Arduino 用電界強度計シールド 組み立て説明書...1．組み立て手順 ① チップ抵抗の取り付け...

Arduino用電界強度計シールド 組み立て説明書

この電界強度計は Analog Devices社のログ・アンプ AD8307を使い、入力を 50Ωにマッチングさせ、その出力

を OPアンプで受けて Arduinoの A/Dコンバータで読み取り、LCDディスプレイに表示しています。

AD8307の特長をデータシートで見ると

・完全多段 LOGアンプ

・92 dBのダイナミック・レンジ：－75 dBmから＋17 dBmまで

整合回路の使用により－90 dBmまで拡張

・最低 2.7 V、7.5 mA（typ）の単電源

・DCから 500 MHzで動作、

・直線性は±1 dB

・傾き：25 mV/dB、切片：－84 dBm

・全温度域で安定性の高いスケーリング

・完全差動 DC結合の信号パス

・パワーアップ時間：100 ns、

・スリープ電流：150μA

となっています。かなり広帯域であり、無調整である程度の精度が出せる電界強度計が作れそうです。

AD8307の出力は 0.25V(-74dBm)から 2.5V(+16dBm)まで 25mV/dBのスケーリングで変化します。これを単電

源の OPアンプによるボルテージ・フォロワーで受けた後、Arduinoが内蔵する 10bitの A/Dコンバータでディ

ジタル値に変換します。出力される電圧範囲からそのディジタル値は 51から 510まで変化し、変化範囲は 459

の区間にディジタイズされます。結果的に、10bitの A/Dコンバータを使っていますが、実際に使える分解能は

9bit程度になっています。もし、もっと高精度の分解能が欲しい場合は、基板上に 16bitの A/Dコンバータを実

装できるパタンを作ってありますので、それを使ってディジタイズの分解能を上げる事はできます。ただし、LCD

表示部分のスケッチなどを変更しなければなりません。今回は、電界強度計として使うならばこの程度の分解能

でも十分と判断し、内蔵の A/Dコンバータを使っています。

さらにキャリブレーション回路を搭載していませんが、ソフト的にキャリブレーションをする事も可能です。

その場合は出力値が分かる標準信号発生器(SG)を使い、10dBm を入力した場合のディジタル値と-70dBm を入

力した場合のディジタル値を保存し、その値から傾きと切片を計算し、ソフト的にキャリブレーションする事も

可能です。

１．組み立て手順

① チップ抵抗の取り付け

個人がチップ抵抗など、表面実装タイプの部品を半田付けするに

はクリームはんだを使う方法と細いはんだを使って手付けする

方法の２つがあります。量産で使われるリフローを個人が行うに

は無理がありますからクリームはんだで付ける場合は高温が出

せるエアブロー機器を使うか、ホットプレートを使うしかありま

せん。

手付けする場合は、図１にあるような極細のはんだを使います。

このシールドでは４ヶ所に 1/2W型のチップ抵抗を付けます。希

望があればこちらでも手付けする事も可能です。

３個は入力側に入れるπ型アッテネータです。もう一つは、

AD8307 の入力にパラに入り、全体の入力インピーダンスを 50

Ωに設定するものです。

チップ抵抗を付ける際に、接着剤で固定してからはんだ付けする

のも一つの方法です。

② 表面実装 OPアンプの取り付け

AD8307の出力は単電源でレール toレール入力、レール toレー

ル出力の OPアンプ、OPA344で受けています。この OPアンプ

は 5Pinの表面実装タイプになっています。

このような表面実装タイプの ICをはんだ付けする際にも接着剤

で固定してからはんだ付けするのも良いかもしれません。

図 1 極細のはんだ

図 2 チップ抵抗の取り付け

図 3 表面実装 OPアンプの取り付け

図 4 抵抗の取り付け（部品面）

図 6 ダイオードの取り付け

図 5 抵抗の取り付け（裏面）

③ 抵抗の取り付け（部品面）

10kΩ以外の 100kΩ、1kΩ、10Ωの各抵抗は部品面（表面）に

取り付けます。

④ 抵抗の取り付け（裏面）

10kΩの抵抗は基板の裏面に取り付けます。スルーホールにな

っていますからはんだ付けを基板の裏側で行います。

表側に出た足はなるべく基板に近いところでカットし、基板か

ら出る部分が最小になるようにします。

この部分には LCD を止める両面テープを貼ります。または、

ケースに入れる事を考慮して、LCDの表面がリレーの背中と同

じ高さになるような枕を用意して LCDを取り付けます。

⑤ ダイオードの取り付け

リレーのサージ吸収用のダイオードを取り付けます。

ダイオードの極性に注意して取り付けてください。

図 7 ICソケットの取り付け

図 8 0.01μF（103）の取り付け

図 9 0.1μF（104）の取り付け

⑥ 8Pin DIP ICソケットの取り付け

AD8307を取り付ける DIP ICソケットを取り付けます。

もし、ソケットを使う事で高周波特性が悪化するのが気になる場合

は AD8307を直付けしてもかまいません。その場合は ICソケット

の取り付けは不要です。

⑦ 積層セラミック・コンデンサの取り付け

0.01μF（103）の積層セラミック・コンデンサを 8Pin DIP IC

ソケットの近くに取り付けます。

⑧ 積層セラミック・コンデンサの取り付け（その２）

0.1μF（104）の積層セラミック・コンデンサを図の位置に取り付けます。

これでセラミック・コンデンサの取り付けの取り付けは終了です。

図 12 裏面のはんだ付け

図 10 10μF/16Vの取り付け

図 11 47μF/16Vの取り付け

図 13 部品面のはんだ付け

⑨ 電解コンデンサの取り付け

電解コンデンサを取り付けます。

まず、10μF/16Vからです。

次に 47μF/16Vを付けます。

⑩ SMAコネクタの取り付け

SMA コネクタのはんだ付けは、コネクタを基板のエッジから差し込み、

止まったところでパタンと合わせます。

そして裏面からはんだ付けを行い、次に部品面で中央の信号線をパタンに

はんだ付けします。

図 14 トランジスタの取り付け

図 15 ラッチング・リレーの取り付け

⑪ トランジスタの取り付け

トランジスタを極性に注意して取り付けます。

シルクの直線部分とトランジスタの平らな面を合わせます。

⑫ ラッチング・リレーの取り付け

ラッチング・リレーを取り付けますが、基板に密着するように取り付

けます。まず、１ヶ所はんだ付けしてリレーの浮きを確認しながらは

んだゴテを当てて修正します。それから残りのピンをはんだ付けしま

す。

図 16 LCDの枕の取り付け

図 17 LCDの取り付け

図 18 レンジ切り替えスイッチの取り付け

⑬ LCDの取り付け

LCD を基板に取り付ける際には取り付け高さに注意する必要があり

ます。最終的にこの基板をケースに入れる事を考えている場合、LCD

の表面の高さがリレーの高さと同じになるように LCD の下に枕を置

きます。枕は両面テープで基板に固定してください。ここでは高さ合

わせの枕ではなく、クッション材として両面テープを貼っています。

⑭ レンジ切り替えスイッチの取り付け

入力に 20dBのπ型アッテネータを挿入するかしないかを切り替え

るレンジ切り替えスイッチを基板に取り付けます。スイッチの取り

付けもリレーと同じで基板に密着して取り付けるようにします。

AD8307自体の入力レンジは、仕様書によると+17dBm（≒0.05W）

です。ここに 20dBのπ型アッテネータが入るので+37dBm（≒5W）

まで測れる計算になりますが、使っている抵抗が 1/2W型のため、

短時間での測定でも 30dBm（1W）～33dBm（≒2W）が良いとこ

ろです。ハイ・レンジの場合、過大入力には気を付けてください。

図 19 B to Bコネクタを差し込んだところ

図 20 B to Bコネクタのはんだ付け

図 21 AD8307の取り付け

⑮ ボード・コネクタの取り付け

Arduino本体と接続するための B to Bコネクタを取り付けます。

このコネクタは傾いて付けると Arduino 基板とうまく結合させられま

せん。そこで、Arduino基板がある前提とはなりますが、Arduino基板

側にコネクタを差し込んでおき、そこに電界強度計基板を差し込んで部

品面からはんだ付けします

⑯ AD8307の取り付け

AD8307を ICソケットに取り付けます。

これで電界強度計基板の組み立ては終了です。

図 22 動作確認

２．電界強度計スケッチ

Arduino何かを動かすプログラムはスケッチと呼ばれ、電界強度計基板でもスケッチを用意しないといけません。

現状では、単純に ATmega328が内蔵している A/Dコンバータを使って AD8307の出力を読み込み、LCDに表

示するスケッチを用意しています。このスケッチは Dropbox経由で公開します。

さらに、出力が校正された SGをお持ちの方向けに、

① 10dBm（10mW）入力時の A/D変換結果を記憶

② -60dBm（1nW）入力時の A/D変換結果を記憶

③ それらの値を使って、傾きと切片を計算し、その結果から入力値を表示する

校正機能付きスケッチを用意しようと考えています。このスケッチは作ってあるのですが、デバッグをしていま

せん。SG も誰もが持っているわけではないので、このスケッチがデバッグ出来た後で、希望者には校正サービ

スをしようかと考えています。このスケッチを動かすには、SG、パソコン、Arduinoと電界強度計基板が必要で

すし、スケッチを完成させて取扱説明書まで作るには労力が必要ですので。

３．動作確認

動作確認は次の手順で行います。

① 完成した基板を目視で確認し、はんだ付け忘れやショートが

無い事を確認します。電源と GND 間を DMM などで測ってショート

していない事を確認しても良いです。

② Arduino に電界強度計基板を取り付けます。この時、接続ピ

ンを曲げないように気を付けます。

③ PCと ArduinoをUSBケーブルで接続します。スケッチを書

きこむとその時の電界強度を表示し始めます。

④ レンジ切り替えスイッチを切り替えて、表示に L / Hの表示が

出る事を確認します。レンジの後の“－”表示はマイナスの符号です。下段に表示されている“≫”は 8 段

階のバーグラフによるレベル表示です。

４．ケースへの組み込み

この電界強度計は基板がむき出しですので、ごく近傍でハンディ機などから 3Wや 5Wの出力で電波を出される

と直接 AD8307の入力回路や出力回路に影響が出て表示が不正確になります。40～50cm程度離すと影響が軽減

され、正しい値を表示するようになります。ですので、いつでも正確な値を表示させたい場合は金属ケースに入

れて使ってください。