Dフリップフロップ

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Dフリップフロップは、信号の値を保存する目的で最も良く利用される論理回路です。 回路図では図1のようなシンボルで表され、入力端子としてDとCK(クロック)、出力端子として\(Q\)と\(\overline{Q}\)を持ちます。CK端子に付けられている”>”記号は、フリップフロップがクロック変化のエッジでDの値を取り込むことを意味します(エッジトリガ)。Dの値を取り込むクロックのエッジは、立ち上がりまたは立ち下がりのタイプがあります。Dフリップフロップが立ち下がりエッジタイプの場合、シンボルのCK端子にNOTゲート(インバータ)を表す○が付きます。CK端子に○がない場合、立ち上がりエッジタイプを意味します。

Dフリップフロップのシンボル
図1: Dフリップフロップのシンボル

立ち上がりエッジタイプのDフリップフロップの真理値表が表1です。CKの立ち上がりエッジのタイミングでDの値を取り込み、\(Q\)から出力します。\(\overline{Q}\)は\(Q\)の反転値が出力されます。CKの立ち上がり以外のタイミングでは、過去に取り込んだ値\(Q_{PREV}\)を保持します。
図2は立ち上がりエッジタイプのDフリップフロップの動作を示すタイミングチャートです。CKの立ち上がりでDの値を取り込み、その値を\(Q\)と\(\overline{Q}\)から出力します。CKの立ち上がり以外のタイミングでDの値をフリップフロップに取り込むことはありません。

表1: Dフリップフロップの真理値表
(立ち上がりエッジ)
CK D \(Q\) \(\overline{Q}\)
0 X \(Q_{PREV}\) \(\overline{Q_{PREV}}\)
0 0 1
1 1 0
 Dフリップフロップのタイミングチャート(立ち上がりエッジ)
図2: Dフリップフロップのタイミングチャート(立ち上がりエッジ)

立ち下がりエッジタイプのDフリップフロップの真理値表が表2です。CKの立ち下がりエッジのタイミングでDの値を取り込み、\(Q\)から出力します。\(\overline{Q}\)は\(Q\)の反転値が出力されます。CKの立ち下がり以外のタイミングでは、過去に取り込んだ値\(Q_{PREV}\)を保持します。
図3は立ち下がりエッジタイプのDフリップフロップの動作を示すタイミングチャートです。CKの立ち下がりでDの値を取り込み、その値を\(Q\)と\(\overline{Q}\)から出力します。CKの立ち下がり以外のタイミングでDの値をフリップフロップに取り込むことはありません。

表2: Dフリップフロップの真理値表
(立ち下がりエッジ)
CK D \(Q\) \(\overline{Q}\)
0 X \(Q_{PREV}\) \(\overline{Q_{PREV}}\)
0 0 1
1 1 0
 Dフリップフロップのタイミングチャート(立ち下がりエッジ)
図3: Dフリップフロップのタイミングチャート(立ち下がりエッジ)

DフリッップフロップはクロックのエッジでDの値を取り込むので、あるタイミングのDの値を保持し続けるためには、クロックを止めるかイネーブル付きDフリップフロップを使う必要があります。イネーブル付きDフリップフロップは、Dフリップフロップと組み合わせ回路で実現されます(図4)。イネーブル付きDフリップフロップでは、常にクロックが供給されていてもENの制御で特定のタイミングのDの値を保持することができます。図5はイネーブル付きDフリップフロップの動作を示すタイミングチャートです。イネーブル付きDフリップフロップは、EN=1のときにDの値をDフリップフロップに取り込み、EN=0ときはDの値をDフリップフロップに取り込まず、過去の値を保持します。

図4: EN付きDフリップフロップ
 EN付きDフリップフロップの タイミングチャート
図5: EN付きDフリップフロップのタイミングチャート

Dフリップフロップを題材として、真理値表とカルノー図を用いて論理式の作成する例はこちら

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