【回路】Frequency Counter Design, Plus One

【回路設計：周波数カウンタの設計・プラスワン】

【ラジオ・カウンタ用LSI：M54821P】
　カウンタ用LSIにはM54821Pと言う「ラジオ・カウンタ」に特化したチップがあったことを忘れるわけには行きません。

　前回（←リンク）までのカウンタ設計で扱ったLSIはどれも汎用性があって必ずしも周波数カウンタの専用というわけではありませんでした。　単純な個数計とか、計数が必要な用途に様々使えるように考えられていました。　それに対して三菱電機のM54821PはラジオやAM/FMチューナなどの受信周波数をデジタル表示するために考えられた専用のLSIです。　いくつかの専用周辺用ICと組み合わせることでたいへん簡単に「ラジオ・カウンタ」が作れるようになっています。1980年前後に中高生の間で一大ブームになったBCLラジオにも使われていました。

　その代わりごく普通の周波数カウンタを作ると制約があり、他のカウンタ用LSIのような設計の自由度はありません。　具体的には分解能が1kHzもしくは100kHzの周波数カウンタになります。　ごく普通に売られている周波数カウンタのようにHz単位まで読むと言った高分解能な測定器は作れないのです。　AM/SWラジオやFMチューナの受信周波数の表示にはとても便利ですが「周波数カウンタ」の機能はおまけ程度と言ったところでしょうか。

　M54821PはIIL（Integrated injection logic←リンク）という今では珍しい形式の集積回路で作られています。IILはバイポーラ型の集積回路でアナログ回路と共存でき、しかも低消費電力で高集積度が実現できるとして1970年代半ばから1980年代初めころに掛けて使われたLSIの製造技術です。民生品ではカメラやVTR用のLSIなどに使われていましたが、いまではまったく廃れています。現在ならC-MOSのデジアナ混在ICで置き換えるでしょう。（I2L、I²Lとも書かれます。アイスクエアエルと読む）

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　M54821Pは専用のLSIだけに設計の自由度がないため他のカウンタ用LSIと一緒に扱うのは不適当でした。　忘れていたわけではないのですが別編で改めて扱いました。　このM54821Pも既に過去のものになっています。　当然ながら生産はされておらず、運が良ければ流通在庫品（お店の在庫品）が手に入るくらいのものです。
  メーカ推奨回路にある周辺用ICの入手が難しいため使うのはちょっと面倒臭いと思っていました。　考えてみたところ、そうした専用ICを使わずに回路が構成できそうなのです。　Blog全体ではM54821Pがなければ意味のないストーリなのですが、水晶発振と分周機能を持ったIC：NJU6311の活用は目新しいかも知れません。　良かったらご覧ください。

 【M54821Pの内部は】
　M54821Pの内部は図のようになっています。　5桁の周波数カウンタがこれ一つで作れるようになっています。

　あらかじめカウンタの制御回路は内蔵されており、ゲートの開閉、ラッチ、リセットの各パルスは内部ですべて作られています。　外部から基準となる1.25MHzを与えてやれば済むようにできており、制御回路のことを考える必要はありません。その代わり何の自由度もない訳ですが。

　またM54821Pにはスーパ・ヘテロダイン形式のラジオの局部発振器（局発：ローカル・オシレータ）の周波数をカウントして、そこから実際の受信周波数に変換する機能が内蔵されています。　ごく普通のAMラジオでは局発は受信周波数より455kHz高い周波数を発振しています。　普通の周波数カウンタで局発の周波数を読むと実際の受信周波数よりも455kHz高い周波数を示します。　これでは受信周波数の直読にはなりません。

　M54821Pではその455kHz分を差し引いて表示するためのオフセット機能が内蔵されています。　従って特別なことを考えることなくラジオの受信周波数が直読できる周波数カウンタが作れるのです。　なお、オフセット量はいくつか選べるようになっており、オフセット＝ゼロにすることもできます。　ゼロに設定すればごく普通の周波数カウンタと同じになります。

　このように専用LSIだけあってたいへん便利にできていますが融通は利きません。　周波数カウンタとして使う場合も分解能は1kHzのままです。　さらに FMラジオ用のモードでは100kHzの分解能になります。　BCLラジオのようにAM波のラジオ放送が受信対象なら1kHzの分解能でも十分でしょう。　しかしSSBやCWも受信対象とする「通信型受信機」（例えば9R59Dなど）ならもう一桁下の100Hzまで読みたいものです。　残念ながらM54821Pではそれができできません。　そもそもの目的と用途から考えてやむを得ないでしょう。マイコン式の周波数表示アダプタのようなフレキシビリティはないのです。

 【メーカ推奨回路】
　左図はメーカ推奨の回路構成です。　M54821Pは単独では1.6MHzくらいまでしかカウントできません。　ECLやTTL構造でできた周辺回路用のICでカウント可能な上限周波数を拡大しています。　例えばAM受信モードでは入力信号を1/32に分周してからM54821Pに加えます。　これで32倍の周波数までカウントできることになり、カウント可能な上限周波数は約50MHzになります。

　水晶発振器（基準発振器）は内蔵していません。外部から周波数基準を与える必要があります。基準の周波数範囲は1.0〜1.5MHzと決められていて、それを大きく外れると動作しません。　基準信号は1.25MHzが推奨値（標準値）ですが1MHzを使うこともできます。周波数精度が悪いとカウント誤差を生じます。これは他の周波数カウンタと同じです。　1.25MHzは10MHzを1/8に分周すれば良く、汎用のICを使って簡単に作れます。

　入力信号の方もHC-MOSやLS-TTLで1/32分周回路を構成すれば良いでしょう。　推奨回路にあるような専用のICがなくてもM54821Pを使うことはできます。

　なお、FMモードの場合はVHF帯と周波数も高くなるためECLプリスケーラを使います。　測定対象の信号を1/80に分周してからM54821Pに加えます。　一例として1/10分周のM54459を使い、さらにHC-MOSなどで1/8すれば良いでしょう。　FMモードの場合は分解能が100kHzになってしまうため、あまり使い道がありません。ここでは扱いませんが使ってみたいならメールでも下さい。資料を送ります。　

 【M54821Pを使ってみる】
　さっそく使ってみました。　写真は上限周波数の近くでカウントしている様子です。　IF周波数のオフセットはゼロに設定しています。 測定した周波数をそのまま表示するだけの普通の周波数カウンタの状態です。

　ブレッドボードでの製作のためか50MHzには届きませんでしたが、きちんとした基板で製作すればもう少し上限周波数が伸びるかも知れません。あるいは後ほど説明のあるNJU6311の限界かも知れません。　しかし45MHzなら問題なく安定にカウントできました。　分解能（最小桁）は1kHzです。

　写真の範囲でカウンタ回路全部が含まれています。　このようにわずかなICだけで周波数カウンタ（ラジオ・カウンタ）が製作できました。　　メーカー推奨の専用ICは入手の見込みがあまりないため使いません。　現時点で普通に手に入るICや汎用のトランジスタを使って構成しています。　次項で回路図を示しますが特殊な部品はM54821Pだけですから、それさえあれば容易に再現可能ではないでしょうか。
 

 【M54821Pを使ったカウンタ回路】
　上記写真のカウンタ回路です。　メインのカウンタ用LSIはM54821Pでこれは言うまでもないでしょう。

　基準発振器には新日本無線：New-JRCの水晶発振用IC：NJU6311を使いました。（回路図右下の部分）　このチップは高速C-MOS構造で水晶発振回路と分周比が切り替えできる分周器を内蔵しています。　分周数は1、2、4、8、16、32が選択できます。

　ここでは10.000MHzの水晶発振子を使い1/8分周して1.25MHzを得ています。　発振回路に必要なコンデンサは内蔵されています。水晶発振子を2番と3番ピンの間に接続するだけで簡単に発振してくれました。　ただし数kHzくらい高い周波数で発振しました。　メーカのデータシートに周波数の調整方法は書かれていませんでしたが、いくつか試したところ図のようにすればOKでした。　水晶発振子と並列に最大容量が20〜30pF程度のトリマ・コンデンサを入れます。これで旨く調整できました。　もし発振周波数が低いときは、水晶発振子と直列にトリマ・コンデンサを入れます。　周波数安定度は水晶発振子しだいのようですが数ppm/℃くらいの安定性は十分あるでしょう。

　M54821Pの説明のところで書きましたが、周波数測定対象の入力信号はあらかじめ1/32に分周してから与える必要があります。　そのために使うメーカの推奨チップはM54408Pなのですが入手は難しそうです。（売っているところは見つけたのですが・笑）　そこでここでも上記で説明したJRCのNJU6311を使って工夫してみることにしました。　手持ちを活用するという意味でもあります。

　NJU6311は水晶発振と分周が目的のチップなのですが、それを応用する訳です。詳しくは後ほど説明があります。　なお、汎用の周波数カウンタにするにはNJU6311に内蔵のアンプだけではゲインが足りないようです。　そこで前回のBlogで好成績だった広帯域増幅のICを付けました。FETのソース・フォロワも前置して入力インピーダンスを高くしておきました。　今回はNE592の方を使いましたがμA733も同じように使えます。（詳細は前回のBlog参照）

 　7セグメントのLED表示器はカソード・コモン型を使います。　ダイナミック・ドライブですからなるべく高輝度の表示器が向いています。　M54821Pの桁ドライブ信号はNPNトランジスタを直接ドライブするようにできています。　μPA81Cのようなドライバ・アレーではなく、ごく単純なNPNトランジスタを使う必要がありました。　ドライバ・アレーを使ってみたら輝度が上がらずICが壊れたかと・・・。　ここはシンプルに単なるNPNトランジスタを使うに限ります。（笑）

参考：カウント上限周波数は1/10になってしまいますが、100Hz分解能にすることもできます。　まず、水晶発振子を8MHzに交換します。　これでM54821Pに与えるクロックは1MHzになります。　次にプリスケーラとして使っているU3：NJU6311の分周数を現状の1/32から1/4に変更します。変更方法はNJU6311の内部回路の説明の項にある分周比の設定表を参照してください。　このようにすればカウント上限周波数は6MHzくらいになりますが、最小桁は100Hzにできます。　必要に応じて試してください。　なお、こうした方法は単なる周波数カウンタには有効ですが、ラジオカウンタの機能は正常に動作しませんので注意してください。　例えばマイナス45.5kHzのオフセット値になってしまうので正しい受信周波数表示ができません。　工夫してもせいぜいここまでです。

 【基準発振器：NJU6311】
　NJU6311は10ピンのICです。　MSOP型でピンピッチは0.5mmなので多少ハンダ付けは難しいです。　しかし10ピンと少ないですからそれほど困難ではありませんでした。

　写真は秋月電子通商で購入したMSOP-10ピン用の変換基板に載せたところです。　最初はハンダブリッジしても良いので確実にハンダが回るようにします。　フラックスを塗布してから良質のハンダを流しました。　あとでハンダ吸い取りリボンを使って余分なハンダを除去して完成です。　ルーペなど拡大鏡で十分な目視確認を行なっておきます。

　高周波回路なので、電源：Vdd(Pin10)とGND Vss（Pin5）の間に最短距離でバイパスコンデンサをハンダ付けします。　変換基板を使うと不安定になり易いものですが、電源端子の直近にバイパス・コンデンサを付けておけば安定して動作します。

　水晶発振子：10.000MHzと並列に入ったトリマ・コンデンサ（緑色）で周波数調整します。　発振子の端子部分で測定すると周波数がずれてしまいます。　NJU6311の出力端子：Pin 5に周波数カウンタを接続して合わせ込むのが良いです。　あるいは受信機のアンテナ端子からリード線を発振回路の近くに這わせ、標準電波（10MHzのWWVHやBPMなど）を受信しながらゼロビートになるように周波数を合わせます。

　この回路は10MHzを発振させた状態で3.5mAくらいの消費電流でした。　省エネにできていると思います。

 【NJU6311の内部回路】
　NJU6311の内部構造を詳しくみてみましょう。

　もともと発振器として考えられています。　ゲート機能付きのC-MOS NAND回路に抵抗器でバイアスを掛け「アンプ」として動作させています。　この部分に基本波周波数の水晶発振子を接続すれば発振するわけです。コルピッツ型と等価な水晶発振回路です。

　しかし、よく考えてみると発振回路部分は利得を持った「アンプ」そのものです。　しかも50MHzまで発振するそうですから、そのあたりまでゲインはあるはず。　この部分は単なる「アンプ」として使うことも可能なのではないでしょうか。
　またこうした水晶発振回路の出力波形は矩形波ではなく正弦波状なのが普通です。　波形整形も難しく考えなくても良いかも知れません。　さらに1/32に分周してからM54821Pに行くように分周器をセットすれば目的の回路に使えそうです。

　さっそくラフな実験を行なったら上手く行きそうなのでこのアイディアを採用しました。　もともとが発振回路ですから「アンプ」のIn/Outに15pFのコンデンサが入っています。それが周波数特性となって影響しそうですが実際には十分高い周波数まで動作してくれました。   半導体メーカが驚くような使い方ですが「アンプ+プリスケーラ」と等価のICとして旨く使うことができたのです。　なお、もともとが水晶発振回路なのですからNJU6311からPin2とPin3を引き出して工夫すれば水晶発振子のチェッカーにもなりえます。

　あまりポピュラーなICではありませんがNJU6311は現行のICです。　国内通販のmarutsuを経由して国際部品商社のDigi-Keyにて単価103円で手に入ります。（但し最小で5個単位の購入になる。価格は2019年7月現在のもの）　300円前後の送料で個人で少量購入できます。　意外に便利なICなのでパーツボックスに数個入れておくのも良さそうです。　10pinのMSOPパッケージ用変換基板も手に入れておくのをおすすめします。

【カウンタ用プリアンプ】
　J-FETによるソース・フォロワと広帯域増幅用ICの組み合わせはなかなか良好だったのでこちらでも採用してみました。　NJU6311との結合はC結合にしました。　もともと1kHz分解のですから低周波まで測定できる必要はありません。　C結合でも十分だと思ったわけです。

　なお、本来とは違う使い方をしていますので、NJU6311を壊さぬような配慮から、ダイオードを使ったクランプを入れておきました。　広帯域アンプも電源電圧＝5Vで使っていますから、支障はないはずですが取り敢えず入れてあります。　様子を見て外そうと思っています。

　こうした状態で45MHz以上まで動作しましたのでHF帯が対象のラジオ・カウンタとしては十分な性能ではないでしょうか。　9R59Dのような高１中２型受信機に付加すれば全受信周波数で1kHz直読になります。　HAM局には少々不満でも、BCLの愛好家には最適な付加装置になるでしょう。　涼しそうなグリーンやブルーの表示器で作ってみたくなりました。

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　周波数カウンタの別編としてラジオカウンタ専用のLSIを扱ってみました。　流石にその目的にできているだけあって少ない部品で十分な機能を持った付加装置が作れます。　類似の機能を持った中華製品も登場しています。　M54821Pを新たに購入する意味はないと思いますが、もし持っているなら活用してみては如何でしょうか。　中華モノを買うよりも愛着が持てるだろうと思います。　1kHz分解能なので通信機用としては用途が限られますが、ディップ・メータの発振周波数表示器のような目的なら十分な分解能でしょう。比較的ラフで良い用途もあると思いますので活用を考えてみたいと思います。

　NJU6311は数年前に面白いチップができたので・・とのことで評価用サンプルを頂いたものです。　残念ながら「水晶発振器+分周器」のチップはあまり使い道がありませんでした。ずっと頂いたままになっていました。　今回、M54821Pの活用にあたり検討してみたところベストマッチだとわかりました。　これも先日行なった部品在庫調査が幸いしています。そうでなければ気付かなかったでしょう。　1.25MHzを作るのに水晶発振に74HCU04、分周器に74HC74を使うと言ったオーソドックスな方法になるところでした。

　また、HF帯の入力信号を1/32に分周する回路もちょっと悩みます。　プリスケーラ用のECL-ICが使えれば簡単です。しかしECLのプリスケーラには下限周波数があってそれ以下では誤動作します。だいたい10MHzくらいが下限でしょうか。1MHzあたりまで何とか使えるプリスケーラもありますがそれ以下はまずだめです。　結局のところ真面目にアンプして波形整形してからHC-MOSの2進カウンタで1/32にすると言った回路構成になります。　手持ちに専用の周辺ICがないのでやむを得ませんが、少ない部品でカウンタが作れるというメリットはだんだん薄れてしまいそうでした。
　実験したら発振回路+分周器のNJU6311がHF帯向きのプリスケーラとして十分機能することがわかり一気に簡潔になりました。　頂いたままパーツボックスの肥やしになっていたチップが発掘でき、しかもFBに活用できて良かったです。

　汎用の周波数カウンタは目的とせず「ラジオ・カウンタ」に徹するなら、2SK192AとNE592のアンプ部分は必要ないでしょう。　 NJU6311に直結できますから回路はさらに簡潔になります。　ただし過大な入力で壊さぬよう局発との結合容量（C9：1000pF)は必要最小限の容量値に変更し、ダイオード：D3とD4も入れたままが良いです。

　4回にわたりカウンタ用LSIを試してみました。　一度は使ってみたいと思っていたICもあって、その目的も達成できました。　それぞれのLSIについて実際の使い方が確認できました。　これで心置きなく「さようなら」にしてカウンタ用LSIのことはきれいサッパリ忘れることにしましょう。  ではまた。　de JA9TTT/1

（おわり） nm