ＣＰＬＤで遊ぼう！（１５）
更新日：２００６年７月１８日
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろう
前回汎用の周波数カウンタを作りましたがこの技術を生かせばいろんな周波数カウンタが作れると考えました。そこで「オーディオクラフト工房」でＰＩＣで作ったを全面的にCPLDで作り直しました。ＰＩＣのときよりものすごく正確に表示することが出来ました。CPLDって楽しいですね。これからもどんどん作っていきますね。
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうのＳＷチューナーについて
ＰＩＣの製作の時は、周波数の計測が追いつかないと考えてＳＷチューナー側にアンプと分周回路を付加していました。この回路がチューナーの受信感度に影響していた感がありました。今回はCPLDを用いましたので直接計測が出来ると考えてＳＷチューナー側のアンプと分周回路は削除しました。アンプのみ周波数カウンタ側に入れ込みました。
（ＳＷチューナー側のアンプと分周回路）
（ＳＷチューナー側の内部）
余分な回路を削除しましたのでかなりすっきりしました。これによって感度も向上したように感じました。ＳＷチューナー詳細は「オーディオクラフト工房」を参照お願いいたします。
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの全体構成
今回は出来るだけ外付け回路を減らすように工夫してみました。前回の周波数カウンタは各セグメントごとにスタティック点灯させていましたが今回はダイナミック点灯として回路の簡略化に成功しました。
（回路構成概要）
前回の周波数カウンタの基本は同じですが、測定時間が１種類しかないことと、７セグメントのダイナミック点灯を実現するためにいくつかのモジュールを新作して対応いたしました。このモジュールについて続いて説明いたします。
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの引き算モジュール（その１）
ＳＷチューナーはスーパーヘテロダイン方式であるため局部発振周波数が受信周波数と異なっています。従って周波数の表示はこのずれ部分を考慮する必要があります。このＳＷチューナーは局部発振が４５０ｋＨｚ上側になっています。周波数表示については随時４５０ｋＨｚ分だけ引き算して表示する必要があります。カウントは従来の周波数カウンタと同じく４ｂｉｔのＢＣＤカウンタを使って計測を行います。その計測値をラッチモジュールに行く前に演算することにします。今回の表示の最小単位はｋＨｚですのでそのカウント値から４５０をＢＣＤで引き算すれば実現することが出来ます。実際には６桁のＢＣＤカウンタを用いて計測を行います。上から５桁分だけ「００４５」を引き算すれば正しい周波数表示となります。まずは「４」を引くモジュールの説明をします。
（ＢＣＤデータ４の引き算モジュールの入出力）
（ＢＣＤデータの４の引き算モジュールのVHDLソース）
単純に４を引くというモジュールはもっと別な方法でも出来る気はしますが、私の場合は判り易いように入力のパターンで出力を決めてしまいました。結局このほうが簡単だったと思います。下の桁から繰り下がり信号が来ているときとそうでないときの２通りで演算結果を出力しています。
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの引き算モジュール（その２）
同様に５の引き算を考えます。別に難しい部分はありませんね。
（ＢＣＤデータ５の引き算モジュールの入出力）
（ＢＣＤデータの５の引き算モジュールのVHDLソース）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの引き算モジュール（その３）
下の桁から繰り下がり信号が来た時に対応できるよう、０の引き算のモジュールも必要になります。繰り下がり信号が来ていないときはそのまま出力しています。
（ＢＣＤデータ５の引き算モジュールの入出力）
（ＢＣＤデータの０の引き算モジュールのVHDLソース）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの５ｂｉｔリングカウンタモジュール
今回は７セグメント５桁分をダイナミック点灯します。そのベースになるのがこのリングカウンタです。入力信号が入るごとに出力が順にシフトしていき、全部シフトするとまた最初に戻ってくるというモジュールです。
（５ｂｉｔリングカウンタモジュールの入出力）
（５ｂｉｔリングカウンタのVHDLソース）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの５ｔｏ１セレクターモジュール
表示する５桁分のデータは１桁ごとに選択して出力しなければなりません。５ｂｉｔのリングカウンタの出力データを元に５桁分のＢＣＤデータを切り換えて出力します。（長いので横にしました）
（５ｔｏ１セレクターモジュールの入出力）
（５ｔｏ１セレクターモジュールのVHDLソース）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの５ｂｉｔ反転出力モジュール
リングカウンタの出力データを反転します。ダイナミック点灯の外付け回路にＰＮＰのトランジスタを使用するのでそのためのモジュールです。
（５ｂｉｔ反転出力モジュールの入出力）
（５ｂｉｔ反転出力モジュールのVHDLソース）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの７セグメント出力モジュール
今回は７セグメントのＬＥＤをポートで直接引き込みますので、出力を反転しています。それ以外に難しい部分はありません。
（７セグメント反転出力モジュールの入出力）
（７セグメント反転出力モジュールのVHDLソース）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうのラッチ出力分周モジュール
周波数の計測は２０ｍｓｅｃごとに行われています。従って表示のためのラッチも２０ｍｓｅｃおきになります。このスピードで表示が切り換わると一番下の桁の表示が大変見ずらくなります。そこでこれを１／５にすることによって表示の品位を少し高めました。これによりチューニングに対する表示追従には影響が少なく、見やすくなっています。計測・表示に関する基本原理は周波数カウンタのページを参考にして下さい。
（１／５分周モジュールの入出力）
（１／５分周モジュールのVHDLソース）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの内部構成
ここまで説明した新たなモジュールと今までのモジュールを使って簡単にＳＷチューナー用周波数カウンタを構成することが出来ました。自作のチューナーなので中間周波数を４５０ｋＨｚではなく４５５ｋＨｚを使われている方は「５を引く」桁のさらに下の桁に「５を引く」モジュールを追加すれば簡単に対応することが出来ます。
（ＳＷチューナー用周波数カウンタ内部回路）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの入力アンプバッファ回路
ＳＷチーナーからの局部発振周波数を受ける回路です。CPLDが３．３Ｖで動作していますので必ずVHCシリーズのICで受ける必要が」あります。このICは３．３Ｖで動作させますが入力レベルが電源電圧を超えても正しく使用することが出来ます。今回は入力アンプを組み込みましたので74HVCU04を使いました。
（入力アンプバッファ回路）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの７セグメントＬＥＤ回路
CPLDで直接７セグメントのＬＥＤを駆動します。アノードコモンタイプの７セグメントＬＥＤが必要です。ダイナミック点灯ですので切り換えにトランジスタを使用します。
（７セグメントＬＥＤ回路）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうのピン接続のまとめ
ＳＷチューナー用周波数カウンタのピン接続をまとめておきます。
（ＳＷチューナー用周波数カウンタのピン接続）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの製作から大完成へ
周辺回路を簡素化したので従来のオーディオクラフト工房のケースに収めることが出来ました。コネクタをケース裏面から出してあるのでCPLDの改良は後からでも可能です。
（ケースの加工です）
（CPLD基板はこんな感じ）
CPLD基板は接続しない端子にはピンを立てていません。
（内部構造と入力アンプバッファ回路部分です）
（動作中です）
周波数が入力されていない時には１０ＭＨｚから４５０ｋＨｚを引いた値を表示しています。
（裏面はコネクタと入力端子です）
オーディオクラフト工房での使用ですので電源電圧は１２Ｖになります。従って内部で一旦５Ｖに落としています。
（チューニングの最低周波数と最大周波数です）
（どちらも日本語の放送を受信中でした）
ＳＷチューナー用周波数カウンタを作ろうの全VHDLソースコード
私と同じ周波数カウンタを作られるまたは勉強される方のために全ソースコードなどプログラム一式を公開いたします。フォルダごと圧縮しましたのでそのままもってって下さい。
全ソースコードはこちらです。
いかがでしたでしょうか。基本が判ればこれほど簡単に開発が出来るCPLDは大変すばらしいデバイスだと思います。今回のような周波数カウンタはCPLDの使用が大正解だと思います。
今回は「CPLDで遊ぼう」と「オーディオクラフト工房」のコラボでお送りしました。今後もこのようなコラボで製作の幅を広げて行きたいと思っています。
これからもますます楽しくなる「CPLDで遊ぼう！」をよろしくお願いいたします。