パルス列をマイコンでプログラマブルに生成

2006.10

パルス列をマイコンでプログラマブルに生成

William Grill　米Honeywell BRGA社

　回路の評価などを行う際、任意のパルス列を生成したいケースがよくあるだろう。そのような場合、従来はパルスジェネレータを用いるか、あるいは複雑な回路を構成して、連続したパルス列やイベントをトリガーとしたパルス列を発生させていたはずだ。しかし、今日のマイクロコントローラを利用すれば、目的に応じて最適化したパルス列の発生器を、最小限の部品で安価に構成できる。そうした例として、本稿では、PWM（パルス幅変調）信号をはじめとする各種パルスの発生回路を紹介する。
　図1に示したのがその回路例である。マイクロコントローラとして、米Microchip Technology社の「PIC10F 200」を用いている。同コントローラで用いるアセンブリプログラム（ここからダウンロード可能）により、任意のパルス列を生成させる仕組みだ。そのアセンブリプログラムでは、パルスの仕様を定めるために、図2に示した3つのパラメータを使用する。

図1　パルス生成回路
PIC10F200と1個の抵抗により、パルス生成回路を構成できる。

図2　パルス波形を決める3つのパラメータ
「基本周期」は5つの「サイクル」から成る。各サイクルは同一デューティ比で「単位パルス周期」の3つのパルスから成る。連続パルスを発生させるには、「基本周期」を繰り返す。

　1つ目のパラメータは「サイクル」である。これは、周期、デューティ比が等しい同一のパルスを繰り返し出力する回数を表す。パラメータ名はtemp_　cntkで、1～255の範囲で整数値を設定する。図2の例ではtemp_cntkを3としているため、同一のパルスが3回ずつ出力されている。
　2つ目のパラメータは「単位パルス周期」である。このプログラムでは、29のインストラクションから構成されるルーチン（以下、パルス生成ルーチン）が中心となる。単位パルス周期は、このパルス生成ルーチンを繰り返す回数によって決まる。パラメータ名はloopsKで、2から255の範囲で整数値を設定する。このプログラムでは、PIC10F200の4MHzの内部クロックと8ビットのカウンタを用い、1インストラクションが処理される時間を1μsとしている。そのため、29のインストラクションの実行にかかる時間は29μsとなる。単位パルス周期は29μsにloopsKの設定値を乗じることで決まるため、その値は58μsから7395μs（周波数は17241 Hzから135Hz）の範囲で設定できることになる。ここでは、loopsK＝31に設定することにした。
　3つ目のパラメータは「基本周期」であり、この周期にサイクルをいくつ含めるかを規定する。パラメータ名はtable_maxKで、1～252の範囲で整数値を設定する。
　上記3つのパラメータに加え、プログラムでは1つのテーブルを使用する。このテーブルには、各パルスのデューティ比を決める値を指定する。図2の例ではtable_maxKを5としており、パルスのデューティ比が25％、50％、87.5％、12.5％、75％の5種類のパルスが発生するようテーブルに値を定義している。
　パルスのデューティ比は、loopsKの値（パルス生成ルーチンを繰り返す回数）によって変化する。また、デューティ比の分解能もloopsKによって決まる。loopsKの値が31の場合、デューティ比の分解能（resolution）は、1/loopsK×100＝1/31×100＝3.22（％）となる。本稿の例では、各デューティ比に対応する値をテーブルを書き込んで使用する。その値は簡単に計算できる。例えば、デューティ比が25％である場合、以下のようにして計算する（INTは整数への変換を行う関数）。
　INT（25/resolution＋0.5）＝ INT（25/3.22＋0.5）＝8

　このようにして計算すると、デューティ比25％、50％、87.5％、12.5％、75％に対応する定数値は、それぞれ8、16、27、4、23となる。アセンブラプログラムには、これらの値と、先述した3種のパラメータの値を記述する。
　図3に示したのは、本稿で紹介した回路の一利用例である。図中の（a）はコントローラからのPWM出力であり、それをローパスフィルタに通すと正弦波（b）が得られる。

図3　パルス発生回路の利用例（その1）
PWM信号（a）と、それをローパスフィルタに通して得た正弦波（b）。

　もう1つ、シリアルリンクのエラー応答試験に利用可能なパルス列の生成例を示す。図4は、本稿で紹介した回路を用いて発生させた100個のパルスのデューティ比を表している。99個のパルスのデューティ比は、標準値である48％～51％の範囲に収まっており、1つのパルスだけデューティ比が75％という誤った値になるように設定してある。具体的には、まずloopsKを100、temp_cntKを1、table_maxKを100としてデューティ比が標準値の74個のパルス列を生成し、次にデューティ比75％のパルスを1個生成し、最後にデューティ比が標準値のパルス25個を生成するようにしている。

図4　パルス発生回路の利用例（その2）
シリアルリンクのエラー応答試験のための信号。100個のパルスを含むパルス列が繰り返し出力される。図の横軸はパルス列1周期に含まれる各パルスの位置、縦軸は各パルスのデューティ比を表す。

　本稿で紹介したプログラムは、メモリーを155バイトしか使用しない。またPIC10F200は、パッケージがSOT-23と小型で価格も1米ドル程度なので、十分に利用価値があるだろう。

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