今回は令和3年度 機械科目 B問題18を解説します。情報の一時的な記憶回路として用いられるフリップフロップ（FF）について、RS-FF・JK-FF・T-FF・D-FFに関する記述の正誤を判定する(a)と、クロックパルスの立下りで動作する2つのT-FFを用いた回路のタイムチャートを求める(b)の問題です。
(a)はJK-FFで入力J，Kが共に1の場合の動作が「保持」ではなく「反転」である点が誤りのポイントです。(b)はT-FFが「クロックの立下りで出力が反転する」という性質を2段にわたって追跡します。
令和3年度 機械科目 B問題18：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「令和3年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 B問題18
電験3種 機械科目 【情報】 令和3年度 B問題18
情報の一時的な記憶回路として用いられるフリップフロップ（FF）回路について，次の(a)及び(b)の問に答えよ。
(a) FF回路に関する記述として，誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし，(1)〜(4)における出力とは，反転しないQのことである。
（1）RS-FFにおいては，クロックパルスの動作タイミングで入力RとSがそれぞれ1と0の場合に0を，入力RとSがそれぞれ0と1の場合に1を出力する。入力RとSを共に1とすることは禁止されている。
（2）JK-FFにおいては，クロックパルスの動作タイミングで入力JとKがそれぞれ1と0の場合に1を，入力JとKがそれぞれ0と1の場合に0を出力し，入力JとKが共に1の場合には出力を保持する。
（3）T-FFは，クロックパルスの動作タイミングにおいて，出力を反転する。
（4）D-FFは，クロックパルスの動作タイミングにおいて，入力Dと一致した出力を行う。
（5）FFの用途として，カウンタ回路やレジスタ回路などがある。
(b) クロックパルスの立ち下がりで動作する二つのT-FFを用いた図の回路を考える。この回路において，クロックパルスCに対する回路の出力Q1及びQ2のタイムチャートとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
（1）RS-FFにおいては，クロックパルスの動作タイミングで入力RとSがそれぞれ1と0の場合に0を，入力RとSがそれぞれ0と1の場合に1を出力する。入力RとSを共に1とすることは禁止されている。
（2）JK-FFにおいては，クロックパルスの動作タイミングで入力JとKがそれぞれ1と0の場合に1を，入力JとKがそれぞれ0と1の場合に0を出力し，入力JとKが共に1の場合には出力を保持する。
（3）T-FFは，クロックパルスの動作タイミングにおいて，出力を反転する。
（4）D-FFは，クロックパルスの動作タイミングにおいて，入力Dと一致した出力を行う。
（5）FFの用途として，カウンタ回路やレジスタ回路などがある。出力Q1，Q2の波形選択肢(1)〜(5)は矩形波タイムチャート（画像参照）。Cの立下りで必ずQ1が反転し，かつQ1の立下りで必ずQ2が反転する波形が正解。
出題のポイント：JK-FF は両方1 で「反転」
(a)の誤りは(2)です。「J とK が共に1 の場合には出力を保持する」——正しくは反転します。
| 種類 | 入力 | 動作 | 用途 |
| RS-FF | S（セット）、R（リセット） | S＝1 で1、R＝1 で0。★両方1 は禁止 | 基本形・自己保持 |
| JK-FF | J、K | RS と同じ。★両方1 で反転 | 禁止入力がない万能形 |
| T-FF | T（1本） | クロックごとに反転 | ★カウンタ、分周器 |
| D-FF | D（1本） | D の値をそのまま取り込む | レジスタ、記憶 |
JK-FF は RS-FF の禁止入力をなくしたもの——「両方1 のときに何をするか」を決めたのが改良点です。そこに「反転」を割り当てたので、禁止状態がなくなりました。
だから J＝K＝1 に固定すればT-FF になります——クロックごとに反転するのですから当然です。JK-FF は最も汎用的なフリップフロップだと言えます。
「保持」は J＝K＝0 のとき——ここを取り違えさせるのが本問の引っかけです。0 で保持、1 で反転 と押さえてください。
(1)(3)(4)(5) が正しい理由
(1) RS-FF——S＝1 で1（セット）、R＝1 で0（リセット）、両方1 は禁止。「セットしろ」と「リセットしろ」を同時に命じると、出力が定まらないからです。
(3) T-FF——クロックごとに出力が反転します。入力が1本しかないので、「反転させるか、しないか」の2択です。
(4) D-FF——クロックの瞬間の D の値をそのまま出力。「D の値を記憶する」という素直な動作で、レジスタやメモリの基本になります。
(5) 用途——カウンタとレジスタは代表的な応用です。T-FF を並べればカウンタ、D-FF を並べればレジスタになります。
(b) T-FF を2段つないだ回路
T-FF はクロックの立下りで反転——2段目のクロック入力は1段目の出力Q1 になっています。
| 段 | 反転するタイミング | 周期 |
| Q1 | C の立下りごと | C の2倍 |
| Q2 | ★Q1 の立下りごと | C の4倍 |
1段ごとに周期が2倍になる——つまり周波数が半分です。これが分周回路——n 段つなげば 1/2n の周波数が得られます。
Q2Q1 を2桁の2進数と見れば、00→01→10→11→00…と数える——2ビットのカウンタにもなっています。分周器とカウンタは同じものを別の見方で呼んでいるだけです。
⚠️ よくある間違い
「立下り」を「立上り」と読み違えるのが典型的な誤りです。問題文は「クロックパルスの立ち下がりで動作する」と明記——1 から0 へ変わる瞬間です。
波形を見るときは、C が下がる時刻に縦線を引く——その時刻でQ1 が変化していない選択肢は落とせます。
次にQ1 が下がる時刻でQ2 が変化しているか——2段階で確認してください。
⏱️ 本番での進め方
①(a) JK-FF は J＝K＝1 で★反転。保持は J＝K＝0。
② RS-FF の禁止入力をなくしたのがJK-FF。
③(b) T-FF はクロックの立下りで反転。1段で周波数が半分。
④ C の立下り→Q1反転、Q1の立下り→Q2反転。
💡 覚え方
「JK は 00 で保持、11 で反転」——RS の禁止をなくした形。そして「T-FF を1段通すごとに周波数が半分」——分周器もカウンタも同じ回路です。
フリップフロップは「1ビットの記憶」
そもそもフリップフロップは何をする回路か——1ビットの情報を覚えておくのが仕事です。
AND やOR などの組合せ回路は、入力が変われば出力もすぐ変わります——過去のことは一切覚えていません。これに対しフリップフロップは、前の状態を保っている——だから順序回路と呼ばれます。
| 種類 | 出力が決まる条件 | 代表例 |
| 組合せ回路 | そのときの入力だけで決まる | 加算器、デコーダ |
| 順序回路 | ★入力＋現在の状態で決まる | カウンタ、レジスタ |
記憶の仕組みは「出力を入力へ戻す」こと——2つのNAND を互いにたすき掛けにつなぐと、いったん決まった状態がそのまま保たれます。これがRS-FF の中身です。
そこにクロック入力を加えたのが同期式——「クロックの瞬間だけ入力を受け付ける」ようにすると、多数のFF を足並みそろえて動かせるようになります。
なぜ立下りで動かすのか
本問のFF はクロックの立下りで動作します。立上りで動く型もあり、どちらも実在します。
大切なのは「一瞬だけ受け付ける」こと——クロックが1 の間ずっと受け付けると、入力の変化がそのまま伝わってしまうからです。エッジ（変化の瞬間）で切り取ることで、動作が確定します。
だから本問のような2段接続でも、暴走せずに分周できる——1段目の出力が変わるのは2段目が判定を終えた後だからです。
分周器はどこで使われるか
(b)で作った4分周回路——実際にどんな場面で使われるのかを知っておくと記憶に残ります。
| 用途 | 働き |
| ディジタル時計 | ★水晶の32768 Hz を15段で1 Hz に |
| マイコンの内部クロック | 高速な原発振から各部の速度を作る |
| 周波数カウンタ | 測定範囲を広げる |
| インバータの制御 | 搬送波の生成 |
32768＝215——だからT-FF を15段つなぐと、ちょうど1 Hz が得られます。腕時計の水晶が32768 Hz という半端な値なのは、この理由です。
2の累乗を選んでおけば、T-FF を並べるだけで正確な1秒が作れる——本問の回路が、身近な時計の中で働いていることになります。
電験3種の他分野でも、インバータの制御回路に分周が登場します。パワエレと情報はつながっている——科目の中で孤立した知識ではないのです。
まとめ
| (a)誤りの選択肢 | (2)（JK-FFのJ=K=1は反転が正しい） |
| (b)T-FF動作 | 立下りで反転を2段トレース |
| 答え | (a)-(2)，(b)-(5) |
▼あわせて解きたい関連問題
・NANDベースRSフリップフロップの真理値表を求める：【機械】平成19年度A問題14
・JK-FFの状態遷移表とカウンタ回路のタイムチャート：【機械】平成21年度B問題18
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