電子工作のための電気回路基礎講座

詳細：https://fumimaker.hatenablog.com/entry/2020/07/09/031834
電子工作を始めるために必要な基礎知識をまとめました。本書では、電気の基礎からアナログ回路、デジタル回路、マイコンの初歩までを網羅しています。初歩的なことしか書いていないので、教科書や書籍を参考にしながらじっくりと勉強してください。
This is a summary of the basic knowledge necessary to start electronic construction. This book covers the basics of electricity, analog circuits, digital circuits, and the rudiments of microcomputers. Since this book contains only elementary information, please study it in detail while referring to textbooks and books.

Transcript

1. ిࢠ޻࡞ͷͨΊͷ ిؾిࢠճ࿏جૅߨ࠲ ー今更聞けない基礎知識ー Arch B4 fumi
2. はじめに • 電⼦⼯作をある程度できるようになるための基礎知識です． • èマイコンを使った電⼦⼯作が始められるようにします． • 物理の話がメインになります．嫌いな⼈は耐えてください． • 幅広い範囲をさらいます． • それぞれの章で⼀つ学問になってるくらいには深い内容なので難しい • 間違いがあるかもしれないので指摘してください． • 趣味でやっている⼈間が作った資料なのでご容赦ください 2 こうなったらごめんなさい 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
3. はじめに • ⼿書きなので読めなかったら教えてください． • 詳しい理論などについては省いていくので別途調べてください． • カメラ｜マイクをONにしてもらえると話しやすいのでよかっ たら… • 壁に向かって話してるような感じになってしまうので… • 超わかりやすく喋るつもりなので対戦よろしくお願いします． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 3
4. ⼀応⾃⼰紹介 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 4 • Arch B4 fumiと⾔います． • ものを作るのが好き． • 電⼦⼯作など物理をよく やっています． • ⽝が好きです．猫も好き． • 作るのは⼤変なので買った ほうが良いことに気づいた． ダックスが好きです． 散歩に毎⽇⾏ったことでダイエットに成功した⽝↑
5. アジェンダ • はじめに • ⾃⼰紹介 • アジェンダ • イントロ • 電⼦回路について • 回路の表し⽅ • アナログとデジタル • 基本的な計算式 • オームの法則 • キルヒホッフの法則 • テブナンの定理 • 基本受動素⼦（RCLD) • 抵抗 • インダクタ • コンデンサ • それぞれの交流特性について • ダイオード • LED 5 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
6. アジェンダ • 受動素⼦ • トランジスタ • FET • オペアンプ • コンパレータ • 発振回路 • 電源回路 • シリーズレギュレータ • スイッチング電源 • シャントレギュレータ • デジタル回路 • TTLとCMOS • 論理回路 • フリップフロップ • T-FF • RS-FF • D-FF • JK-FF 6 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
7. アジェンダ • マイコン • イントロ • 仕組み • GPIO • 割り込み • タイマー • CCP • キャプチャ • コンペア • PWM • 拡張PWM • ADC/DAC • EUSART • SPI • I2C • その他 7 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
8. 第Ⅰ章 イントロダクション 8 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
9. 物理がわかるってたーのしー！＞ • 結局動いてるのは物理なので物理がわかれば再利⽤性が⾼い • しかしハードルも⾼い • わかれば⼀⽣使える知識 • ぜひチャレンジ！ 9 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
10. 1-1 回路の表し⽅ 回路についての 基礎知識 10 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
11. 回路図といえば 11 これが読めるようになると，とても便利．世界共通⾔語 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
12. 回路図 • まずは⼩学校から。 まずは⼩学⽣から。 12 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
13. 回路図 • 実体配線図を回路図にするとこうなる • 簡素に表⽰できてよい 13 実体配線図↑ 回路図記号を使った回路図 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
14. 回路図 • 電源はシンボルを使ったほうが便利 • すっきり。 • シンボルの添字を必ず明記する 14 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
15. シンボルは便利 • これらは同じものを表す • è正式な回路図記号ではない 15 これらは同じ↑ ＝ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
16. 回路図記号について • JISが定めた回路図記号（旧JIS） • 新JIS（国際標準規格に準拠） • これからは新JISを使った⽅が良い． • 旧JISは海外に通じない場合がある． • 実際は混ざってるので両⽅とも覚えた⽅がいい． • 僕は旧JISが好き． 16 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
17. GND（グラウンド） • 電位の基準点。 • それぞれ意味が違うが、 電⼦⼯作レベルではそんなに 気にしなくていい。 • 基準なので普通は０Vだが、 ０Vではないこともある。 • アース接地されたオシロスコープを つなぐ場合は短絡するので注意 • アナログ・デジタル回路で 基準を分けることもある。 17 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
18. 電源シンボル • GNDと同じように電源シンボルがある。 • 電圧や種類によっていくつかある。 • 形を変えたり、添え字を変える。 • 基準電位が異なる場合など対応 • アナログデジタル • 強電弱電 18 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
19. 1-2 アナログとデジタル 19 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
20. 20 乾電池，鉛蓄電池など 家庭⽤電源，商⽤電源 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
21. 21 デジタル アナログ 連続的に変化する信号 離散的な信号 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
22. デジタル回路とアナログ回路とはなんぞ？ • デジタル回路とは0と1で表される デジタル信号（電圧）を⼊出⼒し て表現される回路のこと．è論理 回路 • ハイかローしかない．かんたん！ • アナログ回路とは，電波など連続 的な信号を取り扱う回路．アナロ グ信号を増幅させたり，減衰させ たり，変形させたりして電⼦回路 の動きを調整する． • アナログ信号（⾳，光，⼒，電 波）をデジタル回路で使いたい場 合，0か1のデジタル信号に変換す る必要がある． 22 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
23. 第⼆章 電⼦回路の基本法則 オームの法則 キルヒホッフの法則 テブナンの定理 23 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
24. ちょっとおさらい 抵抗 Resister 24 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
25. 抵抗とは • 電⼦回路のうち主要な部品． • 電流の流れ具合を決める． • 電流を電圧に変換する． • è詳しくはオームの法則へ • これがないと世界が崩壊する． 25 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
26. 抵抗はどこ？ 26 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
27. 抵抗のフレンズ • 炭素⽪膜抵抗 • ⾦属⽪膜抵抗・酸化⾦属⽪膜抵抗 • セメント抵抗・メタルクラッド抵抗 ⼀番使う ⼀番安い これを覚えればいい ⾼精度 ⾼い オーディオとかに使う 酸化はより⼤きい電⼒ ⼤電⼒ 最近はあんまり⾒ない ⼤電⼒ ⾞の改造とかで使う⼈がいる ⾼い 27 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
28. 抵抗のフレンズ • 半固定抵抗 • 可変抵抗 28 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
29. 抵抗の単位と記号 29 • 炭素⽪膜は4本 • ⾦属⽪膜は5本 • よく使うのは覚えていく。 これで覚えるらしいが⾃分は⾃⼰流で覚えました． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
30. 抵抗の合成抵抗値 30 電流は流れやすい所に集中する ので燃えることもある． 誤差には注意． R1=R2の時，定格電⼒は2倍になる． ディレーティングをお勧めする． ある程度（25%-100％）余裕を持たせてあげた設計 使⽤場所によって信頼性が変わってくる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
31. ディレーティング • 限界で使うとすぐに壊れる • ディレーティングをすることで信頼性の向上を狙う． • 使⽤環境によってディレーティング係数が変わる． • 周囲温度 • 湿度 • 振動 • 他化学変化など 31 後述の法則をつかって計算するのが⾯倒な場合はこれで⼀発で抵抗値計算できる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
32. 法則？覚える必要ある？ • ⾮常に便利なので覚えましょう． • 使っていくことになるので多分覚えます． • 利⽤頻度の⾼いものはキャッシュとして持っておくと良いのは⼈間も 同 • いちいちググるのが⼤変になってくる 32 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
33. オームの法則 • 中学校の内容，覚えてる？ • V=IR • 電⼦⼯作ではめっちゃ使います。 必ず覚えましょう。 • 直流交流いずれもこれが成⽴する． • P[W] = E[V]I[A]で消費電⼒が表される． 33 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
34. ショートはなぜ危険なのか？ • ショート/短絡とは，抵抗なしに回路を短絡させてしまうこと． • なぜ危険？ 34 *
    
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    <"> 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
35. ショートはなぜ危険なのか？ • リポバッテリーは瞬間的に100~500A程度流すことができる． • ⾮常にエネルギー密度が⾼い． • ⾝近にショートは起こりうる． • Lipoのバッテリーコネクタを交換しようとして切ったら… 35 https://www.youtube.com/watch?v=IaSGUz0wVsY&feature=emb_logo 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
36. 短絡してしまうこともある • ⼤容量コンデンサは充電時短絡になる． • 電気⼆重層コンデンサなど • è抵抗で電流を制限してやることが必要 • 実験では意図せず短絡することもある • è安定化電源をつかおう • 定電流で供給してくれる． • ⾃由に電圧を変えられる． 36 開発には必須の機材 電源⽼舗メーカー菊⽔の電源は最⾼ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
37. 2-1 キルヒホッフの法則 37 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
38. キルヒホッフの第⼀法則 • 流れ込む電流の和は流れだす和 は等しい • 当たり前だけど電流は減ったり 増えたりしないよ • I1+I2+I3+I4=0が成⽴する • 予想で電流の向きを記⼊して計 算して⾏った時に電流値が負に なったら⽮印が逆… • のほうが計算しやすい 38 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
39. キルヒホッフの第⼆法則 • 電気回路の任意の⼀回りの閉じた経路について，電位差 の和は0である． • ⼭に登って降りたら標⾼差が0ｍになってるように 回路を⼀周すると電位差は0Vになっている． • V1=V2+V3 • V3=V4 39 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
40. キルヒホッフの第⼆法則 • 第⼆法則を具体的に考えてみる． 40 iPadで解説 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
41. 抵抗分圧 41 • 抵抗に流れる電流は同じでも電圧は抵抗の⽐率によって変わっ てくる． これめちゃくちゃ使います． iPadで解説 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
42. 2-2 テブナンの定理 42 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
43. テブナンの定理 • 複雑な回路網を等価回路におきかえて，ある場所の電流を求め ることができる． • キルヒホッフや重ね合わせの理を使うのが王道 • ⾯倒なのでテブナンを使う 43 テブナンの定理 | ⾼校物理の備忘録 https://physnotes.jp/em/ecir_thev 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
44. やりかた • 電流を求めたい部分を切り離す • V0を求める • R0を求める • 等価回路に変換する • 電流を求める． 44 https://hegtel.com/thevenin-no-teiri.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
45. 実際に計算してみる • 電流を求めたいところを切り離す 45 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
46. 実際に計算してみる 等価電源V0を求める． 等価抵抗R0を求める． 46 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
47. 実際に計算してみる • 求める電流I 47 求めることができた！ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
48. 過渡現象 • 定常状態から別の定常状態に移るまでに起こる現象． 48 https://eleking.net/study/s-transient/str-transient.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 満充電時も電流は流れないわけではないので、i=0にはな りません…過渡公式の時間変数を無限にしてあげると証 明できます。
49. 2-3 LED点灯回路の試作 LEDを点灯する回路の設計 49 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
50. LEDを光らせてみよう。 • 使いたいLEDのデータシートを⾒る． • オームの法則で電流制限抵抗値を計算。 • 回路を実際に組んで光らせる。 50 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
51. 秋⽉で⼀番上にあったこれを光らせる 51 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-11577/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
52. データシートを読もう 52 http://akizukidenshi.com/download/ds/optosupply/OS XXXX3Z74A_VER_A1.pdf 最⼤定格，電圧などをみる． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
53. 電流制限抵抗を決める • LEDはVfを2[V] ． • LEDには10[mA]電流Iを流した い． • 電源EはUSBを使いたいので 5[V] • 電流制限抵抗R[Ω]を求めよ 53 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
54. 抵抗は⼤丈夫か？ • 抵抗の消費電⼒は最⼤定格を超えていないか確認． • P=RI^2=300*0.01^2=0.03[W]<0.25[W] 54 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-25103/ 1/4W抵抗 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
55. 55 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
56. 補⾜1：LEDの電流制限抵抗値 56 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
57. 補⾜1：LEDの電流制限抵抗値 • なぜ⼈類はインジゲータLEDに⻘の超⾼輝度LEDを使ってしまうのか？ • è昔はLED暗かったが，最近はめちゃめちゃ明るいため． • ⾚LEDはVfが1V程度低いので注意 今のものに昔の電流値を流すと⽬潰しをすることになる． • 古い参考書などは20mAくらい流すように書いてある． • 最近は1mA, 0.1mAでも綺麗に点灯する． • 懐中電灯を作るつもりがないのであれば1~10kΩでヨシ！ • 電流を絞ると省エネになる． • ⾒える所であれば不快にならない程度の明るさを探してみる． 57 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
58. 実際に光らせてみる． • 回路を実際に作るのは⼤変． • ハンダ付けが必要． • 簡易的に回路を試作する⽅法 • ブレッドボードを使った試作がおすすめ • ジャンパワイヤーを挿して配線する． 58 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
59. ブレッドボードを 使った試作 • ある⽅向だけ導通してる． • つながってない場所をうまく使って配 線をする． 59 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
60. LED配線の例 60 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
61. 補⾜2：ブレッドボードを過信しすぎない • 今動いても次はないと思え． • 構造上，信頼性が低く持ち運んだらほぼ壊れる． • ⻑時間挿すとバネが弱って保持⼒がなくなる • 接触抵抗が⼤きい． • 静電容量が⼤きい． • リアクタンスが⼤きい． • リード同⼠がショートの可能性 • 10MHz以上で動かすとダメ．（鈍る） • ⼤電流もダメ．（溶ける） • è基板に起こそう！ 61 https://fumimaker.hatenablog.com/entry/2020/05/08/190457 詳しくはWebで！ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
62. 補⾜3：ジャンパは⾼いの使った⽅がいい • 秋⽉の安いものは結構断線しやすい． • 少しでも切れそうな前兆があったら躊躇わず捨てること 62 35yen/1p 3.6yen/p 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
63. 63 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gC-05159/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
64. 補⾜4：ハードワイヤー を使おう • 盛り蕎⻨/スパゲティーになりやすいので ハードワイヤーをおすすめ． • 電源の取り回しなど，動かさないものは ハードを使った⽅がスマートで事故が発 ⽣しにくい． 64 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
65. 65 çこれはおすすめしない çハードワイヤー 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
66. 話を戻してLED回路の試作 • 実演（⼿元カメラ） 66 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
67. Hello World成功！ • おめでとうございます． • Hello World完了です． • Lチカしたければ⼿動でジャンパ を連打してください． 67 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
68. 第三章 基本受動素⼦RCLD 抵抗に並んで重要な 電⼦部品 68 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
69. 受動素⼦RCLDとは？ • R：抵抗 • C：コンデンサ • L：インダクタ • D：ダイオード • 昔はRCLと⾔われたが最近はRCLDとも呼ばれる • 電⼦回路を構成する上で基礎となる重要な部品 69 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
70. 3-1 コンデンサ 70 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
71. コンデンサはどこ？ 71 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
72. コンデンサ • 電荷を貯める性質がある． • 周波数が⾼いほど容量性リアクタンス （抵抗値）が下がる． • 静電容量単位は[F]，普通は[μF]が使われる． 電気量Q[C]=C[F]V[V]=It タンタルコンデンサ 電解コンデンサ セラミックコンデンサ フィルムコンデンサ など 72 ⾼分⼦コンデンサ 積層セラミック コンデンサ（MLCC） アルミ電解コンデンサ タンタルコンデンサ ここに数式を⼊⼒します。 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
73. コンデンサ • 容量性リアクタンス = ! "# = ! $%&# [Ω]（交流回路素⼦⼀つの場合） • 周波数が⾼くなるほど容量性リアクタンスは ⼩さくなる特性がある． • コンデンサの種類による周波数特性が影響 • 最も重要なのは直流成分のカット． • 平滑 • 位相をずらす • フィルタに使う 73 回路図記号 無極性コンデンサ 電解コンデンサ（有極性） 回路モデル 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
74. コンデンサ • コンデンサは⽔を貯めるもの（よく⾔われる） 74 iPadで説明する 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
75. コンデンサ 75 VC=Vf 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
76. 3-2 コイル（インダクタ） 76 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
77. コイル • インダクタともよばれる • 周波数が⼤きいほど誘導性リアクタンス（抵抗） が⼤きくなる • è⾼い周波数は電流が流れににくい • コイルの⼤きさを表す「インダクタンス」 L[H]ヘンリー • エナメル線を磁⽯に巻いたものがコイル． • （ただのエナメル線でもコイルになる） • è銅線，配線もコイルになりうるので注意 • èドライヤーを巻いたまま使う 77 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
78. コイルの性質 • 流れる電流が増加するとそれを妨げようとする • 流れる電流が減少するとそれを妨げようとする • 所定の周波数以上の電流をながれにくくする 中学⽣の頃，コイルはツンデレと覚えていました． 78 ≒ ？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
79. コイル • 容量性インダクタンス = L = 2π[Ω] • メカトロニクス・FAではコイルをたくさん使う • 電流è⼒で全てコイルを使っている． • モーター • イヤホン（スピーカー） • ソレノイド • 急に電流を流したり，急に⽌めると発⽣した磁場を維持しようと して⾼電圧が発⽣する． • 電源回路（昇圧，降圧） • スタンガン • エンジンの点⽕ • è半導体が破損することもある⾼電圧に注意 • 意図せずインダクタンスが発⽣した場合，di/dtが⼤きいと回路に影響する可能性 79 コイルの回路図記号 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
80. 磁場の話 • コイル（インダクタ）は特に磁場と関わりが深いので補⾜ • 電気（電場）と磁場は切っても切り離せない関係 • コイルに溜まった磁気エネルギーなど求めることもある • チョッパ回路ではコイルのエネルギーを使った昇圧などする 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 80 電磁誘導と右ねじの法則 | アルファ⼯業株式会社 http://alphakogyo.co.jp/powertools/1757/#:~:text=%E7%A3%81%E5%A0%B4%E3%81%AE%E5%90%91%E3%81%8D%E3%81%AF%E9%9B%BB%E6%B5%81,%E3%81%93%E3%82%8C%E3%81%8C% E5%8F%B3%E3%81%AD%E3%81%98%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%82 電流が流れる場所に磁場は必ず存在する． 磁場がある場所には電流が必ず存在する．
81. 右ネジの法則（アンペールの法則） • 磁場と電流を⼊れ替えても右⼿の法則は成⽴する． • 電磁誘導など • H＝i/（2πr） • ケーブルからの距離をr, 磁界の⼤きさをHとする 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 81 電磁誘導と右ねじの法則 | アルファ⼯業株式会社 http://alphakogyo.co.jp/powertools/1757/#:~:text=%E7%A3%81%E5%A0%B4%E3%81%AE%E5%90%91%E3%81%8D%E3%81%AF%E9%9B%BB%E6%B5%81,%E3%81%93%E3%82%8C%E3%81%8C% E5%8F%B3%E3%81%AD%E3%81%98%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%82
82. フレミング左⼿の法則 • ローレンツ⼒と電流の向きと近いの向きを⽰す法則 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 82 フレミングの左⼿の法則・覚え⽅と使い⽅がイラストですぐ分かる！｜⾼校⽣向け受験応援メディア「受験のミカタ」 https://juken-mikata.net/how- to/physics/fleming-left-hand-rule.html
83. 3-3 ダイオード PN接合の偉⼤さ 83 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
84. ダイオードはどこ？ 84 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
85. ダイオード • ⼀⽅⾏に電流を流すことができる半導体． • LEDも実はダイオードに当たる． • 様々な種類のダイオードがあり，特性が異なる． • 昔は真空管でダイオードを作成していた． 85 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
86. ダイオードの極性 • 電流の流れる⽅向は決まっているので当然極性が決まっている． 86 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
87. ダイオードの役割 • 整流をする． 電流の向きを揃える． 87 ໾ׂ ipad解説 https://www.sbbit.jp/article/cont1/36638電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
88. ダイオードの種類 • 汎⽤整流ダイオード • 1V程度の電圧降下がある． • 整流回路など • 安価で⾼耐圧．⾼電流なものもある． • ゲルマニウムダイオード • 信号を取り出すために使う． • AMラジオ • 可変容量ダイオード • FMラジオの変調 • ショットキーバリアダイオード • ⽴ち上がりが⾼速 • 0.2V電圧降下が⼩さい • 逆⽅向漏れ電流が⼤きい • スイッチングダイオード • 0.6Vほど • ⾼速なものもあり，⼩信号で広く使われる． • ツェナーダイオード • 逆電圧をかけた場合，あるところで定電圧になる． • 発光ダイオード • LED 88 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
89. いろいろなダイオード 89 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
90. ダイオードの原理 • p型半導体とn型半導体が⼀つの結晶内でつながったものをPN接合と呼ぶ。 • PN接合はダイオード他トランジスタにも使われている． • 順バイアス時もある程度電圧を加えないと電流が流れない． • 接合部は逆バイアス時に空乏層ができることで電流が流れなくなる． • 逆電圧がある閾値を超えると突然電流が流れるようになるもの もある（ツェナー降伏） 90 順バイアス時 逆バイアス時 ⾮線形の抵抗のように動作する． アナログ乗除算で使う 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
91. 91 https://www.sbbit.jp/article/cont1/36638 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
92. 3-4 RCLの交流特性 92 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
93. まず交流とは何か？ • 時間によって⼤きさと向きが変わるもの． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 93 正弦波交流の波形 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e-sysnet.com/sine-wave-ac/
94. 円運動 • 正弦波は円運動として考えることができる． • 2[] = 360[deg] • = 2[/] 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 94 正弦波交流の波形 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e-sysnet.com/sine-wave-ac/
95. 瞬時値と最⼤値 • 交流の起電⼒eと電流iの表し⽅ • 瞬時値を次のように表す • = [] • = [] 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 95 正弦波交流の波形 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e-sysnet.com/sine-wave-ac/
96. 位相 • 位相が遅れている-，進んでいる状態+ • +-θで表す． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 96 正弦波交流の波形 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e-sysnet.com/sine-wave-ac/
97. 平均値と実効値 • 平均値 • 1周期ではなく0.5周期で計算する． • ⾯積を求める． • 最⼤値の2/π倍すると平均値 • = ! " [] • 実効値 • ⼀般に交流は実効値で表す． • 最⼤値の1/sqrt(2)倍すると実効値 • = #$ ! [] 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 97 正弦波交流の波形 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e-sysnet.com/sine-wave-ac/
98. R交流回路のインピーダンス • インピーダンスでは⼤きさと向きがあるのでベクトルで表す．（ ̇ Z) • インピーダンスの⼤きさはベクトルの絶対値で良い ̇ Z = R[Ω] 98 ̇ Zのベクトル図（複素平⾯） 抵抗は実数がプラスになる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
99. Lの交流インピーダンス 99 虚軸 実軸 Lは虚部がプラスになる ̇ Zのベクトル図（複素平⾯） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
100. Cの交流インピーダンス 100 Cは虚部がマイナスになる ̇ Zのベクトル図（複素平⾯） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
101. その他のRLC交流回路… • 電磁気ではよく使うので覚えておくといいかもしれません 101 https://eleking.net/study/s-accircuit/sac-3simpedance.html https://eleking.net/study/s-accircuit/sac-3pimpedance.html https://eleking.net/study/s-accircuit/sac-2pimpedance.html ç参考HP 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
102. 共振周波数とは • 回路に流れる電流値が最⼤となる固有の周波数のこと． • コイルとコンデンサの位相差はπ • 電圧が常に逆になる • コイルとコンデンサの電圧が等しければ抵抗に加わる電圧が最 ⼤になる． • 抵抗に流れる電流が最⼤ • è回路に流れる電流が最⼤：共振回路 • LやCを変更できれば共振周波数を変更できる． • è同調回路と呼ばれる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 102 共振回路 ▪わかりやすい⾼校物理の部屋▪ http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/p/elec/koukairo/kyousinn.html
103. 第四章：受動素⼦ 103 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
104. 4-1 増幅器 104 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
105. 増幅器 • ⼩さな信号を⼤きくするもの． • センサーは微弱な信号しか発⽣できないが，増幅することで利 ⽤可能になる． • コイルに⼤電流を流すことで電流を⼒に変換し，アクチュエー タを動かすこともできる． 105 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
106. 簡単な増幅器：リレー • 増幅器の⼀つ． • ABに電流を流すことでCDを操作する • ⼩さな⼒でスイッチを動かし⼤電⼒を操作 106 https://www.omron.co.jp/ecb/product-info/basic-knowledge-series/basic- knowledge-of-relays/part1/basics https://www.mskw.co.jp/support/car/relay 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
107. リレーのメリット・デメリット • スイッチされる側の電圧，電位，周波数にスイッチする側が影 響されない． • コイルを動かしてスイッチするのである程度のパワーでスイッ チしないとダメ • マイコンなどは無理 • コイルはインダクタンスなので逆起電⼒が発⽣する • ⾼周波でスイッチすると熱で死ぬ 107 メリット デメリット 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
108. 4-2 トランジスタ Trasnsister 108 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
109. 109 トランジスタはどこ？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
110. トランジスタとは • 能動部品の代表格 • 最も重要な部品，CPUもこれで構成されている． • 最近では7nmのトランジスタを80億個搭載している． • トランジスタだけで本⼀冊できるくらいには深い内容 • 今回は接地回路についてはエミッタ接地しか扱わない． 110 ໾ׂ 信号を増幅する（アンプ） 回路をON，OFFする（スイッチング） http://www.am.ics.keio.ac.jp/digital/transistor.pdf トランジスタの特性について詳しくは 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
111. τϥϯδελ ૿෯ͷಾ • ⼀番つまづきやすい部品． • 電⼦回路初⼼者はだいたいこれで みんな挫折してる． • これがわかれば電⼦回路を理解し たといっても過⾔ではない． • 実は⾃分もあまりよくわかってな いが感覚で使っている． • 原理について理解することで電⼦ 回路を完全理解できる． 111 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
112. トランジスタとはどんな部品？ • トランジスタにはバイポーラランジスタ・電 界効果トランジスタ（FTE）に分けられる． • トランジスタには • バイポーラトランジスタ • NPN • PNP • ユニポーラトランジスタ • MOSFET（現在の主流） • 接合型JFET（ゲート部分がPN接合） • ⾦属半導体型MESFET （ゲート部分がショットキー接合) • 今回はバイポーラトランジスタ をモデルに紹介する． 112 エクボで覚える …と⾔われるが最近はそんなこともない http://www.maroon.dti.ne.jp/koten-kairo/works/transistor/Section1/intro1.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
113. ユニポーラトランジスタ：FET • バイポーラが電流を制御するのに対して，ユニポーラは電圧を制御する． • FETは実際に電流が流れないので省エネ． • 今時はほとんどFETになっている． • 構造が平⾯的であるため集積化が容易 • コンピュータの最⼩構成単位とも⾔える． • 今回は詳しく説明しない， 113 http://www.maroon.dti.ne.jp/koten-kairo/works/transistor/Section1/intro3.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
114. FETの種類 • MOSFET • ゲート部分の表⾯が半導体部分表⾯が酸化膜による絶縁膜になってる • 現在の集積回路は全部これ • 接合型FET • ゲート部分がPN接合になっている • ⾦属半導体型FET • ゲート部分がショットキー接合になっている 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 114 電界効果トランジスタ - Wikipedia https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%95%8C%E5%8A%B9%E6%9E%9C%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%82%B9%E3%82%BF
115. トランジスタの作⽤ • スイッチング作⽤ • 増幅作⽤ 115 どうでもいいけどこのデザインアイディアの 写真の配線がやばすぎて採⽤しました． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
116. トランジスタの増幅作⽤ • 紛らわしい⾔葉「増幅」 • è1が10になるなんてそんなことはありえない． • 百円が千円になることなんてない． 116 http://startelc.com/elc/elc_3_7Tr1.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
117. 本当のトランジスタの働きは？ 117 暗記必須 エミッタ，コレクタ，ベース iPadで説明 ⼩さな電流だけど，スイッチくらいは動かせる ⼤きな電源のスイッチを⼊れる ⼤きな消費電⼒のものが動く http://startelc.com/elc/elc_3_7Tr1.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
118. 活⽤例 • SWをいれてベースに電流が流れる • ベースに電流が流れるとコレクタエミッタ間に電流が流れる • èリレーのようにスイッチング • マイコンと直結できる • 基板⾯積を⼩さくできる 118 E C B http://startelc.com/elc/elc_3_7Tr1.html ↑問題があるので後述 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
119. トランジスタの増幅とは • ベースの電流を電流制限抵抗で調節 • 流れる電流量を調節できる • ⽔道でよく例えられる． 119 ⼩さな電流だけど，スイッチくらいは調節できる ⼤きな電源のスイッチを調節する ⼤きな電⼒を調節する http://startelc.com/elc/elc_3_7Tr1.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
120. トランジスタ活⽤ • デジタル回路ではスイッチング素⼦ • アナログ回路では増幅素⼦として出てくることが多い． 120 トランジスタ⼊⾨：トランジスタのスゴいところ http://www.maroon.dti.ne.jp/koten-kairo/works/transistor/Section1/intro2.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
121. トランジスタの原理 • NPN，PNPはP半導体，N半導体で挟み込んだ順番のこと • バイポーラトランジスタは正孔と電⼦の2つで動作する． 121 トランジスタとは？、トランジスタの基本原理 http://www.nteku.com/toransistor/Default.aspx NPNトランジスタ PNPトランジスタ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
122. トランジスタの原理 • NPNトランジスタをモデルに原理を解説 • 【Bに電圧印加をしない場合】 • エミッタとコレクタがそれぞれマイナスとプラスになるように 電圧をかける • エミッタのN型半導体にある⾃由電⼦と間に挟まれたP型半導体の 正孔が結合することで空乏層ができる • 電流は流れない（逆バイアス） • 【Bに電圧印加した場合】 • エミッタとコレクタがそれぞれマイナスとプラスになるように 電圧をかける • ベースにプラスを印加する • NèPは順⽅向バイアスなのでエミッタ側から供給された⾃由電⼦が正孔に引かれてベース側に流れ込み エミッターベース間に電流が流れる．（ベース電流） • P型半導体は⾮常に薄いためエミッタ内部の⾃由電⼦は留まらずコレクタ側に移動していく． • è電気の通り道ができ，プラスのコレクタからマイナスのエミッタに電流が流れる． 122 正孔と⾃由電⼦が動作に関わるためバイポーラ（双極）と呼ばれる．BーEはほとんどダイオードと同じ http://www.am.ics.keio.ac.jp/digital/transistor.pdf 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
123. 代表的なトランジスタ • NPNトランジスタ代表 2SC1815 • とりあえず持ってると便利で良い． • 困ったらなにかと使いがち • ⼩信号，低周波増幅⽤トランジスタ代表格 • ランク分けされており，HFEが異なる • 東芝はEOLだがUTCなど他メーカーが作ってる • 参考書などは全部これなのでみんな欲しがる． 123 http://akizukidenshi.com/download/2sc1815-gr.pdf 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
124. 代表的なトランジスタ • 1815に⾜してコンプリメンタリな PNPトランジスタ2SA1015 • コンプリメンタリとは • 電流と電圧の極性が異なるが絶対最⼤適格や電気的特性が同等 124 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
125. データシートの読み⽅ • 電⼦部品には データシートが存在する • 取扱説明書 • 読まずに使うと燃える 125 http://akizukidenshi.com/download/2sc1815-gr.pdf 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
126. データシートの読み⽅ 名称 意味 コレクタエミッタ間電圧 VCE コレクタに印加できる最⼤電圧，半分で使う コレクタ電流 IC コレクタに流せる最⼤電流．コレクタ損失も合わせて検討する ベース電流 IB ベースに流せる最⼤電流 コレクタ損失 PC VCE*IC 温度上昇に弱いので半分で使った⽅がいい 126 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
127. データシートの読み⽅ 名称 意味 直流電流増幅率 hFE コレクタ電流/ベース電流 同じパーツでも個体ごと異なる コレクタ・エミッタ間飽和電圧 VCE トランジスタが飽和(=完全にON)したときにコレクタ- エミッタ間に発⽣する電圧． ベース・エミッタ間飽和電圧 VBE ベース-エミッタ間に発⽣する電圧．ベース電流やコ レクタ電流の⼤きさで変化する．印加電圧がこれ以下 の場合はそもそもコレクタ電流は流れない． 127 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
128. データシートを読んでみる 128 名称 意味 直流電流増幅率 hFE コレクタ電流/ベース電流 同じパーツでも個体ごと異なる コレクタ・エミッタ間飽和電圧 VCE トランジスタが飽和(=完全にON)したときにコレクタ- エミッタ間に発⽣する電圧． ベース・エミッタ間飽和電圧 VBE ベース-エミッタ間に発⽣する電圧．ベース電流やコ レクタ電流の⼤きさで変化する．印加電圧がこれ以下 の場合はそもそもコレクタ電流は流れない． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
129. ⾊々な接地回路 • これまではトランジスタを使ったスイッチングだけをしてきた • アナログ的な増幅をすることもできる． • エミッタ接地回路 • ベース接地回路 • コレクタ接地回路 129 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
130. エミッタ接地回路 • 電流，電圧の増幅度が⼤きい． • 出⼒の位相は反転する． • ⾼周波領域で増幅度が低下する． • トランジスタの標準的な使い⽅ • スイッチングにつかう 130 トランジスタの使い⽅ー基本接地回路 http://www.nteku.com/toransistor/transistor-tukaikata.aspx 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
131. ベース接地回路 • エミッタに流れる電流を増減させるようにして動作 • 電流増幅度はないが，電圧増幅度はある． • ⾼周波回路によく使われる． • ⾼周波特性が良い • 電流増幅率はほぼ1 • ⼊⼒インピーダンスが低い • 出⼒インピーダンスが⾼い 131 トランジスタの使い⽅ー基本接地回路 http://www.nteku.com/toransistor/transistor-tukaikata.aspx 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
132. コレクタ接地回路 • ⼊⼒インピーダンスが⾼く，出⼒インピーダンスが低い • èインピーダンス変換に使われる • エミッタフォロワ回路とも呼ばれる • 電圧増幅度は1 • ⼊⼒インピーダンスが⾼い • 出⼒インピーダンスは低い 132 トランジスタの使い⽅ー基本接地回路 http://www.nteku.com/toransistor/transistor-tukaikata.aspx 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
133. 4-3 トランジスタの実演 実際に作る 133 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
134. 実際に増幅回路を設計してみる 134 マイコン信号で超⾼輝度LEDを点灯させたい例． 2SC1815を利⽤して増幅回路を設計する． iPad使いながら実際に設計する 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
135. 抵抗を計算する 135 ベース電流を計算する 必要なベース電流を流す抵抗値を決定する R2は電荷チャージのために必要（安定化のため） ⼤きくしすぎると常時ONしてしまう 実際は計算値よりも⼤きくして振り切って しまったほうが良い（オーバードライブ） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
136. 実演：50mA流せる回路を作る • 結果 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 136
137. 補⾜：スピードアップコンデンサ • コンデンサの⼒を使って ⾼速にスイッチング 137 トランジスタスイッチの⾼速化 http://www.purple.dti.ne.jp/masuki-sys/page133.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
138. 補⾜：スピードアップコンデンサ 138 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
139. トランジスタを完全に理解できた • これでトランジスタを完全に理解することができました • おめでとう！ 139 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi ト ラ ン ジ ス タ を
140. 補⾜5：増幅が⼤変なケース • ⼤電流を流す，⾼周波を扱う場合，考えることが増えるので難 しい • Trのスイッチング応答時間 • ON抵抗 • 電荷チャージ時間，抵抗値 • 負荷のリアクタンスなど • モータードライバ • 熱と速度の戦いになる． 140 正しく設計されなかったFET↑ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
141. 増幅をするなら.. • トランジスタは温度によって誤差が⽣じやすいため⼤雑把なこ としかできない．（hFE） • データシート参照 • デジタル的な使い⽅であれば問題ない． • センサ信号などより⾼精度な増幅をしたい時は？ 141 オペアンプがすごい理由 ｜ 電⼦回路設計の基礎 https://www.kairo-nyumon.com/opamp2.html ＜待たせたな 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
142. 補⾜：トランジスタもすごい • オペアンプはスルーレートが存在し，それ以上の速度では増幅 できない． • èFMラジオではOPだと間に合わないのでTrをつかう • 余談：FETでも増幅はできる • 余談：オペアンプの中⾝はトランジスタ 142 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
143. 4-4 オペアンプ マジで便利 143 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
144. オペアンプがとは何か？ • 電⼦回路の設計おいて多く出てくる重要な回路 • 初⼼者にとっては得体の知れないもの • 演算増幅器: Operational Amplifierと呼ばれる． 144 オペアンプとは何か？ - 電⼦回路の基礎 https://www.kairo-nyumon.com/opamp_summary.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
145. オペアンプとは何か？ • かつてはOPを使ったアナログコンピューターの研究が盛ん • è現在ではデジタルを⾼速で演算している． • Q.じゃあアナログコンピューターの衰退とともにOPは使われなくなったのか？ • A.NO かつて以上に様々な場⾯で利⽤されている． 145 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
146. オペアンプの応⽤例 • ⾼精度な信号増幅 • 周波数フィルタ回路 • サンプルホールド回路 • バッファ回路 • AD/DA回路 • AM/FM回路 • アナログ回路の⾼性能化に必要不可⽋ 146 理想オペアンプ特性 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
147. オペアンプの特徴 • 電圧増幅率（電圧利得，ゲイン，利得）は数百倍・数千倍 • è負帰還なしの利得を開放利得という． • イマジナリーショート（仮想短絡）を使って利得を制御する． • èわかりにくい概念なので理解できればすごい • スルーレート（動作速度）が存在する • 様々な種類のオペアンプがある． 147 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
148. オペアンプの種類 148 オペアンプ（OPアンプ)の種類と使い分け＆選び⽅ | マルツオンライン https://www.marutsu.co.jp/pc/static/large_order/1104opamp 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi • TTL • ⾼耐圧，両電源対応に多い．素⼦のばらつきが少ないので精度が⾼い． • ⼊⼒部がトランジスタなので⼊⼒インピーダンスが低い（数百MΩ） • CMOS • 耐圧もスルーレートもそこまで⾼くない． • D-S間飽和電圧がほとんどないのでRail to Railが可能． • ⼊⼒部がFETなので⼊⼒インピーダンスが⾼い（数TΩ） • JFET • ⾼スルーレート，⾼インピーダンス，⾼耐圧． • 素⼦のばらつきが⼤きいので精度は期待できない．
149. フルスイング（Rail to Rail）とは • 供給した電源電圧の範囲内全てで信号を扱えるもののこと． • 出⼒だけフルスイングのもの，⼊出⼒フルスイングのものがある 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 149 TTL CMOS JFET ⼊⼒インピーダンス 低 ⾼ 中 スルーレート ⾼ 低 中 電源電圧 ⾼ 低 中 精度 最⾼ 悪 悪 消費電⼒ ⾼ 低 低 オペアンプ特性表 オペアンプ特性図
150. イマジナリーショートとは？ • OPは反転⼊⼒端⼦と⾮反転⼊⼒端⼦の電位差が0になるように出⼒電圧を調整する． • 反転⼊⼒端⼦が0Vなら1kΩに1mA流れる • 5kΩに1mA流れる電圧がかかれば反転⼊⼒端⼦0Vが成⽴する． • èOPはVout=-5Vを出⼒ • ⾮反転⼊⼒端⼦と反転⼊⼒端⼦はショート してないのに同じ電圧になる． • èイマジナリーショートという． 150 反転増幅回路 オペアンプがすごい理由 ｜ 電⼦回路設計の基礎 https://www.kairo-nyumon.com/opamp2.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
151. ⾼精度に信号を増幅する⽅法 • OPの利得は1000〜10000倍以上だがこのまま使うことはない • フィードバック（負帰還）を使って調整する． • 抵抗誤差を考えて 10：1 くらいにすると特性が良い 151 利得10倍の反転増幅回路 https://www.kairo-nyumon.com/opamp2.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
152. 反転増幅回路と⾮反転増幅回路 152 オペアンプとは？ - エイブリック株式会社 https://www.ablic.com/jp/semicon/products/analog/opamp/intro/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
153. その他の応⽤例 153 ⼊⼒信号と同じ電圧が出てくる． インピーダンス変換，回路の分離をするバッファ として使える． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
154. その他応⽤例 • 計装アンプ • センサーの⼩さい信号増幅⽤など⾼精度 な増幅が可能なアンプ • ロードセルやシャント抵抗など増幅 154 ←ホイストーンブリッジ回路 イチから学ぶオペアンプと計装アンプの違い (2) オペアンプを⽤いて計装アンプは設計できるの か? | マイナビニュース https://news.mynavi.jp/article/20141113-microchip_opamp/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
155. 4-5 コンパレータ こうしても使える 155 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
156. コンパレータ • 2つの電圧を⽐較してデジタル的に1か0を出⼒する． • 負帰還がないので無限に増幅されて最終的にVccかGNDになる． • ヒステリシスをつけることもできる． • 発振防⽌の位相調整コンデンサで影響で動作速度がかなり遅くなる 156 オペアンプ、コンパレータ | ルネサス エレクトロニクス https://www.renesas.com/jp/ja/support/technical- resources/engineer-school/electronic-circuits-03-op-amps-comparator-circuit.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
157. 第五章：電源回路 ⼒の源（？） 157 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
158. 電源回路 • 電源について語るだけで本が何冊もできる（学問としてある） • 電⼦⼯作レベルで使われる電源の作り⽅について解説 • だいたいデジタル回路を使うと思うのでデジタル回路で使うこ とを前提に話します． • ここからは主に使い⽅について解説，仕組みは語りません． • サクサクいきます 158 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
159. 電源回路の種類 159 スイッチングレギュレータ シリーズレギュレータ シャントレギュレータ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
160. 5-1 シリーズレギュレータ お⼿軽電源 160 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
161. シリーズレギュレータ • 78xxで始まる電源ICのこと． • 負電源の79xxもある • 三端⼦レギュレータと呼ばれることが多い． • Vin>Voutな電圧を⼊れると安定して出⼒してくれる． • いろいろな電圧，電流のものがある． • ⼊⼒-出⼒の電位差が熱として放出される ので発熱に注意．この特性のため変換効率 は低め． 161 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08678/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
162. シリーズレギュレータ仕組み • 降圧 • 整流 • 平滑 • 安定化 162 Vf＊2の電圧降下 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
163. シリーズレギュレータの使い⽅ • コンデンサがないと発振するのでつける． • でも⼤きすぎると応答性能が悪化して発振する • ⼊⼒：周波数特性が良いMLCCè0.1uF程度 • こちらにも電解コンデンサあったほうが良い • 出⼒：安定化向上のために電解コンデンサè47uF程度 • 周波数特性的にはタンタルコンデンサが最⾼ • データシートに詳しく解説されてる 163 https://radio1ban.com/bb_regu/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
164. 実演？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 164
165. 5-2 スイッチングレギュレータ 賢い電源 165 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
166. スイッチングレギュレータ • DCを⾼速で電気をONOFFしてAC変換， 平滑することでDCに戻すやり⽅． • リニア式よりも発熱が低く，効率が良い． • 設計によっては不快⾳がする場合がある． 166 DC電圧を切り刻み，必要な電⼒だけを出⼒するので効率が良い 降圧型スイッチングレギュレータの動作原理 ｜ 電源設計の技術情報サイトのTechWeb https://techweb.rohm.co.jp/knowledge/dcdc/s-dcdc/02-s-dcdc/90 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
167. スイッチングレギュレータ • パッケージになっているものから超⼩型まで⾊々 • ドライバICをつかって⾃分で設計することで⾃由度の⾼いこと ができる． • èただし，⾮常にノイジーな電源 • 設計だけで学問になってるくらいには奥が深い • パワーは無限ではなく， コイルに溜められる分だけ． • ⼤きくて数W 167 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-06970/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
168. 5-3 シャントレギュレータ ローノイズ 168 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
169. シャントレギュレータ • 抵抗によって電流を制限 • 不必要電流分は全て電⼒制御素⼦に流して熱変換する． • ノイズが皆無なのでオーディオでは使われる模様． • 効率は最悪だが，電源電圧が可変する場合や出⼒インピーダン スを低くしたい場合に利⽤する． • 回路が簡単 169 シャント シリーズ http://www.riric.jp/electronics/design/power/kind-of-power-source.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
170. 第六章 デジタル回路 お待たせしました 170 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
171. デジタル回路とは • HレベルとLレベルだけで成り⽴ってる回路のこと． • 中間とかない． • 信号の損失がなくなる • アナログ回路ではリアクタンスやキャパシタンスなどが影響 • 信号が損失しても復元できる場合がある • アナログでは0.52Vとか2.02V • デジタルでは5Vー0V, 3.3V-0V, 1.2V-0V • 近年では省電⼒化のためにレベルがどんどん下がっている 171 https://www.macnica.co.jp/business/semiconductor/ar ticles/intel/133315/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
172. 6-1 TTLとCMOS これが…“レベル”の差…! 172 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
173. 信号レベル • TTL • 本来はtransistor-transistor-levelだったが最近は単純にH=5V，L=0Vを指す ことが多い • VIH: 2.0V • VIL: 0.8V • CMOS • VIH: 0.5〜0.7*Vdd • VIL: 0.2*Vdd • LVTTL • 本来はTTLより低いの意味だが，⼀般的には3.3Vを指す． • VIH: 2.0V • VIL: 0.8V 173 http://www.aimo.co.jp/work- blog/ttl%E3%83%AC%E3%83%99%E3%83%AB%E3%80%81cmos%E3%83%AC%E3%83%99%E3%83%AB%E3%80% 81lvttl%E3%83%AC%E3%83%99%E3%83%AB/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
174. 6-2 論理回路 ちょっとおさらい 174 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
175. 論理回路 • さすがによいでしょう．．． • 真理値表にあらわされる 175 これはなに？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
176. 汎⽤ロジックIC • 74HCシリーズは汎⽤のロジックICです。 https://wwws.kobe-c.ac.jp/deguchi/sc180/logic/gate.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 176
177. 補⾜6：74HCってなに？ • 1960年代にTIなどが発売したロジックIC7400シリーズ • 現在は⾼密度化，省電⼒化に伴い淘汰された • ⼤⼿の東芝も息を引き取った • 74HC High-speed CMOS • 74AC Advanced CMOS • 74AHC Advanced High-speed CMOS • 74VHC Very High-speed CMOS • 74ALVC Advanced Low-voltage CMOS • 74LSとか他にも⾊々ある 177 ロジックICの種類とTI社のポリシー紹介 | 富⼠エレクトロニクス https://www.fujiele.co.jp/semiconductor/ti/tecinfo/news201801180000/ ToshibaICってかっこいいよね 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
178. 74HC00 • 4つ⼊ってるだけです。 https://www.technobotsonline.com/74hc00-quad-2- input-nand-gate.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 178
179. 74HCシリーズ • いろんな論理回路をくっつければ思うように動作させることが できる。（汎⽤IC） https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT153.pdf 2回路4⼊⼒マルチプレクサをロジックICで作るのは⼤変 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 179
180. よく使われるものはパッケージに • 74HC153 https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT153.pdf 2回路4⼊⼒マルチプレクサ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 180
181. 6-3 ⼊出⼒特性 181 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
182. 実際に論理回路を使ってみる • 実際に動かしてみる． • 難しそうだけどNOTが六個⼊ってるだけ • 未使⽤端⼦は電源に固定する． • 未接続は不定になってしまうので発振の可能性 • シュミット取りがーとは？ 182 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
183. シュミットトリガー • ⼊⼒にヒステリシスを持ってる回路のこと． • ⼊⼒レベルが暴れることを防ぐ． • ノイズを含んだ信号を2値化してもノイズが乗りにくい • LèHになったらちょっと電圧が下がってもHを継続 • HèLになったらちょっと電圧が上がってもLを継続 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 183 「シュミットトリガ回路」の解説(1) - しなぷすのハード製作記 https://synapse.kyoto/glossary/schmitt-trigger/page001.html ⼊⼒電圧 VIN 出⼒電圧 VOUT 備考 VIN <VTHL VH (H) 必ずHが出⼒される領域です。 VTHL ≦VIN ≦V TLH 直前の出⼒がVL (L)ならVL (L)を 出⼒します。直前の出⼒がVＨ (H)ならVH (H)を出⼒します。 Lが出⼒される場合とHが出⼒される場合とが混在するグレー ゾーンです。直前の出⼒を維持する様に働きます。 VIN >VTLH VL (L) 必ずLが出⼒される領域です。 宮崎技術研究所の技術講座「実⽤ノイズ対策技術」14.ディジタル回路技術 (1)〜(3) http://www.miyazaki-gijutsu.com/series2/noise141.html
184. 74HC14を動かしてみる：配線 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 184 http://akizukidenshi.com/download/ds/Toshiba/TC74HC14AP_datasheet_ja_20140301.pdf
185. 未使⽤端⼦の処理 • 未使⽤端⼦は必ずレベルを固定する • ⼊⼒をVCCかGNDに繋ぐ • è超⾼速で発振することで使⽤端⼦に影響がおよぶ • èノイズとなって放射される • マイコンも同様で，未使⽤の場合はHiZに固定するべき． • ⼤体のマイコンは初期化状態でHizになっているから多分⼤丈夫？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 185
186. 実演：SWを操作するとLEDがつく？ 186 実演 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
187. こうなるか？ 187 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
188. 挙動がおかしくなります． • NOTの⼊⼒が未接続になる． • 未接続è不定状態≠0V • HでもLでもない曖昧な状態èデジタル回路では あってはならない状態 • でも何も繋がってなかったら0Vじゃないの？ • 0V＝GND電圧 • GNDが繋がっていなければそれば0V じゃない（基準電位が同じじゃない） 188 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
189. プルアップ・プルダウン • じゃあGNDを繋いでやって基準電位を揃えればいい • プルアップ・プルダウンを⾏って電位を揃える 189 iPadで説明・実演 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
190. プルアッププルダウンは こうして使う • 実はこれプルダウン抵抗だった 190 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
191. プルアップ・プルダウンどっちがいい？ • スイッチングをするときには必ずプルアップ，プルダウンを⾏う è不定になって挙動不審になる • FET，Trでプルアップをやらないと.. • 超⾼速で発振するので数MHzとかでスイッチングすることになる • 過去にやりました • どっちがいい？ • 正論理になるプルダウンが好まれるが プルアップを使った⽅が良い • ノイズに強い • 消費電⼒が⼤きくなる 191 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
192. プルアップした場合（実演） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 192
193. ソース・シンクとは？ • 普通はソース電流で考えるが，シンク電流でも考えられる． • シンク性能の⽅が⾼いことが多いのでシンクが使われる． • 電流はポート全体・IC全体で考えないと丸焦げになる． 193 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
194. 発展：増幅回路と組み合わせる • 出⼒の⼩さいロジック回路の出⼒を⼤きくする • 実演 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 194
195. 実演 • 結果 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 195
196. ラッチアップ • ⼊出⼒端⼦にGNDより 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 196
197. 6-4 フリップフロップ 197 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
198. 外せないFF回路 • コンピュータを語る上で絶対に外せないフ リップフロップ（FF)回路 • コンピュータを構成する最重要要素と⾔って も過⾔ではない • これがないと始まらない 198 https://twitter.com/shapoco/status/1047707399270752256 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
199. RS-FF • リセットフリップフロップ回路 • ⼊⼒の最後の操作を記憶する． 199 回路図 タイミングチャート ディジタル回路の基礎 http://www.mech.tohoku- gakuin.ac.jp/rde/contents/course/mechatronics/digital.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
200. D-FF • CLKの⽴ち上がり(⽴ち下がり)でDの⼊⼒をラッチ(保持)する． • 写真を⼀定間隔で撮るようなもの • レジスタはこれでできている． 200 ディジタル回路の基礎 http://www.mech.tohoku-gakuin.ac.jp/rde/contents/course/mechatronics/digital.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
201. JK-FF • CLKの⽴ち上がりでJKの状態に応じて出⼒が変化する • Qの現状態も影響するので3⼊⼒のようになる． • 状態遷移回路などで使われるらしい 201 真理値表 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi Q→Q' J K 0→0 0 x 0→1 1 x 1→0 x 1 1→1 x 0
202. 第七章：発振回路 デジタル回路の源
203. 発振回路とは？ • マイコンなどはクロックの⽴ち上がり（または⽴ち下がり）で動作する． • 1秒で何回クロックが動くかをクロック周波数という． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 203 CPU・MPUはどうやって動く？ 〜 発振器のナゾ - MONOist（モノイスト） https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/0611/28/news110.html
204. 発振回路の種類 • ⼤きく分けて2つある． 1. 帰還型（普通はこれ） 2. 弛張型 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 204 ハートレー発振回路 コルピッツ発振回路 発振回路 - 我孫⼦おもちゃ病院 壊れたおもちゃ無料で治療します。 https://abiko-toy- hospital.jimdofree.com/%E3%81%84%E3%81%BE%E3%81%95%E3%82%89%E8%81%9E%E3%81%91%E3%81%AA%E3%81%84%E9%9B%BB%E6%B0%97%E3%81%AE%E3%83%88%E3% 83%AA%E3%83%93%E3%82%A2/%E7%99%BA%E6%8C%AF%E5%9B%9E%E8%B7%AF/
205. 発振回路の原理 • 帰還回路は増幅された信号のうち 発振を持続したい周波数だけ還す • 増幅回路の⾮直線性や飽和によって そのうち⼀定の振幅に落ち着く 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 205 発振回路と変調回路の原理 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e- sysnet.com/%E7%99%BA%E6%8C%AF%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E3%81%A8%E5%A4%89 %E8%AA%BF%E5%9B%9E%E8%B7%AF/
206. 制御なしでもLチカができる • ⾮安定マルチバイブレータ で検索！ • 実演したい． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 206 発振回路 - 我孫⼦おもちゃ病院 壊れたおもちゃ無料で治療します。 https://abiko-toy- hospital.jimdofree.com/%E3%81%84%E3%81%BE%E3%81%95%E3%82%89%E8%81%9E%E3%81%91%E3%81%AA%E3%81%84%E9%9B%BB%E6%B0%97%E3%81%AE%E3%83%88%E3% 83%AA%E3%83%93%E3%82%A2/%E7%99%BA%E6%8C%AF%E5%9B%9E%E8%B7%AF/
207. 第七章：マイコン お待たせしました
208. 7-1 イントロダクション 208 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
209. この章について • この章では代表的な機能と原理を解説する． • 具体的なマイコンの使い⽅は扱わない． • 希望があったらArduinoくらいなら実演できるかもしれない． • PICを操作する上で⾮常に便利なサイ • http://www.picfun.com • http://zattouka.net/GarageHouse/micon/MPLAB/16F1827/ memo.htm 209 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
210. マイコンとは？ • ワンチップマイクロコントローラーとも⾔われる． • ⼀つのICの上にCPUからRAM，ROM，⼊出⼒装置など搭載 • 汎⽤的な処理はできないが，特定機能を⾏える． • 炊飯器から⾃動⾞の制御まで広く採⽤されている． • 基本的に⾼性能ではないのでベアメタルで使う場合が多い • ⾼性能なものではOSを載せて動かすこともできる． • 電⼦⼯作だとマイコンボードArduinoが有名 210 http://rtmrw.parallel.jp/led- work/raspberrypi/raspberrypi-1/doc-1.pdf 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
211. 7-2 マイコンの種類 211 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
212. マイコン市場を⾒る 212 https://happytech.jp/wordpress/2019/10/11/stm-32-mcu-no-2- with-over-20-share-of-general-purpose-mcu/ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
213. マイコンの種類ーPIC • PIC • Peripheral Interface Controller，Microchipが作っているマイコン． • RISCライクなハーバードアーキテクチャ • 8Bit，16Bit，32Bitのものなど多様化している • 現在はEEPROM，Flashメモリにプログラムを書き込んでいる 昔は紫外線を当ててリセットしていた． • ピン数，⼤きさ，形状，速度などたくさん • 12F, 16F, 18F, 24F, 32F • 安価で組み込みに最適 • データバスとプログラムバスが独⽴ • ⾼速動作が期待できる • （といわれる） • 開発環境はMPLABX • 絶対ディスコンにしない．（強い意志） 213 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
214. マイコンの種類ーAVR • Atmelが開発したRISCベースマイコン • IOと容量を拡張したMega • 低電圧低消費電⼒のTinyがある • ハーバード型アーキテクチャ • ArduinoのCPU：Atmega328pはAVR • ブートローダを書き込めばArduinoになる． • 最近AtmelはMicrochipに買収された • 開発環境はAVRStudio 214 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
215. マイコンの種類ーH8・RX・RZ • ⽇⽴製作所（ルネサス）が開発したマイコン． • 最近のRA，RZファミリはARMコアを載せているらしい • 2015年まではシェア1位の地位が揺らぐことはなかった • 値段が⾼級だが，⽇本語マニュアルあるし，サポートも⼿厚い • ⾞では結構使われてるのでシェアはあるらしい • ホビーユースではあまりみない • 最近ではSTやMicrochipに押し流されている． • 開発環境はHEW 215 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
216. マイコンの種類ーARM • その構造で世間を騒がせる悪名⾼きARM • ⼀⽅で⾼性能であり組み込み⽤途では急速に普及している • ARMは半導体を作ってるわけではなく，アーキテクチャのみで IPコアとして販売し，いろいろな会社が好きに機能をつけて製 造している． • Cortex-A，Cortex-R，Cortex-Mがある． • Aは⾼性能，OSを載せて使うような場合 • Rはリアルタイム性能 • Mは低消費電⼒向け（M0系以外はハーバードアーキテクチャ） • 縦読みでARM 216 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
217. マイコン種類ーNXP • ARMコアを搭載したマイコンを製造している． • Mbed LPC1768が有名． • いろいろな⼤きさ，性能のものを販売している． • 汎⽤の他，⾃動⾞⽤などに向けても製造してるらしい． • ちょっと価格が⾼いがMbed環境で簡単に開発できる． 217 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
218. マイコンの種類ーSTM32 • ARMコアを搭載しているマイコン，STマイクロが製造． • マイコンボード市場の価格破壊を起こしている張本⼈． • 多機能⾼速多IOなのに⾮常に安価． • シェアを急速に伸ばしており，最近Renesasをブチぬいた． • ⼤学への積極的な提供も⾏っており，最近ロボコンはほぼこれ． • Nucleo Boardが有名． • Cortex-M0, M3, M4, M7, M0, A7などを搭載したマイコンボード． • ⼤きさや速度，IOなど選べる． • Mbed環境で開発することもできる． • 開発環境はSTM32Cube 218 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
219. STM32シリーズ表 • リソース量がぶっ壊れてる • ⾊々桁違い • 1word1clockを節約して組み込む 時代は終わった． • RTOSを載せて動かすことも可能 219 https://www.st.com/content/st_com/ja/products/evaluation-tools/product-evaluation-tools/mcu-mpu- eval-tools/stm32-mcu-mpu-eval-tools/stm32-nucleo-boards/nucleo-f334r8.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
220. マイコンとマイコンボード • 何が違う？ • CPU単体とCPU withマザーボードみたいなもの． • IOがピンヘッダまで出てる • シリアル通信が可能なUSBポートがある • 電源回路がある • スタックできるソケットがある • ⾊々便利にしてくれるのでプロトタイプに便利 • 組み込む際はCPU単体を使い，基板を起こすのが⼀般的． • たまにマイコンボードのまま使ってる⼈もいる.. 220 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
221. 有名なマイコンボード • Arduinoシリーズ • AVR atmega328pを使ったボード • Arduino環境を使った簡単な開発が可能 • Uno, nano, mini, micro, megaなどたくさんある • 最近はCortexを搭載したCPUもArduinoで開発できる • Arduino Coreが遅いので我慢できれば最⾼のマイコン • ESPシリーズ • Espressifが作るマイコン • WiFi通信が可能，BLE通信ができるものもある． • Arduino環境で開発可能なので簡単． • ESP-IDFを使うとより⾼度なことができる． • Dual-coreでSRAMとFlashも豊富，速度も速い • STM32 NucleoBoard • STM32各種が乗ったボード • 安価な割には性能が⾼くIOもたくさんあるので良い • Mbed環境が使える他，STM32Cubeで開発できる． • 最速では400MhzくらいでるF7シリーズもある • M5 Stack • ⽇本でなぜか流⾏ってるマイコンボード？ • button, display，MPU，Bluetooth, WiFi, speaker, SD, battery • ArduinoやPythonでも開発できる． 221 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
222. 補⾜：ハーバードアーキテクチャ • PIC，AVR，⼀部ARMコアなど多くのマイコンではノイマン型 アーキテクチャではなくハーバード型アーキテクチャ • ⾮ノイマンコンピューターということではない • ハーバードアーキテクチャではキャッシュがない • 実際にPIC, AVRにはキャッシュがない． • アドレスバスとデータバスが独⽴して存在する． • プログラムメモリとワーキングメモリのアドレス空間が別． • データシート⾒ると.. 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 222
223. 補⾜：ハーバードアーキテクチャ • 何が嬉しい？ • 命令の処理が完了すると同時に次の命令をロードするので⾼速動作 • 命令の幅が変わっても1回で読める（PICでは12，14，16Bitがある） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 223 ハーバードアーキテクチャって何？ (3/3) - EDN Japan https://ednjapan.com/edn/articles/1703/21/news021_3.html
224. 補⾜：ハーバードアーキテクチャ • プログラムメモリには⼤容量Flashメモリ(20-4MB) ワーキングメモリには⾼速⼩容量SRAM(100-10kB) が使われている． • 特殊⽤途，⾼速性が必要なDSP（デジタルシグナルプロセッ サ）ではハーバードアーキテクチャが使われる． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 224
225. 補⾜：PIC • データバスとプログラム バスが分離 • キャッシュがない 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 225
226. 補⾜：AVR • データバスとプログラム バスが分離 • キャッシュがない 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 226 https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf
227. 補⾜：STM32F1 • データバスとプログラム バスが分離 • キャッシュがない 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 227 https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103 c8.pdf
228. 補⾜：STM32F4 • これはデータバスとプログラム バスが同じになっている． • （⾼性能なものに多い印象） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 228 https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f469 ae.pdf
229. 7-3 マイコンの発振回路 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 229
230. （おさらい）発振回路とは？ • マイコンなどはクロックの⽴ち上がり（または⽴ち下がり）で動作する． • 1秒で何回クロックが動くかをクロック周波数という． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 230 CPU・MPUはどうやって動く？ 〜 発振器のナゾ - MONOist（モノイスト） https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/0611/28/news110.html
231. クロックは指揮者 • クロックがないと何も動かない． • いろいろなクロックを供給する⽅法がある． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 231
232. 外部クロックの種類 • ⽔晶発振⼦ • 安定かつ⾼精度な発振をする • コンデンサが別途必要 • 特別な事情がなければこれ • セラミック発振⼦（セラロック） • ⽔晶発振⼦よりは精度が悪いが普通に使える • 部品点数を減らしたいとき • 外部発振ユニット • 特別⾼精度がクロックが必要な時 • 時計を作りたい時など • 10MHzから1Hzなど普通では作れない時 • RC発振 • 抵抗とコンデンサだけでできる • あまりつかわない 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 232 ⽔晶発振⼦ セラロック 外部発振ユニット http://www.picfun.com/pic20.html
233. 内部クロック • そこまで精度が必要なければ内部クロックがある． • 外付け部品なしで内部のクロックモジュールで作ってくれる． • 16F1827では最速500kHzà16Mhzà8Mhzà32Mhzで動かせる • こだわりがなければ内部クロックでも問題ない • ただし設定項⽬は増える． • 動作周波数が⾼速であるほど消費電⼒は増える • あえて動作クロックを落として低消費電⼒にすることもある • 1Hzで動かすこともある 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 233 http://www.picfun.com/pic20.html
234. クロック安定 • クロックは動作が安定するまで時間がかかる． • この間何が起こるかわからない • èリセット状態にするのが⼀般的 • POR 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 234 http://www.picfun.com/pic20.html
235. 7-4 マイコンの機能 235 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
236. はじめに • 基礎的なマイコンとしてPIC16F1827をモデルに原理を紹介 • 他のマイコンでも共通なことを取り上げる • HAL，API的なことは省略 • 具体的な組み込み，アセンブラ命令なども省略 • データシート • http://akizukidenshi.com/download/pic16f1827.pdf 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 236
237. マイコンの周辺機能 237 Timer Interrupt Reset CCP ADC Serial Com 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
238. PICの構造 • PIC16F1827 238 ・シリーズ：PIC16F ・電源電圧：1.8〜5.5V ・コアサイズ：8bit ・命令⻑：14bit ・クロック：32MHz ・プログラムメモリ：4kW ・EEPROM：256B ・RAM：384B ・GPIO：16pin ・UART/USART：1Ch ・I2C：1Ch ・SPI：1Ch ・タイマ：5Ch ・オシレータ：内蔵/外付 ・パッケージ：DIP18 ・ADC：12Ch 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
239. PICコアの 中⾝ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 239
240. マイコンの基礎 • レジスタに値を書き込むことで設定を⾏える． • IO状態 • タイマー • 各種通信 • 割り込み許可禁⽌ • … • レジスタから読み出すことでマイコンの状態を知る • メモリマップド的 • （最近はHALハードウェア抽象化レイヤーを⽤いるかも） 240 レジスタを使うよ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
241. 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 241
242. 7-5 Timer マイコンの最重要機能 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 242
243. Timer • マイコンの根幹の部分． • 周辺モジュールを動かすのにも使える • 時間をカウントしている • èクロックをカウントしている． • マイコンごとタイマーの個数があり，⾃由に設定できる． 243 16F1827くんは 16Bit4ch, 8bit1ch持ってる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
244. Timerの役割 • カウンタがオーバーフローしたら教えてくれる（割り込み発⽣） • if(TMRxIF==1) • 後述のCCPやADCなどのタイムベースとしても使える 16Bitタイマーè2!"カウント（0ー65535）できる． • クロックが32Mhzなら8.19msでオーバーフロー • èプリスケーラーを使う． • 1，¼, 1/16, 1/64,から選べるドン！ • èポストスケーラを使う • 1-16から選ぶドン！ • 最⼤8.38sのインターバルが得られる． • クロックを下げればもっといける • 割り込み内でカウントすればさらに（ｒｙ 244 オーバーフローしたで> 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
245. Timerの使い⽅ • きっちり100msで割り込みを発⽣させるには？ • 32Mhzで動いてる場合… • 計算 245 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
246. 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 246 12500回カウントしたら割り込み 動くように設定するとOK
247. タイマーは複数ある（場合もある） • 複数ある場合は周期をそれぞれ設定可能 • 1827は合計で五個ある（リッチ！） • 割り込み機能をそれぞれ停⽌できる． • TMRxIE = 1; //タイマーxの割り込みを有効 • 動的に周期を変更可能 • だがアクセス順序を間違えると数クロック分誤差が発⽣し得る． • TMRxH = xxxx; • TMRxL = xxxx; • それぞれのタイマーは周辺機能のクロックソースとして指定で きる． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 247
248. 7-6 Interrupt とても便利な機能 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 248
249. Interruptとは？ • 電話をしている • インターホンが鳴る • 電話は⼀回待ってもらう • 来客に対応する • 来客終了後，電話に戻る • ある処理をしてる最中に他のことを割り込んでやる • 割り込みが終わったら元やったことにもどる 249 タスクが割り込まれる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
250. 詳細な動作 • 割り込み発⽣ • 実⾏中の命令の次の命令のアドレスをスタックに 保存 • 強制的にPGCを0004Hをセット，ジャンプ • 割り込み処理を開始，必要であれば直前のレジス タを保存 • 割り込みの要因を調べるためINTCONの割り込み フラグを調べ要因処理を実⾏．終了後クリア． • 複数の割り込みフラグが1であれば全ての処理をす る． • 直前に割り込まれたレジスタを復帰．RETFIEを実 ⾏ • スタックに保存された割り込みアドレスにジャン プし復帰． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 250 電⼦⼯作室 http://www.picfun.com/pic08.html
251. いろいろなInterrupt • 発⽣すると割り込み関数内を⾃動で実⾏ • どんな割り込みが発⽣したかは⾃分で判断 • いろいろな要因で割り込みは発⽣し得る． • タイマー割り込み • ピン⼊⼒変化割り込み • ADC終了割り込み • USART受信割り込み • CCP割り込み • … • 割り込みの中で割り込み発⽣ • 割り込み優先順位を設定できる． • 割り込み許可，禁⽌を⾏える． • 要因ごとの割り込み TMRxIE=1; • 周辺装置割り込み PEIE=1; • 割り込み全体 GIE=1; 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 251
252. 7-5 リセット 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 252
253. リセットとは • 電源を投⼊した際に全ての内部回路を初期化する． • プログラムカウンタは0番地 • レジスタはすべて初期値 • 周辺回路も初期値 • 割り込みを全て禁⽌ • 最近のゲームと⼈⽣にはリセットボタン はないがマイコンにはある． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 253
254. リセットの種類 • パワーオンリセット（POR) • 外部リセット・マスタークリア（MCLR） • ウォッチドックタイマーリセット（WDT) • ブラウンアウトリセット（BOR) 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 254
255. パワーオンリセット（POR) • 電源が⼊った瞬間に実⾏されるリセットのこと • PICが動作保証の電圧になるまでは動いたとしてもリセット • どんな動きをするかわからない • ⼈間にとって極⼩時間でもマイコンは動いてしまう 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 255
256. パワーオンリセット（POR) • PICでは⾃動的にリセットがかかる機能が内蔵されている • 規定電圧になる＆＆規定時間リセットする • 電源の⽴ち上がりを待つだけでなく正常に発振⼦が動いてるこ とを確認のため1024カウントしてからリセット解除する． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 256
257. 外部リセット（MCLR) • PORでも対応できないようなひどい状況でもリセットしたい． • è外部でリセット信号を⽣成して⼊⼒ • èリセットICを使う • PSWによる⼿動リセットもできて便利 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 257
258. ブラウンアウトリセット（BOR) • 電圧が不安定になったり瞬停した場合，挙動がおかしくなる • PICでは電圧監視回路が内蔵されている（Brown-out Reset) • スレッショルド電圧より下がると強制リセット信号が発⽣ • 電圧復帰後72msでリセット解除 • （再スタート） • 電圧が復帰しなければリセット継続 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 258
259. ウィットドッグタイマー（WDT) • これだけリセットという名前が付いていない． • èじつはリセットじゃなくてタイマー． • タイマーが振り切れるとリセットになる． • èコンピュータが正常に動作していることを確認！ • マイコンは振り切れる前に タイマーをリセットする． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 259
260. ウィットドッグタイマーの構成 • WDTはTMR0とプリスケーラを共⽤している． • WDTは内部の専⽤RC発振回路で動作 • èSleep状態でもカウントする（後述） • プリスケーラなしだと18msでタイムアウト（リセット） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 260
261. Sleep 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 261
262. Sleep • 寝たいのは⼈間もマイコンも同じ • 寝ることで消費電⼒を抑えられる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 262 http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/41391C.pdf
263. マイコンの消費電⼒の源 • マイコンはCMOSICの特徴をそのまま持っている． • è動作中の消費電⼒のほとんどは貫通電⼒によるもの • 静⽌中の消費電流はリーク電流によるもの • = [] 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 263 motor http://www.picfun.com/lowpower/lowpowerframe.html
264. マイコン省電⼒化の基本 1. クロックを停⽌する • リーク電流のみの状態になる • 必要な時だけ動かす 2. クロック周波数を下げる 3. 電源電圧を下げる 4. クロックの供給範囲を狭める • 内蔵モジュールの動作を停⽌ 5. 動作回数，動作時間を減らす • 内蔵モジュールの動作を停⽌ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 264
265. 間⽋動作 • 必要のない時は⽌める． • 必要な時に動かす． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 265 motor http://www.picfun.com/lowpower/lowpowerframe.html
266. Sleep • クロックの発振を停⽌する • CPUも周辺モジュールも⽌まる． • 低消費電⼒で抑えられる． • è永遠の眠りについてしまうのでは？ • 内蔵レギュレータは動く，よって… • タイマー1の32.768kHzと内部低速クロック • WDT，Timer1，RTCCだけは定期的に起動 • 外部割り込みも起動できる • SPIスレーブ起動 • マスタリセット 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 266
267. Sleep • Sleepの時に限ってWDTによるリセットはデータが消えない • そのまま継続動作可能 • èを のように使える． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 267
268. DeepSleep • ⼀部のPICに搭載されている（16F1827にはない） • CPU，周辺回路どころか内蔵レギュレータすら停⽌ • RAMもレジスタもとまる • データが消える • è今度こそ永遠の眠りにつくのでは？ • 内蔵低速クロックとTimer1内蔵クロックだけは VDDから供給 • DeepSleepWDT,RTCCもVDD供給 • RAMの2Word分SFR(DSGPRx)だけはVDD供給 • マスタリセット • Sleepのように継続動作できない 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 268
269. ボタン電池で16年持つ時計 • DeepSleepを使うと1.5uA程度 • CR2032は220ｍAhなので…16年動く計算… 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 269 PICで省エネ時計を作る - KERI's Lab https://www.kerislab.jp/posts/2016-09- 12-low-power-clock/
270. 7-7 GPIO 汎⽤⼊出⼒ピン 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 270
271. ⼊出⼒の仕組み • ポート出⼒，⼊⼒は簡単に操作できる． • pinModeとdigitalWriteするだけで 簡単にLチカができる！ • 電圧を出⼒，⼊⼒できる機能 • ピン毎に⼊出⼒を設定することができる． • ⼊出⼒ピンをレジスタに設定するので 8ピンで1ポート • 実際はどんな構造になってる？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 271 for(uint8_t i=0; i<8; i++){ pinMode(i, OUTPUT); digitalWrite(i, HIGH); } ANSELA = 0x00; TRISA = 0x00; PORTA = 0xFF; Arduinoで出⼒0-8をHIGHにしたい時 PICでPORTAを0-8をHIGHにしたい時 https://community.createlabz.com/knowledgebase/arduino-starters-guide-1-7-blinking-led/
272. GPIO概要 • TRISラッチで⼊出⼒ • Q=1で⼊⼒ • 出⼒は無関係に • Q=0で出⼒ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 272 untitled http://www.picfun.com/pic22.html
273. GPIO概要 • ⼊⼒ • RDPORTタイミング でラッチ • PORTレジスタセット • DataBusに乗っていく • 出⼒ • DataBusがWRPortの タイミングでラッチ • DataBus=1 • P=ON • DataBus=0 • N=ON 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 273 untitled http://www.picfun.com/pic22.html
274. ⼊⼒時動作 • 出⼒ • PORTレジスタに書き込む • ⼊⼒ • PORTレジスタを読み込む 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 274 untitled http://www.picfun.com/pic22.html BSF STATUS,RP0 ;バンク１に切替へ CLRF TRISB ;全て出力モード BCF STATUS,RP0 ;バンク０に戻る MOVLW 0x65 ;01100101を出力する MOVWF PORTB ;実際に出力実行 （参考）ASMだとこうなる
275. GPIO • 電源⼊⼒時の誤作動対策 • リセット直後はInputに設定されるèHiZ • プルダウンアップしておくこと（Tr) • ドライブ電流 • どれかひとつでも破ると 燃える • マイコンごとに異なる • これは？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 275 項 ⽬ ドライブ能⼒ 備 考 最⼤消費電⼒ １W パッケージ当たり 最⼤電源供給電流 250mA Vdd端⼦より供給 1ピン最⼤供給電流 25mA Highの時 1ピン最⼤吸収電流 25mA Lowの時 ポート最⼤供給電流 200mA A,B,C各ポート毎
276. 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 276
277. 7-8 CCPモジュール 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 277
278. CCPモジュール 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 278
279. CCPモジュール • Capture Compare Pulse Wide Modulationの略称 • ECCP（Enhanced）もある • みんな⼤好きPWM信号⽣成 • ECCPではフルブリッジ構成ができる． • デッドタイムも⽣成！ • ⾃動シャットダウン機能 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 279 untitled http://www.picfun.com/f1/f11.html
280. キャプチャ機能 • TMR1をCCPRにコピーする． • TMR1は同期モードに設定する必要がある • パルスの⽴ち上がりの差分を測定すれば UARTのBaudrate測定に使える． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 280 untitled http://www.picfun.com/f1/f11.html
281. コンペア機能 • TMR1がCCPxCONに設定された値になった時 • CCPxIF割り込みを発⽣ • CCPピンに出⼒ • スペシャルトリガー出⼒ • TMRCLR • ADC • TMRと設定値がコンパ レータで⽐較される • 指定した時間幅のワンショットパルス出⼒ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 281 untitled http://www.picfun.com/f1/f11.html
282. PWMとは • みんな⼤好きPulse Wide Modulation • Duty⽐を変化させることで平均エネルギーを可変する技術 • なんにでもPWM制御する⼥ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 282 ＼とりあえずPWMでええやろｗ／
283. 単純PWM • PRyとTMRyを⽐較 • ⼀致でCCPピンはHに設定 • TMRyをクリア • è⼀定間隔でCCP＝H • CCPRxHとTMRyを⽐較 • ⼀致でCCPピンをLに設定 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 283 untitled http://www.picfun.com/f1/f11.html
284. 単純PWM • HとLをDuty⽐で繰り返す． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 284 untitled http://www.picfun.com/f1/f11.html
285. ECCPモードでのPWM • 単⼀PWM • ハーフブリッジPWM • フルブリッジPWM（正・逆） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 285 untitled http://www.picfun.com/f1/f11.html
286. ハーフブリッジ デッドタイムを⾃動で作ってくれる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 286
287. フルブリッジ • 相補信号を⽣成してくれる • フルブリッジもデッドタイムあった⽅がいい．ソフトでやる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 287
288. ⾃動シャットダウン • モーターロック時など過電流になったら • 燃える • 急いでPWMを停⽌させる必要がある • ソフトでPWMを停⽌すると遅すぎる • èハードでPWMをシャットダウンしてくれる機能 • 外部⼊⼒ピンもしくはコンパレータ出⼒でシャットダウン • 詳細は省略 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 288
289. Arduino analogWrite(13, 512); 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 289 この1⾏で実現しているArduinoまじやばい ただし，ArduinoCoreでは周波数変えられない
290. 7-9 ADC 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 290
291. ADCとは？ • Analog Digital Converter A/Dと書かれることも • アナログ電圧をデジタル値に変換し読める機能 • è電圧を測れる！ • マイコンごとに精度やチャンネル数が異なる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 291 うーん，1.5V！＞
292. ADCの仕組み • 1つだけマルチプレクサで 選択 • コンデンサ充電 • 5us程度充電時間が必要 • AD変換 • Tad*11us時間かかる • Tad=1~9us • Vrefを⼊⼒できる • 変換可能な電圧を指定 • (10bit)0~3.3Vなら3.22mV段階 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 292 untitled http://www.picfun.com/f1/f10.html
293. ADCの注意事項 • 待ち時間は必須なのでそれ以上⾼速には動かない • Vrefの電位差は1.8V以下の場合保証外 • 測定回路の⼊⼒インピーダンスは10kΩ以下とする • アクイジションタイムが⻑くなる • 誤差が⼤きくなる • 分圧で⼊れる際など注意 • Foscによって変換時間 は異なる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 293 untitled http://www.picfun.com/f1/f10.html
294. ADC • 内蔵リファレンスを参照することもできる． • ADC終了割り込みがある．（ADIF) • 開始ー終了までの時間が別に使える • 実際は割り込みを使うとかえって遅くなることもある 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 294 リファレンス設定 ⼊⼒最⼤電圧 備 考 電源電圧(Vdd) Vdd 精度はVddの精度に依存 外部リファレンス電 圧差 （Vref+ − Vref―) 1.8V〜Vdd 精度は外部リファレンスに依存 内蔵電圧リファレン ス （1.024V） 2.048V 4.096V 初期電圧誤差は±6% untitled http://www.picfun.com/f1/f10.html
295. 7-10 DAC 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 295
296. DACとは • ADCの逆 D/Aとも • アナログ電圧を出⼒できる（！） • 多くは5bit(32)だが8bit対応も ある． • 出せるだけすごい！ • （使ったことない…) 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 296
297. DAC • コンデンサとバッファ（ボルテージフォロワ)が必要 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 297 電⼦部品使い⽅：ＰＩＣのＤＡＣ変換 http://zattouka.net/GarageHouse/micon/circuit/DAC.htm
298. 7-11 USART 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 298
299. UARTとは？ • 皆さんご存知シリアル⾮同期通信＝UART • Universal Asynchronous Receiver Transmitter の略 • 同期信号が不要な⽅式, • LSBから出⼒される． • フロー制御がサポートされる場合もある • 通信速度を合わせればなんでも良い • 4800bps • 9600bps • 19200bps • 38400bps • 512000bps • 115200bps • あたりをよく使う 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 299
300. UARTとは？ • RS232CやRS422，RS485などの物理規格もある． • 差動だったり，バスだったり，12Vだったり． 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 300 シリアル通信の基礎知識 - シリアル通信とは？RS-232C / RS-422 / RS-485の違いはなんだろう？ - | コンテック https://www.contec.com/jp/support/basic-knowledge/daq-control/serial-communicatin/
301. UARTの誤差 • 同期式ではないのでどちらかのクロックに誤差があるとダメ • ⽔晶発振器を使った⽅がいい． • ⼀般に誤差2~3%程度までなら通信可能とされている． • Baudrateが⾼速になるほど誤差が顕著に出る． • 通信⻑が⻑いとリアクタンス成分が⼤きくなるので難しい 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 301
302. EUSART • PICでは汎⽤UARTができるモジュールをEUSARTという． • 全⼆重⾮同期通信と半⼆重同期通信に対応 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 302
303. 送信 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 303 • TRMTがReady • （普通は割り込みで制御） • TXREGに送信データを書く • TRMTがBusyになる • TXREGからTSRに転送される • TSRからシリアル変換されて送信 • 送信完了でTSRが空になる • TRMTがReadyになる untitled http://www.picfun.com/f1/f04.html
304. 受信 • Baudrateでサンプリング • スタート検出（LOW) • RSRに詰め込んでいく • STOP検出 • RSRからRCREGに転送 • ダブルバッファ • 次までに取り出せればOK • 間に合わなければオーバーラン • 受信割り込み（RCIF＝1） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 304 untitled http://www.picfun.com/f1/f04.html
305. 7-12 SPI 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 305
306. SPIとは？ • 前に受けたんですが全然できません • これでなにを測ってるんでしょうか？ • 地頭とか？ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 306
307. SPIとは？ • Serial Peripheral Interface • モトローラが提唱した同期式全⼆重通信マスタースレーブ通信 • 後述のI2Cよりも⾼速に動作する．（~10Mbps) • ただし配線の数が多くなる • Master Slaveは差別⽤語だと前に炎上してた（？？？？？？） 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 307 SPIの基本を学ぶ | アナログ・デバイセズ https://www.analog.com/jp/analog- dialogue/articles/introduction-to-spi-interface.html Masterブランチは差別⽤語だ！＞
308. SPI通信 • クロック（SPI CLK、SCLK） • これに合わせてデータをやり取り • チップ・セレクト（CS） • スレーブの選択に利⽤される • アクティブL • どんどん増えていく • マスタ出⼒／スレーブ⼊⼒（MOSI） • MasteràSlave • マスタ⼊⼒／スレーブ出⼒（MISO） • SlaveàMaster 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 308 SPIの基本を学ぶ | アナログ・デバイセズ https://www.analog.com/jp/analog- dialogue/articles/introduction-to-spi-interface.html
309. SPIーマスタ • SSPBUFに送信データを書き込む • マスタからクロックが出⼒され，上位から データが出⼒される • クロックの⽴ち上がり下がりなど4種類 設定ができる • マスタはクロックの真ん中でデータを 取り込む • データ送受信が完了すると割り込み発⽣ （SSPIF) 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 309
310. SPI波形 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 310
311. 7-13 I2C 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 311
312. I2Cとは • フィリップスが提唱した2線式シリアル通信 • CLKとDATAの2線だが，バスなのでいっぱいデバイスを繋げられる． • 通信速度はI2Cに⽐べて遅め（100kbps, 400kbps) • SPIはCSピンで選択 • I2Cはスレーブアドレスで選択 • 1ByteごとACKで確認を取りながら通信をおこなう． • I2Cの⽅が何かと⾯倒 • だけど配線は楽 • 出⼒はオープンコレクタ 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 312 http://www.picfun.com/c15.html
313. I2Cの通信タイミング • マスタSCL＝Hの時にSDA＝Lをするとスタート • マスタが通信したいアドレス7bit＋R/W • スレーブがACKを返す • 送信する（8bit) • 受信したらACKを返す • 全部終わったらマスタがSCL=Hの時にSDA=H にするとストップ • 普通のデータはSCL＝Lの時にしか変化しない 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 313
314. 実例 • マスターがスレーブアドレス0x51にAを書き込む • マスターがスレーブアドレス0x51にデータを要求する 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 314
315. PICでI2C • SCLに合わせてSSPSRが送信，受信 • 送受信データはSSPBUF経由で受渡 • スレーブ時のアドレスはSSPADDに セット • SSPADDと⼀致した時にAddr Match が出⼒ • 送受信動作をする • 送受信結果はSSPSTATが持ってる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 315
316. PICでI2C • スレーブはクロックストレッチで マスタを待たせることができる． • マスタはストップコンディション 発⾏の代わりにRepeated Start Conditionを発⾏することもできる • 連続して別のデバイスと通信可能 • 1バイトごとに割り込みが発⽣する （SSPIF） • Start，Stop, バッファFull，エラー • バッファフルになったらSSPBUF を読んで，SSPIFをクリア • 次のバイトまでの終わらせないと エラーになる 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 316 http://www.picfun.com/pic18/i2c04.html
317. 参考⽂献 • 有機ELキャラクタディスプレイモジュールで遊ぶー雑記帳 https://blog.miz-ar.info/2016/03/oled-char-module/#more-1864 • ⾼知⼯科⼤、回路図と回路記号 http://www.ele.kochi-tech.ac.jp/tacibana/etc/analog-intro/PDF/sch&sym.pdf • RLC回路 https://eleking.net/study/s-accircuit/sac-1impedance.html • 電⼦回路の基礎 http://www.mech.tohoku-gakuin.ac.jp/rde/contents/course/mechatronics/basicelec.html • PN接合 https://ja.wikipedia.org/wiki/Pn%E6%8E%A5%E5%90%88 • 今更聴けない電⼦⼯作⼊⾨ https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/1908/27/news008_2.html • ダイオードとは何か？ https://www.sbbit.jp/article/cont1/36638 • トランジスタ増幅の謎 http://startelc.com/elc/elc_3_7Tr1.html • ミツバンコーワ：リレーの構造と動作原理 https://www.mskw.co.jp/support/car/relay • OMRON：リレーの基礎知識 https://www.omron.co.jp/ecb/product-info/basic-knowledge-series/basic-knowledge-of- relays/part1/basics • トランジスタ増幅のなぞ http://startelc.com/elc/elc_3_7Tr1.html • トランジスタ⼊⾨：トランジスタとはどんな部品？ http://www.maroon.dti.ne.jp/koten- kairo/works/transistor/Section1/intro1.html • トランジスタ⼊⾨：トランジスタのスゴいところ http://www.maroon.dti.ne.jp/koten- kairo/works/transistor/Section1/intro2.html • トランジスタ(NPN)の使い⽅ [Arduino] https://www.petitmonte.com/robot/howto_transistor_npn.html • 電⼦回路基礎 http://www.am.ics.keio.ac.jp/digital/transistor.pdf 317 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
318. 参考⽂献 • オペアンプがすごい理由 ｜ 電⼦回路設計の基礎 https://www.kairo-nyumon.com/opamp2.html • オペアンプとは何か？ - 電⼦回路の基礎 https://www.kairo-nyumon.com/opamp_summary.html • オペアンプとは？ - エイブリック株式会社 https://www.ablic.com/jp/semicon/products/analog/opamp/intro/ • 降圧型スイッチングレギュレータの動作原理 ｜ 電源設計の技術情報サイトのTechWeb https://techweb.rohm.co.jp/knowledge/dcdc/s-dcdc/02-s- dcdc/90 • ロジックICの種類とTI社のポリシー紹介 | 富⼠エレクトロニクス https://www.fujiele.co.jp/semiconductor/ti/tecinfo/news201801180000/ • TTLレベル、CMOSレベル、LVTTLレベル | 有限会社ムーブ｜マイコン・開発試作 http://www.aimo.co.jp/work- blog/ttl%E3%83%AC%E3%83%99%E3%83%AB%E3%80%81cmos%E3%83%AC%E3%83%99%E3%83%AB%E3%80%81lvttl%E3%83%AC%E3%83%99%E3 %83%AB/ • ディジタル回路の基礎 http://www.mech.tohoku-gakuin.ac.jp/rde/contents/course/mechatronics/digital.html • STマイクロ https://www.st.com/content/st_com/ja/products/evaluation-tools/product-evaluation-tools/mcu-mpu-eval-tools/stm32-mcu-mpu- eval-tools/stm32-nucleo-boards/nucleo-f334r8.html • NUCLEO-F334R8 - STM32 Nucleo-64 development board with STM32F334R8 MCU, supports Arduino and ST morpho connectivity - STMicroelectronics https://www.st.com/content/st_com/ja/products/evaluation-tools/product-evaluation-tools/mcu-mpu-eval-tools/stm32-mcu- mpu-eval-tools/stm32-nucleo-boards/nucleo-f334r8.html • テブナンの定理 | ⾼校物理の備忘録 https://physnotes.jp/em/ecir_thev • 過渡現象とは https://eleking.net/study/s-transient/str-transient.html 318 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi
319. 参考⽂献 • トランジスタの使い⽅ー基本接地回路 http://www.nteku.com/toransistor/transistor-tukaikata.aspx • イチから学ぶオペアンプと計装アンプの違い (2) オペアンプを⽤いて計装アンプは設計できるのか? | マイナビニュー ス https://news.mynavi.jp/article/20141113-microchip_opamp/ • 機械９−１ ４） JK-フリップフロップ（JK-FF） - YAKU-TIK 〜電験三種まとめました〜 https://sites.google.com/a/yakugaku-tik.com/denken3/home/ji-xiematomemashita/9-1-4-furippufuroppu-hui-lu • オペアンプ（OPアンプ)の種類と使い分け＆選び⽅ | マルツオンライン https://www.marutsu.co.jp/pc/static/large_order/1104opamp • オペアンプ、コンパレータ | ルネサス エレクトロニクス https://www.renesas.com/jp/ja/support/technical- resources/engineer-school/electronic-circuits-03-op-amps-comparator-circuit.html • CPU・MPUはどうやって動く？ 〜 発振器のナゾ - MONOist（モノイスト） https://monoist.atmarkit.co.jp/mn/articles/0611/28/news110.html • 発振原理 | 基礎知識 | セラミック発振⼦(セラロック) | 村⽥製作所 https://www.murata.com/ja- jp/products/timingdevice/ceralock/basic/oscillation • 電磁誘導と右ねじの法則 | アルファ⼯業株式会社 http://alphakogyo.co.jp/powertools/1757/#:~:text=%E7%A3%81%E5%A0%B4%E3%81%AE%E5%90%91%E3%81%8 D%E3%81%AF%E9%9B%BB%E6%B5%81,%E3%81%93%E3%82%8C%E3%81%8C%E5%8F%B3%E3%81%AD%E3%81 %98%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%82 • フレミングの左⼿の法則・覚え⽅と使い⽅がイラストですぐ分かる！｜⾼校⽣向け受験応援メディア「受験のミカタ」 https://juken-mikata.net/how-to/physics/fleming-left-hand-rule.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 319
320. 参考⽂献 • 電界効果トランジスタ - Wikipedia https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%95%8C%E5%8A%B9%E6%9E%9C%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%82%B9%E3%82%BF • 正弦波交流の波形 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e-sysnet.com/sine-wave-ac/ • 共振回路 ▪わかりやすい⾼校物理の部屋▪ http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/p/elec/koukairo/kyousinn.html • 発振回路 - 我孫⼦おもちゃ病院 壊れたおもちゃ無料で治療します。 https://abiko-toy- hospital.jimdofree.com/%E3%81%84%E3%81%BE%E3%81%95%E3%82%89%E8%81%9E%E3%81%91%E3%81%AA%E3%81%84%E9%9B%BB%E6%B0%97%E3%81%AE%E3%8 3%88%E3%83%AA%E3%83%93%E3%82%A2/%E7%99%BA%E6%8C%AF%E5%9B%9E%E8%B7%AF/ • 電⼦⼯作室 http://www.picfun.com/pic08.html • untitled http://www.picfun.com/pic22.html • untitled http://www.picfun.com/f1/f11.html • untitled http://www.picfun.com/f1/f10.html • SPIの基本を学ぶ | アナログ・デバイセズ https://www.analog.com/jp/analog-dialogue/articles/introduction-to-spi-interface.html • untitled http://www.picfun.com/f1/f04.html • シリアル通信の基礎知識 - シリアル通信とは？RS-232C / RS-422 / RS-485の違いはなんだろう？ - | コンテック https://www.contec.com/jp/support/basic- knowledge/daq-control/serial-communicatin/ • http://www.picfun.com/pic18/i2c04.html • 発振回路と変調回路の原理 | 基礎からわかる電気技術者の知識と資格 https://e- sysnet.com/%E7%99%BA%E6%8C%AF%E5%9B%9E%E8%B7%AF%E3%81%A8%E5%A4%89%E8%AA%BF%E5%9B%9E%E8%B7%AF/ • ハーバードアーキテクチャって何？ (3/3) - EDN Japan https://ednjapan.com/edn/articles/1703/21/news021_3.html • https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf • https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f469ae.pdf • https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103c8.pdf • 「シュミットトリガ回路」の解説(1) - しなぷすのハード製作記 https://synapse.kyoto/glossary/schmitt-trigger/page001.html • 宮崎技術研究所の技術講座「実⽤ノイズ対策技術」14.ディジタル回路技術 (1)〜(3) http://www.miyazaki-gijutsu.com/series2/noise141.html 電⼦⼯作のための電⼦回路基礎講座-fumi 320