ ンティ ジ変化 に対す るインダクタンスの六 一 センティ ジ変/化は撮 市が小 さい程小 さいので ,イ ンダクタンスは成るべ く小振 巾で用いた方が よ'V, 此の為 には兵基管 としてはカッ トオ フ恵圧の小さ い もの程良い ことになる｡､従て この点だけか ら云 えぼ6SL7の方が6SN7よ り都合が よい ことに徹 る 然 し黄塵管の選択 は取 り出 し得 る出力の大 きさや

パル スの野性等 も併せ考 えて為すべ きで ある｡

回路定数の決定 には､出力波形が関係す る,出 乗 るだけ歪の少ない正弦波 と､尖鋭 なパ}レス出力 を得たい場合 は､僚還回路 に抵抗rlを挿入 し､増 中皮 を大 き くと り､更にL及びCの安定な もの を 選ぶ必要が ある｡ 出力波形 に対す る要求がゆるや かで あればr逐 零 にす る ことが出来従って､LやC

も特 に安定な もの を選ぶ必要が な くなる｡

長期 にわたっ て安定性が要求 され る場合 には､

教%の 自由登坂周波数変化が ある もの と考 えねぼ な らす､従っ て分周比10程度 までが限度で あるが 使用 目的で短期間 だけしか問題にしな くて よい場 合 は分間比20以上 ､場合 に よっ ては40程度 まで充 分実用 になる ものが得 られ る｡ これ は分周比が高 くなる程 同期範囲がせ ま くな り､分周比40の場合 埠入力周波数 に換算 して､せいぜい‡%程度 にな 去 さとか ら理解 出来 る.

5.鷺験重用周波数標準の例

以丑 の様 な考 察あ もとにつ くった璃被教標準 の 例 を図27に示す.図の振 巾制 限界 は シュ ミッ トト

37

1)ガ‑回路 を用やた ク 1)ツパーで100KCの パル ス をつ くる役 目を も果 している｡本装置は まだ正式 に組立 て 1お らす ､所謂バ ラックセッ トの ま ｣で あるが ､組立 てゝ2ケ月程 の間全 く安定 に傍 らい てい る.これ等の寅茎管の円6SN7をすべ て6SL7 ヶ年と 摘 ､えて も勿論 同期 を保っ ているが ､その中 の一本 だけを6SL7に と りか える と,場合 によっ て分周比がかわる ことが ある｡抵抗rlを零 にすれ ば一本 だけ と りか えた場合 に も同期 を保 つ ように す る ことが 出来 るO此処では出力波形の点か ら図 の様 な回路 にしてある｡

6.む す び

〜同期範 囲 と自由畿振周波数 とをしらべ る ことに よって,分周器の不安定性の原因が判然 とし,種 々の回埠の比較 をす る ちとが.出来たo マルチバイ ブ レーター も白由畿振周波数が安定になるように 注意 を払っ て設計すれば､充分安定な ものが得 ら れ る.即 ちB電圧120や‑350Vの範囲で10:1の同 期 を保つ｡

LC登板帯 は道雷 に設計す る と極 めて安定な分

̀周界 として用いる ことが出来 るO此処 に実験 した j例では10:1ぎ分周此に対 して､B電圧25ボル ト‑

300ボル トの範囲で ､乗に寅基管6SN7及 び6SL7 両者でB電圧150V‑250Vの範 囲で 同期 む保つ､二両

も此の種分周器で はパル スの他 に､正弦波 出力 も 簡 革に得 られ ､実験 室用周波数標準 に用 い るもの

として極 めて好適で ある｡

文 献

(I) B.Chance:Waveforms,McGl･aW･Hill Book Co.194.9

(2) E･Norman･･ProcTOfI･R･E･,34,No･

10,pp･799‑,Oct,1946

(3) p･G･Sulzel･:Proc･ofI･R･E･*9No･12 pp‑･1535‑ Dec･1951

(4) B.Chance:Wavtf.rms, (