[TD4] リセット/クロック部分の設計

移転前のサイトからの転記です。日付は当時のものを使用しています。文言などは若干修正を入れています(7年前なので表現が若くて恥ずかしい……一部修正済み)。


TD4関連記事は4bit-CPU TD4で管理しています。


リセット部分は、手動スイッチ付きのパワーオンリセット回路です。単純に5Vプルアップした信号をシュミット・インバータ×2に通して/RESET信号を得ます。ここはリセットスイッチが設けてあるためRCフィルタでチャタリング防止するわけですが、波形の訛りとノイズ除去のためシュミット・インバータを通すというわけです。このテキストは時定数の説明が分かりやすいです。貯水池→水道管→バケツの説明はなるほどと思いました。

クロック部分は、無極性電解コンデンサの充放電を利用した1Hz発振回路です(10Hz切り替え可)。無極性電解コンデンサなんてものも初めて知りました。オーディオ信号系の交流回路で使用するもののようです。普通、クロックジェネレータは水晶発振子を使うので面白いですね。

余談ですが……原子時計ってその名は通称で正式名称は「原子周波数標準器」と言うんですね。Wikipediaには、

原子や分子のスペクトル線の高精度な周波数標準に基づき正確な時間を刻む時計である。

Wikipedia

と書いてありますが、これは誤解を招きますね。クロックジェネレータのようにそれ自身が時を刻むようにとれてしまいます。「産総研 – 世界でいちばん正確な1秒!」によると、

すべての原子は、固有の共鳴周波数を持っています。原子は、この共鳴周波数のマイクロ波だけを吸収したり放出したりします。1秒の基準となっているセシウムの共鳴周波数は、9,192,631,770Hz。この周波数にぴったり合ったマイクロ波を浴びたときだけ、 セシウム原子のエネルギー状態がわずかながら高くなります(「励起」と呼びます)。共鳴周波数は一定不変ですから、励起しない場合は、周波数が間違ってい るということになります。言い換えれば、セシウム原子が励起したなら、そのマイクロ波の周波数は9,192,631,770Hzである、と証明できるので す。周波数が9,192,631,770Hzなら、その周期は9,192,631,770分の1秒です。当然、周期の9,192,631,770倍の時間が、1秒になります。つまり原子時計とは、マイクロ波の周波数を確認することで、1秒の長さを決めるものなのです。原子時計というのも実は通称で、正式名称は「原子周波数標準器」といいます。ですから、原子時計には文字盤が必要ありません。原子時計は、周波数を確認して、クオーツ時計の水晶発振器にフィードバックし、安定化させるためのものなのです。

なんと、原子時計は周波数標準器であって水晶振動子等のクロックジェネレータを補正する仕組みによって実現されるということじゃないですか。

原子時計の種類にも色々あります。例えば国際原子時の校正やGPSクロックに使われているセシウム原子時計は誤差10-15と非常に高精度ですが、ルビジウム原子時計だと誤差10-11であるものの数十万円で買えちゃうようです。

原子時計、調べてみるとかなりアツイです。例えばセシウム原子時計は気体を扱うわけですが、運動速度が平均300m/sとなるため相対論的効果の補正が必要になるということ。更には光格子時計なんてのも出てきて10-18前半の精度が確認されているとのこと。

余談が過ぎましたが……何の話をしていましたっけ?そうそうクロック部分。ここは1Hz発振回路(10Hz切り替え可)に加えてプッシュスイッチによる手動クロックも実装し、これらをトグルスイッチで切り替えられるようにします。当然、スイッチ部分にはチャタリング防止回路を設けておきます。

部品配置、仮想配線は以下のように設計してみました。一部オレンジと赤の配線がありますが、視覚的に見易くしただけで裏面被覆配線を指しています。

次回はいよいよ山場のROM部分です。相当に複雑な配線なので、ICB-96GU一枚にまとめるか、複数のボードに分けるか悩んでいます。


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