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デジタル回路

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デジタル回路

• デジタル回路とはデジタル回路は０と１の２つの状態をとるデジタル信号を処理する回路である。基本的には電圧が低い状態を“０”、電圧が高い状態を“１”として論理的な処理を行う回路である。コンピュータに直接接続される回路はデジタル回路になっている。

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TTL(transistor-transistor logic)回路では 0.8V以下をLow、 2V以上をHighの信号として扱う。 0.8～ 2Vの間は信号が切り替わるときに瞬間になるだけで、この範囲の電圧が持続するような回路はつなげない。

図の左側の場合は最悪でもこのくらいの電圧の信号でなければならないという場合で、普通は右のように十分な余裕を持った動作をしている。TTL回路の信号規格

TTLと CMOSロジック• ロジック ICには TTLタイプと CMOSタイプの２種類の製品が販売されている。 CMOSタイプの ICは消費電力が TTLタイプの１割程度と省電力であるが、若干動作スピードが遅い。

• CMOSタイプの ICは“１”と判断する電圧がTTLタイプより高いため、そのまま置き換えると場合により誤動作することがある。７４ HCT***の型番の CMOSタイプ ICは入力の電圧範囲が TTLタイプと同じに設計されているので混ぜて使っても問題は起きない。

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TTLロジック回路の出力部

TTL回路の出力部は図の左がわのような回路になっていて、出力にTTLの回路１０個分の入力が接続されても十分に動作できる能力を持っている。

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基本的なロジック回路

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３入力 AND回路

AND回路、 OR回路には 3入力以上の多入力が可能な論理 ICがある。2入力回路で構成すると多段階の回路が 1段の処理で済むので便利である。

3入力回路と 2入力回路の比較

３つの入力のすべてが“１”になったときだけ出力が“１”となる。

＝

＝

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NAND回路

ANDや ORなどの論理演算の結果に否定を加えた NANDや NORと呼ばれる論理回路も用意されている。 ANDやORと使い分けることで回路を簡素化することが可能になる。また、素子内部の回路構成の関係で NANDや ORの方が ANDや ORの回路よりも若干動作（入力信号の変化が出力の変化に現れるまでに必要な時間 )が速くなる。

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論理反転を伴うロジック回路

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論理回路の置き換え

否定と論理演算の順序の入れ替え

ド・モルガンの定理にのっとり、図のように論理を反転させるとANDと ORが入れ替わることになる。

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論理回路の作成例

これらは後段につながる素子が多いときなどに信号のバッファとして用いられる場合がある。

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代表的なロジック ICのピン配置

７４０２はなぜだか不明だが入力、出力の配置がその他のICとは逆になっているので使うときは要注意。

Altanate表記の補足

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この図の回路は論理式で表すと

を出力する回路となっている。下の図の方が論理式に沿った表記になっているのが分かる。

下の図の赤い部分が負論理（論理が逆転している）になっている。

a

b

c

d

a

b

c

d

図１１　 Altanate表記

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フリップフロップ回路（負論理入力）

回路図 表記

状態遷移

フリップフロップ回路はデジタル回路においてデータを保持するために用いられる回路である。

Sか Rに入力（この図の場合は“0”）が入ると入力に合わせた状態に変化する。

S:set, R:reset である。

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(1)最初の状態 (2)S入力が Lowになる

(3)入力が元に戻るフリップフロップ回路の動作説明

赤い部分が”１”

最初の状態から S入力が Lowになって、また元へ戻るまでの状態の推移である。入力が元に戻っても出力が変化したままで保持されるのが分かる。

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両方の入力が Lowになった場合

赤い部分が”１”

SRフリップフロップのS、 Rの両方が同時にLowになると図のように　　　の双方が Highになってしまう。

両方の入力が同時にHighに戻ると出力のどちらかが Lowに戻るが、どちらが戻るかは偶然により決まる。

QQ

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フリップフロップ回路（正論理入力 )

状態遷移

回路図 表記 RSフリップフロップの正論理入力タイプである。

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セット、リセット端子付クロック式フリップフロップ

タイミングを見計らってフリップフロップの入力を受け入れたい場合に使われる。最初の AND回路で clockが Lowにならないと入力がフリップフロップに影響を与えないようになっている。

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セット、リセット端子付クロック式フリップフロップ（ D入力型）

S, Rではなく D入力だけのフリップフロップで、クロックが入った時の D入力の情報を保持する。

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エッジクロック式フリップフロップ（ D入力型）

クロック入力が Lowから Highに変化するときの入力 Dの状態を保持するフリップフロップ。このフリップフロップをつかい多くのデータがそろったときに一気にデータを入力するようなときに使う。

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エッジクロック式フリップフロップ（ D入力型）の状態推移

メカトロニクス　１２／１５ 22JK型フリップフロップ（ネガティブエッジクロック）

←JK共に１にしておいてクロックを入れると出力が反転する。

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２進カウンタ

このように JKフリップフロップを連結すると２進数を順番に出力する回路ができる。

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同期式２進カウンタ実際にフリップフロップなどを用いてこのような回路を作る必要はなく、この回路全体がパッケージに入った ICがある。これは各桁がクロックで同時に変化するようになっていて、クロックとクロックの間の時間を利用して次のクロック時の変化に備える回路になっている。

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５進カウンタ

左図の一番下にあるように０００から１００までの５段階の変化を繰り返す回路である。

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１０進カウンタ IC

５進カウンタと JKフリップフロップを１段使うことで１０進のカウンタになる。表示を行う必要があるカウンタなどで使われる。

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アップダウンカウンタ

増加、減少のカウントを同時に出来るカウンタ回路である。出入りのある物体の個数確認や、ロボットの関節の角度を認識したりするのに使われる。

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シフトレジスタ

一本の信号線で順番に送られてくるデータを一括して複数の信号線で転送できるように順番に並べるための回路。通信の方法によっていろいろな形で使われる。

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デコーダー

このロジック ICは８つの出力の内 ABCの３つのデジタル信号で選ばれた出力だけを”０”にする動作をする。８個以下の ICのどれかを選んで動作させる場合に使われる。

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ハーフアダー（半加算器）

A B S C

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

入出力関係回路図

２つの入力 A,Bの足し算を行う回路。両方共 Highの場合は繰り上がりの信号が発生する。

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Ci A B S C

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

フルアダー（全加算器）

回路図

入出力関係

２つの入力 A,Bの足し算を行う回路。両方共 Highの場合は繰り上がりの信号が発生する。ハーフアダーとの違いは下の桁からの繰り上がりの処理が出来ること。振るアダーをつなぐと大きな桁の計算が可能になる。

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４ビット加算器

４ビットの数値同士の足し算が出来る回路。最小の桁の部分はハーフアダーで、上の桁はフルアダーで構成されている。

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フルサブストラクター（全減算器）

引き算の計算を行う回路。コンピュータの CPUの中にはこのような回路が計算の種類ごとにいろいろと組み込まれている。