DTL-NANDによるRS-FFの実験

1. 実験の目的

DTL(Diode Transister Logic)にて作成されたNAND回路を使って
RSフリップ・フロップ(RS-FF)を構成し、その論理動作を確認します。



2. 実験課題

下記の回路について論理動作を確認します。

1. RS-フリップ・フロップ(FF)
2. リセット(R)優先RS-FF



3. 実験回路

1. NANDによるRS-フリップ・フロップ(FF)



2. リセット(R)優先RS-FF




4. 回路の動作

入力端子は2本で、それぞれ"H"か"L"かの2通りしかないので、
入力の状態は4通りです。それぞれの場合について各NANDの出力を
追っていくとQpとQnの結果が得られます。


1. NANDによるRS-フリップ・フロップ(FF)
(1)Rn="L"、Sn="H"のとき(リセット動作)


(2)Rn="H"、Sn="L"のとき(セット動作)


(3)Rn="H"、Sn="H"のとき(保持動作)
このとき、安定状態はふたつあります。
Qp="H"のときはQn="L"となり、Qp="L"のときはQn="H"
となってRn="H"、Sn="H"である限り状態を保持します。


(4)Rn="H"、Sn="H"のとき


以上の動作を真理値表に纏めると下記となります。


Rn	Sn	Qp	Qn
H	H	保持	保持
L	H	L	H
H	L	H	L
L	L	H	H



2. リセット(Rp)優先RS-FF
(1)Rp="H"、Sp="L"のとき(リセット動作)
　rn="L"、sn="H"となりリセット動作となります。


(2)Rp="L"、Sp="H"のとき(セット動作)
　rn="H"、sn="L"となりセット動作となります。


(3)Rp="L"、Sp="L"のとき(保持動作)
　rn="H"、sn="H"となり保持動作となります。


(4)Rp="H"、Sp="H"のとき(リセット動作)
　rn="L"、sn="H"となりリセット動作となります。


以上の動作を真理値表で表すと下記となります。


Rp	Sp	Qp	Qn
L	L	保持	保持
H	L	L	H
L	H	H	L
H	H	L	H


更に詳細な動作については、トランジスタ・パルス回路の解析の NANDによるRS-FFを
参照してください。



5. 実験回路の設計

NANDをひとつの論理素子と考えた場合、RS-FFの回路構成は決まっているので
NANDとNAND間を接続する際の電気的仕様がうまく整合していることの
確認のみを行います。


1. DTL-NANDブロックの電気的仕様
(1)電源電圧
　Vcc:　5V±5%(5V±0.25V)
(2)出力電流(I_O)
　I_OH(max):　0.1mA
　I_OL(max):　8mA

I_OHは流れ出し、I_OLは流れ込みの電流値です。

(3)入力電流(I_I)
　I_IH(max):　0mA
　I_IL(max):　0.4mA

I_IHは流れ込み、I_ILは流れ出しの電流値です。

(4)出力レベル(V_O):
　V_OH(min):　3.0V
　V_OL(max):　0.4V
(5)閾値レベル(V_T):
　V_T(max):　2.3V
　V_T(min):　0.5V



2. DTL-NANDブロックの信号の電圧レベル
DTL-NANDブロック間を接続する際の電圧レベルを図示すると、下図のように
なります。"H"側で0.7[V]、"L"側で0.1[V]のノイズ・マージンがあり、
問題ありません。(もちろん"L"側ノイズ・マージンが小さいのは気になりますが)
なお、出力電圧(V_Y)の保証値については、この後検討する
出力電流(ファン・アウト)が定格以内に収まることが前提です。




3. DTL-NANDブロックのファン・アウト
出力の状態をすぐに判定出来るようにLEDを接続します。
端子Qpと端子Qnの両方に接続すると交互に点灯して楽しいのですが、
Qn側のみに接続します。こうするとQn="L"(Qp="H")のときLEDが点灯します。

LEDは680[Ω]の抵抗経由でVccに接続します。抵抗の最大誤差は5%とすれば、
点灯時、LEDに流れる最大電流(I_LED(max))は
I_LED(max) = (V_CC(max) - V_LED(min)) / R_L(min)
　　　= (5.25[V] - 2[V] * 1.05) / (680[Ω] * 0.95) ≒ 4.9[mA]

LEDの型式は不明なので、順方向電圧は2[V]±5%と仮定しました。
NANDの出力に接続される最大負荷は、NANDとLEDを接続したときです。
出力が"L"の場合のファン・アウトは下図となり、I_OL(max)=8.0[mA]に対し
最大5.3[mA]の流れ込みなので問題ありません。


出力が"H"の場合のファン・アウトは下図となりますが、流れ出しの電流は0なので
こちらも問題ありません。




6. 実験方法

1. NANDによるRS-フリップ・フロップ(FF)
(1)下図の回路を組み立てます。
　(DTL-NANDの入力(Rp、Sp)はopenにすると"H"入力と等価です)


(2)電源を入れます。
　LEDが点灯したときは、Rn端子とグランド間を一時的に短絡してLEDを消します。
(3)Sn端子とグランド間を接続します。この状態がセット状態です。
　LEDが点灯し(Qn="L")、電圧計V_QがVcc("H")になることを確認します。
(4)Sn端子とグランド間の接続を外します。この状態が保持状態です。
　LEDが点灯したままで(Qn="L")、電圧計V_QがVcc("H")のままであることを確認します。
(5)Rn端子とグランド間を接続します。この状態がリセット状態です。
　LEDが消灯し(Qn="H")、電圧計V_Qがほぼ0[V]("L")になることを確認します。
(6)Rn端子とグランド間の接続を外します。この状態が保持状態です。
　LEDが消灯したままで(Qn="H")、電圧計V_Qがほぼ0[V](L)のままであること 確認します。
(7)Rn端子とSn端子の両方をグランド間と接続します。
　LEDが消灯し(Qn="H")、電圧計V_QがVcc("H")になることを確認します。
(8)以上の操作結果から下記の表のQp、Qn欄を埋めます。


Rn	Sn	Qp	Qn
H	H
L	H
H	L
L	L



2. リセット(R)優先RS-FF
(1)下図の回路を組み立てます。
　(DTL-NANDの入力(Rp、Sp)はopenにすると"H"入力と等価です)
　最初、RpとSpは両方ともGND間と接続しておきます。


(2)電源を入れます。
　LEDが点灯したときは、Rp端子とグランド間の接続を一時的に外してLEDを消します。
(3)Sp端子とグランド間の接続を外します。この状態がセット状態です。
　LEDが点灯し(Qn="L")、電圧計V_QがVcc("H")になることを確認します。
(4)Sp端子とグランド間を接続します。この状態が保持状態です。
　LEDが点灯したままで(Qn="L")、電圧計V_QがVcc("H")のままであることを確認します。
(5)Rp端子とグランド間の接続を外します。この状態がリセット状態です。
　LEDが消灯し(Qn="H")、電圧計V_Qがほぼ0[V]("L")になることを確認します。
(6)R端子とグランド間を接続します。この状態が保持状態です。
　LEDが消灯したままで(Qn="H")、電圧計V_Qがほぼ0[V]("L")のままであることを 確認します。
(7)Rp端子とSp端子の両方のグランド間接続を外します。
　LEDが消灯し(Qn="H")、電圧計V_Qが0[V]("L")になることを確認します。
(8)以上の操作結果から下記の表のQp、Qn欄を埋めます。


Rp	Sp	Qp	Qn
L	L
H	L
L	H
H	H




7. 実験機材

1. DTL-NANDブロックと 電子ブロック
使用したブロックは、実験方法の 電子ブロックの配置を参照。

2. 簡易安定化電源 (5[V]端子)
3. テスター



8. 実験結果

1. NANDによるRS-フリップ・フロップ(FF)
Qp、Qnの欄(赤色)が測定結果。


Rn	Sn	Qp	Qn
H	H	保持	保持
L	H	L	H
H	L	H	L
L	L	H	H



2. リセット(R)優先RS-FF
Qp、Qnの欄(赤色)が測定結果。


Rp	Sp	Qp	Qn
L	L	保持	保持
H	L	L	H
L	H	H	L
H	H	L	H




9. 考察

1. NANDによるRS-フリップ・フロップ(FF)
論理設計した結果と実験結果が一致することを確認しました。



2. リセット(Rp)優先RS-FF
論理設計した結果と実験結果が一致することを確認しました。
リセット端子(Rp)とセット端子(Sp)を同時に"H"にしたとき、
Qp="L"、Qn="H"となりリセット動作となることを確認しました。




10. 今後の課題

1. 特になし



11. 参考文献

1. 特になし



12. 関連項目

1. トランジスタ･パルス回路の解析− NANDによるRS-FFの解析
2. ディジタル回路実験ツール−DTLによるNANDブロック
3. 自作電子ブロック
4. 簡易安定化電源 (5[V]端子)



13. おまけ

実験中のDTL-NANDブロックによるRS-FF。

ベース・ボードは初版を使用しているので2列×5Pですが、使用しているのは2Pのみ