Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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５０／６０Ｈｚはどこにある！！

ＰＩＣマイコン分周器の製作

１．背景

　 １９７０年代にデジタルクロックの自作が流行っていました。　当方もＬＥＤモジュール付きの部品セットを購入して製作して実用に供していました。　しかし、最近は当時のＬＳＩを使用したキットはほとんど見かけません。　現在の技術では、わざわざ当時の時計用ＬＳＩを使って時計を作ることはないでしょう。　でしたが、たまたまＬＭ８３６１を入手してしまいました。　そうなると、部品集めをしないといけません。

【　ＬＭ８３６１外観　】

　回路図を調べるとカソードコモン７セグメントＬＥＤが使用できるので表示器は問題なさそうでした。　しかし、時計用のクロック信号は電源同期です。　そういえば、昔は電源同期が当たり前でした。　三洋電機の時計用ＬＳＩはそうでした。　下記に当時の時計用ＬＳＩの電源同期回路例を示します。　　電源は今のように定電圧回路を有しているものは少ないですが、そのかわり電源トランスをほとんどのケースで使用していましたので電源同期であっても簡単に実現できました。

【　三洋電機　時計用ＬＳＩ　電源同期信号　】

　当初は「５０Ｈｚ超高精度クリスタルタイムベースキット」、「超高精度クリスタルタイムベースキット」を使用すればよいかと思っていましたが、５０／６０Ｈｚの信号を得るのに結構な配線本数となります。　また、他の標準ロジックを使っても、分周比が大きいため、配線本数や部品実装面積の小さいものが出来そうにありません。

　このキット以外に、ＤＤＳ（「ＤＤＳキット」「ＵＳＢシグナル・ジェネレータキット（ＵＳＢ−ＤＤＳ） [ #52003 ]」）やＰＬＬ回路を利用することもできますが、逆に回路規模が大きくなるだけです。

　このため、いまひとつ製作に踏ん切りが付かなかったですが、「２４年後の再設計！！！ 　音声波形モニタの製作」を思い出し、ＰＩＣマイコンで５０／６０Ｈｚを作ることのできる分周器を製作することにしました。

２．ＰＩＣマイコン分周器の仕様

• 　時計用クロックはＰＩＣマイコンのクロックを利用することにします。

• 　クロック発信源は外付けの温度補償型水晶発振器に対応できるように、ＰＩＣマイコンのクロックは外部入力に対応できるようにします。

• 　温度補償型水晶発振器 を使用しない場合は、ＰＩＣマイコンの発振回路を使用して水晶振動子、セラミック発振子も使用できるよにする。

• 　外部入力信号で、分周を起動、停止できるようにする。　この外部入力信号はLowレベル、もしくは、Ｈｉｇｈレベルのいずれかで起動、停止できるようにする。

• 　ＰＩＣマイコンは、省スペースのためにPIC12F683-I/Pを使用する。

• 　分周比はＰＩＣマイコンのＥＥＰＲＯＭに数値を書き込んで設定する。　但し、分周比の分解能は、ＰＩＣマイコンの１命令に要するクロック（通常４クロック分）とする。

　これらの機能を満足するＰＩＣマイコン分周器の試験回路図を下記に示します。

【　ＰＩＣマイコン分周器試験回路　】

　ＰＩＣマイコン分周器用ＰＩＣ１２Ｆ６８３のピンアサイメントを下記表に記載します。　分周機能起動停止については、以下のようになります。

• 　起動停止入力１と起動停止入力２の両方の条件を満足した場合、分周機能が起動します。

• 　停止時は、停止時の出力状態を保持します。（停止直前のレベル出力時間経過後の場合）

• 　停止から起動に変化した場合、出力が反転する状態から起動します。（停止直前のレベル出力時間経過後の場合）

　試験回路はマイコンのデバッグを目的としていますので、いろいろな発振方式にも対応できるようにジャンパーピンを多用しています。　ジャンパーピンの用途を下記します。　なお、実際のアプリケーションでは、試験回路のように汎用性を持たせる必要はありません。

　分周仕様は、下記の式で表されます。　Ｆｏｓｃは外部クロック入力、もしくは、水晶振動子、セラミック発振子の周波数です。　Ｆｏｕｔが分周出力OUT1の周波数となります。　
　

　Counter1、Counter2はＰＩＣマイコン内ＥＥＰＲＯＭの分周比率設定パラメータです。　各パラメータの説明を下表に記載します。　下記のCounter1、Counter2の範囲でＦｏｕｔ範囲が決まります。　特に周波数の高い範囲では周波数分解能が悪くなっていますので、得ることのできる周波数Ｆｏｕｔについて注意が必要です。
　

　上記のようにＬｏｗレベル時間とＨｉｇｈレベル時間を独立することで結果的に分周機能を果たすようになっています。　また、Counter1、Counter2の設定値を別々に設定できますのである程度の範囲でデューティを変更することができます。
　なお、上記式の分母の４は、ＰＩＣマイコンの１命令辺りのクロック数、５６は、Ｃｏｕｎｔｅｒのカウント及び分周機能起動停止入力チェックに要する命令数を意味しています。　このカウンタの数値はＥＥＰＲＯＭに書込みます。

　上記の仕様を盛り込んだＰＩＣマイコン分周器のプログラムへのリンクをを下記に添付します。

　　　　　                          　jsk37_v2.hex　　(１，９２８ バイト)

　上記ＨＥＸファイルのＥＥＰＲＯＭは下表の設定となっています。　下記デフォルトはＦｏｓｃ＝１２．８ＭＨｚの場合、Ｆｏｕｔ＝５０Ｈｚ、テューティ＝５０％の場合の設定値です。　また、クロックは外部クロック入力設定（ＥＣとなっています。）

３．ＰＩＣマイコン分周器の製作

　上記仕様、回路、ＰＩＣマイコンプログラムで製作した製作例を下記に示します。

【　製作例１　】

• 　左側にあるのが「超高精度クリスタルタイムベースキット」に付属の温度補償型水晶発振器です。

• 　緑色の５ピン×１列のソケットが水晶発振子もしくはセラミック振動子用です。

• 　緑色のソケット下側のジャンパーピンがＪＰ１、ＪＰ２です。

• 　茶色のセラミックコンデンサは手持ちに１０ｐＦが無かったため、２２ｐＦを２個直列にしています。　そのため、合計で４個のコンデンサ実装となっています。

• 　温度補償型水晶発振器の右側にある黒いジャンパーピンがＪＰ３です。

　実際に動作させたときの出力波形を下図に示します。　周波数測定器での測定ではありませんが、５０Ｈｚ出力となっていることを確認できました。

【　出力波形測定結果　】

上記の応用例として、秋月電子通商で販売している「 [P-988]３本足クリスタルオシレータ　１１．７７６ＭＨｚ（５個入） 」や、「 [P-988]３本足クリスタルオシレータ　１．３０８ＭＨｚ（５個入）」を接続した例を下記します。

【　製作例２　】

　上記のＨＥＸファイルでは、外部クロック（ＥＣ）やCounter1、Counter2が決められていますが、ＰＩＣマイコンプログラマを使用することで設定変更することができます。　例えば、秋月電子通商の「PIC Programmerv4」では以下のように設定することで変更できます。

　クロックの選択を行う場合は、下記の右下のタブ「ＣＦＧ１」のFOSCをピックして必要な設定に変更することで、外部／内部などに変更できます。

【　クロック選択画面　】

　この設定を変更する場合は、上記画面の「拡張機能」をクリックして「拡張プログラミング機能」Ｗｉｎｄｏｗを開き、「ＰＣバッファメモリ修正」を選択してＥＥＰＲＯＭの内容を書き換えることで設定変更できます。

【　拡張プログラミング機能　メニュー　】

　下記が「ＰＣバッファメモリ修正」Ｗｉｎｄｏｗです。　この０〜Ｄ番地までの内容を書き換えることで変更できます。　下記例では、Counter1、Counter2を共に「３１９９９４４」に設定して０．５Ｈｚの信号を得ています。

【　ＰＣバッファメモリ修正　画面　】

　　上記設定変更を行って、１ＭＨｚの水晶発振子で試験を行ったときの基板外観を下図に示します。

【　製作例３　】

　下図はセラミック振動子で試験を行ったときの基板外観です。

【　製作例４　】

４．機能拡張、応用例

４．１　最高周波数改善版

　上記のプログラムではCounter1、Counter2を共に０設定してもＦｏｕｔ＝Ｆｏｓｃ／ ４４８となりますので、高い周波数を出力することが難しくなっています。　これを少しでも改善するために、最高周波数上昇を下記式のように改善するようにプログラムを変更したものを下記に示します。　この場合、Ｆｏｕｔ＝Ｆｏｓｃ／８０となりますので約５倍の周波数まで対応できます。

　この場合のＰＩＣマイコン分周器プログラムへのリンクをを下記に添付します。

　　　　　                          　jsk37_v3.hex　　(２，００２ バイト)

　上記ＨＥＸファイルのＥＥＰＲＯＭは下表の設定となっています。　下記デフォルトはＦｏｓｃ＝１２．８ＭＨｚの場合、Ｆｏｕｔ＝１０ｋＨｚ、テューティ＝５０％の場合の設定値です。　また、クロックは外部クロック入力設定（ＥＣとなっています。）

４．２　赤外線リモコン改善

　赤外線リモコン関係では３８ｋＨｚの発振を行っています。　この３８ｋＨｚのクロックを得る方法として「リモコンリモコン　その１　（おまけはリモコンガチャガチャ迷惑防止器！！！）」のように３８ｋＨｚの水晶発振子を使う方法があります。　しかし、この３８ｋＨｚ発振回路は、３８ｋＨｚの水晶発振子やＩＣとの相性によってうまく発振しないなどの問題があります。　また、「電池ボックス電子工作（その５） 　どこでもリモコンリモコン２（リモコンレピータ）　どこでも電圧安定化回路付き」のようにタイマーＩＣを使用する方法もありますが、周波数の安定度に心配があります。

　これらの回路に今回製作した分周器を適用することができます。　適用回路図を下記に掲載します。　この分周器を使用することで発振を確実に行え、また、周波数もタイマＩＣに比べて格段に改善されます。　また、３８ｋＨｚ発振回路の部品点数も減ります。

【　「リモコンリモコン　その１」　受信ユニット回路図　改善回路　】

【　「リモコンリモコン　その１」　リモコンガチャガチャ迷惑防止器　改善回路　】

【　「どこでもリモコンリモコン２（リモコンレピータ）　どこでも電圧安定化回路付き」改善回路　】

　なお、この上記３例では、分周機能停止時にはＰＩＣマイコンの出力／ＯＵＴ２が必ずＬｏｗにならないといけません。　残念ながら上記ＨＥＸファイルのプログラムでは、分周機能停止時には出力保持であり、出力は不定です。

　この対応として、分周機能停止時にはＯＵＴ１＝Ｈｉｇｈ、／ＯＵＴ１＝Ｌｏｗとなるようにプログラムを変更したＨＥＸファイルを下記に掲載します。

　なお、ＥＥＰＲＯＭ及びクロックの選択については、前記と同様になっていますので、ご利用状態に合わせて設定変更を行って下さい。

　参考例として、jsk37_v3b.hex　を用いた場合、クロック２０ＭＨｚとすればCounter1=45、Counter2=46とするこで約３８．２ｋＨｚで発振できる予定です。（クロック源に合わせてＦｏｓｃの設定変更も行って下さい。） 　上記の例の製作例、及び、hexファイルを「電池ボックス電子工作（その １１） 　いつどこ リモコンリモコン３（赤外線増幅器）」にも掲載しておりますので参照してみて下さい。

４．３　赤外線リモコン改善（その２）

　赤外線リモコンレピータの動作安定化に関する改善を行うに機会がありましたので、その際の対策について記載します。

（１）　電源回路の安定化

　赤外線リモコン受信モジュールとしては秋月電子通商で購入した下記の３種類について使用する機会を得ましたが、(a)→(b)→(c)と下段側ほど動作が安定化しない感じでした。　レピータの赤外線リモコン受信モジュールで使用していて、よくこのようなリモコンの向きでもちゃんと動作すると感心するくらい感度が高い増幅器が内部にあるようです。

　(a)　赤外線リモコン受信モジュール　ＳＰＳ−４４３−１
　(b)　赤外線リモコン受信モジュール　ＰＬ−ＩＲＭ０１０１（３８ｋＨｚ）シールド付
　(c)　赤外線リモコン受信モジュール　ＰＬ−ＩＲＭ０２０８（３８ｋＨｚ）

　(b)の例として「電池ボックス電子工作（その １１） 　いつどこ リモコンリモコン３（赤外線増幅器）」の赤外線リモコン受信モジュール変更の事例があります。　これ以外の経験を踏まえ、特に（ｃ）は非常に扱い辛い印象を非常に持っています。
　なお、(a)についても、比較的安定に動作しているわけではなく、長期に渡ってレピータに使用していると、時たまリモコンの動作を受け付けておらず２、３回操作しないといけなかったり、電源オンオフを何度か繰り返すこともありました。

　結局、この対応としては電源ラインにＬ、Ｃフィルタを追加することで非常に改善されました。　「電池ボックス電子工作（その １１） 　いつどこ リモコンリモコン３（赤外線増幅器）」の場合についても、Ｌ、Ｃフィルタを追加することで、少しは改善したかもしれません。　具体的な回路は後述します。
　

（２）　負荷回路のハイインピーダンス化

　赤外線リモコン受信モジュールの商品紹介ページを見ると「ＴＴＬ（Ｃ−ＭＯＳ）出力 」と記載されていて、これを鵜呑みして通常のロジックＩＣのつもりで製作すると痛い目にあいます。　上記(a)のデータシート資料をよくよく見ていくと、出力段はトランジスタのコレクタを１５〜５１ｋΩの抵抗でプルアップしている回路となっています。　つまり、出力ハイレベル時の出力インピーダンスが１５〜５１ｋΩあり、電流出力で使用するのは適切ではなく、電圧出力のつもりで設計する必要があることを意味しています。

【　ＳＰＳ−４４３シリーズデータシート抜粋　】

　今回、データシートを見直すまでは赤外線リモコン受信モジュールの出力負荷として「１０ｋΩ＋ＮＰＮトランジスタベース」の回路となっていますので、赤外線リモコン受信モジュールの出力からベース電流を流す回路設計となっていました。　この回路設計は間違いではありませんが、適切ではありません。　赤外線リモコン受信モジュールのロットばらつき、個体差を低減するためには、電流を流さないで済むような負荷に変えることが望ましいです。
　また、(b)(c)の赤外線リモコン受信モジュールのデータシートでは出力回路部分の説明が無く、Ｉｏ＝５ｍＡ、Ｖｏｈ＝４．５〜５．０Ｖと記載されていますので、如何にもロジック出力です。　しかし、今回の調査で、これは前提条件があっての数値のようです。　やはり、出力ハイレベル時の出力インピーダンスが(a)と同様に高いようです。
　この対応として赤外線リモコン受信モジュールの出力をＰＩＣマイコン分周器用ＰＩＣ１２Ｆ６８３の５番ピンに直接接続することにしました。　(b)(c)の赤外線リモコン受信モジュールでは、この対応も効果的なようです。

　上記（１）（２）の改善点を反映した回路図を下記します。

【　見直し回路図　２００９年１０月２５日版　】

　Ｌ１，Ｃ３が（１）項に記載のＬ、Ｃフィルタ回路です。　Ｌ１は少なくとも１００μＨ以上欲しいです。　また、この部分のＬ１は本来は電源回路用ですが、負荷が赤外線リモコン受信モジュールだけということで１０ｍＡ程度流すことができるインダクタンスを選定すればよいと思います。　Ｃ３は電解コンデンサ（１０μＦ以上）だけでもよいですが、できれば０．１μＦのセラミックコンデンサを並列に設けておくとベターです。
　また、赤外線リモコン受信モジュールを直接５番ピンに入力し、４番ピンは１０ｋΩでプルアップしております。　この回路とすることで抵抗とトランジスタを各１個削減できました。

　今回削除した抵抗とトランジスタを当初設けていた理由は、「電池ボックス電子工作（その５） 　どこでもリモコンリモコン２（リモコンレピータ）　どこでも電圧安定化回路付き」のタイマーＩＣ　ＩＣＭ７５５５の代わりにＰＩＣマイコン分周器用ＰＩＣ１２Ｆ６８３を適用したためです。　新たに製作するならなば上記見直し回路図とすべきですが、このようなご紹介をできておりませでした。
　

（３）　搬送波周波数の調整

　ここまで対策しても、機器によってはレピータを介するとリモコン操作できない機器があるケースもありました。　最終的にはダメもとで搬送波周波数（３８ｋＨｚ）を微調整することで動作したとのご報告を頂きました。　（群馬県のＭ様、ご協力有り難うございました。）
　そもそも搬送波周波数が３８ｋＨｚになっているのは過去には汎用品で安価に入手できた４５５ｋＨｚ用部品に端を発していると勝手に思っていますので、周波数精度にそんなに注意を払う必要もなく±１％以内の精度で十分と勝手思っていました。　また、ＦＭ放送用のパイロット信号用３８ｋＨｚが頭にあったのも間違いのようでした。
　４５５ｋＨｚをベースに考えれば約３７．９ｋＨｚが中心になっていますので、ＥＥＰＲＯＭのCounter1、Counter2の値を少し大きめにした方がよいかもしれません。　また、セラミック振動子もそんなに精度の高い部品ではありませんので、これの個体差もあると思います。　さらには、搬送波周波数が４０ｋＨｚの場合も想定されます。　これらの対応としてCounter1、Counter2の値をいくつか変えたものを下記に掲載しておきます。
　もし、（１）（２）の対策をしても動作しない場合は、下記のＨＥＸを試してみて下さい。

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