周波数カウンタ（簡易版）　

　RTC(maxim DS3234S)使用版　tiny2313 完成版　　11.09.22
　RTC(maxim DS3234S)使用版　tiny2313によるブレッドボード実験　　11.09.11
　RTC(maxim DS3231S)使用版　tiny2313による実験　　11.09.04
　RTC(maxim DS3231S)使用版　mega328　　11.09.01
　超簡易周波数カウンタ　Tiny2313　（リンク）
　mega４８版（アンプとプリスケーラ付き）　　06.03.05
　９０Ｓ２３１３版（最初に作ったもの）　　06.01.15改訂　WinAVR20050214使用









　９０Ｓ２３１３版（最初に作ったもの）06.01.15改訂　WinAVR20050214使用
　tiny26Lやmega8はRC発振子を内蔵しています。これらはヒューズビットを書き換えることで、クロックを変えることができま す。また、このクロックは温度や電源電圧によって変動することも記されています。クロックの周波数を知るために周波数カウンタが 作られないものだろうかと思いWebページを検索しますと、90S1200や4414を使ったものがありました。上記の理由から、本格的なも のを必要としているわけではありません。数MHz〜数百HzのTTLレベルの信号が３〜４桁程度読みとれればよいとします。Web ページのものを改造しようと思いましたが、アセンブリ言語を読みとる力はありません。そこで、勉強を始めたＣ言語、winAVRに挑戦することに決めました。　
−−−というわけで、2004年8月になんとか理解できるＣ言語の数少ない語彙を使って原型を作りました。ところが、2005年12月にＢＢＳの質問を 考えている内にバグがあることがわかりました。ときどき256カウント少なく測定されるのです。akibowさんから、タイマ１の割込中にカウンタ0の割込が発生しても 実行されないのが原因であり、フラグから別途処理する方法を教えていただきました。同時に多くの改良点を教えていただきましたが、私自身が理解しやすいところだけ とりあえず変更して、プログラムを新しく作りました。

大まかな考えは、つぎのとおりです。
１　基準時間は京セラの12.8MHzクリスタルモジュールを使う。これで基準時間には安心できる。（他に基準となるものがない）
２　デバイスは90S2313-10PCとする。オーバークロックはokの報告がある。
３　表示はポートの数から液晶表示とする。６ポートで表示できる。
４　2313にはタイマー／クロックが８ビットと16ビットの２つがある。16ビットタイマで１秒を作り、8ビットカウンタパルスを数える。

まずは下準備から。液晶表示の方法です。
液晶はデジットで購入の「BASICで液晶表示（16桁×2行）」のものを使います。Ｃ言語での表示については、楠 昌浩さんが 電子工作のメモ帳「AVR 勉強2 液晶パネル」 に詳しく書かれています （感謝）。　原文はAT90S4433ですが、これをAT90S2313に置き換えて書いてみました。液晶モジュール用コードのlcd.cを同時に コンパイルする方法が分からず困りました。試行錯誤の上、makefileの「SRC = $(TARGET).c」のところに半角の空白を置いて続けて lcd.cと書くとよいことがわかりました。なお、fc.c lcd.c lcd.h は同じディレクトリに置いています。

次は１秒ゲートの作り方と使い方です。
クロックが12.8MHzですから、それをプリスケーラで1024分周し、16進カウンタで12500カウントすると１Hzが得られます。
　12.8MHz÷1024÷12500＝1Hz
16進カウンタは0xFFFFから0x0000に戻るときに割込を発生しますから、カウンタに65536-12500=53036を設定すればよいことになります。 20050214版から2バイト値を直接取り扱えるようになりましたから、TCNT1=53036 と書くことができます。
続いて、スイッチを使い１秒ごとに「周波数測定カウンタのリッセット」と「カウンタの読みとり」を行えば２秒ごとに カウンタ表示が更新されることになります。後に修正して、表示のために１秒を待つことなく、すぐに（0.08秒で）計測に入るように変えま した。これでほぼ１秒ごとに更新されます。

最後に測定入力のカウントです。
カウント／タイマ０を使います。これは８ビットですから、255までカウントできます。初期の目的から３バイト（24ビット、約 16メガ）必要ですから、16ビットの整数を足します。これで16777215=16MHzまで可能になります。2313の測定上限は クロック12.8MHzから５MHz程度ですからこれで十分です。表示の仕方はＣがよく分からないので、桁分割して１桁ずつ表示して います。当初はすべて32ビット計算をしていましたが、負担が大きすぎるとのことですから、akibowさんの上下を分けて16ビットで計算する方法に変更しました。

関係するレジスタは、TTCR1A, TTCR1B, TIMSK, OCR1AH, OCR1AL, TCNT1H, TCNT1L, TCNT0, ........と多くあります。
データシートをよく読み（日本語訳はありがたいのですが、私にとって意味が分からないことが多く..）各レジスタの 働きを調べ、どう設定したらよいのか判断しながら書き出します。メモがなかったらまとまりません。

ブレッドボードでテストランした上で、万能基板に組みました。左にスペースがありますが、後日アンプやプリスケーラを 追加できるようにと考えたものです。ケースに収めるとよいのですが、今は１枚の板の上に基板と液晶を貼り付けています。

写真は12.8MHzの京セラの発振器（別の個体）を４分周して測定したものです。概ね満足な結果です。別の16MHzの水晶で４MHzは測定できることを確認しました。

ＭＣＵデバイスの発信周波数は直接測れないので、短いループでポートのon、offを繰り返し、その周波数を測ってみました。 tiny26LのRC発振を8MHzに変更して、ステップ5のループの結果を測りましたが補正なしでは8.3MHzほどになっていることが わかり、補正をすると7.98MHz（29℃）になりました。指で暖めるとどんどん下がります。
セラミックレゾネータが不要なのはありがたいのですが、時間を基準として使うには厳しい条件だと思いました。

入力アンプもバッファもない測定部分だけですが、AVRを使うときの論理レベルの測定には実用性があります。 これでPWMの周期も測定できます。
　回路図
　プログラム　fc.c(OverFlow動作)　fcntr.c(CTC動作)　lcd.c　lcd.txt　 .hファイルはサーバが許可しないので.txtファイルにしています。使うときは"lcd.h"に必ず変更してください。

プログラムの変更に伴って、本文も追加訂正しましたがそのために読みにくくなった部分もあるかと思いますがご容赦下さい。なお、添付ファイル（圧縮ファイル）には ２種類あって、
fc.lzh ははじめの考えどおりオーバーフロー割込のもので、バグ修正、２バイト代入、メインルーチンで表示、７桁表示用計算法を変更したものです。 このプログラムの実行ファイルはTiny2313でもそのまま使えることが分かっています。
fcntr.lzh は、CTC動作（タイマカウンタが定数と一致するとリセットと割込が発生する）を使っています（akibowさんに教えていただいたものです）。 毎回のカウンタ設定が 不要でプログラムが簡単になり、かつ、測定と読み取りが同時にできるので正確に１秒毎に測定できます。このhexファイルはTiny2313では使えません。256カウント大きく 測定されるとともに、255カウント揺れが出ます。原因はつかんでいません。

カウンタのバグは、タイマ１(TC1)の割込動作中はカウンタ0(TC0)のオーバーフロー割込が禁止されることで、例えば、TC0が255でTC1の割込が生じたとき、TC0を 読み取るときには0になっていることが考えられます。しかしTC0の繰り上がりは禁止のままですから256カウント少なくなります。オーバーフローが起これば、TIFRレジスタ のTOV0ビットが立ちますからそれを判断してカウンタ変数をインクリメントする事で修正できます。TC0=255を読んでからこのフラグが立つとこのフラグは意味がありませんから TCNT0<128 で条件分けをしています。

 　　　　　　   if (bit_is_set(TIFR,TOV0) && TCNT0<128 ){  /* 繰り上がりが割込で止められていたら */
                  f1++;                                    /* フラグを見て加算、カウントが大きければ f2に読んだ直後に */
   　　　　　　 }                                          /* 繰り上げ(TCNT=255の様な)だから加算してはいけない */
    　　　　　　TIFR=_BV(TOV0);                            

　mega４８版（アンプとプリスケーラ付き）
　最初に作った周波数カウンタは、クロック12.8MHzから測定上限が6MHzですが分解能がなくてもそれ以上の周波数を測定したいと考え、８分周のプリスケーラをつけて みました。分解能は８Hzとなりますが、手持ちの発振ICの24MHzは測定できました。また、入力が5Vなくても使えるようにしようとアンプを付けました。ただ、このアンプは 周波数特性が良くなくて、12MHzまでは1V入力で働くのですが、それ以上の周波数ではゲインがありませんので、5V入力で辛抱することになります。
前回は90S2313を使いましたが、今回は手持ちの関係でmega48を使っていますが、プログラムは少し修正しただけでmega48にしなけらばならない理由はありません。


プリスケーラ：　最近のデバイスは20MHzまで使えるようになりました。そのあたりの周波数まで表示したいので74HC4040バイナリカウンタを用いました。12段の カウンタですが、４倍も８倍も変わらないだろうと思い８倍にしています。リセット端子もあるのでクロックを止めてバイナリデータを読みとれば分解能1Hzも可能と 思いますが今回は単純に８分の１の周波数をカウントすることにしています。

アンプ：　高周波アンプの知識がないので、アンバッファのインバータゲートがリニアアンプとして使えることを聞いたのを思い出し、74HCU04で増幅することに しました。Webを探せば簡単に見つかるだろうと検索してみたのですが、簡単には見つけることができませんでした。数少ない報告の中で ＣＭＯＳインバータによるＡＦアンプの実験が丁寧な説明をしてくれています。
モトローラのCMOSは周波数特性が伸びていないのは知っていましたから、74HCU04では高い周波数まで使えるのではないかと期待してバラック実験を始めました。 帰還抵抗は広範囲な値が使えるようですが、高くすると信号が入ってから増幅が安定するまで時間がかかるようで、試行錯誤の末に回路図の値に決めました。２段、３段 にするとゲインはあがるのですが安定化に時間がかかるようで、実際の使用を考えると大きなゲインまでは必要なかろうと１段にしました。
周波数が低いときは手持ちの骨董品のオシロで増幅の様子がが見えるのですが、周波数が高くなると怪しくなります。さらにオシロをつなぐとゲインも安定度も影響されるようです。 最後はオシロをはずして試行錯誤で決めました。
結果的に入力12MHzでは1V入力で正常な表示をします。それ以上では少な目に表示されて不正確なのですが、入力を５Vp-pとすると手持ちの24MHz水晶発振器の値を読みとる ことができました。ほとんど終わりになって、PHILIPSのデータシートからこのようなものを発見しました。 ここでは周波数特性は ５MHzのようですが実際はかなり伸びているようです。この計算によると５MHzでは１０倍の利得があるようで、単純に0.5Vの入力で働くことになります。私は５Vの実験に しか使わないので前のままでもいいのですが抵抗を挟んだりするときはゲインがある方が使いやすいと思います。

回路図はこのようなものです。入力回路の100μFコンデンサは大きすぎるようですが手持ちの関係で使ったものです。10μFでよいと思います。 ゲートに負電圧がかかるのをさけるためにダイオードを入れていますが、５Vを超える入力の対策としてダイオードでVccにクリップした方がいいでしょう。２回路のスイッチ でMCUへの入力の切り替えを行い、同時にポートをGNDに接続してソフトウエアのための切り替えをしています。LCDの表示に余裕があるので(1/1)と(1/8)を表示しています。 今までは７桁表示でしたが、分周時には10MHzを超えるのでこのときは８桁としています。面倒なのとカンマ区切りがあるのでリーディングゼロサプレスはしていません。
関係ファイルはここにあります(fc48.lzh)。




　RTC(maxim DS3231S)使用版　mega328

　アマチュアが基準としていた秋月の12.8MHzTCXO（kyocera 18S-03A-4）の取り扱いがかなり前からなくなっています。今回、サンプルとして戴いたMAXIMのRTC　DS3231Sはかなり精度が良い32.768kHzを発生していますのでこれを１秒の基準とした周波数カウンタを実験してみました。
はじめは、この32kHzをtiny2313でカウントして1秒を作り、４ビットカウンタ74HC161のゲートと使ってmega328pで16分周の信号をカウントして74HC161のカウント値と合算で測定することを目論みましたが１秒信号の伝達精度に問題があるらしくmega328pのカウント値に揺らぎが生じるため計画を変更しました。
測定の基礎条件を実験する目的から前置アンプや分周器は考えてなく、また出力もＰＣ画面のteraterm表示に簡素化しています。　MCUにmega328pを使っているのは　48、88、168と価格の差が大きくなく特別の場合を除いて「大は小を兼ねる」ことと１種のMCUを使うことで煩雑さを避けるためです。

計画変更のため空のソケットが残っています。
調整後は右の基板を裏側に折り曲げて左に重ねます。
単純時計機能も使えるので最終的にはバックアップ電池を接続します。
周波数測定時には1608サイズの白色LEDが１秒周期で点滅します。





Vcc5Vで24MHz水晶はオーバースペックですが分周無しで8MHz程度まで測定できるようにクロックを高くしてみました。
RTCの32kHzをT1ピンで受けてタイマ／カウンタ１でカウントして１秒後に割り込みが発生するようにしています。
測定信号は直接T2ピン（プルアップと保護抵抗付き）で受けてタイマ／カウンタ０でカウントします。オーバーフローの回数を16ビット変数のインクリメントで計数します。　「この変数値×256＋カウンタ０値」が１秒の計測値になります。
上記の１秒割り込みで周波数のカウント値を保存し、カウント関係をクリアして次のカウントに入ります。
前回のカウント値の保存が済むとフラグを立ててメインルーチンに知らせます。メインルーチンではこのフラグを見て測定値を計算し、結果をUARTに出力します。

TeraTermを前提にしていますので動作モードの選択メニューもTeraTermからとしています。TeraTermを起動してリセットスイッチを押すと

-- menu -- 1 周波数カウンタ 2 時刻表示 3 分未満四捨五入 4 時刻合わせ　24時制　４桁入力 5 Aging Offset

と表示されて、"１"を入力すると周波数カウンタが働いて測定値を表示します。
時刻表示はバッテリーバックアップをして長期の誤差を調べるために用意しています。
Aging Offsetは　00〜99　を設定できるように準備しましたが、値を変更しても測定値の変化は見られませんでした。この値を大きくすると32kHzのパルス間隔が長くなるはずですが変化しない理由はわかりません。（変化が見られないのでマイナス設定は考慮していません）

秋月の12.8MHzTCXO基準のカウンタと比べると（温度による違いはわかりませんが）４MHzで　10〜12Hz小さく表示されています。割合に直すと　2.5〜3ppm　になります。このレベルではどちらが正しいかわかりませんが、スペックから考えると秋月のTCXOと同等かそれ以上の高精度になるのではないかと思います。
アマチュアにはうれしいデバイスで周波数カウンタとして十分な精度が得られそうです。

前置アンプ、４分周程度の分周期と入力の切替、LCDなどの表示装置を追加すると±5ppm程度の精度を持つ周波数カウンタが作れると思います。
一般の水晶発振器に比べて１桁程度正確ではないでしょうか。
　プログラム一式　　　　　　　　　　　　　　　筆者メモF:\prA\_2011\f_cntr3\m328



　RTC(maxim DS3231S)使用版　tiny2313による実験

　このRTCはSRAMを書き換えると１Hzのパルスが#INT/SWV端子に出ます（プルアップが必要）。すんさんの報告でこの１Hzは32kHzと同じ精度を持っているそうですからこれを利用する実験をしました。
TCNT1をカウンタ入力に使い16ビットのカウントとオーバーフローカウンタで計測します。これを１Hz割り込みで取り込んでUARTでPCに送ります。
失敗作の基板を流用しましたので不細工な工作です。












概要をプログラムに付記したメモから転載します。

f_cntr5_2313.c  maximRTC(DS3231S)の１Hzパルス基準の周波数カウンタ  2011.09.04 im

mcu=Tiny2313  clk=24MHz（Xtal） fuse= -fL11111111 -fH110111111 -fx00000001  Vcc＝5V

RTCの設定： #INT/SQW端子に１Hzを出力するためにSRAM 0Ehに0x00を書く。
            SRAMのため、バッテリーバックアップが必要（Li一次電池）
            tiny2313では書けないのでmega328のI2Cで書いた。
            
AVRの接続：
   1 RESET  10k pull up リセットsw→gnd | ISP
   2 RXD         UART
   3 TXD         UART
   4 XTAL2       Xtal
   5 XTAL1       Xtal
   6 PD2/INT0    ←RTC #INT/SQW
   7 PD3/INT1    ←カウント入力
   8 PD4
   9 PD5         ←カウント入力
  10 GND
  11 PD6
  12 BP0
  13 BP1
  14 BP2
  15 BP3
  16 BP4
  17 BP5/MOSI    ISP
  18 BP6/MISO    ISP
  19 BP7/SCK     ISP
  20 VCC
  
動作：
  １秒パルスの立ち下がりで割り込み
    割り込みの中でtimer1のカウントを変数に保存後timer1をクリア
    フラグを立ててメインへ通知
  timer1のオーバーフローで割り込み
    割り込みの中でオーバーフローカウンタ変数(16bit)のインクリメント
  メインルーチンで
    オーバーフロー変数の保存とクリア（１秒割り込みのcli対策）
    保存オーバーフロー変数*65536+保存TCNT1変数  でカウントの計算
    UARTへ出力   

/* ************************************************************************************
main.c  maximRTC(DS3234S)の１Hzパルス基準の周波数カウンタ  2011.09.10 im

mcu=Tiny2313  clk=24MHz（Xtal） fuse= -fL11111111 -fH11011001 -fx00000001 (ff d9 ff)
              BOD=4.3V  Vcc＝5V

RTCの設定： #INT/SQW端子に１Hzを出力するためにSRAM 0Ehに0x00を書く。
            SPIバスのためtiny2313ソフトで設定できる。
            back up電池を付けたので時刻設定もする。
            (resetでメニューが表示される)
            
AVRの接続：
   1 RESET  10k pull up リセットsw→gnd | ISP
   2 RXD         UART
   3 TXD         UART
   4 XTAL2       Xtal
   5 XTAL1       Xtal
   6 PD2/INT0    ←RTC #INT/SQW
   7 PD3/INT1    
   8 PD4
   9 PD5/T1      ←カウント入力
  10 GND
  11 PD6
  12 BP0        SPI CS
  13 BP1        SPI CLK
  14 BP2        SPI DO
  15 BP3        SPI DI
  16 BP4        
  17 BP5/MOSI    ISP
  18 BP6/MISO    ISP
  19 BP7/SCK     ISP
  20 VCC
  
動作：
  １秒パルスの立ち下がりで割り込み
    割り込みの中でtimer1のカウントを変数に保存後timer1をクリア
    フラグを立ててメインへ通知
  timer1のオーバーフローで割り込み
    割り込みの中でオーバーフローカウンタ変数(16bit)のインクリメント
  メインルーチンで
    オーバーフロー変数の保存とクリア（１秒割り込みのcli対策）
    保存オーバーフロー変数*65536+保存TCNT1変数  でカウントの計算
    UARTへ出力   
***************************************************************************************/

 /* SPI設定 　portB使用　*/
#define CS_H()    PORTB |= 0x01  /* PB0　set rtc CS "high" */
#define CS_L()    PORTB &= 0xFE  /* PB0　set rtc CS "low" */
#define CK_H()    PORTB |= 0x02  /* PB1　set rtc SCLK "high" */
#define CK_L()    PORTB &= 0xFD  /* PB1　set rtc SCLK "low" */
#define DO_H()    PORTB |= 0x04  /* PB2　set rtc DI "high" */
#define DO_L()    PORTB &= 0xFB  /* PB2　set rtc DI "low" */
#define DI       (PINB &  0x08)  /* PB3　get rtc DO value (high:true, low:false) */

 /* ******************  SPI １byte通信ルーチン ************************************ */
uint8_t xmit(uint8_t d){    /* 引数＝送信データ  戻り値＝受信データ */
  uint8_t e=0,i;
  uint8_t b[8]={0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01};
  
  CK_L();    /* アイドル時のクロックはＬ */
  for(i=0;i<8;i++){
    if(d & b[i]) DO_H(); else DO_L();  CK_H();  CK_L(); e<<=1;   if(DI) e++;
  }
  return e;
}

    CS_L();         // チップセレクト
    xmit(0x00);     // set read　読み取りはMSB=0（書き込みはmsb=1）、残り７ビットは内部アドレス
    ss=xmit(0x00);  // read 00h
    mm=xmit(0x00);  // read 01h
    hh=xmit(0x00);  // read 02h
    CS_H();

-- menu --
1 周波数カウンタ
2 時刻合わせ　24時6桁入力

24時制で hhmmss を入力してください。
f=  3 803 340 Hz  16;46;47
f=  3 999 947 Hz  16;46;48
f=  3 999 948 Hz  16;46;49
f=  3 999 947 Hz  16;46;50