入出力ポートのはなし

入出力ポートのはなしとは

今回は組み込みマイコンなどのポートについて書いてみる。

上図はTI のI2Cバス制御の I/OエキスパンダIC TCA9555のポート回路です。
右中央の IO Pionとあるのがポートで、Q1は出力用の P-CH  FET, Q2は N-CH FETです。
出力ポートのはたらき

　まず出力についてみて見ると、出力ポートにするかどうかは、左上のラッチ Configration Registor の出力で制御されます。Q = H の場合その先に繋がる NOR 入力が High になるので、その出力は 他の入力にかかわらず、Low なので Q2 はいつも OFF。
反転Q は Lowなので繋がる NAND は他の入力がいずれでも、出力 High になるので Q1はいつも OFF になります。　これが、入力ポート状態になります。
さて、その反対の Q=Lowのときに出力ポートになりますが、その High /Lowは Output Port Registor ラッチで決まります。NANDと NOR を使って、2つの FETをうまく ON/OFF させて出力させます。もう１個ラッチが別にあれば Q1をいつも OFF にして、 OpenDrain 出力ポートに対応することも出来ますね。
入力ポート時は？

入力をチェックする Read Pulse によって Input Port Registor に入力ポートの状態がラッチされます。このICの機能では極性切り替えが出来る様で、そのためのラッチもあります。
また便利な機能として入力割り込み機能がありますが、入力ラッッチの入力と出力を EXORで見ているだけって構成に感心しました。
EXORは２つの入力の極性が違った時だけ High になるので、ポートの極性が変化した時に High （割り込み発生）になり、読んで同じになったら自動的にクリアされるなんてなかなかシンプルでうまい構成ですね。
I2C で２つの８ビットポートを拡張出来るなんてけっこう便利なIC でもありますね。

ヒステリシスのはなし

ヒステリシスとは

ヒステリシス (Hysteresis) とは、ある系の状態が、現在加えられている力だけでなく、過去に加わった力に依存して変化すること。
と辞書に載っていますが、電気的には「出力の状態によって､入力のしきい値が変化すること」と説明した方が判りやすいかと思います。
右図で説明すると、上側の回路はヒステリシスのない普通のコンパレーター回路で、マイナス入力なので入力がしきい値よりも高くなると LOW に出力されます。
　このとき、入力が図のようなノイズ･チャタリングを伴った信号ではどうなるのでしょう？しきい値の間を上下すると出力も同じように上下します。カウンターのように変化をカウントする場合はノイズで多くカウントされてしまいます。
コンデンサーで波形を鈍らせても良いのですが、鈍らせた分応答が遅くなる弱点があります。
　そのようなときには下の回路のように、出力とプラス入力の間に抵抗を入れて正帰還させます。
　動作をチェックしてみましょう。
１)入力が Lowで出力が High の場合は帰還抵抗によって出力の+12Vがプラス入力に入っているので、単体でのボリューム位置の電圧よりも高めの V1 の電圧がしきい値となっています。
２)そこにノイズ波形が入力されますが、ちょっと高めになっているのですぐには反応せず、図では３つ目のノイズで反応して出力が Low になります。
３）出力が Low になるといままで+入力に 100kΩを通って +12Vが加わっていたのが 0Vになります。そして今度は +入力を 100kΩでLowに下げる働きをします。するとしきい値の電圧は V2と上側の回路よりも低い電圧になります。
４）しきい値が V2 になったため、残りのノイズの時も その電圧をまたぐことはなくなりますので、出力は Lowのままで安定します。
　このように、緩やかに変化するクロックや、ノイズを持った入力に対してヒステリシスをもった入力回路を使うことによって安定な動作をすることが出来ます。
ソフト的には
　ゲートICなどでもヒステリシスを持った 74HC14 などがありますので、うまく使うと便利ですね。

カウンターIC のクロックのはなし

カウンターIC のクロックのはなしとは

今年一番のトラブルチェックは、１０進カウンターの 4518 についてです。
この CMOS IC は電源電圧 12V で使えるので、便利なのですが最近入手性が悪くなり今まで使っていたのが MC14518B という ON-Semi のものです。
最近入手性が良いのが、 CD4518B という Texas Instruments の ICです。

データーシートを見ただけでは全く変わりがないので、ネットでトラブル報告を調べるとどうやら、クロックの立ち上がりが問題の様です。

このICが時々おかしな動きをするというので、上記回路でクロックに矩形波を入れたり、三角波(立ち上がり／立ち下がりを遅くするため）を入れて実験してみました。
１）通常の出力

通常の矩形波入力では 13KHz でも問題ありません。
２）三角波 13KHz

三角波にすると今まで 10カウントで１周していたのが９カウントとなり、分周がうまく動作しません。周波数を変えてゆくと、35KHzを超えたあたりで正常に戻ります。
　立ち上がり時間を計算すると、
1000uS÷35KHz = 28.6uS となり、立ち上がり／立ち下がり周期はその半分ですから、
28uS÷2 = 14uS となり、スペックの 5uS 以上というのは満足しています。
元のICはどうか？

では、 MC14518Bはどうかというと、何と500Hz まで大丈夫なのです。
1mS ÷0.5KHz = 2mS 立ち上がり／立ち下がりは 1mS なので　７０倍の違いです。　ですから、けっこうな 立ち上がり／立ち下がりのゆるやかなクロックでも MC14518Bは大丈夫なのですね。
このあたりは、カウンターのクロック入力がシュミット入力（入力遷移レベルにヒステリシスがあって、ゆるやかに変化しても素早く切り替わり、一度切り替わったら遷移レベルが動いて逆戻りしにくい構造の入力）になっているものは、立ち上がりが緩やかでも動作するそうです。
データーシートには載ってないし、スペック的には入っているので、安易に交換してトラブルを起こしやすいポイントですね。

HEX calc pro 1.00 リリース

新春一番のリリースが HEX calc pro 1.00 です。

SUDOTECK はiOS アプリ HEX calc pro をリリースしました。このアプリはエンジニア向けの16進と浮動小数点を混在して入力出来る計算機です 。
Version 1.00

高機能な 16進電卓や科学計算電卓はありますが、いちいちモードを切り替えなければならず、最大の問題は16進数と小数点値を同時に使用出来ないことです。

　例えば 12Bit A/D コンバーターの最大値は 0x0FFF ですが、10数値では 4095 です。
5V が最大値のとき 1bit あたりの電圧は小数点計算で 5V ÷ 4096 = 0.00122 となり、プログラムデバッグで読んだ値が 0x03FF だったときに、0x03FF = 1023 と計算して1023を覚えておいてモードを 小数点計算に変えて、 0.00122 X 1023 = と計算します。

普通の計算機では[HEX] 5÷1000 では 0以下になり、0になったまま計算出来ません。そこで uV 換算して
[DEC]5000000 =[HEX] ....4C4B40
[HEX]4C4B40÷1000=....4C4
[hex]4C4 x 3FF =...130B3C -> [DEC]....1248060uV
と出ますが、 4C4 になった時点で小数点以下値が切り捨てられています。

本計算機ならば、
5÷[HEX]1000 X 3FF ....1.248779 と、答え一発です。

1) 基本入力は浮動小数点モードです( DEC モード）.
2) DECモードでも入力結果や計算結果を自動的に16進表示します.
3) HEX インジケーターをタップすると 16進モードになります.
4) DEC インジケーターをタップすると 10進、浮動小数点モードになります.
5)計算の途中でも自由に16進数や浮動小数点値を入力出来ます。

詳しい説明はここ
iTunes ではここまで