ZeeKon4Aを組み立てる(その1)

ZeeKon4Aを組み立てます。

これはオートレベラー(Z軸のドリフトを自動的にキャンセルする機能)の本体基板。まだ載っていない部品が数点あります。

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2個のAVRマイコンとザイリンクスのCPLDが載っています。

主要な機能を簡単に説明します。

ZeeKonは基本的にはアナログのPI制御器です。それに強制リトラクトや積分保持などの便利機能がいろいろ付加されています。また、出力はZ軸の圧電素子に与えるため、内蔵された±200Vの高電圧アンプで増幅して出力します。

AFMのトポ像(トポグラフィ像つまり凹凸像)は高電圧に増幅する前のPI信号に現れます。ですから、高電圧アンプのゲインが高いと、逆にトポ像の振幅が減ってSNが悪化します。このゲインは様子を見て使用者が切り替えられるようになっていると便利です。つまり原始レベルで平坦なサンプルを観察するにはゲインを下げる方がSNの観点で有利ですし、逆にデコボコしている面を観察するにはゲインを上げないとtipとサンプルが衝突してしまいます。

アナログPI出力に対する高電圧アンプのゲインは0.1から20まで8段階に変えられるようになっています。アナログPIは電源電圧±15Vの普通のオペアンプを使っているため、その変化できる範囲はせいぜい±13V程度です。仮にPI信号に対する高電圧アンプのゲインが5だとすると、高電圧アンプ出力は±65V程度です。しかし、高電圧アンプは±200Vの範囲の電圧を出力できるため、PI信号に対するゲインを絞ると、高電圧アンプの能力を生かし切れません。言い換えると、Z軸の可動範囲の一部しか利用できません。Z軸に機械的あるいは熱的なドリフトが起こると、まだ可動範囲があるのに制御不能になります。

それを解決するにはDCオフセットを別途与える機能を追加すればいいですが、オートレベラーは一歩進んで、アナログPI制御器の積分器出力がゼロになるように自動的にDCオフセットを調節してくれます。オートレベラーはディジタル回路で構成され、それ自体がもう一つの非常に遅い積分器のようなもので、その出力は24ビットDACでアナログ電圧になり、アナログのPI出力と最終段の高電圧アンプで加算されます。

オートレベラーの構造ですが、アナログ積分器の出力をAD変換してモニターし、それが正のときは同じく正の向きに、負の時は負の向きに、オートレベラーの出力を変化させます。ただし、積分器と違うのは、入力の正負しかチェックしないので、たとえば正なら1でも100でもオートレベラー出力の変化する速度は一定です。

この変化スピードは1から200の間で変えられます。オートレベラーのサンプルレートは10kHzで、たとえばスピードが3というのはサンプル毎にプラスまたはマイナス3LSBだけ変化するということです。スピードが1の場合、24ビットDAコンバータが端から端まで変化するのに1678秒、すなわち30分弱かかります。


次にお見せするのはオートレベラーのパネコン(鳩歩堂用語)です。

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こちらはPICで制御され、液晶表示、押しボタンスイッチ、ロータリーエンコーダなどの管理をします。こちらもLEDなどが未搭載です。

フロントパネルをガラエポ基板の材料からLPKF社の基板加工機で切り出しました。パネルのデザインは映像技術室EPSON製の大型プリンターで印刷してきました。

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最初にするのは、パネル側からポストを立てる部分に皿ネジ用の皿穴を削ることです。皿穴は英語でカウンターサンクというようですね。counterは相対するというような意味で、sunkはsinkの過去分詞なので、(皿ネジの頭に)対する凹みというような意味かと思います。なんでそんなことを書いたかというと、カウンターサンクを掘る道具がカウンターシンクというのが面白いと思ったからです。

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次にデザインとパネルを貼り合わせるときの位置あわせの目安とするため、BNCジャックやスイッチなどの穴の中心に針で穴を開け、裏から見て位置がわかるようにします。

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パネル側にスプレー糊を噴いて貼り合わせました。

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デザインの周囲をカットし、液晶などのディスプレイの部分だけ先にデザインを切り抜き、その上にまたスプレー糊でPETフィルムを貼ります。

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その後(LEDなどデザイン紙を透かして表示する部分以外の)穴の部分のデザイン紙とPETフィルムを切り抜きます。

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ディスプレイ部分は反射を抑えるため、内側にスモーク板を貼ります。適切な色なら下敷きでもなんでもいいわけですが、今回のはレモン画翠(画材店)で買った建築模型用のプラ板です。この間までは両面テープでやっていましたが、最近買った修正テープのような形の糊が便利でした。

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画像貼りに疲れたので今日はここまでにします。

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