Gate Circuit
実験：ゲート回路・組合せ回路
本実験では，ディジタル回路の基本であるゲート回路の動作を作りながら学びます．
ゲート素子
前回まで行なってきた実験では，回路にアナログ動作をさせていま
した．回路の入力を大きくし過ぎると，クリップが起こり出力電圧
が電源電圧以上にならなかったり，０Ｖ以下にならないことも体験
できたかと思います．
この極端な状況を使って電源電圧と同じ電圧をＨレベル（１レベル），
０Ｖの電圧をＬレベル（０レベル）とすると，２つに一つの状態を
表すことができます．これがディジタル動作で，ディジタル回路動
作の基本です．いくつかの入力によって出力の値が決まるという動
作は信号が門をくぐるというイメージがあり，このような値を演算
する素子をゲート素子といいます
それでは，主なゲート素子を紹介しましょう．
- AND素子（論理積）
- 入力Ａ，ＢがともにＨのときのみ出力ＸがＨになります．
- OR素子（論理和）
- 入力Ａ，ＢのいずれかがＨのときのみ出力ＸがＨになります．
- NAND素子（論理積の否定）
- 入力Ａ，ＢがともにＨのときのみ出力ＸがＬになります．
- NOR素子（論理和の否定）
- 入力Ａ，ＢがともにＨのときのみ出力ＸがＬになります．
- NOT素子（否定）
- 入力ＡがのＨとＬが出力ＸではＬとＨになります．インバータ
素子とも呼ばれます．
- EXOR素子（排他的論理和）
- 入力Ａ，Ｂが一致する時のみ出力ＸがＬになります．エクスク
ルーシブＯＲと呼びます．
このようなゲート素子はＩＣで実現されています．有名なゲート素
子を実現する半導体としては７４シリーズと呼ばれるＩＣがありま
す．型番が７４から始まることから，この名前が付いています．
これらの１４ピンのゲートＩＣを動かすためには１４番ピンに＋５Ｖ，７番ピ
ンにGND（０Ｖ）を接続する必要があります．その他のピン割り当て
は上記規格表から調べて下さい．
さて，これらのゲート素子を動かすため，入力として１と０（Ｈと
Ｌ）の状態をに作り出す方法について考えます．実はこれは簡単にス
イッチと抵抗を使って実現できます．
この用途のために使う抵抗（４．７ｋΩ）のことを「プルアップ抵抗」といいます．
次は，１と０（ＨとＬ）を人間が見てすぐわかるようにする方法に
ついて考えます．ディジタル回路ではこのディジタルデータの表示
のためによくＬＥＤ（発光ダイオード）を使います．発光ダイオー
ドはダイオードの一種で，一方向にに電圧を印加したときのみ電流
が流れ発行する半導体素子です．ただし，ダイオードなので，電流
は無制限に流れてしまいます．そこで，抵抗（330Ω）を直列に挿入
して電流制限を行ないます．
このような抵抗を電流制限抵抗といい
ます．このように接続することで，消灯のとき１（Ｈ），点灯の時
０（Ｌ）であることがわかります．
p
実験に必要な部品
| 品名 | 規格・型番 | 個数 |
|---|
| ７４シリーズＩＣ | 適切な品番 | 適切な数 |
| 抵抗 | ３３０Ω（１／８Ｗ） | 適切な数 |
| 抵抗 | ４．７ｋΩ（１／８Ｗ） | 適切な数 |
| ＬＥＤ | 赤 | 適切な数 |
| 電線 | --- | 少々 |
注意
- 本実験では，理論値（真理値表または動作表の値）と実際に測定した値（LED
の点灯または消灯）を記録して比較すること．
- 回路をいきなり作らず，しっかりとした回路図を書き，（必要なら配線図を書いて）
部品の配置を決めてから配線を始めること．（プロでも，いきなり回路を作るのは難しい）
実験１
NAND（７４ＬＳ００）回路の動作を確認せよ．
実験２
EXOR（７４ＬＳ８６）回路の動作を確認せよ．
実験３
２桁の２進数を表わす回路を２つ作り，両者の２進数が一致したと
きLEDが点灯する回路を設計し製作せよ．
実験４
３個のスイッチのうち２個だけが同時にＨの時，LEDが発光する回路
を設計し製作せよ．
実験５
３桁の２進数を１０進数に変換する回路（２進数の入力で，１０進数の０〜７
に対応させた８個のLEDの一つが点灯する回路）を設計し製作せよ．このように，
２進数を１０進数に変換する回路をデコーダという．逆に１０進数を入力して２進数に変換する回路を
エンコーダという．
- 上の実験で，デジタルICの出力がＨであるかＬであるかを識別するのに，
HでLEDの消灯，Lで点灯という直感とは反した回路構成とした理由を述べよ．
- ４桁の２進数のデコーダ回路の回路図を示せ．
- １０進数０〜１５のエンコーダの論理回路図を示せ．
2002.03.28.
fmiso@sccs.chukyo-u.ac.jp