Laptech 水晶発振器 試作2019年12月18日 21時28分16秒

振り返るとLaptechの水晶が手元に届いたのが本年の1月であった。その間、andrea_moriさんから専用基板などを分けていただいたり、必要な部品をmouserに手配したりして準備は進んでいた。ところが、あれやこれや私用も立て込んだりして棚に放置したままであった。やっと重い腰を上げて水晶発振器を組み立てることにした。

前回、発振部の動作確認までできてその後エージングに入ったことを報告した。本日、待ちに待っていたPOTATO社の74GU04が届いたので早速ハンダ付けし、これでやっと水晶発振器が完成した。

まずは完成写真。

74GU04を待っている間にオーブンも組み立てた。その姿。
andorea_moriさんのアッセンブリマニュアルによれば、このオーブンは水晶発振子を82度に保持する機能を持っている。基板の右側には発振子の周囲を楕円形に銅板が囲ってあるのが見える。マニュアルでは、配管用の銅パイプを万力でつぶすとちょうど良いと書いてある。たまたまジャンク箱に1mm厚の銅板があったので、これを切って巻き付けたらちょうど良い具合におさまった。

通電すると一発で動作した。トリマを回して発振子の頭部が82度になるように調整する。ちなみに、温度測定にはデジタルマルチテスタに付属していた熱電対を使った。ただし、測定対象が小さいので熱電対が触れただけで温度誤差が生じる。本格的には非接触式の測定器が必要になる。

andrea_moriさんの基板は、発振部とサイン波を74GU04で矩形波に変換する部分に機能が分かれていて、それぞれに独立に電源を供給するようになっている。発振部は6V, 矩形波変換部は3.3V。
とりあえず間に合わせで、発振部には菊水の実験用安定化電源をつなぎ、矩形波変換部は消費電力が極小なのでPanasonicの単三電池二本をつないだ。
この組み合わせで、まずは発振器の出力を確認する。なお、オーブンはまだ使っていない。
波形の乱れが小さいが、音が良いのかどうかはこれだけではほとんどわからない。
なお、写真では縦軸の解像度が100mV/divとなっているが、1:10のプローブを外して写真を撮ったのでこのような数字になった。実際は1V/divである。

発振器とDACはu.FLケーブルでつないだ。写真はメーカーから借用。
u.FLのコネクタは小さくて最初は扱いきれるのか不安があったが、やってみると全くの杞憂であった。

音はどうなったか。次のコラムで。

Laptech 水晶発振器 その音は2019年12月18日 22時03分21秒

電源は実験用の安定化電源と電池で、オーブンもまだつないでいない。この状態でとにかくDACにつないで音を出してみた。

基板は吹けば飛ぶような小ささなので、万力ではさんでDACの近傍に配置。念のため万力の下に百均で売っていたクッションを敷いた。通電すると幸いにしてトラブルなく動作。

矩形波変換部はハンダ付けしたばかりなので音がこなれないだろうというところは予想通り。
しかしまあ音を聴いてあきれ果てた。最近、これまでの使っていたロシア製発振器の限界を感じていたのだが、その不満のほとんどが解消したばかりでなく、予想以上の変化である。エージングなし、オーブンなし、電源もあり合わせ、その状態でこの音か。。。

いつもの聞き慣れている古今亭志ん朝の落語。いやあ、いいねえ。これこそ名人。声が寄席の奥から跳ね返ってくる余韻の響きまで聴き取れる。

続いて最近気に入っているアンドレ・プレヴィン・トリオをかける。(そういえば亡くなったのは今年であったことを思い出した)
まず気がついたのは、フェーダーの位置はいつもの通りなのに音量が大きいこと。エージング不足なので暴れているところはあるが、楽器が前に出てきて部屋中に音が充満する。生の楽器により近づいた。Laptechの水晶発振子の入手には苦労したが、本当に苦労の甲斐があった。そして、この発振器の情報を世界の皆さんと共有してくださったandrea_moriさんには心から感謝したい。

昨年、DuCULoNの試作品をお借りして音を聴いたことがあった。音の記憶は時間とともに曖昧になるので当てにはならないが、今の状態でもあのDuCULoN(試作品)に対抗できるかも。ただし、どうしても自分の息子がかわいく見えるものなので、この評価は割り引いたほうがよい。

diyAudioの掲示板には、この基板を使って試作した方の報告が載っていて、オーブンを使うとかなり変化したとのこと。それよりも大きな影響があったのが、実装方法だったらしい。外部からの振動には非常に敏感で、真ちゅう板のシャーシの底に砂を敷き詰めたときには、まるでそこに演奏者と楽器があるかのように感じたとか。

ところでdiyAudioのThe Well Tempered Master Clock - Building a low phase noise/jitter crystal oscillatorを覗いてみると、andrea_moriさんは次のバージョンを開発中で、速報ではあるが掲載されている測定値を見ると目を瞠るような結果が出ている。回路の詳細は近々明らかになるだろう。こちらも楽しみである。

Laptech水晶発振器にオーブンを載せる2019年12月21日 22時32分10秒

発振器本体が問題なく動作することが確認できたので、昨夜オーブンを追加した。これで名実ともにOCXOとなる。

これに伴って電源も変更。オーブン本体は菊水の安定化電源から16Vを供給。OSC発振部にはTaylor型安定化電源(GaN素子を使用)を充てる。andrea_moriさんの指定では本来6Vとなっているが、まずは5.1Vとし、問題があったら後で6Vに変更する。矩形波変換部は変わらず、単三電池二本とする。


24時間放置して今日の音。
オーブン追加と電源の変更と二つの変更があったので、どれが主体的に影響しているのかは今後の研究課題として、とにかく大幅に変化した。詳細はまた明日。

Laptech水晶発振器+オーブン その音は2019年12月23日 21時04分17秒

実を言うとオーブンを載せてから日々音が変化していて、今も現在進行形である。おそらく落ち着くまで一ヶ月くらいかかるかもしれない。

オーブンを載せない素の状態(水晶発振器単体)では、一聴してそれまで使っていたロシア製発振器から大きく変化したのがわかった。ところがしばらく聴いていくうちに頭を抱えた。ピアノの音がひずむように聞こえるときがある。いつもというわけではなく、なんとなくそのように聞こえる。一時はアンプがいかれたのか、それともスピーカードライバーかと疑い、心の晴れない日が続いた。音が全体的に堅く、ある周波数域にエネルギーが集中して聞き疲れしてしまい、まったく楽しくない。

それがどうだろうか。オーブンを載せたら激変した。24時間経過したときはまだ堅さが残っていたのが時間とともに熟成が進み、今日の時点では周波数のスペクトルが平坦になってきた。

何よりも顕著なのは、空間に垂れ下がっていた幕のようなものが取り払われてクリアになり、一音一音が分離してくること。これまでベースの音階が分離せず団子状に聞こえていたのはてっきりスピーカー(およびエンクロージャー)のせいだと思っていたのが、ここも分離し始めた(まだ完全ではないが)。

以前の状態から大きく進歩したのだからこれで大満足と思いたいところだが、不思議なことに、この先まだまだ良くなるとの予感がある。全体の重心がかなり低くなったのにもかかわらずまだ不十分で、手を加えればまだまだ低くなると感じる。また、いまは裸の状態で床に直置きしている最悪の設置状況で、音量を上げるとうさるく聞こえる。これを堅牢で温度的に安定している環境を用意すれば、激変するだろうと思われる。

短期的な課題は三つ。
一つ目は、堅牢なシャーシを用意すること。
二つ目は、ダブルオーブンとすること、
三つ目は、電源周りを充実させること。

中長期的な課題は、発振器からDACへの信号の受け渡しについて。
理想的には発振器とDACは距離が短いほどよい。しかし発振器はかなり頑丈なエンクロージャーに入れ込んで温度変化、外部雑音、振動から遮断する必要があるため、どうしてもDAC近傍に置くことは難しく、ケーブルを使ってクロック信号を渡すことになる。
従来、矩形波で信号を渡していたが、ケーブルも振動して圧電効果によって位相雑音を付加することは避けられない。であれば発振器から正弦波のままで渡して、DAC側で矩形波に成形した方が位相雑音の面から有利になるのではないか。
いろいろな妄想が膨らんでくる。

Laptech水晶発振器+オーブン 波形観測2019年12月24日 10時00分29秒

昔、生涯アナログいのちと誓っていた私だったが、もろもろの事情によってデジタルに宗旨替えしたのがおよそ20年前である。

そのときPaul Winserが書いたCD Jitterを読んだことがきっかけで、発振器とDACの関係について考えるようになった。ただ低位相雑音の発振器は専門メーカーの独壇場であって、個人で優れた発振器を作ることなど夢にも考えたことはなく、前掲書の記事をまねしてECLを使った発振器を作ったのが唯一である。ただ、そのときはまともなオシロスコープも持っていなかったせいもあり、そこで終わってしまった。
終わってしまったのにはもう一つ理由があって、発振器は高周波屋さんの世界で、「アマチュアオーディオをやってきました」というような技術レベルではまったく太刀打ちできず、どうしても腰が引けてしまうのである。

しかしアンプやDACだけいじっていても限界があって、結局は発振器に手をつけない限り、これ以上の改善は望めないと言うことも否定できなくなってきていた。こうなると、老体にむち打ちながら慣れない世界に足を踏み入れるて恥をさらすしかなくなる。

DDCはI2SoverUSBの初期バージョンを使っている。このDDCは私の理想としている機能をすべて実現しており、USBとDACをグランドから完全に分離していること、リクロックをかけて外部に信号を出していること、そして外部クロック入力端子があることである。ちなみに、最新バージョンはもっと進化しているらしいので、いつか入れ替えたいと思っている。

前回は水晶発振器本体の出力部での波形を観測したが、これでは実際どう伝わっているのかわからない。そこでDDC外部入力端子での波形を観測した。
I氏からもご指摘があったように、やはりリンギングが残っていて決して理想状態ではない。

ライズタイムは、オシロスコープの計測によれば1.4nSecと出ているがどこまで正確なのかは判断しかねる。