製作の順序としては、モニター用電波時計改造、モニター基板製作、標準電波受信用電波時計、リピーター基板、リピータ出力アンテナの順が良いと思います。

この時計の回路は緑色の親基板と青い子基板からなっています。親基板にはボタンスイッチやLCDパネルが接続されています。電波を受信する回路は青い子基板に形成されています。改造は主として青い子基板とその接続部分になります。子基板のネジ留めを外し、子基板の部品面が見えるようにしたのが次の写真です。

改造点

○モニター基板製作

少し反省すると、発振回路のゲート数を減らしてその分をLEDとブザーの入力に回せば良かったとか、トランジスタ2SC1815が全く無駄だとか、改善の余地はあるのですが、取りあえず動くので本体の動作確認用の一時的なツールとしては許容範囲かと思います。

回路図を示します。

回路図で"40kHz受信電波時計より"となっているのは"リピータ出力モニター用電波時計より"に読み替えてください。

2SC1815とそのベースに接続されたR472は役立たずなので削除しても何の問題もありません。(当初の設計ではブザー(BUZZER)と直列にコンデンサを入れるつもりでしたが、省略した際に残ってしまった設計上の残骸です。)

ブザーは先に述べたようにリピータ出力モニター用電波時計から外したものを用います。

次は本基板の動作説明です。

• 電源はモニタ用電波時計側から供給されます。その電波時計は約3Vで動作する必要があり、かつ動作させるにはその電波時計に電池を入れなくてはなりません。
  
• マーク信号時、ブザーが鳴り、同時にLEDが点灯して見えます。LEDが点灯して見えるとき、実際はブザー音の周波数で点滅を繰り返しています。一方、スペース信号時はブザーが鳴らず、LEDも消灯です。
  
• モニター用電波時計がマーク信号時Lレベル(負論理)であれば、3ピンのピンヘッダは回路図のように左側にショートピンを接続します。マーク信号時Hレベル(正論理)であれば同ピンヘッダの右側にショートピンを接続します。本製作例では負論理でしたので、回路図のように左側にショートピンを接続しました。
  
• NAND3個とC333、R562からなる回路は発振回路で、ピンヘッダからの信号がH時に発振し、L時は出力がHになって停止します。
  

基板裏面のレイアウトは元のパターン通りで、何の変哲もありません。 次に製作完了した基板の写真を示します。

○標準電波受信用電波時計改造

• これは市販品を改造するのが手軽で安価なので、そうしました。ここでもMarumanのMRA390WH(白)を使用しました。（MRA390PK(桃)でも同等です。)本当は、リピータ出力モニター用電波時計とは色違いにした方が良かったと反省しています。
  分解した写真等を示して改造について説明します。
  ですがまず、改造前に電波時計の付属説明書を読み、電池を挿入するなどして正常動作を確認しましょう。電波状態によっては動作開始後5分程度以内に時刻が合わず、時々強制受信させても標準電波による時刻合わせに半日以上かかることがあるかもしれません。
  

ネジを外して時計の中を見ると、この時計の回路は緑色の親基板と青い子基板からなっています。親基板にはボタンスイッチやLCDパネルが接続されています。電波を受信する回路は青い子基板に形成されています。改造は主として青い子基板とその接続部分になります。子基板のネジ留めを外し、子基板の部品面には円柱形の水晶フィルタが2つ見えます。一方が40kHz、他方が60kHzの水晶で、パーツ表面に周波数の記載があります。関西地方では一般的に40kHzより60kHzの標準電波の方が強いので、60kHzのみを受信するようにします。また常に受信し続けるようにし、受信出力を時計外に出すようにします。

回路図を示します。

回路図で"60kHz受信電波時計より"となっているのは"標準電波受信用電波時計より"に読み替えてください。 また、PUSH SWにはタクトスイッチを使用しました。

40kHz Xtalは標準電波受信用電波時計から外した40kHz水晶を用います。

次は本基板の動作説明です。

• 電源はACアダプター出力から非安定化直流電圧8〜12V程度を得ます。定番の3端子レギュレータ7805で安定化5Vを得て、基板上の回路に供給します。さらにこの5VからLP2906L-3.0という3端子レギュレータで3V安定化出力を作成して標準電波受信用電波時計に供給します。
  標準電波受信用電波時計は常時受信し続けねばならず、リピーターの出力電波も常時送信し続ける必要があるため、実用に供するには電池駆動でなく、AC電源による動作がどうしても必要なので、こうなりました。また、出力用アンテナはある程度の大きさがあるため、美観上、例えばステレオスピーカの背面等に隠して設置する等が考えられます。こうした場合、電気雑音の多いスイッチングレギュレータより従来型の降圧レギュレータの方が設置が容易なので、このような電源構成にしました。非安定化ACアダプターはハードオフなどのリサイクルショップを回れば安価に入手できます。
  
• 標準電波受信用電波時計からの信号はコネクタ(ピンヘッダ)のSIG端子から2SC1815のベースに入力され、そのコレクタから反転信号として現れます。電波時計からの復調信号が負論理か正論理かによって3ピンヘッダに挿すショートピンの位置を変えます。今回の電波時計の復調出力は負論理であり、ショートピンは左側に挿すことになります。
  
• モニター用電波時計が本例のようにマーク信号時Lレベル(負論理)であれば、3ピンのピンヘッダは回路図のように左側にショートピンを接続します。マーク信号時Hレベル(正論理)であれば同ピンヘッダの右側にショートピンを接続します。
  こうして導かれた信号で、フォトカプラとLEDを駆動します。マーク信号時、LEDが点灯し、フォトカプラはOFFとなります。逆にスペース信号時、LEDは消灯、フォトカプラはONとなります。
  
• リピーターの搬送波は74HCU04の9-8ピン間のインバータを反転増幅器とするコルピッツ発振回路で作成されます。振幅はほぼ電源電圧p-pですが出力インピーダンスが高いため、振幅変調を掛ける前にインピーダンスを下げます。ただ、使用したOPアンプの入力電圧範囲がレールツーレールではないので高抵抗で振幅を1/2に分圧しました。NJM4556AD端子7に現れた低インピーダンス出力の信号電圧をフォトカプラOFF時(マーク信号時)はそのままで、フォトカプラON時(スペース信号時)は信号電圧を約1/11にして次段のOPアンプで再度低インピーダンスにしてNJM45556ADの1ピンから出力が現れます。これが変調の掛けられたリピーターの出力波形です。
  

発振周波数精度について 発振回路の周波数はCXとCYの調整により常温で40.000kHz±1Hz程度以内に合わせたつもりです。10Hzもずれると電波時計はフィルタのために受信しなくなります。電波時計のフィルタ自体誤差があると考えられますが、どの程度ずれた周波数まで受信可能かは保証されないので、リピーターとしてはなるべく正確に40kHzに合わせておくべきでしょう。目安としてはリピータ出力モニタ用電波時計とモニタ基板のLEDで見当をつけることができますが、実際に使用したい時計と、リピータ出力モニタ用電波時計の受信範囲がずれており、リピータ出力モニタ用電波時計の受信範囲であっても実際に使用したい時計では受信できない周波数となっている可能性も否定できません。周波数カウンタがない場合は、受信可能となるコンデンサの上限、下限値を調べて中間の値にするなどの工夫にも意味があるかもしれません。

上表の周波数は校正期限切れ測定器の表示値ですが、気休めを言えば他の校正期限切れ測定器の表示値との差異が0.3Hz以内でした。

基板裏面のレイアウトは元のパターンをカットした部分が1ヶ所あります。また、Cx、Cyは周波数の微調整でカットアンドトライで決めた値のセラミックコンデンサで、1台ごとに値は異なっています。また、CxとCyの容量値も異なります。

次に製作完了した基板の写真を示します。

標準電波受信用電波時計なしでもリピーター基板の3ピンピンヘッダのショートピンを右側に挿すことで、リピーター基板の動作確認ができます。

• まず、3ピンヘッダのショートピンを右側に挿します。
  
• 次にDCジャックにACアダプタを差し込んで電源を投入します。
  
• これで、VCCラインに直流＋5Vが現れることを確認します。
  
• ついでに5ピンヘッダの中央ピンが両端のピンに対して直流＋3Vが現れていることを確認します。
  
• タクトスイッチを押すとLED点灯、タクトスイッチを押さない時にLED消灯であれば、変調信号はOKと考えて良いでしょう。
  
• 出力は2ピンのピンソケットに現れます。ピンヘッダなどを差し込むと信号を取り出すことができますので、テスタのAC電圧測定モードで電圧を読むと良いでしょう。タクトスイッチを押さない時に小振幅(0.2V弱？)、押したときに大振幅(1.8V弱？)となれば電波の出力波形もOKだと思います。(オシロで波形確認しましたが、テスタで測定したことはありませんでした。基板は講習会で全て使ってしまい、残っていませんので追試できません。)
  

○リピータ出力アンテナ製作

空芯コイル状のものを製作しました。ソレノイド長という意味では、この長さは径と比較して非常に短いものです。径は大きいほど到達距離が延びます。

写真のものは台の部分が15cm×25cm程度だったのではないかと思います。このサイズですと、小型のステレオセットのスピーカボックスの見えない部分に貼りつけることができるのではないでしょうか。100円ショップで購入した発泡樹脂の板で、巻き線を引っ掛けるために小さな四角形の板を8枚つくり、両面テープで貼り合わせ、コイルの巻き枠にしました。コイルは0.2mm径のポリウレタン被覆電線を約50回巻き、ほどけないように巻き始めと巻き終わりのところでより合わせます。リピータ基板までの距離は1mもあれば通常は足りるのではないでしょうか。アンテナとリピータ間の引き出し線も、アンテナに巻いたポリウレタン被覆電線をより合わせたものでOKです。リピーター基板接続のために、線の端はピンプラグに半田付けします。極性は特にありません。写真は試作のため、引き出し線の長さが短めになっています。

リピータ出力アンテナの動作確認

• このピンプラグをテスターで導通があることを確認します。
  
• リピーター基板の出力である2ピンソケットのAC出力電圧が、LEDが点いた状態で、リピータ出力アンテナを接続したときとする前とで変わらないことをテスターで確認します。これは、負荷インピーダンスが低すぎることなく波形がつぶれずに正しく出力されていることの傍証になるでしょう。(当方は波形で確認しました。)
  
• うまく動作したら、標準電波受信用電波時計、リピーター基板、ACアダプタ、リピータ出力アンテナの接続はこのまま維持しておきましょう。
  次の全体確認に進みます。
  

なお、巻き数が同じでアンテナのコイル面積を2倍にしたものは明らかに到達距離が延びました。コイル面積(径)が同じで、巻き数を増やしても到達距離は延びないようです。インダクタンスが増大して電流が減り、磁束が増えないためでしょうか。