メカトロニクス 12/15
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(transistortransistor 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
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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。74HCT***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。
TTLロジック回路の出力部
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基本的なロジック回路
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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。
3入力AND回路
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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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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。
論理回路の作成例
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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。
代表的なロジックICの
ピン配置
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Altanate表記の補足
この図の回路は論理式で
表すと
a
b
c
d
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。
a
b
c
d
図11 Altanate表記
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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。
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回路図
表記
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。
状態遷移
フリップフロップ回路(負論理入力)
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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
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。
(3)入力が元に戻る
フリップフロップ回路の動作説明
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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 QQ 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。
赤い部分が”1”
両方の入力がLowになった場合
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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。
状態遷移
フリップフロップ回路(正論理入力)
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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。
セット、リセット端子付クロック式フリップフロップ
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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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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。
エッジクロック式フリップフロップ
(D入力型)
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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
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←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。
JK型フリップフロップ(ネガティブエッジクロック)
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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。
2進カウンタ
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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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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。
5進カウンタ
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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。
10進カウンタIC
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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。
アップダウンカウンタ
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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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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。
デコーダー
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回路図
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
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
回路図
0
1
1
0
2つの入力A,Bの足し算を行
1
0
0
1
う回路。両方共Highの場合
は繰り上がりの信号が発生
1
0
1
0
する。ハーフアダーとの違い
1
1
0
0
は下の桁からの繰り上がり
の処理が出来ること。振るア
1
1
1
1
ダーをつなぐと大きな桁の
入出力関係
計算が可能になる。
フルアダー(全加算器)
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1
0
1
1
1
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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。
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ダウンロード

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