デジタルロジックボードキット: 構成部品とセットアップガイド

必要な部品と材料

部品名	数量
ブレッドボード（汎用）	2
ジャンパーワイヤー（汎用）	100本
抵抗 10kΩ	52
抵抗 220Ω	40
LED（汎用）	40
4PDTストンプフット/ペダルスイッチ（ラッチング）	52
Arduino Mega 2560	2
Texas Instruments 74HC595 シフトレジスタ (直列-並列)	1
リニアレギュレーター 7805	1
9V 1A スイッチングACアダプター	1
コンデンサ 4.7µF	1
コンデンサ 10µF	1

必要な工具

• はんだごて
• デジタルマルチメーター (Mastech MS8217等)
• ホットグルーガン

使用ツール・サービス

• Arduino IDE

プロジェクト概要

概要

このチュートリアルは「デジタルロジックボード」専用に設計されており、中級レベルの難易度で、電子工作初心者のトレーニングデバイスとして、電子論理回路の重要な概念を学ぶためのものです。

従来のTTL（トランジスタ-トランジスタ論理）回路の代わりに、ArduinoプロトタイプボードとArduino IDEでプログラム可能なマイクロコントローラーを使用します。主な学習テーマは、ロジック、プロトコルタイミング、データ転送であり、すべてデジタルブール信号を扱います。

主な構成

• 左側のスレーブArduinoボード: マスターArduinoから送信される4バイトデータフレームを受信し、74HC595 ICを直接制御してLEDを点灯
• 2線式SDA/SCLでI2Cプロトコルにより2つのArduino間でバイトストリームを同期
• 右側のマスターArduinoボード: スイッチ状態を読み取り、I2Cバスを通じて4バイトフレームの単一ビットを送信

フロントインターフェース（上から下へ）

• 7種類の論理ゲート
• DC電源スイッチ
• 8ビット多重化器
• 8ビットデコーダー
• 8ビットエンコーダー
• J-Kフリップフロップ
• SIPOシフトレジスタ
• 4ビット全加算器
• 学生名表示

グラフィックデザインプラットフォーム

Canva（ドラッグ&ドロップでデザイン作成可能なWebツール）を使用。

ボード仕様概要

ボードで遊ぶ

1. ロッカースイッチで電源投入
2. トグルスイッチで入力ロジックを変更
3. ロジックが真なら赤LED点灯
4. 各回路の真理値表を学習
5. 対応ゲート: AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR, NOT
6. 多重化器、デコーダー、エンコーダー、J-Kフリップフロップ、シフトレジスタ、4ビット全加算器

L7805レギュレーター

このデバイスは1.5V駆動電圧を取る可能性があるため、電力消費が大きい用途では最低8V以上の供給が必要です。

プルアップ抵抗

ブレッドボード接続方法

74HC595 直列入力並列出力シフトレジスタ

74HC595をArduinoに接続

1. 以下の接続を行う:

• GND (ピン8) → GND
• Vcc (ピン16) → 5V
• OE (ピン13) → GND
• MR (ピン10) → 5V

これにより全出力ピンが常時アクティブかつアドレス指定可能になります。初回電源投入時の任意点灯を防ぐにはMR/OEもArduinoから制御するとよいですが、この方式でも動作しピンを節約できます。

2. Arduino接続:

• DS (ピン14) → Arduino Digital 11 (青)
• SH_CP (ピン11) → Arduino Digital 12 (黄)
• ST_CP (ピン12) → Arduino Digital 8 (緑)

それぞれdataPin、clockPin、latchPinと呼びます。latchPinに0.1μFコンデンサを並列接続するとフリッカー防止になります。

3. 8個のLED追加:

LEDカソード（短い足）を共通GND、アノード（長い足）を各シフトレジスタ出力ピンに接続（ソーシング電流）。シンク電流のみ対応のレジスタの場合は極性を反転。470Ω抵抗を直列に入れてLED保護。

独自の74HC595設計

Arduino Mega 2560ピンアウト

Arduino Mega 2560でのI²C

Atmel Mega Arduinoボード上のSDA/SCL:

• SDA (ピン20)
• SCL (ピン21)

バックエンド（背面配線）

完成結果

コード

GitHubリポジトリ: Digital Logic Board

回路図

2つのMegaコントローラー用のExcelテーブル