ハードウェア｜エンベデッドシステムスペシャリスト試験

信号を作る・整える・読み取る回路のしくみ

論理回路は真理値表とド・モルガンの法則で読みます。NANDだけで組んだ回路も、否定を整理すると論理和などの見慣れた形になります。全加算器は二つの半加算器の桁上げを論理和でまとめた構成です。素子や配線の遅延時間にばらつきがあると、出力に短いひげ状の誤った信号が出ることがあり、これをハザードと呼びます。

アナログの基本も押さえます。能動領域のバイポーラトランジスタでは、コレクタ電流がベース電流の変化に比例して変わります。理想的な演算増幅器を使った反転増幅器の電圧ゲインは－R2／R1です。フォトカプラは信号を光で伝えるため、別々の電源で動く二つの回路を電気的に絶縁したままつなげられます。

クロックの扱いでは、PLLは位相比較器、フィルタ、電圧制御発振器で構成し、出力を1／Nに分周して帰還させると基準の周波数のN倍で安定します。周波数をわずかに揺らして放射ノイズのピークを下げるのがSSCGです。タイマの設定値は、タイマクロックの周期で目標の時間を割った数から、0から数え始める分の1を引いて求めます。

アナログとディジタルの変換では、標本化の周期が短いほど高い周波数の信号まで再現できます。D／A変換の出力は、基準電圧に入力値と分解能から決まる割合を掛けた値です。PWMはデューティ比で平均電力を変える方式で、モータの回転数制御に使い、抵抗とコンデンサの低域通過フィルタで平滑するとアナログ電圧に戻せます。

マイコンの入出力では、方向レジスタを出力に切り替える前にデータレジスタへ初期値を書いておくと、切替えの瞬間に意図しない値が端子に現れずに済みます。スイッチのチャタリングはRSフリップフロップで受けると遅れを最も小さく抑えて取り除けます。インクリメンタルエンコーダは位相のずれた2相の信号で回転方向を判別します。

周辺の技術として、SRAM型のFPGAは高速に何度でも回路を書き換えられる一方、電源を切ると内容が消えます。設計は機能の記述、論理合成、配置配線の順に進めます。省電力では、使わない回路ブロックへの電源供給を遮断するパワーゲーティングがあります。