デジタル回路

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資料紹介

デジタル回路
実験日 4月19,20,21日
実験場所 1301物理学生実験室1
実験環境 19日気温：24.5℃ 湿度：73％
20日気温：25℃ 湿度：65％
21日気温：23.2℃ 湿度：63％
目的
論理台数、真理値表、MIL記号などの論理回路の基本を学び、簡単な回路で論理回路の組み立てと動作を確認しICの使い方を理解する。そして、順路回路の動作を確認することである。
原理
1.　論理とプール代数
スイッチのオンオフや、ランプのオンオフのように二つの状態を取る回路を論理回路という。スイッチの状態を論理関数、スイッチの関数としてのランプの動作を論理関数という。このような論理回路がある入力に対してどのような動作をするかを考えるとき、有効の手段となるものに論理代数がある。
論理代数の基本的な演算は論理積、論理和、否定の3種類である。論理変数として入力にAとB、出力にYを用いるとそれらの演算は、以下のように表される。
演算演算記号表記論理積 AND A・B 論理和 OR A+ B 否定 NOT A 2.　MIL記号
デジタル回路の構成要素となる簡単かつ基本的な論理回路をゲートと呼ぶ。ゲートは通常MIL記号で表示される。AND、OR、NOTの演算を行う回路、また、ANDとORの出力にNOTを施したNAND、NORのゲートのMIL記号は図1のように書く。
図1　 AND、OR、NOT、NAND、NORのMIL記号
すべての論理回路は、図2のようにしてNANDのみ、もしくはNORのみで構成することができる。これをNAND（NOR）は完全形を構成するという。
図2　NAND、NORから他の回路を合成する。
実験装置
IC (Integrated Circuit : 集積回路)
よく使われる論理回路ICはTTLを用いた74シリーズとCMOSの74HCシリーズがある。この実験で使ったのは74シリーズのICである。TTL-ICは通常電源電圧(Vcc)5Vで動作させる。許容範囲は4.5~5.5Vである。
　今回の実験では図4の5種類のICを用いた。
図3　74シリーズICの回路図
LED (Light Emit Diode : 発光ダイオード)
発光ダイオードは5~10mAの電流を流すと発光する。LEDでの電圧効果は通常のシリコンダイオードの0.6Vよりも大きく約2Vほどである。過大な電流を流すとダイオードの寿命が短くなるし、ICにもよくないので電流を制限するために330~470Vの抵抗を入れた。
JKフリップフロップ
　JKフリップフロップには図5に示すように、J、K二つの入力端子のほかにClockという入力端子とQ、Qの二つの出力端子がある。JKフリップフロップでは入力J、Kに値によって出力が決定し、出力Qの値が変化するのがClock端子に入力する信号に同期していることが特徴である。
図4　JKフリップフロップ
ブレッドボード　・可変抵抗器　・マルチメータ　
実験内容
図5に示す回路でNANDゲートの入力特性を測定した。NAND7400を用いて、ゲート動作を確認した。
図6　図5 NAND回路
ブレッドボードに7400をさして、入力A、BをHigh(5V +)とLow(0V GND)にそれぞれ設定したときの出力C (Vo)をマルチメータで測定した。
ゲートA、Bとも接続せず電源を投入して出力電源を測定した。
Aを+に接続して、出力を測定。
A、Bとも+に接続して出力C (Vo)を測定。
Aを+にままBをGNDに接続して出力C (Vo)を測定。