TC74HC4040APについて教えて下さい

こんにちは。
電子工作の初心者です。
TC74HC4040AP（12-Stage Binary Counter）のことで解らないことがあるので教えて下さい。

テスト用に、いろんな周波数を同時に出力できる簡易型のクロックジェネレーターを作りたいと思い、TC74HC4040APの各ビットをクロック発生源にしようと考えました。
（正確なクロックを与えてやれば、入力クロックをカウントに合わせてビットが反転し、各ビットの周波数は順次半分になると期待）

そこでブレッドボードにクリスタルオシレーターの出力をTC74HCT04APを通してTC74HC4040APのCKピンに接続する回路を組んで、TC74HC4040APの出力ピンの周波数をテスター（秋月のMETEX P16）で測ったところ次の値になりました。
※回路の電源はスイッチングＡＣアダプター（16V）を３端子レギュレータ（NJM2391DL1-05）で5Vにしたものを使用しています。

【クリスタルオシレーター:46.6MHz】
Q1:23.3MHz
Q2:11.6MHz
Q3:5.826MHz
Q4:2.925MHz
Q5:1.94MHz
Q6:0.728MHz
Q7:0.3642MHz(364.2KHz)（カッコ内の表示はテスターの表示です。以下同じ）
Q8:0.1821MHz(182.1KHz)
Q9:0.0914MHz(91.4KHz)
Q10:3.6MHz ※45.7KHz
Q11:18.3MHz ※22.85KHz
Q12:33.4MHz ※11.425KHz

※は期待値

【クリスタルオシレーター:11.8MHz】
Q1:5.887MHz
Q2:2.943MHz
Q3:1.472MHz
Q4:0.736MHz
Q5:0.368MHz(368KHz)
Q6:0.184MHz(184KHz)
Q7:0.092MHz(92KHz)
Q8:0.046MHz(46KHz)
Q9:0.02537MHz(25.37KHz)
Q10:0.3108MHz(310.8KHz) ※12.685KHz
Q11:0.865MHz ※6.34KHz
Q12:0.629MHz ※3.17KHz

Q1～Q9までは順次半分の周波数になっているので予定通りなのですが、Q10～Q12はデタラメ（？）な値になっています。
IC（TC74HC4040AP）を変えても同じような結果になったので測り方が間違っているだけで多分結果はこれで良いのではないかと思っていますが今ひとつスッキリしません。

Q10～Q12はなぜこんな表示になってしまうのでしょうか？


【秋月のMETEX P16】

◆手帳型のポケット・デジタルマルチメーターです。
◆オートレンジデジタル液晶表示６０００カウント
◆自動電源オフ、データホールド
■各レンジの幅
・DCV： 600mV～600V
・ACV： 600mV～600V
・DCA： 600μA～600mA
・ACA： 600μA～600mA
・抵抗値：600Ω～60MΩ
・周波数：6000Hz～60MHz
・容量測定： 6000pF～6000μF
・ダイオードチェック・導通試験ブザー
・電源：LR44バッテリー2個付き

No.4 回答者： inara1 回答日時： 2008/11/18 22:28

間違いがありました。

【誤】　74VHC04を２個使えば発振器が作れます
【正】 VHCは間違いです。HCTでも発振器は作れます（最高発振周波数が違うだけ）。C*R の値を変えれば発振周波数を変えられるので、どの周波数まで動作するか、この回路で見てみるのもいいかもしれません。

ところで、74HCT04は6回路入りのインバータですが、使っていないインバータの入力端子はVccかGNDにちゃんと落としていますか？

No.3 回答者： inara1 回答日時： 2008/11/18 22:04

平日の昼間は仕事なのでお答えできません。

ブレッドボードで配線しているとか、パスコンを入れていないとか、74HCT04に46MHz入れているとか、かなり厳しい状況ですね。TC74HCT04APにもパスコンは入ってますか？ユニバーサル基板で動作確認する場合は、ICソケットを使ってもいいので、100kHz程度で動作するか確認してみてください（動作しないときはＩＣが壊れているかも）。

＞100kHzのオシレーターは持っていない
74VHC04を２個使えば発振器が作れます。資料 [1] のような回路で、R = 4.7kΩ、C = 100pF (1nF）、Rp = 10kΩ～100kΩ とすれば 100kHz程度の矩形波が得られます。

＞TC74HCT04APの出力をそのままCKpinにつないでいます
HCT04ですか。HCTの出力信号の上昇・下降時間の典型値はVcc=5.5Vのとき 7ns なので、その値ならば70MHz程度までは動作しますが、最悪値の 13ns なら 39MHz が限界です。手持ちのHCT04の上昇・下降時間が 7ns である保障はないので、最悪値でも動作するように設計するのが普通です。74AC04の出力信号の上昇・下降時間はデータシート [3] に出ていませんが、VHCとほとんど変わらず、2ns くらいです [4]。今回、1.3MHzのクロックで動作しなかったのは74HCT04APが原因ではない（この周波数なら動作する）と思いますが、74HCT04APに46MHz入れたときに出力波形がどうなっているか心配です。

＞これがまずい気がしてきました。問題ないでしょうか
信号源に専用の発振器を使っているのかと思ったのでこの質問をしましたが、TC74HCT04APの出力をそのままCKpinにつないでいるのなら終端抵抗は入れなくていいです（TC74HCT04APは50Ωをドライブできません）。TC74HCT04APの出力からCKpinまでの配線長が5cm未満なら問題ないと思います。

＞CLR端子のみ１MΩでGNDに落としています。
1MΩでGNDに落とすのでなくGNDに直結してみてください。1MΩだとアンテナになってしまい、外来ノイズ（クロック周波数）を拾って誤動作する可能性が高いです。

＞クリスタルオシレーター　→ TC74HCT04AP → TC74VHC4040Fの間違いです
VHC4040Fはフラットパッケージなのでブレッドボードに挿せないと思いますが。VHC4040Fなら100MHzまでは大丈夫ですね [5]。でもブレッドボードで数十MHzの信号を扱うのは無理だと思います。ユニバーサル基板でも、GNDパターンを銅箔でしっかりとって、パスコンを最短距離でＩＣごとにつけないと安定動作しないと思います。CLR端子を１MΩをでGNDに落としているところが臭いと思いますが。

[1]　CMOSインバータによる矩形波発振器　http://www.interq.or.jp/japan/se-inoue/ckt29.htm
[2]　74HCT04データシート（3ページのAC特性）　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ …
[3]　74AC04データシート（４ページ　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ …
[4]　（絶版）トランジスタ技術スペシャル No.58（基本・CMOS標準ロジックIC活用マスタ）　p.37　http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/32/32501.htm
[5]　74HVC40404AFデータシート　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ …

この回答への補足

＞平日の昼間は仕事なのでお答えできません。

忙しい中、何度も回答して頂きありがとうございます。
当方、趣味で遊んでいるだけなのでお時間のある時にお付き合い下さい。


＞ブレッドボードで配線しているとか、パスコンを入れていないとか、74HCT04に46MHz入れているとか・・・

ブレッドボードにしているのは、初めての部品を使うときには過去一度でまともに動いたことが無かったので動きをまず確かめるためでした。（今回はそれがアダとなっているようですが・・・）
昨夜ユニバーサル基板に組んでパスコンも各ICに入れました。（後述）
今は基本的に11.8MHzで動作確認していますが、下で教えて頂いた回路も追加して試してみます。


＞74VHC04を２個使えば発振器が作れます。資料 [1] のような回路で、R = 4.7kΩ、C = 100pF (1nF）、Rp = 10kΩ～100kΩ とすれば 100kHz程度の矩形波が得られます。

今晩試してみます。


＞HCT04ですか。HCTの出力信号の上昇・下降時間の典型値はVcc=5.5Vのとき 7ns なので、その値ならば70MHz程度までは動作しますが・・・

74HCT04の応答速度が8nsとなっていたので100MHz位（ギリギリで120MHz？）までは耐えられるのかな？なんて解釈していました。
数字の意味するところが良くわかっていません。（失敗する度少しずつ覚えています）
一応VHCT04（VHCT14は入手できませんでした）も用意してありますがフラットパッケージなので使っていません。（VHC4040Fの方はDIP変換基板を使っています）
46MHzのクリスタルオシレーターはたまたまPCのマザーボードから剥がしたものがあったので使ってみたのですが、TTL出力だったため最初はクロックの入力すらできませんでした。（笑）
オープンコレクタ回路なるものを見つけ１ピンだけなのでこれで何とかできないものかと試行錯誤しましたが結局諦めてTC74HCT04APを使用することにしました。

＞信号源に専用の発振器を使っているのかと思ったのでこの質問をしましたが・・・

信号源は秋月で売ってるクリスタルオシレーターです。（46MHzを除く）
配線長は２～３センチだと思います。

＞1MΩでGNDに落とすのでなくGNDに直結してみてください。1MΩだとアンテナになってしまい、外来ノイズ（クロック周波数）を拾って誤動作する可能性が高いです。

直結するように変更しました。
今回はクリアーすることはないので直結で問題ないのですが、クリアーを使うときは適当な抵抗でプルダウンすることになると思います。
いつも疑問に思っていたのですが、プルダウンする時の抵抗値ってどうやって決めたら良いのでしょうか？

＞VHC4040Fはフラットパッケージなのでブレッドボードに挿せないと思いますが。・・・

昨夜、ユニバーサル基板に組み直したのですが、結果は芳しくありません。
（各ICにはパスコンを入れ、CLRはGNDに直結、GNDはベタの銅箔に、AC04のあまった入力ピンはGND）
ただ、どれが効果を示したのかは不明ですが、１ピン分安定動作する範囲が増えました。（Q9までだったのがQ10までになった）

やはり、測定方法に問題があるのでは無いかと思い、クリスタルからの信号入力をやめ、手で1クロックだけ与えて（チャタリングで実際にはかなりのクロックが入ってしまったようですが）、ONのピンを測ったら電圧は5Vで安定していましたが周波数は数Hz～数KHzの周波数を揺れ動いていました。

数MHzの間は隠れていたものが、周波数が下がると表に出てきたということではないかと思うのですが如何でしょうか？

※そもそも秋月のテスターがどの程度の感度で電圧の変化を認識しているのか不明です。
となるとCMOSレベルでの変化をカウントする周波数カウンターを作らないといけなくなるのかなあ・・・？
こうやってどんどん本来やりたいことから離れて行きます（笑）

補足日時：2008/11/19 12:39

No.2 回答者： inara1 回答日時： 2008/11/18 08:23

＞パスコンは入れていなかった

0.1uFは積層セラミックタイプですね？

＞納得いかない
ですね。ブレッドボードで40MHzはまずいと思いますが、以下の情報を教えてください（オシロがあるといいのですが）。
　　（１）　クロック周波数を100kHzに下げて動作を見る（Q10=97.656Hz、Q11=48.828Hz、Q12=24.424Hz）
　　（２）　クロック信号のレベルは合っているか（0～5V）。波形は？
　　（３）　信号源の出力モードは50ΩかHiZか。50Ωなら、4040Aの CK pin 近くに50Ωの終端抵抗が入っているか
　　（４）　Q1～Q12、CLR端子に長い配線はついていないか
　　（５）　CLR端子は最短距離でGNDに落ちているか
ブレッドボードでなく、ユニバーサル基板上で、余計な周辺回路はつけず、銅箔GNDパターンも入れて、パスコンもつけてちゃんと動作するか確認したほうがいいかもしれません。

この回答への補足

＞0.1uFは積層セラミックタイプですね？
その通りです。

今度はユニバーサル基板に組んで色々と試して見たいと思います。
テスターしか持っていないので詳しい情報を確認できないのが残念です。

＞（１）　クロック周波数を100kHzに下げて動作を見る（Q10=97.656Hz、Q11=48.828Hz、Q12=24.424Hz）
100kHzのオシレーターは持っていないのでちょっとすぐには試すことができません。（秋葉原に行く時間がとれたら探してきます）

＞（２）　クロック信号のレベルは合っているか（0～5V）。波形は？
TC74HCT04APの出力をそのままCKpinにつないでいます。
さらにAC14等のシュミットタイプのインバーターを通せば波形も綺麗になるのだと思いますが、クロックの波形は正しいと信じています。
※実際の波形を見れないのがつらいところです。

＞（３）　信号源の出力モードは50ΩかHiZか。50Ωなら、4040Aの CK pin 近くに50Ωの終端抵抗が入っているか
クリスタルオシレーター　→ TC74HCT04AP → TC74VHCT04AF　はすべてそのまま接続しています。抵抗は間に入れていません。
※なんか、これがまずい気がしてきました。問題ないでしょうか？
※50Ωを入れる場所はどこでしょうか？
こんな質問をしているぐらいなのでもちろん4040Aの CK pin 近くに50Ωの終端抵抗なんて入っていません。
回路上の抵抗はCLKをGNDに落とす１M一本だけです。

＞（４）　Q1～Q12、CLR端子に長い配線はついていないか
CLR端子のみ１MΩでGNDに落としています。他は何も繋いでいません。

＞（５）　CLR端子は最短距離でGNDに落ちているか
1Mの抵抗でGNDに落としています。
1Mにしたのは何か理由があった訳ではなく色々試しているうちにそうなっただけです。※最初は直接繋いでいたような・・・

今日、明日には試せると思いますので他に何かアドバイスがあればお願いします。

補足日時：2008/11/18 12:32

この回答へのお礼

＞クリスタルオシレーター　→ TC74HCT04AP → TC74VHCT04AF

クリスタルオシレーター　→ TC74HCT04AP → TC74VHC4040Fの間違いです

お礼日時：2008/11/18 18:07