たった１ピンでHC595を使ってみる Home 関連記事 過去記事

前回は、PIC12F675の出力５ピン全てを使って、中華HC595の動作確認をした。無事確認できたわけだが、実働でこれだけI/Oを使っては割に合わない。
普通は全機能使うわけではないので、多少の制限は我慢しつつ少ないピンで駆動する方法、これをいくつか考えてみた。ものぐさなので、追加部品も最小限にしたい。
なお、74HC595のデータシートは、東芝製を代表として参考にしている。

●　(A)：２ピン使って「動作まる見え」版

(A)版回路図

シフト状況がパラレル側に筒抜けの、74HC164のような動作になる。
47kΩの抵抗１本を追加している。

この抵抗とICが持つ入力容量とで、RC遅延回路（CR回路、積分回路などとも）を構成し、SCKの数100ns後にRCKが出るようになっている。SCK-RCKのセットアップ時間（t_s）は19ns@4.5Vなどとなっており、これを満たす。また、12F675の１命令の処理時間、１μsよりは十分短い。
ちなみに74HCシリーズの入力容量は、5pF(typ.)、10pF(max.)とある。他のCMOSシリーズを見ても、4000シリーズで7.5pF(max.)、74VHCで4pF(typ.)など多少違いはあるものの、おおむね数pFとなっている。温度による変化は無い、とのこと。

実際の遅延は、スレッショルドが1/2V_CCとすると、-ln(1-1/2)RCで計算できる。τ=0.69RCというよく見る値がこれで、時定数とも呼ぶ。なお、lnはlog_eのこと。
仮に最大の10pFだったとすると、326nsと計算される。

●　(B)：１ピンで「動作まる見え」版

（B)版回路図

前版を１ピンで駆動しようという試み。抵抗は１本増えて２本使う。

SCKとRCKの関係は従前と同じ。シリアル入力であるSIには、SCKをうんと遅延させたものを使う。1MΩを使うので、遅延時間としては6.93μsとなる。
具体的には、通常は'1'に保っておき、'1'をシフト入力する場合は6.93μs未満のSCKパルスを与える。'0'の場合は、6.93μs以上'0'を保った後に立ち上げる。ただしこれは1/2V_CCでの計算であって、V_ILを満たしたければ1.2RC程度12.0μs余待つ必要がある。
SIは立ち上がりも緩慢になるので、次のビットのために十分に'1'に戻る時間を待っておく。たとえば９割戻しには2.3RC、97%戻しには3.5RCぐらいかかる。

ちなみにロジックICには、信号の鈍りの制限もある。74HCシリーズでは500ns/V（標準ロジック アプリケーションノート(使用上の注意点)のp72）とあり、この回路例ではしっかり越えている。とはいえデータ入力ピンであり、実害はないと考える。

●　(C)：２ピンで「動作秘匿」版

（C)版回路図

せっかくラッチが内蔵されているので、それも使いたい。(A)版の抵抗値を変更して、RCKを生かしてみる。

上記例にあるように、47kΩの場合は数100nsの遅延だが、1MΩなら数μsの遅延になる。RCKが数μs遅れることで、SCKのみの場合とSCK、RCK共に出る場合とを分けることができる。
具体的には、SCKは通常'1'に保っておき、シフト入力のみ（SCKのみ出力）の場合は6.93μs未満のパルスを与える。シフト入力の後ラッチも行う（SCKの後RCKも出力）の場合は、6.93μs以上のパルスにする。RCKの遅延や復帰に関しては、(B)版のSIに倣う。
この遅らせるRCKは、LE的なCK信号であり、前版にあるアプリケーションノートではまさに禁忌とされているが、何発食わせようがバタつこうが当例では実害はないと考えている。

別のパターンとして、（B)版のRCKを別ポートで駆動する方法、も考えられる。
禁忌が回避でき、クロックが鈍るのは許せない向きにはこちらでもいいが、'0'が多いデータの場合は転送が遅くなる。

●　(D)：１ピンで「動作秘匿」版

（D)版回路図

１ピンで３信号のコントロールをするのはちょっと難しい。
シンプルに抵抗だけとはいかず、抵抗２本、ダイオード２本を使う。ダイオードは小信号用シリコンダイオード（1N4148など）を指定しておく。

動作としては、定常はSCK='1'としておく。SCK立ち下がりでRCK='0'、立ち上がり（および定常）でSI='1'となる。立ち下がり、立ち上がりとも意味を持たせているので、シリアル転送を開始したら一気に行う。
'1'をシリアル入力したい場合は、短いSCKを与える。'0'の場合は6.21μs以上SCKを'0'に保ったパルスを与える。立ち上げと同時にSI='1'となるので、(B)版(C)版にあるような回復時間は考えなくてよい。
最終ビットまで間断なく転送したら、6.21μs以上'1'を保つ。これでRCKが立ち上がり、パラレル化したデータがラッチ、出力される。

この6.21μsというのは、RC回路にダイオードを含めた値。V_F=0.35Vとすると、-ln(1-2.15/4.65)RCで計算できる。
当初はSBDを考えたが、逆電流（I_R）がμA～mAオーダと大きい。このRC回路では僅かな電流を扱う。1N4148のデータシートを見ると、微小電流域ではV_Fは0.2V台、5V逆電圧ではI_RはnAオーダという。低V_Fならショットキ、という固定概念に囚われてはいけない。

なんとか無理やり１ピンで駆動してみたが、手間も気苦労も増える。どうしてもI/Oが足りないときには使えなくもない、ギリギリの線か。

GoogleによるY=1-e^-Xのグラフ

左図は、RC遅延回路での電圧の変化をグラフにしたもの。Googleに描いてもらった。

-ln(1-V_TH)をそのまま式（Y=-ln(1-X)）とすると、Ｙ軸が時定数計算値になる。縦が時間、横が電圧、では見づらいので、逆関数をとってY=1-e^-Xとしている。
縦軸がキャパシタの充電割合になるので、電源電圧を掛ければ電圧値になる。横軸は遅延時間の定数部になる。0.69あたりにカーソルを置けば、縦軸は0.5であることが読み取れる。
（ここのV_THは、電圧値ではなく、電源電圧に対するスレッショルド電圧の割合の意）

グラフは電圧の立ち上がりを表しているが、立ち下がり（キャパシタの放電）の場合は上下をひっくり返して見ればよい。
ダイオードを含む場合は、原点を通る部分がV_F分上へ上がる。グラフとしてはやや上下に押し潰される。

（B)、(D)タイプの動作の様子

映像は、（B)および（D)の１ピン駆動の動作確認の様子。前回の実験基板にドータボードを載せる形で行った。

（B)は、動作が丸見えだけあって、一点でも点灯するパターンでは非点灯部分もぼんやり光る。表示が読めないわけではないが、この手の用途には向かない。
（D)は、前回の動作確認と同じに見える。カッチリと表示ができている。
ぼんやり部分に帯状が見えたり、点灯部が点滅したりして見えるが、これはカメラのフレームレートとの干渉と思われる。肉眼では見えない。

これらを駆動するPICのプログラムは、短いパルスは３μs、長いパルスは12μs、復帰時間は30μs以上として組んである。
表示シーケンスは前回同様、輝度調整込み10msを50回表示して次のパターンへ、を繰り返している。


ICの電源電圧（V_CC）、スレッショルド電圧（V_TH）、入力容量（C_IN）、場合によってはダイオードの電圧降下（V_F）など、不確定要素がたくさんある。
入力抵抗もある。データシートの入力電流（I_IN）から計算できるが、小さければ外付け抵抗との分圧が無視できなくなる。
アプリケーションノートによれば、V_THはほぼ2.5Vであり、I_INも実際は何桁も小さいnAスケールらしいが……

とりあえず、こんな手もあるということでまとめてみた。