卒 業 研 究 報 告題

目

道路工事用の信号機の設計

指 導 教 員原 央 教授報 告 者
学籍番号：１０３０１６７
秋田 啓志

平成 １５ 年 ２ 月 ３ 日

高知工科大学 電子・光システム工学科
0

目次

１ 序
１−１
１−２

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２
目的
本報告の構成２ 工事用信号機の動作と設計
２−１ 車を認識
２−２ 情報を処理
２−３ 信号を変化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・３

３ 評価 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２１
３−１ 車を認識する回路の評価
３−２ 情報を処理する回路の評価
３−３ 信号を変化させる回路の評価
４

まとめ

５

謝辞

６

参考文献

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・３３

1

１

序

１−１

目的

パソコンや携帯電話など今日の社会では欠かすことのできないものであり、それらの装置や機器の中心部ではディジタル回路により膨大な量の情報処理や計算が行われている。
ディジタル回路の重要性は今後ますます増す。ディジタル回路については、
その基礎を大学の授業で学んだ。また、その知識をさらに深めるために、卒業
研究で１つの製品を実際に設計、製作することを試みた。
ディジタル回路を実際に設計、製作することで、計算や論理だけでは気が付かない、実際行動によって初めて気が付く多くのことがあるはずである。
このようにディジタル回路に関して知識を具体化的なものにし、今後の過程への対応力を養うために、最初から仕様を考えて設計、製作を進めるための具体例を選んだ。
設計、製作目標としては、道路工事の時によく見られる臨時の信号機を取り
上げた。
１−２

本報告の構成

２章では、工事用信号機の動きをまとめ、その動作を行う回路を計算、論理上で設計する。工事用信号機をその動作別に３つのブロックに分け、ブロックごとに設計を行う。
３章でそのブロックごと、もしくはさらに分割したものを、汎用ロジック IC
を使用して実際に製作し、正しく動作をするか調べる。正しく動作しない場合、原因を探し、回路を修正する。
４章で今回の卒業研究で得た知識について簡単にまとめる。

2

２

工事用信号機の動作

多くの信号機では、信号の色はある一定の時間たつと変化する仕組みになっている。よく車の行き来する道なら問題はないが、夜などほとんど車の来ない状態の時には、周りには自分の車しかいないのに赤信号によって車を止めなくてはならないことになってしまう。
それで次のような動きをする工事用信号機を考えた。
・ 双方に車の通過が多い場合、信号の変化は基本的には車の通過する台数によって制御する。
・ 一方の信号が青から赤に変化しようとする時、相手側で車が待っていなけ
れば青を継続する。
・ その時に相手側に車が来たらすぐ赤に変化する。
工事用の信号機なので信号の色は赤と青のみ、信号機は工事側にある２台として述べる。

車を
認識

情報を
処理

信号を
変化

図２．１

工事用信号機

図２．２

工事用信号機の動作

信号機の動作を、図２．２に示す３つに分け、それぞれについて以下に説明
していく。

3

２−１

車を認識

信号を変える条件を車の台数や到着によるものとしたから、車を認識する機能を持つものがまず必要になる。フォト・インタラプタの仕組みを利用することにした。
フォト・インタラプタとは
フォト・ダイオードと呼ばれる光が入ると電流が流れるセンサーと、赤外ＬＥＤと呼ばれる人間の目では確認できない赤外光をだすＬＥＤの組み合わせたものである。

ここに物がくると、光がさえぎられここに物がくると、光がさえぎられ
フォト・ダイオードに電流が流れなくなります。
る
フォト・ダイオードに電流が流れなくなる。

図２．３

フォト・インタラプタの構成

赤信号で車が止まったときに光をさえぎるような位置にフォト・ダイオードを設置する。光がさえぎられなかったら０を出力して、光がさえぎられると１を出力する回路を設計することで 出力の波形で車の到着の状況を把握することができる。

4

−車がいない時−
出力波形は常に０−赤信号待ち−
出力波形は常に１−青信号で車が通過−
出力波形はパルス波形

図２．４

出力波形とその時の状況

5

以上の主旨にそった回路を、湯山俊夫著『ディジタル回路の設計、製作』より引用した。その図を下に示す。
（電源電圧の値やトランジスタの種類が湯山俊夫著『ディジタル回路の設計、製作』とは異なる。）

インバータは７４ＨＣ１４

図２．５

車認識部の回路

詳細を下に説明する。
上の LED TLN２０５は赤外 LED である。抵抗ｒは赤外 LED に電流を流しすぎて破壊することを防ぐ保護抵抗である。
『光デバイス規格表』に TNL２０５の与える電流の適正値は５０mA、電圧を 1.9Ｖ使うと説明されているので、電源電圧を５V として、抵抗にかかる電圧は
５−１.９≒３
抵抗とＬＥＤに流れる電流は５０ｍＡであるから
３／０.０５＝６０
より ｒは６０Ωの抵抗になる。
６０Ωの抵抗が手元になかったので６８Ωを使用することにした。

6

ＴＰＳ７０３はフォト・ダイオードである。

図２．６

スイッチのような働きをする。
光がさえぎられている時も実際には電流が流れるが、最大で３０ｎA と小さいのでスイッチは
OFF と考えられる。

ＴＰＳ７０３の動き

TPS７０３に光が入るとスイッチが ON となり、トランジスタ２CS１８１５のベース電流が流れる。
２ＳＣ１８１５はｎｐｎ型のバイポーラトランジスタである。
バイポーラトランジスタは、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始めるという性質をもっている。コレクタ−エミッタ間に電流が流れるの状態をＯＮ状態、ベースに電流が流れなくてコレクタ−エミッタ間に電流が流れない状態をＯＦＦ状態という。
ＯＮ状態ではコレクタ−エミッタ間の抵抗は小さく、ＯＦＦ状態では抵抗が大きい。
図２．７の右側の回路で Vo に出る
電圧はコレクタ−エミッタ間を抵
抗を Rt とあらわすと
…（１）

となる。
図２．７

ON と OFFON 状態は Rt＝０ と考え（１）に代入すると
OFF 状態は Rt＝∞ と考え（１）に代入すると

7

Vo＝０（L） になり、
Vo＝Vd（H） になる。

図２．５ のインバータ G1 の入力信号と車認識部の回路の出力信号とは論理上同じディジタル信号である。
（インバータ G1 の入力信号が H なら出力の信号は H。）
つまり、フォト・ダイオードが光を受けると、出力は L
光がさえぎられると、出力は Hという回路である。
バイポーラトランジスタの出力（図２．７の Vo）は安定した値を出さないことがよくある。一般に雑音による影響が多い。G1、G2、
R2､R3 で構成された回路は、その波形整形のためのものでシュミットインバ
ータと呼ばれるものである。

図２．８

シュミットインバータ

図２．５の G3 と G４は論理的に見ると NOT と NOT の直列であるからなくても良いと考えないだろうか。これは製作をする時の技術でディジタル信号の遅れを防ぐ機能をもっている。
図２．９は、図２．５の回路でG3 と G４を除いた回路である。
インバータＧ1 内は PMOS ある
いは NMOS が導通することにより出力を変化させる。MOS が導通しチャネルが出来る原理はコンデンサーの充電と同じである。
図２．９では G1 の出力が６つのコンデンサーを充電する形になり、出力に時間がかかってしまう
図２．９ 並列につなぎすぎると恐れがある。
当然、インバータが多ければ多いほど時間がかかる。G3、G4 を挿入し G5 とG6 への充電を電源電圧から行う仕組みである。

8

GL５PY8 はフォト･インタラプタの動作を目視できるためにつけた確認用のLED である
フォト・ダイオードが光を受けると 点灯
光をさえぎられていると 消える 動作をする。
抵抗 R も赤外 LED の時と同様に求める。
GL５PY8 は１０ｍA が適正の電流値、電圧は１.９V（≒２）と説明されていた。
（５−２）／１０ｍ＝３００
より３００Ωを使用する。
この車認識回路の出力だが、バイポーラトランジスタの出力があまりにも乱雑な場合、シュミットでも波形整形時が困難な時がある。その場合は出力にさらに CR 回路によるチャタリング除去を行うことにする。
Vi が L から H に変わる時、抵抗
Ra と Rb によって、スレッショ
ルド電圧の値を Vi が少し超えた
時にインバータが作動し、Vi がH から L に変わる時はスレッショルド電圧の値より Vi が少し低
い

Vo

図２．１０

シュミットゲート

Vi

Ｖｈ
Ｖｌ

Vo

図２．１１

シュミットインバータによる波形整形の説明

9図２．１１の左側は図２．１０の回路で抵抗を入れてない場合の入出力波形である。入力波形内にある点線はスレッショルド電圧の値である。
右側がシュミットインバータでの入出力波形である。同じ入力信号を与えている。入力波形内にある点線は上側が L から H になる時のスレッショルド電圧（Vh）、下側が H から L になる時のスレッショルド電圧（Vl）を表す。
CR によるチャタリングの除去はコンデンサーの電荷を蓄え電荷が貯まりきってから電流を流さなくなる性質を利用したものである。
例をあげる。
横じま模様で示しているのは水のようなものだと思っていただきたい。
水のようなものは入力データである。途中で止まることはなく常に右方向（出力）に進むとする。

１

２

図２．１２

１ がコンデンサーを使用しない時の回路の例えである。このままではデータのとびとびの部分がそのまま出力方向に出てしまう。

ＣＲのチャタリング防止の例え

２ はコンデンサーを使用した回路の例えである。へこんでいる部分がコンデンサーを意味する。へこんでいる部分に入った水は、貯まりきると右側に水を流し始める。貯まりきらない状態で入力がなくなると入っていた水は序々に消えていくとする。
ただし、ＣＲによるチャタリング除去はデータの伝達の早さが遅れる、といったデメリットがある

10

２−２

情報を処理

信号機の色が変わる条件をあげ、条件が満たされたら信号変化のディジタル
信号を出す回路の設計をする。
−信号機の色を変える条件−
ある台数が通過すれば信号の色を変えることにした。
・具体的には１５台とする。
しかしこのままでは片方側の車の数が多く、もう片方の車の数が少ない時、数の多い側の車は滅多に来ない車を１５台見るまで赤信号待ちをくらってしまうことになる。
この問題は車が、センサーを横切ってある程度の時間が過ぎても車が来なければ信号の色を変える、という動作を付け加えることで解決できる。
・ 具体的な時間は３０秒とする。
しかしさらに問題があることが分かった。
もし車が２９秒間隔で１５台来た場合に
１４×２９＝４０６
４０６秒≒６分４６秒と長い時間の信号待ちになってし
まう。

図２．１４

図２．１３ 車の通過数に差がある場合の欠点

車の間隔が長い時11この問題は（１）車がセンサーを横切って１０秒経ったらそれを記憶さる。
（２）１０〜３０の間に車が来たら、車の間隔を測る時計はリセットされるが、１０秒経ったという記憶はリセットせず、再び１０秒経ったら無条件で信号の色を変える、という方法で解決できる。

図２．１５

信号変化の条件−車が１５台通過−
この動作は１６進カウンターによって処理する。
７４ＨＣ１６１というＩＣを使用することにした。
クロックの立ち上がりを与えるたびに０、１、２、…と２進数の値で出力していき、カウント１５の次は０に戻る動作、リセットをする。その間、RippleCarryという出力端子が H の出力を出す。この RippleCarry の信号を、H が入れば信号の色を変化させる動作をする回路の入力になるようにする。
センサーの出力は車が通過していると信号を出すから、それをカウンターのクロック入力端子につなぐ。ただし車が通過するということは、車認識回路の出力が１から０になることで、この７４ＨＣ１６１はクロックの立ち上がりを数えるポジティブエッジトリガーなので車認識回路の出力を NOT で反転さしたものをクロック端子に入れなければならない。

12

図２．１６

反転の理由−３０秒経っても車が通過しない−
３０秒経っても車が通過しないことを知るためには、車が車認識回路を通り過ぎてからの時間を計る必要がある。３０進カウンターに周期が１秒のクロッ
ク信号を与え、車が車認識回路を通り過ぎたら時間を計り始め、３０カウント
時に信号変化のディジタル信号を出す、そして 30 秒経つまでに車が来ると、計測をリセットする動作の回路が必要である。
少しややこしいように思えるが、カウンターの CLEAR 信号を上手に使えば簡単に製作できる。CLEAR 信号を入れっぱなしにすると、その間カウンターは
カウント動作をしないことを利用する。
周期１秒のクロックを常に入れ、センサー出力を反転し CLEAR 端子に入れるだけでよい。
（CLEAR がアクティブ L の時。アクティブ H ならセンサー出力そのままで。）＊非同期クリアの場合のみ＊（同期クリアでクリ
アの時間がクロックより小さい場合クリアできない時があ
る。）

図２．１７

CLEAR 信号を利用

13

３０進カウンターは、１０進カウンターと 3 進カウンターの組み合わせで設計した。１０進カウンターは専用の IC、７４HC１６０を使用し、3 進カウンタ
ーは D フリップフロップの組み合わせで設計した。
ディジタル回路の勉強として、または回路を作る際の慣れなどを考えると前途の１６進カウンターや 10 進カウンターをＦ．Ｆの組み合わせで作るべきなのかもしれないが、使用するＩＣの数が増え製作に時間がかかってしまうため専用のＩＣを使用することにした。

図２．１８

Ｄフリップフロップによる１０進カウンター

７４ＨＣ１６０を使うと、この図２．１８のＤフリップフロップによる１０進カウンターがＩＣ1 個で収まる。
実際に設計した３０進カウンターの回路を図２．１９に示す。

14

図２．１９ ３０進カウンター
この回路で３０秒経った時に信号変化のディジタル信号を出すためには、カ
ウント２９をＮＡＮＤによりデコードし、それをポジティブエッジトリガーの
Ｄ−ＦＦのクロック端子につなぐ。そうすると３０秒経った時、Ｄ−ＦＦの出
力がＨを出すのでこれを信号変化のディジタル信号とする。
１Hz のクロックはＣ-MOS インバータ３段回路によって作る。
Ｃ-MOS インバータ３段回路
コンデンサーの充電と放電の繰り返しと、インバータの特性によるクロック生成回路である。
Ct=1μ Rt=560ｋ Rs=10kで約１Hz のクロックを出す。

Vt：インバータのスレッショルド
電圧

周期を T とするとVd：電源電圧
Rs：保護抵抗15−１０秒間隔が 2 度あった−
１０秒間隔があったことは、上の 30 進カウンターでの RippleCarry 端子を D-FF
作った３進カウンターのクロックに入れることで処理できる。
そしてカウント２をデコードさせる。ここではさっきとは少し違った方法でデコードすることにした。
２つの D-FF をつなぐ。図２．２０での右側の D-FF の出力 Q が H になると信号変化のディジタル信号を出し、ＣＲのディレイにより遅れた H が F.F をリセットする。

B には F.F の Clear がア
クティブ L なら NOT を入れる。または 端子にＣＲをつける。
A は信号変化のディジ
タル信号。

CLEAR

図２．２０

１０秒間隔が 2 度あるかを調べる回路

この回路を渋滞防止回路と呼ぶことにする。
CR によるディレイ
ＡとＢは論理では同じ値だが、抵抗とコンデンサーによりＡが０．７×Ｒ×Ｃ秒 遅れＢに出る。

16

工事用信号機の情報を処理する部分のブロック図を下に示す。

図２．２１

情報処理部分のブロック図

丸で囲んである JK-F.F は 1 度でも J に H が入れば Clear が入力されるまで
H を出し続ける動作である。次の項目で説明する。
工事用信号機では車認識回路を２個使用している。情報を処理する回路へのディジタル信号には、どちらの回路の出力を取り出すのかを判断し、選んだ方の信号を、情報を処理する回路へ伝える動作が必要である。
ここで述べてきたように、情報を処理する回路で必要なディジタ
ル信号は、信号機の色が青で車が通過している側のディジタル信号である。このため信号機の色が青であることを示す信号をデータ選択線にしたマルチプレクサを使うことにした。

図２．２２

17

車認識回路の選択

２−３

信号を変化

前に述べた情報を処理する回路からの出力（以降、信号変化と呼ぶ）を、信号を変化する回路に入力する。相手側の車認識回路の H が来れば信号機の色を変えるように設計する。すなわち、相手側の信号機前で車が待っていなければ、信号機の色を変化させないような回路にしなければいけない。

図２．２３

色を変える条件

赤信号待ちの車がいない時、『相手側に車』がＬ出力である。
信号変化のディジタル信号は相手側の車認識回路から H が来るまで流れつづけさせることで（１） 信号を変化させようとするとき赤信号待ちの車がなければ色を変え（２） その状態の時、車が来ると色を変える（３）という条件を満たす。
しかし、この図２．２１の色を変えようとする３つの信号は情報を処理する回
路からの出力である。情報を処理する回路からの出力はカウンターのリセット
同士の OR をとったものである。つまり、このディジタル信号は、リセット信号を用いているため少しの間 H 出力をして L に戻ってしまう。このため図２．
２３のように直接、AND をとることができない。
これらの課題は JK−F．F を用いる回路により解決できる。
JK−F．F の K の入力端子をアースにつなぐ。
（常に L を入力）こうした場合､J に 1 度でも Hが入ると、その後 J の入力が L であろうが H であろうが、出力 Q は Clear をしない限り H を出し続ける。
信号機の色は赤と緑の LED（GL５PY８と GL5PYG８）で表し、ともに点灯
しないように片方に NOT をつけ並列につなぐ。

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信号の色を青に変化させる時、まず少しの間、双方を赤にしてから青にする
ことに気をつけなくてはならない。
これらを考慮して次のような信号を変化させる回路を設計した。

図２．２４

信号変化の回路

四角の中に書かれている数字は CR によって遅らせる時間の値で、単位はｓ（秒）である。上向きの矢印は電源電圧につなぐことを意味している。
３入力 AND を二つ用いる。上側の AND は左の信号機、下側は右の信号機を操作する。この AND の出力は JK-F.F の J につながっている。つまり、左側の JKは左側の信号機を操作、右側は右の信号機を操作する。
JK-F.F の出力が H の時、信号機の色は赤になるようにしている。

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片方の JK-F.F の出力が L から H になった時というのは、対応する信号機が青から赤になる時のことである。その時、もう一方の JK-F.F の出力は H を出力している。（相手側の信号機が赤色）その相手側の JK-F.F をリセットするた
め、出力を相手の JK-F.F の Clear 端子につないでいる。そのままではなく、CR
により１０秒ずらしてリセットすることにより、信号が色を変化さすときの条
件＜双方をいったん赤にする＞を満たすことになる。
黒矢印で示した NOR は、この回路に電源電圧を入れた直後の時のみ動作する。
回路に電源電圧が入ってない時では、すべての端子が L 状態になっている。電
源電圧を入れたすぐ後は、両方の JK-F.F が L を出力、つまり両方の信号機が青を表示してしまうことになる。信号機が両方青というのは絶対あってはならな
いことなのでこの回路（NOR）をつける。
赤だった信号が青になった時に情報を処理する回路のリセットを行うよう、
２つの JK-F.F の出力の AND をとり、その出力を Clear 端子につなぐ。

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３ 評価
３−１ 車認識回路の評価
図２．５を、汎用ロジック IC 等を使用して製作した。
IC による車認識回路図を下に示す。

図３．１

IC による図２．５の表現

実際に製作したものは誤動作を起こした。確認用 LED が、フォト.ダイオー
ドが光を受けようがさえぎられようが点灯しない、というケースがほとんどであった。
この図３．１の回路は、湯山俊夫著『ディジタル回路の設計、製作』より引用したものであるが、違う抵抗や電源電圧の値、素子を使用したので、そこに原因があるかを調べた。
湯山俊夫著『ディジタル回路の設計、製作』の回路図との違う点
・ 確認用 LED が TLR１０２A に対し、GL５PY８を使用
・ バイポーラトランジスタが２CS１０００に対し、２CS１８１５を使用
・ 電源電圧が６V に対し、５Ｖを使用

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確認用 LED の保護抵抗は前述の計算で３００Ωとした。湯山俊夫著『ディジタル回路の設計、製作』では、使用している LED は TLR１０２Ａで、電源電
圧６V を使用し、保護抵抗は２.２ｋΩを使用していた。TLR１０２A は２０ｍＡが適正であり、計算で保護抵抗の値を求めると（６−２）／２０ｍ＝２００
より ２００Ωと、使用している抵抗の値より小さい値である。２.２ｋΩを使用しているのは CMOS に大きな電流を流し、IC を破壊しないために大きな値の抵抗にしているのであった。
これを参考にし、確認用 LED の保護抵抗値を変えることにした。
湯山俊夫著『ディジタル回路の設計、製作』では、保護抵抗２.２ｋΩであるから、流れる電流をｘとして式を立てると（６−２）／ｘ＝２.２ｋｘ≒１.８ｍより１.８mA が流れていることになる。この値は通常の CMOS のシンク電流より小さく理解できる。そこで１.８ｍA を取り、GL５PY８の保護抵抗を求める。
（５−２）／１.８m≒１.５k
より、１．５kΩになおした。
１.５ｋΩに変え、もう 1 度回路を組んだが、動作しなかった。保護抵抗３００
Ωを使ったことによる IC の破壊のために、回路が誤動作することとではなかった。

22

次にバイポーラトランジスタの出力について調べてみた。
２ＣＳ１８１５とＴＰＳ７０３を右の
図３．２のようにつなぎ赤外ＬＥＤの光をあてた時と、光をあてなかった時のＶｏの電圧値を測定した。
すると、光をあてたときの電圧Ｖｏが２.３Ｖであった。
車認識回路では、光があたった時の
ＶｏはＬになる必要があったが、この２.３ＶではＨととられてしまう可能
性が高い。

図３．２

２ＣＳ１８１５の測定

７４ＨＣ１４では Ｖｈ≒２.５ Ｖｌ≒１.８
さらに車認識回路では、２２ｋΩと１００ｋΩの抵抗によりＶｈ≒３、Ｖｌ≒１（図２．１１参照）
抵抗Ｒｃの値が適正ではなかったのである。
図３．３のようにＲｃが小さいと、出力の値がインバータにＨと判断されてしまう。
Ｒｃを４.７Ωより大きな値にしなくてはならなかったのである。Ｒｃを色々な値にして測定してみた。
Ｒｃ＝２２ｋの時
Ｖｏ＝１.７
Ｒｃ＝４７ｋの時
Ｖｏ＝０.８
図３．３

Ｒｃ＝６８ｋの時
Ｖｏ＝０.５

抵抗Ｒｃの適正値

23湯山俊夫著『ディジタル回路の設計、製作』の図に４.７ｋΩを使用していたので、４.７ｋΩの抵抗を使ったが、おそらくタイピングミスで４７ｋが４.７ｋになっていたので誤動作したものだと思われる。
よって抵抗４.７ｋΩを６８ｋΩに変えてみた。また、ＯＮしている時、ＯＦＦしている時の２ＣＳ１８１５の出力を測定した結果、インバータがシュミッ
トインバータである必要がないので７４ＨＣ０４を使用した。
そして、動作確認を行うと目的通り、光を受ければＬを、光がさえぎられるとＨを出力する動作をした。訂正後の回路図を下に示す。

図３．４

訂正後の車認識部の回路

24

３−２

情報を処理する回路の評価

IC による情報処理部分の回路を下に示す。

入力

図３．５

IC による図２．２０の表現

25

３０秒経っても車が通過しない時に出力を H にする、としていたが CR による発振回路の周期が不安定であること、IC の数が増えるなどの理由より、２９秒で出力を出す回路にした。
入力を次の３つのパターンに分け動作確認を行った。
・ 短い間隔の車が１５台通過
・ １０秒以上間隔のあいた車が通過
・ １台通過して３０秒車が来ない

短い間隔で車が１５台通過する場合の動作だが、ファンクションジェネレー
タより、１Ｈｚで０Ｖと５Ｖを振幅するパルス電圧をあたえることで動作確認を行った。結果は正常に動作した。
１０秒以上間隔のあいた車が通過場合の動作は、周波数を７０ｍＨｚにし、（周期約１５ｓ）動作確認を行った。この場合も正常に動作した。
1 台通過して３０秒車が来ない場合の動作は、誤動作を起こした。
３０秒経つ前に出力が出てしまう、という動作だった。
これは相当な初歩的なミスであった。渋滞防止回路はいわゆる 2 進カウンタ
ーであり、１0 進カウンターが１０をカウントする時 RippleCarry 端子よりクロックの立上がりを得ている。
渋滞防止回路が２をカウントするのと、３０進カウンターが３０をカウント
するのは当然、渋滞防止回路の２カウントが先である。それらの OR を出力としているのだから、３０秒経つ前に出力が出てしまうことになった。

図３．６

３０カウント出力がでない理由

26

しかし、それだけが原因ではないことが分かった。同研究室の先輩や、矢野先生の下で実験をしている３年の学生から聞くことなどで分かったのだが、10
進カウンターの IC、７４HC１６０の出力端子は、〝ヒゲ〟と呼ばれる不規則な出力を出し、回路を誤作動させることがある。７４HC１６０だけの測定では〝ヒゲ〟は発生しないが、他の IC と組み合わさった場合によく発生する。

出力端子全般に出る。
出力端子のいくつかが立下り状態の時によく
発生した。
図３．７

７４HC160 に見られた〝ヒゲ〟

１０進カウンターをヒゲの起きない IC で製作し、それによる３０進カウンタ
ーで、カウント１０をデコードしたものを渋滞防止回路のクロックに入れることで、３０秒経つ前に出力が出てしまうという問題は解決できる。
動作確認に時間がかかる、回路の規模が大きくなるなどの理由より、車を待つ時間 30 秒を２０秒にし、回路を訂正した。訂正した回路図を下に示す。

図３．８

訂正後の情報を処理する回路

27

図３．９

IC による、図３．７の表現

28

３−３

信号を変化させる回路の評価

図２．２４を汎用ロジック IC を用いて製作した。
図２．２４では OR１個、NOR1 個を使用している。IC の数を減らすため、ORを NOR+NOR の形にして製作した。
さらに、２入力 AND は、情報を処理する回路のリセットのためのものであったが、情報を処理する回路のリセットはアクティブ L であったため２入力
NAND に変えて、製作を行った。

図３．１０ IC による図２．２２の表現
左下の 74HC04 では、JK-F.F を動かすために必要なクロックを作るための回路で CMOS インバータ３段発振回路である。周期が１秒を超えるような遅いク
ロックでない限り、動作的に問題にならないため、手元の素子で作りやすかった周期１ｍｓのクロックを作った。（Ct=10000ｐ Rt=５６ｋ Rs=10k ２−２参照）。74HC00 の上にある CR は７秒ほど遅らせるためのディレイ回路で、使用した素子の値は抵抗４７０ｋΩ、コンデンサー２２μＦである。

29

回路を実際に組んで動きを確かめると、全く信号が変化しないことが分かった。オシロスコープにより IC のピンを調べ、原因を探していると JK-F.F が動作していないことが原因だと分かった。
動作しない原因は設計の誤りによるものであった。原因を下に示す。
図２．２４で２つの JK-F.F の Clear 信号は、相手の JK-F.F の出力によるものであった。２つの JK-F.F の出力は排他的な関係で、信号変化のディジタル信
号が来れば互いの値が変わるようにしているつもりだった。
実際には信号変化のディジタル信号が来ても値を変えていなかった。
JK-F.F をリセットする時、Clear 信号が流れっぱなしになってしまい、JK-F.F
が動作をしないことが原因であった。
いったんどちらかの Q が H を出すと、Clear 信号を流しっぱなしになり、変化を全くしなくなる。

図３．１１ JK-F.F が動作しない理由
Clear 端子に入れるディジタル信号の波形は、カウンターの RippleCarry 出
力の波形のようにしなくてはならない。
そこで次のような回路を考えた。
双方の JK-F.F の出力を、ポジティブエッジト
リガ-の D-F.Ｆの入力端子に入れ、D-F.F の出力 Q
を相手側の JK-F.F の Clear 端子に入れる。D は
常に H を入力する。

図３．１２
図 3.10 を動作させるための回路

D-F.F の出力 は初期状態で H である。CK が立
ち上がると L になり、Clear により初期状態に戻り再び H になる。CR により Q より遅れてリセットしているので、遅らした時間だけ Q が H 出力をすることでカウンターの RippleCarry のような波形を出すことが可能になる。

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動作確認で希望の波形が得られたのでこの図３．１１を使用する。
訂正した回路を下に示す。

図３．１３

訂正後の信号変化回路

JK-Ｆ.Ｆの出力 Q から D-F.F の Clear 端子への CR によるディレイ時間は前途と同じく７秒くらいとする 抵抗４７０ｋΩ、コンデンサー２２μF
より約７.２ｓのディレイとする…0.7×４７０ｋ×２２μ＝７.２
D-F.F の出力 から Clear 端子への CR によるディレイ時間は信号変化の間の時間より充分に小さい値であればいいので、１秒とする。
抵抗１MΩ、コンデンサー１μＦ
より約０.７ｓのディレイとする…0.7×１Ｍ×１μ＝０.７31図３．１４

ＩＣによる図３．１２の回路

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４

まとめ

計算や論理上で考えて作った回路を実際に製作すると、１つとして目的の動作を行わなかった。使用する IC の論理的な動作だけでなく、特性を充分に理解することが大事なことであることを知った。
（１）動作＜機能＞を考えて、（２）まず論理的な設計をし、（３）それを回路に直し、（４）さらにそれを具体的な部品を用いて実現し、（５）目的の動作をするかのテスト、（６）不具合点を見つけての修正など一連の作業を通して、貴重な経験をした。また、動作だけを追求するのではなく、物を破壊しないための工夫、技術や、雑音などに対応する技術など、井の中の蛙程度ではあるだろうが多くのことを知り身に付けることができた。
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謝辞「反省文を書きなさい」「やる気がないなら帰りなさい」といったと言葉をよく耳にした学生生活を送ってきた私が、駄作とはいえ、この卒業論文を仕上げることができたのは、私に力を貸してくれた先生方、先輩や友人のお陰だと心から思っています。特に原央教授には、あきれるくらい基礎を理解していない
私に、親切に指導していただいたこと、とても感謝しています。また、輪講時に丁寧にご指導していただいた矢野政顕教授、橘昌良助教授の助けがなければ、
この報告書は存在していなかったと確実に断言できます。同研究室の先輩、新妻さん、柏田さん、友人の窪田君は自分の行動を中止してまで、私の卒業研究を助けてくれました。また、橘研究室の所谷氏の卒業研究への意気込みは、こちらまで影響を受けるほどで多少、助けになりました。
皆様、本当にありがとうございました。
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参考文献
湯山 俊夫著：ディジタルＩＣ回路の設計
湯山 俊夫著：ディジタル回路の設計・製作
白土 義男著：たのしくできるディジタル回路の実験
鈴木美朗志著：たのしくできるセンサ回路と制御実験
中村 次男著：ディジタル回路設計法
藤井 信生著：なっとくする電子回路

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ＣＱ出版社
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東京電機大学出版局
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日本理工出版会
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