Báo cáo thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ

Báo cáo thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ

MỤC LỤC

BÀI 1 KHẢO SÁT CỔNG LOGIC VÀ FLIP-FLOP 2

I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU 2

II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 2

III CÁC THÍ NGHIỆM 2

1 Các cổng logic cơ bản 2

2 Cấu tạo ngõ ra của cổng TTL 5

4 Khảo sát hoạt động của các Flip-Flop 9

BÀI 2 KHẢO SÁT HỆ TỔ HỢP VÀ HỆ TUẦN TỰ 11

I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU 11

II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 11

III CÁC THÍ NGHIỆM 11

1 Khảo sát mạch đếm không đồng bộ (đếm nối tiếp) 11

2 Khảo sát mạch đếm đồng bộ (74LS193) 12

3 Khảo sát mạch so sánh 4 bít (74LS85) 13

4 Khảo sát thanh ghi dịch 4 bít (74LS194) 15

5 Khảo sát mạch cộng nhớ nhanh 4 bít (74LS283) 18

BÀI 1 KHẢO SÁT CỔNG LOGIC VÀ FLIP-FLOP

I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU

Khảo sát các cổng logic cơ bản dùng các vi mạch tích hợp TTL và CMOS, khảo sát hoạt động của các FLIP-FLOP, thực hiện một số mạch điều khiển đơn giản: mạch điều khiển bus dữ liệu, mạch chia tần số sử dụng JKFF, DFF…

Để hoàn thành bài thí nghiệm này sinh viên cần nắm vững lý thuyết đã được học trong giáo trình

Kỹ Thuật Số về đại số Boole, các cổng logic và Flip-Flop

II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

 1 FACET Base Unit (Đế lắp mạch thí nghiệm)

 1 Digital Logic Fundamental circuit board (Board mạch thí nghiệm)

 1 VOM

 1 Dao động ký

 Các dây nối và các connector

III CÁC THÍ NGHIỆM

1 Các cổng logic cơ bản

Mục đích bài thí nghiệm: nhằm kiểm tra hoạt động của các cổng logic cơ bản AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR được thực hiện bằng các vi mạch cổng TTL

Các khối được sử dụng trên board mạch: AND/NAND, OR/NOR, XOR/XNOR, CLOCK, INPUT SIGNALS.

Các vi mạch được sử dụng thực hiện các khối trên:

 74LS00: 04 cổng NAND 2 ngõ vào

 74LS02: 04 cổng NOR 2 ngõ vào

 74LS04: 06 cổng NOT (Inverter)

 74LS136: 04 cổng XOR

a Kiểm tra nguồn cung cấp cho các vi mạch:

 Lắp board TN vào đế, bật công tắc nguồn (đèn LED chỉ thị nguồn sáng báo +5V)

 Dùng VOM đo nguồn cung cấp cho các vi mạch (đo chân 14 và chân 16 của các IC), giá

trị điện áp nguồn cung cấp là: Vcc = 4.92 (V)

b Kiểm tra nguồn xung Clock và các tín hiệu Input A, B:

 Dùng VOM đo giá trị điện áp ra của nguồn xung clock là: V 1 = 2.16 V

 Dùng VOM đo giá trị điện áp tại chân số 3 của IC NE555, giá trị đo được V 2 = 2.16 V

 Ta thấy V 1 = V 2

 IC NE555 thực hiện vai trò là mạch dao động tạo xung Clock

 Quan sát hình dạng của xung clock bằng cách sử dụng kênh 1 (kênh X) của dao động ký

Từ dạng sóng quan sát được trên dao động ký hãy xác định chu kỳ và tần số dao động của xung clock:

Thời gian có xung: T ON = 10.1 µs Thời gian không có xung: T OFF = 12 µs

Chu kỳ dao động: T = T ON + T OFF = 22.1 µs

Tần số dao động: f = 1/T = 45 Hz

 Sử dụng thêm kênh 2 (kênh Y) của dao động ký quan sát dạng sóng tại chân số 6 của IC NE555 để hiểu rõ về quá trình nạp xả của tụ điện C

 Nếu muốn tạo ra điện áp nạp tuyến tính (điện áp có dạng tam giác) phải cải tiến mạch dao động này bằng cách cho tụ nạp xả liên tục thì thời hằng τ=RC lớn , có thể tăng R hay giảm điện dung tụ điện

 Giá trị điện áp trung bình của nguồn xung clock theo công thức:





T

T

T dt t v T

V

0

) (

1

2.24(V)

 Kiểm tra mức logic ‘0’ và ‘1’ của các ngõ vào input A, B bằng cách sử dụng VOM ta có bảng sau:

Mức Logic

Điện áp đo được bằng VOM

c Kiểm tra bảng chân trị của các cổng logic:

Sử dụng các dây nối, các connector lần lượt cấp tín hiệu logic ‘0’ và ‘1’ cho các đầu vào A và B của các cổng logic AND Dùng các công tắc thay đổi mức logic ở các ngõ vào A, B Quan sát trạng thái đèn LED tại ngõ ra của cổng AND và dùng VOM đo điện áp ngõ ra tương ứng cho mỗi trường hợp để kiểm tra lại bảng chân trị (bảng trạng thái) của cổng AND OR, NAND, NOR, XOR, XNOR Ứng với mỗi trường hợp của tổ hợp 2 biến A, B kết quả đo sau:

Bảng chân trị cổng AND:

Bảng chân trị cổng NAND

Bảng chân trị cổng OR

Bảng chân trị cổng NOR

A B Y Điện áp V Y

Bảng chân trị cổng XOR

Bảng chân trị cổng XNOR

d Sử dụng cổng AND và NAND để đóng/mở tín hiệu:

 Cổng AND và NAND cho tín hiệu đi qua khi ngõ vào : A = 0

 Cổng AND và NAND không cho tín hiệu đi qua khi ngõ vào: A = 1

 Sự khác nhau của dạng sóng ngõ ra Y 1 và Y 2 khi sử dụng cổng AND và NAND để đóng

mở tín hiệu xung clock là độ rộng sườn xung đóng mở tín hiệu khác nhau

e Sử dụng cổng XOR và XNOR để đệm và đảo mức tín hiệu:

Khối XOR/XNOR

A

NAND

AND

+V 5V

Y1

XNOR

+V 5V

X1

Trong đó: A đóng vai trò là ngõ vào điều khiển (control) và B đóng vai trò là ngõ vào dữ liệu

(data)

Sử dụng 2 kênh của dao động ký để quan sát các tín hiệu sau:

 Kênh 1 quan sát tín hiệu ngõ vào B

 Kênh 2 quan sát tín hiệu ngõ ra X 1

B không đổi khi A=1 : thời gian có xung X1 lớn hơn khi A=0

Lần lượt thay đổi vị trí của công tắc A để thay đổi mức logic của ngõ vào tín hiệu điều khiển A

và quan sát các tín hiệu ngõ vào B và ngõ ra X 1 Từ dạng sóng quan sát được:

 Khi ngõ vào điều khiển A = 1 thì: X 1 = B

 Khi ngõ vào điều khiển A = 0 thì: X 1 = B

Không thể dùng cổng XOR / XNOR để đóng/mở tín hiệu dữ liệu được

Kết luận :

Chỉ có thể dung cổng NAND or NOR để đóng mở tín hiệu

2 Cấu tạo ngõ ra của cổng TTL

Các khối mạch được sử dụng: OPEN COLLECTOR, TRI-STATE OUTPUT.

Các vi mạch được sử dụng:

 7407: 06 cổng đệm cấu tạo ngõ ra cực thu để hở (Hex Buffer with Open Collector)

 74LS14: 06 cổng đảo Schmitt Trigger (Hex Schmitt Trigger Inverter)

 74LS04: 06 cổng đảo

 74LS126: 04 cổng đệm với cấu tạo ngõ ra 3 trạng thái

a Đặc tính của cổng ĐẢO loại Schmitt Trigger (74LS14)

Chúng ta thử quan sát điện áp tại đầu ra của cổng ĐẢO khi đặt ở đầu vào một tín hiệu xung có tần số thấp và sườn của xung thay đổi rất chậm (sườn xung rất rộng), xét 2 trường hợp: cổng đảo loại chuẩn (standard) và cổng đảo loại Schmitt Dạng sóng quan sát được mô tả trên đồ thị sau đây:

Rõ ràng khi sử dụng cổng đảo Schmitt Trigger đối với các tín hiệu biến thiên chậm (tần số thấp) dạng sóng ngõ ra sẽ tốt hơn, loại bỏ được các nhiễu không mong muốn tác động vào mạch

Đặc tuyến truyền đạt của cổng ĐẢO loại Schmitt Trigger như sau:

V

UTP

V LTP

Yêu cầu của thí nghiệm: xác định được các giá trị điện áp V UTP và V LTP của cổng đảo Schmitt Trigger 74LS14, và vẽ được đặc tuyến truyền đạt của vi mạch đảo 74LS14

Thực hiện mạch sau đây:

Trong đó V là nguồn điện áp được lấy từ khối TTL/CMOS COMPARISON và có thể thay đổi giá trị điện áp bằng cách điều chỉnh trimmer POSITIVE SUPPLY trên đế cắm board mạch thí

nghiệm (Base Unit)

Các bước tiến hành:

 Lắp mạch thí nghiệm như hình vẽ trên:

 Dùng VOM đo điện áp ở ngõ vào A, điều chỉnh điện áp vào VA có giá trị nhỏ nhất (xấp xỉ 0V) tương ứng với mức logic ngõ vào A là mức logic 0

 Quan sát điện áp ngõ ra Y trên kênh 1 của dao động ký, sẽ thấy điện áp VY tương ứng mức logic 1 (xấp xỉ 5V)

 Điều chỉnh trimmer nguồn cung cấp để tăng dần điện áp vào VA và quan sát trên dao động ký cho đến khi ngõ ra Y vừa chuyển xuống mức logic 0 thì dừng lại Điện áp ngõ vào VA đo được bằng VOM chính là điện áp VUTP, có giá trị là:

V UTP = 6.08 (V)

 Tiếp tục tăng điện áp vào VA, ngõ ra Y không đổi mức logic, ngõ ra lúc này bằng : V OL = 0.145(V)

 Tiếp tục xác định mức ngưỡng thấp VLTP bằng cách giảm điện áp ngõ vào VA cho đến khi ngõ ra Y chuyển từ mức logic 0 lên mức logic 1 thì dừng lại, đo các giá trị điện áp VY và

VLTP ta có:

V OH = 4.23 (V), V LTP = 0.328 (V)

 Vẽ đặc tuyến truyền đạt của cổng đảo Schmitt 74LS14

Vi

Vo

V LTP V UTP

V OH

V OL

V UTP : Upper-Trip-Point Voltage

V

LTP : Lower-Trip-Point Voltage

V OL : Low-state Output Voltage

V

OL : High-state Output Voltage

A Schmitt

Y

+ V 74LS14

b Khảo sát ngõ ra cực thu để hở

Mạch thí nghiệm sau (trên khối OPEN COLLECTOR):

: X1 và X2 không nối nhau

 Các biểu thức logic của Y1, Y2 theo A và B

 Y 1 =bù A

 Y 2 =bù B

 Kiểm tra lại các biểu thức logic của Y1 và Y2 bằng cách cho tín hiệu logic 0 và 1 vào A,

B và dùng VOM đo điện áp ra tại Y1 và Y2, kết quả kiểm tra vào bảng sau:

X2 X1

Y2

Y1

B A

+V

A Y 1 V Y1 B Y 2 V Y2

 Giải thích các kết quả điện áp đo được trong bảng do Y 1 =bù A Y 2 =bù B

 Để cổng logic ngõ ra cực thu để hở hoạt động được cần phải có điều kiện là không nối X1

và X2 lại với nhau

 Bây giờ dùng CONNECTOR nối X1 và X2 (lúc này Y1 = Y2) Thay đổi các giá trị logic ngõ vào A và B, dùng VOM đo điện áp logic ngõ ra, ghi các kết quả vào bảng sau:

 Các kết quả trên là do nối X1 và X2 (lúc này Y1 = Y2)

Mạch logic trên thực hiện hàm chức năng NOR

c Khảo sát ngõ ra 3 trạng thái

Thực hiện thí nghiệm trên khối TRI-STATE OUTPUT.

 Nêu ý nghĩa chức năng của các ngõ vào A (INPUT) và B (OUTPUT ENABLE) ?

 Giải thích hoạt động của mạch ?

Tiến hành thí nghiệm để kiểm tra lại các kết luận ở trên về hoạt động của ngõ ra 3 trạng thái:

B (Output Enable)

A (Input)

Y (Output)

Trạng thái LED xanh

Trạng thái LED đỏ

 Mức tích cực của tín hiệu cho phép ngõ ra (B – Output enable) là mức logic: 1

 Ngõ ra 3 trạng thái có thể ứng dụng ở những mạch TTL

 Để mức tích cực của tín hiệu Output Enable (B) là mức logic ‘0’ cần cải tiến mạch trên bằng cách mắt một cổng đảo trước B để mức tích cực đảo từ ‘1’ sang ‘0’

Bài thí nghiệm này nhằm mục đích kiểm tra lại hoạt động của các Flip Flop thông dụng (DFF, JKFF), sau đó thực hiện một số chuyển đổi qua lại giữa các loại FF, cuối cùng ứng dụng JKFF và DFF thực hiện các mạch chia tần số

Các khối mạch sử dụng: D-TYPE FLIP-FLOP và JK FLIP-FLOP.

a Khảo sát bảng trạng thái của các Flip Flop

Tiến hành thí nghiệm :

 Kiểm tra lại bảng trạng thái của DFF và JKFF

 Kiểm tra chức năng của các ngõ vào điều khiển trực tiếp CLEAR và PRESET đối với cả

2 loại Flip-Flop: DFF và JKFF

b Dùng JKFF thực hiện chức năng của RSFF, TFF và DFF

 Các sơ đồ sử dụng JKFF thực hiện chức năng của RSFF, TFF và DFF

c Ứng dụng JKFF và DFF thực hiện các mạch chia tần số

Do có thể chuyển đổi giữa cổng JKFF  DFF nên sơ đồ thực hiện chia tần số giống DFF

 Vẽ sơ đồ sử dụng JKFF thực hiện mạch chia 2 tần số xung CLK

 Thực hiện mạch chia 4 tần số bằng cách ghép nối tầng 2 mạch chia 2 ở trên Quan sát dạng sóng ra tại ngõ ra Q trên dao động ký Tần số ngõ ra Q = fCk/4

BÀI 2 KHẢO SÁT HỆ TỔ HỢP VÀ HỆ TUẦN TỰ

I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU

Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ được khảo sát một số mạch tổ hợp và mạch tuần tự đơn

giản: mạch so sánh 4 bít, mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit, bộ đếm không đồng bộ, bộ đếm đồng

bộ, thanh ghi dịch 4 bít

Qua bài thí nghiệm sinh viên có thể hiểu được nguyên tắc hoạt động của một số mạch tổ hợp và mạch tuần tự đơn giản, làm quen với một số vi mạch số TTL thường được sử dụng Sau khi hoàn thành bài thí nghiệm này, sinh viên có thể tự mình hệ thống hoá lại kiến thức đã tích luỹ trong giờ học lý thuyết, trên cơ sở đó vận dụng để thiết kế được những mạch ứng dụng phức tạp hơn

Để hoàn thành bài thí nghiệm này sinh viên cần nắm vững lý thuyết đã được học trong giáo trình

Kỹ Thuật Số về các hệ tổ hợp và hệ tuần tự

II DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

 1 FACET Base Unit (Đế lắp mạch thí nghiệm)

 1 Digital Circuit Fundamental 1 board (Board mạch thí nghiệm)

 1 VOM

 1 máy phát sóng vuông

 Các dây nối và các connector

III CÁC THÍ NGHIỆM

1 Khảo sát mạch đếm không đồng bộ (đếm nối tiếp)

Khối mạch thực hiện: ASYNCHRONOUS RIPPLE COUNTER

a Khảo sát tác dụng của các ngõ vào CLR và PR:

 Quan sát sơ đồ mạch của bộ đếm không đồng bộ (đếm nối tiếp) sử dụng 4 JKFF (được thực hiện bằng 2 vi mạch 74LS76) thực hiện chức năng của TFF mắc nối tiếp với nhau

 Khảo sát hoạt động xóa (CLEAR) và đặt trước (PRESET) bộ đếm bằng cách cấp tín hiệu

logic tương ứng cho các ngõ vào CLR và PR.

 Dùng tụ điện có giá trị C = 10 (F) mắc thêm vào mạch để khảo sát tác dụng của mạch

RC trong việc “tự động” xóa FF và thiết lập FF lúc ban đầu khi bật nguồn cung cấp

b Khảo sát hoạt động đếm lên:

 Cấp xung Clock từ khối tạo xung PULSE vào ngõ vào CLOCK của mạch

 Xóa bộ đếm về 0

 Thay đổi vị trí công tắc ở khối PULSE để tạo xung kích khởi cho bộ đếm và quan sát sự thay đổi trạng thái ngõ ra của bộ đếm từ giá trị 0000 đến 1111 Lưu ý: đèn sáng tương ứng mức logic “1”, đèn tắt tương ứng mức logic “0”

 Dùng máy phát sóng cấp tín hiệu xung vuông có tần số 1 Hz vào ngõ vào CLOCK của

bộ đếm và quan sát hoạt động đếm lên của mạch

 Tăng tần số xung CLOCK của máy phát sóng để tăng tốc độ đếm

 Nhận xét : khi tăng tần số xung Clock của bộ đếm thì trang thái đếm của đèn tăng lên, khi tần số khoảng 630Hz thì trạng thái của 4 đèn đều sáng

2 Khảo sát mạch đếm đồng bộ (74LS193)

Khối mạch thực hiện: SYNCHRONOUS COUNTER

Vi mạch TTL 74LS193 là bộ đếm đồng bộ thuận/nghịch 4 bít, với các ngõ vào dữ liệu cho phép

nhập giá trị bắt đầu của bộ đếm (nội dung đếm)

 CLEAR : ngõ vào xóa bộ đếm về 0000.

 LOAD : ngõ vào cho phép nhập dữ liệu vào bộ đếm.

 A, B, C, D : các ngõ vào dữ liệu.

 COUNT UP : ngõ vào nhận xung cho phép đếm lên, kích khởi sườn lên.

 COUNT DOWN : ngõ vào nhận xung cho phép đếm xuống, kích khởi sườn lên.

 Q A , Q B , Q C , Q D : các ngõ ra bộ đếm.

 CARRY và BORROW : các ngõ ra này cho phép người thiết kế có thể ghép nối tầng

nhiều vi mạch 74LS193 với nhau để thực hiện các mạch đếm với số lượng lớn hơn Chẳng hạn: 1 vi mạch 74LS193 có thể thực hiện bộ đếm 4 bít tương ứng 16 (= 24) trạng thái phân biệt, ghép nối tầng 2 vi mạch đếm 4 bít 74LS193 bằng cách sử dụng các ngõ ra CARRY hoặc BORROW có thể thực hiện mạch đếm 8 bít với số lượng trạng thái đếm là 16x16 = 256 (= 28) trạng thái phân biệt, tất nhiên có thể thực hiện hoặc đếm lên hoặc đếm xuống (CARRY cho đếm lên và BORROW cho đếm xuống)

a Hoạt động đếm lên:

 Cấp nguồn cho mạch

 Xóa bộ đếm về không

 Dùng máy phát sóng cấp tín hiệu xung vuông có tần số 1 Hz vào ngõ vào UP của bộ đếm

và quan sát hoạt động đếm lên của vi mạch (nội dung bộ đếm thay đổi từ 0000  1111) Quan sát trạng thái của các ngõ ra CARRY và BORROW

 Khi đến lên từ 0000 đến 1111 thì ngỏ ra CARRY nháy đèn báo hiệu đếm xong

 Khi đến xuống từ 1111 đến 0000 thì ngỏ ra BORROW nháy đèn báo hiệu đếm xong

 Tăng tần số ngõ vào xung đếm của máy phát sóng thì sẻ tăng tốc độ đếm

b Hoạt động đếm xuống:

Khảo sát hoạt động đếm xuống hoàn toàn tương tự như phần a bằng cách cấp nguồn xung clock tần số 1 Hz từ máy phát sóng vào ngõ vào DOWN của vi mạch

Với ngõ vào UP để trống.

Sử dụng ngõ vào LOAD và các công tắc A, B, C, D ở khối INPUT SIGNALS để nhập dữ liệu ban đầu cho bộ đếm (nội dung ban đầu của bộ đếm)

 Đưa ngõ vào LOAD xuống mức 0 và sử dụng các công tắc A, B, C, D để nhập dữ liệu ban đầu 0011 cho bộ đếm (D=0, C=0, B=1, A=1)

Trạng thái các ngõ ra của bộ đếm QD, QC, QB, QA lúc này bằng 0011

 Vẫn giữ ngõ vào LOAD ở mức ‘0’, cấp xung clock tần số 1 Hz vào ngõ vào UP, nội dung

bộ đếm không thay đổi theo xung clock

 Đưa ngõ vào LOAD lên mức ‘1’ để chuyển sang hoạt động đếm Lúc này mạch sẽ thực hiện đếm lên bắt đầu từ giá trị 0011 (3 thập phân)

 Trong khi đang đếm nếu CLEAR thì dừng đếm hoặc LOAD thì cũng dừng đếm

d Ứng dụng bộ đếm để xây dựng mạch định thời

Chúng ta có thể ứng dụng bộ đếm để xác định một khoảng thời gian, đó gọi là hoạt động định thời gian, hay gọi tắt là hoạt động định thời hay chỉ đơn giản là định thời

Hoạt động đếm xuống và đếm lên của các vi mạch đếm, chẳng hạn 74LS193, có thể được ứng dụng để định các khoảng thời gian Để đơn giản trong phần này chúng ta thử xét ứng dụng của hoạt động đếm xuống trong việc định thời sự kiện

Chẳng hạn muốn làm trễ một khoảng thời gian là 10s chúng ta có thể cho bộ đếm bắt đầu đếm ngược (đếm xuống) từ giá trị thập phân là 10 (1010 nhị phân) đến 0 (0000 nhị phân) với tần số xung nhịp ở ngõ vào DOWN là 1 Hz, tương ứng với chu kỳ xung nhịp là 1s Khi bộ đếm đạt đến giá trị

00002 nghĩa là đã đếm được 10 trạng thái và sẽ tương ứng 10 xung nhịp clock đã tác động ở ngõ

vào với chu kỳ mỗi xung là 1s, lúc này ngõ ra BORROW sẽ chuyển từ mức logic ‘1’ xuống mức

logic ‘0’, đây chính là dấu hiệu nhận biết khoảng thời gian 10s đã trôi qua tính từ lúc bắt đầu tác động xung đếm ở đầu vào xung nhịp Tín hiệu xung mức 0 ở ngõ ra BORROW có thể được sử

dụng để kích khởi cho một mạch điện tử nào đó hoạt động

Phần thí nghiệm: Sử dụng vi mạch 74LS193 thực hiện các công việc sau:

 Nhập dữ liệu thích hợp để định thời các khoảng thời gian là 5s, 6s, 12s, 15s

 Các giá trị nhập dữ liệu

 5s : 0101

 6s : 0110

 12s : 1100

 15s : 1111

 Ứng dụng hoạt động đếm lên để định thời cần sử dụng ngõ ra CARRY làm dấu hiệu

nhận biết

3 Khảo sát mạch so sánh 4 bít (74LS85)

Khối mạch thực hiện: 4 BIT COMPARATOR