DDS周波数特性測定装置


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（参考文献）　ＰＩＣで楽しむＵＳＢ機器（改定新版）　後閑哲也 著　技術評論社　2011 9


　　ＤＤＳ（ダイレクト・デジタル・シンセサイザー）に、ＰＣ入力による周波数設定値をシリアルで送って掃引し、オーディオ 〜 中波程度の各周波数の正弦波を連続的に出力し、被測定物からの入力を対数変換してｄＢの数値とし、ＵＳＢ（ＣＤＣクラス）でパソコンに送り、周波数−ｄＢのグラフを表示する。 使用している部品（ＤＤＳ： ＡＤ９８５１、ログアンプ： ＡＤ８３０７）は やや過剰品質気味だが、他に代替品が無いので文献に従ってこれらを用いたが、結果的にはコンパクトに作ることができた。
　　パソコン画面のソフトは、マイクロソフトが無償配布しているＶＢ（ビジュアル・ベーシック）で作成し、コントロール画面で周波数範囲（上限・下限）、分解能、測定開始等を入力し、自動的に現れるグラフィック画面で 片対数目盛りの周波数−ｄＢ のグラフをリアルタイムで表示し、また データを保存（ＣＳＶ形式）できるようにする。



　　１．　ハードウエアと マイコンのプログラム：


　　ＤＤＳとして 代表的な ＡＤ９８５１（フラット、２８ｐ、０．６５ｍｍピッチ、電源５Ｖ）を ＤＩＰ変換基板に付けて使用した。（＊ 変換基板への半田付けは、低融点はんだを用い、フラックスに漬けたソルダーウィックで吸い取る）　これは、制御方法をシリアルに設定した後、パソコンからの ４０ビットの周波数設定信号（内、３２ビットが周波数値、８ビットが他の制御値）を受けて、１００ＭＨｚ以上の一定出力の正弦波（または方形波）を出力できる。ここでは、５ＶＰＩＣマイコン（ＰＩＣ１８Ｆ２５５０）のソフト制御なので速度を上げることができず、オーディオ周波数 ＋ α 程度に限定して、出力電圧をできるだけ一定にした正弦波を作ることにする。（この装置の測定範囲は、１０Ｈｚ 〜 数ＭＨｚ）

　　（＊　単純な信号発生源とするならば、ＤＤＳを用いて数十ＭＨｚは容易に作る事ができる。）

　　ＤＤＳの出力部には、ＮＪＵ４５８０Ｄ（汎用ＨｉＦｉオペアンプ）の代わりに、もう少し高周波側で出力特性が一定になるように ＮＪＭ２１３７Ｄ（広帯域 ２００ＭＨｚ）を用いた。 正弦波出力を±に振るために、−５Ｖ電源を ＴＣ７６６２Ｂ（チャージポンプ ＤＣ-ＤＣコンバーター）によって供給した。
　　＋５Ｖ電源はノイズ除去フィルタを入れてＵＳＢから取った。（全体で約１５０ｍＡ、ＤＤＳのＩＣは少し発熱する）

　　被測定物からの入力は、ログアンプ（対数アンプ、ＡＤ８３０７、入力５００ＭＨｚまで直線性良く一定出力）で受け、入力電圧レベルを ｄＢレベルに変換し、さらにその出力を ＰＩＣマイコンのアナログ端子で受け、ＡＤ変換により数値化してパソコンへ送り、作成したパソコン内ソフトによってグラフ化した。 低周波側の下限は、ログアンプ出力で接地されているパスコン（２．２μＦ*）によって決まる。
　　（＊＊　ログアンプは ｄＢスケールの電界強度計、騒音計などにそのまま用いることができる。また、整流後の ＤＣ入力の対数変換ならば、シリコンダイオードの特性を生かしても近似的には可能 → （参照）湿度計のヘッド）


　




　　ＤＤＳ ＩＣの ＡＤ９８５１ＢＲＳの （Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２）＝（Ｈ、Ｈ、Ｌ）に固定した状態で、Ｗ_ＣＬＫ、ＦＱ_ＵＤにパルス１個を与えると、シリアルモードになる。 １つの シリアル制御信号は４０ビットで、
　　　　Ｗ０ 〜 Ｗ３１：　周波数データ（３２ビット）、　Ｗ３２： ＝１で クロック×６（発振 ２４ＭＨｚ×６＝１４４ＭＨｚ）、　（Ｗ３３＝０）、　Ｗ３４： ＝０で 省電力モードにしない、　Ｗ３５〜３９： 位相データ（３６０度を３２分割）、となる。 周波数は、この３２ビットの分割（０ 〜 ２³² = 4294967296）で得られ、１４４ＭＨｚの場合は、　設定できる周波数の最小分解能 ＝ 144000000/4294967296 ＝ ０．０３３５ Ｈｚ になるので、
　　　　　∴　　出力周波数　＝　０．０３３５ × （Ｗ０〜３１の設定値）　　　となる。　（＊　float は、４バイト 浮動小数型変数： ±１０^-37 〜 ±１０³⁸）


　　マイコンプログラムでは、ＣＤＣクラス（USB Device - CDC - Basic Demo）を雛形として ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ を用いる。（他の割込みが無いので問題なく使える。）
　　ヘッダーファイルの HardwareProfile.h を修正し、１．電源供給方法の検出、クロック周波数（４８ＭＨｚ）、 ２．ＤＤＳ用Ｉ/Ｏピンの指定、をあらかじめ設定して、プロジェクトに取り込む。

　　（　注）　プロジェクト構成の usb device.c　は、ビルドすると、ミスマッチエラーが出るので、文献のＣＤより USB_Book\Microchip\USB から usb_device.c （１１４ｋＢ）をフォルダに移植した。バージョン不明）

　　（ハードウェアプロファイル）
　　　


　　ユーザーアプリ・プログラムでは、初期設定の後、メインループでは ＵＳＢの接続完了、ＵＳＢ状態のＬＥＤ表示のみで、ＰｒｏｃｅｓｓＩＯ（）に飛ぶ。

　　ＰｒｏｃｅｓｓＩＯ（）では、ＵＳＢ受信＋周波数設定出力、 入力のＡＤ変換＋ＵＳＢ送信などのメイン処理を行うために、ＰＣとマイコンの間に以下の規則を定める。

　　　０：　接続の確認：　　　ＰＣ → マイコン　・・・　0x30、　　　　マイコン → ＰＣ　・・・　確認の応答 「ＯＫ ￥０（＝0x00）」 を返す
　　　１：　周波数設定：　　　ＰＣ → マイコン　・・・　0x31 xxxxx ￥０　（xxxxx ： 周波数設定値）、　　マイコン → ＰＣ　・・・　（なし）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・　ａｔｏｆ 関数は 小数型文字列を 浮動小数（ｆｌｏａｔ）に変換、 math.h に含まれる
　　　２：　計測の要求：　　　ＰＣ → マイコン　・・・　0x32、　　　　マイコン → ＰＣ　・・・　チャンネル１、２の信号レベル値を 「CH0=±xx.x△△CH1=±yy.y\r\n\0」 という文字列で返す
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・　ｆｔｏｓｔｒｉｎｇ 関数は プログラム中に作成しているもので、浮動小数値を文字列に変換：　ｆｔｏｓｔｒｉｎｇ（整数、小数、データ、バッファ）

　　ＰＣ からの 0x30 などの最後の１文字 0 、1、2 （＝ input_buffer[0] ）で、switch 文により case 0、1、2 に振り分け、それぞれの処理をする。　case 2 の場合は、ログアンプからの対数アナログ入力を Ａ/Ｄ変換し、演算を加えて、データを ＰＣに送る。

　　スイープ動作では、周波数設定値ごとに 装置の ＣＨ０、１のデータを受け取り、ＰＣグラフィックの描画を行う、というサイクルを、計測範囲が終了するまで繰り返す。

　　（ユーザーアプリ部）
　

　　　●　ソース：





　　２．　制御ウィンドウと グラフィックの ＰＣプログラム：


　　マイクロソフトが無償配布している ビジュアル・ベーシック（ＶＢ）（あるいは、ＶＣ++、ＶＣ＃　・・・　リビルド可）を用いて、 （１） 制御ウィンドウと、（２） グラフィック・ウィンドウ を作成する。
　　ウィンドウの原型枠は初めから用意されていて、�@ フォ−ムデザイン（[デザイン]、あるいは、．Ｄｅｓｉｎｅｒ．ｖｂ）として サイズ、ボタンやラベル（文字・数字）などを付け加え、基本フォームとする。　それから �A ユーザーアプリ（．ｖｂ）としてマイコンとのＵＳＢ通信や制御法、表示法などの具体的な機能を与える。 （�@ は、ＶＢのツールボックス、プロパティーなどにより、ウィンドウを加工するときに自動的に創成される。ＶＢ付属の例題（チュートリアル）参照。）
　　作成中のプログラムは、ビルド（＜デバッグ）してからデバッグすると制御ウィンドウ、グラフィックが現れ、機能をチェックしながら作成することができる。

　　＊　配布元：　　Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ ２０１０ Ｅｘｐｒｅｓｓ：　　http://www.microsoft.com/ja-jp/dev/express/default.aspx




　　（マイコン−ＰＣ 間の ＣＤＣ（文字通信）バッファ）　　通信： １バイト ＝ ８ ｂｉｔ

　


　　（ユーザーアプリ部）


　　●　ＣＯＭポート用 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ 関数：　　ＵＳＢ−ＣＤＣデバイスを ＰＣに接続すると、標準デバイスドライバとなって、自動的にＣＯＭポートが追加される。ＣＯＭポートの通信は、Windowsで用意されているＡＰＩ 関数で記述する。 この関数群を使うために、独立したモジュール　Ｍｏｄｕｌｅ１．ｖｂ が必要となり、そのまま ソリューションに追加する。
　　この通信条件のパラメータに、ＤＣＢ構造体（デバイス制御用の情報を格納）と COMMTIMEOUTS構造体（送受信のタイムアウト時間の設定）が用いられ、これによって ＣＯＭポートを「ファイル」として操作することができる。

　　　　　CreateFile： ＣＯＭポートオープン、　　戻り値（ = hComm） ＝　CreateFile（ファイル名（”ＣＯＭ１”などの文字列）、　オープン方法（&HC0000000 で 読み書き両用）、　共有モード（０ で共有しない）、　セキュリティー属性（ＩｎｔＰｔｒ．Ｚｅｒｏ で 不使用）、　既存ファイルの処理（&H3 で既存ファイルオープン）、　ファイルの属性（&H80 で 無し）、　テンプレートファイル（ＩｎｔＰｔｒ．Ｚｅｒｏ で 不使用））、　　戻り値： 成功：ハンドル値、失敗：−１

　　　　　CloseHandle： ＣＯＭポートクローズ、　　戻り値 ＝　CloseHandle（ポートのハンドル値（CreateFileで取得した指定ポート = hComm））、　　戻り値： 成功：Ｆａｌｓｅ（０）、失敗：同じハンドル値

　　　　　SetCommState：　通信条件の設定、　　戻り値 ＝　SetCommState（ポートのハンドル値、　ＤＣＢ構造体ポインタ（= stDCB））、　　戻り値： 正常：０、 エラー：−１　
　　　　　　　　　　　　　　＊　stDCB の内容：　　.DCBlength： 構造体のサイズ（規定値のまま）、　.BaudRate： ボーレート（= 19200bps）、　　.fBitFields： ビットごとに付けられた制御指定（ビットＮｏ１： １のときバイナリモード（1）、 ２： １のときパリティーチェック有り（0）、 ３： １のときＣＴＳ制御をする（0）、 ４： １のときＤＳＲを監視制御（0）、　５、６： ＤＴＲによるハンドシェイク（00で しない）、 ７： １のときＤＳＲがオフのとき受信データを無視（0）、　８： １のときＸｏｆｆ文字送信後も送信続ける（0）、 ９： １のときＸｏｆｆ文字受信後送信停止しＸｏｎで再開（0）、 １０： １のときバッファ空きでＸｏｆｆ、Ｘｏｎを送信（0）、 １１： １のときパリティーエラー処理（0）、 １２： １のときヌル文字を破棄（0）、 １３、１４： ＲＴＳによるハンドシェイク指定（00）、 １５： １のときエラー発生により読み書き停止（0）、 １６： 未使用（0）　　・・・・　&H1（&H：１６進数 で１） ＝　0000000000000001 ）、　　.ByteSize： データのビット数（７ or ８ のうち 8）、　　.Parity： ０でパリティーなし、　.StopBits： ０で１ビット、　.XonChar： Ｘｏｎ文字指定（規定値）、　.XoffChar： Ｘｏｆｆ文字指定（規定値）、　など）

　　　　　GetCommState：　ポートの現在状態確認、　　戻り値 ＝　GetCommState（ポートのハンドル値、　ＤＣＢ構造体ポインタ）、　　戻り値：　成功：１、失敗：０

　　　　　ReadFile： データ受信、　　戻り値 ＝　ReadFile（ポートのハンドル値(= hComm)、　受信バッファのポインタ（= rDATA）、　受信バイト数（= ３０、２２等　・・・　多めに指定）、　受信完了バイト数（= rLen　・・・　実際に受信したバイト数）、　ＩｎｔＰｔｒ．Ｚｅｒｏ（不使用））、　　戻り値：　成功：１、失敗：０

　　　　　WriteFile： データ送信、　　戻り値 ＝　WriteFile（ポートのハンドル値(= hComm)、　送信バッファのポインタ（= wDATA）、　送信バイト数(= dLen)、　送信完了バイト数（= wLen）、　ＩｎｔＰｔｒ．Ｚｅｒｏ（不使用））、　　戻り値：　成功：１、失敗：０

　　　　　SetCommTimeouts： タイムアウト時間設定、　　戻り値 ＝　SetCommTimeouts（ポートのハンドル値、　COMMTIMEOUTS構造体名）、　　戻り値：　成功：１、失敗：０


　　（１）　ＦｒｅｑＡｎａｌｉｚｅｒ．ｖｂ：








　　（２）　Ｇｒａｐｈ１．ｖｂ、　Ｍｏｄｕｌｅ１．ｖｂ：



　　　　●　ＦｒｅｑＡｎａｌｉｚｅｒ（ユーザーアプリ部（ＦｒｅｑＡｎａｌｉｚｅｒ．ｖｂ、 Ｇｒａｐｈ１．ｖｂ、 Ｍｏｄｕｌｅ１．ｖｂ）のみ）：　＊　プロジェクト一式は、参考文献付属のＣＤ参照

　　●　フィルタの測定結果 （入力（青線）を 短絡時 ０ｄＢに調整）： （ただし、出力オペアンプはＮＪＵ４５８０Ｄ使用）

　　




　　●　グラフの横軸（周波数）の間隔を開ける：

　　曲線の周波数変化の詳細を見るために、ＦｒｅｑＡｎａｌｉｚｅｒ．ｖｂと Ｇｒａｐｈ１．ｖｂの 両方の分割値を変更（６ → ２）して、片対数目盛りの間隔を開けた。 このとき、原点座標を １０ｋＨｚから描画するためにずらすため、G.TranslateTransform の ｘ 値も変更（１ → −９２４）した。　グラフ、ボタンの数字も直す。
　　（別フォルダにコピーして、ＶＢのソリューション・エクスプローラーで名前を変更、ビルドし、bin > Release > ファイル名（FreqAnalizer 2、3 など） のアイコンを デスクトップなどに貼って使用する。）



　　●　低周波で分解能を上げる：

　　プライベート・サブ関数： ｇｅｔＤｉｆｆ の設定値を変える。（１０Ｈｚ 〜 １ｋＨｚまで）　原点座標は元に戻す。　下図は、オペアンプフィルター（ＮＦ（ノッチフィルター・５０Ｈｚ、１００Ｈｚ）、ＬＰＦ（ローパスフィルター、５０Ｈｚ）の測定例。

　　　　§　　マイコンと パソコンとの関係から 示されること：


　　パソコンは、プログラムという名の”言葉”の集合体で、プログラムがいのちです。 マイコンも機能が特化されているとはいえ、フラッシュメモリに小規模の”言葉”を持っています。 そして、それぞれが発振器とＣＰＵを持つ”独立した神状態”なので、上下関係をあらかじめ設定しておかなければ システム全体として成り立ちません。 マイコン間の通信（Ｉ2C、ＳＰＩ など）でも、”マスター（主人）”と”スレーブ（奴隷）”という関係があるように、ＵＳＢではパソコンが圧倒的に”主人”で、パソコンと通信するマイコンは”奴隷”です。（　・・・　スペイン語では”主人”を”セニョール”と言う。　あまりマイコンに無理させると、文句が出る？　・・・ そりゃあないぜ、セニョール ・・・ ）

　　神様と人間との関係もこのようです。　神は、「言葉の神」です。 人も、「神様に似せて造られました」。（創世記１：２６）　それゆえ、人は 唯一、言葉を語り、聞き、言葉で考える生き物です。ＤＮＡも 非常に精巧な”言葉”の集合体です。
　　もちろん、神様は「人格神」であり、意志を持っているので、規模においても、次元においても、とても コンピュータとは比較になりませんが、言葉が内に満ちているという点で共通しています。
　　また、すべての人間にも、内側に「心の律法」（ローマ２：１５）という”ＲＯＭ”を生まれつき持っています。

　　ＵＳＢ通信の一番の特徴は、２線で通信し、軽量かつ（差動で信号をやり取りするので）ノイズに強いことですが、ＵＳＢ−ＣＤＣ等の通信時に マイコンのほうが、常に、パソコンからの情報をチェックしていることが挙げられます。いわば、いつもパソコンに伺いを立てていることになります。 他の割り込みで、ＵＳＢ接続待ちが切れると、通信が途絶えてしまいます。
　　多くのＵＳＢ−ＣＤＣ関係のプログラムのメインループでは、なんと、ＵＳＢ接続待ちだけで、実質的な作業はすべて processIO( ) で行います。 すなわち、”主人”からの指示（指示があっても無くても）を短い周期で定期的にチェックし、コマンドがあればいつでも即実行できるようにしています。 ＣＤＣ（文字通信クラス）なので、通信はすべて 文字列 ＝ 言葉で行います。 プログラムはその一点一画が欠落すると、まともに動きません。


　　神様は今も生きておられ、私たちに、言葉を語られるお方です。 御子イエス様は「神のことば」です。（ヨハネ１：１）　また、「イエスのあかしは預言の霊です。」（黙示録１９：１０）　主の語りかけを受け取るために、私たちはいつも祈って、聞き耳を立てていなければなりません。 そして、神の言葉に聞き従う事が人にとってすべてであり、神の言葉こそが すべてのことを成し遂げます。（イザヤ５５：１１）

　　　　　　　　　　　　　　戻る　　　　　　　　　　　　　トップへ戻る