ディジタル回路実験

ディジタル回路設計の応用として、簡単なゲームマシン（電子ルーレット）を設計します。

動作原理

1. Q^AからQ^D、Q^EからQ^Hの８つが出力端子です。ＬＥＤにそれぞれ接続します（電流制限抵抗を忘れないこと）。
2. 直列入力（ピン１、ピン２）およびCLR端子（ピン９）について、トグルスイッチがオフのときプルアップされ、オンのときグランドに接続されるようにそれぞれ回路を作成します。
3. クロック端子（ピン８）にチャタリング防止回路の出力を接続します。
4. ピン１、２をＨ、ピン９をＬレベルにし、出力をすべてＬレベルに設定します。
5. クリア端子（ピン９）をＨレベルにしてクリアを解除し、チャタリング防止回路からパルスを順次入力して動作を確認します。 このとき、適当にピン１（またはピン２）を途中でＬレベルにして、LEDの点灯状態（記憶状態）を確認します。
6. 次に、チャタリング防止回路を外し、ファンクションジェネレータから0.1[Hz]程度のＴＴＬパルスを 入力します。
7. 回路をまずクリアし、一つ目のLEDのが点灯したらすぐにピン２とピン１３を接続してLEDの初期状態を作成します （最上位出力を最下位入力に接続します）。
8. ファンクションジェネレータからのパルスを高速にしても動作することを確認します。

図4-8：74LS164の内部構造

図4-9：74LS164のピン配置

実験に必要な部品

表3-1：実験に必要な部品

品名	規格・型番	個数	備考
７４シリーズＩＣ	適切な品番	適切な数	ピンを指に刺さないよう注意せよ
ＬＥＤ	赤	適切な数	足の長い方を＋側に接続します
電流制限用抵抗	３３０Ω（１／８Ｗ）	適切な数
スイッチ	トグルスイッチ	適切な数
プルアップ用抵抗	４．７ｋΩ（１／８Ｗ）	適切な数
ブレッドボード	---	少々	電線が折れてとれなくなった時は教職員まで
電線	---	少々	色を使い分けましょう。＋５Ｖは赤、ＧＮＤは黒か青が良い

注意：
・実験では，理論値（真理値表または動作表の値）と実際に観測した値（LED の点灯または消灯）があっているかどうかを一つ一つ確認する作業が必要です。
・いきなり回路を作らず，しっかりと回路図を書いてから（必要なら配線図を書いて） 部品の配置を決め配線を始めること．（プロでもいきなり回路を作るのは難しいのです。 プロでもできないことをしないように。）

実験

1. 部品とそれらを接続する回路図を書きます（下欄に記入）。 このとき、２つの直列入力（ピン１、ピン２）のうち１つ（ピン１）をプルアップ（＋５Ｖに４．７ｋΩの抵抗を介して接続）します。 そして、もう１つのピン（ピン２）を「プルアップする」か「１３番ピンの出力接続する」かをスイッチで選択できるようにします。
   CLR端子（ピン９）もスイッチにより０と１を選択できるように同様にスイッチを接続します。
   
   図3-3：電子ルーレットの回路図

2. 回路をブレッドボード上に作成します。
   1. ＩＣの場所を決めます。
   2. ＩＣの電源（＋５Ｖ、ＧＮＤ）を配線します。
   3. ブレッドボード上に、Q_AからQ_D、Q_EからQ_Hまでの ８つの出力端子に対応したＬＥＤを直線状に配置します。抵抗やスイッチも配線します。
   4. 回路をもう一度確認します。
3. 安定化電源（＋５Ｖ、ＧＮＤ）を接続します。
4. ファンクションジェネレータから0.1[Hz]程度のＴＴＬパルスが出力されるように調整します。 （ＬＥＤで動作チェックすると良い）
5. クロック端子（ピン８）にファンクションジェネレータのＴＴＬ出力端子を接続します。（ＧＮＤ端子も忘れずに配線します）
6. クリア端子（ピン９）をスイッチで０に設定し、フリップフロップの出力をすべて「０（Ｌ）」に設定します。（ＬＥＤがすべて点灯します）
7. ピン１に接続されたスイッチを１に設定することで、クロックが入力されるたびにシフトレジスタの出力が１つずつ「１（Ｈ）」になります。（ＬＥＤが消灯していきます）
8. 最後の１つのＬＥＤだけ点灯した瞬間、もう１つのスイッチを倒してピン１３とピン２が接続するようにします。
9. クロックが入力されるたびにシフトレジスタのＬＥＤが変化する様子を記録します。（下表に記入）
10. ファンクションジェネレータの周波数を上げて、電子ルーレットが目にも見えない早さでも高速に動作することを確認します。
11. 教員の動作チェックを受けて電子ルーレットの完成です。

このようにして作られたものが、いまは懐かしい駄菓子屋さんの店頭に置いてあった電子ルーレットの原理なのです。

図3-4：ブレッドボードへの実装例

応用実験

本実験では、これまで学んだ「組合せ回路」、「記憶・順序回路」を応用し、 電子回路的に自由に電子ルーレット回路を拡張してください。

拡張の手順

1. 目標を決めます。
2. そのためには何をしなければならないか、列挙します。
3. 回路図を書きます。
4. 製作します。
5. 動作を確認します。
6. 成功しても失敗しても時間内に教職員のチェックを受けます。

回路拡張のヒント：

• ルーレットのＬＥＤの数を増やす。（難易度低）
• ＬＥＤの位置を工夫して発光点を円状にする。（難易度低）
• スタート、ストップさせるスイッチ電子ルーレットを作る。（難易度中）
• 目的の場所で止まるとＬＥＤが発光するシューティングゲームへ改造する。（難易度中）
• 各種センサーを用いて、スイッチの代わりに使用する。（難易度中）
• 自動的に１個のＬＥＤだけ光るようにする。（難易度高）
• 加算回路とシフトレジスタを組合せて乗算器を作る。（難易度高）
• その他、いろいろ工夫してください。

レポートの作成

レポートの書き方は、各机に置いてある「実験指導書」を見るか、 「実験指導書（ホームページ版）」を参考にして下さい。