デジタル電子回路：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、6 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

記数法

位取り: 2 進数 2^k、8 進数 8^k、16 進数 16^k
10 進数へ: Σ d_k·b^k
10 進数から: 基数で割り、余りを下から上へ読む
16 進数 ↔ 2 進数: 16 進数 1 桁 = 4 ビット
2 の補数: ビットを反転して 1 を足す

デジタル論理：ゲート・カルノー図・フリップフロップ

基本ゲート: A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
ブールの規則: X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
ド・モルガンの法則: (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
カルノー図の並び順: 00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ 個のセルのグループ: k 個の変数が消える
4 対 1 マルチプレクサ: F = A′B′I₀ + A′BI₁ + AB′I₂ + ABI₃
フリップフロップ: D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
カウンタ: n ビット：2ⁿ 状態； mod-N：2ⁿ ≥ N を満たす最小の n； f_out = f_clk/N
リップルカウンタ: f_max = 1/(n·t_pd)
リングカウンタとジョンソンカウンタ: n 状態と 2n 状態

解き方

回路では、入力から出力へ向かってゲートを 1 つずつ進み、各配線に値を書き込むか、式を書いて真理値表を埋めましょう。
簡単化するには、1（とドントケアは X として）を、行と列がグレイコード 00, 01, 11, 10 のカルノー図に書き込みましょう。
1 を、1, 2, 4, 8, 16 個のセルからなる、できるだけ少なくできるだけ大きなグループで、端をまたぎながら覆いましょう。各グループは、一定のままの変数からなる 1 つの積項です。POS 形には 0 をグループ化します。
フリップフロップとカウンタでは、各有効クロックエッジで入力を読み取り、エッジごとの状態を書き出し、n ビットのカウンタは 2ⁿ 個の状態で折り返すことを忘れないようにしましょう。

データ収録とサンプリング

ナイキスト条件: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
エイリアス周波数: f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
ステップ幅: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
量子化誤差（四捨五入）: ±½ LSB
切り捨て ADC のコード: D = ⌊V_in/LSB⌋
分解能 r に必要なビット数: 2ᴺ ≥ span/r
理想 SQNR（フルスケールの正弦波）: SQNR = 6.02·N + 1.76 dB
データレート: チャネル数 × f_s × N bit/s
マルチプレクス ADC: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/ボーレート；8N1 = 1 バイトあたり 10 ビット；バイト/s = ボーレート/1 フレームのビット数
ボーレート分周比: baud = f_clk/(16·D)

解き方

まず与えられた値を書き出します：サンプリング周波数、信号の周波数、ビット数、入力レンジ、ボーレート。
サンプリングの問題では、各周波数を f_s/2 と比べます。それより高い周波数は、f_s の最も近い整数倍を使って f_a = |f − k·f_s| の位置に現れます。
分解能の問題では、1 LSB = V_FSR/2ᴺ を求めるか、2ᴺ ≥ 範囲/分解能を満たす最小の N を求めます。
データレートと UART 通信では、送られるものをすべて数えます：チャネル数、毎秒のサンプル数、1 サンプルあたりのビット数またはバイト数、そして各フレームのスタートビット、パリティビット、ストップビット。

2演習問題

1.記数法ふつう

8 ビットの 2 の補数で −62 を格納するようにビットを設定します。符号なしの数として読むと、このパターンの値 U はいくつですか？

N = −628 bit

U =

2.記数法むずかしい

ビットを 0001 1000 >> 2 の 8 ビットの結果に設定します。結果の値 R は 10 進でいくつですか？

0001 1000>> 2

R =

3.デジタル論理：ゲート・カルノー図・フリップフロップふつう

カルノー図を使って F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 7, 8, 10, 15) の最小の和積形（POS）を求めてください。和項（因数）N はいくつありますか？

F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 7, 8, 10, 15)

N =

4.デジタル論理：ゲート・カルノー図・フリップフロップむずかしい

正エッジトリガの JK フリップフロップが Q = 0 から始まり、6 回の立ち上がりクロックエッジで図の入力を受け取ります。Q は何回N状態を変えますか？

Q₀ = 0JK

N =

5.データ収録とサンプリングふつう

入力範囲が 0〜3.3 V の ADC が、5 mV 以下のステップを分解しなければなりません。最小のビット数 N を求めなさい。

V_FSR = 3.3 V分解能 = 5 mV

N =

6.データ収録とサンプリングむずかしい

温度センサが 5 mV/°C（0 °C で 0 V）を出力します。その信号を 20 倍に増幅し、入力範囲 0〜5 V の 12 ビット ADC に入力します（1 LSB = V_FSR/2ᴺ）。1 LSB に対応する温度変化 ΔT_LSB を求めなさい。

S = 5 mV/°CG = 20N = 12V_FSR = 5 V

ΔT_LSB = °C

3溶液

1.記数法

答え: U = 194

ビットの設定：各ビットは 2 のべき乗（128、64、…、1）の値をもちます。16 進の 1 桁はちょうど 4 ビットで、8 ビットの 2 の補数では、いちばん左のビットの値は −128 です。ビット演算は、各ビット位置を別々に扱います。

反転して 1 を足す

62 = 0011 1110

反転後: 1100 0001

+1 → 1100 0010

符号なしとして読む

1100 0010₂ = 256 − 62 = 194

答え

U = 194

2.記数法

答え: R = 6

ビットごとに

2 だけ右にシフトすると、すべてのビットが 2 桁右へ動きます。右端からはみ出したビットは失われ、左側には 0 が入ります。

0001 1000 >> 2

= 0000 0110

結果の値

0000 0110₂ = 6

答え

R = 6

3.デジタル論理：ゲート・カルノー図・フリップフロップ

答え: N = 5

カルノー図：セルはグレイコード（00, 01, 11, 10）の順に並んでいるので、端をまたぐものも含め、隣り合うセルはちょうど 1 つの変数だけが異なります。1 を、1, 2, 4, 8, 16 個のセルからなる長方形で、できるだけ大きく、できるだけ少ない数でグループ化し、すべての 1 を覆います。各グループは 1 つの積項で、グループの中で一定のままの変数からなります。2ᵏ 個のセルのグループでは k 個の変数が消えます。ドントケア（X）はグループを大きくするために使えますが、覆う必要はありません。代わりに 0 をグループ化すると、最小の POS 形が得られます。

0 をグループ化する

各グループは 2ᵏ 個のセルからなる長方形です。端のセルは、反対側の端のセルと隣り合っています。

(C + D′)

(B′ + C)

(A + B + D)

(A′ + B + D′)

(A′ + B′ + D)

最小の POS 形

F = (C + D′)(B′ + C)(A + B + D)(A′ + B + D′)(A′ + B′ + D)

N = 5

答え

N = 5

同じ大きさの別のグループ分けもあります。項の数もリテラルの数も同じです。

4.デジタル論理：ゲート・カルノー図・フリップフロップ

答え: N = 3

フリップフロップとカウンタ：フリップフロップは、有効なクロックエッジでだけ変化します。D は入力をコピーし（Q⁺ = D）、T は T = 1 のときトグルし、JK は 00 で保持、01 でリセット、10 でセット、11 でトグルします。n ビットの 2 進カウンタには 2ⁿ 個の状態があり、2ⁿ を法として数えます。mod-N カウンタは 0, 1, …, N − 1 と数えて 0 に戻り、2ⁿ ≥ N を満たす最小の n 個のフリップフロップが必要です。リップルカウンタの各段は周波数を半分にするので、mod-N カウンタの最後の出力は f_clk/N で動作します。n 個のフリップフロップのジョンソンカウンタには 2n 個の状態があり、リングカウンタには n 個あります。

エッジごとの Q

JK フリップフロップ：00 は保持、01 はリセット（Q = 0）、10 はセット（Q = 1）、11 はトグルです。

1: J = 1, K = 1 → Q = 1

2: J = 0, K = 0 → Q = 1

3: J = 0, K = 0 → Q = 1

4: J = 0, K = 1 → Q = 0

5: J = 1, K = 0 → Q = 1

6: J = 0, K = 0 → Q = 1

変化を数える

0 → 1 → 1 → 1 → 0 → 1 → 1

N = 3

答え

N = 3

5.データ収録とサンプリング

答え: N = 10

ADC の分解能：N ビットの変換器は、フルスケール範囲 V_FSR を 0 から 2ᴺ − 1 までの 2ᴺ 個のコードに分けます。1 ステップは 1 LSB = V_FSR/2ᴺ で、変換器が表示できる最小の変化です。切り捨て ADC はコード ⌊V_in/LSB⌋ を出力します。四捨五入する ADC は真の値から ½ LSB より離れることがなく、これが量子化誤差です。ビットが 1 つ増えるごとに LSB は半分になり、フルスケールの正弦波に対する理想的な信号対量子化雑音比 SQNR = 6.02·N + 1.76 dB はおよそ 6 dB 向上します。ある範囲で分解能 r を得るには、2ᴺ ≥ 範囲/r を満たす最小の N を選びます。

必要なステップ数

3300 mV/5 mV = 660

ビット数

log₂(660) = 9.366

2⁹ = 512 < 660 ≤ 2¹⁰ = 1024

N = 10

答え

N = 10

6.データ収録とサンプリング

答え: ΔT_LSB = 0.01221 °C

ステップ幅

1 LSB = 5000/4096 = 1.221 mV

ADC での感度

5·20 = 100 mV/°C

温度分解能

ΔT_LSB = 1.221/100 = 0.01221 °C

答え

ΔT_LSB = 0.01221 °C

ADC は 50 °C でフルスケールに達します。

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