Arduino UNO R3で周波数を計る

UNO R3での周波数計測回路、過去、あれこれ作ってきました。
その応用で、トランジスタ技術2025年6月号 に
「VCO回路V-f特性の自動スイープ測定器」というタイトルで、
VCOの制御電圧を変えながら出てくる周波数を計るという
回路を載せてもらいました。

これの発端が、
・2019年12月20日：Arduino UNOで周波数カウンタ
・2021年5月1日：Arduino UNOで周波数カウンタ：アナデバの電力計用ICのために

今回のトラ技記事でも、タイマー1(16bit)のインプットキャプチャ
機能で周波数カウント用のゲートを作っています。
しかし、そのキャプチャ周期を1msとして、前回値との差分で
出したカウント値を積み重ねて、周波数としています。
　10ms(100Hz)ゲートなら1msを10回。
　0.5秒(2Hz)ゲートなら1msを500回。
ゲート時間の基本単位が1msで、好きな周期で周波数が
得られます。
　　※低周波なら周期計測のほうが良いのですが
　　　それはまた別問題。
アナデバの電力計では、ハードウェアで1秒のゲートパルス
を作りましたが、今回のは1ms=1kHzというATmega328Pでも
出しやすい周波数です。
　　　タイマー1個で作れる
無符号で加算すれば、タイマーカウンタのオーバーフローを
無視して積算することができます。
こんな具合です。

これで、1ms=1kHzのゲート時間を作っておけば、その整数倍で
いくらでも好きなカウント時間に拡張できます。

インプットキャプチャで得られた総パルスから周波数を
求められるので、0.1秒(10Hz)周期で得たカウント値を
　　この場合は10Hzが最小桁
10回の移動平均しながら処理すれば、1秒ゲートと同じ
最小桁1Hzの周波数が0.1秒ごとにえられます。
周波数の変化を見るとき、1秒待たなくても0.1秒ごとに
動きが分かります。
　　電力計では1秒のを10回移動平均して、
　　0.1Hzを読んでます。

Arduino UNO R4 minima 電源供給方法でクロックが変わる#3

2025年5月9日：Arduino UNO R4 minima 電源供給方法でクロックが変わる#2 
この続き。

UNO R4の内蔵クロック、とりあえず判明していることは
　・USBでPCとつないだときはクロック精度が上がる。
　　　　水晶発振並みに
　・USBを外して外部電源にした時はクロック精度が落ちて
　　しまう。
　・外部電源のときは「HOCOUTCR」トリミングレジスタで
　　周波数を調整できる。
　・でも、USBにつないだ状態でHOCOUTCRを触ったら、
　　なんかおかしい。
この他、ジッタ(周波数の微少変動)の問題もあります。

気になるのは、USB接続時のHOCOUTCR操作。
これがどんなものか、テストプログラムを書いてみました。

　・D4ポートに内蔵クロックを分周して作った1MHzの方形波を出力。
　　この周波数をチェックして内蔵クロックの変化を見る。

　・D3ポートは32ビットのGPT1タイマーのクロック入力に。
　　ここにD4ポートが出す1MHzパルスを入れる。

　・D2ポートをGPT1タイマーのキャプチャ入力に。
　　外部から(正確な)1Hzのパルスを入力。
　　その↓エッジでカウント値をラッチ。
　　1秒周期なのでHz単位でカウント値が読める。

　・D8ポートはキャプチャのチェックに使える1Hzパルス。
　　でもHOCOUTCRを操作して周波数を変えると、この
　　パルスの周波数も変わってしまう。
　　1MHzパルスと同じ比で変化するので、D8→D2とつな
　　ぐと、HOCOUTCRが変わってもいつも1000000Hzジャスト
　　のカウント値が得られる。

UNO R4 minimaとの接続はこんな具合。

USBコネクタを外しても通信できるよう、D0ポートの
TXDでデータを出力しています。
　　SrealではなくSerial1で。

・制御スケッチ(ファイルタイプをtxtにしています)
　　　・ダウンロード - hoco_02.txt

HOCOUTCRを-10～+10まで変化させた時の1MHz周波数を
順次シリアルデータとして出力します。

・外付け電源のときのデータ。
　　　・ダウンロード - aux01.txt

・USB接続でのデータ。
　　　・ダウンロード - usb01.txt

それをグラフにすると

・外付け電源のとき

まっとうに変化しました。
それが、USB接続ではもうはちゃめちゃに。

ほぼ1MHzなんですが、ところどころで、タイミングか
なにかは不明ですが、とんでもない周波数が出ています。

これを見ての評価。
　　USB接続のときにHOCOUTCRを触ると、クロック周波数が
　　とんでもない値になることがある。

内蔵クロックを分周して作った1MHz、USB接続では
1MHzになるよう合わせ込みをしているようです。
しかし、HOCOUTCRをユーザーが変更すると、競合して
しまうようです。

HOCOUTCRの値は、書いたものがそのまま読み出されま
したので、USBでの周波数合わせではこれは触っていない
ようです。

ということで、
　・HOCOUTCRを触ってメインクロック周波数を
　　変えてはダメ。
　・クロック周波数の精度がいるのなら水晶発振子を
　　使うように。

が結論でしょうか。


ちなみに、1Hz信号発生回路はこんなの。


「ダイソーのミニケース」 に組んでます。


8ピンの小マイコンを使うとか、リアルタイムクロックICを
使うとか、あれこれ考えられますが、プログラムを組まなくて
も1Hzが得られる4060Bを使いました。
これの欠点。4060Bひとつだと出てくるのは2Hz。
もう1/2したいわけですが、それに何を使うか。

フリップフロップ4013や4027で1/2するのも手ですが、
ワンゲートロジックに「74LVC1G80」という5本足の
「D type FF」があるんで、これで1/2が作れます。
　　電源とGND。
　　クロック入力(立ち上がり)とD入力。
　　そして/Q(反転)出力。
反転出力というのが面白い。
何かのついでに買っておきますわ。

Arduino UNO R4 minima 電源供給方法でクロックが変わる#2

・2025年5月5日:Arduino UNO R4互換：RA4M1コアボードのクロック 
この続きです。

UNO R4(互換機)、初めての通電がこれ。
・2025年5月2日：Arduino UNO R4互換品：RA4M1コアボード

D5ピンに1MHzの方形波を出してあれこれしてて、ムムムっと
なったのです。
　　　これはまだPLLを試す前

結局、Arduino UNO R4 minimaの純正品を買っちゃいました。
　　純正品には水晶発振子は付いていません。

内蔵クロックの話、純正品でも同じでした。

　・USBで通信＋電源供給したら周波数精度が良。
　　　ジッターはあるけど、水晶発振と見間違えるくらい。
　・USBを外し、外部電源で動かすと周波数が0.2%ほど下がる。

こんな不可思議現象が起こったのです。

この電源供給の方法、新たにこんなことを試してみました。

(1)USBはつながず外部電源で運転開始。
　　　リセット起動で、周波数は下がったまま。

(2)外部電源につないだままUSBコネクタ(PCからの)を挿す。
　　　すると、周波数精度良に。
　　　D8のloopパルスがずっと見えているので
　　　リセットはかかっていない。

(3)外部電源につないだままUSBコネクタを抜く。
　　　すると、周波数が下がる。
　　　リセットはかかっていない。

ブートローダーが走るのは(1)のときだけ。
(2)と(3)でリセットがかかっていないということは、
この発振周波数変化の原因、
　　ブートローダーが何かをしているのか？
は、除外できるでしょう。

そして、マイコンに入っているUSBの信号をオシロで見れるよう
にしてみました。
USB+とUSB-、それにloopパルスと+5V電源を見ます。
USBのケーブルをつなぐタイミングでこんな波形が得られました。

USBケーブルをつなぐと、1ms間隔で何かし始めます。
そして30ms後に何かゴニョゴニョ。
その後50msほどは静かで、ふたたび1ms間隔の通信に
なります。
これがUSBケーブルをつないでいる間、続きます。

ゴニョゴニョ部を拡大すると、loopパルスが途切れて
いるのが見えました。


割り込みで何かしているのだと推測できます。

USBの割り込み処理がどうなっているのかを追いかければ、
この周波数変化の原因と周波数精度アップの手法が見えて
くるかも・・・でっす。

しかし、(1)→(2)の変化はわかるんですが、(2)で安定した
のに(3)で元に戻ってしまうというのも、なんか不思議です。
1ms周期では割り込みはかかっていません。
(3)で抜いた瞬間のloopパルスを見れるようにかな。

※USBコネクタを抜いた瞬間
記録するにはトリガ源が難しい。
こんな波形が得られました。

loopパルスが消えているということは、なんらかの
割り込み処理が行われたという判断になるでしょう。

しかし、ここでクロックを元に戻しているのかどうかは
判断できません。
どこで周波数が変わるのかを調べるのは、ちょいとハードルが
高い。
メインクロックを外に出して、微妙な周波数差を見つけな
ければなりません。
周波数差が大きければなんとかなるんですが。

「ブートローダーが何かをしているのか？
　は、除外できるでしょう。」
と記しましたが、USBの抜き差しを検出して何かの
処理をするよう仕掛けたのはブートローダーに
なるのか、それともUNO R4のsetup()を実行する前の
初期化ルーチンなのか。

スマートロードスターのスピードメータ修理

忘れたころに修理依頼があります。（これで6件目）
　・2019年5月28日：修理：スピードメータが動かない
　・2023年10月 5日：修理：スピードメータが動かない #2
ぱっと見、今回もプリント基板スルーホール部のマイグレーション。

なかなかひどいです。
うまく修理できますかどうか・・・

・真ん中の写真を拡大

パターンがつながったところに異常が出ています。
「銀スル」かどうかはどうやって判断すれば？

Arduino UNO R4備忘録

・システムタイマー
　　「AGTタイマー0」で1ms割り込み。
　　　　volatile uint32_t agt_time_msをカウントアップ。

・「agt_time_ms」がmillis()の元。

・micros()はこの値にAGTタイマーそのものの値を加味
　　して経過時間を得ている

・delay()もこの値を使ってる。

・delayMicroseconds()はUNO R3と同じでソフトウェアタイマー。
　　　void delayMicroseconds(unsigned int us)
　　　　　UNO R3のように14bitという制限はなさそう。

・割込有効/禁止はこんな命令に
　　#define　interrupts()　　　__enable_irq()
　　#define　noInterrupts()　　__disable_irq()

　　そして、ARMマイコンの機械語では、

　　__STATIC_FORCEINLINE　void　__enable_irq(void)
　　　　　__ASM　volatile　("cpsie　i"　:　:　:　"memory");

　　__STATIC_FORCEINLINE　void　__disable_irq(void)
　　　　　__ASM　volatile　("cpsid　i"　:　:　:　"memory");

　　「CPSIE　I」で割込許可。
　　「CPSID　I」で割り込み禁止。

　　※Z80のように「EI」「DI」でエエやんっと思っちゃいます。
　　　長い文字、キライです。

・USBではなくD1端子にシリアル出力する「Serial1.print」。
　残念ながらバッファリング処理してない。
　文字出力が終わるまで、元ルーチンに戻ってこない。

※関連
・Arduino UNO R4、GPTのレジスタ定義にミス発見

※参考
・Arduinoの変数サイズをCPU毎に調べてみた:ラジオペンチblog