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＜２００４年度卒業研究＞ (Ver ２ 2004年度版 2005.3)
「核磁気共鳴装置の建設と
応用エレクトロニクス」
2004年度 卒業研究生
石橋秀明，大串一史，岡留高輔，児玉真一，
合屋 格，末次伸臣，大良昌宏，中村文宣，
永田耕大，石橋和朗，浦塚弘之，中野茂樹，
藤本崇寛，村上和功
以上１４名 （善明研と合同)
2004年度，卒業式の日 (2005.3.25)
電子情報工学科においては，教育内容はエレクトロニクス関係と情報関係に分かれます．当研究室の卒業研究はエレクトロニクスを主な対象としています．
久保・善明研の研究は，さまざまな興味ある物質について低温の磁気的性質を明らかにする物性研究です．その実験手段は核磁気共鳴(Ｎｕｃｌｅａｒ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，NMR)と呼ばれる微視的手段です．ＮＭＲの原理は量子力学に基く面倒なものですが，実験装置は高周波のエレクトロニクスそのものです．
そこで，卒業研究では，第一に，核磁気共鳴装置を共同で製作し，核スピンの信号を実際に観測することを目的とします．第二に，授業ではやれない応用エレクトロニクス回路製作の技術を身につけることが目的です．これらを通じて，学生はエレクトロニクス製作技術を身につけます．
そのために卒業研究は
１．ゼミ
エレクトロニクスと磁性と核磁気共鳴の基礎理論の２種類のゼミを行う．
２．エレクトロニクス製作
基礎エレクトロニクス，核磁気共鳴装置の建設(共同)，応用エレクトロニクスの三段階で製作する．
１．基礎エレクトロニクス
卒研生は回路製作の経験がないものと仮定し，初歩から回路製作を試みます．課題は次の４テーマです．
１．エミッタ接地増幅回路
２．OPアンプ(μＡ741)の低周波増幅回路
３．バイポーラトランジスタとＩＣによる無安定マルチバイブレータ
４．ゲート接地高周波増幅回路
最初の課題はエミッタ接地増幅回路です．このエミッタ接地増幅回路はエレクトロニクスの基本ですから，電子回路で習ったバイアス回路や交流信号増幅の理論と実際回路の比較をしながら回路製作の技術を身につけます．このエミッタ接地増幅回路の製作が出発点です．
次にμＡ７４１を用いてＯＰアンプによる低周波増幅器を作ります．ＩＣを用いるとトランジスタによる増幅回路よりもずっと高性能であることが分かります．次にパルス回路の基本である無安定マルチバイブレータをトランジスタとＩＣを用いて作ります．マルチバイブレータでは，トランジスタの動作とコンデンサの充放電を理解します．またトランジスタによるマルチバイブレータに比べると，ＩＣを用いたマルチバイブレータがいかに高速で動くかを実感できます．
以上を，こなせば初歩的回路は制作できるようになります．基礎エレクトロニクスの仕上げとしてＦＥＴを用いたゲート接地で高周波増幅回路を作ります．エミッタ接地増幅回路やマルチバイブレータは接続さえ間違えなければ動作しますが，高周波回路は回路図に示されないいろいろな配慮が必要です．従って，同じ回路で同じパーツを使っても，発振してしまったり，増幅しても得られた利得は学生によってずいぶん異なる結果となります．
ゲート接地の高周波増幅器が一応出来るようになると，回路製作に必要な最低限の事項を身につけたことになり，基礎エレクトロニクスは完了となります．
２．核磁気共鳴の原理と装置の建設
核スピンのエネルギー準位の間のエネルギー差に等しい電磁波を加えると，核スピンが電磁波のエネルギーを吸収したり放出したりします．言い換えると，スピンは２つの準位の間を遷移します．このエネルギー吸収放出は，周波数に対してきわめてシャープに共鳴します．ＮＭＲはこの性質を利用した微視的な実験手段です．
核磁気共鳴の原理は量子力学に基くので面倒ですが，ゼミでは物性基礎や電子物性の講義を元に，基礎理論を一通り勉強します．
核磁気共鳴の原理は難しいのですが，観測装置は完全にエレクトロニクス装置です．高周波増幅回路やパルス発生器など，卒業研究では各自がそれぞれの部分を分担して製作します．
最後に各自が作った回路を用いて，強磁性鉄(５７Ｆｅ)の核磁気共鳴信号を観測します(２００５年度は５９Co核か６１Ni核かのどちらかにします．鉄とは周波数が違います)．
以下に200４年度の学生が作成したカスコード接続の高周波増幅回路の写真を示します．ｄｕａｌ gateのFETを用いた増幅回路で，３０〜５０ＭＨｚの周波数範囲で約４０ｄＢの利得があります．回路ではインピーダンス変換のためのバッファ回路が入っています．この増幅器は信号を増幅する初段回路として用います．NMR装置全体の受信感度を決める最重要の増幅回路です．
プリアンプに用いるカスコード形高周波増幅回路
４年生が作った装置を用いて実際に観測した強磁性鉄の５７Fｅ核のスピンエコー信号の写真を示します(４.２Ｋ，ゼロ磁場)．下の黄色が実際の信号波形で，上部の赤はこれを平均化してノイズを減少させた物です．
強磁性５７Ｆｅ核の核磁気共鳴信号(赤は平均化したもの）
３．応用エレクトロニクス
基礎エレクトロニクスと核磁気共鳴装置の回路製作をまじめに頑張ると，まったくエレクトロニクス制作の経験のない学生であっても，ほとんどのエレクトロニクス回路を作成することが出来るようになります．そこで４年次の後期には，核磁気共鳴装置の作成と並行して，各自が希望する応用エレクトロニクス回路を製作します．
この応用エレクトロニクス回路は学生の希望により自由に作りたい回路を選びます．今までに実際に学生が製作したエレクトロニクスはオーディオアンプ関係やラジオ関係が多い．しかし，それでは面白くないので，２００３年度にはワンチップマイコンPICを用いた回路を作りました．今年はこれらに加えてデジタルアンプとＰＬＬ(位相ロックループ)を用いた周波数シンセサイザーを作ってみました．４年生にも指導する方の私にも初めての回路でしたが，どちらも面白かった．
(1)ＰＬＬによる周波数シンセサイザ
ＰＬＬ(Phase Locked Loop，位相ロックループ)の動作原理はアナログ電子回路の講義で習います．入力周波数の変化に追随して出力周波数が変化するというもので，いろいろな応用を持つエレクトロニクスの重要な回路です．
動作原理については，正弦波をもちいて原理を勉強します．しかし，実際に作った回路は正弦波ではなくてパルスです．いろいろなデジタルＩＣの動作がおもしろい．
実際に作ってみた回路は遠坂俊昭著「ＰＬＬ回路の設計と応用」(ＣＱ出版社)に載っている回路の変形です．周波数を安定化させるために，まず，７４ＨＣ４０６０を用いて水晶発振器で発振させます．発振そのものは正弦波ですが，これをパルスにして分周します．正確に１０．００ＫＨｚにしたパルスをＰＬＬ回路（４０４６)に加えます．そして出力を分周し，これを比較器(コンパレータ)に加えます．ＰＬＬの入力周波数はいつも１０．００ｋＨｚに固定化されますから，１／２に分周すれば２０．００ｋＨｚの，１／１００に分周すれば１．００ＭＨｚの出力周波数が得られます．このように分周の度合いをいろいろに設定することによって，ＰＬＬから出力される周波数が任意に設定できます．
以上が簡単な原理ですが，実際の回路を作ってみると，それぞれの動作が面白い．また電源の配線をできるだけ厳重に交流接地しないと高周波成分が乗るなど，アナログの高周波回路制作と同じ注意が必要です．実際に制作した回路の写真を示す．期待したとおりの動作が得られました．
ＰＬＬ回路の一部 (卒研生，大串一史君製作)
(2)デジタルアンプ
デジタルアンプ(別名，Ｄ級増幅器)は電力効率が良く，大電力の低周波増幅回路に適するという特徴を持っています．しかし，その一方でノイズが発生するという欠点があります．
デジタルアンプの原理は次の通りです．第一に低周波のアナログ信号をまずパルスの幅に変換します．パルスのプラスの幅とマイナスの幅が異なります．これをパルス幅変調(Pulse
Width Modulation)と呼びます．次にこのパルスを電力増幅します．パルスの増幅はトランジスタのOn-Off特性を利用するので余計な電力を使いません．最後に低周波フィルターを用いて増幅したパルスを元のアナログ信号に戻します．
今年はデジタルアンプの特徴の一つである「大電力アンプ」は将来の課題として残し，デジタルアンプの原理を理解し，実際に作ってみることにしました．具体的な回路は，本田潤著「D級／ディジタル・アンプの設計と製作」を主に参照し，いろいろな回路を作りました．
アナログ信号をパルス変調(PWM)するにはきれいな三角波が必要です．いろいろな回路を試しましたが，うまくPWM出来る回路もあるし，そううまく動かない回路も多かった．また最後の低周波フィルターはコイルとコンデンサで作ります．こんな簡単なフィルターでうまくいくのかなと思っていましたが，思ったよりも遙かにきれいにPWM波がアナログ信号に戻りました．これは予想外でちょっと新鮮でした．
デジタルアンプ 右が低域フィルターのコイル (卒研生，末次伸臣君製作)
(3)ワンチップマイコンPICを用いた回路
家庭の洗濯機に見られるように，最近の電子機器の多くはマイコンを内蔵し，マイコンが制御しています．高級な電子機器は相応に高級なマイコンが内蔵されていて，慣れると便利だが慣れるまではうっとおしいものです．
内蔵マイコンの一番簡単なワンチップマイコンがPICです．このPICの動作原理を理解し，それを回路に応用します．ＰＩＣの回路はソフトとハードの融合です．ＰＩＣ用の言語が必要ですが，原理は他の言語と同じくｉｆ文などでソフトを書きます．これをマイコンに書き込んでハードの回路を動かします．
実際の回路はいろいろなエレクトロニクスの知識が必要です．そしてこれらを実装できる力量が要求されます．またいろいろなセンサーを組み合わせると多様な回路ができます．
いろいろな応用がありますが，まず基本であるＬＥＤの点滅回路を作ります．「１秒ごとに点滅する」というのが最も基本的な点滅回路で，パトカーの点滅のように回るとか，ネオンサインのように走る点滅とか，学生達はソフトでいろいろに制御した点滅回路を楽しみました．
点滅回路から進んで，昨年は温度計を作りましたが，今年は７セグメントＬＥＤを使ったタイマーなどの応用回路を自作しました．
ワンチップマイコンＰＩＣを用いたタイマー回路
(卒研生，中野茂樹君製作)
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