電気と論理回路

ご無沙汰しております。
金木犀香る良い季節になってきましたね。
どうも、iPXのCAE担当(自称)ishizawaです。

最近、体を動かす遊びを色々始めたのに体重が増える一方です…。
埼玉の友人とボルタリングなるものをやってみましたが中々に難しいですね。
今年は同僚のtakiyamaからスノーボードを譲り受けたのでスノボも体験したいと思っています。

さて、今回は前回のブログでEMC勉強会の概要をお話しましたがそもそも電気が必須知識です。
なので図を交えて、電気回路のお話でもしようと思います。

『アナログ』と『デジタル』について

電気の話をしていると必ずと言っていいほど出てくるこの2つ、違いが分からん！となる方が多いようです。
Wikipediaを見てみると下記の内容が書いてあります。
アナログ：連続した量で表示すること
デジタル：連続量をとびとびな値(離散化した数値)にして表示すること

言葉で説明されてもなんのこっちゃですね。
というわけで図に起して図みました

上記の図の様に滑らかに連続している量をアナログ量、カクカク変化しているのをデジタル量と呼びます。
アナログ量は電圧や電流など物理量を表すのに使われ、私たちの日常はアナログ量で溢れています。
じゃあなぜデジタルを使うのかというと今皆さんがお使いのパソコンやスマートフォンなど電子機器と呼ばれるものに使われます。
電子機器は0と1しか認識出来ないためアナログ量をデジタル量に変化させて制御させています。
変化のさせ方はしきい値を設けて一定の値を超えたら1、超えなかったら0と区切っているわけです。

論理回路について

ではそのデジタル量をどの様に制御しているのかをお話していきます。
プログラム経験者だと論理演算子で馴染みのある『AND』『OR』『NOT』などを表現出来ます。

ではそれぞれの論理回路図と振る舞い、そしてアナログ回路で表すとどうなるか見てみましょう。
アナログ回路のスイッチのON/OFFが1/0、LEDの点灯/消灯が1/0で考えてもらえばわかりやすいです。

AND回路は入力X,Yが両方1の場合だけ出力が1になります。
両方のスイッチがONにならないとLEDは点灯しません。

OR回路は入力X,Yの片方が1ならば出力も1になります。
片方のスイッチがONになればLEDは点灯します。

NOT回路は入力Xの反対を出力します。
スイッチがONになると電気はより抵抗の低い方に流れるためLEDは消灯したままになります。
逆にスイッチがOFFになるとLEDを通る道以外なくなるので点灯します。

代表的な3つの論理回路をご説明しましたが、ではこれで何が出来るのか？
簡単な加算回路が作れるのです。

加算回路について

さて、パソコンなどの電子機器は0と1を扱うと書いたのでこの加算回路は2進法の加算です。
普段、私たちが使っている10で繰り上がるのは10進法といい、2で繰り上がるのを2進法といいます。

これを下図の加算回路に入れてみましょう。

あら不思議！加算されています。(各自数字を入れて追ってみてください)
ただしこの加算回路は正確には『半加算器』と呼ばれ繰り上がりを考慮しない計算しか出来ません。
この半加算器を２つとOR回路1つ使うと『全加算器』と言われる繰り上がりを考慮した回路に出来ます。

まとめ

いかがでしたでしょうか？
駆け足かつざっくりな説明ではありますが、電気でどうやってモノを制御しているのか感じ取ってもらえたら幸いです。

出典
アナログ：https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%8A%E3%83%AD%E3%82%B0
加算器：https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8A%A0%E7%AE%97%E5%99%A8