ＣＰ／ＭがＴＫ－８０互換のワンボードマイコンの上で復活します
ＮＤ８０ＺⅢとＭＹＣＰＵ８０の上でＣＰ／Ｍが走ります！
［第２９３回］
●ロジアナ波形の不思議を解明
前回はカメレオンＵＳＢ＋ロジアナで観測したデータバスのＤ１の信号波形が、７４ＨＣ０４の入力側と出力側で、どうにも納得できない波形になっていることについて書きました。
最初は、ひょっとしたら７４ＨＣ０４が壊れているのではないか、あるいは７４ＨＣ０４の出力側が他の信号とショートしているのではないか、などとも考えたのですが、やがて納得のいくあるひとつの結論に行き着きました。
きっとそうであるにちがいない。
この奇妙な現象を説明するには、その他には納得のいく理由は考えられない。
しかし、そこまでは単なる推理、推論に過ぎません。
やはり実際にこの眼で確かめて、実証する必要があります。
さて。
皆様は、その理由が何であるか、お分かりになりましたでしょうか。
それを明らかにするためには、ロジアナの波形をいじくり回しているだけでは、埒が明きません。
そこでオシロスコープの登場です。
いまどきはオシロスコープもみなデジタルになってしまっているようでありますが、私は今もアナログオシロスコープを使っております。
今も使っておりますのはソニーテクトロニクスの１００ＭＨｚ２現象ストレージオシロで、もう２０年以上使っています。
購入価格は忘れてしまいましたがめちゃめちゃ高かったという記憶があります。
さすがに最近はときたま不調なときもありますが、やはりオシロはアナログに限りますですねえ。
たとえばデータバスの断線やショートなどを探るときなど、アナログオシロのブラウン管に投影される微妙な波形が手がかりになることがよくあります。
ここをデジタルにされてしまったのでは、さっぱりカンが働かなくなってしまいます。
近年はデジタル万能の様相を呈しておりまして、何でもデジタルというのが幅を利かせております。
とうとうテレビ放送までデジタルになってしまいました。
確かにコストとか情報量とか扱いやすさとかといった利点はありますでしょうけれど。
それでは、デジタルには欠点はないのか、といいますと、非常に大きな弱点があります。
それは。
デジタルはあくまでロジックＩＣの回路を通した後のものしか見ることができないということです。
ことにそれは測定器では、場合によっては、致命的な弱点ともなります。
ま。
しかし、オシロスコープもデジタルになってしまった今となっては、それを言っても繰言でしかありませんでしょう。
職人のカンに頼る時代はとおの昔に過ぎてしまったのですよねえ。
あ。
繰言はそのくらいにいたしまして、本題に戻ります。
今回の問題は、まさにそのデジタルの弱点が原因でした。
ロジアナがデジタルであったところにそもそもの原因がありました。
いえ。
もっと正確に言えばそれはロジアナのせいではなくて、そのロジアナの特性を正しく認識していなかったこの私のせいでありました。
ことを明らかにするために、まずは前回お見せしました回路図と、ロジアナの波形を下に再掲いたします。
こちらが回路図です。
カメレオンＵＳＢ＋ロジアナのプローブ００を７４ＨＣ０４のｐｉｎ１１に、そしてｐｉｎ１０にプローブ０１を接続しました。
こちらがそのようにして測定をおこなったロジアナ波形です。
プローブ０２にＭＲＥＱを、そしてプローブ０３にＭ１を接続しました。
この波形で、前回指摘しました問題点は、
３８００ｎｓと４８００ｎｓのあたりに、プローブ００（７４ＨＣ０４ｐｉｎ１１）では細かいパルスが観測されているにもかかわらず、その出力側、プローブ０１（７４ＨＣ０４ｐｉｎ１０）にはそれに対応する反転波形が観測されていない、という点でした。
その謎を解明するために、オシロスコープでも同じ信号を観測してみました。
下は上のロジアナ波形と同じ信号をオシロスコープで観測したときの写真です（２現象オシロですから観測したのはプローブ００とプローブ０１の信号のみです）。
ロジアナ波形の図とでは水平方向のスケールが異なっていますが、セクションの間隔はどちらも２００ｎｓ（０．２μｓ）で同じです。
実は、ＣＰＵのアドレスバスやデータバスのように激しく変化する波形をオシロスコープで観測するのはなかなかに難しいのです。
この写真は試行錯誤の末にやっと捉えた会心のワンショットです。
上（ＣＨ１）が７４ＨＣ０４のｐｉｎ１１の入力信号（Ｄ１）で、下（ＣＨ２）は７４ＨＣ０４ｐｉｎ１０の出力信号です。
この写真と同じ範囲を、さきほどのロジアナの波形に水色の四角で囲って示しました。
そのようにして両者を比較してみますと、ロジアナ波形のプローブ０１とオシロスコープのＣＨ２の波形は大体一致していることがわかります。
すると問題はロジアナ波形のプロープ００とオシロスコープのＣＨ１の波形にしぼられるようです。
オシロスコープのＣＨ１の波形をみますと、細かいぎざぎざした波を伴いながらゆっくりと上昇していっています。
そしてその波がちょうど２．５Ｖを越えたあたりで、ＣＨ２がＨからＬにストンと落ちています（オシロスコープの入力は×１０ですから垂直目盛は２Ｖに読み替えます）。
この波形を見る限り、７４ＨＣ０４は全く正常に働いています。
それでは、ロジアナ波形の方はどうでしょうか。
ロジアナ波形のプローブ００の３８００ｎｓ近くに見える細かいパルス波形は、オシロスコープでは左端から０．２μｓにある最初の縦線とその次の縦線の間あたりの位置に相当しています。
オシロスコープのＣＨ１の波形は、そのあたりで大きく上下しています。
どうやら、この波の動きがプローブ００のパルス波形になったようです。
どういうことだかお分かりいただけましたでしょうか。
原因はＨＣＭＯＳのスレッショルド電圧（１／２Ｖｄｄ＝２．５Ｖ）と、カメレオンＵＳＢ＋ロジアナのスレッショルド電圧の違いにあったのです。
オシロスコープの波形から見ると、カメレオンＵＳＢ＋ロジアナのスレッショルド電圧は、７４ＨＣなどの１／２Ｖｄｄ＝２．５Ｖよりも低く、大体１．５Ｖ近辺にあるようです。
そのために７４ＨＣ０４ではまだＬレベルにある入力信号でも、ロジアナの入力信号ではＨレベルとして捉えてしまったのです。
ロジアナ波形だけを見ていると、７４ＨＣゲート回路の出力が異常に遅いように感じられてしまいますが、こうやってオシロスコープの波形を見てみますと、Ｄ１がＬからＨになる速度はかなりゆっくりしていて、２．５Ｖを越えるまでに２００ｎｓ以上かかっていることが確かめられます。
この間のＤ１はオープンコレクタ出力と同じで、プルアップ抵抗がラインの浮遊容量や寄生容量を充電しつつＨになるため、それなりの時間がかかります。
これに対して、ＭＲＥＱ、Ｍ１などの制御信号はＬからＨになるときでもオープンコレクタ出力ではありませんから、上のケースのような遅延は発生しません。
データバス信号でもＣＰＵやメモリからＨ信号が出力される場合には、やはりオープンコレクタ出力ではありませんから、上記のような遅延は起こりません。
上記のように信号がＬからＨにゆっくりと変化する場合には、その信号がロジックＩＣ入力のスレッショルド電圧に達して、Ｈ信号として認識されるまでに時間がかかります。
７４ＨＣのスレッショルドは１／２Ｖｄｄ＝２．５Ｖですが、カメレオンＵＳＢ＋ロジアナのスレッショルドはそれよりもかなり低く、大体１．５Ｖ近辺らしいということが、上のオシロスコープでの観測から明らかになりました。
ロジアナの波形だけを見ていると、７４ＨＣ０４の入力側の信号がすでに変化しているのに、出力側の信号がそれについていかないように見えてしまうのは、ロジアナとＨＣＭＯＳのスレッショルドに差があったためでした。
ロジアナ波形だけでは一見矛盾しているとしか思えない奇妙な観測結果でも、このようにオシロスコープを通してみますと、当たり前のことであるのがわかります。
ということで、ガッテンしていただけましたでしょうか。
あ。
そうでした。
あのことも。
［第２８６回］で、データバスにＣＰＵから出力されたＨレベルの電圧信号が、ダイオードを通じてプローブ０５のゲート出力に流入して、その結果Ｌレベルであるはずのゲート出力をＨに押し上げてしまっているらしい、と書いたあと、「Ｚ８Ｓ１８０のデータ出力端子にＨＣＭＯＳの出力を１／２Ｖｄｄにするほどの力があるとは思えないのだが」、と疑問に思うと書きました。
おそらくこの場合にも実際には１／２Ｖｄｄ（２．５Ｖ）ではなくて、それよりも低い電圧（多分１Ｖ～１．５Ｖ程度）に浮き上がったのではなかったかと思われます。
まあその程度のことならば、あってもおかしくはないかと思います。
あ。それでもかなりの電流が流入していることには間違いはないと思いますからゆめゆめ油断はできません。
だからこそ［第２９１回］でそのような信号の衝突を回避するための回路の変更を行なったのでした。
ああ。
誤解を避けるために一言付記いたします。
今回の問題は決してロジアナが悪い、ということではありません。
また、測定に用いたカメレオンＵＳＢ＋ロジアナが劣っているということでもありません。
何回も書いておりますように、カメレオンＵＳＢ＋ロジアナは超安価でありながら、非常な優れものであります。
ただ、今回はっきりしましたように、カメレオンＵＳＢ＋ロジアナのスレッショルドは一般的なＨＣＭＯＳのスレッショルドよりも低いために、その測定結果が回路の動作と食い違って見えることがある、ということを知っておいたほうがよい、ということは言えると思います。
これにて一件落着です。
が。
まだ続きがあります。
それにつきましては、また次回にて。
ワンボードマイコンでＣＰ／Ｍを！［第２９３回］
２０１３．１．１４ｕｐｌｏａｄ
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