０−５０ｍ通過タイム 光電センサー計測器　その３

２００６．３．２６
久しぶりで、光電計測器の記事の続きを書きますー(^-^)

現在、１／１００００秒光電計測器を、頒布用にプリント基板で試作しています(^^)
１／１０００秒光電計測器のパターンデザインを基にして、十秒台の桁と、１万分の１秒台の桁を追加しました(^^)
これによって、計測範囲は、００．００００秒〜９９．９９９９秒までとなりました(^^)
（”その１”の記事の最初で紹介した１／１００００秒計測器と同様の表示になりました）
さらに、こちらの新１／１００００秒計測器では、内部回路で１／１０００００秒（＝１０万分の１秒）単位で、
時間の計測をするようにしています(^^)　これによって、表示した計測タイムと、真のタイムとの計測誤差も、
±０．００００１秒以内と、さらに高精度になりました(^o^)
まあ、使用する光電センサが１／１０００秒以下程度の応答時間なので、計測回路のほうでこのように精度を
上げても、全体的な精度向上にはあまり意味のないことかも知れませんが、せっかくですから、
使用しているＩＣの性能を最大限に活かした設計にしました(^^)

下の画像は、現像→エッチングが終了した直後のプリント基板です(^^)
２００×１５０ｍｍの感光基板を使用しています(^^)


上の画像の一部分を拡大したものです(^^)
ピン間１本のパターンを通すようにしてパターン設計しています(^^)


部品を実装した基板です(^^)
表示用７セグＬＥＤの桁数が、１／１０００秒計測器に比べて増えています(^^)


こちらの画像は、ハンダ付け面の様子です(^^)


ハンダ付け面の一部を拡大すると、このようになっています(^^)
最近主流の鉛フリーハンダを使用しています(^^)


ちなみに、ぼくは、下のように電子工作専用の作業台を自作して、ここで作業をやっています(^^)
インバーター蛍光灯で手元は明るいし、必要な工具は全て目の前の壁にかかっていますので、
効率良く作業を進めることができます(^o^)
やっぱり、専用の場所があると、集中できますのでお勧めですよー(^o^)/




２００６．３．２７
以前、”その２”の記事で、ブレッドボードを使って実験していた、自作光電センサをプリント基板で製作してみました(^^)
（動作原理や回路図は、”その２”の記事を見てみてくださいね(^^)）
下はそのプリント基板のパターン面の画像です(^^)
左は受光側の基板で、右は発光側の基板です(^^)　２つ合わせて、幅が１００ｍｍになるように設計しました(^^)
おかげで、１００×１００ｍｍの感光基板に、発光側基板２枚と受光側基板２枚を焼き付けることができるので、
スタート側センサと、ゴール側センサを、１枚の感光基板のみで製作することができます(^o^)/


これは、発光側基板に部品を実装して動作させているところです(^^)
７５×５０×２０ｍｍの大きさの樹脂ケースの中に基板を収納しています(^^)
緑色に光っているのは、動作確認用のＬＥＤです(^^)　その左横に、赤外線ＬＥＤを２個実装しています(^^)
ここから、波長９４５ｎｍの赤外線が、３８KHzで点滅して（さらに１ＫＨｚで点滅して）出ています(^^)
なお、発光側の電源は、単三乾電池６本（９Ｖ）を使用しています(^^)
（計測器本体から電源を供給するためには、計測コースをケーブルが横切ることになってしまうため、
　発光側は、乾電池で電源を供給しています(^^)）


こちらは、受光用基板です(^^)
やはり緑色ＬＥＤを動作確認用に点灯させています(^^)　発光基板からの赤外線を受光すると、この動作確認用ＬＥＤが
光るようになっています(^^)　この赤外線をバイクなどが遮ったことを検出して、スタートやゴールのタイミング検出を
行います(^^)
この受光側基板の電源は、計測器本体からケーブルで供給しています(^^)


１／１０００秒光電計測器に接続して、動作確認を行ってみました(^^)
左が受光側、右が発光側です(^^)


１枚の画像のフレームに収めるために、発光側と受光側をこんなに近くで相対させていますが、
実際には、距離５ｍ程度までは安定して動作しました(^^)


発光側と受光側の間に、遮光のために板を入れていくと・・・


遮光されると、左の受光側の緑色ＬＥＤが消灯して、動作していることがわかります(^^)


このように、自作の光電センサでも、充分に役立つことが分かりました(^^)
この樹脂ケースを三脚の上に乗せて、０−５０ｍタイム計測コースに設置すれば、
安価な計測システムで、タイム計測を行うことができますね(^o^)/




２００６．５．２０
上の記事に載っている、新１／１００００秒光電計測器のプリント基板を、アルミケースの中に入れました(^-^)　　　　　　　
これで、やっと新１／１００００秒光電計測器の完成です(^o^)
表示桁数が多いと、やっぱり見栄えが良いですねー(#^^#)
　　
左の画像は、リセット後の００．００００秒を表示し、右の画像は０３．２５７１秒を表示しています。




２００６．１１．０４
今回の記事は、文字ばっかりです〜〜〜(-^^-);ゞ　ごめんなさい(-^^-);ゞ

これまで、１／１０００秒タイム計測器や、１／１００００秒タイム計測器に使用してきた、エプソンのプログラマブル水晶発振器
ＳＰＧ８６５１Ｂが、メーカのＷｅｂサイト掲載の情報で、販売終了予定機種になっちゃっていました〜(^^;
周波数精度は±５ｐｐｍ、経時変化が±３ｐｐｍ／年という、高性能な発振器だったのに、たいへん残念です(v_v);
（※１ｐｐｍは、百万分の１を表します。　±５ｐｐｍだと、１００ＫＨｚの周波数に対して、精度が±０．５Ｈｚとなります。
　　例えば、この発振器を使ったタイム計測器で、５秒の時間を測定すると、誤差は、±０．００００２５秒となります。）
まだ、正式な販売終了予定は、よく分からないのですが、そのうちに入手できないことになってしまいそうです(v_v);
買いだめをしておこうとも思ったんですが、１個が１５００円くらいするので、あまりたくさんの数は、買うことができません(v_v);

そこで、同程度以上の水晶発振器で、安価に入手できるものを探してみたところ、
ＫＴＸＯ−１８Ｓ（京セラ）という水晶発振器が、一番手軽にネット通販で入手できそうでした(^^)
秋月電子さんで、１個２００円で販売されていますので、価格の安さも魅力です(^^)
発振周波数は、１２．８ＭＨｚですので、このままではうちのタイム計測器には使用できないのですが、
これを分周していって、１２．８ＭＨｚ→６．４ＭＨｚ→３．２ＭＨｚ→１．６ＭＨｚ→８００ＫＨｚ→４００ＫＨｚ→
２００ＫＨｚ→１００ＫＨｚというように、１２８分周すれば、１００ＫＨｚを得ることができます(^^)
これによって、１／１００００秒タイム計測器の基準クロックとして、使用することができます(^o^)
気になる周波数精度は、ネット上でデータシートが見つからないため、ＳＰＧ８６５１Ｂと同じ項目で比較できないのですが、
温度特性が±３ｐｐｍ/℃(-20〜60℃) 、経時変化が±１ｐｐｍ／年ということで、どうやらＳＰＧ８６５１Ｂと同等か、
それよりも高精度であるようです(^^)
７４ＨＣ４０２４（7-Stage Binary Counter)などを使って、クロックを１２８分周してやれば、今までの回路をあまり変える
ことなく、小変更で使用できるので助かります(^o^)/　今後は、１／１００００秒タイム計測器には、
この水晶発振器を使っていこうかと思います(^^)

ところで、水晶発振器や、その精度の話が出たついでに、タイム計測器の測定精度について
考察をまとめておこうかなと思います(^^)

時間計測の基準となる水晶発振器には、いろいろな精度のものがあります。
通常、一般の電子機器に用いられる水晶発振器では、周波数精度は±１０ｐｐｍ〜±１００ｐｐｍ程度の、
比較的安価なものが多いようです。
時計用のものだと、比較的高精度な月差±１５秒程度のものでは、１日の誤差は±０．５秒程度となるので、
３６００秒×２４時間＝８６４００秒で±０．５秒の誤差ということは、±５．８ｐｐｍ程度の周波数精度ということになり、
それなりに高精度なものが用いられていることになります。

前出のＳＰＧ８６５１Ｂは、この市販の高精度タイプの時計と同等以上の周波数精度を持っており、
ＫＴＸＯ−１８Ｓでは、さらに高精度ということになり、０−５０ｍタイム計測器に使用するには
充分な精度であると言えます。

±１００ｐｐｍ程度の比較的低精度（と言っても、パソコンなどに用いられている普通のグレードのものなのですが）な
水晶発振器を基準クロックとして使用した場合について考察してみると、
５秒の時間を測定した場合、誤差は、±０．０００５秒ということになります。
１／１０００秒タイプのタイム計測器では、おまけをして、まあぎりぎり許容できる誤差と言えますが、
１／１００００秒タイプ以上のタイム計測器では、最小表示桁と誤差の桁が同じなため、許容できない誤差となります。
ＴＴＬや、１チップマイコンなどを使って、１／１０００秒クラスのタイム計測器を製作する場合には、（０−５０ｍタイム
計測のように、数秒間でタイム計測が完了する場合）基準となるクロックは、±１００ｐｐｍ程度のものよりも、
出来る限り良い精度のものを使う必要があるようです。

また、パソコン上のソフトウェアによって、タイム計測を行なう場合には、パソコンのクロックの周波数安定度だけ
ではなく、ＯＳの割り込み処理による処理の遅れを考慮する必要があります。
例えば、一般的に、ＯＳがＷｉｎｄｏｗｓの場合において、Ｃ言語でタイム計測プログラムを作成する場合には、
API関数のtimeGetTime ()を使用するのが簡便で高精度な方法だと思われます。
このtimeGetTime() 関数は、Ｗｉｎｄｏｗｓ起動からのシステム時間を
１ｍｓｅｃ単位で返します。（精度も１ｍｓｅｃ程度となっているようです。よって、タイム計測値の誤差は±１ｍｓｅｃほどは
出てしまう可能性があります。まぁ、ソフトウェアでの計測ですから、その程度は考え方としては
許容範囲だと思うのですが(^^)）
タイム計測がスタートした時点で、この関数を呼び出して、そのときの時間を取得しておき、
タイム計測が終了した時点で、同じくこの関数を呼び出して、そのときの時間から、
先ほどのスタート時の時間を差し引くと、タイム計測の値となります。
しかし、Ｗｉｎｄｏｗｓでは、散発するＯＳの割り込み処理により、場合によっては、数ｍｓｅｃから数十ｍｓｅｃの間、
タイム計測のプログラム処理が停止することがあります。（ＯＳは、その間に割り込んで別の処理を行なっています）
タイム計測の途中での割り込み処理の場合は、タイム計測値に影響は出ませんが、スタートの瞬間や、ゴールの瞬間に
このＯＳの割り込み処理が発生していた場合には、その時間の分だけ計測値に影響が出る場合があります。
このように、パソコンでのタイム計測値は、数十ｍｓｅｃの誤差があることをあらかじめ念頭においておく必要があります。

話をまとめると、数秒間でタイム計測が完了する、０−５０ｍタイム計測の場合、
パソコン上でのソフトウェア計測では、１／１０秒の桁までが真の値が保証されていると考えられ、（少し辛口かも
しれませんが、可能性としては、ＯＳ割り込みは無視できないはずなので(-^^-);ゞ
それに対して、ＴＴＬや１チップマイコンでの回路を使ったタイム計測器では、周波数精度１００ｐｐｍ程度の
通常精度の水晶発振器を使用している場合でも、１／１０００秒の桁までは、
真の値が保証されていると考えられます。（もちろん、プログラムや、回路に瑕疵が無ければですが(^^)）

また、周波数精度が±３ｐｐｍ程の高精度水晶発振器を使用すれば、
ＴＴＬ回路を使ったタイム計測器においては、１万分の１秒程度までの精度は出せます(^^)
（現在、完成している１／１００００秒タイム計測器は、そのようになっています(^^)）
１チップマイコンのＰＩＣを使用して製作したタイム計測器では、内部のプログラム処理に必要な時間と
動作クロック（最大２０ＭＨｚ）とから、１万分の１秒程度までの精度は、
出せるのではないかと思います(^^)（ざっと検討してみただけで、詳細には未確認です(-^^-);ゞ）

このごろ、ＰＩＣに本格的に興味が出てきています(^o^)
そのうち時間ができたら、ＰＩＣでタイム計測器を作ってみようかなぁ〜(^o^)