AVR + グラフィックLCD 周波数カウンターの製作

■ AVR + グラフィックLCD 波形表示周波数カウンターの製作 ■

　基本設計は、前作の「AVRマイコンによる周波数カウンター」と同じですが、表示器にグラフィックLCD「SG12232C」を使用して、測定入力波形を表示する機能を追加しました。
　あわせて、[Hi]と[Low]のパルス幅時間値も、簡易的に表示します。

　搭載している周波数の測定方式（ゲート方式とレシプロカル方式）については、前作の記事を参照して下さい。

回路の解説

　
１．電源回路
　
　・５VのACアダプターから電源を供給します。　（ACアダプターは、ケース内に格納してあります）

２．AVRとクロック
　
　・AVRマイコンは、ATmega164P-20PUを使用し、動作クロックは最高速度の20MHz Xtalで動作
　　します。
　・動作クロックの20MHzは、カウンターの基準クロックと兼用していますので、Xtalに接続されている、
　　トリマーコンデンサで校正を行って下さい。

３．グラフィックLCDモジュール
　
　・122×32ドット表示の、SUNLIKE社 SG12232C（バックライト付き）を使用しました。
　・液晶のコントラストは、半固定ボリュームで調整して下さい。

４．入力アンプ回路
　
　・トランジスタ技術誌等でもよく見かける定番のアンプ回路で、定数は、部品が入手しやすいように
　　変更してあります。
　・アンプの入力インピーダンスは、スイッチにより、1MΩと50(47)Ωに切り換えることができます。
　・調整は、入力に何も接続しない状態で、アンプの出力電圧がDC2.3Vになるように、半固定
　　ボリュームで調整して下さい。
　
　・回路と定数を検討してみましたが、30MHz以上では極端に入力感度が落ちるようなので、アナログ
　　入力は1Hz～30MHzの範囲で使用し、それ以外は、TTL入力に切り換えて使用して下さい。

５．プリスケラとセレクター部
　
　・AVRマイコンのタイマークロック入力｢T1]や、キャプチャー入力[ICP1]は、AVRの動作クロックに
　　同期化されるため、ナイキスト周波数から、クロックの半分以下の周波数しか入力できません。
　　　（推奨値は1/2.5以下）
　・製作した回路では、AVRクロックが20MHzなので、AVR単体での測定限界が8MHzまでとなります。
　・そこで、入力信号をプリスケラで分周し、さらに高い周波数まで計測できるようにしました。
　　（ゲート・モード専用の機能です）
　・分周値は、1/10と1/100が選択でき、74AC14や74AC390の最大動作周波数、約100MHzまで
　　測定できるようになります。（表示の都合で、99MHzを最高値としています）
　　（測定信号が30MHz程度までならば、74HC14や74HC390に代替えが可能です）
　
　・セレクター(74HC153)は、入力信号を、ストレート・1/10・1/100 から選択する動作と、
　　ゲート・モードかレシプロカル・モードを選択する機能を併せ持っています。
　
　・この回路のポイントは、ゲート・モード時に、1秒等のソフトウェア割り込みを発生させて、計測
　　パルス数を読み込むのではなく、AVR自身で発生させた5Hzパルスを、キャプチャー入力 [ICP1]
　　に入れて、[T1] からの入力パルス数をキャプチャー・レジスタに転送するため、ソフトウェア
　　割り込みによる計測遅延が無くなり、計測ルーチンも、両モードで共有することができる点です。
　

６．波形サンプリング回路
　
　・入力波形を表示するためには、正確な間隔でポートをサンプリングし、データをメモリーに
　　保存していく作業が必要ですが、タイマー割り込みでポートを検査していたのでは、１データを
　　取り込むのに1μSほどの時間がかかってしまいます。
　
　・そこで、今回の回路で一番の注目点となる、ハードウェアSPI (Serial Peripheral Interface)を、
　　本来の機能とは違う目的で使用してみました。
　・AVRのSPI端子は、AVRクロックの1/4の速度で動作させることができるので、SPIをスレーブモード
　　にして、タイマーから20MHzの1/4となる5MHzのクロックを [SCK] に入れ、[MOSI] 入力から
　　波形をサンプリングし、1byte単位でメモリーに格納しています。
　・[MOSI] 入力レジスターは、ダブルバッファーになっているので、連続したクロックでも、8bitの
　　データ入力が完了した後に、レジスターを読み込みに行くことが可能になり、2.5MHz（400nS）
　　までの表示を可能にしました。
　・サンプリングクロックは、測定周波数により、自動的にタイマーで変更しています。
　
　・また、[Hi]と[Low]のパルス幅時間を測定する際に、キャプチャー入力エッジを反転させて測定
　　しても、約５μSのパルス幅計測が限界ですが、このサンプリングデータを利用することで、
　　精度は落ちますが、200nSのパルス幅まで計測表示できます。
　
　・波形を表示できるのは、ゲートモードでプリスケラ値が1/1の設定時のみです。
　

７．スイッチ部
　
　・操作スイッチは、液晶表示面までのかさ上げ基板を使用し、タクトスイッチまたは、FUJISOKUの
　　TMシリーズを取り付けます。

回路図

　GIF版　AVRFC2cir.gif　(233KB)

　PDF版　AVRFC2cir.pdf　(328KB)

部品配置図	GIF版　AVRFC2pcb.gif　(193KB)	GIF版　AVRFC2pat.gif　(122KB)
アートワーク	GIF版　AVRFC2AW.gif　(103KB)	部品表

　　　注意！この図面を使用した、いかなる損害にも責任を負いません。

プログラム	テキスト形式ソースファイル		AVRFrqC201.txt　(45KB)
	ＢＡＳＣＯＭ-ＡＶＲ用ソースファイル　（BASCOM-AVR（製品版）が必要です）		AVRFrqC201.bas　(45KB)

　
ケース底部

　
ケース内部前面

　
プリント基板
（パターン修正前 Rev.1）

　
基板部品面
（パターン修正前）

　
基板ハンダ面
（パターン修正前）

　
基板前面

　
基板右側面

　
ケース内部底面

　
ケース内部上面

AVRマイコン ATmega164Pの、ヒューズビット書き換え
AVR ATmega164Pのシステムクロックは、工場出荷時に、内蔵RC発振器の8MHzで、1/8前置分周器がONに設定されており、外部のクリスタルオシレータを使用するには、AVRのヒューズビットを書き換える必要があります。　・また、JTAGインターフェイスが許可になっているので、無効に書き換えます。下記ページの書き換え方法「６．」を、以下の様に変更して、ヒューズビットの書き換えを行います。　　　　ヒューズビット書き換え　６．[ FusebitC ] の右欄 [ 0:Divison by 8 enabled ] をクリックすると、右側にプルダウン　　　メニューが現れますから、 [ 1:Division by 8 disabled ] を選択します。　　　[ Fusebit KLA987 ] の右欄 [ 100010:Int. RC Osc.; Start-up time: 6 CK + 65 ms ] を　　　クリックすると、右側にプルダウンメニューが現れますから、　　　[ 110111:Full Swing Oscillator; Start-up time: 16K CK + 65 ms; Crystal Osc. 　　　; slowly rising power ] を選択します。　　　[ Fusebit High H ] の右欄 [ 0:JTAG enabled(portc.2-portc.5 not usable) ] を　　　クリックすると、右側にプルダウンメニューが現れますから、[ 1:JTAG disabled ] を　　　選択します。「AVRWRT」ライターの場合は、AWRTf_FrqC2.gif

製作について

　
・部品表は、部品の背が低い順に記載してありますので、この順番に取り付けて行きます。
　
・ジャンパー線は、すずメッキ線や、被覆電線を使用して下さい。（15本）
・1/4W抵抗器は、４目 (2.54X4 = 10.16mm) ピッチで両端を折り曲げて取り付けます。（2本）
・1/6W抵抗器は、２目 (2.54X2 = 5.08mm) ピッチで両端を折り曲げて取り付けます。
・1KΩだけは、３目 (2.54X3 = 7.62mm) ピッチで両端を折り曲げて取り付けます。
・積層セラミックコンデンサは、2.54mmピッチの物が取り付け可能です。
・トランジスタは、型番により取付方向が変わる場合がありますから、規格表で確認して下さい。
・ICソケットは、必要に応じて取り付けます。（AVRマイコンを、直接ハンダ付けすることも可能です）
・SW5の超小型スライドスイッチは、AVRにプログラムを書き込む際にのみ使用するので、
　ジャンパーピンや、ジャンパー線での代用も可能です。
　
・スイッチは、汎用のタクトスイッチや、「FUJISOKU TM1-01」が使用できます。
・スイッチ基板を取り付けるスペーサーの長さで、LCDとの高さ調整を行います。
・スイッチ基板とメイン基板は、ワイヤーまたはメッキ線4本で回路接続して下さい。
・タクトスイッチには、足の幅が2.54ピッチでない物がありますので、ピンの間隔を基板に合わせて
　調整して下さい。
・キースイッチに、「FUJISOKU TM1-01」を使用する場合は、位置決め用ボス（小さな突起）を、
　必ずカッターで切り取って下さい。
・また、接点により、取り付ける向きが決まっていますので、メーカー名が横になる方向で
　取り付けて下さい。
　　　

　
・グラフィック液晶表示器(LCD)は、ピンソケットとピンヘッダにより取り付けます。
・「SG12232C」の取り付けネジは、2.5mm穴で高さが11mmとなっているため、特殊なスペーサーが
　必要です。
・調達が難しい場合は、「電子工作のヒント」のページに、自作方法を記載してあります。
　（頒布室で、実費頒布を始めました）
　
・アナログアンプやTTL入力の端子は、カード・コネクターが使用できるように2.54mmピッチで
　並べてありますが、直接ワイヤーで配線することも可能です。

・５V以上のACアダプターは、絶対に接続しないで下さい。

操作方法

　
１．電源投入
　
　・電源が投入されると、モードは「ゲート・モード」で、プリスケラ値は「1/1」になります。
　・[MODE] スイッチを押しながら電源を投入すると、現在のプログラム・バージョンが表示され、
　　スイッチを離すと通常動作に入ります。

　
２．表示面のスイッチ操作
　
　・[MODE] スイッチを押すたびに、「ゲート・モード」と「レシプロカル・モード」が切り替わります。
　・LCDの左上に、「ゲート・モード」時→ [Gate] 、「レシプロカル・モード」時→ [Recp] が表示されます。
　

測定可能な周波数の範囲	ゲート・モード	1Hz ～ 99MHz アナログ入力は30MHzまで	波形表示 ○
測定可能な周波数の範囲	レシプロカル・モード	99Sec ～ 200KHz	波形表示 ×

　・[PRESCALER] スイッチは、ゲート・モードのみに有効で、押すたびに「1/1」→「1/10」→「1/100」を
　　繰り返し選択できます。
　・LCDの2行目に、「1/1」時→ [P1] 、「1/10」時→ [P10] 、「1/100」時→ [P100] が表示されます。
　

プリスケラ値	測定周波数範囲	分解能	波形表示
1/1	1Hz ～ 8MHz	1Hz	○
1/10	10Hz ～ 80MHz	10Hz	×
1/100	100Hz ～ 99MHz	100Hz	×

　・波形と、[Hi]と[Low]のパルス幅時間値は、ゲートモードでプリスケラ値が1/1の設定時のみ表示
　　されます。
　　（プリスケラが入ると、波形はデューティー50%になるので、表示の意味がない）
　　（レシプロカル・モードでは、サンプリング時間が長くなりすぎる）
　
　・パルス幅時間値の最小分解能は、200nSです。
　・波形表示ができる周波数は、1Hz～2.5MHzの範囲です。
　・波形は、立ち上がりエッジで自動的に同期をとって表示されます。

　
３．その他のスイッチ操作
　
　・アンプの入力インピーダンス（終端抵抗）は、プリント基板上のスライドスイッチにより、
　　1MΩと50(47)Ωに切り換えることができます。
　
　・「アナログ/TTL」入力切り替えスイッチは、1Hz～30MHzの範囲で入力アンプを使用する場合と、
　　TTLレベルによる、99秒～99MHzの測定時に切り換えて使用します。

ソフトウェアの解説

　
　・周波数の測定動作（ゲート方式とレシプロカル方式）については、前作の記事を参照して下さい。

波形表示の動作
　
　・まず、ゲートモードで現在の周波数を、1秒間測定します。
　
　・測定した周波数から、グラフィック液晶画面に、２サイクル以上の波形が表示できるように、
　　サンプリングのクロック周波数を決定し、タイマーの動作を変更します。
　・最高速度の5MHz(200nS)では、波形の周波数によって、サンプリングバッファー内のデータを、
　　採取間隔を調整しながら表示します。
　　（1～32データを検査して、レベルを判定します）
　
　・SPIスレーブモードで、測定波形を、6,144データ　(768byte)分サンプリングします。
　
　・タイマーを、周波数計測の状態に戻します。
　
　・サンプリングバッファー内のデータから、[Hi]と[Low]のパルス幅時間値を計算し、表示します。
　
　・サンプリングバッファー内の波形データを表示します。

　・この動作を繰り返し行うので、計測には、1秒＋(約1.2mS～3Sec)の時間が必要です。

○パーツの参考資料

　・プリント基板　　「サンハヤト」　感光基板 41K ガラスコンポジット片面 1.0tｘ100ｘ100mm
　・ケース　　「LEAD」　PL-4　W80 X D120 X H55 mm
　・ACアダプター　　「秋月電子通商」　超小型スイッチングACアダプタ　5V 1A

◎ このプリント基板と、書き込み済みAVRを、実費頒布しております。
　
　　● 基板・部品の頒布室 ●

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