ロジックIC（OR、NOT、AND）でJKフリップフロップをつくる

ロジックIC（OR、NOT、AND）を用いて、JKフリップフロップを作ったときの記録。

用いたロジックIC

いずれも秋月電子で購入。

ピンアサイン

OR

NOT

AND

なぜか、ORやNOTと向きが一部異なる。

回路

（本題の前に）SRフリップフロップ

JKフリップフロップ

クロック（CLK）なし

真理値表は下記となる。

ではあるが、記事「5. フリップフロップ」にあるように（以下、引用、イタリック部分）

JK-FF, T-FF は出力を反転させる入力が存在するが、反転動作については次の点が問題となる。例としてJK-FFで(1, 1)を入力した場合、それまでの出力が反転するが、回路がフィードバックを含めて一周動作した後に、入力の(1, 1)が継続していると、二周目の動作に入って再び反転してしまう。本来は1回反転したらそこで値が固定されて欲しいが、この反転が連続して起こる現象は、入力の(1, 1)が継続している間ずっと続く。この現象を発振、レーシングと呼ぶ。

とのこと。Arduinoを用いて、次のようなソースコードを用いて確認。

#define INPUT_1   3
#define INPUT_2   4

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(INPUT_1, OUTPUT);
  pinMode(INPUT_2, OUTPUT);
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, HIGH);
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    String data = Serial.readStringUntil('\n');
    int val = data.toInt();
    digitalWrite(INPUT_1, ((val & 0x01)? HIGH: LOW));
    digitalWrite(INPUT_2, ((val & 0x02)? HIGH: LOW));
  }

シリアルから入力した数値が、下記表となるように配線を実施。（なお、エラー入力は考慮していない。

入力値	J (INPUT_1)	K (INPUT_2)
0	0	0
1	1	0
2	0	1
3	1	1

”3”を入力したとき（J=1,K=1）の状況が下記写真であり（右は”Q#”に相当）、両者が点灯し、不安定な状況となっている。

クロック（CLK）あり

次にクロックありの状況を擬似的に実現。

真理値表は下記となる。

クロックあり時（上記表では立ち上がり時）のみ、出力されるもの。Arduinoと接続した状況は下記のとおり。

ここではクロックの代わりとして、シリアル入力があったときに、”CLK=1”の状況を作り出した。ソースコードは下記のとおり。

#define INPUT_1   3
#define INPUT_2   4
#define CLOCK     10

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(INPUT_1, OUTPUT);
  pinMode(INPUT_2, OUTPUT);
  digitalWrite(INPUT_1, LOW);
  digitalWrite(INPUT_2, HIGH);
  pinMode(CLOCK, OUTPUT);
  digitalWrite(CLOCK, LOW);
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    String data = Serial.readStringUntil('\n');
    int val = data.toInt();
    digitalWrite(INPUT_1, ((val & 0x01)? HIGH: LOW));
    digitalWrite(INPUT_2, ((val & 0x02)? HIGH: LOW));
    digitalWrite(CLOCK, HIGH);
    delay(10);
    digitalWrite(CLOCK, LOW);
  }

”3”を入力したとき（J=1,K=1）の成功時の状況が下記となり、LEDの点灯が交互に行われている（QとQ#とが反転している）。

ただし、下記のように、左のLEDが点灯後すぐに消灯してしまう（右のLEDは点灯のまま）状況が発生していた。

プログラムを修正すれば、改善する可能性はあるだろう。

ToDo

ハードウェアに限りなく近いFPGAを利用すれば、状況が改善するのでは、、と素人的には考えるので、近いうちに試してみる。