メカトロニクス　１２／１５ デジタル回路 メカトロニクス　１２／１５

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

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 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 メカトロニクス　１２／１５

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

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。 メカトロニクス　１２／１５

基本的なロジック回路 メカトロニクス　１２／１５

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

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

論理反転を伴うロジック回路 メカトロニクス　１２／１５

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。 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

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

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。 メカトロニクス　１２／１５

Altanate表記の補足 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。 b c d 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 図１１　Altanate表記 メカトロニクス　１２／１５

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。 回路図 表記 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

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。 (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。 フリップフロップ回路の動作説明 (3)入力が元に戻る メカトロニクス　１２／１５

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 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

RSフリップフロップの正論理入力タイプである。 回路図 表記 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

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。 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

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

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。 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

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

←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。 メカトロニクス　１２／１５

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

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

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

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

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

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

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

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（半加算器） A B S C 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 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（半加算器） メカトロニクス　１２／１５

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 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。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。 入出力関係 フルアダー（全加算器） メカトロニクス　１２／１５

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。 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

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。 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