ＰＩＣ内蔵　数値制御オシレータモジュールの実験

ＰＩＣ１６Ｆ１８３２６内蔵ＮＣＯモジュールを弄ってみる

１６Ｆ１８３２６には１６Ｆ１７０５には無い、数値制御オシレータモジュールなるものがあります。
データシートをざっと見てみると、詳細は不明ですが・・・　(^_^;)
割と正確な周波数でパルスを発生させる事が出来るような感じです。

ちょっと実験するのには 既存のＰＩＣキット基板で大丈夫そうですし、
何かアマチュア無線家にも便利そうなモジュールなので、まずは実験がてらお気軽に弄ってみる事にしました。

参考文献
　PIC16F18326データシート　MicroChip
　電子工作のためのPIC16F1ファミリ活用ガイドブック　後閑哲也著　技術評論社

ＮＣＯモジュールの実験は１４ピンのＰＩＣキット各基板を使用

ＮＯ－０１　１４ピンＣＰＵモジュール
ＮＯ－０６　８ＭＨＺ水晶発振モジュール
ＮＯ－１１　ロータリーエンコーダモジュール
ＮＯ－１４　Ｉ２Ｃ接続ＬＣＤモジュール（ＮＯ－１２でも可）

出力モニターにオシロスコープ＆周波数カウンタ

以上の構成で実験を行いました。

ＰＩＣ１６Ｆ１８３２６内蔵ＮＣＯモジュールの下調べ

当局にとっては初めて弄るモジュールで、使い勝手も何も分からないので適当です。
とりあえず動けば良いや、と言う事で最低限の事をマニュアルから読んでみました。
今後大幅に変更して行く事になると思われます。

１．ＮＣＯモジュールの基本的な構成
（１）アキュムレータ
　　　２０ビットのレジスタで、読み書き可能ですが、
　　　加算器の演算結果がここに反映されます。
　　　ＮＣＯｘＡＣＣＬ　下位８ビット
　　　ＮＣＯｘＡＣＣＨ　中位８ビット
　　　ＮＣＯｘＡＣＣＵ　上位８ビットだが、その内下位４ビットを使用
　　　　　　　　　　　　このレジスタ上位４ビットの読み出し値は常に０です。
　　　以上の３レジスタで構成されます。
　　　アキュムレータからはオーバーフロービットが出力されます。
　　　これはＮＣＯクロックの１クロックの間’Ｈ’となります。
　　　例えば、ＮＣＯが３２ＭＨＺで動作していたなら、
　　　３１．２５ｎｓの間’Ｈ’となり、その後’Ｌ’となります。
　　　このフラグビットがその後各ロジックを通り、各種データビットとなり、
　　　ピン出力や割り込み等を発生させます。

（２）加算器
　　　ＣＰＵのインストラクションクロックから独立して動作する様です。
　　　システムクロック（Ｆｏｓｃ）で高速に２０ビット加算動作します。
　　　前回の加算結果値（ＡＣＣ値）とインクリメント値を加算します。
　　　その値を２０ｂｉｔアキュムレータレジスタに上書きします。
　　　タイミング表から１クロックで上記演算動作終了しています。

（３）インクリメントレジスタ
　　　２０ビットのレジスタで、読み書き可能
　　　ＮＣＯｘＩＮＣＬ　下位８ビット
　　　ＮＣＯｘＩＮＣＨ　中位８ビット
　　　ＮＣＯｘＩＮＣＵ　上位８ビットだが、その内下位４ビットを使用
　　　以上の３レジスタで構成されます。
　　　設定された全値はＮＣＯｘＩＮＣＬレジスタに書き込んだ刹那、
　　　インクリメント・バッファに転送されます。
　　　加算器は、そのバッファのインクリメント値を演算に使用します。
　　　通常動作時、バッファの値は再度書き込みされない限り保持されます。

２．ＮＣＯモジュール制御レジスタ
（１）ＮＣＯｘ 制御レジスタ
　ｂｉｔ７　ＮｘＣＯｘ：ＮＣＯｘイネーブルビット
　　　　　　１＝ＮＣＯｘモジュールを有効にする
　　　　　　０＝ＮＣＯｘモジュールを無効にする(初期値）
　ｂｉｔ６　未実装：読み出し＝０
　ｂｉｔ５　ＮｘＯＵＴ：ＮＣＯｘ出力ビット
　　　　　　１＝ＮＣＯｘ出力がＨｉｇｈ
　　　　　　０＝ＮＣＯｘ出力がＬｏｗ(初期値）
　ｂｉｔ４　ＮｘＰＯＬ：ＮＣＯｘ極性ビット
　　　　　　１＝ＮＣＯｘ出力信号をアクティブＬｏｗにする(反転）
　　　　　　０＝ＮＣＯｘ出力信号をアクティブＨｉｇｈにする(非反転）
　ｂｉｔ３－１　未実装
　ｂｉｔ０　ＮｘＰＦＭ：ＮＣＯｘパルス周波数モードビット
　　　　　　１＝ＮＣＯｘをパルス周波数モードで動作させる
　　　　　　０＝ＮＣＯｘを固定ディーティサイクルモードで動作させる

（２）ＮＣＯｘＣＬＫ：ＮＣＯｘクロック制御レジスタ
　　　一見、出力デバイダの様に感じますが、まるで違うので注意
　ｂｉｔ７－５　ＮｘＰＷＳ＜２：０＞：出力パルス幅選択ビット
　　　　　　　　１１１＝ＮＣＯｘクロック１２８周期
　　　　　　　　１１０＝ＮＣＯｘクロック６４周期
　　　　　　　　１０１＝ＮＣＯｘクロック３２周期
　　　　　　　　１００＝ＮＣＯｘクロック１６周期
　　　　　　　　０１１＝ＮＣＯｘクロック８周期
　　　　　　　　１１０＝ＮＣＯｘクロック４周期
　　　　　　　　００１＝ＮＣＯｘクロック２周期
　　　　　　　　０００＝ＮＣＯｘクロック１周期
　ｂｉｔ４－２　未実装　read as '0'
　ｂｉｔ１－０　ＮｘＣＫＳ＜１：０＞：ＮＣＯクロック源選択ビット
　　　　　　　　１１＝予約済み
　　　　　　　　１０＝ＣＬＣ１＿ＯＵＴ
　　　　　　　　０１＝Ｆｏｓｃ
　　　　　　　　００＝ＨＦＩＮＴＯＳＣ（１６ＭＨＺ）

３．動作モード
　今回は固定ディーティサイクルモード（ＦＤＣモード)で動作させます。
　よって、５０％デューティーでパルスを出力します。(注1)

（１）ＦＤＣモード（固定デューティサイクルモード)
　　ＮＣＯ出力ビットはオーバーフローフラグが立ち下がった時から、
　　次の立下りまでの間、ＮＣＯ出力ビットを’Ｈ’にします。
　　その後次のＯＦフラグ立下りまで’Ｌ’となります。
　　つまり、ＮＣＯ出力パルスはＯＦフラグ２回で１周期となります。

（２）ＰＦモード（パルス周波数モード)
　　ＯＦフラグ立下りからＮＣＯ出力ビットを’Ｈ’にします。
　　ＮＣＯクロックの、指定の数の間だけＮＣＯ出力’Ｈ’を維持します。
　　次のＯＦフラグが発生するよりも長く指定すると、結果は不定となります。
　　どのくらいの間’Ｈ’にするかはＮｘＰＷＳビットで指定します。


４．ＮＣＯ出力周波数
　ＦＤＣモードにおいて、ＮＣＯ出力パルスの１周期の時間はタイミング表より、
　ＯＦフラグ２周期分の時間となります。
　よって、出力パルス周波数（Ｆｎｃｏ）は、

　２×Ｆｎｃｏ＝ＮＣＯクロック×（ＩＮＣ値÷(２の２０乗)）
　　　Ｆｎｃｏ＝（ＮＣＯクロック×（ＩＮＣ値÷１０４８５７６））÷２

　計算例
　　ＮＣＯクロック　３２ＭＨＺ
　　ＩＮＣ値　８０００Ｈ＝３２７６８
　　Ｆｎｃｏ＝３２００００００×（３２７６８÷２０９７１５２）
　　　　　　＝３２００００００÷６４
　　　　　　＝５００（ＫＨＺ）

　設定例（ＮＣＯクロック３２ＭＨＺ）
　　Ｆｎｃｏ＝１０７ＨＺ　　　ＩＮＣ値　７Ｈ
　　Ｆｎｃｏ＝１ＫＨＺ　　　　ＩＮＣ値　４２Ｈ
　　Ｆｎｃｏ＝１０ＫＨＺ　　　ＩＮＣ値　０２８ＦＨ
　　Ｆｎｃｏ＝１００ＫＨＺ　　ＩＮＣ値　１９９ＡＨ
　　Ｆｎｃｏ＝１ＭＨＺ　　　　ＩＮＣ値　１００００Ｈ
　因みに、ＩＮＣ値＝１で１５ＨＺ～１６ＨＺ位です。

さて・・・　机上の空論（計算）はこの位にしといて、プログラミングおよび実験に入りたいと思います。
何か久々に・・・ワクワクしてきますね　(^^♪

注1)
　ＮＣＯ動作イメージについては、マニュアルのブロック図およびタイミング表を参照すると、解り易いと思います。
アキュムレータには、ひたすらインクリメント値の加算結果が入る。
オーバーフローする度に、オーバーフローフラグビットがＮＣＯクロックの1クロックの間だけアクティブとなる。
ＦＤＣモードの場合、オーバーフロービットが０→１→０の立下りでＮＣＯ出力が０→１となり、次のオーバーフローフラグが同様に立下りでＮＣＯ出力が１→０となる。
すなわち、２回のオーバーフローでＮＣＯ出力パルスが１サイクル分構築される。
計算上ではＮＣＯクロックの１／２～１／２０９７１５２まで、
つまり３２ＭＨＺクロックで１５ＨＺ程度から１６ＭＨＺ程度までパルスを発生できる事が可能と言う事になる。
それも、ＮＣＯクロックが高精度ならばＮＣＯ出力パルスも高精度となります。

実験用ＮＣＯ制御プログラム構想

ＮＣＯ制御は速度や微妙なタイミング等を要求しませんし、実数演算も行います。
よって、ＸＣ８でプログラムする事にします。
ロータリーエンコーダでＮＣＯインクリメント値をグルグルと可変設定
Ｉ２Ｃ接続ＬＣＤモニターに設定したＮＣＯインクリメント値を表示、および
想定出力パルス周波数値を演算して、ＬＣＤ表示
もちろん、ＮＣＯ出力はオシロ＋周波数カウンタでモニターします。
これで、ＮＣＯの基本的な能力を見る事が出来ると思います。

一言で言えば、可変周波数パルス発生器ですね・・・
出力が矩形波なので、バンバン高調波が出ますなこりゃ・・・
まあ取り合えず、プログラミングを楽しむとしよう　(^O^)／

メインプログラムの他にＩ２Ｃ制御ライブラリが必要です
ロータリーエンコーダ制御関数は当局版のＸＣ８版Ver1.0を使用します。
ＮＣＯモジュールに対しては、その専用レジスタに数値設定するだけなので、今の段階では単純な作業です。
応用する時は設定する数値を用意する事が主な作業となりそうです。

実験用プログラム用に作成した関数およびインクルード関数

ＮＣＯモジュール用関数

１）unsigned long int ＮＣＯ＿ＣＡＬＣ(
　　unsigned long int 引数１、unsigned long int 引数２)
　　　ＮＣＯ ＩＮＣ値とＮＣＯクロックから生成周波数を演算
　　　小数点第１位を四捨五入して、整数（ＨＺ）で返します。
　　　関数内部では実数計算をしています。

　　　引数１：ＮＣＯインクリメント値で３２ｂｉｔ符号無し整数
　　　引数２：ＮＣＯクロック周波数（ＨＺ）で３２ｂｉｔ符号無し整数
　　　戻値：ＮＣＯ出力パルス周波数（ＨＺ）で３２ｂｉｔ符号無し整数

２）void ＮＣＯ１＿ＩＮＩ＿ＦＤＣ(void)
　　　ＮＣＯ１モジュールをＦＤＣモードで初期設定します。
　　　ＮＣＯクロックはＦｏｓｃとします。
　　　最初に１回呼び出します。

　　　引数１：無し
　　　引数２：無し
　　　戻値：無し

３）void ＮＣＯ１＿ＳＥＴＩＮＣ(unsigned long int 引数１)
　　　ＮＣＯインクリメント値をＮＣＯモジュールに設定

　　　引数１：ＮＣＯインクリメント値で３２ｂｉｔ符号無し整数
　　　戻値：無し

ロータリーエンコーダ制御関数　Ｖｅｒ１

４）unsigned long int ＲＥ＿ＤＡＴＡ(
　　unsigned long int 引数１、unsiged long int 引数２)
　　　ＲＥを右回転した場合、引数１に引数２を加算します
　　　キャリー発生時は最大値のままです。
　　　ＲＥを左回転した場合、引数１から引数２を減算します
　　　ボロー発生時は’０’のままでマイナス数値にはなりません。

　　　引数１：元となるカウンタ数値で３２ｂｉｔ符号無し整数
　　　引数２：加減算する１ステップ数値で３２ｂｉｔ符号無し整数
　　　戻値：加減算された３２ｂｉｔ符号無し整数
　　　　　　ＲＥが回転してなかった場合、元の数値をそのまま返します。


ＭＳＳＰおよびＡＱＭ１６０２関連は省きます
過去ページをご参照下さい・・・　　<m(__)m>

実験用プログラム実行結果

意外やあっさりと目的の動作をしてくれました　(^^♪
もっとハマるかと思っていたのに・・・　１回目の驚き。
ロータリーエンコーダをグルグル回すと、パルスを低周波から高周波まで広範囲に発生してくれます・・・　２回目の驚き
変化ステップは０１Ｈと１００Ｈの２種類のみの設定だったので、周波数変化量が小さくて、ＲＥのつまみを回すのが疲れました。
生成周波数演算も、周波数カウンタの実周波数値とほぼ同値で驚いています。
これが３回目の驚き
ＰＩＣをＸ’ＴＡＬで動作させると、生成周波数も結構安定しています。

う～む、これって意外と使えるかも　(^_^)

ただし、オシロで生成波形を見ている限り、７．８ＭＨＺ程度以上は波形がよく解らなくなるし、周波数カウンタに切り替えても、周波数カウントもしなくなります。
まあ、ＣＰＵ基板のピンにプローブを当てて出力パルスを取得していますので、当局のオシロの扱いが素人過ぎるのが原因でしょう。　(^_^;)
因みに、１００ＭＨＺまで対応のプローブを使用してはいますが・・・
ただの同軸ケーブル＋ワニ口クリップのコードでは、高周波領域では波形がかなり鈍ります。
画像に関しては、オシロのフォーカスがイマイチ合わなくなってきました・・・
ちょっと見ずらいと思います。

各局様はこれらの記述をサラッと読んで、もしかしてＰＩＣはＤＤＳとして使える？
と思われるかも知れませんが、少々厳しいです。
第一にＮＣＯ出力はガチガチのデジタル波形、矩形波です。
次に最高速の３２ＭＨＺクロックで、ＩＮＣ値が１変化で１５～１６ＨＺ変化となりますが、ＨＦ帯の周波数を直接生成できます。
計算上、８ｂｉｔＰＩＣが１０ＨＺ／ＩＮＣ値や１ＨＺ／ＩＮＣ値を実現するには、クリスタル発振クロック周波数を下げれば良いのですがが、Ｆｏｓｃがそれぞれ約２１ＭＨＺや約２ＭＨＺとなり、当然生成上限周波数ががっくりと下がります。
（変に思うかの知れませんが、ＮＣＯクロックが上がれば、１インクリメント当たりの周波数解像度が荒くなり、クロックが低くなれば、１インクリメント当たりの周波数解像度が細かくなるのです）
ヘテロダインすればＨＦ帯のＶＦＯが実現できそうですが、もはやＤＤＳではありません。（もどき？）
でも、色々妥協すれば（アマチュア発想で走れば）何かできそうです　(^^♪

兎に角、色々実験してみない事には何とも言えません、
まず、今回はＮＣＯ最初の実験と言う事で、今後の楽しみを沢山残しながら、これにて締めくくりたいと思います。　　(^O^)／


JULY/2019/JA0QON

その後の実験による追記

※その後の実験はＰＩＣキット上のＰＩＣ１６Ｆ１８３２６では無く、「ＳＰＩ機器開発用基板」上のＰＩＣ１６Ｆ１８３４６のＮＣＯで行っています。
８ＭＨＺの水晶モジュールを差し込んでいます。

１）オシロによる観測波形のブレについての考察
　これについては何度か実験しましたが、概ね考察と実験が合致してきました。
　実験では、
　ａ）発振周波数が高くなると波形のブレが大きくなってくる
　ｂ）ブレが大きい周波数でも、ある周波数ではブレが止まる

この２点の実験結果についての考察ですが、これについてはＮＣＯのパルス発生機構そのものに原因があるのではと、当局は思い始めています。
と言うのは、
　ｃ）アキュムレータでは、ひたすらＩＮＣ値を演算している
　　　そしてオーバーフロー発生でＯＦビットを１サイクルのみＨとします。
　ｄ）ＯＦした演算結果はアキュムレータに残るが２０ｂｉｔ以内の数値が残る。
　　　結果的にＯＦビットはキャリーフラグみたいなもん？
　ｅ）次のＩＮＣ値は桁上がりした下位２０ｂｉｔに加算される
　　　つまり演算サイクルにＩＮＣ値以外の数値が加わる事となる

机上の計算をしてみましょう
ＩＮＣ値＝４５０００Ｈとする
００：ＡＣＣ＝０００００Ｈ(初期値）
０１：ＡＣＣ＝４５０００Ｈ
０２：ＡＣＣ＝８ＡＯＯ０Ｈ
０３：ＡＣＣ＝ＣＦ０００Ｈ
０４：ＡＣＣ＝１４０００Ｈ　ＯＦ＝１（４演算サイクル）
０５：ＡＣＣ＝５９０００Ｈ
０６：ＡＣＣ＝９Ｅ０００Ｈ
０７：ＡＣＣ＝Ｅ３０００Ｈ
０８：ＡＣＣ＝２８０００Ｈ　ＯＦ＝１（４演算サイクル）
０９：ＡＣＣ＝６Ｄ０００Ｈ
１０：ＡＣＣ＝Ｂ２０００Ｈ
１１：ＡＣＣ＝Ｆ７０００Ｈ
１２：ＡＣＣ＝３Ｃ０００Ｈ　ＯＦ＝１（４演算サイクル）
１３：ＡＣＣ＝８１０００Ｈ
１４：ＡＣＣ＝Ｃ６０００Ｈ
１５：ＡＣＣ＝０Ｂ０００Ｈ　ＯＦ＝１（３演算サイクル）
１６：ＡＣＣ＝５００００Ｈ

　ｆ）ＯＦ（オーバーフロー）の間隔は直接生成周波数の周期となっている
　　　上記例では生成周波数周期が短くなる時がある事が分かる
　　　これがオシロで見える波形の「ブレ」となっていると思われる
　　　何か周波数変調？を掛けている感じになってしまう・・・

　ｇ）ＯＦ時「余り？」の出ない演算数値もある
　　　これがオシロ波形で条件発生する「ブレの無い」波形と思われる
　　　ＡＣＣ（アキュムレータ）が２の２０乗なので、２０個存在する
　　　計算上の「ぶれない」周波数はオシロ波形でも一致・確認できました。


ＮＣＯ出力をローパスフィルタに通してみた

フィルタ基板回路図は左記の通りで、単なるＬＣローパスフィルタです。
当局の貧弱な技術力では複雑なフィルタ設計は出来ないのでシンプルです。
回路図におけるＮＣＯ入力直後の抵抗（１ＫΩ)はＰＩＣ保護用で、波形も少し丸まるので一石二鳥です。
出力はオシロを接続するので、ＴＲ１石のバッファを入れてます。
このバッファアンプの入力インピーダンスは低くした方が出力波形が良くなります。
ＬＣフィルタ部分は１段では話にならないので多段にしてみた
計算上は２．２５ＭＨＺのカットオフですが、実際オシロで見ると２．７ＭＨＺ位から急速に減衰し始めます。
この実験用フィルタ基板はランド法で製作しています。
画像のように１ＭＨＺあたりから出力波形が、そこそこまともになってきました。
とは言え、波形を拡大すると微妙にブレています。
２．５ＭＨＺ程度以上はＮＣＯ出力波形のブレが目に見えて酷くなりますし、周波数カウンタも誤作動し始めます。
この辺が使用限界な気がします。

さてと・・・前半と比較してテンションが駄々下がりの当局ですが・・・
何に応用できるか思案中です・・・

２０２０年０４月２９日　ＪＡ０ＱＯＮ