周波数カウンターの精度アップ（１）
高精度の周波数カウンターを ＰＩＣを用いて作成するのはかなり難しい。それは、マイコンでは一つの動作点で複数の操作を同時にすることができないため、ゲート操作と データ採取（キャプチャー）の時間差がどうしても出てしまうからである。
周波数カウンターの基本方式は、
Ⅰ． （計測時間 ＋ 処理時間） の周期を、正確な周波数信号を用いて、プログラム内部で数値を設定してゲートタイムを決める方法
Ⅱ． 初めから一定の周期の信号が与えられている場合で、処理時間を極小にするか、あるいは、同じ処理ステップ数によって同期させて行う方法
、に分けられる。（＊ 信号の周期を測定してから換算する レシプロカル方式でも同様）
Ⅰ は、よく行われる方法で、計測時間のほかに処理時間を設け、タイマーや コンペアの上位・下位ビットの調整可能な設定によって、２16 ＝ ６５５３６ あるいはそれ以上の分解能で （１秒 ＋ 処理時間）を決定する。この 入力信号をゲートで一時止めて処理する方法によって、動作クロックが２．５ＭＨｚ程度でも、５～６桁（ゲート０．１Ｓ）あるいは ６～７桁（１Ｓ）までの精度のカウンターを簡単に作ることができる。
さらに精度を上げるためには、温度補償された高精度の水晶を用いるか、水晶の片側につけたトリマや可変容量ダイオードなどによってアナログ微調整をする。
一方、Ⅱの方法は、データのキャプチャーのタイミングを、すべてのビットで完全に同時に行われなければならない。（特に高周波の場合）１ステップでもずれると、表示に段差やちらつきが出てしまう。 たとえば 外部水晶発振器や ＧＰＳ信号（１秒）などの 固定された周期のゲート信号が与えられている場合、処理時間の誤差を何らかの方法で補償する（マイコン内で補正計算）か、２倍の時間をかけて１つおきに測定する、などの工夫が必要となる。
１． ２ ＰＩＣ方式 周波数カウンターの試作 （ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０ ＋ ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０（発振器））：
そこで まず、上記の Ⅰ．の方式で試作し、高精度化するための問題点を抽出することにした。ここでは、２つのＰＩＣを用いて互いにＩＮＴ入力で制御し合う方式とし、これによって スイッチの設定等で、プログラムの処理時間が多少増減してもかまわないようにすることができる。また、１秒以上の遅いパルスを送るので、マイコン内でタイマ１等を用いて時間を創生する必要はなく、割込みでぶつかる頻度も少なくなる。
マイコン側の基本構成は、２７．サイクルカウンター応用回路 ２．の８桁周波数カウンター と同じで、簡単のためゲートタイムは １秒に固定した。 発振器には マイコン（ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０、動作速度１２ＭＨｚ）を用い、約１秒のパルスで 互いにパルスを送って、データのキャプチャーと ゲート時間開始のタイミングを制御するようにした。
・ 通信方法は、① 発振器側のタイマ１のオーバーフローによる 正確な約１秒（１秒 ＋ 処理時間）の後、ＲＢ７からパルスを送り、マイコン側のＩＮＴ１で受け、まず Ｔ０ＣＫＩをＯＦＦにして信号を止め、それから データの処理を行う。 ② 処理が終わったら、マイコンからパルスを送り、発振器のＩＮＴ０で受け、タイマ１によるゲート時間採取を再開する。
マイコン側では、タイマ０に ８ビットモードを用いたので、割込み直後の Ｔ０ＣＯＮｂｉｔｓ．ＴＩＭＥＲ０ＯＮ＝０ によってゲートを閉じ、＝１ によって再開した。
＊ PIC18Fのタイマ０の １６ビットモードでは、割り込み中、および、割り込み以外の両方で T0CONが制御不能になり、TMR0L の読み出しの時点で自動的にタイマ０がOFFになり（同時にTMR0Hも読み込む というメリットがある。（書き込みのときは逆にTMR0Hが先） この点が、PIC１２、１６シリーズから、PIC１８シリーズへの改良点になっている。）、割込み終了と同時にタイマ０が再スタートする。 したがって、スイッチによる T0CONを用いた プリスケーラーの切り替え（１/８、１/１等）もできないので注意。
・ マイコンへの信号入力は、T0CKI入力では 約６MHｚ以上でカウント不能になるので、タイマ０の １/８ プリスケーラーを用いて、データ処理で８倍した。したがって、表示は８の倍数となる。 このプリスケーラーの方は約４０MHｚまでカウントすることができる。（Highモード： １/８、 Lowモード： １/１）
＊＊ この ８の倍数という粗さを改善するため、タイマ０プリスケーラーの中味（０～７の数値）を”掃き出し法”（ ・・・ T0CKIに隣接したRA5を出力用に切り替え（４７０Ωの抵抗を共通して入れている）、割込み内部で発生させた ２５６×８個までのパルスをT0CKIに入れて タイマ０をオーバーフローさせ、２０４８との差の数値として採取する）によって読み取ることを検討したが、（特にプリスケーラーを入れた状態で）異常値が発生するのでやめることにした。（→ （参考） プログラムの割り込み部分）
・ 発振器の水晶（４９USタイプの普及品、１２．０００MHｚ）は、上記の回路で 片側に ７ｐFのトリマ（シールドタイプ）を並列に入れたところ、測定数値（３３．００００００MHｚ）の下３桁が ±１９０ ほど可変できて、調整はかなりクリチカルだった。 また、この水晶は温度変化に敏感で、ハンダゴテで２～３秒暖めると 下３桁が約３００もはね上がったので、７桁以上の高精度化には これが最もポイントとなる。
● ソース（１４Ｋ５０）： ● ソース（１４Ｋ５０、発振器）：
２． ＴＴＬプリスケーラ付き周波数カウンター （ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ ＋ ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０（発振器））：
０ から 約８０MHｚまで 分周無し（１/１）で ストレートに測定するために、入力のT0CKIには、多少かさばるが、ＴＴＬ ＩＣ（７４AC）による Ｄ－ＦＦ を用いて２進カウンタを作り、各数値を抽出可能な １/１６プリスケーラーを前段に設けることにした。（７４AC７４ ×２で ２進カウント×４、７４AC１７５ ×１で ラッチ×４） ラッチ、クリヤ共 負パルス、得られるビット信号は負論理なので注意。（/Qでなく Qをとれば正論理になる）
タイマ０を１６ビットモードに設定したので、演算式（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ ｉｎｔ 変数・１０桁、０ ～ ４２９４９６７２９５）は、
FFF ＝ （AA＊６５５３６ ＋ TH＊２５６ ＋ TL）＊１６ ＋ ｄｄ＊８ ＋ ｃｃ＊４ ＋ ｂｂ＊２ ＋ ａａ；
となる。
この場合、入力信号の開閉を行うためのゲートが ７４AC００ のＮＡＮＤ１段では行き過ぎによる表示のジャンプが抑えられなかったので、タイマ０が１６ビットモードであるにもかかわらず、結局、ゲートを２段階設け、① ＴＴＬ ＩＣ プリスケーラーの ゲートのＯＮ、ＯＦＦ動作と、② ＰＩＣ内のＴ０ＣＫＩ のＯＮ、ＯＦＦ動作（T0CON）を、それぞれできるだけ同時に行うことができるように、発振器とマイコンの両方からタイミングを調整した。タイミング調整が １ ～ ２命令分ずれると、８桁目が１つふらつく。（下図 プログラム（左上） ↓）
その結果、ＴＴＬプリスケーラーと タイマ０の タイミングのずれに起因する 数値のジャンプ・ふらつきが、８桁目まで全く無くなった。 （・・・・ 実は、２ＰＩＣ化した意義はここにある）
また、１６ビットモード（６５５３６まで数える）なので、タイマ０のオーバーフローの回数が少なく、割り込み同士がぶつかる頻度もほとんど皆無になった。
プリアンプには、２SK２４１GR の代わりに ２SK４３９E （２SK２４１より多少 ｆ 特が良い）をそのまま差し替えて用いた。 ７４ACは １２０MHｚくらいまで使えるはずなので、プリアンプの性能が測定周波数の上限を決めると思われる。
プリスケーラーには、ＭＢ５０４（１０ＭＨｚ ～５２０ＭＨｚ、１/３２分周、電源５Ｖ）を用い、入力インピーダンスを５０Ωとし、発振防止のため入力を１０ｋΩでアースに落とした。数値はマイコンで３２倍し、表示を一桁切り捨てた。
周波数の表示を長期的に変動させ、その変動率が大きい原因となっている水晶振動子は、とりあえず、手持ちの普及品を使用した。 水晶（１２．０００ＭＨｚ、４９ＵＳ型）は、サーモスタットIC（TC６２２EPA）付きのヒーター（２W・３３Ωセメント抵抗×３本直列、電源９Vで９０ｍA・０．８W）を組み立てて取り付け、エポキシで固定した。また、温度測定用IC（LM35DZ・・・１００ｍV台 ＝ １０℃台の温度に換算、±０．５℃）も同時に挿入して、温度測定しながら周波数の変化を調べることにした。
また、トリマの代わりに、可変容量ダイオード（１SV１０１： ３V ３０ｐF、 ４V ２７．２ｐF、 ５V ２４．３ｐF、（９V １３ｐF）)を入れて、多回転VR（１０ｋΩ）によって 印加電圧を微調整できるようにした。この回路では、３３ＭＨｚで７、８桁目を±２０くらい調整できる。
● ソース（２５５０）： ● ソース（１４Ｋ５０、発振器）：
高精度の基準発振器が無いので、いくつかの５～７桁台の クリスタルオシレータで、しばらく電源を入れ安定したあたりで測定してみた結果は、次のとおりである。
（１） ＴＴＬプリスケーラとのマッチングができているかの確認として、ＡＧからの １９Ｈｚ～の低周波を、周波数をゆっくり変化させながら測定した結果は、特に、Ｔ０ＣＫＩへの切り替わりの ３２Ｈｚ、４８Ｈｚ、６４Ｈｚ、・・・ などでも問題なくなめらかに切り替わった。（負論理なので Ｔ０ＣＫＩ には/Ｑで入力する）
（２） クリスタルオシレータによる測定結果（ ＋ 上記１．の１４Ｋ５０・２ＩＮＴ・ＴＭＲ０ ８ビット ＋ ＴＴＬ ＩＣ のみで作成した５桁周波数カウンタとの比較）：
水晶発振器が充分安定して ほとんど変動していない短時間で測定した結果は、すべてオシレーターの公称値の範囲内（実質５、または、６桁）には楽に入っていた。これは一般的な水晶の精度（１０-6）と同等。 （ｃｆ． ＴＴＬ ＩＣ５桁カウンタは、ゲートで止めず、シンプルな連続計測で ラッチとクリヤとの時間間隔がかなり開いているので、発振器でその分をゲートタイムに足している。２５５０との偏差が出ているのは 合わせた基準オシレータが異なるため。変化の割合（ Δ/ ｆ ）は同じ） 数え落としや 発振による周波数の増加等は 特に無いと思われる。
