BÀI 1: CƠ SỞ KĨ THUẬT SỐ GIỚI THIỆU BÀI 1 - Giới thiệu về công nghệ kỹ thuật số - Về kỹ năng: + Lắp ráp được các mạch logic tổ hợp theo sơ đồ cho sẵn; - Về năng lực tự chủ và trách nhi
BÀI 1: CƠ SỞ KĨ THUẬT SỐ
Công nghệ kĩ thuật số
Công nghệ số biểu diễn tất cả thông tin dưới dạng số, giúp mạch số trở nên linh hoạt và có khả năng xử lý đa dạng dữ liệu Trong khi đó, các mạch tương tự lại đặc thù, yêu cầu phương pháp xử lý riêng cho từng loại thông tin Chính điều này đã làm cho công nghệ số thay đổi thế giới một cách ngoạn mục trong những thập kỷ gần đây Mạch số chủ yếu thực hiện ba nhiệm vụ cơ bản về số: điều khiển logic, phép toán và lưu trữ Thậm chí, các thiết bị số quan trọng như máy tính cũng chỉ thực hiện ba nhiệm vụ này để vận hành hiệu quả.
Các linh kiện kỹ thuật số được nhóm chung thành các họ logic (Logic Family) do chúng có thể hoạt động cùng nhau Trong quá trình phát triển, nhiều họ logic đã xuất hiện, mỗi loại phù hợp để giải quyết các vấn đề riêng biệt khi thiết kế linh kiện số Tuy nhiên, không phải tất cả các họ logic đều có thể giao tiếp với nhau, vì vậy kỹ sư thiết kế cần nắm vững đặc điểm điện của từng họ logic để xử lý các vấn đề kỹ thuật hiệu quả Tương tự, người kỹ thuật viên đo lường tự động hóa cũng phải hiểu rõ đặc trưng của từng họ logic để đảm bảo hoạt động chính xác trong hệ thống.
Nguồn cấp là yếu tố quan trọng hàng đầu của linh kiện và thiết bị số, vì tất cả các thiết bị số đều hoạt động ở điện áp thấp Các linh kiện số chuyên biệt được thiết kế để hoạt động trong phạm vi điện áp rộng, giúp chuyển đổi giữa các mức logic khác nhau Điện áp nguồn phổ biến nhất là +5 VDC và +3.3 VDC, mặc dù cũng có sử dụng các điện áp thấp hơn trong một số ứng dụng Trên sơ đồ mạch điện, đường cấp nguồn dương thường được ký hiệu là VCC hoặc VDD, trong khi đường nối đất thường là VSS hoặc GND, cùng với các ký hiệu khác tùy thuộc vào từng hệ thống.
Trong công nghiệp, thuật ngữ “logic 5V” thường đề cập đến các họ logic hoạt động dựa trên nguồn cấp 5 VDC Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không phải tất cả các công nghệ logic 5V đều tương thích và có thể giao tiếp với nhau, vì vậy xác định mức logic là rất quan trọng để đảm bảo khả năng kết nối giữa các thiết bị Hiểu rõ về mức logic của từng họ logic giúp đảm bảo hoạt động chính xác và tránh các sự cố về truyền thông trong hệ thống tự động hóa.
Công nghệ số sử dụng hai giá trị logic là 0 và 1, đại diện cho các mức điện áp rời rạc như LOW và HIGH, đảm bảo khoảng cách đủ xa để tránh nhầm lẫn Mức 0 thường được hiểu là mức thấp, sai hoặc OFF, trong khi mức 1 là mức cao, đúng hoặc ON Để các thiết bị số có thể giao tiếp hiệu quả, chúng phải có cùng mức logic, với mỗi linh kiện có ngõ vào và ngõ ra đều xác định mức logic phù hợp Ví dụ, một linh kiện đặt mức 5V quy định dải điện áp ngõ ra từ 0-0.5V là mức 0, và từ 4.5-5.0V là mức 1; ngõ vào có dải rộng hơn, từ 0-1.5V là mức 0, và 3.5-5.0V là mức 1, giúp hệ thống hoạt động đáng tin cậy hơn khi không còn là mạch lý tưởng Hình 1-1 minh họa rõ mối quan hệ giữa mức logic ngõ vào và ngõ ra của một họ logic, thể hiện quá trình truyền tải tín hiệu số trong các mạch điện tử.
Hình 1-1: Ví dụ về mức logic ngõ vào và mức logic ngõ ra
Các mạch số, dù có phức tạp đến đâu, đều có thể được biểu diễn dưới dạng các liên kết giữa các cổng logic Mỗi cổng logic có thể có một hoặc nhiều ngõ vào và tối thiểu phải có một ngõ ra, trong đó kết quả ngõ ra là phép toán logic dựa trên các ngõ vào Để xác định đặc tính của một cổng logic, người ta tham khảo bảng sự thật (Truth Table), thể hiện tất cả các tổ hợp ngõ vào và tín hiệu ngõ ra tương ứng với từng tổ hợp đó Ví dụ, với 2 ngõ vào, bảng sự thật sẽ bao gồm 4 tổ hợp ngõ vào khác nhau, giúp người thiết kế dễ dàng phân tích và hiểu rõ hoạt động của cổng logic.
Trong hệ thống logic, với 3 ngõ vào, có tổng cộng 8 tổ hợp ngõ vào khác nhau Ví dụ, nếu có n ngõ vào, số tổ hợp possible là 2 mảng n, tương đương với 2^n Điều này có nghĩa rằng bảng chân trị của một cổng logic 3 ngõ vào sẽ gồm 2^3 = 8 dòng thể hiện tất cả các trạng thái của ngõ vào Bảng 1-1 minh họa rõ ràng các giá trị trong bảng chân trị của cổng logic 3 ngõ vào, giúp người học dễ dàng hình dung cách hoạt động của hệ thống.
Bảng 1-1: Bảng sự thật của một cổng logic 3 ngõ vào
Các linh kiện điện tử như các cổng logic thường được biểu diễn bằng ký hiệu trong mạch điện tử và hệ thống lập trình như PLC sử dụng những ký hiệu này để viết chương trình điều khiển Hiện nay có hai loại ký hiệu phổ biến trong công nghiệp: ký hiệu truyền thống từ năm 1950, sử dụng các hình dạng khác nhau để đại diện các loại cổng logic, và ký hiệu hình chữ nhật từ năm 1980, thể hiện các cổng bằng hình chữ nhật với tên cổng bên trong Mặc dù có thể sử dụng một trong hai kiểu ký hiệu tại nơi làm việc, nhưng nhiều kỹ sư và kỹ thuật viên vẫn quen dùng ký hiệu truyền thống Ví dụ, hình 1-2 minh họa hai loại ký hiệu của một cổng logic, trong đó hình (A) là ký hiệu truyền thống và hình (B) là ký hiệu hình chữ nhật, giúp dễ dàng nhận biết và thao tác trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống tự động.
Hình 1-2: Các kiểu ký hiệu logic
Các cổng logic cơ bản
Các mạch logic sử dụng 7 loại cổng logic chính, trong đó chỉ có 4 cổng là độc lập, còn lại 3 cổng là biến thể của các cổng này Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về ký hiệu, mạch điện và bảng sự thật của từng cổng logic để hiểu rõ hơn về cách hoạt động của các cổng này trong thiết kế mạch số.
Hình 1-3: Kí hiệu cổng AND b Mạch điện:
Hình 1-4: Mạch điện cổng AND c Bảng sự thật:
Bảng 1-2 thể hiện bảng sự thật của cổng AND, trong đó ngõ ra (X) là kết quả của phép nhân logic (AND) của tất cả các ngõ vào Đặc tính của cổng AND là ngõ ra chỉ bằng 1 khi tất cả các ngõ vào đều nhận giá trị 1; ngược lại, nếu bất kỳ một ngõ vào nào nhận giá trị 0, ngõ ra sẽ bằng 0 Điều này phản ánh rõ đặc điểm hoạt động của cổng AND trong mạch logic kỹ thuật số.
NGÕ VÀO (INPUTS) NGÕ RA (OUTPUT)
Hình 1-5: Kí hiệu cổng OR b Mạch điện:
Hình 1-6: Mạch điện cổng NOR c Bảng sự thật
Bảng 1-3: Bảng sự thật của cổng OR thể hiện rõ rằng ngõ ra (X) là phép cộng logic của tất cả các ngõ vào Đặc điểm nổi bật của cổng OR là ngõ ra chỉ bằng 0 khi tất cả các ngõ vào đều bằng 0 Khi bất kỳ ngõ vào nào có giá trị 1, thì ngõ ra sẽ bằng 1, đảm bảo tính linh hoạt trong các mạch logic và ứng dụng thiết kế hệ thống số.
NGÕ VÀO (INPUTS) NGÕ RA (OUTPUT)
Cổng XOR là một loại cổng logic đặc biệt, còn gọi là cổng "KHÁC" Ngõ ra của cổng XOR bằng 1 khi các ngõ vào không cùng trạng thái, nghĩa là chỉ có một trong hai ngõ vào bằng 1 hoặc 0 Cổng XOR hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh, cho phép xác định khi nào các ngõ vào không đồng bộ, làm cho nó trở thành thành phần quan trọng trong thiết kế mạch số và các ứng dụng xử lý dữ liệu.
Hình 1-7: Kí hiệu cổng XOR b Bảng sự thật
Bảng 1-4: Bảng sự thật cổng XOR 2 ngõ vào
Cổng NOT khác biệt so với các cổng AND, OR và XOR vì chỉ có một ngõ vào và ngõ ra là sự phủ định (đảo) của ngõ vào Khi ngõ vào là 1, ngõ ra sẽ là 0, ngược lại, nếu ngõ vào là 0 thì ngõ ra sẽ là 1 Ký hiệu của cổng NOT thể hiện rõ ràng chức năng đảo ngược tín hiệu đầu vào.
Hình 1-8: Kí hiệu cổng NOT b Bảng sự thật:
NGÕ VÀO (INPUTS) NGÕ RA (OUTPUT)
Bảng 1-5 trình bày về bảng sự thật của cổng NOT, một loại cổng logic cơ bản trong mạch điện tử Cổng NOT thường xuất hiện dưới dạng các ký hiệu khác nhau, phù hợp với các cổng logic khác nhau Đặc điểm nhận biết của cổng NOT là có dấu hiệu là một vòng tròn nhỏ nằm ở ngõ ra hoặc ngõ vào, như minh họa trong hình 1-9 Hiểu rõ bảng sự thật của cổng NOT giúp thiết kế mạch logic chính xác và hiệu quả hơn trong các ứng dụng điện tử.
Hình 1-9: Cổng NOT sử dụng cùng với các cổng logic khác
Các cổng biến đổ i
Cổng NAND là sự kết hợp giữa cổng AND và NOT, trong đó ngõ ra là tín hiệu đảo của phép nhân logic của tất cả các ngõ vào Khi tất cả các ngõ vào đều đúng, ngõ ra của cổng NAND sẽ sai, ngược lại nó sẽ đúng, phản ánh tính chất đảo của cổng AND Kí hiệu của cổng NAND thể hiện rõ đặc điểm này, giúp dễ nhận biết trong mạch điện tử.
Hình 1-10: Kí hiệu cổng NAND b Bảng sự thật:
NGÕ VÀO (INPUTS) NGÕ RA (OUTPUT)
Bảng 1-6: Bảng sự thật cổng NAND 2 ngõ vào
Cổng NOR là sự kết hợp giữa cổng OR và cổng NOT, với ngõ ra là kết quả đảo của phép cộng logic của tất cả các ngõ vào (X = A + B) Đặc điểm nổi bật của cổng NOR là ngõ ra luôn trái ngược hoàn toàn với ngõ ra của cổng OR khi có cùng tổ hợp ngõ vào Ký hiệu của cổng NOR thể hiện rõ sự kết hợp này, giúp nhận diện dễ dàng trong mạch điện tử.
Hình 1-11: Kí hiệu cổng logic NOR b Bảng sự thật:
Bảng 1-7: Bảng sự thật cổng logic NOR
Cổng XNOR là sự kết hợp giữa cổng XOR và cổng NOT, mang đến ngõ ra hoàn toàn ngược lại với ngõ ra của cổng XOR khi có cùng tổ hợp đầu vào Được gọi là cổng “CÙNG DẤU”, cổng XNOR thường được sử dụng trong các mạch logic để xác nhận sự đồng nhất của các tín hiệu đầu vào Kí hiệu của cổng XNOR thể hiện rõ đặc điểm này, giúp các kỹ sư dễ phân biệt và áp dụng trong các thiết kế số.
NGÕ VÀO (INPUTS) NGÕ RA (OUTPUT)
Hình 1-12: Kí hiệu cổng logic XNOR b Bảng sự thật:
Bảng 1-8: Bảng sự thật cổng logic XNOR
BÀI 2: MẠCH NHỚ
Các phần tử nhớ cơ bản
Thiết bị nhớ đơn giản nhất lưu trữ một giá trị nhị nhân (0 hoặc 1), hay còn gọi là 1 Bit nhị phân, là bước đầu tiên trong công nghệ lưu trữ dữ liệu Mặc dù lưu trữ 1 Bit không nhiều, nhưng đây chính là nền tảng để xây dựng các mạch nhớ với dung lượng lớn hơn Flip-Flop (FF) là mạch nhớ cơ bản có khả năng lưu trữ 1 Bit nhị phân, đóng vai trò then chốt trong các hệ thống lưu trữ và xử lý dữ liệu Hiện nay, có nhiều loại FF như RSFF, DFF, JKFF, TFF, và tất cả đều chia sẻ các đặc điểm chung quan trọng trong thiết kế mạch nhớ.
2.1.1 RSFF(RS Flip-Flop) a Kí hiệu:
Hình 2-1: Kí hiệu RSFF Một RSFF có 02 ngõ vào là S (viết tắt của SET) và R (viết tắt của RESET) và 01 ngõ ra
Qvà một ngõ ra Q NOT kí hiệu là 𝑄𝑄�.
Khi ngõ vào S được kích hoạt nghĩa là 𝑆𝑆 = 1 thì FF lưu trữ mức logic 1 Lúc này ngõ ra
𝑄𝑄 = 1 và 𝑄𝑄� = 0 Ngược lại, khi ngõ vào 𝑅𝑅 = 1 thì FF lưu trữmức logic 0, ngõ ra 𝑄𝑄 0 và 𝑄𝑄� = 1.
Mạch logic của RSFF có thể được tạo thành từ các cổng NAND hoặc NOR, trong đó RSFF chủ yếu được làm từ các cổng NOR như thể hiện trên hình 2-2 (A) Phân tích mạch logic của RSFF rất quan trọng vì ngõ ra của nó được đấu ngược lại với ngõ vào, tạo thành đường hồi tiếp (feedback) phức tạp Chính đường hồi tiếp này là yếu tố then chốt giúp mạch có khả năng ghi nhớ trạng thái, làm cho tín hiệu ngõ vào liên tục tác động và duy trì trạng thái của mạch Phương pháp kết nối ngõ ra của cổng với ngõ vào của chính nó gọi là phản hồi (feedback) và là nền tảng cho chức năng lưu trữ của RSFF.
Hình 2-2 mô tả RSFF được chế tạo từ các cổng NOR và cho thấy đáp ứng của RSFF đối với các tổ hợp ngõ vào khác nhau Phân tích các tổ hợp ngõ vào S và R từ hình 2-2 (B) và (C) giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của RSFF trong các điều kiện khác nhau Điều này mang ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa thiết kế mạch logic, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định Việc nghiên cứu các kết hợp này cũng hỗ trợ trong việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống dựa trên RSFF.
Nếu 𝑆𝑆 = 1và 𝑅𝑅 = 0 thì RSFF ởtrạng thái SET, nghĩa là 𝑄𝑄 =𝑆𝑆 = 1 và 𝑄𝑄� = 0
Nếu 𝑆𝑆 = 0 và 𝑅𝑅 = 1thì RSFF ởtrạng thái RESET, nghĩa là 𝑄𝑄 =𝑅𝑅 = 0 và 𝑄𝑄� = 1
Nếu 𝑅𝑅 =𝑆𝑆 = 0 thì RSFF ở trạng thái NHỚ (MEMORY).
Nếu 𝑅𝑅 =𝑆𝑆 = 1 thì RSFF ở trạng thái BỊ CẤM (ILLEGAL) vì với tổ hợp ngõ vào này làm cho 𝑄𝑄� = 0 𝑣𝑣à 𝑄𝑄 = 0.
Bảng 2-1 chính là bảng sự thật của RSFF cổng NOR.
NGÕ VÀO NGÕ RA CHẾ ĐỘ
0 0 Không đổi Không đổi NHỚ
Bảng 2-1: Bảng sự thật của NOR RSFF
Cấu trúc RSFF còn được xây dựng từ hai cổng NAND, với sơ đồ mạch logic thể hiện rõ hoạt động của loại RSFF này So với RSFF cấu tạo từ hai cổng NOR, sơ đồ mạch của RSFF từ NAND có điểm khác biệt đáng chú ý, phản ánh đặc điểm hoạt động riêng biệt của từng loại Sơ đồ mạch cho thấy rằng hoạt động của RSFF từ NAND tương tự như RSFF từ NOR, nhưng có những điểm khác biệt quan trọng cần lưu ý trong thiết kế và ứng dụng.
Hình 2-3: Sơ đồ mạch RSFF cổng NAND
Trước tiên, ngõ ra 𝑄𝑄𝑣𝑣à �𝑄𝑄luôn luôn ở các cổngđối ngược nhau theo thứ tự ngõ vào 𝑆𝑆̅ và 𝑅𝑅� (Q nối với 𝑆𝑆̅ và 𝑄𝑄� nối với 𝑅𝑅�) so với RSFF 2 cổng NOR.
Các ngõ vào S và R của RS flip-flop đang ở trạng thái đảo, nghĩa là 𝑆̅ và 𝑅̅ đều ở mức cao, gây ra trạng thái đảo của chúng Điều này làm cho đặc tính ngõ vào của RSFF khác với RSFF sử dụng 2 cổng NOR, do chúng bị phủ định Để RSFF 2 cổng NAND ở trạng thái SET, ngõ vào S cần được kích hoạt ở mức 0 thay vì mức 1, trong khi để RSFF ở trạng thái RESET, ngõ vào R phải được kích hoạt ở mức 1 Trạng thái ILLEGAL xảy ra khi tổ hợp ngõ vào 𝑆̅=𝑅̅=0, khiến bộ nhớ gặp lỗi và không ổn định.
NGÕ VÀO NGÕ RA CHẾ ĐỘ
1 1 Không đổi Không đổi NHỚ
Bảng 2-2: Bảng sự thật của NAND RSFF
Logic đồng bộ
Trong các mạch số phức tạp, việc điều phối hoạt động của nhiều mạch con, gồm mạch tổ hợp và mạch nhớ, trở nên khó khăn và phức tạp Để giải quyết vấn đề này, một phương pháp đồng bộ các mạch khác nhau là cần thiết Tín hiệu xung nhịp đồng hồ (xung Clock) đã đóng vai trò quan trọng trong việc đồng bộ hoá hoạt động của các thành phần trong mạch số, đảm bảo tính chính xác và ổn định của hệ thống.
2.2.1 Các tín hiệu xung đồng bộ(Clock Signals)
Xung nhịp đồng bộ là tín hiệu dao động ở mức logic 0 và logic 1 tại một tần số xác định Mạch tạo xung đồng bộ có nhiệm vụ phát ra loại tín hiệu này, giúp đồng bộ các thiết bị trong hệ thống Tần số của xung nhịp đồng bộ có thể nằm trong khoảng từ dưới 1 Hz đến trên 4 GHz, tùy thuộc vào ứng dụng Đồ thị của xung đồng bộ, dạng xung vuông theo thời gian, được trình bày rõ nét trong hình 2-4.
Các mạch số cần được đồng bộ và kết nối với bộ tạo xung đồng bộ để theo dõi tín hiệu đồng bộ một cách chính xác Tưởng tượng mạch số như những người duyệt binh trong một đội hình, còn tín hiệu xung đồng bộ giống như tiếng trống thúc giục hành động đồng thời (đồng bộ) Các mạch sử dụng xung nhịp để đồng bộ hóa, hay còn gọi là logic đồng bộ, chỉ hoạt động khi tín hiệu đồng bộ ở trạng thái riêng biệt, ví dụ như kích hoạt theo sườn của xung đồng bộ (Edge-triggered), nghĩa là chỉ hoạt động khi xung thay đổi từ mức 0 lên mức 1 (sườn dương/rising) hoặc từ mức 1 xuống mức 0 (sườn âm/falling).
Các mạch hoạt động theo kiểu kích mức logic chỉ hoạt động khi xung đồng bộ tác động ở một mức logic nhất định (mức 0 hoặc mức 1), trong khi các mạch kích sườn hoạt động dựa trên các cạnh xung có thời gian chuyển đổi trạng thái rất ngắn Thời gian chuyển trạng thái của mạch kiểu kích sườn rất nhanh do tín hiệu đồng bộ thay đổi đột ngột, còn các mạch kiểu kích mức logic có thời gian chuyển dài hơn vì tín hiệu đồng bộ duy trì ở một mức logic trong khoảng 50% tổng thời gian của một xung Cả hai phương pháp kích đồng bộ đều phù hợp với các ứng dụng khác nhau, như minh họa trong Hình 2-5, giúp làm rõ sự khác biệt giữa phương pháp kích sườn và kích mức.
Hình 2-4: Xung nhịp đồng bộ
Hình 2-5: Xung kích sườn (A) và xung kích mức (B)
2.2.2 Giản đồthời gian (Timing Diagrams)
Bảng sự thật là công cụ hiệu quả để mô tả đặc tính của nhiều mạch số Tuy nhiên, nó không phù hợp cho các mạch sử dụng tín hiệu đồng bộ, vì không thể phản ánh đặc điểm theo thời gian của mạch Do đó, các kỹ sư và kỹ thuật viên thường sử dụng giản đồ thời gian để đo lường và thể hiện rõ các đặc tính của mạch đồng bộ, đảm bảo phân tích chính xác hơn về hoạt động của chúng.
Giản đồ thời gian là một đồ thị có trục hoành thể hiện thời gian, thường gồm nhiều tầng xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới Ví dụ điển hình, như Hình 2-6, minh họa một giản đồ thời gian phổ biến, trong đó tín hiệu đồng bộ cùng với ba tín hiệu khác được hiển thị Đồ thị này giống như một bức ảnh chụp nhanh, mô tả đặc tính động của mạch theo thời gian tác động để phân tích chính xác các quá trình xảy ra trong mạch.
Một FF (flip-flop) có khả năng thay đổi trạng thái bất cứ khi nào ngõ vào của nó được kích hoạt, đảm bảo hiệu quả trong việc lưu trữ thông tin RSFF thông thường không phải là mạch đồng bộ, nhưng trong nhiều trường hợp, RSFF hoạt động hiệu quả hơn khi được điều khiển bằng tín hiệu đồng bộ, giúp tăng độ chính xác và ổn định của hệ thống Việc biến đổi một NOR RSFF thành RSFF ở phiên bản xung đồng bộ hoàn toàn đơn giản, mang lại sự linh hoạt và dễ dàng trong thiết kế mạch số.
Hình 2-6 trình bày một RSFF NOR đã được sửa đổi thành phiên bản RSFF đồng bộ, trong đó mạch bao gồm hai cổng AND phía trước ngõ vào S và R, cùng với xung đồng bộ được đưa vào hai ngõ của các cổng này Khi xung đồng bộ ở mức logic 0, các cổng AND khóa tín hiệu của S và R, ngăn chặn thay đổi trạng thái của RSFF Ngược lại, khi xung đồng bộ ở mức logic 1, tín hiệu từ S và R được phép thay đổi trạng thái của RSFF, hoạt động theo kiểu kích theo mức logic, với mức kích hoạt là 1 và không kích hoạt là 0 Do đó, khi xung đồng bộ ở mức 0, các ngõ vào S và R không ảnh hưởng đến trạng thái của RSFF trừ khi xung đồng bộ chuyển sang mức 1, như minh họa trong sơ đồ thời gian của hình 2-7.
Hình 2-6: NOR RSFF đồng bộ
Hình 2-7: Giản đồ thời gian của NOR RSFF đồng bộ
Vì RSFF là nền tảng để xây dựng các loại FF khác, nên nó được phân tích chi tiết trong bài viết Người học dựa trên phân tích này có thể dễ dàng nhận diện và hiểu các loại FF còn lại, ví dụ như DFF, được tạo thành từ RSFF Việc nắm vững kiến thức về RSFF giúp mở rộng khả năng phân tích và ứng dụng các dạng FF khác một cách hiệu quả.
Trong hình 2-8, có hai phiên bản của DFF được trình bày: một loại là kích theo mức logic và loại còn lại là kích theo sườn Ngõ vào D của DFF được sử dụng chung cho cả hai ngõ vào S và R, giúp đảm bảo hoạt động chính xác của bộ nhớ tiên đoán Việc lựa chọn loại kích phù hợp ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của mạch logic, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu xử lý dữ liệu nhanh chóng và tin cậy.
DFF (Flip-Flop D) có cấu hình với hai ngõ ra Q và 𝑄𝑄, khác với RSFF có cặp ngõ vào Ngõ vào thứ hai của DFF dành cho xung đồng bộ, trong đó ký hiệu của ngõ vào này thể hiện loại xung kích hoạt Nếu ngõ vào đồng bộ được ký hiệu là EN (Enable), DFF sẽ kích hoạt theo mức logic của xung đồng bộ, còn nếu ký hiệu là CLK (Clock), DFF sẽ kích hoạt theo sườn của xung đồng bộ.
Hình 2-8 trình bày các dạng kích hoạt của DFF theo mức logic (A) và theo sườn (B), trong đó đồ thị thời gian của DFF kích theo mức logic (hình 2-9) cho thấy rằng xung đồng bộ ở mức 1 sẽ kích hoạt DFF để truyền dữ liệu liên tục Khi xung đồng bộ nhận mức logic 1, giá trị được đưa vào ngõ vào D lập tức chuyển qua ngõ ra, cho phép DFF hoạt động như một bộ truyền dữ liệu liên tục Ngược lại, nếu xung đồng bộ ở mức 0, DFF sẽ giữ nguyên trạng thái nhớ và duy trì giá trị cũ tại ngõ ra, bất kể dữ liệu tại ngõ vào D có thay đổi như thế nào Điều này giúp đảm bảo tính ổn định và chính xác của dữ liệu trong mạch số sử dụng DFF.
Hình 2-9 trình bày giản đồ thời gian của DFF kích theo mức logic 1, thể hiện rõ quá trình hoạt động của bộ đếm flip-flop trong chế độ này Trong khi đó, Hình 2-10 là giản đồ thời gian của DFF loại kích sườn, sử dụng cùng dữ liệu như hình 2-9, nhưng cho phép thay đổi ngõ ra khi xung đồng hồ kích sườn lên, tức là chuyển trạng thái từ 0 lên 1 Điều này cho thấy, DFF loại kích sườn chỉ thay đổi trạng thái tại các cạnh lên của xung đồng hồ, giúp tăng độ chính xác trong thời gian xử lý.
DFF giữ nguyên trạng thái ngõ ra bất kể giá trị ngõ vào thay đổi, giúp đảm bảo ổn định của tín hiệu trong mạch số Giản đồ thời gian cho thấy DFF loại kích sườn ít thay đổi trạng thái do thời gian chuyển đổi diễn ra rất nhanh, làm cho trạng thái của nó ổn định hơn Tuy nhiên, kết quả này dẫn đến hai giản đồ thời gian của các loại DFF hoàn toàn khác nhau mặc dù dữ liệu đầu vào D giống nhau, phản ánh cách hoạt động khác biệt của các loại DFF trong mạch số.
DFF có thể được thiết kế để đáp ứng theo mức logic 0 thay vì mức logic 1, giúp tăng tính linh hoạt trong thiết kế mạch số Ngoài ra, DFF cũng có thể hoạt động theo kích sườn xuống (falling edge) thay vì kích sườn lên (rising edge), tùy thuộc vào ký hiệu logic của xung đồng bộ Khi xuất hiện tín hiệu 𝐸𝐸𝐸𝐸 (thời điểm kích hoạt luôn luôn 𝐸𝐸𝐸𝐸), điều này cho thấy DFF kích theo mức logic 0, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu trong mạch số Tương tự, DFF loại kích sườn xuất hiện khi có tín hiệu 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶, đảm bảo hoạt động chính xác theo yêu cầu của thiết kế mạch điện tử số.
������ (𝑡𝑡ℎ𝑎𝑎𝑎𝑎𝑣𝑣ì 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶) có nghĩa là kích sườn xuống.
Hình 2-10: Giản đồ thời gian DFF kích sườn dương
BÀI 3: MẠCH ĐẾM
Các hệ thống số đếm
Hệ đếm nhị phân được sử dụng rộng rãi trong mạch số, trong đó mỗi con số gọi là một bit (Binary digit) Hệ nhị phân gồm hai ký số là 0 và 1, tuân theo luật vị trí biểu diễn trọng số tương ứng (cấp nhị phân) Bit đầu (hàng tận cùng bên trái) có giá trị cao nhất gọi là MSB, trong khi bit cuối cùng (tận cùng bên phải) có giá trị thấp nhất gọi là LSB Cơ số của hệ nhị phân là 2, giúp dễ dàng ứng dụng trong thiết kế mạch số và xử lý dữ liệu số.
Ghi chú: MSB là viết tắt của Most Significant Bit và LSB là viết tắt của Least Significant Bit.
3.1.2 Hệthập lục phân (Hexadecimal number)
Hệ HEX sử dụng 16 ký số gồm mười kí số của hệ thập phân0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,
8,9 và sáu chữ cái viết hoa đầu tiên của bảng chữ cái Latin: A, B, C, D, E, F.
Ví dụ về biểu diễn số ở hệ HEX: 3C2; 4FF; 516,4A.
Tương tự như các hệ nhị phân, hệ HEXcó cơ số đếm là 16.
Trong hệ HEX, mỗi ký tự như A, B, C, D, E, F đại diện cho một nhóm 4 chữ số nhị phân, giúp đơn giản hóa cách viết và đọc các dữ liệu nhị phân Việc sử dụng hệ HEX là phương pháp tối ưu để rút ngắn và dễ dàng quản lý thông tin trong các hệ thống máy tính Nhờ có con số Hex, quá trình chuyển đổi giữa hệ nhị phân và hệ thập phân trở nên nhanh chóng và tiện lợi hơn Hệ HEX ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong lập trình, phân tích dữ liệu và kỹ thuật số, giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu lỗi trong xử lý dữ liệu.
Bảng 3-1 thểhiện 16 số thập phân từ 0 đến 15 ở dạng nhị phân, dạng 4 bit nhị phân và dạng HEX.
Decimal Binary Binary (4-bit) Hexadecimal
Bảng 3-1: Biểu diễn 16 số thập phân 0÷15 dưới dạng BIN, BIN 4 bit và HEX
3.1.3 Mã BCD (Binary Coded Decimal)
Mã nhị thập phân BCD-8421 sử dụng 4 Bit nhị phân để thể hiện.
BCD-8421 hay còn gọi là BCD tự nhiên dùng để nhấn mạnh trọng số của các ký số được sử dụng trong 1 từ mã là 2 3 , 2 2 , 2 1 , 2 0
Mã BCD dùng số nhị phân 4 Bit có giá trị tương đương thay thế cho từng số hạng trong số thập phân
Ví dụ: Số tự nhiên 62510 có mã BCD là 0110 0010 0101.
Mã BCD giúp việc truyền dữ liệu số trở nên dễ dàng và chính xác hơn, vì mạch điện tử có thể đọc các số BCD và hiển thị ra bằng đèn bảy đoạn (LED 7 đoạn hoặc LCD), tạo ra màn hình số rõ ràng, giống như cách con người đọc và viết số thập phân Đây là công nghệ phổ biến trong các thiết bị đo lường và hiển thị số, mang lại sự thuận tiện và độ chính xác cao trong quá trình vận hành.
Số thập phân Trọng số của mã BCD-8421
Bảng 3-2: Cấu tạo mã BCD
Bộ đếm nhị phân
Hình 3-1 là sơ đồ mạch đếm nhị phân kiểu đếm lên từ 0000 (0 thập phân) đến 1111
Mạch đếm 15 thập phân bao gồm 4 JKFF, với các ngõ vào J và K luôn được kích hoạt ở mức logic 1, giúp JKFF hoạt động ở chế độ lật mạch (TOGGLE) Mỗi khi xung đồng bộ có sự tác động ở cạnh xuống, JKFF sẽ thay đổi trạng thái từ 1 xuống 0, góp phần tạo ra quá trình đếm chính xác theo hệ thập phân Xung đồng bộ thường được ký hiệu là 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶, đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát hoạt động của mạch đếm này.
Hình 3-1 Sơ đồ bộ đếm nhị phân 4 Bit và giản đồ thời gian của các ngõ ra
Xung cần đếm được được đưa vào làm xung đồng bộ CCC Tác động cạnh xuống của tầng FF đầu tiên đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý xung, có thể là một chuỗi xung vuông có chu kỳ không cố định Việc xác định chính xác các xung này giúp đảm bảo hoạt động đồng bộ của hệ thống kỹ thuật số.
Các ngõ ra của FF trước sẽ được kết nối với ngõ vào xung đồng bộ của FF đứng sau, tạo thành chuỗi liên tục trong hệ thống Các ngõ ra của các FF trong mỗi tầng lần lượt được kết nối tới ngõ vào đếm của tầng tiếp theo, trừ FF ở tầng cuối cùng Các tín hiệu này được đặt tên lần lượt là Q0 (Cơ sở), Q1, Q2, Q3 (MSB) nhằm giúp phân biệt các phần tử trong luận lý đếm.
Vì sơ đồ nối mạch được ghép từ trái sang phải nên tổ hợp ngõ ra đếm phải tính ngược lại từ phải sang trái, gồm các giá trị 𝑄𝑄 3, 𝑄𝑄 2, 𝑄𝑄 1, và 𝑄𝑄 0 Đây là mạch đếm lên, bắt đầu từ trạng thái 0000 (0 trong hệ thập phân) đến 1111 (15 trong hệ thập phân), và sau đó sẽ tự động đếm lại từ đầu.
Mạch đếm thường bắt đầu ở trạng thái 0000, khi một xung mức thấp tác động vào chân C của các tầng flip-flop để đặt trạng thái đầu ra là 0000 Khi xung đếm có cạnh xuống đầu tiên, Q0 chuyển từ 0 sang 1, đánh dấu sự thay đổi trạng thái của bộ đếm Ở cạnh xuống thứ hai của xung, Q0 lại chuyển từ 1 về 0, liên tục lặp lại sau mỗi xung đồng bộ, giúp mạch đếm tiến hoặc lùi theo sự tác động của các xung.
Trong quá trình xử lý, tín hiệu 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶������ tác động hai lần, khiến Q0 quay trở về trạng thái ban đầu Nếu xung 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶������ có chu kỳ T và tần số là 𝑓𝑓th, thì xung ngõ ra 𝑄𝑄 0 sẽ có chu kỳ gấp đôi, là 2T, và tần số còn lại là 1/2 𝑓𝑓 Như vậy, xung đếm 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶������ sau một tầng bộ phân tần (FF) sẽ có tần số giảm đi một nửa, giúp chia đôi tần số của tín hiệu đầu vào.
Do 𝑄𝑄 0 lại trở thành ngõ vào xung đếm của FF thứ 2 nên tương tự tần như vậy 𝑓𝑓 𝑄𝑄1 1
Mạch đếm nhị phân 4 bit sử dụng 4 flip-flop (FF) tạo ra 16 trạng thái logic khác nhau từ 0000 (0 trong hệ thập phân) đến 1111 (15 trong hệ thập phân), tương ứng với 16 xung đếm đầu tiên đến xung đếm thứ 16 Do đó, trị thập phân của trạng thái phản ánh số xung đếm đã qua, xác nhận đây là mạch đếm chia 16, hoạt động dựa trên việc chia tần số sau mỗi tầng flip-flop để tạo ra các tín hiệu đếm chính xác theo chu kỳ.
Bộ đếm BCD
Cấu tạo của bộ đếm gồm 4 loại FF JK, có các trạng thái ra Q3, Q2, Q1, Q0 tương ứng với bốn bit của mã BCD Các giá trị này biểu diễn một số thập phân dưới dạng một từ mã BCD, trong đó Q3 có trọng số 2³, Q2 có trọng số 2², Q1 có trọng số 2¹, và Q0 có trọng số 2⁰, giúp đếm số xung một cách chính xác.
Cổng G (AND) có nhiệm vụ kìm hãm FFD từ xung 0-7 đến lúc B=C=1, G cho phép J (của FFD) = 1, lúc đó D=1, D=0 được hồi tiếp quay về FFB thông quađầu vào J=K=D=0 của nó →B=0C=0.
Theo giản đồ khi xung thứ 8 kếy thúc, Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 00 tương ứng với việc phân tích vừa xong. Đến xung thứ 9, mạch làm việc bình thường, chỉ có FFA chuyển nên
Khi xung thứ 10 xuất hiện (xét sườn đi xuống) A=C=0 theo thứ tự bình thường của bộ đếm nhị phân.
Do đường hồi tiếp Q=D=0 nên với FFB ta có:
A=C P =J =K=0 →B=0 qua cổng G (AND) làm I D =0 và 𝐷𝐷 = 0 Hai giá trị B và D đáng lẽ theo trật tự của bộ đếm phải bằng 1 nhưng do đường hồi tiếp sau xung thứ
10 ta nhận được Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 00 kết thúc một chu trình của bộ đếm BCD.
Hình 3-2 Sơ đồ bộ đếm BCD
Hình 3-3 Giản đồ thời gian của bộ đếm BCD
Bộ đếm kiểu đếm lên/đếm xuống (Up/down counters)
Các bộ đếm có thể được biến đổi từ các bộ đếm cơ bản để thực hiện nhiều chức năng khác nhau, chẳng hạn như đếm xuống thay vì đếm lên Một số bộ đếm còn có khả năng thực hiện cả hai chức năng đếm lên và đếm xuống, thông qua ngõ vào điều khiển “DIRECTION” Khi ngõ vào này kết nối với mức logic 1, bộ đếm sẽ đếm lên, còn nếu kết nối với mức logic 0, bộ đếm sẽ đếm xuống, giúp linh hoạt trong các ứng dụng điều khiển số.
Hình 3-4 trình bày ví dụ về một mạch đếm lên/xuống, trong đó chế độ đếm lên hay xuống phụ thuộc vào việc nối từ ngõ ra G của tầng trước tới ngõ vào của tầng sau Cần sử dụng một cổng OR hai ngõ vào để kết nối các tín hiệu này, giúp xác định hướng đếm phù hợp Việc lựa chọn chế độ đếm lên hoặc xuống được điều khiển bởi một ngõ đặc biệt, góp phần điều chỉnh hoạt động của mạch đếm Cấu trúc của mạch đếm sẽ được thiết kế dựa trên nguyên tắc này, đảm bảo hoạt động chính xác theo yêu cầu.
Hình 3-4Sơ đồ một bộ đếm lên/xuống
TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 3:
3.1 Hệ nhị phân (Binary number)
3.4 Bộ đếm kiểu đếm lên/đếm xuống (Up/down counters)
CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 3:
Câu 1 Số C ở hệ thập lục phân (Hexadecimal) có giá trị thập phân tương ứng là ……
Câu 2 Giá trị lớn nhất của mã BCD là bao nhiêu?
Câu 3 Hệthập phân kýhiệu là ……
Câu 4 Hệ thập lục phân gồm bao nhiêu ký số?
Câu 5 Kýhiệu của hệthập lục phân là ……
Câu 6 Ký số nào sau đây không thuộc hệ thập lục phân (HEX)?
Câu 1: Sử dụng RSJK để lắp độ đếm lên
Câu 2: Sử dụng FFJK để lắp độ đếm xuống
BÀI 4: CÁC MẠCH SỐ HỌC VÀ GIẢI MÃ
M ạch số học
Các mạch số học trong máy tính thường phức tạp, nhưng tất cả phép toán số học đều dựa trên nền tảng phép cộng Nếu bạn có thể thực hiện phép cộng, bạn hoàn toàn có thể thực hiện các phép trừ, nhân và chia Phép trừ tương tự như cộng với số âm, phép nhân là cộng lặp lại nhiều lần, còn phép chia là trừ lặp lại nhiều lần, giúp hiểu rõ hơn về quá trình thực hiện các phép tính trong hệ thống máy tính.
Phép cộng thập phân được thực hiện theo từng cột từ phải sang trái, và khi tổng của một cột lớn hơn 9, số nhớ sẽ được chuyển sang cột kế tiếp Trong quá trình cộng, cần cộng thêm số nhớ từ lần cộng trước để đảm bảo kết quả chính xác Phép cộng số nhị phân cũng tuân theo nguyên tắc giống như vậy, nhưng điểm khác là lượng số nhớ tăng lên sẽ lớn hơn do giá trị vượt quá giới hạn tối đa của từng bit Hình 4-2 minh họa rõ ràng cách thức thực hiện phép cộng thập phân và nhị phân có nhớ giữa các cột, giúp người học dễ hình dung hơn về quy trình cộng có nhớ trong các hệ số khác nhau.
Hình 4-1: So sánh phép cộng thập phân và phép cộng nhị phân
Một mạch cộng nhị phân là một mạch logic tổ hợp có 3 ngõ vào và 2 ngõ ra, dùng để thực hiện phép cộng trong hệ nhị phân Hình 4-2 trình bày ký hiệu logic của một mạch cộng nhị phân có khả năng cộng 2 bit, giúp xử lý các phép tính số học cơ bản trong các hệ thống số.
A và B nhận 2 Bit nhị phân để cộng lại với nhau.𝐶𝐶 𝐼𝐼𝐼𝐼 nhận số nhớ từ phép cộng ở cột trước đó Schính là tổng 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 là số nhớ của cột kế tiếp.
Hình 4-2 trình bày ký hiệu bộ cộng nhị phân, trong đó phép cộng chỉ thực hiện cộng 2 bit nhị phân tại một thời điểm Vì vậy, để thực hiện các phép cộng nhiều bit, mạch cộng này phải được lặp lại nhiều lần cho đến khi đủ số bit cần thiết Hình 4-3 cho thấy một bộ cộng nhị phân có thể xử lý hai số nhị phân 8-bit bằng cách ghép nhiều mạch cộng nhị phân lại với nhau Đặc biệt, các mạch cộng nhị phân này được liên kết theo kiểu ghép nối để tạo thành bộ cộng lớn hơn, trong đó output của một mạch là input của mạch kế tiếp, nhờ đó các phép cộng nhiều bit được thực hiện một cách liên tục và chính xác.
Hình 4-3: Sơ đồ bộ cộng 8-bit được ghép nối từ 8 mạch cộng nhị phân 1 bit.
4.1.3 Sơ đồmạch logic bộcộng nhịphân
Mạch cộng nhị phân đơn giản gồm 6 cổng logic như XOR, AND, OR được ghép nối với nhau để thực hiện phép cộng nhị phân Cấu hình này bao gồm 2 cổng XOR, 3 cổng AND và 1 cổng OR, như thể hiện trong hình 4-4 Thực tế, mạch này gồm hai mạch riêng biệt: mạch đầu tiên gồm 2 cổng XOR với 3 ngõ vào A, B, và Carry-in, nhằm tính tổng và Carry-out.
B và 𝐶𝐶 𝐼𝐼𝐼𝐼 ) để tạo ratổng (S) Mạch thứ hai gồm 3 cổng AND và 1 cổng OR Mạch thứ
2 làm việc để tính ra số nhớ cho lần cộng tiếp theo (ở cột tiếp theo) Bảng 4-1 là bảng sự thật của mạch cộng nhị phân một bit.
Hình 4-4: Sơ đồ logic mạch cộng nhị phân 1 bit
Bảng 4-1 Bảng sự thật bộ cộng nhị phân 1 bit
M ạch giải mã
Mạch số hoạt động với các số nhị phân để xử lý và truyền tải thông tin kỹ thuật số Tuy nhiên, để người dùng dễ dàng hiểu và tương tác, thông tin nhị phân thường được hiển thị ở dạng thân thiện như màn hình LCD hoặc các thiết bị hiển thị video, mặc dù chúng thường đắt tiền và ít phổ biến trong thực tế Trong các ứng dụng đơn giản, các đèn LED hoặc hiển thị số là đủ để truyền đạt dữ liệu nhị phân một cách rõ ràng Các mạch số đặc biệt, gọi là mạch giải mã, có chức năng chuyển đổi thông tin nhị phân thành các dạng khác như số thập phân hoặc mẫu hiển thị qua đèn LED, giúp dễ dàng đọc và xử lý dữ liệu hơn.
Mạch tổ hợp trong mạch số là loại mạch có trị số ổn định của tín hiệu đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào, phụ thuộc hoàn toàn vào tổ hợp các giá trị đầu vào tại thời điểm đó Điều này giúp đảm bảo tính chính xác và đáng tín cậy trong xử lý tín hiệu số Mạch tổ hợp đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống kỹ thuật số hiện đại, nhờ vào khả năng phản hồi nhanh và ổn định Hiểu rõ đặc điểm của mạch tổ hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện tử và hệ thống điều khiển.
Trong mạch tổ hợp, trạng thái mạch điện trước thời điểm xét không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra, đảm bảo tính xác định của quá trình xử lý tín hiệu Đặc điểm nổi bật của mạch tổ hợp là được cấu thành từ các cổng logic, giúp thực hiện các chức năng logic một cách chính xác và nhanh chóng Quy trình hoạt động của mạch dựa trên trạng thái ban đầu, không phụ thuộc vào quá khứ, nên hiệu quả và độ tin cậy cao trong các ứng dụng điện tử.
Bộ giải mã là một mạch logic quan trọng trong các hệ thống điện tử, có nhiệm vụ chuyển đổi mã nhị phân đầu vào thành một tín hiệu logic duy nhất ở đầu ra Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc xác định chính xác một trong các trạng thái đầu ra dựa trên mã nhị phân đã được cấp vào Bộ giải mã đóng vai trò thiết yếu trong việc thực hiện các chức năng phân biệt và điều hướng tín hiệu trong các mạch số phức tạp Nhờ đó, bộ giải mã giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống bằng cách đảm bảo các tín hiệu đầu ra chính xác, phản ứng nhanh với mã nhị phân đầu vào.
Với \( n \) ngõ vào, hệ thống sẽ có \( 2^n \) tổ hợp tín hiệu đầu vào khác nhau Thông thường, số ngõ ra của hệ thống sẽ phản ánh đúng số lượng tổ hợp tín hiệu đầu vào này, tức là cũng là \( 2^n \) Điều này cho thấy mối liên hệ trực tiếp giữa số lượng ngõ vào và số lượng tổ hợp tín hiệu ảnh hưởng đến số ngõ ra của hệ thống Hiểu rõ điều này giúp tối ưu hóa thiết kế và phân tích các hệ thống logic, digital.
Trong hệ thống mã đầu vào, mỗi tổ hợp mã chỉ có một đầu ra duy nhất phản ánh trạng thái hoạt động tích cực của mã đầu vào đó Các đầu ra khác sẽ duy trì trạng thái không tích cực để đảm bảo tính rõ ràng và chính xác trong quá trình xử lý dữ liệu Đặc điểm này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của hệ thống mã hóa, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu phản hồi chính xác dựa trên mã đầu vào cụ thể.
4.2.1 Bộgiải mã cơ bản(Basic Decoder)
Bộ giải mã là một mạch logic tổ hợp có nhiều ngõ vào và ngõ ra, trong đó tín hiệu ngõ vào là các số nhị phân Mạch phân tích tổ hợp số ở ngõ vào để kích hoạt duy nhất một ngõ ra phù hợp với tổ hợp đó Hình 4-5 trình bày bộ giải mã cơ bản với 3 ngõ vào (𝐼𝐼 0 ÷𝐼𝐼 2) và 8 ngõ ra (𝑂𝑂 0 ÷𝑂𝑂 7), dùng để điều khiển trạng thái của 8 đèn trên bảng điều khiển của một máy.
Bộ giải mã có tổ hợp ngõ vào là mã nhị phân 3 bit từ 000 đến 111, tương đương từ 0 đến 7 trong hệ thập phân Mạch logic bên trong sẽ phân tích tín hiệu đầu vào nhị phân và kích hoạt chính xác một trong các ngõ ra dựa trên giá trị này Chẳng hạn, nếu tổ hợp ngõ vào là 011 (tương ứng với số 3 trong hệ thập phân), thì ngõ ra 𝑂𝑂3 sẽ được kích hoạt (giá trị logic 1), còn các ngõ ra còn lại sẽ giữ trạng thái không hoạt động (giá trị logic 0).
Hình 4-5: Kí hiệu logic của bộ giải mã cơ bản
Hình 4-6 trình bày sơ đồ logic bên trong của mạch giải mã đơn giản 3 đường thành 8 đường, dựa trên sự ghép nối của các cổng AND và NOT Mạch giải mã này được xây dựng từ việc phân tích bảng sự thật của bộ giải mã đơn giản (Bảng 4-2), giúp hiểu rõ cách hoạt động của các cổng logic trong quá trình chuyển đổi tín hiệu Thiết kế này cho phép mạch chuyển đổi chính xác từ 3 đầu vào thành 8 đầu ra khác nhau, đảm bảo hiệu quả trong các hệ thống số.
Hình 4-6: Sơ đồ logic bộ giải mã cơ bản (3 đường thành 8 đường)
4.2.2 Mạch giải mã BCD sang LED 7 đoạn hiển thị(IC 7447)
LED (Light Emitting Diode) - Diode phát quang
Đầu tiên, chúng ta cần hiểu cấu trúc và các loại đèn LED 7 đoạn, thường được chia thành các loại dựa trên cách kết nối chung của các LED con, như đèn LED 7 đoạn chung anode (AC) hoặc chung cathode (KC) Các đèn LED 7 đoạn này được sắp xếp theo hình dạng số, giúp dễ dàng hiển thị các chữ số và ký tự số một cách rõ ràng và trực quan Việc phân biệt giữa đèn LED 7 đoạn chung anode và chung cathode rất quan trọng trong thiết kế mạch, bởi nó ảnh hưởng đến cách điều khiển và kết nối của từng loại Hiểu rõ cấu trúc và loại đèn LED 7 đoạn góp phần tối ưu hóa hiệu suất hoạt động cũng như đảm bảo tính chính xác khi thực hiện các dự án điện tử, điều này giúp bạn chọn đúng loại phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của mình.
Trong hệ thống, có 8 vuông (như hình 4-7) cùng với một LED con được dùng làm dấu phẩy thập phân để hiển thị số chính xác LED này được điều khiển riêng biệt, không qua mạch giải mã, giúp dễ dàng tùy chỉnh và theo dõi trạng thái Các chân ra của LED được sắp xếp thành 2 hàng, mỗi hàng có chân A chung hoặc K chung, đảm bảo kết nối hợp lý và thuận tiện cho việc điều khiển Thứ tự sắp xếp của các chân này đã được trình bày rõ ràng để phù hợp với thiết kế và dễ dàng lắp đặt trong hệ thống.
Hình 4-7:Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn
Hình 4-8 trình bày về đèn LED 7 đoạn loại anode chung và cathode chung Để hiển thị số trên đèn LED, các thanh LED tương ứng cần phải sáng lên, do đó, mọi thanh LED đều cần được phân cực đúng với các điện trở từ 180 đến 390 ohm, thường sử dụng nguồn cấp 5V IC giải mã có nhiệm vụ kết nối các chân a, b, c, d, e, f, g của LED xuống mass hoặc nguồn để điều khiển hiển thị số, tùy thuộc vào kiểu phân cực chung của đèn LED.
Bạn có thể sử dụng IC 74LS47 để thực hiện mạch giải mã, vì đây là IC giải mã đồng thời có thể kích hoạt trực tiếp LED 7 đoạn loại Anode chung nhờ các ngõ ra cực thu hở và khả năng nhận dòng đủ lớn Sơ đồ chân của IC 74LS47 như sau, giúp bạn dễ dàng kết nối và thiết kế mạch điều khiển LED 7 đoạn hiệu quả.
Hình 4-9: Sơ đồ chân và kí hiệuIC 74LS47 Trong đó:
+ A, B, C, D là ngõ vào ở dạng mã BCD
+ RBI là ngõ vào xóa gợn sóng.
+ LT là ngõ thử đèn.
+ BI/RBO là ngõ vào xóa hay ngõ ra xóa gợn sóng.
+ 𝑎𝑎�÷𝑔𝑔̅là 7 ngõ rakích hoạt ở logic mức 0.
NGÕ VÀO NGÕ RA Số thập phân hiển thị
Bảng 4-3: Bảng sự thậtcủa bộ giải mã BCD thành 7 đoạn
Ngoài 10 số từ 0 đến 9 được giải mã, mạch cũng còn giải mã được 6 trạng thái khác, ở đây không dùng đến. Để hoạt động giải mã xảy ra bình thường thì chân LT và BI/RBO phải ở mức cao Muốn thử đèn led để các led đều sáng hết thì kéo chân LT xuống thấp.
Muốn xoá các số (tắt hết led) thì kéo chân BI xuống thấp.
Hình 4-10: Sơ đồ nối IC 74LS47 điều khiển LED 7 đoạn anode chung
TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 4:
CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 4:
Cho mạch cộng nhịphân như hình vẽtrên Nếu 𝐴𝐴= 0,𝐵𝐵= 1 𝑣𝑣à 𝐶𝐶 𝐼𝐼𝐼𝐼 = 1 thì giá trị ngõ ra S và 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 bằng bao nhiêu?
Cho mạch cộng nhịphân như hình vẽtrên Nếu 𝐴𝐴 = 1,𝐵𝐵= 1 𝑣𝑣à 𝐶𝐶𝐼𝐼𝐼𝐼 = 1 thì giá trị ngõ ra S và 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 bằng bao nhiêu?
Cho mạch cộng nhịphân như hình vẽtrên Nếu 𝐴𝐴= 1,𝐵𝐵= 1 𝑣𝑣à 𝐶𝐶 𝐼𝐼𝐼𝐼 = 0 thì giá trị ngõ ra S và 𝐶𝐶 𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 bằng bao nhiêu?
Câu 4 Bộ cộng nhị phân thực hiện phép tính tổng (S) từ phần mạch có cấu tạo từ 2 cổng ……
Câu 5 Khi một bộ giải mã phân tích một tổ hợp ngõ vào tác động thì nó sẽ kích hoạt bao nhiêu ngõ ra?
B) Chỉ một ngõ ra được kích hoạt
D) Tín hiệu xung đồng bộ
Hình trên là ký hiệu của một bộ giải mã Hãy xác định số ngõ vào và số ngõ ra của bộ giải mã này?
A) 3 ngõ vào và 8 ngõ ra
B) 8 ngõ vào và 3 ngõ ra
C) 3 ngõ vào và 3 ngõ ra
D) 8 ngõ vào và 8 ngõ ra
Hình trên là ký hiệu của một bộ giải mã Hãy xác định số tổ hợp ngõ vào và số ngõ ra của bộ giải mã này?
A) 3 tổ hợp ngõ vào và 8 ngõ ra
B) 8 tổ hợp ngõ vào và 3 ngõ ra
C) 3 tổ hợp ngõ vào và 3 ngõ ra
D) 8 tổ hợp ngõ vào và 8 ngõ ra
Hình trên là ký hiệu của một bộ giải mã.
Nếu I 0 = 0, I 1 = 1 và I 2 = 1 thì ngõ ra nào được kích hoạt?
Câu 1: Lắp mach cộng số học theo yêu cầu
Câu 2: Lắp mạch giải mã BCD sang LED 7 đoạn
PHỤ LỤC A: CÁC VI MẠCH CỔNG VÀ FF THÔNG DỤNG
PHỤ LỤC B: CÁC VI MẠCH TỔHỢP THÔNG DỤNG
PHỤ LỤCC:CÁC VIMẠCH TUẦN TỰ THÔNG DỤNG
Mạchđếm nhịphân 4bit đồng bộ
Các ngõ vào Các ngõ ra Chức năng
CLR LOAD ENP ENT CLK Q A Q B Q C Q D
H H x L Không thay đổi Không đếm à
H H L x Không thay đổi Không đếm
H H H H Đếm lên Đếm x x x x Khôngthay đổi Không đếm
RCO (Ripple Carry Out)=ENT.QA.QB.QC.QD
Mạch đếm lên/xuống đồng bộ nhị phân 4 bit
UP DN LOAD CLR Chức năng
H H L Khôngđếm x x L L Nhập dữ liệu x x x H Reset về 0
Mạch đếmmod12 (mod 2 và mod 6)
Mạch đếmmod16 (mod 2 và mod 8)
Thanh ghi dịch trái/phải PIPO
Mạch chốt dữ liệu 8 bit