Y-Lab. Blog

おしらせ

[2016/05/20]
独自ドメインを取得しましたので、ブログを移行します。
（新アドレス：http://blog.y-lab.org/）
以降記事は新しいブログにのみ追加していきます。

汎用カーブトレーサ（半導体アナライザ）の試作 [UDAS-01] その1

USB 接続で動作する汎用のカーブトレーサを製作しています。
型番は UDAS-01 と名づけました。
これは USB Device Analyzer System の略称のつもりです。
未知のダイオードやトランジスタに対して、以下のようなグラフが取れます。

このデバイスは HID デバイスの USB キーボードとして動作します。
Excel を起動した状態でスイッチを押すと、
自動的に取得したデータが打ち込まれていきます。

（上面図）
写真に見るように、3ch の DAC と 16bit の ADC を搭載しています。
また、MCU には AVR の ATmega88V を使用しています。
上記写真右側のコネクタに V-I コンバータや V-F コンバータなどの
プラグインボードを接続して使用します。
汎用性を重視したつくりになっており、
半導体のみならずスイッチングレギュレータの特性など、
いろいろ計測することを想定しています。
スタンドアローンでも、15V 100mA 程度までグラフが引けます。

ちなみに、秋月で扱いのある半導体アナライザ (DCA-75) も
カーブトレーサ機能がありますが、100mA も電流を流せません。
もっとも、手軽さの点では市販品の方が優れていることは
いうまでもありません。

下記はいろいろな Tr の Ic-hFE 特性をグラフにしたものです。
(Vce = 3V (小信号) または 5V (中電力))

(1) 2SC1815

2SC1815 は汎用の小信号 Tr です。
一般にバイポーラ Tr は定格付近で hFE が低下してしまいます。
今回使用した個体は GR ランクですが、hFE の落ち込みが顕著でした。
Ic<5mA で hFE がやや低いのは測定誤差によるもので、
基本的に Ic<50mA の領域で hFE はフラットです。

(2) 2SC2021

2SC2021 は ROHM の定番汎用小信号 Tr です。
Ic 定格 100mA ですが、hFE の落ち込みは 2SC1815 ほど顕著ではありません。
一方、低 Ic の領域では、2SC1815 ほどフラットではないように見えます。

(3) 2SD468

2SD468 は日立の中電力 Tr です。(Ic=1A)
電源容量の都合で 180mA まで引きましたが、hFE は落ちません。

(4) 2SC827

2SC827 は富士通の SW 用 Tr です。 (Ic=0.5A)

TMe (三重拡散メサ型)ということで選んでみましたが、
hFE の電流依存性に関しては EP の電力用 Tr と同程度でしょうか。
(5) 2SD2171S

2SD2171 は ROHM の中電力 SW 用スーパーβトランジスタです。
スーパーβトランジスタとは文字通り hFE の非常に高い Tr のことで、
グラフを見ての通り hFE の桁が違います。
この Tr が役立つところはえてして MOSFET の方が適格となるので、
意外と使いどころが難しいういやつです。

USB バージョンを取得する (VC++)

PC に接続されている USB デバイスのバージョンがどう認識されているか
（ハイスピードの USB2.0 なのか、USB1.1 なのか…等）
知りたいことがあります。
これを取得する直接的な API はないようですが、
Microsoft の WinDDK に含まれる usbview サンプルが参考になります。

USB バージョンを調べるには、ルートハブからデバイスを走査していき、
DeviceIoControl 関数を使って USB_NODE_CONNECTION_INFORMATION_EX 構造体の情報を取得して、
デバイスディスクリプタの bcdUSB を見るというのが確実な方法だと思います。
bcdUSB には BCD で USB バージョンが入っています。

USB デバイスの VID と PID から USB バージョンを返す C++ のクラスをつくりました。
-> ダウンロード
CGetUSBVersion::GetUSBVersion(pid, vid) を呼び出すことで、
USB バージョンが BCD で帰ります。
（たとえば 2.0 なら 0x200）
取得失敗で負の値が帰ります。

なお GetRootHubName などの一部の関数は、WinDDK のサンプルから引用しています。

(メモ)I2C 絶縁回路

ADC などの I2C デバイスを絶縁させて動作させたい場合があります。
I2C は双方向バスなので、インタフェースに少し工夫が必要です。
上記はフォトカプラを使用した簡易的な I2C 絶縁回路で、
クロック 1kHz 程度なら問題なく動作します。
（なおクロックストレッチは対応せず）
回路定数は重要であり、フォトカプラの CTR も 100% 以上必要でしょう。
東芝 TLP521-GR が適当です。

TTL IC で自作する Atari Pong(5)

ひとまず完成ということで、Pong を動作している動画をアップロードしました。

実際は 2ヶ月前に回路は完成していたのですが、一度動いてしまうと満足してしまい、
しばらく放置してしまっていたのでした。

つづきはこちら

TTL IC で自作する Atari Pong(4)

* ものは完成しているのですが、執筆が間に合っていません…

4 枚目はゲームコントロール回路、サウンド出力回路です。参考にした回路図には少し誤りがあるので、原本を参照したほうがよいかもしれません。右下の SW はゲーム開始ボタンです。

オリジナルの回路にはアンテナ入力があるのですが、役割がよくわかりません。この信号と /SRST 信号は Tr で組まれたラッチ回路の入力となっており、客が近づいたら ATTRACT モードになるという動作でいいのでしょうか？今回はこの部分も TTL IC に変更しています。また、オリジナルのオーディオ出力には DC 成分が残りますので、10uF でカップリングしています。

IC のデカップリングキャパシタですが、IC 1 列ごとに 3.3uF のタンタル C、フリップフロップに別途 0.1 uF のセラミック C を乗せています。少し足りないかとも思いましたが、この程度で十分のようです。ただし、使用した IC は半分以上 74LS なので、スタンダード 74N を使用するなら、もう少し多く載せたほうが良いかもしれません。

TTL IC で自作する Atari Pong(3)

3 枚目はボール位置のカウンタ、ボール速度の計算回路を載せています。
毎度美しくない配線ですが、このほうが後のデバッグに都合良いのです…

Pong の回路の面白いところは、上下左右に動くボールの「位置」を 74161 (同期式カウンタ…オリジナルでは Fairchild 9316 ですが) によって演算させていることです。どういう仕組みなのかというと、例えば次のフレームでのボールの縦位置は現在位置の ± N とするためには、ディスプレイの縦幅が 252 ラインなので、74161 のプリセットを 4+N (>0) とした modulo 256-(4+N) のカウンタ回路を構成します。このカウンタを水平同期信号でフリーランすると、カウンタがプリセットされるタイミングの V 位置 y(t) として y(t) = y(t-1)+N となるわけです。（説明を理解するより回路を見た方が早いでしょう）

ボールの垂直速度、水平速度は動的に変わってゆきます。垂直速度はボールがパドルに当たった位置によって変化するので、ボールの移動角度が変わることになります。水平速度もゲームが進むにつれて高速になります。これらの工夫により、Pong というゲームは素朴ながらゲーム性が高くなっているわけです。

TTL IC で自作する Atari Pong(2)

基板 1 枚目

やはり 1 日がかりの作業となってしまいました。1 枚目の基板にはクロック（14.31818 MHz の 2 分周）を含む、映像タイミング生成回路を中心に乗せています。

ケーブルによる配線は基板の表面を這わせています。裏面を Point-Point で配線した方が表面からの見栄えが良く、配線スピードも速くなるのですが、配線ミスが見つけにくくなります。難しいところです。今回は表面での配線で統一しようと思います。

基板間の配線は L 型ピンヘッダを使用して、マザーボード経由の配線もしくはフラットケーブルによる配線を考えています。一昔前ならカードエッジコネクタでしょうが、今はそのほうがコスト大です。

このユニバーサル基板では、パターンの制約から、DIP IC を乗せて使うとあまりスペース効率が良くなりません。パターンカットすればこの 2-3 倍の IC を乗せることができるのですが、配線が窮屈になりすぎて不都合です。この点、サンハヤトの IC ユニバーサル基板は良くできているのですが、少し高価です…

TTL IC で自作する Atari Pong (1)

去年からロジック IC をたくさん収集していましたが、そろそろ消費するフェーズかなと思います。冬休みということもあり、Atari のアーケードゲーム Pong を作ろうと考えました。

本稿の題名は「TTL IC で自作する Atari Pong」としましたが、オリジナルの Pong は 74 シリーズの汎用ロジックで組まれているので、サービスマニュアルの回路図を元に製作することにします。サービスマニュアルや回路図は archive.org 等で手に入りますが、このページ（Dan B's Video Game Tech Page）に清書済みの PDF があるので、参考にさせてもらいます。

製作にあたって設けたルールは以下の通りです。

使用する IC は 74N、74LS (+555) に限る
配線には UEW を使わない
チップ部品を使わない

製作にはおおむね 60 個程度の TTL IC を使用しますが、ほとんど手持ちストックの中から揃えることができました。ただし、ストックの都合で、以下の IC は別の IC で代用することにします。

7425 -> 7432 (+7404)
7450 -> 74LS51
74107 -> 7473, 74LS113
9316 -> 74LS161
7483 -> 74LS283

ストックから集めた IC

今回は以下のようなユニバーサル基板を調達しました。「新印 8.5CM*20CM」と書かれており、ロジック IC の実装に便利そうです。これ 1枚に 16 個程度の IC が楽に乗せられるので、複数枚を用いてモジュール構成とします。

IC 向けユニバーサル基板

以下次回。

ニキシー管テスタのその後

以前紹介していた TR-6364 マルチメータですが、
電源ケーブル欠品という問題がありました。

特殊な規格のコネクタのようで、どうしてもケーブルが手に入らなかったので、

写真のように、普通のメガネコネクタに付け替えてしまいました。
（ちなみにこれはマルツで購入したもの）

これで、電池動作に加えて、内蔵トランスからの動作ができるようになりました。
電池動作との動作の違いは、内部動作が電池電圧直結から安定化 +15V になることで、
これにより
・AC-DC 変換部分オフセットの安定化
・内部 DC コンバータのピー音の解消
などのメリットがありました。

実は半年前に改造・調整していたのですが、
今動かしても ACV レンジでちゃんと 0 が出ます。
よかった。