Arduino UNOで周波数とデューティサイクルを高精度測定

必要な部品と用品

Arduino UNO	×1
英数字LCD（20×4文字、HD44780互換）	×1

必要な工具

• ブレッドボード（270ピン）

アプリとオンラインサービス

• Arduino IDE

プロジェクトについて

Arduino UNOを使ってパルス信号の周波数、ON時間、OFF時間、デューティサイクルを測定し、LCDにリアルタイム表示するシンプルで実用的な計測器です。通信分野、モーター制御（DCモーター速度/PWM、サーボ角度制御）、デジタル信号解析など幅広い用途で活用できます。

回路構成

• 入力信号: 測定対象のパルス波形をArduinoデジタルピン D7 に直接入力（5Vロジックレベル）。
• LCD接続 (4ビットモード):
  • RS → D8, Enable → D9
  • D4〜D7 → D10〜D13
  • RW → GND（書き込み専用）
  • VSS(1)・LEDカソード(16) → GND
  • VDD(2)・LEDアノード(15) → 5V
  • Vo(3) → 10kΩ可変抵抗の中央タップ（コントラスト調整）、両端を5V/GND

動作原理

1. Arduino起動時、LCDに Freq:, Ton:, Toff:, Duty: のラベルを各行に表示。
2. pulseIn(pin, HIGH) でパルスのHigh期間（Ton、マイクロ秒）を測定。
3. pulseIn(pin, LOW) でLow期間（Toff、マイクロ秒）を測定。
4. 周期 = Ton + Toff、周波数 = 1,000,000 / 周期 (Hz)。
5. デューティサイクル = (Ton / 周期) × 100 (%)。
6. 測定値をLCDの対応行に上書き表示。1秒ごとに更新（delay(1000)）。

測定範囲と精度

• pulseIn() の測定範囲: 約 10μs 〜 3分（オーバーフローで0返却）。
• 実用的な周波数範囲: 約 5Hz 〜 50kHz 程度（Ton/Toff が最小パルス幅以上確保できる範囲）。
• 分解能: 1μs（16MHzクロックの micros() ベース）。
• 精度向上のヒント: 複数回測定して平均化、入力信号のノイズ対策（シュミットトリガーIC追加等）。

ソースコード（全文）

#include <LiquidCrystal.h>

// LCDピン接続: RS=8, EN=9, D4=10, D5=11, D6=12, D7=13
LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13);

#define PULSE_IN_PIN 7

int onTime, offTime, duty;
float freq, period;

void setup() {
  pinMode(PULSE_IN_PIN, INPUT);
  lcd.begin(16, 4);  // 16列×4行（20×4の場合は lcd.begin(20, 4)）
  lcd.clear();
  lcd.print("Freq:");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Ton:");
  lcd.setCursor(0, 2);
  lcd.print("Toff:");
  lcd.setCursor(0, 3);
  lcd.print("Duty:");
}

void loop() {
  // パルス幅測定（ブロッキング関数）
  onTime = pulseIn(PULSE_IN_PIN, HIGH);
  offTime = pulseIn(PULSE_IN_PIN, LOW);

  // 周期・周波数・デューティ計算
  period = onTime + offTime;
  if (period > 0) {
    freq = 1000000.0 / period;           // Hz
    duty = (onTime * 100) / period;      // %
  } else {
    freq = 0;
    duty = 0;
  }

  // LCD表示更新（桁数固定でチラつき防止）
  lcd.setCursor(5, 0);
  lcd.print("       ");  // クリア
  lcd.setCursor(5, 0);
  lcd.print(freq);
  lcd.print(" Hz");

  lcd.setCursor(4, 1);
  lcd.print("     ");
  lcd.setCursor(4, 1);
  lcd.print(onTime);
  lcd.print(" us");

  lcd.setCursor(5, 2);
  lcd.print("     ");
  lcd.setCursor(5, 2);
  lcd.print(offTime);
  lcd.print(" us");

  lcd.setCursor(6, 3);
  lcd.print("   ");
  lcd.setCursor(6, 3);
  lcd.print(duty);
  lcd.print("%");

  delay(1000);  // 1秒ごとに更新
}

回路図

シンプルな2部品構成。パルス信号源（ファンクションジェネレーター、555タイマー回路、マイコンPWM出力等）をD7に接続。LCDは標準的な4ビットモード配線。可変抵抗でコントラスト調整可能。

応用・拡張アイデア

• データロガー化: SDカードシールドを追加し、タイムスタンプ付きでCSV保存。
• シリアルプロッター対応: Serial.print() で値を出力し、Arduino IDEのシリアルプロッターで波形表示。
• デューティサイクル精度向上: pulseIn() はブロッキングで割り込み無効化するため、高周波では誤差大。Timer1の入力キャプチャ機能（ICP1ピン=D8）を使えばハードウェアレベルで高精度測定可能。
• 電圧測定追加: アナログピンでピーク電圧も同時測定。