2 原理

2.1 デジタルICの種類

基本論理素子(AND,OR,NOT)を素にしてNAND回路やNOR回路ができることは，すでに学んだ．ディジタルICは，これらの回路の組み合わせによって，種々のLogic(機能)を小さいスペースの中に無接点の形で組み込んだ物である．ディジタルICをその構造によって分類すると，次のようになる．

バイポーラ形(キャリアとして電子と正孔の二つを使う)
- 飽和形(オン，オフの状態の変化によって信号を伝える)
  - RTL系(Register Transistor Logic)
  - DTL系(Diode Transistor Logic)
  - TTL系(Transistor Transistor Logic)
- 不飽和形(電流または電圧の大小によって信号を伝える)
  - CML系(Current Mode Logic)
  - CTL系(Complementary Transistor Logic)
ユニポーラ形(キャリアとして電子と正孔のうち一つを使う)
- MOS系(Metal Oxide Semiconductor)

実験で用いるICは，TTL系のICで，スイッチング速度が速く，現在最も多く使われている．実験では入力パルスの数を計数する機能が要求され，2進1桁の計数(バイナリィカウンタ) 機能を持つフリップフロップ回路(Flip-Flop：以下FFと略す)から構成されるICが用いられる．FF理論の詳細については，「電子回路」や「情報処理」の授業に譲り，ここでは実験に必要な最小限の論理を述べる．

2.2 フリップフロップ

FF回路は順序回路(過去に入った情報と現時点に入った情報との組み合わせで決まる論理回路)の代表的な回路で，二つの安定点を持ち，入力信号の内容によってどちらの安定点をとるかが決まる一種の記憶回路である．入力端子は一つまたはそれ以上あり，出力は二つある．出力のQとすれば，Qの否定 $\bar{\mathrm{Q}}$ となる．

FFには入力制御の仕方によって，1：RS FF(Reset Set FF)，2：JK FF，3：T FF(Trigger FF)，4：D FF(Delayed FF)などがあり，シフトレジスタやカウンタあるいはラッチ回路などの記憶回路に用いられている．このうちで実験でIC(10進カウンタ機能を持つ：SN7490) は，1と2のFFで構成されているので，次にこのFFについて述べる．

RSフリップフロップ回路は，図1に示すように，S(Set)， R(Reset)の二つの入力端子を持ち，この入力によって状態が決められ，その状態を維持する．Sに"1"が加えられるとQは"1" となり，Rに"1"が加えられると Qは，"0"となる．そして出力の状態が決まった後は，入力を"0"にしても出力は変わらず，そのまま保持される．これが2進1桁の記憶に相当する．ただし，R,S入力がともに"1"になると，出力は決まらず不定となる．

**図 1:** RSフリップフロップ
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/counter/RS_FF.eps}$

入力		出力
`R`	`S`	`Q`	$\bar{\texttt{Q}}$
0	0	保持
0	1	1	0
1	0	0	1
1	1	禁止

2.2.2 JK FF

JKフリップフロップは，図2に示すような回路で，J,K入力は RS FFのS,R入力と同様の働きをし，さらにRS FFで禁止されている入力の組み合わせ(R=S="1")に対しても動作し，出力が反転する．ただし，このFFはクロックパルスCKを必要とする．すなわち，JおよびK入力に信号が加えられただけでは状態は変わらず，クロックパルスCが入ったときに始めてJ,K入力によって出力が規定される．

図3にJK FFのタイムチャートを示す．

**図 2:** JKフリップフロップ
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/counter/JK_FF.eps}$

入力			出力
`J`	`K`	`CK`	`Q`	$\bar{\texttt{Q}}$
0	0		保持
0	1		1	0
1	0		0	1
1	1	$\includegraphics[keepaspectratio, scale=0.5]{figure/counter/fall_timming.eps}$	反転

**図 3:** JKフリップフロップ
$\includegraphics[width=30mm]{figure/counter/JK_FF2.eps}$

2.2.2.1 注意

JK FFが図3のように表現されているときの動作について，注意をしておく．

端子の○印は，このFFが立ち下がりで変化することを表している．
CLR端子の○印は，"0"でリセットされることをあらわしている．
SET端子の○印は，"0"でリセットされることをあらわしている．

ここで，SET,CLR入力は，J,K,CK入力より優先する．すなわち，CLR入力を"0"にしておくと，J,K,CKに何を入力しても無効となり，Q, $\bar{\texttt{Q}}$ は"0","1"に固定されてしまう．SET入力も同様，"0"にしておくと， Q, $\bar{\texttt{Q}}$ は"1", "0"に固定されてしまう．したがって，J,K,CK 入力を使用する場合は，S,R入力は常に"1"にしておくことが必要である．

図4にJKフリップフロップのタイムチャートを示す．

**図 4:** JK FFのタイムチャート
$\includegraphics[keepaspectratio,scale=0.8]{figure/counter/chart_JK_FF.eps}$

本実験で使用する型名7490のICは図5に示すような外観で，その内部は図6に示すように3個のJK FFと1個のRST(トグルRS)FFとから構成されている．図6から明らかなように，INPUT側の第1段のJK FF 1個が2進カウンタとして働き，次段以降のFFで5進カウンタを構成している．

**図 5:** 7490型ICの外観
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/counter/view_7490.eps}$

**図 6:** 7490型ICの内部構成
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/counter/internal_7490.eps}$

これを10進カウンタとして動作させるためには，2進カウンタの出力Qを5進カウンタの初段のFFクロックパルスとして(図6のCK端子は　端子と同じ) 加えればよい．図5の外観図によれば，Q端子は12ピン，CK端子は 1番ピンであるから，この両端子を接続することで10 進カウンタとして動作させることができる．

次に，検出回路に使用する型名7447のICについて述べる．このICは，7セグメントの数字表示器を表示するためのドライブ回路と，2進(BCD:Binary-coded Decimal)数を数字表示器の入力信号に変換するためのデコーダ回路から構成されている．図 7にその外観，図8に，数字表示器との接続を示す．

**図 7:** 7447型ICの外観
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/counter/view_7447.eps}$

**図 8:** 7447型ICと7セグメント表示器
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/counter/7447_7seg.eps}$

図8の接続図において，A～DにBCD数を入力すると，a～gにはBCD数に対応した信号が表れ，数字表示器を表示する．例えば，A～Dが"1100"(10進数で3)ならば， a,b,c,d,gに電流が流れて"3"と表示される．表示例を図9に示す．

**図 9:** 7セグメントの表示
$\includegraphics[keepaspectratio,scale=1.0]{figure/counter/view7seg.eps}$

ホームページ: Yamamoto's laboratory
著者: 山本昌志

Yamamoto Masashi
平成17年10月21日

2 原理

2.1 デジタルICの種類

2.2 フリップフロップ

2.2.1 RS FF

2.2.2 JK FF

2.2.2.1 注意