1チップで実現した疑似ランダム雑音発生源：Design Ideas 信号源とパルス処理

1チップで雑音発生源を実現

　1チップの雑音発生源を探そうとすると、よくイライラする。以前は米National Semiconductorが、オーディオ機器向けに雑音発生源ICを製造していた。しかし今では、見つけることが難しい。このような状況にあるため、設計者はいくつかの選択肢の中から1つを選ばなければならない。しかし多くの手法は、複数のICが必要だ。例えば、ダイオードのアバランシェ雑音を大きな利得で増幅するアナログ方式や、多数のCMOS ICを使って線形帰還シフトレジスター方式の疑似ランダム雑音発生源を設計する方法などがある。

　米Microchip Technologyの1チップマイコン「12C508」を使っても、雑音発生源を実現できる。この古典的な手法では、線形帰還レジスターをソフトウェアでモデル化し、疑似ランダム雑音シーケンスを発生させる。すなわち、多数のビットをテストし、XORをとって、単一ビットだけをシフトレジスターにフィードバックする。この方法には、実現可能な最大のビットレートは得られないという問題がある。そこで今回は、ループ当たりの必要マシンサイクルを最小限に抑えられるアプローチを示す（図1）。

図1：シフトレジスターの構成
このシフトレジスターの実効的な長さは25ビットである

　今回の手法は、CRC（cyclic redundancycheck）のビットシフトアルゴリズムで用いているものと似ている。XOR演算は多数のビットについて並列に実行する。マイコンならば、並列演算は素早く行える。ビットテストとXOR演算は3命令サイクルで完了する。リスト1にアセンブラコードを示す。全てのループ処理で、わずか10命令サイクルしかかからない。

図2：1チップマイコンを使った雑音発生源
1チップマイコン「12C508」を使った。接続は極めて簡単である

　図2は、4MHzの発振器を内蔵した12C508で、100kHzの出力レートを得る回路である。シフトレジスターの実効的な長さは25ビットで、3バイトのデータと1つのキャリービットから構成されている。このような構成ならば、5分35秒までパターンの繰り返しは生じない。このほか出力レートを高める工夫として、8ビットの出力ポートを備えるマイコンを使い、そのポートをハイバイト（Hibyte）レジスターの代わりに用いる手法がある。この手法を採用した場合は、リスト1に出てくる命令である「movf Hibyte,W」ならびに「movwfGPIO」は不要になる。この結果、ループ処理は8命令サイクルで完了することになり、出力レートは25％増加する。なおI/O端子は、全て出力端子として設定する。

リスト1：疑似ランダム雑音発生源用のアセンブラコード（クリックで拡大）

※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事から200本を厳選し、5つのカテゴリーに分けて収録した。