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ディスクリート部品でコンポジットビデオ　”デコッ８”

これまでにもtiny2313でコンポーネントカラービデオ表示をやっちゃったり、ＣＰＬＤでコンポーネントビデオ表示の実験をしたりしたことがありますが、もう一歩進んで（退化して？）、どこでも手に入るディスクリート部品だけを使ってカラーコンポジットビデオの表示をやってしまおうという無謀な実験に挑戦してみました。

これを使えば、専用のビデオデコーダＩＣやＣＰＬＤなどを使わずに、普通のマイコンでも少しの外付け部品でカラービデオ信号が作れるようになるわけです。

デコッ８とは

安い汎用オペアンプやいつでもどこでも手に入る汎用のロジックＩＣを数個使用するだけでコンポジットビデオのカラー表示が一応なんとか実現出来ました。ＣＰＬＤやＦＰＧＡ、CXA1645などを使わなくてもマイコンに数個の汎用ＩＣを繋ぐだけでカラーコンポジットビデオ表示が出来ちゃうってわけです。しかもマイコン以外の外付け部品は合計で約５００円程度と安く済むので専用ＩＣやＣＰＬＤよりも安価。しかもアナログ入力なので、場合によってはＣＰＬＤよりも応用範囲は広いかも知れません。

オペアンプや汎用ロジックＩＣはＩＣであってディスクリートじゃないジャン！という突っ込みもあると思いますが、まぁ、専用ＩＣと違っていつでもどこでも手に入る汎用品だけで組むっていうことで…。

ディスクリート部品を使ったデジタルＲＧＢ（8色）のコンポジットビデオ表示…名づけて”デコッ８”。相変わらずのネーミングセンスなのは内緒。

例によって、適当なマイコンでＲＧＢ信号を吐き出しておいて、それをネコ８の時の様にコンポジットビデオ信号に変換します。なので、大元のビデオ信号を吐き出すためのマイコンは白黒ビデオ信号が出力できる程度の処理能力があれば何でも構いません。ＰＩＣでもＡＶＲでもＨ８でも…お好きなものをどうぞ。

外付けＩＣでＲＧＢ→コンポジットの変換をやってしまうことで、マイコン側のソフトウェア上はやっかいなサブキャリア変調を完全に忘れちゃってもＯＫ。白黒信号並にシンプルなプログラムにできちゃうので、アプリケーションの仕様検討や設計だけに意識を集中できるってわけです。ハードウェア任せでいいので、位相が勝手にズレて色が狂ったりしてカラーキラーが働いちゃう心配もありませんし。

arduinoとかでも白黒ビデオ信号くらい作れるでしょうから、その映像部分をＲＧＢ出力に替えれば簡単にカラービデオ表示ができるってわけです。

改めて、ビデオ信号の復習から

例によって例の図がでてきます。コンポーネントビデオ出力やネコ８でもしつこいほど出てきたあの図です。まずは復習を。

ＲＧＢ信号をコンポーネント信号へ、コンポーネント信号をＳビデオへ、Ｓビデオをコンポジット信号へ次々と変換を掛けていくというあの図です。

コンポーネントビデオ信号の実験やＣＰＬＤのコンポジット表示の実験の時と同じように、マイコンでＲＧＢ信号を生成し、それをコンポーネント信号、コンポジット信号へと変換を掛けていくイメージのことをまたやるわけです。

ＣＰＬＤのコンポジット表示の実験の時に書きましたが、Ｓビデオ信号やコンポジットビデオ信号に含まれる色要素信号（Ｃ信号）は、ＲＧＢ信号にマトリックス計算を掛けてＣｒ、Ｃｂを算出しておきそれをＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂ…の順で１４．３Ｍｈｚで切替えて出力することで生成でき、それによって映像に任意の色を付けられることが判っています。専用ＩＣのＣＸＡ１６４５なども内部で行っている処理は同じ内容です。

それと同じ事を汎用のＩＣを使って行えばいいわけです。しかもいつでもどこでも手に入る部品、しかも安い部品だけで行ってしまおうという魂胆です。

ビデオ信号の規格をキッチリ盛り込むとなるとそれなりにたくさんの機能要件を盛り込まないといけなくなって大変なので、要件定義の結果から削っても問題ない要件はサックリと落としてしまい、最低限必要な要件だけに絞りに絞って、その抽出した要件一つ一つについて機能分割～設計という具合にブレークダウンしていきたいと思います。

それが今回の実験：「デコッ８」というわけ。

要件抽出、要件定義

組み込んでいく要件を抽出して明確化していきます。

まずはザックリ

まずは盛り込むべき機能の用件をザックリと洗い出していきたいと思います。まずカラーコンポジット信号で一番気になるのは、何と言っても３．５８Ｍｈｚでの変調機能。そしてＲＧＢ信号をＹＣｂＣｒに変換するマトリックス計算機能。この２点かと思います。

そして、これらの機能を支える基盤機能…電源回路など…を盛り込んで統合すれば一丁あがりという感じです。これら１つ１つの要件をもう少し詳細化してみます。

３．５８Ｍｈｚ変調機能

ここでいう変調とは、３．５８Ｍｈｚの１波形を４等分した時間ごとにＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂと出力を順に時分割で切り替える機能です。

ＣｒやＣｂといった信号はいわゆるアナログの電圧情報なので、これを時分割で切り替えるにはマルチプレクサ（ＭＵＸ）、しかもアナログ信号を扱うことができるアナログＭＵＸが必要になるわけです。動作速度的には、３．５８Ｍｈｚの４倍速＝１４．３Ｍｈｚが余裕で扱えるスイッチング速度が必要になるでしょう。そして、このアナログＭＵＸの４つのチャンネルを０、１、２、３、０、１、２、３…と順に切り替えるためのタイミングを教える情報…つまり２ビットカウンタと、その２ビットカウンタをカウント動作させるクロック源が必要になるでしょう。

纏めると、３．５８Ｍｈｚの変調を行うためには１４．３Ｍｈｚのクロック信号源、２ビットカウンタ、４チャンネルアナログマルチプレクサが必要になります。

なお、以前ＶＨＤＬとＣＰＬＤでコンポジット信号の表示をしたときにあれこれ実験してみてわかったことですが、２ビットカウンタはフリーランさせておけば色信号の位相がきちんと保たれ、カラーキラーも働かないことが判っているので、それを踏襲すれば２ビットカウンタにはリセット機能は必要ないことが判ります。

マトリックス計算機能

ＲＧＢ信号をＹ、Ｃｂ、Ｃｒの各信号に変換することをマトリックス計算といい、ＮＴＳＣの標準画質（ＳＤＴＶ）ではコンポーネントでもコンポジットでも以下の計算式を用います。

Ｙ　＝　0.587Ｇ　＋　0.114Ｂ　＋　0.299Ｒ
Ｃｂ　＝　-0.587Ｇ　＋　0.886Ｂ　－　0.299Ｒ
Ｃｒ　＝　-0.587Ｇ　－　0.114Ｂ　＋　0.701Ｒ

そしてさらに、コンポジット信号の場合はこれらのＣｂ、ＣｒをＹ信号にこのまま合成するとコンポジットビデオ信号が取り扱う電圧の幅をはみ出してしまうため、さらに以下の計算式を使って色信号のレンジを狭めるということを行います。

Ｃｂ’　＝　Ｃｂ　÷　２．０３　
Ｃｒ’　＝　Ｃｒ　÷　１．１４

これらの計算を行うことをマトリックス計算といいますが、まぁ、線形の計算式ですからオペアンプを使って変換するのがいちばんシンプルでしょうね。

ちなみに、今回はマイコンにtiny2313を５Ｖで動かす前提なのですが、上記の式のＲＧＢ信号は０Ｖ～０．７Ｖの約０．７Ｖｐｐ（シンクロ信号除く）を元にした計算式なので、マイコンのＲＧＢ出力が５Ｖだとすると、マトリックス計算の式は

Ｙ　＝　(0.587Ｇ　＋　0.114Ｂ　＋　0.299Ｒ) × 0.7/5
Ｃｂ　＝　(-0.587Ｇ　＋　0.886Ｂ　－　0.299Ｒ) ÷ 2.03 × 0.7/5
Ｃｒ　＝　(-0.587Ｇ　－　0.114Ｂ　＋　0.701Ｒ) ÷ 1.14 × 0.7/5

といった感じになります。マイコンが３．３Ｖ動作の場合は計算式も適宜変える必要があるのは言うまでもありません。（式の一番後ろの部分の５で割っているところを３．３で割ってください）

バースト信号生成

白黒映像信号と比較して大きく異なることの１つは、水平同期信号のすぐ後ろに載っているバースト信号の有無でしょう。このバースト信号も実はマトリックス計算に含まれます。バースト信号について軽く復習から。

バースト信号は、水平同期信号の立下りから１９サイクル（＠３．５８Ｍｈｚ）経過後から９サイクル（同３．５８Ｍｈｚ）の間出力することになっています。１４．３Ｍｈｚクロックで言うと、立下りから７６クロック経過後から３６クロック分出力するわけです。

バースト信号生成で少々やっかいなのはこのタイミング管理です。逆に、３．５８Ｍｈｚの変調処理自体は色信号の変調処理と何ら変わらないので、変調についてはマトリックス計算の中に押し込んでおけばいいと言う事になります。つまりＲＧＢの色信号と同様に扱うわけです。そうすれば、バースト信号生成のタイミングでパルスをマイコンから一つ吐き出すだけで済みます。

さて、そのタイミング管理…このシンクロ信号からちょっとだけ（数ｕ秒）送れたパルスを作り出す…みたいなことを外付け回路でマトモにやろうとすると、カウンタ回路と比較演算回路が必要になっちゃって規模が大きくなっちゃいます。なので、マイコン側のソフトウェア上でパルス生成をする方針で行きます。それなら水平同期信号生成のついでにちょっとバースト信号用パルスを出すだけなので外付け機器は要らないし、ソフトウェアの負荷も非常に軽微で済みますからね…。

まぁ、最近は８ピンなどの小規模マイコンが１個１００円程度で買える時代なのでそういうのを利用しちゃう手もあります。つまり、シンクロ信号をトリガに外部割込み→一定時間後に一定幅のバースト信号用パルスを生成。そんなことも簡単でしょう。ＣＰＬＤなどを使わなくてもこの程度の機能なら安いマイコンに負担させることも充分可能かと思われます。

まぁ、バースト信号用のパルスも色信号と合わせて変調するということになるので、先ほどのマトリクス計算の式にも組み込む必要が出てくるわけですが、それについては後々。

その他周辺部分

上記の２つの機能を盛り込むにあたり、必要となる周辺回路の洗い出しをするためにある程度カラクリにアタリを付けておこうと思います。要件抽出のためなので、ザックリです。

まずクロック信号ですが、今回はマイコンを１４．３Ｍｈｚで動かしつつマイコンのckout端子からクロックを引っ張り出せば特別な回路は不要でしょう。逆に、発振回路を別途用意するとなるとちょっと面倒なので、今回はマイコンのＣＰＵからクロックを外部に引っ張り出すことを念頭に置きます。

２ビットカウンタ。これはマイコンの内蔵ＰＷＭを２個使えば十分に生成可能ですが、貴重なＰＷＭを湯水のように使わなくても済むようにということで外付けのカウンタＩＣを使う方向で考えておきます。ちなみに上位ビットと下位ビットでタイミングに遅延があるとハザードがバリバリ出ることになるので、同期カウンタ７４ＨＣ１６１か７４ＨＣ１６３あたりが候補に挙がるでしょう。リセット機能は必要無いのでどちらでもいいはずです。これらのＩＣは普通に５Ｖ単電源で動くのでマイコンと共用で充分です。

（本当は、０、１、３、２、０、１、３、２…とカウントができればグレーコードになるので、ハザードに関する心配は更に小さくできるのですが、それらしい汎用ＩＣは見つかりませんでした）

なお、内蔵ＰＷＭでカウンタを組むのであれば、上記のクロック回路を引っ張り出す必要が無くなるのは言うまでもありません。

アナログＭＵＸですが、同様に７４ＨＣシリーズから探してみます。今回の要件にマッチするのは７４ＨＣ４０５２になるかと思います。このＩＣは２ビットのコントロール信号（Ａ、Ｂ端子）に従って４つのアナログ入力から１本選択して共通端子に繋いでくれるものです。このＩＣは今回のように入力信号に負電圧も扱う場合はＶｅｅ端子に負電源を接続する必要があります。

（ちなみに７４ＨＣ４０５２は４つの端子と共通端子の間に数Ω～数十Ωの内部抵抗があるので要注意です。テレビ内部の７５Ω負荷をドライブする時に無視できない大きさです）

そしてオペアンプ周り。今回は上記のマトリックス計算の算出式を愚直にハードウェア仕様に落としていきたいと考えているので、扱う信号は正電圧、負電圧の両方が現れます。つまり電源も正電源、負電源が必要ってことです。

オペアンプ上で扱う電圧にオフセット電圧を加算して「正電圧の信号しか使わない」ということにしてしまえば負電源は要らなくなるのかも知れませんが、オペアンプにしても７４ＨＣ４０５２にしても、５Ｖ単電源だけで扱うと動作速度が遅くなっちゃうという弊害もあるので、今回はそのあたりも考慮して正負両電源を使用する方向で進めます。

デジタルＲＧＢの様に少ない色数しか扱う必要が無いのであれば、マトリックス計算にオペアンプを使わないという裏技も考えられるのですが、そのことについては後書きででも触れたいと思います。その場合はマトリックス計算をオペアンプで演算処理をさせる必要がなくなるので複雑な抵抗計算の手間が省けて面白そうなのですが…この場合でもインピーダンス変換に最低１個はどうしても必要になりそうです…

以上のことから、アナログＭＵＸやオペアンプに供給する負電源が追加で必要になりそうだと判りました。

結局

結局必要となる機能要件をまとめると、「クロック源」「２ビット同期カウンタ」「アナログＭＵＸ」「オペアンプを使ったマトリクス回路」「バースト信号タイミングパルス」そして「負電源」となるかと思います。この程度組み込んでおけばビデオ信号に好きなように色をつけられます。

逆に、要件から除外する機能も挙げておきましょう。ＳＣ－Ｈ管理、４フィールドシーケンス、その他厳密なタイミング管理、厳密な波形形状の再現などなど。

概要設計、基本設計

機能の洗い出しが出来たので、それを繋いでいって全体像に描き出してみます。

まず左側にあるＢＯＸがマイコンで、今回はＲＧＢ信号などを生成する機能を担います。適当なマイコンに置き換えていただいて構いません。今回はtiny2313を使います。

で、マイコンから出力する信号が主に４つ。ＲＧＢ信号、混合同期信号、バースト信号、ＣＰＵクロックです。正確に言うと、図の下部にある負電圧生成のＢＯＸへ供給するパルスもマイコンで作り出すことになるのですが、これについては後々。

まずマイコンからの出力を受け取って処理するＢＯＸが２つあります。一つは２ビットカウンタ。もう一つはマトリックス回路です。２ビットカウンタは３．５８Ｍｈｚ変調を行う際に使うもので、３．５８Ｍｈｚ×４倍の速度でカウントすることになっています。別にマイコンから供給しなくてもいいのですが、発振回路って個別に作ると結構厄介なので、マイコンのＣＰＵクロックを頂戴することにしました。

もう一つのマトリックス計算の回路ですが、これはオペアンプを使ってＲＧＢ信号をＹ、Ｃｂ、Ｃｒの各信号に変えていく演算処理を担います。もう少し言うと、輝度信号（Ｙ信号）にはこの時点でシンクロ信号を混ぜてしまいますし、色信号（特にＣｂ信号）には映像情報としての色信号だけでなく、バースト信号の要素も混ぜて計算をします。ビデオ信号規格自体の生成については既に他のページなどでちょくちょく取り上げているのでこのページでは説明を省き、主にビデオ信号における色信号の生成について触れていくことにします。

あとバースト信号がＣｂ信号に特に影響しているということを触れましたが、その理由について補足を。

Ｃ信号上には映像に色を付ける為の「色信号」と、その色信号の色相（タイミング）を規定する「バースト信号」が含まれているのはご存知のとおりです。そのバースト信号は、位相の角度でいうと１８０°に相当し、Ｃｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂの順に出力電圧で表現するとそれぞれ「０Ｖ、－０．１４Ｖ、０Ｖ、＋０．１４Ｖ」となります。つまり、Ｃｂと－Ｃｂのところだけ電圧が現れるわけです。

マトリックス計算の式ではこのことを加味して、マイコンが出力したバースト信号のパルスをＣｂ、－Ｃｂの計算時にだけ取り込んで計算すればよいということになるわけです。

というわけで、図の中でマトリックス計算のＢＯＸがバースト信号パルスをマイコン側から入力しているのは、マトリックス計算に、特にＣｂ計算に必要となるためです。

マトリックス計算回路が出力したＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂの各電圧を１４．３Ｍｈｚで時分割で切替を行うのがＭＵＸで、その切替タイミングを規定しているのは２ビットカウンタから出力されたカウンタ値（ＡとＢの２ビットの情報）ということになります。

さて、コンポジット出力と言いながら図上ではＹ信号とＣ信号が別々に吐き出されていますが（Ｓビデオ信号）、これらＹ・Ｃを合成していわゆるコンポジット信号に混合するのは簡単なので、とりあえずＳビデオ信号を出すことを第１に考えます。混合回路は後々。

そして、マトリックス計算用のオペアンプやＭＵＸには負電源が必要になるので、何らかの形で負電源を登載することにします。

ザックリですが、以上が上の図の意味です。で、これらをもう少しブレークダウンしていきます。

詳細設計

諸々の個別機能について実際に作りこみができるレベルまでブレークダウンしていきたいと思います。

マトリックス計算回路周り

ＲＧＢ信号を入力してＹＣｂＣｒ信号に変換する回路です。ただ今回はこの計算回路上でＹ信号にシンクロ信号を載せたり、Ｃ信号（特にＣｂ信号）にバースト信号を載せることにします。このことをマンガにしたのがこれです。

まずはマイコンから出力する必要のある信号から。

これはマイコンから出力するＲＧＢ信号などのパルスを簡単に表したものです。走査線1本を表示するのに必要な情報だと思ってください。今回はマイコンにtiny2313を５Ｖ１４．３Ｍｈｚで稼動させようと思っているので、パルスの電圧は５Ｖになります。

出力のタイミングですが、まず左側にシンクロ信号（水平同期信号）があります。このへんは白黒映像と変わらないので特に説明は要らないでしょう。そのすぐ右にバースト信号用のパルスがあります。バースト信号は水平同期信号の立下り（この図のパルスで言うと立ち上がり）から１９サイクル（＠３．５８Ｍｈｚ）経過後から９サイクル分出力することになっているので、そのタイミングにあわせてマイコンからバースト用パルスを出力しておきます。

ちなみに１９サイクル、９サイクルは、１４．３Ｍｈｚクロックではそれぞれ７６クロック、３６クロックに相当します。

今回はマイコンが映像信号を生成しているのでバースト信号用パルスもマイコンで簡単に生成出来ますが、ＭＳＸやＰＣ８００１シリーズなどの古いＰＣのＲＧＢ信号を扱いたい等と言った場合には、シンクロ信号を基準に外部回路でバースト信号用のパルスを生成する必要が生じるでしょう。

さらにその右隣には、ＲＧＢの各信号が並んでいます。白黒映像の場合はここが１つの信号しかなかったわけですが、カラーなのでＲＧＢの３つに分かれているわけです。まぁ、それだけの話なので複雑なことは何もありません。

で、これらの信号をマトリックス計算に掛けてＹＣｂＣｒの信号に変換したイメージがこれ。

上の４つがそれぞれＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂ信号です。Ｃｂ、－Ｃｂのバースト信号の部分にはご覧の通りバースト用の信号が載っていますね。（±０．１４Ｖの小さいパルスです）

今回はこれらをオペアンプで演算させることにします。ポイントになるのは、Ｃｒ、Ｃｂの２つだけ計算すればいいというわけではなく、－Ｃｒ、－Ｃｂの計算もしないとイケナイということ。

論理の世界であれば、マイナス値の算出って単純に（－１）を掛けてあげればいいだけなんですが、リアルの世界でアナログ電圧値について同じ事をしようとするとＣｒ、Ｃｂを計算したオペアンプの後続にもう１個直列に正負反転用のオペアンプを噛まさないといけなくなりそうな感じがします。倍率１倍の反転増幅回路です。

でもそうするとＣｒ、Ｃｂと－Ｃｒ、－Ｃｂでは出力端子に出てくるまでのタイミングに差が出てしまうし、使用するオペアンプもそれなりに速い物が必要になりそうです。

なので別の作戦で考えてみます。Ｃｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂの４つの計算を４つのオペアンプで並列に行ってしまいましょう。当然４つのオペアンプが必要になりますが、オペアンプを直列に繋いでいるわけではないのでオペアンプの動作速度が多少遅くても大丈夫っぽいです。具体的には、コンポーネントビデオ表示ができる程度の速度が出せれば充分でしょう。過去の実験によるとＮＪＭ２１１４ＤＤ、ＮＥ５５３２、ＮＪＭ４５８０あたりでも大丈夫でしょう。今回はコストをギリギリまで切り詰めるという意味で、ＩＣ１個（２回路入り）５０円（＠秋月）というＮＭＪ０７２Ｄを使ってみました。

秋月で売っているＮＭＪ０７２Ｄはスルーレートが２０Ｖ／ｕｓという高速バージョンなのですが、ボルテージフォロアや低倍率の増幅では発振しやすいという不安定バージョンなので、スルーレートが１３Ｖ／ｕｓの別バージョン（こちらは同じ０７２でも発振し難い設計になっている）を使うほうが安全かもしれません。 …速度的には映像のエッヂが少々崩れるかもしれませんが…

これらのオペアンプから適当に好きなものを選択し、以下の計算式となるような回路・抵抗値を組み込みます。

Ｙ　＝　(0.587Ｇ　＋　0.114Ｂ　＋　0.299Ｒ) × 0.7/5 －　Sync × 0.3/5
Ｃｂ　＝　(-0.587Ｇ　＋　0.886Ｂ　－　0.299Ｒ) ÷ 2.03 × 0.7/5 － Burst × 0.14/5
Ｃｒ　＝　(-0.587Ｇ　－　0.114Ｂ　＋　0.701Ｒ) ÷ 1.14 × 0.7/5
－Ｃｂ　＝　(0.587Ｇ　－　0.886Ｂ　＋　0.299Ｒ) ÷ 2.03 × 0.7/5 ＋ Burst × 0.14/5
－Ｃｒ　＝　(0.587Ｇ　＋　0.114Ｂ　－　0.701Ｒ) ÷ 1.14 × 0.7/5

計算式から抵抗値を算出するやりかたについては本筋ではないので端折りますが、以前書いたあのページが参考になるでしょう。実際の回路配置や抵抗値などは後ほど回路図にまとめて示します。本当は詳細設計上に明記するのでしょうが、複雑すぎて書くのが面倒なので計算結果の抵抗値だけ回路図に書くことにします。興味のある方は独自に計算してみてください。

実はＣｒと－Ｃｒ、そしてＣｂと－Ｃｂの各抵抗は単純にプラスマイナスを逆接続すればいいという話ではなく、４つそれぞれを個別にゼロから計算しないとならないので、実は物凄く手間が掛かります。しかも１個１個の計算が全部複雑だし…。算数苦手なオイラは何時間も掛かってしまった…でもまぁ１回計算しておけば使いまわしができるからね…。使いまわししてください。

ちなみに図の一番下の黄色いところ…Ｃ信号…については次項のＭＵＸのところで触れます。

ＭＵＸ（マルチプレクサ）周り

その名の通り、単純なマルチプレクサの処理をさせます。今回はＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂの４つの信号を時分割で切り替えるという機能を担います。ただし扱う信号がアナログ電圧なので、アナログＭＵＸを使います。

東芝などのサイトに行って汎用ＩＣの一覧から「４入力のアナログＭＵＸ」を探してみると７４ＨＣ４０５２に行き当たります。このＩＣはＡ端子、Ｂ端子から２ビットの制御信号を入力して、それに併せて４つのうち１端子を共通端子に接続してくれるというものです。Ｘチャンネル側、Ｙチャンネル側の２組の信号群を扱うことができるのですが、今回はＣ信号用のＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂの４つの切り替えしか行わないので片チャンネルだけ使います。

Ａ、Ｂの各制御端子に２ビットカウンタを繋いでおいて、０Ｙ～３ＹにＣｒ～－Ｃｂ入力を、Ｙ－ｃｏｍにＣ信号出力を繋げば、あとは自動的に３．５８Ｍｈｚ（１４．３Ｍｈｚ÷４）で変調処理が行われることになるわけです。先ほどの図で出てきたＣ信号（黄色の波線）の部分がこのＹ－ｃｏｍ端子の出力と考えて下さい。まさにＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂの電圧が順々に切り替えられて出力された波形がＣ信号というわけです。

と言うようにこのＩＣ自体は単なる電子スイッチのようなものですが、ただこのスイッチには数Ω～数十Ωの内部抵抗があるため、各信号をこのＩＣ経由で取り出した場合、テレビ側の７５Ω抵抗をドライブする際に無視できない大きさの抵抗となってしまいます。なので、このＩＣの出力を一旦オペアンプで受けてインピーダンス変換してからテレビに接続する必要があります。回路図に落とし込むときの要注意事項。詳細はのちほど。

今回のカラーコンポジットの作戦の中で最も動作速度が求められるのは、マトリックス計算用のオペアンプではなく実はこのアナログＭＵＸです。最も速い１４．３Ｍｈｚでの切替が行われるからです。しかも切り替えをダラダラやってしまうと信号が乱れてしまうので、１４．３Ｍｈｚよりもかなり速い速度じゃないとダメなはずです。逆にマトリックス計算用のオペアンプが少しくらい遅くてもドット表示や発色、同期信号などへの影響は殆どありません。表示できるドットが少し大粒になる程度です。

ちなみに７４ＶＨＣシリーズにもう少し高速なバージョン（フラットパッケージ）があるのですが、近所のお店の店頭では入手し難いと思うので７４ＨＣ４０５２で我慢します。本当は、データシート見ると７４ＨＣ５０４２ではちょっと微妙なスペックではありますけどね…

2ビットカウンタ周り

次に2ビットカウンタ周りについて。大した機能じゃないのでアレコレ書くほどの物でもないんですが、動作の内容とその「意味」を明確化しておきたいと思います。

図の下のほうから見ていきます。まず一番下。これは７４ＨＣ４０５２の０Ｙ～３Ｙのどの端子をＹ－ｃｏｍに接続するのかそのタイミングを表した図です。０Ｙ～３Ｙの４個一組を出力すると１波形３．５８Ｍｈｚになると言うわけ。で、そうなるようにＡ、Ｂ各コントロール端子に０～３のカウンタ値を入力してあげればいいわけです。今回はこのカウンタ値を作るのをカウンタＩＣが受け持ちます。

マイコンの余ったＰＷＭで作り出してもいいけど、ＰＷＭは音声出力その他色々使える便利なリソースなので無駄遣いせず、今回はカウンタ単機能のＩＣをチョイス。

図の上の方は、マイコンから１４．３Ｍｈｚのクロック出力を受けてカウンタを動かしますよっていう意味。難しいもんではありません。

本当は、カウンタ値を０、１、３、２、０、１、３、２…と切り替えられればグレーコードとなり、ハザードが少なくできるのですが、そういう都合のいいカウンタＩＣが見つかりませんでした。ＣＰＬＤならなんとでもできるんですけどね…

負電源周り

オペアンプとアナログＭＵＸを動かすのに今回は負電源が必要になります。

オペアンプＩＣ３個（６回路）と７４ＨＣ４０５２が１個の合計４個のＩＣを動かすのに充分な電力が取り出せる必要があります。

ビデオ信号を扱うので、扱う電圧はせいぜい±１Ｖです。これにオペアンプの不感領域の分を考慮し（今回rail-to-railのオペアンプは使わないので…）、－２～－３Ｖ程度の負電圧が得られれば何とか実用になるでしょう。

ＩＣ４つ、しかも最終段のオペアンプ以外はそれほど電流を取り出さないので、以前実験で組んだチャージポンプ式の負電源でもなんとかなるだろうと予想し、今回はこれをそのまま使うことにします。

ちなみに本当はインピーダンスマッチングを考慮して、オペアンプから出力するビデオ信号は２倍の電圧（１．４Ｖｐｐ）にしておき、オペアンプ出力直後に一旦７５Ω抵抗を直列で経由して、テレビ側内部で再度７５Ω抵抗を通過するというのが正しい姿だと思われます。そのためにはオペアンプが出力する電圧も２倍にしておくのが正しい姿ですが、そうするとオペアンプのＳＲに求めらられるスペックも２倍の数値が必要になっちゃうので、ここは我慢してＳＲ＝２０Ｖ／ｕｓ程度で済むようにインピーダンスマッチングは考えないことにします。

回路図

以上のことを加味して、回路図に落とし込んでいきます。

縮小表示してます。クリックすると別窓で拡大表示します。

簡単に解説を。

まず左側の緑の丸で囲ったところ。ＲＧＢからＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂに変換する回路です。それぞれがオペアンプ１個で構成した加減算回路です。４つの信号を作るためにオペアンプを４回路使っています。ＮＪＭ０７２ＤならＩＣ２個に相当。

ちなみに抵抗値ですが、以前のコンポーネントビデオ用の回路を組んだときと違い、理論値より２～３％程度の誤差なら目をつぶり、Ｅ２４系列で丸め込みました。５％のカーボン抵抗でも十分でしょう。

あと、－Ｃｒの計算は紙上で延々と手計算したんだけど、綺麗な数値で上手く解けなかったので仕方なく適当に抵抗値を取っ替えひっかえし、それっぽい出力になる抵抗値（近似値）を見つけて充てました。お暇な方は是非キッチリした抵抗値を探してみてください。

Ｃｂと－Ｃｂは先述のとおりバースト信号も入力して計算に充てています。

青い丸は３．５８Ｍｈｚの変調を掛ける回路です。１４．３Ｍｈｚのクロックで２ビットタイマーをフリーランさせるのが７４ＨＣ１６１。その２ビットタイマーを受けて、Ｃｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂと順に切り替えするのが７４ＨＣ４０５２です。１４．３Ｍｈｚのクロックはマイコンのｃｌｋｏｕｔピンから供給していますが、１４．３Ｍｈｚのオシレータを繋いでも構いません。部品代が高くなりますが。

赤い丸の部分は負電圧生成のためのチャージポンプ回路と、それをドライブするバッファ回路です。トランジスタは型番どおりのモノか、もしくはＩｃｅがこれ以上大きいトランジスタペアを使ってください。現時点では秋月でも千石でも手に入るメジャーなトランジスタなので特に問題は無いでしょう。トランジスタの上下の抵抗は使い慣れない６．８Ωです。６．８ｋΩでも６．８ＭΩでもないのでご注意を。

チャージポンプ回路で使っているダイオードはショットキバリアなら多分何でもＯＫ。コンデンサは普通の黒い電解コンではなく、低ＥＳＲタイプを使ってください。東信の茶色のやつなら殆ど同じ値段（１個２～３０円程度？）なのでこれが良いでしょう。ＯＳコンなら尚更良しです。普通のシリコンダイオードやＥＳＲの大きいコンデンサを用いると、出力できる負電圧の電力が小さくなってしまいます。

その他の部分について補足。Ｙ信号周りのオペアンプ抵抗計算は考え方がコンポーネントビデオと全く一緒です。７４ＨＣ４０５２の出力を一旦オペアンプのボルテージフォロアに繋いでいるのは７４ＨＣ４０５２の内部抵抗が無視できないほどの値を持っているからで、このままではテレビに直接繋ぐと出力電圧が微妙に狂います。なので、ボルテージフォロアを使ってインピーダンスを下げています。

今回はオペアンプにＮＪＭ０７２Ｄ（ＳＲ＝２０Ｖ／ｕｓ）を使いましたが、このバージョンはボルテージフォロアなどで発振しやすいため、ＳＲ＝１３Ｖ／ｕｓのＮＪＭ０７２Ｂとか、ＮＪＭ２１１４ＤＤとか、別のオペアンプを使うと良いかもしれません。あと、比較的低価格ながら５０Ｖ／ｕｓと高速なＮＪＭ３１８Ｄあたりも選択肢に入りそうですが、これはＩＣ１個に１回路しか入っていないので、６回路分揃えるとそれだけで１０００円近く行ってしまいます…。予算がゆるせば悪くは無い選択かも。

マイコンやオペアンプ含め、各ＩＣのＶｃｃとＶｅｅには０．１ｕＦのパスコンを入れて下さい。トランジスタで組んだバッファ回路にもパスコンが必要です。（上下の６．８Ωも含めバッファ回路全体を挟み込む感じでパスコンを入れて下さい）

ＹＣ混合回路

上記の回路ではＹ信号とＣ信号が別々に出力されてますが（つまりＳビデオ）、ＹＣ混合のコンポジット信号に変えるのは簡単です。ボルテージフォロアになっているオペアンプの周りを少々弄ればＹＣ混合回路に簡単に変えられます。回路はこんな感じ。

ＹとＣを入力して、非反転の増幅率１倍で加算して出力します。つまり単純な足し算。この回路の動作原理は簡単。

７４ＨＣ４０５２から出力されるＣ信号の電圧と、オペアンプから出力されるＹ信号の電圧を、２個の１０ｋΩ抵抗で分圧しています。すると非反転入力端子にかかる電圧は中間値（平均電圧）となるので（Ｙ＋Ｃ）÷２となります。で、それを非反転増幅の増幅率２倍で出力すると言う回路です。

すると、（Ｙ＋Ｃ）÷２　×２　＝Ｙ＋Ｃ、つまり非反転でＹとＣを加算したのと同じ電圧になるわけ。で、先ほどの回路図の右下にあるボルテージフォロアの部分をこの回路に置き換えて使ってください。

ただ、今回の実験ではこのＹＣ混合回路は使ってません。Ｓビデオ出力（Ｙ－Ｃ分離の回路）だけしか実験してません。必要に応じて使ってください。（実験未済なので何の動作保証もありませんが…まぁ、でも単なるＹＣ混合回路なので動くでしょう、多分）

ソフトウェア

これまでに挙げた機能の中で、プログラムに組み込む対象の機能を抜き出して整理し、特に決まっていない部分に関しては今回の回路の確認用として最低限必要な機能を満たしつつ、かつこれまでに作ったプログラムを最大限流用して手を抜きまくる方針で行きます。

で、以下のような感じに考えてみました。

（１）処理概要…表示内容

tiny2313のメモリ量ではどうせ大した事はできないので、例によってシマシマのテクスチャーを含むカラーバーコードを表示することにします。絵が動かないのはイマイチなんですが、今回の実験の本質ではないので手抜きしまくります。

（２）動作クロックとその周り

回路図の通り１４．３Ｍｈｚのクロックを使用しますが、これまで作ったtiny2313用カラーバーのプログラムは１０Ｍｈｚとか２０Ｍｈｚとかだったので、１ラインの処理の長さが大きく変わります。１４．３Ｍｈｚなので1ラインあたり９１０クロック程度で表示させることにします。まぁ、１ラインのクロック数なんてあまり正確なタイミングじゃなくても大体動きますよ。あまり神経質になる必要はありません。

（３）出力１：ＲＧＢ信号とシンクロ信号

基本はこれまでのカラーバー表示用の信号とほぼ一緒。ただし１４．３Ｍｈｚなので、これに合わせてカラーバーの幅や表示するテクスチャーの変更が必要になります。ちなみにシンクロ信号はポジティブロジック（シンクロ信号タイミングでＨＩＧＨ出力）とします。オペアンプ周りがそういう風に組んであるので。

（４）出力２：バースト信号

シンクロ信号出力開始のタイミングを基準にして、76クロック後からＨＩＧＨを36クロック分出力します。（それ以外の期間はＬＯＷ出力）

多分、おおよそタイミングが合っていれば表示に問題ないと思います。大体でいいです。

（５）出力３：チャージポンプ駆動信号

負電源生成回路を生成するための回路として今回はチャージポンプを使いますが、これをドライブするための信号が必要です。以前の実験結果に従っておよそ１００Ｋｈｚの矩形波をデューティー比５０：５０でマイコンから出力することにします。

今回tiny2313のペリフェラルはビデオ信号周りを除けば全部余っているので、その余っている中からタイマー１のＰＷＭをチョイス。タイマー１のＰＷＭ出力端子ならビデオ信号出力とは端子が重複しないから選びました。他のマイコンなら適当に余っているＰＷＭを使えばいいですし、空いてなければ外部回路で５５５タイマーとか使ってもいいかもしれません。５５５なんて１個単価２０円くらいだしねぇ…。

ちなみに今回の１４．３Ｍｈｚクロックではオンとオフはそれぞれ７５クロックずつ（＠１４．３Ｍｈｚ）としました。これで約１００Ｋｈｚでデューティー比５０：５０の出力になります。

（６）出力４：クロック出力

２ビットタイマーをドライブし３．５８Ｍｈｚの変調を行うためのクロック源を出力します。

１４．３Ｍｈｚで動くマイコンではソフトウェア的に１４．３Ｍｈｚを作り出すことは出来ませんが、 tiny2313ならそもそもＣＰＵクロックと等速かつ同期したパルスをckout端子から引き出すことが可能なので、今回はＣＰＵに供給しているクロックと等速の１４．３Ｍｈｚをckout端子から出力させます。

その方法ですが、プログラム上ではなく書き込み時にフューズビットで設定します。書き込みのダイアログでckoutビットをチェックしてください。するとＰＤ２端子（ckout）から１４．３Ｍｈｚのクロックが常時引き出されるようになります。

ckout以外のフューズはそれなりの値で適当に設定してください。

と言った感じです。あまり細かいところは書いてませんが、これら以外は散々作ったバーコードプログラムを踏襲することにします。

プログラム

ソフトウエア仕様にしたがってプログラムに落とし込んでいきます。で、こんな感じ。

ディスクリートコンポジットビデオ tiny2313用ソースリスト（アセンブラ）
ディスクリートコンポジットビデオ tiny2313用実行ファイル（ｈｅｘ）

以前作ったカラーバーのプログラムから数点変更になっているので、その辺りについて幾つか補足を。

（１）バースト信号周り

今回はＲＧＢ信号やシンクロ信号以外にもバースト信号を出力しないといけないので、垂直同期期間を除くすべてのラインでバースト信号用のパルスを出力するようにしました。

（２）１ライン表示の長さ

９１０クロックで１ラインを表示するように変更しました。

（３）負電源周り

負電源生成用のチャージポンプ回路をドライブするため、約１００Ｋｈｚのパルスを出力します。今回はピン配置などを考慮して、タイマー１を高速ＰＷＭモードで使用することにします。

まぁ、この程度の違いしかありません。基本は周辺ＩＣに負担させているので、コンポジットビデオとは言ってもソフトウェア上の配慮は白黒と殆ど同じ。心配不要ってことですね。

言うまでも無く、カラーバーだけではなくＲＧＢ信号でなにか複雑な画や動く画を出せば色が付いて表示されるわけなので、もっとメモリ容量の大きいマイコン使ったりして動くＲＧＢ映像を出力したりと色々応用範囲はありそうです。（今回はtiny2313の容量で入りきる程度のプログラム、グラフィックデータってことで機能確認レベルに留めたので…）

実行結果

実際に動かしてみた結果です。アレコレ作り込みしている割には単機能レベルの機能しか持ってないので、いざ動かしてみて色が出るか出ないかだけ見れば充分判るでしょう。テスト項目のチェックリスト挙げたりとかは面倒なのでやりません。

実行風景

今回はブレッドボードで実行しました。オペアンプで組んだマトリックス回路で配線がグチャグチャです。

左上がＣＰＵボード。左下に負電源生成用のチャージポンプ。右上が２ビットタイマー＋アナログＭＵＸ。残った部分がマトリックス回路です。

ノイズ対策として適当にパスコンを入れまくっているんですが、そもそもこんなに配線だらけだと、配線が作るＬ成分、Ｃ成分やパスコンのＣ成分などで共振してノイズだらけになりそうだなぁ…と予想していたんですが、その点は後ほど。

実行結果

実際に表示してみた結果です。

まずブレッドボードからＳビデオ信号でテレビに繋いで表示すると、それなりに綺麗に出ました。次に、ビデオキャプチャーで取り込みするためにＨＤＤ－ＤＶＤレコーダーのＳビデオ入力端子を経由してＰＣのビデオキャプチャー（コンポジット入力）で取り込んだのがこれです↓。

まぁまぁです。

じつは電源に結構なノイズが載ってます。オシロであたると０．１～０．２Ｖくらいあるみたい。ブレッドボードにグチャグチャの配線では回路内で発振（共振）しまくる要素がいっぱいあるようで、パスコン程度では如何ともしがたい状況。ちゃんとプリント基板でも作って試してみたいです。

あと、ノイズと言えばＮＪＭ０７２Ｄ。今回は速度と値段の点でこれを選びましたが、今回の回路では発振しやすい回路になっていると思うので、ＮＪＭ０７２Ｄにはキビシイ回路です。まぁ、それ以上に電源周りの方が明らかに大きいんですけどね。

オペアンプを取っ替えてみる

ということで試しにＮＪＭ２１１４ＤＤに取り替えて実験してみるとこんな感じ。デジカメで撮ったのでちょっと色調が異なりますが…

まぁ、おおよそちゃんと出ているんですが、見比べた感じ、微妙に発色が地味な感じがしました。

もしかしたら、ボルテージフォロアで受けたＣ信号の増幅が微妙に間に合っていないのかなぁ…Ｃ信号の振幅はおよそ０．７Ｖ。これが３．５８Ｍｈｚの波になっているので、１／４波形分では少なくとも０．３５Ｖの変化についていかないといけません。いや、位相によっては０．７Ｖかな？一方、ＮＪＭ２１１４ＤＤはＳＲ＝１５Ｖ／ｕｓなので、３．５８Ｍｈｚの１／４波形分の時間では辛うじて１Ｖ程度の変化に追従できそうというレベル。

０．７Ｖと１Ｖ。うーん、製品のばらつきなんかも考えると、やっぱギリギリかもしれないな…。

もしＣ信号の振幅に追従できずに振幅が狭まっているのだとすると、要は色成分が少なくなるって事だから、発色が地味に… つまりねずみ色に近づくのはまさにその通りということなのかも。

ＳＲ＝１３Ｖ／ｕｓのＮＪＭ０７２Ｂを使うともっと厳しくなるのかな？…発色できるか出来ないかギリギリのスペックか？？？

と言うわけで、最後のボルテージフォロアの部分（もしくはＹＣ混合回路部分）のオペアンプだけはカラービデオ信号の３．５８Ｍｈｚに追従できる程度のＳＲが必要になりそうです。…当たり前か。

オシロであたってみる

ちなみに、信号をオシロで拾って見るとこんな感じ。ＮＪＭ０７２ＤでＹ信号にプローブをあてた時の波形です。（Ｙ＋ＣではなくＹ信号だけです。念のため）

うーん、それっぽい波形ではあるんだけど、０．１Ｖｐｐほどのノイズが載っています。Ｃ信号側も似た様なかんじ。最初ＮＪＭ０７２Ｄだから発振しちゃっているのかと思ってＮＪＭ２１１４ＤＤに変えてみたんですがやっぱり同じくらいのノイズが載っちゃう…。

ＮＪＭ２１１４ＤＤでＹ信号といえば、以前コンポーネントビデオの実験やったときには同じ回路構成でもＹ信号にはこんなにノイズ載って無かったので、その点から考えればＮＪＭ０７２Ｄだから発振してるわけじゃなくて、電源周りかグネグネ取り回しした配線あたりに原因がありそうです。ブレッドボードだし、今回は回路がグチャグチャだからねぇ…。

このノイズ、ビデオ信号の３．５８Ｍｈｚとは異なる周波数で発振しているようで（もっと高い周波数みたい）、幸いにもビデオ信号上には縞が載ったりすることはありませんでした。テレビ側のノイズフィルター（？）とかで除去されているっぽいです。

ただ、色んな機器に繋いでみたところ相性なのか、一部の組み合わせで↓こんな映像が出たりするケースがありました。

カラー信号が中途半端に死んでしまっているようです。さきほどの電源あたりから拾ったノイズによってバースト信号が死にかかっているのかな？

でもまぁ、数秒放って置くと色が載った映像が安定して出てくるのですが、ちょっと気持ち悪い…っていうか、そもそもさっきのオシロで見る限りあんなに凄いノイズが載ってるのにちゃんと色が載って表示してくれるっていう方がビックリだよな。アナログの不思議。

いずれにしても、回路の動作の仕組みとしてはＯＫっぽいんですが、やっぱブレッドボード使ってるって言うのがイマイチな気がします…。

一方、当初一番心配していた７４ＨＣ４０５２による３．５８Ｍｈｚの変調処理。意外に上手くいったなぁ…。(^O^)

映像を細かい部分までじっくり見てみる

先ほどの縮小写真ではよく解り難いのですが、映像信号をじっくり細かいところまで見てみると１ライン置きに左右に１ドット（？）くらいのズレが交合に現れるのが見えます。

じつはこれはあらかじめ予想の範囲のお話。って言うのは、今回は１ラインのドットクロックを９１０クロックとしたので、４で割ると余りが２。３．５８Ｍｈｚの１波形分でいうと半波形分の長さに相当します。ってことはつまり１ライン毎に波形の位相がひっくり返っているわけ。１ラインおきに位相の山と谷が現れるわけです。

ＮＴＳＣの４フィールドシーケンスを守った信号であれば４フィールドを表示し終わったときに重なる２枚の映像で打ち消しあって見えなくなるものなんですが、今回は４フィールドシーケンスを守らない信号を出力しているので、この半波形分のズレが１フィールド置きに出ちゃうわけ。

ってことで、こういうモヤモヤを消すための簡単な対処方法を。１ラインのドットクロックを９１０ではない数値…４で割り切れる数値にすればＯＫ。たとえば９０８クロックや９１２クロックに。そうすれば各ラインの位相が一致するのでモヤモヤが出ません。正しいＮＴＳＣ信号規格には反するのですが、元々厳密にあわせるつもりはないし、少々正しくなくてもテレビ表示やビデオ録画、ビデオキャプチャーには問題ありません。

もしくは、現在は１フィールド２５２ラインで構成しているんですが、これを２つのフィールドで位相が逆転するように２５３ラインとする手もあります。が、今回のプログラム、それほど厳密なタイミング管理はしてないはずなので… ＣＰＬＤなんかを使って１クロック単位でキッチリ動かせばまさに上手く表示されるはず… なんだけど、それだったらオペアンプ使わずにＣＰＬＤ内部で変調処理を行えばいい…ネコ８のようにね。

今回のデコッ８…マイコンとちょこっと繋いでカラー表示って程度の使い方がお似合いだな。

改造案など

マトリックス処理の回路

今回は、マトリックス処理にオペアンプを使ってみました。安くてそこそこ速いＮＪＭ０７２Ｄをチョイスしましたが、発振しやすいこのオペアンプはできれば避けたいところ。ＮＪＭ２１１４ＤＤなども候補にあがりますが、今回の実験結果から、アナログＭＵＸの出力を受けるオペアンプ（Ｃ信号用のインピーダンス変換用）はＳＲ＝１５Ｖ程度だとちょっと厳しそう。だからと言ってこれ以外の速いオペアンプとなると結構高そうだし…

ということで、このあたりの部分についてもうちょっと別案を。実は下記の案を先に実験してみようと思ってたんですが、なーんとなくオペアンプ使った回路を先に実験してしまいました…。

で、オペアンプの方が上手く行っちゃったのでこっちはアイデア止まりで実験はしてません。なのでかなり省略した図ですが簡単な解説を。クリックで別窓を開きます。

まず右側の方について。こちらは入力した色コードにしたがってＹ－ｃｏｍから出力する信号を選択する機能を受け持ちます。ＡとＢ端子の２ビットで０～３の色コードを指定し、入力端子を０Ｙ～３Ｙで切り替えします。ＩＣ１個では発色数は少ないのですが、ＩＮＨ端子を上手く使い、複数のＩＣを組み合わせれば発色数を増やすことも可能だと思います。

ちなみにこの回路の場合、０Ｙと２Ｙ端子は何らかの色信号を左から入力していて、３Ｙは白固定、１Ｙは黒固定と言うことを想定しています。Ｘ側の端子は使ってません。なお７４ＨＣ４０５１なら８入力なので、もっと発色数を増やせて便利かな…。

次に左側の７４ＨＣ４０５２。こちらは３．５８Ｍｈｚの変調を受け持っています。ＡとＢ端子から２ビットカウンタの値を受け取るのは先ほどまでと一緒なのですが、入力内容が大きく異なっていいます。先ほどはオペアンプでしたが、この図ではオペアンプの代わりに抵抗２個の分圧によって電圧を作り出します。

面倒だったので０Ｙと２Ｙの２入力しか書いてませんが、その他の端子（１Ｙ、３Ｙ、０Ｘ、１Ｘ、２Ｘ、３Ｘ）も同様に抵抗分圧の結果を入力させます。

このように抵抗の分圧で４つ一組の電圧（Ｃｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂに相当）を使う色の数（＋バースト信号分）だけ作り出しておいて、それらを３．５８Ｍｈｚで変調かけるという仕組みです。こちらも、７４ＨＣ４０５２を並列に並べておけばそれなりに色数を増やすことが可能です。ちなみにこれらの電圧は、Ｙ＋Ｃの分で計算してください。そうそうれば後続回路でＹ＋Ｃの混合を行う必要がないので。

抵抗の分圧値の設定方法ですが、負電圧を扱うのは面倒なので正電圧側にシフトした電圧を作っておいて、出力の最後の最後で直流カットを行う方が扱いが楽だと思います。例えば、一律１Ｖ足し算して全域プラスの電圧にしておくなど。つまり、電源電圧を抵抗で分圧し、（Ｙ＋Ｃ＋１）を作り出せばいいというわけ。ＣはＣｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂの４パターンですね。

そうしておけばオペアンプで負電圧を使う必要もありませんし、マルチプレクサ自体も正電圧だけで扱うことができます。（Ｖｅｅはｇｎｄに繋げばいいです）

１点注意しないといけないのは、色コードの１つをバースト信号用に割り当てないといけないということです。バースト信号も１つの色と同様に扱うことにして、３．５８Ｍｈｚで変調を掛ける事によって有効なバースト信号として扱うわけです。

この図のように７４ＨＣ４０５２を２個使う場合なら、白＋黒＋何らかの色＋バースト信号の４つの信号が扱えます。７４ＨＣ４０５２をあと１～２個ほど使えば、もう少し発色数を増やすことが可能です。たくさんの色を出すのには向いてないでしょう。

まぁ、発色数が少ないのでアレですが、アイデアとしてはアリかも…ってことで。

そうそう。７４ＨＣ４０５２の出力側のインピーダンスを下げないと７５Ω抵抗をドライブ出来ないので、やっぱり最終出力の部分にはボルテージフォロアなどのバッファ回路が１個必要になります。これは仕方ない…。

あと、アイデアだけで実験はしてないので、一つ心配なことがあります。分圧に使う抵抗値のこと。

あまり小さいと常時結構な電流が流れてムダなので大きくしたいのですが、大きい抵抗を使うと７４ＨＣ４０５２のＣ成分で通過する信号が遅くなったり、ノイズの影響を受け易くなったりします。程ほどの抵抗値を探す必要がありそうです。

アナログＭＵＸ

今回はＭＵＸに７４ＨＣ４０５２を使いましたが、もう少しお手軽なものは無いかな…と思って考えたのですが、ＦＥＴトランジスタとかで代替できないかな…。扱う電圧をプラス側にシフトして正電圧だけ扱うようにしちゃえば、ＦＥＴトランジスタでもスイッチングができるんじゃないかなぁとにらんでいるのですが、適当に安くて適当に速いＦＥＴを探すのがちょっと面倒。というわけで、思いついただけで手が進んでません。

そもそも当初はＭＵＸもＦＥＴトランジスタとかで組んで、抵抗の分圧で各電圧を作るとかして、ほぼ全部をディスクリートで仕上げようと思っていたんですが、やっぱり１個１００円程度で買える汎用ロジックＩＣや２回路５０円で買える高速オペアンプなんて、使わないのはもったいないでしょう。

そう。このページのタイトルに「ディスクリート」って入れたのは、ホントにディスクリートでやっちまおうって言うアイデアだったからなんですよ。当初の予定では。オペアンプ自体も（ある程度精度は犠牲にしても）ディスクリートで速度の速いアンプを組んでみようと思って例の定本トランジスタ回路の設計買ったわけですし。でもまぁ、無理してディスクリート部品だけにするより、多少ＩＣ使っても安くて再現性が高い方がいいもんねー。（言い訳）

使用するオペアンプについて

これまでに触れたことから、Ｃｒ、Ｃｂ、－Ｃｒ、－Ｃｂ、及びＹ信号を生成するためのオペアンプにはそこそこの速度で充分（コンポーネントビデオが扱える程度で充分）だと判りました。（ＳＲ＝５Ｖ／ｕｓあたりがギリギリの線？）

一方、最後の最後の段…つまりＣ信号のインピーダンスを低める回路（もしくはＹ＋Ｃ混合回路）の部分は１４．３Ｍｈｚをキッチリ扱える速度が必要になります。

目安としては、今回ＮＪＭ２１１４ＤＤでギリギリという感じだったのでＳＲ＝１５Ｖ／ｕｓあたりが境界線といったかんじでしょうか？

と言うわけで、最終段だけはちょっと速いオペアンプを使う必要がありそう、ということでした。ＬＭ３１８あたりがいいなぁ…。ＬＭ３１８はボルテージフォロアの時の入力インピーダンスが要注意だな。（詳細はデータシートご参照）

まとめと今後について

というわけで、ディスクリートと言いながら結局汎用ＩＣを使っちゃったわけですが、いつでもどこでも手に入る安い部品で組めたし、ほぼ期待通りの結果が得られたので、今回はホントの意味でのディスクリートまで分離せずに実験完了としたいと思います。今回の実験結果を踏まえて総括し、今後の展開などを眺めてみます。

表示結果について

とりあえず７４ＨＣ４０５２の速度でも３．５８Ｍｈｚの変調は上手く出来たようです。よかった、よかった。カラーコンポジットビデオ、この程度の回路でも出来ちゃうっていうのが結構面白かったな…。安い部品をかき集めればＣＸＡ１６４５よりも安上がりで済みそうだし。部品構成によっても若干変わりますが、５００円程度で組めちゃうはず。

負電源生成のチャージポンプも、この程度なら一応実用になりそうです。ＩＣを５個繋いでも－３Ｖをキープですか…。ビデオ信号のような電圧幅ならなんとか実用に耐えました。（^O^）

一番の問題はやっぱノイズでしょうか。ブレッドボードでは如何ともしがたい…

でもまぁ、とりあえずコスト的にも機能的にも必要充分程度のモノが出来たと思うのですが…

多色化について

今回はご覧の通りデジタル８色（ＲＧＢ各１ビット）としました。各１ビットずつ増やして２の６乗（６４色）程度なら良いかもしれませんが、あまり多色化するとなるとオペアンプでは部品が多くなりすぎて複雑になっちゃうので、それ以上の色を出すならＣＰＬＤやＦＰＧＡを使う方が現実的じゃないかなぁという気がします。

っていうか、６入力のオペアンプ計算（バーストも考えれば７入力）なんて、考えただけでも恐ろしくなります…。方程式解いてる途中で物凄い掛け算が出てくるので、そこらの電卓やｗｉｎｄｏｗｓアクセサリの電卓程度では桁数が足りず太刀打ちできないかも。

線形回路だって事を考えると、今回求めた各ＲＧＢ用の抵抗について、合成抵抗がそれぞれに等しくなるような２つの並列抵抗に分離し、そしてそれらの抵抗比が１対２になっていれば６ビットＲＧＢとして機能してくれるんじゃないかな…って思ってるんですが。

あとで時間できたら表計算ソフト上でシミュレーションしてみようかな。

大昔のＰＣのデジタル／アナログＲＧＢ信号への応用

大昔のＰＣといえばコンポジットビデオ信号と同じ１５Ｋｈｚの信号なので、ＲＧＢ→ビデオ変換回路などを通せばテレビに写す事が可能です。昔秋月で売ってたＲＧＢ→ビデオ変換キットがそのいい例です。この秋月のキットの機能がまさにこのページ上の方で出てきた図と同じ変換をやってるだけだから。

で、今回作った回路とその秋月の回路を比べて機能的に大きく異なるのは、バースト信号のタイミングを教えるためのパルスが必要になるということ。当然昔のＰＣのＲＧＢ信号にそんなものは載ってません。秋月のキットではボード上に登載したＣＸＡ１６４５の内部機能で実現しています。ＣＸＡ１６４５はＩＣ内部に一種のカウンタ回路が内蔵されているんです。

ですが、内容的には水平同期信号の立下りから１９サイクル後にパルスを作り出せばいいだけなので、実現の方法はいくらでも考えられると思います。１９サイクル（１４．３Ｍｈｚで７６クロック）をカウントしたら９サイクル（同３６クロック）の間パルスを出しておけばいいだけです。ＩＣでやると大変そうですが、機能的にはまさに鼻クソ程度です。

例えば８ピンのＰＩＣやＡＶＲを使い、入力ピン割り込み（立下りエッヂ割り込み）でシンクロ信号のエッヂを拾って、そこからクロックをカウントして適当な長さのパルスを出力する…それを１ライン毎に延々と繰り返し…なんて程度の追加回路でよいはずです。ＣＸＡ１６４５のデータシート読むと解りますが、水平同期信号の後部に「おおよそ正しそうな」タイミングでバーストを載せてあればカラー信号として認識はされるようですし。

一方、垂直同期期間中にバースト信号が載っちゃっても無視されるだけなので、そのへんもあまり神経質になる必要はありません。

なので、トリガーに使うのは水平同期信号でも複合同期信号でもどちらでもいいです。適当にタイミングだけ拾えればなんとかなりますよ。ＣＸＡ１６４５なんて複合同期信号を入力する仕様だから、データシートにも「垂直同期期間にこんな風にバーストが載っちゃうよ。へへへっ、ごめーん！」みたいな図が載っているくらいですから。

あ、シンクロ信号の電圧幅は０．３Ｖしかないし、映像信号とも分離しないとおかしなことになっちゃうので、ＬＭ１８８１とかでシンクロ信号をデジタル信号として扱えるように同期分離を噛ます必要はあるでしょうね。でも大した話じゃありません。

あと、ＰＣから出力されるＲＧＢ信号は７５Ωでドライブした時に０．７Ｖｐｐなので、これを５Ｖｐｐに増幅してから入力する必要がありますね。５÷０．７＝約７倍に増幅すればＯＫ。一旦７５Ωで受けてからオペアンプ３回路使って非反転増幅回路で増幅率７倍に増幅してから入力してください。

まとめ

ようやくコンポジットビデオ信号を汎用部品で作っちゃう方法が確立できたので、これでもうお店の店頭からＣＸＡ１６４５がなくなる日が来ても大丈夫。部品面積はちょっと大きいけど…

というわけで、今回の実験はこれで完了としたいと思います。

後日談

ＹＣ混合回路についても実験しておきたいなぁと思って、ＰＣＢＥで専用基板を書いて実験してみました。↓こんなかんじ。

ご覧の通りオペアンプが３つにロジックＩＣが２つ。あとはトランジスタで組んだ負電源回路です。ブレッドボードに挿して簡単に使えます。このオペアンプのうち１回路分だけがＹＣ混合回路に変更になってます。抵抗がいっぱーーーーーい。

今回はＹＣ混合回路中で１４．３Ｍｈｚ以上の信号を削り落としてしまおうと色気を出して、適当なフィルターを組んでみました。５１０Ωと１８ｐＦならカットオフ周波数が１７Ｍｈｚ程度になりそうなので、これをチョイス。あ、よく考えたら３．５８Ｍｈｚ以上をカットすればよかったんだな…まぁ適当に定数を変えて使ってください。必要なければ４つとも全部１０ｋΩでいいと思います。