【回路】Frequency Counter Design, Part 3

【回路設計：周波数カウンタの設計・Part 3】

 【入力アンプと波形整形】
　カウンタ用LSIを使ってみる第３回です。
前回（←リンク）は6種類のカウンタ用LSIを周波数カウンタとして使ってみました。　使い方はわかったのですが、実用の周波数カウンタにするには欠けているものがあります。　Part 3ではそれを補って完結させます。

　カウンタ用LSIはC-MOSのデジタルICです。従って扱える信号の波形は決まっています。　ここでは5V電源で使っていますから、カウンタ用LSIにはLowレベルが0V(=GND)で、Highレベルは約5Vの矩形波（くけいは）で与えます。　しかし、測定対象の信号は振幅はまちまちですし、波形も矩形であることはむしろ稀です。　周波数カウンタの入力アンプ部分は小さすぎる信号を増幅し入力信号の波形を矩形波に整形する役割を持っています。　測定範囲となる周波数帯域で十分なゲインを持ったアンプが必要です。またきちんと矩形波に波形整形できないとミスカウントが起こり測定誤差の原因になります。

　前回のBlog、Part 2（←リンク）で扱ったカウンタ用LSIのカウント上限周波数は高いもの（TC5032P）でも17MHzくらいでした。　多くは5MHzにさえ届きません。これではアマチュア無線局のニーズばかりでなく高周波の実験・研究には不十分です。　上限周波数はプリスケーラの付加で伸ばすこともできます。しかし測定分解能や使い勝手を考えるとカウンタ本体だけでなるべく高い周波数まで測定できるようにしておくべきです。　したがってカウンタ用LSIだけで周波数カウンタを構成したのではだめです。　カウンタ用LSIの前に高い周波数までカウントできる補助のカウンタ回路を設けて目的を達成します。　回路は難しくなく、ここでは１段と２段の例を紹介します。

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　単にカウンタ用LSIを使ってみたいという興味からスタートしました。　それは済んだのですが、せっかくなので実用になる周波数カウンタにまとめます。　残念ながら主役のカウンタ用LSIはどれも生産中止（ディスコン）です。　新たに部品を集めて製作するには向きません。しかし手持ちがあれば活かせるでしょう。　またこのPart 3で扱うプリアンプ部分はマイコン式の周波数カウンタでも必要になるものです。　マイコンの採用でカウント部分は作り易くなっても、プリアンプと波形整形部が良くないと使いやすい周波数カウンタにはなりません。ここは今でも研究テーマとして面白いところです。

　以下、この特集の最終回になります。　ここだけを単独でご覧いただいても用をなさないでしょう。　もし初見で興味を覚えたらPart 1（←リンク）に戻ってご覧ください。

　参考として、末尾にPart 1で扱った周波数カウンタ用の制御回路の最新改良版・・・現時点ではこちらを推奨・・・を紹介しています。　それでこのBlogテーマ：「カウンタ用LSIを使ってみる」はオシマイにしたいと思います。（質問・意見などあれば続きを出すかも知れません。→つづきができました）

【入力アンプ・波形整形ブロック】
　入力アンプと波形整形回路です。　測定対象の周波数範囲で十分なゲイン（増幅度）を持ち、小さな信号でも周波数測定できるようにします。

　しかし、誤動作との兼ね合いからむやみに増幅するわけにも行きません。　ゲインは数10倍〜100倍くらいが適当なようです。　この程度のゲインは1MHz以下の低周波なら簡単です。しかし数10MHzまで平坦に増幅するのはけっこう難しいものです。　はじめはfTの高い個別トランジスタを使った広帯域アンプを作ってみました。　その結果、まずまず使えそうなものができましたが周波数特性がビジュアルにわかる測定器・・・例えばTG付きスペアナやネットアナ・・・がないと調整は難しそうです。　部品のレイアウトや構造も微妙に効いてくるので再現性の点で今ひとつだと感じました。

　そこで広帯域増幅用のICを使ってみました。　回路図のμA733はたいへんポピュラーな広帯域増幅用ICです。　周波数特性はフラットとは言えませんが、ほぼ無調整で周波数カウンタ向きの広帯域アンプが作れます。　特別な測定器ナシでも大丈夫ですからこうしたICを使うのがアマチュア向きです。　それにしてもμA733はあまりにも古めかしいので初めはもっと新しいアンプを試していました。　ところが比較的新しいICの方がむしろ入手難とわかり、古臭いのは承知の上でμA733を使うことにしました。　μA733を+5V電源だけで使うのはメーカーの推奨範囲外（少し低すぎる）ですが周波数カウンタのプリアンプ用には十分使えます。性能は多少悪くなりますが低い分には壊れるようなこともありません。

　μA733は1970年代のデバイスです。アナログICの黎明期の製品です。　セカンドソースもたくさん存在しました。従って古い在庫もたくさん残っているでしょう。　しかも今でも生産しているメーカーがあってDig-Keyのような部品通販で簡単に手に入るのです。単価は200〜300円くらいです。入手困難なレトロなICではありません。

　試してみて採用候補だったMMICよりもμA733の方が入力インピーダンスが高いので使い易いです。フル差動増幅回路なのも良いところです。　調べたらもう少し新しい類似チップにNE592があって、これも733と同じように使えます。（後述）

　低周波帯から増幅できるようアンプ部は途中が直結回路になっています。その関係で波形整形との間にレベルシフトが必要でした。　レベルシフトにはLEDを使っており、ここは順方向電圧：Vfの関係から普通輝度の赤色か緑色のLEDにします。 （青色や白色はVfが大き過ぎてうまくありません）なお、LEDはあまり光りません。

　この回路例はどちらかと言えば高周波に向いています。　低周波の測定では信号レベルによって誤動作することがあります。　低周波〜1MHzが主要な用途ならそれに特化したアンプを作ると安定に測定できます。目的によりアンプ部分を最適化すると良いです。

　波形整形には初めからシュミット・トリガ形式になっているIC、例えば74HC14などを使う方法もあります。　ここではゲート回路に使って余っている74HC00を使って作りました。　回路定数の加減は多少クリチカルでしたが良いところを見つけるとうまく波形整形してくれます。　ノイズで誤動作せず感度も適当な位置にVR101を調整します。　製作時に一度調整すれば十分で頻繁に行なう必要はありません。

【アンプ部拡大】
　周波数カウンタは高い入力インピーダンスが好まれるようです。　個人的には数kΩでも良いと思うのですが、FETを使ったバッファアンプを前置しておきました。　FETは2SK19(GR)あるいは2SK192A(GR)を使います。Yランクでも良いです。　ソース・フォロワですから2SK241、2SK439、2SK544などの内部カスコード型MOS-FETは向いていません。　ごく一般的な高周波用J-FETが良くて、例えば秋月で安価に（＠20円）販売されているBF256Bなども適当です。

　広帯域アンプのμA733は手持ちから14ピンのDIPタイプを使いました。　10ピンのCANタイプでもOKですがピン番号が異なるのでデータシートを参照します。　また8ピンの面実装型もあってこちらもピン接続に注意が必要です。　いずれを使っても十分な性能が得られますが基板化して面実装部品で作るとより高性能化できるでしょう。

 　写真では入っていませんが回路図のようにFETのゲート部分にはダイオード（２個）を入れて過大入力から保護します。　それでもパワーが数100mW以上の送信機の出力をいきなり繋げばアンプが焼けてしまいます。　必ず絞ってから測定しましょう。

　さるお方（OMさん？）から周波数カウンタの修理を頼まれたことがあります。　送信機とカウンタを同軸ケーブルで直結して周波数測定したのだそうです。その送信機は100Wだったらしく、みごとにカウンタのアンプ部が燃えてました。これ笑い話ではなくホントにあったことです。　10Wや100Wのパワーともなればダイオードで保護する程度では守りきれません。

　送信周波数を測定したいのでしたら、同軸ケーブルの先に50mm径くらいのワンターン・ループ式ピックアップ・コイルを付けたもの作っておくと便利です。　ピップアップ・コイルを無線機やアンテナの近くに持って行けば安全に周波数測定できます。

【広帯域アンプ用IC】
　μA733はアナログICの教科書にも載るほどポピュラーな広帯域増幅用ICです。　ただしHAMの自作で使う機会はほとんどありません。　幾つか持ってはいたものの長いことパーツボックスに眠っていました。　年月の経過で足ピンに少々サビが出ていましたが支障なく使えました。（笑）

　このICのオリジナルはフェアチャイルド社のμA733Cです。　良い設計だったのでしょう。セカンドソースがたくさん登場して、例えばナショセミのLM733Cなども同じように使えます。　セカンドソースは各社とも型番の一部が「733」になっています。

　733系の広帯域アンプは現在でも生産されています。さすがに面実装型が主流でしょう。　もちろん写真のような14pin DIPや10pin CANタイプと同様に使えます。　ただしピン配置はパッケージによって違います。　データシートはネットで探せます。

【NE592でも】
　μA733系よりもう少し新しい広帯域増幅用ICとして旧・シグネティックス社のNE592があります。　シグネティックス社はなくなってしまいましたが、ONセミコンダクター社で継続生産されているようです。　他のメーカーでもセカンドソースを作っていたと思います。　NE592はいまでもMouserのような部品通販で購入できます。

　上記写真のものは面実装型8pinですがデータシートによれば14pin DIP型もあります。  内部等価回路を見るとゲイン設定の部分を除けばμA733とほとんど同じですから互換品と考えて良いでしょう。ゲインは外付け抵抗で変えられるので支障はないのです。

　確か頂き物ですが、SOPパッケージ 8pinのものがあったので変換基板に載せて比較してみました。（左写真）　ピンピッチは1.27mmですからハンダ付けは容易でした。  広帯域増幅のICは自己発振しやすいものです。　写真のように変換基板上でVccとVeeピンの間にバイパス・コンデンサを付けておきます。これで安定に増幅してくれるようになります。
　 8pinのものはゲイン調整端子のG2AとBが引き出されていませんが、G1AとBを使えば同じようにできます。　その違いでゲイン調整抵抗：R103=47Ωはいくらか加減した方が良いかもしれません。47Ωではゲイン過剰気味なので100Ωくらいが適当でしょう。　比較して見ると調整の感触もμA733と違わず同じように扱えました。　周波数特性も同じようでした。

　733型よりも新しいチップなのですが秋葉原では入手しにくいかもしれません。　頂いたものがあるのでお裾分けします。ご希望があればご連絡でもどうぞ。

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【高速カウンタブロック】
　カウント可能な上限周波数をアップするには、カウンタ用LSIの前に高速なカウンタICを追加します。　ゲートを通った後に追加すれば、測定分解能を犠牲にすることなく上限周波数をアップできます。

　回路図のFig.1は1段追加するものです。　上限周波数が高いTC5032PやμPD851Cに良いでしょう。　上手に作れば50MHzあたりまで楽々測定できるようになります。　この部分には10進カウンタの74HC390もしくは74AC390を使います。　74AC390の方が上限周波数を伸ばせるのですが、低い周波数で誤動作の可能性もあるので74HC390の方が扱い易いようでした。

　TC5001Pほか、上限周波数が低いカウンタ用LSIにはFig.2のような2段構成のカウンタを追加すると効果的です。　これでTC5032Pをしのぐカウント上限周波数が得られます。　同時に、表示桁数も2桁増えるので便利になります。

　74HC390や74AC390はまだ普通に手に入ります。　ほかにLS-TTLの74LS390も使えます。　ただし出力信号の論理レベルが不足するためプルアップ抵抗を付加する必要があります。　具体的には1段のものではピン7番とVdd=+5Vの間に4.7kΩを、2段のものでは9番ピンとVdd=+5Vの間に4.7kΩを入れます。　このようにすればLS-TTLとC-MOSが混在できます。（LS390を使うのならデコーダ・ドライバの4511Bとの間でもプルアップ抵抗が有ったほうが良く、様子を見て追加します）

　デコードと表示器ドライバには4511Bを使います。　4511Bは表示器ドライバの機能だけでなく、ラッチも内蔵しているので便利です。　昔のカウンタ回路では1桁あたり、SN7490→SN7475→SN7447と言う3つのICが必要でした。　4511Bは7475+7447と同等の機能を内蔵するため一つ少なく済みます。　4511BとLED表示器の間の抵抗器は必ず調整が必要です。　これはダイナミックドライブで点灯する上位の桁とでは輝度に差が出るからです。　使用するLEDの種類や色によっても最適な抵抗値は異なるため実際に輝度を見て合わせます。　少し面倒ですが集合抵抗器を使いソケットに載せて交換できるようにしておくと良いです。220Ω〜1kΩの範囲で数種類あればちょうど良いところが見つかります。　なお、LED表示器は一桁分が独立したカソード・コモン型を使います。

　補助カウンタはメインカウンタの回路図にあるAーA'の部分を切り離して間に入るように追加します。　この部分は表示全体の最下位の桁、もしくは下2桁になります。　カウンタ用LSIで表示する方が上位の桁です。　間違えないようにLED表示器を並べてください。

　言うまでもないと思いますが、こうしたカウンタ回路を必要な段数だけ重ねれば、カウンタ用LSIがなくても周波数カウンタが作れます。部品数は増えますが専用のICは要りません。

【高速カウンタの一例】
　74HC390は手持ちが切れていたので写真に撮れませんでした。　写真下の74AC390の方が高い周波数まで動作します。最高カウント周波数を伸ばすには最適です。

　ただし加える波形が綺麗な矩形波でないと誤動作します。　74HC390の方が使い易いのでお勧めです。  そのほか、中央の74LS390も同じように使えますが、C-MOSに信号を渡すには既に書いたようにプルアップ抵抗が必要です。　それさえ注意すれば同じように使えるのでLS-TTLも十分に活用できます。 HC390やAC390が入手しにくいなら74LS390が代替候補になります。

　最上段はLED表示器用のデコーダ・ドライバ：4511Bです。　なお、前回のBlogで簡単に紹介したTC5022PあるいはTC5002Pにはラッチの機能がないのでご注意を。　代用できません。　74HC390との間に74HC75などを使ったラッチ回路を挟む必要があります。　従ってあまりお勧めしません。

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【最新改良版・カウンタ制御回路】
　制御回路を小改良したので紹介しておきます。　カウンタ用LSIのテストでは、周波数カウンタの機能を司る「制御回路」としてBlogのPart 1（←リンク）で製作したものを使いました。　機能だけでなく、性能的にも支障はないのですが、1秒ゲートを作る部分が少し気になっていたのです。

　実験していて74HC161でプログラマブル・カウンタを試したことを思い出しました。　完全同期式で追加するゲートICも少なかったことを思い出したのです。  そこで、実験ノートを参照したところ任意の進数のカウンタが簡単に作れることがわかりました。もちろん11進や101進も作れます。　さっそく101進で試したところたいへん旨く動作しました。　しかもクロックパルス(10mS)に同期して動作しますから、Part 1の回路のように74HC161のリセット・パルスがゲートタイムに食い込むこともありません。

　Part 1で紹介の回路でも実用上の支障はありませんが、原理的にこちらの方がいくらか高性能です。これから作るならこちらをお勧めしたいと思います。　追加の部品は74HC161とデジタル・トランジスタ：DTC114Eが各一つです。74HC10は不要になりました。

【完全同期型101進カウンタ部】
　同期型の101進カウンタです。　10mSのパルスを101カウントします。　そのうち100カウント分を1秒ゲートに割り当てます。　残った1の分、10mSをラッチとリセットに割り当てることになります。

　Part 1（←リンク）の回路では1秒ゲートのサンプリング周期は1.1秒でしたがこの回路では1.01秒に短縮されました。　まあ、0.09秒の短縮ではほとんど感じませんが・・・。

　簡単な説明です。　74HC161は同期式のプリセット付き16進カウンタで、2段カスケードにすると256進カウンタになります。　カウントが255を超えるとオーバーフロしてキャリーが発生します。　そのキャリーが発生したタイミングで256-101=155をプリセット・・・これはクロックに同期してロードされる・・・してやります。プリセット値はもちろん純2進で与えます。（155=&B1001 1011）
　カウントは155から始まり、パルスが100個入るとキャリーが発生し、101個目でプリセット値がロードされます。この動作を繰り返して101進カウンタとして動作します。　そのキャリーの発生からロードまでのパルス幅はちょうど1クロック分の10mSです。それを反転したものが1秒ゲートになります。
   プリセット値さえ変えてやれば何進にもできます。　余談ではありますがマイコンで欲しい数の差数を計算し出力ポート経由でプリセットすればプログラマブル・カウンタとして使うことができます。しばらく前にそのような検討をしたことがあったのでした。

　原理的には74HC161をもう一つ足して、1001進カウント式にすることもできます。ただし伴ってラッチやリセットのパルスも狭くする必要があります。　そうなると回路変更が大幅になるうえ実用上のメリットは希薄ですから101進でやめておきました。（笑）

　この写真では右に74HC04が写っています。　実験途中のものです。　インバータひとつ追加のためにICを一個足すのも勿体無いので上記回路図のようにやりくりして済ませました。　ゲート開閉モニタのLEDは必ずしも必要としません。デジタル・トランジスタ：Q1 (=DTC114E)でLEDを点灯している部分はお好みで付けて下さい。

　74HC161のリセット動作がどうなっているのか、高速オシロでパルス幅を見るまでもなく、こちらの回路の方が確実です。　精神衛生（？）の上からもお勧めできると思います。もう「リセットパルスの幅が20nSで・・」と深夜にうなされる心配はありません。（爆）

【10MHzで検証】
　実際のゲート開閉時間を見るのが一番なのですが、ちょっと面倒なのでカウンタ動作の比較で検証しておきました。

　カウンタ回路の表示が10.000000MHzになるときの入力周波数を読んでいます。　4.4Hzほど高く必要でした。　これは、時間基準にしているSPG8651Bの周波数誤差がそのままそっくり現れています。　Part 1の11進式だったものと比較して、10MHzでは1〜2Hzの違いが現れる可能性があります。　SPG8661Bの周波数変動もあるので厳密な比較は難しいのですが、改造直前は10.0000062あたりだったので10.0000044なら概ね計算の範囲でしょう。もともと実用上支障のない精度と言えますが気持ち程度に改善されています。これ以上を求めるなら基準周波数の発生にTCXOやOCXOを採用すべきでしょうね。基準周波数の精度を上げただけ測定精度が向上します。

　この周波数カウンタ用の「制御回路」はカウンタ用LSI専用という訳ではありません。　LS-TTLやHC-MOSを並べて構成したような周波数カウンタにも使えるのはもちろんです。

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　きちんとした測定器にまとめるには電源部を製作する必要があります。　すべての回路が+5Vだけで動作します。　電流容量は300mAもあれば十分すぎるくらいです。　AC電源を内蔵するなら電源部は8V0.5A程度の電源トランスと+5Vの3端子レギュレータで簡単に作れます。　ACアダプタを利用する方法もあります。出力電圧が9VくらいのACアダプタを使い+5Vのレギュレータ部分以降を作ります。　周波数カウンタの自作で一番の難関は収納ケースの板金加工かもしれませんね。

　カウンタ用LSIを試用すると言う目的から周波数カウンタの設計に深く踏み込んでしまいました。　過去に何台か作っていますので目新しくもないのですが、制御回路や入力プリアンプの部分は面白かったです。　各種カウンタ用LSIもこの機会に使い方をまとめておくことができました。　単独の測定器として「周波数カウンタ」を作る機会はもうないと思いますが、何かの発振器とか周波数表示を伴う機器の一部として製作する可能性が無いとも言えません。　そんな時にまとめた結果が役立ってくれるでしょう。

　何でも安価な既製品が溢れている昨今です。　買ってしまえばお手軽かもしれませんが、原理もわからず使うのも何となく癪です。　手間も費用もかかりますが自作が可能なものなら作ってみるのも悪くないと思っています。　「作る」ことから新たな発見もあるでしょう。　実際、何か作ることで得られるものは多いものです。　これはお金では買えません。　ではまた。　de JA9TTT/1

このBlogのPart 1はこちら（←リンク）
さらに、Part 2はこちら（←リンク） 
そして続きのPlus Oneはこちら(←リンク） ラジオカウンタ用LSIを扱っています。

（おわり）fm