第1章

RS−２３２Cレベル変換ボード

パソコンのシリアル・インターフェ
ー ス R S −2 3 2 C の 信 号 レ ベ ル（ ± 5 〜15 V）
をTTL ICの信号レベル（0〜5 V）に変換するためのボードです．マイコンなどを使った自作の装置とパソコンをつなぐ際に使うと便利です．

パソコンとマイコンをつなぐRS−232C● RS−232Cはパソコンと周辺機器をつなぐ共通規格
パソコンの背面パネルに，写真1のようなコネクタがついているのを見たことがある人も多いでしょう．これはRS−232Cと呼ばれている，パソコンと周辺機器をつなぐシリアル通信用のポートです．RS−232Cを使えば，マイコンなどを使った自作の機器（以下，周辺機器）とパソコンとの間で手軽にデータをやりとりできます．最近はRS−232Cのポートをもたないパソコンが増えてきましたが，組み込みの世界ではまだまだ根強い人気があります．
● RS−232Cの信号レベルは一般的なロジックICと異なる
図1はRS−232Cの信号レベルと，マイコンなどのロジック信号のレベルを比較したものです．RS−232Cはパソコンとモデムを接続するための信号だったので，ノイズや波形の鈍りに対抗するため±5〜15 V振幅の信号を使っていました．マイコンなどが扱うロジック信号は，0〜5 V振幅のTTLレベルや0〜3.3 V振幅のLVCMOSレベルです．
マイコンなどにRS−232Cの信号を直接加えると，正しく信号を伝えられないばかりか，デバイスを壊す危険性があります．逆に，マイコンが出力する信号をRS−232Cをもつ機器に直接つないでも，正しく信号を伝えられません．しかも， 1と0の論理が反転します．
写真1 パソコンに備わっているシリアル・インターフェース
RS−232Cの端子10このため，RS−232Cにマイコンを接続する場合などでは，信号のレベル変換が必要です．
● RS−232CとEIA−574
多くのパソコンに取り付けられている9ピンのシリアル・ポートは，正しくはEIA−574と呼ばれています．本来のRS−232Cは25ピンDサブ・コネクタを使用し，非同期通信の他に同期式通信も可能です．パソコンをモデムと接続するための厳密な規格として誕生し，最大通信速度は20 kbpsです．RS−232Cを満足しても使われない機能が多く，コストもかかります．そのため，次第に9ピンDサブ・コネクタを使ったシリアル・ポートに取って代わられました．
9ピンのシリアル・ポートは，後にEIA−574として正式登録されました．しかしRS−232Cという呼称があまりにも有名だっため，非同期式のシリアル通信は何でもRS−232Cと呼んでいるのが現状です．9ピンのシリアル・ポートをRS−232Cと呼んではいけないという人もいますが，本稿でも気にせずにRS−232Cと呼びます．
● RS−232Cの信号線の機能
RS−232C（EIA−574）を構成する信号線を表1に示します．9本ありますが，通信に使われるのはRXDとTXD，GNDの3本です．それ以外の信号はフロー制御や，ハードウェアの準備ができたことなどを知らせるときに利用する制御線です．RTSとCTSを使ってフロー制御を行う装置では，これらの制御線をつながないと正しく通信できません．
15

RS-232C入力レベル＊

レシーバの入力電圧［V］

論理 0

Lレベル（論理 0 ）は0〜0.8V
Hレベル（論理 1 ）は2〜5V

5H
TTL ICの入力レベル
L

0RS-232Cレシーバの入力
スレッショルドは±3V−5

論理 1−15▲＊注

E I A-562(EIA-574に適用できる電気的特性)の送信信号レベルは±3.7〜±13.2V

図1 RS−232C信号とロジック信号のレベルの違い
11表1 RS−232C（EIA−574）の信号線
ピン番号

入出力方向

信号名

1

入力

DCD機

能2入力

RXD

受信データ

3出力

TXD

送信データ

4出力

DTR

データ端末レディ

5−GND

信号グラウンド

6入力

DSR

データ・セット・レディ

7出力

RTS

送信要求

8入力

CTS

送信可能

9入力

RI

被呼表示

キャリア検出制御線を使用しない場合は，オープンにしても問題ありません．

RS−232Cレベル変換ボードの機能
本ボードの回路を図2に，部品を表2に示します．
● 専用ICを使ってRS −232CとロジックICの信号電圧の違いに対応
RS−232Cの電圧レベルと一般的なロジックICの電圧レベルを変換するには，専用のICを使うのが一般的です．本ボードではADM3202ANZ（アナログ・デバイセズ）を使います．ADM3202ANZは3.3〜5 Vの電源で動作し，最大通信速度は460 kbpsです．同じようなICとしてADM232LAN（アナログ・デバイセズ）があり，こちらは5 V動作で最大通信速度が120 kbpsです．どちらのICも同じように使えます．
● ストレート・ケーブルとクロス・ケーブルに対応
本ボードでは，ストレート/クロスいずれのケーブルも使用できるように，接続切り替え用のジャンパを設けています．
表2 RS−232Cレベル変換ボードの部品表
参照番号

数量

C1 〜 C55積層セラミック・コンデンサ

品名

型名 / 定数J1

1

D サブ・コネクタ

メス型 9 ピン

J23ピン・ヘッダ

4 ピン

J31ピン・ヘッダ

6 ピン

U11

RS − 232C レベル変換 IC

ADM3202ANZ0.1 μF

TP1

1

テスト・ポイント

黒色丸スルー・ホール

（J2）

4

ジャンパ・ピン1 ピン黒色シャント▲

本部品セットの Digi − key 注文番号は「DKTGRS232C − KIT − ND」．全部品セット（RS− 232C，H/L テスタ，パラレル− JTAG，USB 電源）の Digi − key 注文番号は「DKTGALL −KIT − ND」
．注文方法の詳細をトランジスタ技術のホームページで公開予定．

12

第２章

H/L ロジック・テスタ

本ボードは，ロジック回路の動作チ
ェックに便利な H/L ロジック・テス
タです．信号の状態が H レベルなのか L レベルなのかを，LED で表示します．マイコンなどの出力信号を音に変えてブザーで鳴らす機能も備えています．

動作原理● コンパレータで入力信号と基準電圧を比較する
H/L ロジック・テスタの回路図を図 1 に示します．本回路は，あらかじめ設定した基準電圧と入力信号の電圧を，LM2903P というコンパレータで比較して H レベルか L レベルかを判断します．LM2903 と LM393 は同種の IC なので，LM393 があれば同様に使えます．
コンパレータという部品は，＋入力端子の電圧が−入力端子の電圧以上ならば H レベルを出力し，逆の条件なら L レベルを出力（電流を吸い込む）します．コンパレータの動作は OP アンプと似ていますが，内部の位相補償コンデンサがなく，構造も単純です．
動作も高速で，出力段がほかのディジタル回路と接続しやすくなっています．増幅ではなく比較だけを行いたい場合は，コンパレータを使うほうがよいでしょう．
● コンパレータの出力で LED をドライブする
図 2 は，LM2903/LM393 の出力段の構造です．オープン・コレクタになっているので，H レベルを出力する代わりにハイ・インピーダンスになります．本回路では，LM2903 に電流を吸い込ませて LED を点灯させます．
LM2903 の出力状態は，電流を吸い込むか否かだけです．H レベルの電圧出力が必要な場合は，出力にプルアップ抵抗を接続します．すべてのコンパレータがオープン・コ
レクタ/オープン・ドレインになっているわけではなく，トーテムポール出力のコンパレータも多数存在します．
● 基準電圧は電源電圧を抵抗で分圧して生成する
マイコン応用回路などのLとHの判定レベル（TTL レベル）では，入力信号が0.8 V 以下なら L レベル，2.0 V 以上なら H レベルと判断します．本回路では 5 V の電源
電圧を抵抗で分圧し，0.8 V と 2.0 V の電圧を作り出します．
15

電源入力
J15V
GND

入力信号がHレ
ベルのとき赤色LEDが点灯

VCC
12C1VCC（5V）

LED1

R1330Ω

10μ25V

R2330Ω

入力信号がLレベルのとき緑色LEDが点灯

LED2

VCC
0.9V

10k

R42.2k

1OUT12I N1 −3I N1 ＋4GND

VCC

VCC

U1R38
VCC
7OUT2I N2 − 6
I N2 ＋ 5VCC

R73.3k

2.0V

C2LM2903P（ナショナルセミコンダクター）

R80.1μ2.2k

R 10100Ω

R91k

BZ1

信号入力
J2SIG
GND

Tr1R5122SC1318（パナソニック）

R61M

図 1 H/L ロジック・テスタの回路図

VCC
コレクタはオープンになっている．Lレベル
出力のときに電流を吸い込む
OUT

図 2 コンパレータ LM2903/LM393の出力段の構造

GND

R3 と R4 で 5.0 V の電源電圧を分圧するので，IN1 −端子の電圧は，VIN1 −＝

R4
R3 ＋ R4

VCC ＝

2.2 × 103
10 × 103 ＋ 2.2 × 103

× 5 ≒ 0.9 Vと求まります．同様に IN2 ＋端子の電圧は，VIN2 ＋＝
16R8R7 ＋ R8VCC ＝2.2 × 103
3.3 × 103 ＋ 2.2 × 103×5＝2 V

表 1 抵抗値やコンデンサに使用される標準列数（一部抜粋）
E3 系列

1.0̶

̶̶

2.2

̶

̶̶

4.7

̶

̶̶

E6 系列

1.0

̶

1.5

̶

2.2

̶

3.3

̶

4.7

̶

6.8

̶

E12 系列

1.0

1.2

1.5

1.8

2.2

2.7

3.3

3.9

4.7

5.6

6.8

8.2

n12E12 系列とは 10 の 12 乗根（ √1￣0 ）を近似値に丸めたもの．この値に 10 を乗じた値の抵抗は入手しやすい．しかし，それでも種類が多いため，今回は種類が少ない E6 系列から値を選んだ．なお，JIS C 5063：1997「抵抗器及びコンデンサの標準数列」では E3 〜
E192 系列までが規格化されている．

表 2 周辺の抵抗値を変えて各信号レベルに対応する
信号レベル

R3L レベル
H レベル
電圧［V］ 電圧［V］ ［Ω］

R4［Ω］

R7［Ω］

R8［Ω］

5 V TTL

0.8

2.010 k

2.2 k

3.3 k

2.2 k

3.3 V LVTTL

0.8

2.010 k

2.2 k

3.3 k

2.2 k

5 V CMOS

1.5

3.5

3.3 k

1.5 k

1.5 k

3.3 k

3.3 V LVCMOS

1.0

2.3

12 k

3.3 k

5.1 k

4.7 k

2.5 V LVCMOS

0.7

1.7

10 k

1.8 k

10 k

5.1 k

注 s（1）CMOS IC の L と H を判定するときの入力レベルは絶対的な電圧ではなく，電源電圧に比例する（2）この表はあくまでも目安であり，入力電圧レベルは実際のデバイスごとに微妙に異なる（3）
は E12 系列， は E24 系列の値と求まります．本回路では，入手性が良くどこの実験室にもありそうな E6 系列（表 1）から抵抗値を選んだため，IN1 −端子の電圧は厳密に 0.8 V ではなく約 0.9 V になっています．
Z TTL 以外の信号レベルに対応させるには？
本回路では，TTL レベルに合わせて基準電圧を決めています．各抵抗値を表 2 のように変えれば，TTL レベル以外の電圧レベルに対応できます．
● H/L を繰り返すパルス信号の有無を音で確認する
本回路はロジック・レベルの H/L に応じて LED を点灯させます．しかし，H/L が常時切り替わっているような信号だと，両方の LED がぼんやりと点灯しているように見える場合があります．20 Hz 程度の周波数でさえ，人間の目では判別できません．
そこで，本回路では音で信号の変化を確認できるようにしました．音を発生させるために，圧電サウンダ（TDK 製 PS1740P02）を使用します．パルスや低周波信号を加えれば，その周波数や波形に応じて音が発生します．
マイコンの汎用ポートやアドレス・バス，データ・バスなどの「音」を聞いてみると，「ピギャー」とか「ギョロギョロ」といったように，プログラムの実行ルーチンやループの周期によって音の高さや質が変わってくるのがわかると思います．
圧電サウンダを使ってパルスを音で聞いた場合でも，はっきりと識別できる周波数は
17

第３章

パラレル− JTAG 変換ボード

本ボードはパラレル・ポートを通じて JTAG の信号を作り出す回路です．
本基板を使えばパソコンから JTAG信号を出力できるようになります．実
際に JTAG で何かをするのはソフトウェアですから，JTAG 用のソフトウェアを別途用意してください．

構造● JTAG とは
Z FPGA/CPLD や CPU 内部のテスト回路にアクセスするためのシリアル通信規格
JTAG（ジェイタグと読む）とは，FPGA や CPLD の書き込みや CPU のデバッグなどに使用するシリアル通信規格です．JTAG を使えば，TCK，TDI，TMS，TDO の 4 本の線で，ターゲット IC（対象となる FPGA や CPLD，CPU などのこと）の内部に作られ表 1 パラレル− JTAG 変換ボードの部品
参照番号

数量C1

1

積層セラミック・コンデンサ

品名0.1 μF

型名 / 定数

C2 〜 C76

セラミック・コンデンサ

100 pF

D1 〜 D2

2

ショットキー・バリア・ダイオード

60 V，1 A

J1

1D サブ・コネクタ

25 ピン，オス型

J2

1ピン・ヘッダ

9 ピン

R1 〜 R77カーボン抵抗器

100 Ω

R81カーボン抵抗器

1 kΩ

R 9 〜 R 15

7カーボン抵抗器

330 Ω

R 161カーボン抵抗器

51 Ω

R 17

1カーボン抵抗器

5.1 kΩ

R 18 〜 R 247カーボン抵抗器

10 kΩ

U1 〜 U2

23 ステート・バッファ IC

74AC125

TP1

1

テスト・ポイント黒色丸スルー・ホール

Z本部品セットの Digi − key 注文番号は「DKTGJATG − KIT − ND」．全部品セット（RS −232C，H/L テスタ，パラレル− JTAG，USB 電源）の Digi − key 注文番号は「DKTGALL −KIT − ND」
．注文方法の詳細をトランジスタ技術のホームページで公開予定．
20

たテスト用の回路にアクセスできます．
これらの 4 本の信号以外に，JTAG のリセット信号（TRST）を使うこともあります．
また，組み込み CPU のデバッグを行う JTAG デバッガという装置では，CPU 用のシステム・リセット信号やフラッシュ ROM の書き込み許可信号などを出力できるものもあります．
● ベースはザイリンクス社のパラレル・ケーブルⅢ本ボードの回路を図 1 に，部品を表 1 に示します．この回路はザイリンクス社のパラレル・ケーブルⅢ（http://www.xilinx.com/support/programr/jtag̲cable.pdf）
を参考に，いくつかの改良を施しています．改良点は以下のとおりです．
¡3 ステート・バッファ IC を 74AC125 に変更して 2.5 V の JTAG 信号に対応¡パラレル・ポートと接続する入力信号をすべてプルアップ¡汎用出力を 2 本引き出し
JTAG 信号の出力コネクタ（J2）は，ザイリンクス標準の 9 ピン・フライ・リード・ケーブルのピン配置に合わせています．ただし，ザイリンクスのケーブルで使用していな
い 5 番ピンと 8 番ピンは，汎用出力（TRST と SRST）としました．

安定動作のためのポイント● IC を保護するための電流制限抵抗を追加
74AC125 や 74HC125 の入力端子には，静電破壊を防ぐための保護用ダイオードがメーカ名
Kemet

メーカ型名
C315C104M5U5TA

Digi − Key 品番
399 − 4151 − ND

村田製作所

RPE5C2A101J2P1Z03B

490 − 3622 − ND

オン・セミコンダクター

MBR160RLG

MBR160RLGOSCT − ND

タイコ エレクトロニクス アンプ 5747238 − 4A32074 − ND

モレックス

22 − 03 − 2091

WM4007 − ND

Yageo

CFR − 25JB − 100R

100QBK − ND

Yageo

CFR − 25JB − 1K0

1.0KQBK − ND

Yageo

CFR − 25JB − 330R

330QBK − ND

Yageo

CFR − 25JB − 51R

51QBK − ND

Yageo

CFR − 25JB − 5K1

5.1KQBK − ND

Yageo

CFR − 25JB − 10K

10KQBK − ND

フェアチャイルドセミコンダクタ SN74AC125PC

74AC125PC − ND

Keystone Electronics Corp.

5001K − ND

5001

Z部品セット購入ページのアドレス http://jp.digikey.com/DKTG − Kit/
通常は，小計 5,000 円未満の注文には 1,000 円の手数料がかかりますが，本部品セット（表 1）を購入する場合に限り，この手数料はかかりません．
2122987654321R 175.1k

U2 74AC125141VDD
G1132I
N1G4123IN4OUT1114G2OUT4105I
N2G36I N3 9OUT287
GND OUT30.1μC151Ω

330Ω

R 15

R 14 330Ω

R 13 330Ω

R 12 330Ω

R 11 330Ω

R 10 330Ω

U1 74AC1251
VDD 14G1213I N1G43I N4 12OUT1411G2OUT4510I N2G36I N3 9OUT278GND OUT3R 16

D7 SRST

SLCT TDO

PEBUSYD6 KEY

D5 TRST

D4 PRG

D3 CTRL

D2 TMSERROR D1 TCK

D0 TDIR 9 330Ω

10k 10k 10k 10k 10k 10k 10k

R 18 R 19 R 20 R 21 R 22 R 23 R 24

D1 MBR160RLG

図 1 パラレル− JTAG 変換ボードの回路

2210231124
1225
132120191817161514

J1

R1100Ω

R2100p

R5100p

C7R7100Ω

100p

C6100Ω

R6C 5 100Ω
100p

100p

100Ω

R4C 3 100ΩR3C 2 100ΩC4D2VREF

TDO

TMS

TCK

TD I

SRSTTRSTR 8 MBR160RLG
1k100p

VDD

1123456789TP1J2GND

GNDNC
TCK
TRST
TDO
TD I
SRST
TMS

VREF

第４章

USB マルチ電源ボード

本ボードはパソコンの USB ポートから電源を取り出して，マイコンやFPGA に使う 3.3 V や 2.5 V，1.8 V な
どの電源を生成する回路です．全ての出力の合計で，最大 500 mA の電流を取り出すことができます．

3 端子レギュレータで 3.3/2.5/1.8 V を生成する
本ボードの回路を図 1 に示します．3.3 V 電源の生成には LM3940IT − 3.3（ナショナルセミコンダクター）を，2.5 V と 1.8 V 電源の生成には LM317T（フェアチャイルドセミコンダクター）を使いました．これらは 3 端子レギュレータと呼ばれる電源用の IC です．
● 入出力の電位差が小さい場合でも使える LM3940
LM3940IT − 3.3 は，5 V から 3.3 V を作り出す 3 端子レギュレータです．図 2（a）に示
すように，LM3940 のピン配置は 7805 と同じく，左から IN，GND，OUT の順に並んでいます．
7805 のような古くからある 3 端子レギュレータでは，入力と出力の電位差が 2 V くらいないと正しく動作しません．しかし LM3940 は，より小さい電位差で動作します．このような 3 端子レギュレータを，入力電圧と出力電圧の差が小さいことから LDO（LowDrop Out）と呼びます．5 V から 3.3 V を作り出すような場合には，LDO を使います．
一般的に，LDO は発振しやすいと言われています．発振を防止するためには，出力にコンデンサを接続する必要があります．このコンデンサは直列等価抵抗（ ESR ：Equivalent Series Resistance）の範囲が指定されていて，たいていは ESR が小さいほうが安定します．しかし，小さすぎても不安定になってしまいます．どれくらいの ESRなら安定するかは，LDO の品種によります．
● 出力電圧を任意に設定できる LM317
LM317 は，古くからある電圧可変型 3 端子レギュレータです．1.2 〜 37 V 程度の安定化電源を生成できます．図 2（b）に示すように，LM317 のピン配置は 7805 とは異なります．
LM317 は LDO ではないため，5 V から 3.3 V を生成する場合の入出力の電位差は動作できるぎりぎりのレベルです．ですから，3.3 V の生成には LDO を使用し，それ以外の
26

5V出力
USBコネクタ
CN15 65V入力
F1
12 RXEF
3050
4U1LM3940IT-3.3（NS）

12IN
R5330Ω

C110μR6OUT
GND

C20.1μC4C80.1μ47μ12J45V
GND
J13.3V
GND

3.3V出力

LED1U2LM317T（フェアチャイルド）1M

C 11IN

0.01μ500V

OUT
ADJ

R1220Ω

C30.1μ12C5220Ω

NS：ナショナル セミコンダクター

2.5V出力U3LM317T（フェアチャイルド）

IN

GND
ADJ

R4100Ω

12R3220Ω

C60.1μC72.5V
GND

C90.1μ 47μR2J2C 100.1μ 47μJ31.8V
GND

1.8V出力図 1 USB マルチ電源ボードの回路図

2.5 V と 1.8 V の生成に LM317 を使用しました．
Z 2 本の抵抗で出力電圧を設定できる
LM317 は，図 3 に示すように 2 本の抵抗を外付けすることで，出力電圧を設定できます．LM317 は，OUT 端子と ADJ 端子の電位差が 1.25 V になるように出力電圧を調整しています．ここで R1 には，1.25 ／ R1［A］の電流が流れます．この電流はそのまま R2を伝わって GND に流れるので，ADJ 端子の電圧は GND を基準にして 1.25R2/R1［V］となります．OUT 端子は ADJ 端子よりも電圧が 1.25 V 高いので，出力電圧 VOUT は，VOUT ≒ 1.25

R2R1＋1………………………………………………………………
（1）

で求まります．厳密には，ADJ 端子から GND に向かってわずかな電流（IADJ，約 50 μA）が流れますが，無視できるレベルです．
Z出力電圧設定用の抵抗は数百Ω程度にする
式（1）を見ると，R1 と R2 の抵抗の値は何でも良いように思われますが，実際には 10027

GND

OUT
タブ：この部分は内部でOUT端子とつながっている

LM3940

IN

OUT

LM317

ADJIN

GND

OUT

（a）LM3940（b）LM317

図 2 使用した 3 端子レギュレータのピン配置〜数百Ω程度の範囲にしたほうがよいでしょう．なぜなら，LM317 は十分な負荷電流を出力しないと，出力電圧が計算通りにならないからです．データシートでは，最小負荷電流は 3.5 m 〜 10 mA となっています．確実に動作させるには，常に 10 mA 以上の負荷電流が流れるように，ダミー負荷を接続するなどの対策をするのが良いでしょう．
Z設定用抵抗が大きすぎると出力電圧が安定化されない
実際に R1 ＝ R2 ＝ 10 kΩとして実験したところ，入力電圧 5 V に対して出力電圧が約4.2 V となりました．しかも，入力電圧の変化に追従して出力電圧も変動するのが確認されました．これは LM317 が，レギュレータとして動作していないことを意味します．
この状態で出力に 240 Ω程度の抵抗をつないで十分な電流を取り出すようにしたところ，出力は 3.0 V 付近で一応安定化しました．

R2 の値を大きくすると，IADJ が無視できなくなってきます．R2 での電圧降下が大きくなるため，式（1）で計算した値よりも出力電圧が高くなります．R1 ＝ R2 なので，式（1）から出力電圧は 2.5 V のはずですが，IADJ によって R2 で約 0.5 V の電圧降下が発生したと考えれば納得できる結果です．このように，抵抗の値が大きすぎると期待通りの結果が得られなくなります．LM317 を使った電源回路を設計するときには抵抗の大きさに注意してください．

回路の保護● ポリスイッチを使った短絡保護
ポリスイッチ（タイコ エレクトロニクス レイケム）とは，リセット（自己復帰）可能なヒューズです．ヒューズとポリスイッチはどちらも過大な電流が流れたときに電流を遮断する部品です．ヒューズは一度切れると交換が必要ですが，ポリスイッチは繰り返し
28