メカトロニクス １２／１５ デジタル回路 メカトロニクス １２／１５ 1 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。 メカトロニクス １２／１５ 2 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 メカトロニクス １２／１５ 3 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。 メカトロニクス １２／１５ 4 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 メカトロニクス １２／１５ 5 基本的なロジック回路 メカトロニクス １２／１５ 6 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 メカトロニクス １２／１５ 7 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。 メカトロニクス １２／１５ 8 論理反転を伴うロジック回路 メカトロニクス １２／１５ 9 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。 メカトロニクス １２／１５ 10 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 メカトロニクス １２／１５ 11 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 メカトロニクス １２／１５ 12 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 メカトロニクス １２／１５ 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。 13 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） メカトロニクス １２／１５ S:set, R:reset である。 14 (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 メカトロニクス １２／１５ 15 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 メカトロニクス １２／１５ 16 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) メカトロニクス １２／１５ 17 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 メカトロニクス １２／１５ 18 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。 メカトロニクス １２／１５ 19 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） メカトロニクス １２／１５ 20 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 21 ←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） メカトロニクス １２／１５ 22 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 メカトロニクス １２／１５ 23 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。 メカトロニクス １２／１５ 24 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 メカトロニクス １２／１５ 25 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 メカトロニクス １２／１５ 26 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 メカトロニクス １２／１５ 27 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。 メカトロニクス １２／１５ 28 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 メカトロニクス １２／１５ 29 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。 メカトロニクス １２／１５ 30 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） メカトロニクス １２／１５ 1 0 1 1 1 31 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。 メカトロニクス １２／１５ 32 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。 メカトロニクス １２／１５ 33
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