１９９８．１１．１１ ｄｅ ＪＳ１ＲＳＶ

パソコンの内部時計は、一般の時計に比べると精度が悪く、すぐ狂ってしまうものが多いようです。時刻合わせはキーボードから操作できますので、一般の時計にくらべて楽ではありますが、やっぱり面倒です。そこで、長波標準電波（ＪＧ２ＡＳ）を受信してパソコンの内部時計を自動的に合わせる試みをしてみました。

ＪＧ２ＡＳの受信機はＯＰアンプで構成し、信号解析にはパソコンを使いました。信号の取り込みに、手軽に切り替えられるシリアル・ポート（ＲＳ２３２Ｃインターフェース）を使用しました。

■　ＯＰアンプを使った４０ＫＨｚ受信機の試作

４０ＫＨｚと言えば、汎用ＯＰアンプでも処理可能な周波数です。ＯＰアンプでアンプやフィルタを構成して受信させてみました。一般的な高周波回路とは一風変わったアプローチで、ベストとは言えないかもしれませんが、ＯＰアンプで作った受信機というのも面白そうです。

実験回路ということで、ＡＧＣなどは持っていません。送信所からの距離や、周辺の状況で変わる電界強度に自動的に対応できませんので、実用回路とは言えないかもしれません。必要に応じて、回路を見直してください。

■　ＪＧ２ＡＳと電磁波

ＪＧ２ＡＳがある４０ＫＨｚ周辺には非常に多くのノイズ（電磁波）が存在します。最も強力なのがパソコンのＣＲＴからでるノイズです。Ｗｉｎｄｏｗｓ等を使用していると、水平同期信号が４０ＫＨｚに極めて近い周波数になる事があり、分離不可能な事もあります。ＤＯＳでも、２４〜３１ＫＨｚの近接周波数なので、かなりの影響を受けてしまいます。

そして、影響が大きいものに、インバーター式の蛍光灯があります。他にもＴＶ受像器やパソコン本体や周辺機器、ＴＡ等も強力なノイズを出します。意外な処では、手持ちの安価なオシロスコープも結構なノイズを出しているようです。

ＪＧ２ＡＳ受信のカギはフィルタです。市販の電波時計には、米粒型の超小型クリスタルフィルタが使われています。Ｑが１５００程度あるそうで、その為に電磁波ノイズが多い４０ＫＨｚ周辺の周波数でも分離できるようです。しかし、このフィルタの入手性は良くありません。そこで、ＯＰアンプで構成したＢＰＦを使って受信機を試作してみました。

■　４０ＫＨｚ受信機の回路構成

回路構成は図（４０ＫＨｚ受信機の回路図(JG2AS2.PDF/17155bye)）の通りです。なるべくシンプルに構成してみたかったのでストレートアンプになっています。ゲインは総合で１００ｄＢ以上ありますので発振しやすく作りにくいかもしれません。

初段はトランジスタによるプリアンプです。全てＯＰアンプで構成できれば面白かったのですが、ＳＮ比が心配なのでトランジスタを使用しています。３０〜４０ｄＢのゲインを持たせて有ります。

２段目の増幅はＯＰアンプを使用しています。少し欲張って４０ｄＢのゲインを持たせて有ります。これ以上のゲインが必要な場合は、この後に（３段目の）アンプ追加すると良いでしょう。

バンドパス・フィルタ（ＢＰＦ）には、部品点数を減らす為にゲイン（２０ｄＢ）を持つＢＰＦを使いました。このＢＰＦは多重帰還型になっています。見かけのゲインは１０倍ですが、ＯＰアンプ自体のゲインは２００倍にもなります。その為、ＯＰアンプ自体が発生するノイズが１μＶ程度なのに、ＢＰＦが発生するノイズが２００μＶ程度にもなってＳＮ比が悪く発振しやすくなってしまいます。

設計当初、２段目の増幅回路は無く、ゲインはＢＰＦだけで得ていました。しかし、これでは極めて発振しやすくなるので、ＢＰＦでのゲインを半分に減らしました。ＢＰＦでは一切ゲインを得ず、３段目の増幅回路を追加した方が、より安定すると思います。

■　プリアンプについて

入力信号レベルが高ければ、別段問題はないのですが、レベルが低いと信号がノイズに埋もれてしまいます。ＢＰＦ自体のノイズが１段あたり２００μＶ程度あるので、前段のアンプで、これ以上に増幅しておく必要があります。

回路は汎用トランジスタ（２ＳＣ１８１５）で、簡単なエミッタ接地のアンプを使います。ゲインは３０〜４０ｄＢ程です。特性は商用電源のノイズや、中波放送局の信号は減衰できるようし、４０ＫＨｚあたりがピークになるようになっています。

さらに、ＯＰアンプ（ＮＪＭ５５３２ＤＤ）によるアンプを付けてゲインを稼ぎます。このアンプ単体のゲインは４０ｄＢです。

受信機に必要なゲインは受信場所によって異なるでしょうが、東京ではトータルで１００ｄＢ程度あれば良さそうです。この受信機はＡＧＣが付いていませんので、必要なゲインは設計段階で稼いで置かねばなりません。送信場所から離れるほど、より多くのゲインが必要でしょうから、ＯＰアンプによるアンプを、もう１段追加したほうが良い場合も有るかもしれません。

■　ＯＰアンプによるフィルタ

高次のＢＰＦを作るのは、設計も部品の入手も厄介なので、Ｑが１０程度の一般的なＢＰＦを数段重ねて選択度を出すことにします。部品点数が減らせるように、最初の２段のＢＰＦにゲインを持たせてあります。

選択度としては３〜４段重ねれば使えそうです。ノイズが多い環境の場合は４段欲しいところです。

さて、肝心のＢＰＦ用ＯＰアンプには５５３２ＤＤを使います。段数（増幅率）を増やすと、極めてローノイズなＯＰアンプでなければ自分のノイズで、何も受信できなくなってしまいます。５５３２ＤＤの最後の「ＤＤ」はローノイズ版のクラス指定で重要です。別のＯＰアンプ（例えばＴＬ０７２Ｄ）を使うとノイズは２倍に増えてしまいました。

定数は回路図の通りで、入手しやすい部品が使えます。回路図上の４ＫΩは３．９ＫΩでも代用可能です、この場合、若干ですが、増幅率と中心周波数がずれますが、さほどの影響は無いようです。

ＢＰＦで使用するＣ・Ｒの精度は１〜２％程度は欲しいところです。抵抗には精度１％の金属皮膜、コンデンサには２％のスチコンを使ってみました。スチコンは段々入手性が悪くなるらしいので、後に１％のポリプロピレンでも実験したところ、問題なく使用はできますが、スチコンの方が具合は良いようです。

プリアンプで７０ｄＢ、ＢＰＦで合計４０ｄＢ、合計１１０ｄＢのストレート・アンプですから発振しない方がおかしいくらいです。特に電源回りや、配線の引き回しには注意が必要でしょう。ＢＰＦとプリアンプを別基板にし、さらに、ＢＰＦとアンテナを近づけないように工夫すると良いかもしれません。

■　ＪＧ２ＡＳのアンテナ

市販の電波時計の中にはバーアンテナが入っています。最初の実験のアンテナには、電波時計から取り外したバーアンテナを使いました。当然の事ながら調子良く受信できます。

電波時計のバーアンテナは、ＡＭラジオ用のバーアンテナと良く似ています。そこで、ＡＭラジオ用を使ってみました。本来500〜1600ＫＨｚ程度で使うものですから、４０ＫＨｚで使うにはインダクタンスが少なく、大きめのコンデンサが必要になっていまいます。手持ちのバーアンテナでの実験では0.022μＦ＋4700ｐＦで同調しました。市販の電波時計のバーアンテナには6800ｐＦが付いていましたから４倍以上も違うわけです。それでも、特に問題なく受信できるようです。若干ですが、ＡＭラジオ用の方が感度が劣り、選択度が良い感じでした。

次ぎに、ＡＭラジオ用バーアンテナのコアに１０ｍ程の電線を手巻きして作った高インダクタンスのバーアンテナ（コンデンサは2000ｐＦで同調）を使ってみました。電波時計用やＡＭラジオ用と比べると感度が飛躍的に上がったものの、選択度が悪く余計なノイズばかり拾うようで、逆に受信しにくくなりました。

意外にも、我が家ではＡＭラジオ用を流用したものは一番具合が良かったようです。送信所が比較的近距離であったことと、部屋の中にノイズ発生源が極めて多いのが理由だったようです。アンテナを自作する場合は、自分の環境に合わせてコイルの巻加減を調整すると良い物ができそうです。

■　復調回路について

ＪＧ２ＡＳの電波は、４０ＫＨｚの信号の断続です。将来的には、２０％と１００％の振幅変調になるそうですが、市販の電波時計でも受信できるような形式になるそうです。ＢＰＦの出力をオシロスコープで見ると、秒を刻むように信号レベルが変化するので良く分かります。

受信信号は振幅によって表されます。復調回路はダイオード検波と、ＯＰアンプのコンパレータの組み合わせで行いました。ＯＰアンプのノイズレベルや、電磁波等のノイズレベルを考えると、1S1588のような汎用ダイオードによる検波でも十分使えそうです。

調整は、コンパレータの比較用電圧の設定だけです。オシロスコープで眺めながら、ＪＧ２ＡＳの信号を受信しているときにＬＥＤがＯＮになるように調整します。慣れればオシロ無しでも調整できるようになりますが、最初はちゃんと信号を受信できているか確認しながら調整した方が良いでしょう。

バーアンテナには指向性がありますので、この向きにも注意してください。受信感度が高く、ノイズの影響を受けにくい方向に向けて下さい。また、この回路にはＡＧＣはありませんから、条件が変わると再調整しなくてはなりません。

出力は、±５〜１０Ｖ程度出ますので、パソコンのシリアルポートに直接つなぐ事が可能です。ただし、受信機の方はパソコンノイズに弱いので、ノイズフィルタを入れたり、長めのケーブルでパソコンから離したり、金属ケースに入れるとかの対応を取ったほうが良いでしょう。

接続するシリアル・ポートの信号には「ＤＳＲ」を使います。プログラム自体は、入力ポートになっていれば、「ＤＳＲ」でなくとも動作します。アドレスと使用するビットを指定すれば、パラレル・ポートの使用も可能です。

■　市販の電波時計の利用

今回は、ＯＰアンプを使った受信機を試作してみました。当然ながら、市販の電波時計の受信部だけを利用すれば、同様なことも可能です。なにも、単体で既に時計として使用できる市販品を使うのは無意味そうですが、現在、電波時計は安いものなら３０００円程で売られているので、受信機を自力で組み立てるより安く購入できそうです。

東京秋葉原で購入した、「OREGON SCIENTIFIC社」製の電波時計の例を紹介しておきます。この時計は秋葉原以外でも、地方のディスカウント・ショップなどで入手できるようです。

■　電波時計の改造

蓋をあけると、液晶ディスプレイのすぐ下の基板に２つのテスト・ポイントがあります。この右側がＪＧ２ＡＳの受信信号、左側が受信部をＯＮ／ＯＦＦする制御信号です。これらの信号は、時計の制御用ＣＰＵが処理します。この２つの信号を乗っ取って、パソコンで解析します。

これらの信号の電圧は電池電圧と同様の３Ｖ近くです。ＯＮ／ＯＦＦ制御は０ＶでＯＮになります。外部から無理矢理０ＶにするとＣＰＵが壊れますから、右図のようにパターンを切って１０ＫΩの抵抗で繋ぎます。これなら、無理に０Ｖにしても０．３ｍＡしか流れないので大丈夫でしょう。制御される受信機側のインピーダンスが高いので１０ＫΩを入れても電圧降下はわずかでした。また、時計内部の信号線を引き回すのは問題ですので、トランジスタを入れてあります。

受信部への電源供給は別のラインで行われています。受信部をＯＮにすると、時計の電池が消耗しますから注意が必要です。

インターフェースの回路は（左図）の通りです。これには５Ｖ電源が必要です。この出力をシリアル・ポートに繋ぎます。多くのシリアル・インターフェースは０〜５Ｖの信号でも、ちゃんとＨＩ／ＬＯＷを認識してくれるようです。

■　信号解析用プログラムについて

ＰＣ９８シリーズでも、ＰＣ／ＡＴ互換機でも、ＤＯＳ（バージョン５〜６は確認済み）ならば使用可能です。Ｗｉｎｄｏｗｓ９５のＤＯＳモードでも使用可能な場合もあるようです。

信号の入力には、シリアル・ポート（ＤＳＲ）を使用するようになっています。オプションの指定で、別の信号（例えばＣＴＳ）にしたり、別のポート（例えばパラレル・ポート）に変更することも可能です。別の入力ポートを使いたい場合には参考にして下さい。

プラグ＆プレイ対応の機種では、そのままの設定で使えない事があるかもしれません。こんな場合は、オプションの指定で設定を手動で変更してください。

プログラムのダウンロード(JG2AS300.LZH/36684byte)

■　プログラムの動作について

ＪＧ２ＡＳの信号フォーマットは、マーク時間（キャリアを受信している時間）が０．２秒、０．５秒、０．８秒の３種類あります。プログラムはマーク時間を測定することで、この３種類を判別しています。

また、タイムコード中に、マーク時間０．２秒の「ポジション」「基準マーカー」が入ります。正分をまたぐように、「ポジション」と「基準マーカー」が入ります。共にマーク時間０．２秒なので、これをを見つけることで、タイムコードの同期を取ることができます。また、タイムコードの「分」と「時」の間などに「ポジション」が入ります。これがタイムコードの順序通りに入るかを確認することで、有る程度のエラーを検出することができます。受信状況が極めて悪い場合などは、全くタイムコードの同期が取れませんので、すぐに分かります。

タイムコードの具体的な数値を表す符号は、マーク時間が０．５秒と０．８秒の信号です。この信号がノイズなどで化けてしまうことが良くあります。０．２秒の「ポジション」信号と誤認識すれば即時エラーだと判別つきますが、０．８秒を０．５秒と誤認してもエラーは検出できません。

比較的受信状況が良い場合は、タイムコードの一部だけ誤認識して、エラーを検出できない場合があります。このようなエラーは、タイムコードのフレームを何度か受信し、比較をして、エラーを調べなくてはなりません。このプログラム(Ver.3)では、複数のフレームの比較訂正は行っていませんので、手動で決定しなくてはなりません。

タイムコードには「月」や「年」のデータはありません。１月１日からの延べ日数から「月」算出しますが、うる年の補正も必要になってきます。現在のプログラムでは、「年月日」のデータの更新は行わないようにしました。更新されるのは、「時分秒」のみとなります。