低周波発生器の製作（ＰＩＣ１６Ｆ１７０５内蔵ＤＡＣ使用）

標記のPIC16F1705を秋月電子で購入してみました。

アマチュア無線家に応える？、アナログ機能が満載の面白そうなPICです。
まずは強化された８ビットDACを使用してみたいと思います。
ついでに、内蔵OPアンプも電圧バッファとして使用します。
これにより、以前実験的に作製したPIC12F1822低周波発生器の実用版として、
波形精度の向上および操作性も考慮してみます。
目標としては、５０ＨＺ～５ＫＨＺ程度で、そこそこきれいな波形が出力できれば
ＡＦジェネレータとして使えるかな、と言った所です。

参考文献　PIC16F1705データシート　MicroChip

汎用基板を利用した、実験回路の準備

①１４ピンＰＩＣ用汎用基板
②８ＭＨＺ水晶モジュール
③汎用Ｂカーブボリウム
④ロータリーエンコーダ（ＲＥ）基板
⑤８桁７セグモジュール（Aitendoのモジュール)

上記の汎用基板？を用いて実験回路としました。
これだけで、概ねプログラムができてしまいます・・・
ブレッドボードでＰＩＣの動作実験するのは面倒くさいのでやめました・・・
各ピン用汎用基板の方が楽ちんです。
この汎用基板によるバラック状態で、まずはデータの作成となりました。
これが・・・地味に大変でした・・・　(*_*)
まずはＤＡＣ制御ルーチンを慎重に作成しました。
これがかわるとデータも変わるので、一度作るとそのままとなります・・・
実は、１回一通りデータ取りした後、必要あってＤＡＣルーチンを変更したら１命令増加、
その結果、全般的に数ＨＺ変化、結局再データ取りの憂き目に・・・
データ以外のプログラムは、あまり大した事は無いです・・・Ｈｉ

AF-DDS部分が概ね出来上がったので、あとはLPFの実験、
高度な低周波フィルタは設計ができないし、完ぺきな正弦波の必要性も無いので、
ただのＲＣフィルタを２段にしただけです。
超簡単な回路なので、色々定数を変化させて実験してみました。
これはブレッドボードで試作しました。
表示用に５桁の７セグモジュールを製作するつもりでしたが、やめました・・・
以上予備実験の方法でした。

結果
ボリウム・ADCの組合せによる周波数コントロールはボツになりました。
操作性に関しては、ＲＥの足元にも及ばない事が、実験で判明した為です。
ＲＥによるコントロールは、思いの外使い勝手が良く、これ１本で行う事としました。
これで、広い周波数範囲を比較的スムーズに操作できます。
使用ＲＥはノンクリックタイプで、クリック有は使い勝手が悪くダメでした。



今までのプログラム・ツールが使えない・・・

今まで使用してきた、MPLAB IDEはPIC16F1705サポートしていません。
そして、PICKIT2も16F1705をサポートしていません。
よって、プログラミングはMPLAB X IDEを使用しています。
このMPLAB X IDEは、当然アッセンブラでの開発が可能なのですが、
C言語で開発するのを標準として想定している感じです。
当局のようなアッセンブラでポチポチ楽しみたい個人は、とっつきずらいです。
エディタからして、少々設定変更が必要です。
デバッガのWATCH窓で変数(GPR)が登録されないのに、しばらくハマりました・・・
また、ウインドウが半固定なのも頂けないです　(ーー;)
MPLAB IDEのように自由に機能ウインドウが開けるようにしたいができない。
MPLAB IDEサポートを復活して欲しいと切に思います。（追記1）

書込みはPICKIT3使用となりました。
ライタソフトは、MPLABX IPEを使用しています。
PICKIT3からの電力供給としても、書込み時に電力不足と言われてしまいます・・・
ライタからの電力供給はOFFにして、ポータブル電源からVDDを供給しています。
当初は汎用CPU基板に装着したまま、ICSPピンから直接書込みをしていました。
当局内で使用するPICの種類は多くないので、各ピン数用のCPU基板を作った方が
ブレッドボードより効率が良いです。
しかし、ターゲット基板に直接書き込むのは、ＵＳＢやＩＣＳＰケーブル等、
太目の配線取り回しが意外と鬱陶しいのでやめました・・・
工作テーブルが部品等で散らかっているのが原因です
結局、ＰＩＣを基板から着脱し、秋月の汎用書込みキットにPICKIT3を直接接続し
ＭＰＬＡＢＸ ＩＰＥを使用して焼いています。
秋月のPICKIT2互換ボードと同じ書込みスタイルですが、
結局この方が当局のパソコン及び工作環境には合っています。

追記１）　MPLAB'X IDEについて
その後の悪戦苦闘の末、少しずつ使い方が分かってきました・・・
機能ウインドウは固定から外す事が簡単に出来る事が判明
デバッガのWATCHやVARIABLEウインドウの使い方はちょっと癖がある様で、
アッセンブルを「アブソリュート」にしても、GPRメモリの定義はできる時とできない時が
ある様で、その正確な線引きがイマイチよく判っていませんです・・・
設定さえできれば、デバッグに絶大なる効果があります。
エディタでは、マウスのホイールを押したまま回すと、文字の大きさが即座に変化する。
これは当局の様な年代以降の人間にとって、とてもありがたい機能です。
初期設定ではTABが使えず、スペース地獄だったのは、他ＨＰ様の情報から解決。
書込みでは、Ｐｉｃｋｉｔ３との相性は良く、即座に書込み、実機上デバッグが出来、便利。
当局レベルのプログラムでは、実機上のデバッグは殆ど必要なく、エミュレータ上での
デバッグで事足りる事が殆どです。
しかし・・・まだまだ不明点がてんこ盛りです・・・　(-_-;)

ＰＩＣ１６Ｆ１７０５のアッセンブラ プログラミング

基本的にはPIC12F1822を使用した低周波発生器と同じ構成です。
メインルーチンはロータリーエンコーダ（ＲＥ）を使用した、アップダウンカウンタです。
そのカウント値から各種設定データを読み込みます。
ＤＡＣ制御は割込みルーチンに存在し、タイマ０割り込みで飛んできます。
データはＤＡＣ用に４種類、タイマ０を含む総合組合せ用に１種類、計５種類あります。
ＤＡＣ用のデータは１周期の時間軸分解能に合わせで用意、
ＴＢＬ１２８　１周期を１２８分割・・・約３ＫＨＺまで生成可能です。
ＴＢＬ６４、１周期を６４分割・・・約６ＫＨＺまで生成可能、
ＴＢＬ３２、１周期を３２分割・・・約１２ＫＨＺまで生成可能です。
ＴＢＬ１６、１周期を１６分割・・・２５ＫＨＺまで生成可能です。
これらのデータは割込みルーチンから逐次取得されます。
総合組合せデータは、２元配列データ形式で、１行あたり４バイトとなっています。
これは、TMR0値、周波数下位、周波数上位、ＴＢＬ選択／プリスケーラ設定値で、
これをＲＥカウント値から呼び込み、タイマ０とＤＡＣ制御、周波数表示を、
ＰＩＣ１個で行えるように考えてみました。

周波数表示は３線シリアル制御の８桁７セグLEDで、比較的安価な上に、
明るさ調節も可能な、ＡｉｔｅｎｄｏのＭＡＸ２７１９使用モジュールです。
文字が小さ目ですが、ＤＦＲ００９０と比較して消費電力が遥かに少なく、
電池駆動に何とか耐えられます。
モジュール制御中に割り込み発生しても、概ね問題無いのもGoodです。
実際の生成周波数表示には最大５桁しか使用しないので、
８桁目は使用ＴＢＬ、７桁目は使用ＬＰＦを数値で表す事にしました。
６桁目は常にブランクとなります。
輝度は電池駆動のため、７／３２としていますので、ちょっと暗めです。
このモジュール制御については当局ＨＰ別項をご参照ください



ロータリーエンコーダ制御

生成周波数を選択する、１６ビットの基準カウンタ「ＦＤＡx」を生成します。
出力は変数「ＦＤＡ０」を下位ビット、「ＦＤＡ１］を上位ビットとした１６ビットカウンタを構成、
これをアップ・ダウンカウントしています。
実験当初はボリウムとＡＤＣで行ったのですが、変化がクリチカルでボツ、
ロータリーエンコーダの方が具合が良かったで、こっちを採用。

ソースコードの「ＲＥ＿ＤＡＴＡ」サブルーチンを参照して下さい。
動作詳細はコメント欄に記してあります。
ＲＥＡ，ＲＥＢ２端子間のパルス位相差から回転方向を判別しています。
このカウンタ値から総合組合せデータを呼び出し、ＤＡＣを駆動します。
頻繁に割り込みが掛かっても、カウントには大きな影響は無い様です。
ＡＤＣルーチンは残っていますが、実験段階で使用したまま放置されています・・・



低周波ＤＤＳデータ生成部

１行４桁（４バイト）の配列データ行番号（０～３９０まで）と、
基準カウンタ「ＦＤＡx」値とをシンクロさせています。
ＦＤＡxは０～６５５３５までカウントできますが、実在データは３９０までです。
配列データは１０ＨＺ～２５ＫＨＺまでを３９１個に分割しています。
ＰＩＣ１６Ｆ１７０５はメモリ容量が結構大きいので、まるで使いきれません、
データ部分はプログラムエリアの２ページ目（８００Ｈ～）に配置していますが、
そんな無駄遣いしても、余りまくっています・・・
データを大量作成すれば良いのは分かっているが・・・
そんな気力も時間も無かったです・・・　(-_-;)

サブルーチン「ＧＥＴ＿ＦＲＤ］
これが配列データをアクセスする所です。
「ＦＤＡx」値から間接アドレス値を計算し、ＦＳＲ０を設定、アクセスします。

サブルーチン「ＳＥＴ＿ＴＢＰＳ］
上記の読み込んだデータから、タイマ０とＤＡＣを設定します。
また、表示用生成周波数やＬＰＦ設定も用意されます
この２つのルーチンが今回のプログラムの内容的な主構造となります。

データの作成は８ＭＨＺクリスタルと４ＸＰＬＬで３２ＭＨＺのシステムクロックを生成、
ＴＭＲ０値とプリスケーラを変化させてＤＡＣを駆動、その出力を記録しています。
生成周波数の１周期分解能は、１２８、６４、３２、１６分割と４種類用意
それぞれの分解能／ＴＭＲ０値／ＰＳ値で実測生成周波数を記録しています。
その２０００個に及ぶ記録データの中から３９１個をセレクトしています。
実は・・・破棄分を含めると、４０００個程データ取りしています・・・　(-_-;)
実測でなくとも、計算でも概ね同じデータが取れます。

ＤＡＣ入力データテーブル

前回の実験では1周期を３２分割した場合のデータのみでした。
今回は、１６分割、３２分割、６４分割、１２８分割の４つのテーブルを用意。
もちろんデータが結構重なります。

用意したデータの計算式は、下記です。
　Ｙ　＝　１２７ＳＩＮ（Ｘ－９０）＋１２７
ここで、
　Ｙ　はＤＡＣへの入力値
　Ｘ　は「度」（ｄｅｇｒｅｅ）で、最小値は３６０／１２８度と言う事になります。　

８ビットＤＡＣ、１２８分割波形はさすがに綺麗です・・・　＼(^o^)／
ＬＰＦを通すと、文句の付けようがありません。
ただし、高域が出せません・・・
１６分割波形は予想通り、がっかり波形です・・・
ただし、高域性能は良く、２５ＫＨＺまで生成可能です。



生成周波数の計算について

（１）割込みルーチン　１５インストラクション（INDFは2cyc）　0.125us/cyc

　A)　割り込みレイテンシ
　　↓　3cyc
　B)　START
　　↓　7cyc　A+B=10cyc=1.25us
　C)　DAC書込み　DACW1と略す
　　↓　7cyc(0.875us)
　D)　TMR0書込み（不感2cyc後にカウント開始）
　　↓　255-TMR0値+2(cyc)
　E)　その他処理（生成時間には関与しない）
　　↓
　F)　TMR0カウントアップ（TMR0割り込み発生）
　　↓
　G)　割り込みレイテンシ
　　↓　3cyc
　H)　START
　　↓　7cyc
　I)　DAC書込み　DACW2と略す

（２）生成周波数計算方法　(詳細は別記資料詳細を参照してください）

ここで、生成周波数は、
　（（DACW1～DACW2）×周期分解能）の逆数となる

例１）　250HZの時、TMR0=18H（24)、TBL=128、PS=1/1
　　　TMR0カウントは、255-24=231カウントで割り込み発生
　　　C～D=7cyc、D～F=233cyc、G～I=10cyc
　　　よってDACW1～DACW2の時間は、
　　　7+233+10=250cyc=31.25us
　　　TBL=128なので、
　　　31.25us×128=4000us　→　250HZ

例２）　1000HZの時、TMR0=95H（149)、TBL=64、PS=1/1
　　　TMR0カウントは、255-149=106カウントで割り込み発生
　　　C～D=7cyc、D～F=108cyc、G～I=10cyc
　　　よってDACW1～DACW2の時間は、
　　　7+108+10=125cyc=15.625us
　　　TBL=64なので、
　　　15.625us×64=1000us=1ms→　1000HZ

例３)　5000HZの時、TMR0値=E0H(224)、TBL=32、PS=1/1
　　　TMR0は255-224=31カウントで割り込み発生
　　　C～D=7cyc、D～F=33cyc、G～I=10cyc
　　　7+33+10=50cyc=6.25us
　　　TBL=32なので、
　　　6.25us×32=200us　→　5000HZ

実機の作製

メイン基板は秋月のＢタイプ穴あき基板使用です。
ローパスフィルタや電源部も載せますので、大きめの基板を使用しました。
消費電流は１００ｍＡ以内を想定していますので、小さい放熱器を使用しています。
電源投入時に一瞬、想定値の２～３倍程大きく電流が流れます。
これはＬＥＤモジュールの、立ち上がり時のテストモードによるものと思われます。
通常時は５０～８０ｍＡ程度と思われますが、ＬＥＤを程よく暗くすると良さそうです。
電源は単三電池６本９Ｖを想定しています。
これを７８０５で５Ｖに落としますので、効率は悪いです。
ＬＰＦはダイオードを使用したアナログスイッチで、３回路を切り替えます。
これにより、低域でも波形の滑らかさを確保します。
もちろんＰＩＣが切り替えます。
基板に余裕があるので、ＩＣＳＰ端子もとりあえず付けました。
DATA、CLOCKラインに、ＬＰＦ制御のＣ・Ｒ類がぶら下がっていますが、
ＭＰＬＡＢＸ ＩＰＥ＋Ｐｉｃｋｉｔ３にてデバイス認識・書込みを確認しています。

ケースは秋月の、ちょっと大きめのプラケースを使用しました。
これに電源スイッチ、ロータリーエンコーダ、出力ボリウム、
そして７セグＬＥＤを取り付けます。
いい加減な筐体ですが、自分用ですので問題無です・・・　(^_^;)

調整
これは出力周波数をカウンタで見ながら、Ｘ’ＴＡＬのトリマを調整
校正可能周波数
　１０００ＨＺ、２５００ＨＺ、５０００ＨＺ、１００００ＨＺ、１２５００ＨＺ、２００００ＨＺ



最終仕様

発生周波数範囲　　１０ＨＺ～２０ＫＨＺ
実用周波数範囲　　２０ＨＺ～５ＫＨＺ（自己判断ですが・・・）
生成波形時間軸分解能
　１０ＨＺ～６００ＨＺまで１２８分割／周期
　６００ＨＺ～２．９ＫＨＺまで６４分割／周期
　２．９ＫＨＺ～５ＫＨＺまで３２分割／周期
　５ＫＨＺ～２０ＫＨＺまで１６分割／周期
ローパスフィルタ切替
　７００ＨＺ以下は低域用ＬＰＦ
　７００ＨＺ～５ＫＨＺまで中域用ＬＰＦ
　５ＫＨＺ以上は高域用ＬＰＦ

発生周波数変化量
　１０ＨＺ～１１０ＨＺまでは１ＨＺ単位
　１１０ＨＺ～９１０ＨＺまでは１０ＨＺ単位で近似値
　９１０ＨＺ以上は生成される実周波数を表示

　当局は１０ＫＨＺ以上は聞こえません・・・　(-_-;)
　実際は、無線機の製作・調整には５０ＨＺ～５ＫＨＺあれば十分です。
　生成波形も５ＫＨＺ以下に留めておく方が綺麗です。
　この辺の味付けは、当局個人の趣味が入っております。
　目的等に合わせて、データ変更を行うと良いと思います。

消費電流　約６０ｍＡ～７０ｍＡ
　ＬＥＤモジュールの輝度を７／３２に設定しています。
　表示セグメントが多いと消費電流が多くなります。
　ただし、起動時に一瞬フルセグメンド分が流れます。
　輝度を１５／３２に設定の場合、約１００ｍＡとなります。
　好みに合わせて、ソースファイル内設定値を変更してください。

考察・補足事項

フィルタを通すと１２８分割、６４分割の波形は、きれいなサイン波になります。
１６分割の波形はフィルタを通しても、ちょっといびつです。
しかし、ＬＰＦの減衰域である１０ＫＨＺ以上では、何とかサイン波らしくなってきます・・・
この分解能を使用する帯域は、おまけ程度と考えた方が良いかも・・・
オシロで観察していると、Ｘ軸分割切替がはっきり分かります。
ＬＰＦの切替は、あんまりわかりませんでした。

周波数表示精度と周波数生成に関しては結構悩みました・・・
低域では１ＨＺあるいは１０ＨＺ単位での周波数表示精度が取れますが、
中域以上では１０ＨＺ単位での切り良い生成ができず、
無理に四捨五入したのでは、表示周波数精度が取れません。
苦し紛れに、表示周波数精度を上げるため、生成実周波数を表示としました。
よって、好きな周波数を高精度で生成出来る訳ではありません。
この辺が本物のＤＤＳ？との大きな性能差となっています。
この辺の理由は、ＣＰＵ動作周波数、割込みルーチンの処理速度、その他との
兼ね合いがあると思います。
実際、今回のＣＰＵ速度やプログラム等での、生成データを見ると、
ある周期で高精度な切り良い周波数を生成します。
と言う事は、とりあえずＴＢＬデータの種類を大幅に増やすと、胸を張ってＤＤＳと
言えるような分解精度で生成可能かもしれません。
その場合は、ハードウエアの変更無で実現できるかな。

現時点では、出来る限り時間軸分解能の高い方を使用しようとすると、
反って周波数分解能が低くなってしまします。
その辺の味付けが面倒な所で、結果的にこの様な表示仕様としてみました。

このままの構成でツートーン波形を再現できるかなとは一瞬考えましたが・・・
時間管理や当局の技術の低さ、自分時間が少ない等の問題でボツ
その際は２ＣＰＵ構成の方が簡単そうかな？・・・



追記　２０１７年０７月１３日

　このプログラムで使用しているＤＡＣ用設定データをまとめました
　ＭＳ－ＷＯＲＤで書いてあります。

　８ビットＤＡＣ用設定データおよび解説