フリップフロップ回路とは？見方・書き方を紹介

昨今は様々な箇所にコンピュータが使用されており、日常生活の身近な製品に論理回路が活用されます。論理回路の中でもフリップフロップ回路は初歩かつ重要な回路であり、論理図に多く活用されます。本記事ではフリップフロップ回路の見方や描き方を分かりやすく説明します。

1.フリップフロップ回路とは？

1.1 定義

フリップフロップ回路は入力信号に基づいて内部状態を保持し、状態を「保持」または「切り替え」することができる回路です。主に0または1の2つの状態を保持することが可能で、これをビットとして扱います。状態を変化させるためにはリセット信号を適切に入力します。デジタルデータの記録、タイミング制御、カウンタ、シーケンス制御などの用途に使用されます。デジタル回路の中でデータを記憶したり、タイミング制御を行ったりするのが得意な回路です。

1.2 動作の仕組み

フリップフロップ回路の動作は、リセット信号とセット信号による影響で出力を保持または変更する仕組みです。論理回路図で書くと、上記のようにOR回路とNOT回路を組み合わせたような論理回路となります。セット信号の状態を変化させると出力信号が変化し、その後セット信号を変更しても変化しません。つまり、セット信号の入力を保持した状態となります。次にリセット信号を入力すると、出力の状態が入れ替わります。その後リセット信号を変化させても状態を保持しています。

これにより、入力信号の状態が変わっても直前の状態を保持するため、複数個組み合わせることでデータの記録などに広く利用されています。

2.フリップフロップ回路の種類と例

フリップフロップ回路にはいくつかの種類があり、それぞれに特徴的な動作をします。代表的なものとしてDフリップフロップやJKフリップフロップ、Tフリップフロップがあります。以下に各フリップフロップの概要や用途を説明します。

名称	Dフリップフロップ	JKフリップフロップ	Tフリップフロップ
概要	Dフリップフロップはデータ入力とクロック信号を用いて動作する回路です。クロック信号の立ち上がりまたは立ち下がりエッジでD入力の状態がQ出力に反映され、以降はクロック信号が変化するまでその状態を保持します。	JKフリップフロップは、セット・リセットのフリップフロップを改良した回路です。JとKの2つの入力を有し、両方の入力が1になると不正な状態になる問題を解決しています。Jが1、Kが0の場合は「セット」、Jが0、Kが1の場合は「リセット」、JとKが両方とも1の場合は状態反転します。	Tフリップフロップは、JとKが同じ動作をする特殊なフリップフロップ回路です。T入力が1のときにクロック信号に応じて状態が反転します。Tが0のときは状態は保持されます。入力が1であるときに現在の状態を反転させる動作を行う回路です。
用途	レジスタやシフトレジスタ、メモリ回路などのデータ保持用途	・状態が反転する特性を活かして、二進カウンタや分周器 ・特定の順序で状態を切り替えるシーケンサー	カウンタ回路や簡単なシーケンス制御
記号

3. フリップフロップ回路が使われるケース

フリップフロップ回路はIT分野で広く使用され、用途に応じて重要な役割を果たしています。以下はその一例です。

例1.コンピュータメモリ

フリップフロップはコンピュータメモリの基本的な構成要素として使用されます。各フリップフロップは1ビットの情報を保持できるため、複数のフリップフロップを組み合わせることで、広範なメモリを作成することができます。コンピュータのメインメモリーやキャッシュメモリーとして使用することが多いです。

例2.クロック分周器

クロック分周器はクロック信号の周波数を分割して新しいクロック信号を生成する回路です。フリップフロップはクロック信号に同期して状態を反転させるため、クロック分周器として非常に重要な役割を果たします。特に、TフリップフロップやJKフリップフロップを用いた分周器が一般的です。デジタル回路のタイミング調整などに使用されます。

例3.通信インターフェイス

通信インターフェイス回路では、フリップフロップがデータのエラーチェックやデータ転送の管理に使用されます。シリアル通信などのデータの管理に使用されることが多いです。

4.フリップフロップ回路の書き方とルール

IT業界のハードウェア・ソフトウェアの製作時に、フリップフロップ回路を設計することもあります。AutoCADやjWCADなどで作成することも可能ですが、EdrawMaxはフリップフロップ回路を設計するための使いやすいツールです。本記事ではフリップフロップ回路の書き方とルールを、初心者にも使用しやすいEdrawMaxを使用して説明します。

4.1  図面記号の貼り付け

まずは、回路図の部品要素となる部分を配置してきます。「アナログとデジタル論理」シンボルからフリップフロップのアイコンを作業スペースに配置します。AutoCADなどで作成する場合はフリップフロップ回路記号を作る必要がありますが、EdrawMaxでは初めから図形の中に実装されています。必要に応じて大きさを変えたり、文字の部分を修正したりすることが可能です。

4.2 入出力の接続

各端子に他の配線を接続していきます。Dフリップフロップの場合、データ入力を表すD端子に入力信号を接続します。D入力はクロック信号によって反転または転送されるデータを示します。クロック入力は端子にクロック信号を接続します。この信号によってD入力のデータがQ出力に転送されるタイミングを決定することが可能です。Q端子に出力信号を接続します。クロック信号の変化に従って、D入力のデータがQに反映されます。

フリップフロップ回路の種類によって端子名称や動作が異なるため、回路に必要な素子を配置して配線を接続します。フリップフロップの各入力・出力信号を適切に接続することが重要です。

フリップフロップだけでなく、必要に応じて他の論理素子も配置していきます。作成したい回路の機能から、必要となる素子を適切に配置していきます。入出力信号も名称等を記載します。これらの論理記号とフリップフロップを配線で接続することで、メモリなどの回路を作り出すことが可能です。

5.おすすめの回路図作成ツールEdrawMax

EdrawMaxは様々なタイプの図面や回路図を作成できる強力なビジュアルデザインツールで、特にデジタル回路やフリップフロップ回路など、複雑な回路設計を効率的に行いたい場合に非常に役立ちます。

特徴1.豊富なシンボルとテンプレート

まず、EdrawMaxはさまざまなテンプレートが用意されており、どんな設計にも対応できます。フリップフロップやゲート回路など、回路図作成に必要な図形ライブラリが豊富に揃っています。これにより、回路図の各要素を簡単にドラッグ＆ドロップで配置することが可能です。

特徴2.使いやすいインターフェイス

ユーザーインターフェースは直感的で、回路図だけでなくフローチャートなどの図面を簡単に作成できます。ツールバーやメニューも使いやすく、初心者から上級者まで幅広いユーザーもスムーズに取り扱うことが可能です。各回路を接続する配線についても、線の太さや終端スタイルなどをカスタマイズできため、回路図の作製時間を短縮することが可能です。

特徴3.エクスポート・共有機能

EdrawMaxはエクスポート機能が非常に優れており、さまざまな形式で作成した図面や回路図をエクスポートできます。作成した図を他のプラットフォームで利用したり、プレゼンテーションやレポートに組み込んだりすることが容易です。作成した回路図をオンラインで他のチームメンバーと共有したり、リアルタイムで共同編集を行ったりすることもできます。

6.フリップフロップ回路に関するFAQs

6.1 フリップフロップとラッチの違いは？

フリップフロップとラッチは、いずれもデジタル回路において状態を保持するための記憶素子ですが、動作のタイミング異なります。

フリップフロップはクロック信号に同期して動作します。つまり、クロック信号の変化に合わせて入力信号を取り込んで状態を更新します。この仕組みから、フリップフロップは「同期型」素子と呼ばれます。

ラッチはクロック信号のレベルに応じて動作します。クロック信号が高レベルの間、ラッチは入力信号を取り込みます。このため、ラッチは「レベル感応型」素子とも呼ばれます。

6.2　フリップフロップ回路の出力はどのように表示されますか？

フリップフロップ回路の出力は一般的にQとQバーまたはQ#として表示されます。これらの出力は、フリップフロップが保持している状態を示すもので、Qは現在の状態、Qバーはその反転状態を表します。Dフリップフロップを例に取ると、Q出力はD入力がクロックの立ち上がりエッジで転送されるときの値を保持します。Qバーは、その反転値が表示されます。