Giao trinh ky thuat so p2

Giáo trình kỹ thuật số

_ Phần 3

MACH DAY

97

CHUONG 6

CAC PHAN TU NHO CO BAN

6-1 GIO! THIEU

Nhu da trinh bay 6 trén, mach số được chia lam 2 loại :

1) Mạch tổ hop (Combinational Circuits) lA mach tin hiéu chi phu thudéc vao tin hiéu

vào Các phần tử cơ bản để xây dựng nên hệ tổ hợp là các mạch AND, OR, NAND,

NOR,

2) Mạch dãy — Mạch tuần tự (Sequemial circuis) là mạch tín hiệu ra phụ thuộc không những vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái trong của mạch, nghĩa là mạch có

lưu trữ, nhớ các trạng thái Dếể xây dựng mạch dãy ngoài, các mạch tổ hợp cơ bản như

AND, OR, NAND, NOR còn cần phải có các phần tử nhớ

Chương này sẽ nghiên cứu các phần tử nhớ cơ bản để tạo thành mạch dãy Các mạch này được gọi là các Flip Flop (thường được viết tất là Ƒ#), chúng là các phần tử nhớ đơn bít

vÌ có khả năng nhớ được một chữ số nhị phân

6-2 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHẦN LOẠI

6_2.1 ĐỊNH NGHĨA

Flip - Flop (#) là phần

tử cố khả năng lưu trữ (nhớ) 1

trong 2 trạng thái 0 hay 1

FF có từ 1 đến một vài

Pr

Q

Qvà © Tuy từng loại FF do ee ee rip - Fon

xoá (thiết lập "0" - Clear), đầu Ck

vào thiết lập "1" (Preset).Ngoài

vào đồng bộ (Clock) Sơ đồ

khối tổng quát cua mot FF Hình 6-1 Sở đồ tổng quát cho một Flip - Flop

được cho 6 hinh 6-1

98

Các ký hiệu về tính tích cực được chỉ ra trong hình 6-2

Ký hiệu Tính tích cực của tín hiệu

——————4 Tích cực là múc thấp 'L"

—————Ä Tích cục là múc cao "H"

———>b Tích cực là sưởn dướng của xung nhịp

————+ Tích cực là suởn âm của xung nhịp

Hình 8-2 Bảng ký hiệu về tính tích cực

VÍ dụ : Flip - Flop cho trong hình 6-8 la Flip — Flop loai JK, co dau vao Pr

(thiết lập "1"), tích cực ở "H", Clear (thiết lập ở "09, Pr |

6.2.2 PHAN LOAI

K

- Theo chức năng làm việc của các đầu

vào điều khiển : hiện nay thường sử dụng loại

FF một đầu vao D - FF, 7'- FF' và loại FF hai

dau vao RS - FF va JK - FF , ngoài ra đôi khi

còn có thể gặp loại ##' nhiều đầu vào

- Theo cách làm việc ta có loại ##

Ck

Clear Hình 6-3 FF loai JK

không đồng bộ và đồng bộ Đối với loại không đồng bộ, các tín hiệu điều khiển vẫn điều

khiển được hoạt động của Ƒ*' đúng không cần tín hiệu đồng bộ Ngược lại, ở loại F#' đồng

bộ các tín hiệu điều khiển chỉ điều khiển được hoạt động của ##' khi và chỉ khi có tín hiệu đồng bộ và tín hiệu này tích cực Loại đồng bộ

loại đồng bộ chủ - tớ (Master - Slave)

này lại được chia làm loại đồng bộ thường và

Sơ đồ khối của sự phân loại ##' được cho ở hình 6-4

| Ztp-fty |

Theo chức nững Theo cach lam việt

(o-FF ) (T-FF) (RS-FF) (UK-FF)

y

(Asyne} (Sync

(Normal) (Master- Slave}

Hinh 6-4 Cach phan loai Flip - Flop

99°

6_2.3 BIEU DIEN FLIP - FLOP

DE mé ta mét FF ngudi ta cd thé ding :

¬ Bảng chân lý (Bảng chức năng) ;

- Đồ hình chuyển đổi trạng thái ;

— Phương trỉnh đặc trưng

Các phương pháp biểu diễn này sẽ được trình bày chỉ tiết cho từng loai FF trong các phần tiếp theo

6_3 CÁC LOẠIFLIPFLOP (FF) VÀ ĐIỀU KIỆN DONG BO

Theo chức năng có 4 loai FF co ban : D, T, RS va JK Hinh 6-5 la bang chan ly cia

các loại FF' với : hinh 6-5,a cho D - FF, hinh 6-5,b cho T ~ FF, hinh 6-5,c cho RS -FF va

hinh 6—5,d cho JK - FF

R 5 Q Q' J K Q Q

Hình 8-5 Bảng chúc năng của cdc FF

a Bang chân lý của D - FF ; b Bang chan ly cua 7 - FF ;

c Bảng chân ly cua RS - FF a Bang chan ly cua JK - FF

100

Các FF' đều có thể xây dựng từ các mạch tổ hợp có hồi tiếp Ta biết rằng mạch có hồi tiếp chỉ có thể làm việc tin cậy khi điều kiện sau đây được thoả mãn :

Mạch không rơi vào trạng thái dao động dưới tác động của bất kỳ tập tín hiệu điều khiển vào nào Điều này có nghĩa là, ứng với mỗi tổ hợp tín hiệu vào bết kỳ phải tồn tại ít nhất một trạng thái ổn định Trạng thái ổn định là trạng thái thoả mãn điều kiện Q° = Q Trên cơ sở các bảng chức năng của các FF 6 hinh 6-5, biểu diễn bảng trạng thái của các ##' trên hình 6-6 Các bảng này biểu diễn trạng thái chuyển biến tới Q' với trạng thái ban đầu và các tín hiệu vào điều khiển Khoanh tròn là những ô có Q° = Q, những ô đó

Hình 8-6 Bảng Karnaugh biểu diễn chúc năng của các FF

a R5 - FF;b JK -FF;c.D-FF, d T - FF

Từ bảng trạng thái trên hình 6-6 rút ra nhận xét rằng :

- Các D - FF' và RS - FF có thể làm việc ở chế độ không đồng bộ vì với mỗi tập tín hiệu vào điều khiển D,#S luôn luôn tồn tại ít nhất ] trong các trạng thái ổn định Bởi vì

tất cả các cột tín hiệu vào của bảng trạng thái ứng với hai loại FF' này, mỗi cột đều có Ít nhất 1 ô được khoanh tròn

~ Cac T - FF va JK - FF không thể làm việc ở chế độ không đồng bộ vì mạch sẽ rơi vào trạng thái dao động nếu như tập tín hiệu vào là 1l I với JK - FF hoac 1a 1 véi T - FF Điều này twơng ứng là tại cột 7 = l1 đối với T' - FF, JK = 1 1 uới JK - FF không có ô nào

được khoanh tròn

Như vậy các D - FF, RS - FF có thể làm việc cả ở 2 chế độ : đồng bộ và không đồng

bộ còn các 7'- FF va JK - FF chi co thé lam việc ở chế độ đồng bộ

101

6_4 RS - FF

RS - FF là một FW có 2 đầu vào điều khiển R, 8 5 là đầu vào đặt (thiết lập "1" — Set)

còn là đầu vào xoá (Reset)

Sd dé khéi cha AS - FF khong biểu diễn các đầu vào đồng bộ (Ck), xoá (Clear) và

thiết lập (Preset) được cho ở hình 6- 7,a Bang trang thai của RS - FF' được trình bày trong hình 6-7,b Ba cột đầu S, R và Q là giá trị của các tín hiệu vào điều khiển (S, R) và trạng

thai cia FF (Q) tại thời điểm ¢ Cac giá trị Ở các hàng của 3 cột này biểu diễn tất cả các tổ

hợp giá trị có thể cố được của S, # và Q Cột thứ tư là trạng thái sẽ chuyển biến tới ( ky hiéu la Q’) cia FF sau thời gian quá độ là d’t : Q’ 1a trang thai ra cua FF 6 thoi điểm

tiép theot + d’t

Rut gon bang 6-7,b, nhận xét rằng :

- Khi S = # = 0 FF giữ nguyên trạng thái cũ Q’ = Q

- Khi S = 0, # = I, đầu vào xoá (Roset) có tín hiệu, ƒ#' sẽ chuyển đến trạng thái 0 nghĩa là Q” = 0 dù rằng trước đó FF' ở trạng thái 0 hay 1 ° ; |

- Khi S = I1, R = 0, dau vao thiét lap "1" (Set) co tin hiéu, FF sé chuyén dén trang

thai 1 nghia la Q’ =

- Tổ hợp tín hiệu vào R = S = 1 1A tổ hợp tín hiệu vào cấm của RS - FF Khi do FF nhận được đồng thời 2 tin hiệu điều khiển thiết lập "1" (S = 1) và xoá (R = 1) trang thai cua FF sé khong xác định

Bảng trạng thái rút gọn của R#S - F#' được biểu diễn trên hình 6.6.c Dé hinh chuyén

đổi trạng thái của R.S ~ FF' được biểu diễn ở hình 6-7,d

Từ bảng chức năng trên hình 6-7,b nhận thấy rằng #S - FF chỉ thay đổi trạng thái

tu 1 => 0, nghĩa là ##' được tắt (ở dòng 4) ký hiệu Toff và từ 0 = 1, nghĩa là #F' được bật

ký hiệu là Ton với phương trình :

Ton @:0 > I)=%§RQ@

Toff (Q:1> 0=SRQ

Nếu xét đến điều kiện cấm của tổ hợp tín hiệu vào khi # = 8 = 1 hay điều kiện cho phép của tín hiệu vào #S = 0 thỉ nhận được :

Ton = S Q

Toff = RQ

Phương trình đặc trưng của RS - FF duce biéu dién 6 dang :

Q’ = f(R, S, Q)

Từ bảng chức năng trên hình 6-6,b, viết biểu thức ở dạng CTT và tối thiểu hoá ta được phương trỉnh đặc trưng của #S - FF :

Q'=S+hQ

Từ phương trÌnh đặc trưng có thể xây dựng sơ đồ thuc hién RS - FF chỉ dùng NAND

102

RS-FF

e— | e— rl

_—_ Hình 8-7, Ñ$ = FF S ¬

a Sơ đồ khối của RS - £F; b Bảng chân lý của RS - FF; c Bang, chuc nang r

gọn của hàm &$ - FF; d Đồ hình trạng thải của 8S - £Ƒ; e Sở đồ “8$ - ƑƑ khôi._

đồng bộ dùng NAND ; f Sở đồ &š - FƑ không đồng bộ dừng NOR ; g So dé RS

- FF đồng bộ dùng NAND (có xung nhịp, có Preset và Clear),

103

6_5 T =FF

T'~ FF là loại FF eó một đầu vào điều khiển 7 Sơ đồ khối của nó được biểu diễn trên

hình6-8,ø Bảng chan ly cla T - FF duge cho 6 hinh 6-8,b Từ bảng này có thể đơn giản để nhận được bảng chức năng rút gọn 6-8,c và đồ hình trạng thái 6-8,d,

|

r

7 -FF

, 8

ở)

C)

+

T

qd)

Hình 86-8 7 - FF

a, Sd đồ khối của 7 - FF; b Bảng chúc năng của 7 - Ff; c Bảng chức năng rút

gọn của hàm 7 - FF; d Đồ hình trạng thái của 7 - FF; e Só đồ 7 - FF không đồng

bộ dùng NAND ; f Giản đồ dạng sóng của 7 - FF không đồng bộ

Nhận thấy rang khi T = 0, FZ giữ nguyên trạng thái cũ, Q° = Q Còn khi 7 = 1, FF |

lật trạng thái (Toggle) Cũng chính vì thé ma FF nay cd tén la T - FF

104.

Phương trỉnh đặc trưng 7 - FF duoc biếu diễn ở dạng :

Q@=aTQ+TQ=TOQ

So d6 thuc hién 7 = ##' không đồng bộ dùng NAND dựa trên phương trình đặc trưng

cia FF dugc cho ở hình 6~8,e,

Gia thiét rang tin hiéu vao 7 t6n tai trong thoi gian Af va df 1A thai gian tré cia

mạch Giả sử ban đầu của FF 8 trang thai 0, thi sau ð¿, FF sẽ lật lên trạng thái 1 Nếu tín hiệu vào 7' vấn chưa kết thúc (tức là A/ > ố/) thì mạch lại sẽ tiếp tục lật về trạng thái 0 Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi đầu vào 7' trở về 0 Mạch ở trạng thái đao động Khi kết thúc xưng điều khiển 7, ta không biét dich Xác mạch ở trạng thếi nào Giản

đồ dạng sống của mạch được vẽ ở hỉnh 6-8,ƒ Trong thực tế At >> dt do vay mack lode luôn

ở trạng thái dao động khi ?' = 1 7T - FFƑ' là loại FF' chỉ có thể làm việc ở chế độ đồng bộ

Mạch điện vẽ ở hình 6~8,ƒ trong thực tế A£ >> d¢ Do vậy mạch luôn luôn ở trang thái

đao động khi ?' = 1 ?'~ F#Ƒ là loại F#' chỉ có thể làm việc ở chế độ đồng bộ

6.6 JK = FF

JK - FF là loại FF có 2 đầu vào điều khiển J,K Sơ đồ khối của JX - ##' được biểu

diễn trên hình 6-9,ø bâng chân lý cua JK - FF cho 6 hình 6-9,b và từ đố suy ra bảng chức

năng rút gọn (hình 6~9,e) và đồ hình trạng thái (hình 6-9,đ)

Từ bảng chân ly rút gợn 6-9,e nhận thấy rằng khi :

JK = 0 1, FF lu6én luén chuyén dén trang thai 0 (Q’ = 0)

jJÑ = 1 1, FF luôn luôn lật trạng thái (Q' = @))

Nếu so sánh với chức năng của RS - FF ta nhan thay co su tuong ting gitia 2 FF nay

cụ thể K tương ứng với R , ở tương ứng với S Tuy nhién JK - FF khac so với #S - FF 6 chỗ không có tổ hợp tín hiệu vào cấm cụ thể khi ZX = 11, F#F' luôn luôn lật trạng thái trong khi đối với #S - FF : SR = 11 và tổ hợp tín hiệu vào cấm

Phương trình đặc trưng của /JX - FF' có dạng :

| _ @atTQtKQ

Viết lại phương trình này đưới dạng chỉ dùng các hàm NAND :

g@=⁄Q.KQ=⁄2Q.KQ:

Q=ƯưQ+KQ=JQ.Kq

Từ đó xây dung dude so dé cho JK - FF nhu hinh 6-9,e Nhu da xét 6 muc 6-3, JK -

FF “cũng giống như T - FF chỉ có thể làm việc ở chế độ đồng bộ Thật vậy khi J K = 1 1

mạch ở trạng thái dao động tương tự như 7'- FF' khi T = 1 Sơ đồ đầy đủ của JK - #F đồng

bộ với các đầu vào xoá, thiết lập (Clear, Preset) được biểu diễn ở hình 6-8/ƒ `

Đối với mạch cho ở hình 6-9,ƒ các tín hiệu điều khiển /J, X chỉ tác động đến mạch khi

Ck ở mức logic cao "H", 2 tín hiệu xoá (Clear) và thiết lập (Preset) là những tín hiệu không °

"1

105

đồng bộ, mức tích cực thấp "L" Sự hồi tiếp từ đầu ra về đầu vào sẽ làm cho mạch đao động khi xung đồng bộ CÈ và các tín hiệu điều khiển /, K ở mức cao "#" Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đua vòng quanh (race around) và có thể gây nên chuyển biến sai nhầm

của mạch

Dong

|-JK-EE | ` 3

8

g)

a Sở đồ khối của J - FƑ; b Bảng chức năng của /£ - £Z ; c Bảng chức năng rút

gọn của hàm JK - FF ; d, DB hinh trang thai cla JK - FF; e So dd JK - FF không

đồng bộ dùng NAND ; f Sở đồ /K-£Ƒ đồng bộ ding NAND

Nếu gọi A¿ là khoảng thời gian tổn tại xung Cè, ốt là thời gian quá độ của mach, giản đồ dạng sớng miêu tả hiện tượng đua vòng quanh khi Ck = "H ",.J = K = "H" cho ở

106

At

Hình 8-10, Hiện tượng đua vòng quanh (race around) cua JK - FF

Để khắc phục hiện tượng này dùng JK - FF loai chu - té (Master - Slave) Sơ đồ khối

và sơ đồ chỉ tiết của /'K - FF' loại chủ - tớ được biểu diễn ở hỉnh 6-11

JK - FF loai chủ tớ (Master- Slave) gồm 2 FF mac lién tiép FF - Master và FF - Slave, dau vao cha FF - Master 1a dau vao cia mach, con dau ra cia FF - Slave là đầu ra

cua mach

Trong hinh 6-11, FF Master lam viéc khi xung déng b6 Ck 6 mtic cao "H", con FF

Slave lam viéc khi Ck 6 mifc thap "L" Khi xung nhịp ở "HY FF Master sé hoat dong theo

sự điều khiển của tín hiệu điều khiển ở đầu vào, FƑ#' Slave không hoạt động Khi xung nhịp

ở mức "L" ngược lại Ƒ#' Master không hoạt động còn ##' Slave sẽ thay đổi trạng thái theo

sự điều khiển của tín hiệu vào của nó cũng chinh 1A dau ra cla FF Master Nhu vay khi

xung nhịp ở "H* thông tin ở đầu vào được ghi nhận vào Ƒ#` Master, còn khi xung nhịp "1U"

thông tin được đưa ra ở đầu ra của Ƒ#' Slave cũng chính là đầu ra của mạch Chính vì cấu

tạo như vậy nên ## loại chủ tớ khắc phục được hiện tượng đua vòng quanh Giản đồ dạng

sóng của mạch điện được biểu diễn ở hình 6-ll1,c

6_7 D - FF

D - FF là loại FF' có một đầu vào điều khiển D Sơ đồ khối, bảng chân lý, bảng chân

lý đơn giản, đồ hình trạng thái của loại FF này được biểu diễn trên hình 6-12ø, 6-12, 6-12c

và 6-12

Phương trình đặc trưng của D ~#Ƒ có dạng :

q =D

Néu goi d¢ lA théi gian qué độ cia mach, thi D - FƑ' là khâu trễ có thời gian trễ là ot Đầu ra Q chính là sự trễ (Delay) của đầu vào một khoảng thời gian ot Chính vi vay ma FF nay co tén la D ~ FF (D 1a viét tat cha Delay - tré)

107