SimulinkでMATLAB Functionブロックを使って「1クロック遅延付きDフリップフロップ（DFF）」を自作する

概要

本記事では、Simulink上で MATLAB Function ブロックを使って、1クロック遅延付きDフリップフロップ（DFF） を double 型で実装する方法を紹介します。

「論理値（boolean）」ではなく、「実数（double）」でクロックや入力を扱うのがポイントです。

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対象読者

• Simulink上でカスタムな状態遷移を作りたい人
• フリップフロップなどの論理回路を数値的に模擬したい人
• クロック立ち上がり検出を自作で実現したい人

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DFFとは？

D型フリップフロップ（DFF）は、クロックの立ち上がりに合わせて入力 D を出力 Q に転送し、その値を保持する基本的な記憶素子です。

今回の目的は、1クロック遅れてDを出力するDFF を構築することです。

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使用するブロック

• MATLAB Function（コードを記述）
• Constant / Step（入力用）
• Pulse Generator（クロック生成）
• Scope（結果の可視化）

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実装コード（MATLAB Functionブロック内部）

function Q = dff_logic(D, CLK)
% Program Name: dff_logic_delayed.m
% Overview: 1クロック遅延付きD型フリップフロップ（Simulink用、double対応）
% Inputs:
%   D   : 入力信号（double） / Input data
%   CLK : クロック信号（double） / Clock signal
% Output:
%   Q   : 出力信号（double） / Output (1-cycle delayed latched data)

% --- 永続変数の定義 / Define persistent variables ---
persistent D_latched Q_reg clk_prev

% --- 初回初期化 / Initialize once ---
if isempty(D_latched)
    D_latched = 0;   % ラッチされたD値（次回出力用）/ Latched value
    Q_reg     = 0;   % 出力状態 / Output register
    clk_prev  = 0;   % 前回のクロック / Previous clock
end

% --- クロック立ち上がり検出 / Rising edge detection ---
if clk_prev <= 0.5 && CLK > 0.5
    % 前回クロックの立ち上がりで保存した値を出力し、
    % 今回Dの値をラッチしておく（＝1クロック遅延）
    Q_reg     = D_latched;  % 遅延出力に反映 / Output last latched value
    D_latched = D;          % 次回出力用にDを保存 / Latch current input
end

% --- 出力更新 / Output update ---
Q = Q_reg;

% --- クロック状態更新 / Update clock history ---
clk_prev = CLK;

end

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クロック条件の意味

if clk_prev <= 0.5 && CLK > 0.5

これは、**クロック信号が0.5を超えた瞬間（立ち上がり）**を検出して、DFFのラッチ条件としています。

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シミュレーション例

• クロック：Pulse Generator（Period = 2s, Amplitude = 1, Pulse Width = 50%）
• D入力：任意のStep波形（例：t = 3sで0→1）
• 出力Q：Scopeで確認すると、1周期遅れて値が反映される

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応用展開

• シフトレジスタ（DFFを多段接続）
• 非同期リセット付きDFF（Reset引数の追加）
• クロック遅延検出器、パルス幅伸長なども類似の設計で可能

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まとめ

Simulinkの MATLAB Function ブロックを使うと、カスタム状態遷移 + クロックエッジ制御 + double型処理を柔軟に組み合わせることができます。

ハードウェア記述を模倣しつつ、数値演算に適した信号処理が可能です。

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