ＰＩＣで作る周波数カウンター２

　ＰＩＣで作る周波数カウンター　
　測定範囲の拡大　　　　　　　　　　　　　　Vol.2

２００６年１０月２９日(日)　

前回は直接計数方式でゲートタイム１秒の周波数カウンタを紹介しました。「前回はこちらから」
●前回のソフトのソースです。
　周波数測定基本ソフト　「f_counter_basic.asm」　※ＡＳＭです。

今回は、測定範囲を広げるため、ゲートタイムを０．１Ｓｅｃ／１．０Ｓｅｃ／１０Ｓｅｃと３種類に増やします。又高域の測定能力を高めるため、ＰＩＣ内蔵のプリスケーラーを使用し最大５０ＭＨｚまで　の周波数を測定することが可能になります。※今回は３３Ｍｈｚです

■ハードウェアの構成　　
・ハードウェア・カウンタの選択
　直接計数方式での周波数測定は一定の時間に入力されたパルスをカウントする事で
　行います。このカウントにはＰＩＣマイコン内蔵のカウンタ、ＴＭＲ０を使用します。

・なぜ、ＴＭＲ０なのか？
ＰＩＣマイコン内蔵のカウンタはプログラム動作に影響されず動作するカウンタが３セット内蔵されております。
タイマ＆カウンター　ＴＭＲ０、TMR1、TMR２これをハードウェア・カンウタと呼びます。
このハードウェア・カウンタの動作速度はプリスケーラーとセットの場合、最大２０ｎＳ（５０Ｍｈｚ）
まで動作しＴＭＲ０が一番速いのです。　
ちなみにＴＭＲ１は１６ビットカウンターなので、ハードウェア的に６５５３６までカウントできるのですが、プリスケーラーを使用しても周期３０ｎＳ（最大３３Ｍｈｚ）までしか動作しません。

・最大計測周波数の計算は次のようになります。
　Ｆｏｓｃ　＝　２０Ｍｈｚ
　Ｔｃｙ　＝　４　／　Ｆｏｓｃ　＝　２００ｎＳ　　※2014.01.03　訂正　
　ＴＯＣＫＩ　Ｐｅｒｉｏｄ　＝　Ｔｃｙ　＋　４０ｎＳ　÷　８　＝　３０ｎＳ　
　※　８はプリスケーラー分周値で、今回のソフトの設定値です。
　　　　　　　　最大計測周波数　Ｆｍａｘ　＝　１　÷　３０ｎＳ　＝　３３Ｍｈｚ
　※ＴＯＣＫＩ　Ｐｅｒｉｏｄ　＝　Ｔｃｙ＋４０ｎＳ÷１６＝１５ｎＳですが、最大は２０ｎＳとなります。
　１／８で３３Ｍｈｚ、１／１６で５０Ｍｈｚまで測定可能になります。
　プリスケーラーの分周比を上げれば、高域の測定が可能になりますが下位の精度が悪
　くなります。

■測定プログラムの構成　　
・ソフトウェアカウンター
　入力段のハードウェア・カウンタをＴＭＲ０に決めましたが、ＴＭＲ０は８ビットのカウンタ
　なので２５６までしか、カウントできません。従って、これ以降はＴＭＲ０の繰り上がりを
　ソフトウェアでカウントする必要があります。
　これをソフトウェア・カウンタ（ＳＦＲ）と呼ぶ事にします。

ソフトウェア・カウンタにはファイルレジスターを２バイト使用します。これで、ハードウェア
カウンタと合わせて３バイトとなり、分解能は１６７７７２１６となります。

・測定プログラム
このソフトウェアーカウンターで正確にカウントすることが計測プログラム最大のポイントになります。周波数カウンターの心臓部となる計測プログラムはハードウェア・カウンタの繰り上がりをチェックしながら、ソフトウェア・カウンタを繰り上げて行き、この処理の繰り返しは同時に測定の基準時間であるゲートタイムを作り出しております。
　このゲートタイムをきっちり合わせないと、測定の誤差になりますので、ここが肝心です。これにはＭＰＬＡＢのストップウォッチ機能を利用して、計測プログラム＆ゲートタイムがぴったり、０．１秒になるようにループカウンタ値やＮＯＰを入れて調整しました。
尚、この計測ループではオーバーフロー検出、レンジ切り替えスイッチ検出を同時に見ております。
・最終カウントチェック
ゲートのタイムアップ後はゲートを閉じて、最終の繰り上がり処理を実行します。
　これはＴＭＲ０の繰り上がりチェックからゲートクローズまで数十ステップあり、この期間に繰り上がりがあった場合の対応です。ここで最上位からオーバーフローしていた場合はオーバーフローフラグを立てます。
・測定レンジ
今回のプログラムでは最小単位０．１秒の計測ループを構成し、これを１０回繰り返すことで
１秒。１００回繰り返すことで１０秒のゲートタイムを得ます。
この３レンジを　ＰＯＲＴＢ－０に接続された、プッシュスイッチにより、切り替えます。
・プリスケーラー
今回のソフトでは３３Ｍｈｚまで測定できるように、ＴＭＲ０のプリスケーラーを選択できるようにしております。分周比は１／８です。このままですと、測定値は１／８となってしまいますので、測定完了後、測定値を８倍にします。従って、測定値最下位の分解能は８ポイントになります。
※プリスケーラーを選択しない場合は３．５Ｍｈｚまでしか、測定できません。

■周波数カウンターを作ってみよう　　
・周波数カウンターの仕様
　　マイコン　　　ＰＩＣ16Ｆ819　２０Ｍｈｚ動作
　　基準発振　　水晶発振子／水晶発振器　２０Ｍｈｚ
　　表示器　　　１６Ｘ２　ＬＣＤ　キャラクターディスプレー
　　測定方式　　直接計数式
　　測定レンジ　０．１Ｓｅｃ／１Ｓｅｃ／１０Ｓｅｃ　　３つのゲートタイムを選択可能
　　分解能　　　１６７７７２１６　（２４ビット）　　　８桁表示
　　測定精度　　絶対精度　６桁程度　　　　　　水晶発振器による。
　　測定範囲　　ＤＣ～３３Ｍｈｚ　プリスケーラーの切り替えが可能　　1：1／1：8
　　入力感度　　入力回路　ＦＥＴアンプ
　　　　　　　　　　１Ｍｈｚ　５０ｍＡ以上／１０Ｍｈｚ　０．２Ｖ以上／１５Ｍｈｚ　０．３Ｖ以上
・回路図とソフト
　回路図　「f_counter_02.pdf」
測定精度はＰＩＣのクロックによります。水晶発振子は安価でトリマコンデンサを付ければ、若干調整（校正）ができます。水晶発振器は調整はできませんが、発振子より精度が高く、たとえば、表示が２０．０００Ｍｈｚとされていれば、この数字が保証されている事を示します。調整いらずで精度も高いのでお手軽ですが少し高価です。

　水晶発振器用ソフト　「f_counter_ext.hex」　精度が向上します
　水晶発振子用ソフト　「f_counter_hs.hex」　　安価に製作可能

・ソフトの使用方法について
　プッシュスイッチを押すと、０．１Ｓｅｃ／１Ｓｅｃ／１０Ｓｅｃと測定レンジが切り替わります。
　プッシュスイッチを５秒以上、長押しするとプリスケーラーがＯＮになります。
　　
■次回の予定　　
　次回は「内蔵プリスケーラーのカウント値の読み出し方法」を解説し、ＰＩＣマイコンの
　性能をフルに引き出し、ＰＩＣ単体で最大５０Ｍｈｚまで測定できるようにします。

　次回に続く　「次回はこちらから」

電源制御回路を追加して
実用的にまとめました。
自動で電源が切れます。

確認用の基準発振回路
TCXO　12.8Ｍｈｚ
４ビットカウンタ－２段

周波数カウンター内部
ＡＮ592適用済み
次回紹介

画像をクリックすると実サイズの画像がご覧になれます。

■周波数カウンター組み立てキットについて　

　２００９年　１月　２日（金）
　●周波数カウンターがキットになりました。　
　「周波数カウンターキット販売ページへ」


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