LF radio clock

はじめに

電波時計の紹介です。カレンダー機能付き電波時計を探していたのですが、見つからないため、世の中にないものは製作することにしました。
想像以上に苦労しました。結局、基板も作り直しました。
電波時計は標準電波(JJY)を受信して誤差を自動修正する時計です。
福島の40KHzと佐賀の60KHzで日本全国をカバーしています。
電波形式はA1Bで搬送波の振幅をデジタル変調したものです(搬送波の強弱で表現され、最大振幅100%と最小振幅10%です)。

仕様

受信周波数40KHz, 60KHz
表示グラフィックLCD表示
電源リチウムイオン電池3.7V,1100mAH
消費電流8mA(7mAはグラフィックLCDが消費)
電池寿命1100mAH/8mA=137hour

準備

まずは電波時計の核となる専用IC、SM9501A(セイコーNPC)を扱いやすいようにピン変換します。
電源電圧範囲が2.4〜3.6Vと3V電源仕様です。
高感度であり、0.5uVrms以上の入力電圧を検知します。これが後に大きなハードルとなるのでした。
動作時の消費電流も55uAとほとんど無視できるような電流です。

電波は距離の二乗に反比例して減衰します。
JJYの出力は50KWですが、日本の北と南に位置しているため、微弱電波を扱うことになります。
このためバーアンテナはできるだけ大きいことが望まれます。
電波時計用のバーアンテナも販売されているようですが、一般に入手困難のため自作することにします。 AMラジオよりも周波数が一桁小さいため、インダクタンスも一桁上の4mHが標準的なようです。

同調周波数コンデンサインダクタ
40KHz1760pF4mH
60KHz2200pF4mH
もともと40KHz,60KHzという長波のため自然とアンテナも大きなものにならざると得ないという事情もあります。
(アンテナの基本形であるダイポールアンテナの場合、1/2波長の長さが必要です。)
ただし、ケースとのバランスを考え、外径8mm x全長8cmのフェライトコアを利用することにしました。
若干曲がっているように見えますが、目の錯覚ではありません。フェライトコアは曲がったものがあるので、できるだけまっすぐなものを選びましょう。
インダクタンスの計算は長岡係数を利用して大体を計算できますが、実際との誤差が大きいので別途LCメータを製作しました。

表計算で試算してみると4mHをこのフェライトコアで1重巻きで作成しようとすると長さが足りないことがわかります。
(1重巻きの場合、734回巻きで、幅が146.8mm必要です。フェライトコアの長さを超えてしまいます。線長も20m必要です。)
3重巻きにすると計算上は幅20mmでちょうど4mHになります。大体そのあたりまで巻き、LCメータで測定しながら巻き数を微調整しました。
ロウで固めています。外径0.2mm,UEW(ポリウレタン銅線)を使用します。
同調用コンデンサもLCメータで測定し、誤差の少ないものを選別しました。


回路図


トラブルと改良の連続

配線が大変なためOLIMEXに発注しました。各部を少しずつ仮組みして動作確認をしていきます。
ここからが苦労の連続になります。
ここからはノイズとの戦いです。
オシロスコープとにらめっこしながら原因を追究していきます。 さて電波時計製作にあたっての教訓です。

部品表

備考
PIC24FJ64GA0021IC1 マイクロチップ(秋月)
SM9501AV1IC2 セイコーNPC(マルツ)
TG12864E1LCD1 グラフィックスLCD, 128x64ドット(秋月)
10K1R1 カーボン皮膜抵抗1/4W
100K1R2 カーボン皮膜抵抗1/4W
5.1K1R3 カーボン皮膜抵抗1/4W
1K1R4 カーボン皮膜抵抗1/4W
20K1VR1 半固定抵抗
12pF2C1,C2 セラミックコンデンサ
33pF2C3,C4 セラミックコンデンサ
0.22uF1C5 積層セラミックコンデンサ
1uF2C6,C9 積層セラミックコンデンサ
47uF1C8 縦型電解コンデンサ(耐圧16V)
10uF2C7,C15 縦型電解コンデンサ(耐圧16V)
1800pF1C10 セラミックコンデンサ
2200pF1C12 セラミックコンデンサ
xxpF1C11 微調整用セラミックコンデンサ
xxpF1C13 微調整用セラミックコンデンサ
32.768KHz1XTAL1 CF-308, シチズン(秋月)
T1フェライトコア, 外径8mm x全長8cm(シオヤ無線)
UEW1外径0.2mm,UEW(ポリウレタン銅線)
3.7V1B1 リチウムイオン電池, 3.7V, 1100mA, LAB503759C2(若松通商)
TA48M033F1IC3 レギュレータ, TOSHIBA
47uF1縦型電解コンデンサ(耐圧16V)
0.1uF1積層セラミックコンデンサ

基板例


ソフトウェア


最後に

概ね満足しています。
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