シグナルインジェクター

ラジオの回路部分の修理にはまず、故障しているところを調べるということが必要になります。動作させた状態での調べ方の一つに、各所から適切な信号を入力してチェックする方法があります。例えば、低周波の入力部分にオーディオプレイヤーの信号を入れてみるとか、中間周波増幅の部分に、455kHzのAM変調信号を信号発生器から入れてみるとかです。

現在はアマチュアが使うには十分そうな、そこそこの精度の信号発生器も安価に入手できますが、真空管・トランジスタラジオの時代、信号発生器は高価で、趣味のアマチュアがだれでも持っているものでもなかったようです。その頃、簡易ながらも割と万能な信号発生器として、シグナルインジェクター呼ばれる道具が使われていました。

名前そのままの意味ですと、前出のオーディオ信号や基準信号発生装置もシグナルインジェクターということだと思いますが、当時（今も?）この名前で呼ばれていたものは、低周波の発振器で、矩形かそれに近い周期信号を発生する装置でした。回路はいろいろあるようで、トランジスタとトランスを用いたブロッキング発振や、トンらジスタ2石の無安定マルチバイブレーターという回路を使ったものが、紹介されています。今回は、手持ちのパーツで間に合い、よりコンパクトにでそうなので、無安定マルチバイブレータの方を製作しました。

回路について

回路図

無安定マルチバイブレータは定番の電子回路のようで、入門書や多くのサイトで紹介されてます。トランジスタ2石で構成されており、それぞれを交互にON/OFFすることで矩形波に近いの信号を発生させます。回路図は以下のような感じです。出力端についているコンデンサーは、ラジオ側の直流電圧を止めるものです。真空管ラジオに使う場合や、100V電源のラジオに使う際には、十分な耐圧があるものの使用が推奨されています。

動作原理

下図は、LT SPICEでのシミュレーション結果です。以下のような流れをループすることで、発振回路が作動しています。

トランジスタのベース、コレクターは抵抗を通して電源に接続されていますので、電源を入れると4つの抵抗を通して、C1,C2に両端に充電が始まります。Q2について見ますと、R1>>R2となっているため、コレクターはR1で速やかに1.5Vに達しますが(1)、ベース電圧はR2経由でゆっくり上昇し、そのうちトランジスタのVbeはである凡そ0.6Vに達します(2)。
0.6V付近でQ2がONとなります。コレクター・エミッタ間が導通状態となるため、コレクター電圧は0V近くまで低下します(3)。Q1も対称の回路で同様の動作ですが、トランジスタの特性差等によりいずれかONになります。
Q2のコレクターが1.5Vから0Vになったことから、これに接続されているC2の左端(=Q1のベース電圧)も1.5V程低下することになります(4)。0.6Vぐらいでしたので、-0.9Vぐらいまで一気に低下します。Q1はOFFとなり、GNDに接続されて0VだったQ1のコレクターの電圧は、R4を通して、速やかに1.5Vまで上昇します(5)。
一方、Q1のベース電圧は、-0.9Vまで一気に下がったあと、再びR3を通してゆっくりと充電され、0.6Vまで徐々に電圧が上昇し(6)、0.6Vまで上昇したところで、Q1が再びONとなり、コレクター電圧がOVまで下がることになります。

発振の周期は、2つのコンデンサーの充電時間により定められ、以下の式となります。

f= 1 log (2) x (C₁R₃+C₂R₂)

高周波回路でも使える

シグナルインジェクターは、低周波発振器です。ただ、波形が正弦波ではなく方形波（に近い）ため、高周波成分を多く含んでおり、ラジオの回路上のいろいろな場所からの信号注入して、ある程度まで動作確認ができます。下の図は、前出のシミュレーションのFTTです。

数式的には、矩形波をフーリエ展開すると、周波数(2n-1)倍、振幅が4/(2n-1)πの正弦波の和として現すことができ、例えば500Hzの矩形波には、1500Hz, 2500Hz...　と3倍、5倍...の高い周波数成分を含んでいます。n=250とすると、500Hzの基本振動の振幅の約1/500と微弱ながらも、499.5kHzの正弦波成分が含まれます。

1/500は-54dBぐらいで微弱ですが、ラジオはアンテナから取り入れた微弱な高周波信号を多段で増幅していますので、信号路にこの信号を注入するうと、スピーカーから音が確認できます。

ほとんどの市販ラジオはスーパーヘテロダイン回路を採用していますので、途中で信号は中間周波数(MWの場合では455kHz)付近の信号に変換され、この付近以外の周波数はフィルターでカットされます。インジェクターの信号は様々な周波数の信号を含みますが、中間周波とその上流の信号路に注入すると、最終的にスピーカから出る音は、中間周波付近の信号のみとなります。

AMは搬送波が音声信号で振幅変調されており、受信機側で検波することで音声信号を得ています。検波よりも上流から注入される信号は、変調された信号でないと音として聞こえません。インジェクターの信号は、意図的に変調されたものではありませんが、基本周波数が500Hzとすると、+1kHz刻みで高い周波数の信号が含まれています。例えば、455.5kH(n=250)近辺の信号を切り出すと周辺の、+/-1kHz, +/-2kHz, ...の信号も含まれることになり、結果的に1kHZを1倍音とする信号で変調されていることになっていると思います。

動作確認

作製したインジェクターの動作確認です。発振の波形は以下のような感じです。多少いびつですが方形波風の出力です。

下のグラフは、FFTにかけたものです。シミュレーションの結果に近いものが得られています。

2023/09/10