ボクにもわかる地上デジタル - 地デジ方式編 - デジタル
(論理回路・ロジックIC)


共立電子 SK10 S/PDIF Digital Audio IF Adapter

デジタルとは

 このページでは、デジタル,DIGITAL,論理回路,ロジックICについて説明しています。
 デジタルとは主にコンピュータ(パソコン、マイコン)等で処理を行うために電気信号のONとOFFで処理する方法のことです。ONとOFFは2進数を用いることで数字が表現できるようになり、この数字を文字に割り当てたり、画素の輝度に割り当てたりすることで、様々な情報を処理できるようになります。
 ON/OFFのスイッチやON/OFF表示のLEDといった2値の情報はデジタル情報として、そのまま扱えます。しかし、自然界の情報は多くの場合がアナログ情報です。こういったアナログ情報をデジタル処理するためにADコンバータ(Analog/Digital Converter)を用います。また、情報を出力する際はDAコンバータでアナログに戻します。

2進数への変換

 2進数(Binary)を用いることで、アナログ情報とデジタル情報を容易に相互変換することが出来ます。例えば、前述のADコンバータやDAコンバータはアナログ量の電圧を2進数の数値情報に変換したり、数値情報を電圧に戻すことが可能です。
 2進数とは0と1だけで表すことのできる数値列で、2進数の桁数はビット数で示します。8ビットのデジタル情報は00000000〜11111111の256とおりで、10進数に変換すると0〜255に相当します。例えば、0〜5Vの電圧を0〜255の数値情報に割り当てることがADコンバータの役割です。

論理回路とは(ロジック回路とは)

 論理回路(Logic Circuits)は2進数の各ビット情報を演算する役割を担います。主な演算方法は、NOT(Inverter)演算、AND演算、OR演算、XOR演算の4種類です。しかし、実際に使われるのは、回路の汎用性や回路規模を考慮した、NAND演算とNOT演算の2種類が主役になります。これらの役割を下表に示します。

基本の論理回路と動作
論理 動作 入力 出力   論理 動作 入力 出力
NOT 論理反転 0 - 1            
1 - 0
AND 論理積算 0 0 0   NAND 論理積否 0 0 1
0 1 0 0 1 1
1 0 0 1 0 1
1 1 1 1 1 0
OR 論理和算 0 0 0   NOR 論理和否 0 0 1
0 1 1 0 1 0
1 0 1 1 0 0
1 1 1 1 1 0
XOR 排他的
論理和算
0 0 0            
0 1 1
1 0 1
1 1 0

汎用ロジックのシリーズ

 ロジックICには主に以下のようなシリーズがあります。電子工作では74HCシリーズが良く使われます。より高速な74VHCシリーズや74ACシリーズもあります。また、水晶発信器を構成するためには74HCU04が使われたり、5V TTLを入力するために74HCTシリーズが使われたりする場合もあります。

汎用ロジックのシリーズ
シリーズ タイプ 速度
(例)
価格
(例)
電圧範囲
(例)
電流
(例)
備考
74HC CMOS 80MHz 30円 2.0〜6.0V 1uA 多用途・低価格
74VHC CMOS 135MHz 30円 2.0〜5.5V 2uA 入力トレラント
74AC CMOS 130MHz 40円 2.0〜5.5V 4uA 超高速
74LS TTL 50MHz 30円 4.8〜5.2V 2400uA H出力が低電圧

CMOSとTTLの違い

 CMOSとTTLは入出力の電圧に違いがあり、原則として互換性がありません。下表に3.3V CMOS、5V CMOS、5V TTLのレベルの違いの一例を示します。

CMOSレベルとTTLレベルの違い
タイプ 3.3V CMOS 5V CMOS 5V TTL
VOH(例) 3.3V 5.0V 3.4V
VIH(例) 2.4V 3.5V 2.0V
電圧

┌──┐  ┌
│──│──│
│──│──│
┘  └──┘
┌──┐  ┌
│__│__│
|  |  |
|  |  |
│ ̄ ̄│ ̄ ̄│
┘  └──┘


┌──┐  ┌
│──│──│
|──|──|
    ̄ ̄ ̄
VIL(例) 0.9V 1.5V 0.8V
VOL(例) 0.0V 0.0V 0.4V

 上表から5V CMOSと5V TTLには明らかに相違があり、5V CMOSに5V TTLを入力しても互換性が無いことが分ります。しかし、3.3V CMOSと5V TTLの特性は近いことも分ります。このように近い特性があるので、実力的には以下のような互換性がある場合があります。ただし、こういった使い方は保証されておらず、また使用環境や製造元、型名などによって使えたり使えなかったりするので御注意ください。

CMOSとTTLの互換性
入力\出力 3.3V CMOS 出力 5V CMOS 出力 5V TTL 出力
3.3V CMOS 入力
5V CMOS 入力 × ×
5V TTL 入力
△:トレラント対応の74VHC等を3.3V動作させて変換する
×:TTL入力対応の74HCT等を5.0V動作させて変換する

74HCxx ハイスピード CMOS

 多く用いられているロジックICに74HCシリーズがあります。74HCはハイスピードCMOSのロジック回路で汎用的に用いられており価格が安く入手性も良好です。しかし、動作速度が遅い欠点があります。下表に良く使用する74HCシリーズの型番と内蔵の論理回路をまとめます。まとめ買いの際の参考にしてください。

74HCシリーズの主要型番リスト
基本論理演算回路用
型番 回路数 論理回路 ピン数 備考
74HC00 4回路 2-input NAND 14ピン 2入力 負論理積
74HC02 4回路 2-input NOR 14ピン 2入力 負論理和
74HC04 6回路 NOT(Inverter) 14ピン 1入力 負論理
74HC08 4回路 2-input AND 14ピン 2入力 論理積
74HC20 2回路 4-input NAND 14ピン 4入力 負論理積
74HC32 4回路 2-input OR 14ピン 2入力 論理和
74HC86 4回路 2-input ExOR 14ピン 排他的論理和
同期演算回路用
74HC74 2回路 D-Type Flip-Flop 14ピン フル機能FF
74HC161 1回路 4bit Counter 16ピン (クリア非同期)
74HC163 1回路 4bit Counter 14ピン (クリア同期)
74HC393 2回路 4bit Counter 14ピン 4bit X 2
74HC164 1回路 8bit Shift Register 14ピン S->P変換
74HC595 1回路 8bit Shift Register 16ピン SP変換ラッチ付
74HC174 6回路 D-Type Flip-Flop 14ピン 全同期 正出力
74HC175 4回路 D-Type Flip-Flop 16ピン 全同期 両出力
74HC373 8回路 D-Type Latch 3State 20ピン 全同期 正出力
74HC374 8回路 D-Type Flip-F. 3Sta. 20ピン 全同期 正出力
74HC377 8回路 D-Type Flip-Flop 20ピン 全同期 正出力
レベル変換用
74HC07 6回路 Buffer 14ピン オープン出力
74HC125 4回路 Buffer 14ピン 3ステート
74HC540 8回路 Inverter 20ピン 3ステート
74HC541 8回路 Buffer 20ピン 3ステート
74HC14 6回路 Inv.(Schmitt Trig.) 14ピン 発信器など
74HCU04 6回路 Inverter 14ピン 主に水晶発振用
74HCT04 6回路 Inverter 14ピン 入力側がTTL
74HC4066 4回路 Bilateral Switch 14ピン アナログ入出力
特定用途
74HC138 1回路 3bit Decorder 14ピン 3bit->8line
74HC139 2回路 2bit Decorder 14ピン 2bit->4line
74HC238 1回路 3bit Decorder 16ピン 3bit->8line
74HC4017 1回路 Decade Counter 16ピン シフトセレクタ
74HC4511 1回路 7Seg Decoder 16ピン BCD->7Seg
74HC14511 1回路 7Seg Decoder 16ピン BCD->7Seg

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