Bluetooth信号発生器 自作入門：スマホアプリ+オペアンプで波形生成・テスト

ファンクションジェネレータ (信号発生器) は、正弦波、矩形波、三角波等のテスト波形を任意の周波数・振幅で出力する計測器です。前回はトーンジェネレータ (音声帯域) を扱いましたが、今回は **Bluetooth 信号発生器** に挑戦します。電気信号を **無線周波数 (RF: 2.4GHz帯)** に変換し、Bluetooth受信機の感度/周波数特性テスト等に活用します。市販のベクトル信号発生器は高価ですが、スマホと少数の部品で低コスト実現が可能です。

Bluetooth 信号発生器の概念

ベクトル信号発生器 (RF生成機能付き) (出典: Wikimedia Commons)

トーンジェネレータが電気信号→音波 (可聴域) 変換であるのに対し、Bluetooth信号発生器は **電気信号→無線波 (2.402〜2.48 GHz ISM帯)** 変換を行います。シンプルな用途として、「特定の Bluetooth 受信機がどのチャネル/周波数で最も感度良く動作するか」をスイープテストする等があります。

自作 Bluetooth 信号発生器：3大構成要素

Bluetooth スマートフォン ベクタイメージ

本プロジェクトは以下の3要素で構成されます。

1. スマートフォン (Android 推奨) ： 波形生成アプリを実行し、Bluetooth 送信機として機能。
2. Bluetooth オーディオレシーバー ： スマホからの A2DP (オーディオストリーム) を受信し、アナログ音声信号 (ベースバンド波形) に復調・出力。
3. オペアンプ増幅段 (IC 741 等) ： レシーバー出力レベルを増幅/整形し、テスト対象機器 (またはスピーカー/オシロスコープ) へ駆動。

詳細部品表 (BOM)

• Bluetooth 5.0 以上対応 Android スマートフォン (推奨: 5.2/5.3 互換性確保)
• 信号発生アプリ (Signal Generator 等、Google Play 無料多数)
• オペアンプ IC 741 (または TL072, NE5532 等、高周波特性良好品推奨) × 1
• 抵抗: 10kΩ (R1, 入力側), 47kΩ (R2, フィードバック/ゲイン設定) 各1本
• 5V駆動 Bluetooth オーディオレシーバー (3.5mm メスジャック付き) × 1
• 3.5mm ステレオミニプラグ (オス) - 分岐ケーブル/配線 × 1
• 電源: オペアンプ用 ±12V (または 単電源 12V + バイアス)、レシーバー用 5V (USB給電)
• ブレッドボード/ユニバーサル基板、オシロスコープ/スピーカー (出力確認用)

プロジェクト構成の理解 (R.Grish 設計ベース)

スマホ選定のポイント

• Android を推奨 (iOS は Bluetooth スタック制約/カスタマイズ性で不利)。
• Bluetooth 5.x 対応機種ならレシーバーとの接続安定性向上。旧規格 (4.x) でも動作は可能だが、接続距離/安定性で劣る。
• 「Signal Generator」「Function Generator」等で検索、無料アプリをインストール。APK 手動インストールも可。

信号発生アプリの機能確認

信号発生アプリ画面例 (スマホスクリーンショット)

推奨アプリは以下5波形生成対応。

• 正弦波、三角波、鋸歯波、矩形波、ホワイトノイズ
• 周波数範囲: 通常 1Hz〜20kHz (オーディオ帯域)。Bluetooth オーディオコーデック (SBC, AAC, aptX, LDAC) の帯域制限内。
• 振幅/オフセット調整、スイープ機能搭載アプリ推奨。

オペアンプ増幅段の設計 (IC 741)

汎用 741 オペアンプ ピン配置 (出典: Wikimedia Commons)

• 741 は入手容易、GB積 1MHz、スルーレート 0.5V/µs でオーディオ帯域 (〜20kHz) なら実用十分。より高性能なら TL072 (FET入力, 低ノイズ) や NE5532 (オーディオ特化) 推奨。
• 電源: ピン7 (V+) に +12V、ピン4 (V-) に -12V (両電源) または GND (単電源時は仮想グランド必要)。
• 目的: Bluetoothレシーバー出力 (ラインレベル ~1Vrms) を増幅し、負荷駆動能力を付与。
• 接続: レシーバー 3.5mm出力 → 分岐 → 左/右ch (モノラルなら片ch) → R1 (10kΩ) → オペアンプ ピン2 (反転入力)。ピン3 (非反転入力) → レシーバー GND (信号グランド基準) に接続。**レシーバーのグランドとオペアンプの信号グランドを共通化することが極めて重要**。
• フィードバック: ピン6 (出力) → R2 (47kΩ) → ピン2 (反転入力)。ゲイン = 1 + R2/R1 = 1 + 47/10 = **約 5.7倍 (15dB)** の反転増幅器構成。
• 出力: ピン6 → R2 近傍で分岐 → 3.5mmジャック → スピーカー/オシロスコープ/被試験デバイス (DUT)。

注意点: 周波数上限付近で出力振幅大だとスルーレート制限/電圧クリッピング発生。ゲイン/電源電圧で調整。

Bluetooth レシーバーの電源

5V USB給電が標準。USBケーブルから 5V/GND 取り出し (配線加工) または USB充電器/モバイルバッテリーから給電。基板実装時はレギュレータ経由で 5V 生成も可。

組み立て・動作手順

1. スマホに信号発生アプリをインストールし、Bluetooth を ON にする。
2. レシーバーとオペアンプ増幅段を配線・接続する。
3. レシーバー (5V USB) とオペアンプ (±12V) に電源投入。
4. オペアンプ出力をスピーカーまたはオシロスコープ/被試験機器に接続。
5. スマホでレシーバーと **ペアリング/接続** する。
6. アプリを起動し、波形タイプ (例: Sine Wave) を選択。
7. 「ON / Play」ボタンをタップ。

スピーカーから音 (ブーン/ピー等) が出れば成功。アプリで周波数/波形を変えると音/波形が追従変化します。オシロスコープなら波形観測、DUTなら感度測定が可能です。

結論と発展可能性

この自作システムは、Bluetooth オーディオプロファイル (A2DP) をキャリアとしてベースバンド波形を無線伝送する **「簡易ワイヤレスファンクションジェネレータ」** です。本格的な RF 信号発生器 (変調品質、スペクトラム純度、キャリア周波数精度保証) ではありませんが、以下の用途に有用です。

• 教育/学習: Bluetooth 通信の物理層 (ベースバンド波形→RF変調) 理解。
• 簡易テスト: Bluetooth オーディオ機器の周波数応答、歪み率 (THD) 簡易測定。
• PCB アンテナ/マッチングネットワークの簡易評価 (スペアナ併用)。
• Bluetooth ベースの PCB 技術 (アンテナ設計, 共存対策等) への理解深化。

より高度な用途 (変調品質解析, プロトコルテスト, RF パラメトリックテスト) には、専用のベクトル信号発生器 (VSG) や Bluetooth テスタ (R&S CMW, Anritsu MT8862 等) が必要です。しかし、この「スマホ+数百円部品」でここまで出来るのは驚異的です。ぜひ挑戦し、無線テストの第一歩を踏み出してください。

ご質問や改良アイデアがあれば、お気軽にお問い合わせください。