情報19【電験3種 機械】RS・JK・T・D各種フリップフロップの正誤判定とタイムチャート!令和3年度 B問題18 完全解説

電験3種 機械科目【情報】令和3年度 B問題18 フリップフロップ(FF)に関する記述の正誤判定と、T-FF2段構成のタイムチャート

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。

目次

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。

電験3種 機械科目 情報 令和3年度 B問題18 問題文
令和3年度 機械科目 B問題18 問題文

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。

図 クロックパルスの立下りで動作するT-FF2段構成の回路(問題図)
図 クロックパルスの立下りで動作するT-FF2段構成の回路(問題図)

出題のポイント:各FFの基本動作と反転条件を区別する

RS、JK、T、Dフリップフロップの入力条件と次状態を比較した基本動作表
JKはJ=K=1で反転し、TはT=1で反転、Dは入力Dを次状態へ取り込みます。

RS、JK、T、Dフリップフロップは、入力の組合せに対する保持・セット・リセット・反転の動作を区別します。JKフリップフロップはJ=K=1で反転します。2段のTフリップフロップでは、Cの立下りでQ1が反転し、Q1の立下りでだけQ2が反転するため、立下りを時系列に1つずつ追うことが大切です。

ポイント解説:立下りトリガを2段で順に追う

立下りトリガのTフリップフロップ2段についてC、Q1、Q2の波形と状態遷移を示す図
Cの立下りごとにQ1が反転し、Q1の立下りが生じる2回に1回だけQ2が反転します。

フリップフロップ(FF)は4種類の基本動作を正確に区別できるかがポイントです。RS-FFはセット/リセット/禁止、JK-FFはセット/リセット/反転(保持ではない)、T-FFは常に反転、D-FFは入力Dをそのまま出力するという特徴があります。

(b)のようなタイムチャート問題では、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段構成のFFに対して順番に追跡していきます。

問題の解説:JKの反転と2段T-FFの状態遷移

JKフリップフロップの反転条件と2段Tフリップフロップの状態遷移から答えを導く解答図
(a)はJ=K=1で反転する(2)、(b)は00→10→01→11→00と進む(5)です。

STEP1 (a) 各選択肢の記述を基本動作と照合する

(1)RS-FF:正しい記述(S=1,R=0で1、S=0,R=1で0、S=R=1は禁止)。

(2)JK-FF:J=K=1のときの動作が「保持」と記載されているが、正しくは「反転」である点が誤り。

(3)(4)(5)はいずれも正しい記述です。

STEP2 (a) 誤っている選択肢を確定する

以上より誤りは(2)です。

STEP3 (b) T-FFの反転動作を1段目に適用する

T-FFはクロックCの立下りのたびに出力Q1が必ず反転します。

STEP4 (b) 2段目のT-FFにQ1の立下りを適用する

2段目のクロック入力はQ1なので、Q1が1から0へ変化(立下り)するたびに出力Q2が反転します。

この2段階の反転動作を正しく表す波形が選択肢(5)です。他の選択肢はCの立下りでQ1が反転しなかったり、Q1の立上りでQ2が反転してしまったりする点で不適です。

答え:(a)-(2),(b)-(5)

💡 覚え方
JK-FFはJ=K=1のとき「反転」(保持ではない)という点が最頻出の誤り選択肢パターン。T-FF2段構成のタイムチャートは「クロック立下りで必ず反転」を1段ずつ丁寧に追跡する。

⚠️ よくある間違い
JK-FFの「保持」と「反転」を混同する誤り選択肢は非常に紛らわしいので要注意。T-FFの反転は「立下り」トリガーであり「立上り」ではない点も見落としやすい。

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

📚 次に解くべき関連問題
【機械】平成21年度B問題18(情報20)
【機械】平成19年度A問題14(情報9)
【機械】平成25年度A問題14(情報18)
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