Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ

Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ

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 TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1 Các cổng logic cơ bản

Có các loại cổng logic cơ bản sau đây: BUFFER, NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR và XNOR

a Cổng BUFFER (cổng Đệm):

Bảng trạng thái y

x

0 0

y x

Phương trình toán học: y = x

Cổng đệm, hay còn gọi là cổng không đảo, thường được sử dụng trong mạch số với vai trò phối hợp trở kháng, cách ly và nâng dòng cấp cho tải

b Cổng NOT (cổng Đảo):

y

x

1 0

y x

Phương trình toán học: y = x

Cổng đảo đóng vai trò như cổng đệm, nhưng ở đây là đệm đảo, bởi tín hiệu ngõ ra ngược mức logic với tín hiệu ngõ vào

c Cổng AND (cổng Và)

Cổng AND thực hiện phép toán nhân logic các tín hiệu ngõ vào Cổng AND 2 ngõ vào thực hiện

phép toán nhân logic 2 tín hiệu ngõ vào với phương trình toán học như sau: y = x 1 x 2

x 1 x 2 y

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

x2

y

x1

d Cổng OR (cổng Hoặc)

y

x2

x1

y

x2

x1

Ký hiệu Châu Âu Ký hiệu theo Mỹ, Nhật, Úc

Cổng OR thực hiện phép toán cộng logic 2 tín hiệu vào, với phương trình toán học như sau:

y = x 1 + x 2

e Cổng NAND (cổng VÀ-KHÔNG)

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

x1

y

x2

x2

y

x1

Phương trình toán học: y = x1x2= x1+x2

f Cổng NOR (cổng HOẶC-KHÔNG)

y

xn

x1

x 1 x 2 y

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0 Phương trình toán học: y = x1+x2=x1.x2

g Cổng XOR (eXclusive-OR)

Đây là cổng thực hiện so sánh xem 2 tín hiệu vào có khác nhau hay không: nếu 2 tín hiệu vào là khác nhau cổng cho mức logic 1 ở ngõ ra và ngược lại

Phương trình toán học và bảng trạng thái của cổng XOR như sau:

yXOR = x1x2 + x1.x2 = x1⊕ x2

x 1 x 2 y

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

x2

x1

y

h Cổng XNOR (eXclusive-OR)

Đây là cổng thực hiện việc so sánh xem 2 tín hiệu vào có giống nhau hay không? Nếu 2 tín hiệu vào là giống nhau cổng cho mức logic 1 ở ngõ ra Về mặt chức năng cổng XNOR bao gồm một cổng XOR mắc nối tầng với một cổng NOT

Phương trình toán học và bảng trạng thái hoạt động của cổng XNOR:

y = x1x2 +x1x2 =x1⊕x2

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 1

x2

x1

y

2 Đặc tính của các vi mạch TTL và CMOS

a Họ TTL (Transistor-Transistor-Logic)

Trên hình vẽ là cấu tạo của cổng NAND 2 ngõ vào họ TTL:

y

Vcc

D1

x2 x1

R5 R4

R3 R2

R1

Q4

Q3

Q2 Q1

Khi ngõ ra có mức logic 1 (mức cao – HIGH): Q4 dẫn bão hòa và Q3 tắt, cổng cấp dòng ra, dòng ngõ ra lúc này gọi là dòng ngõ ra mức cao IOH, điện áp của ngõ ra y lúc này có giá trị VOH gọi là điện áp ngõ ra mức cao

Khi ngõ ra có mức logic 0 (mức thấp – LOW): Q3 dẫn bão hòa và Q4 tắt, cổng hút dòng vào, dòng ngõ ra lúc này gọi là dòng ngõ ra mức thấp IOL, điện áp của ngõ ra y lúc này có giá trị VOL gọi

là điện áp ngõ ra mức thấp

Nguồn cung cấp của các vi mạch họ TTL là nguồn +5V DC Họ TTL thuộc họ logic dương Một cách lý tưởng mức logic 1 sẽ tương ứng với giá trị điện áp 5V, và mức logic 0 tương ứng giá trị điện áp 0V Thực tế giá trị điện áp các mức ‘1’ và ‘0’ thay đổi trong một dải điện áp cho phép, có thể được biểu diễn trên hình vẽ sau:

V NH

V NL

5V

0V

V IH (min) ( 2.0 V) ( 0.8 V)

V IL (max) ( 0.4 V)

V OL (max)

V OH (min) ( 2.4 V)

Điện áp

Logic 0

Logic 1

Dải không xác định

Logic 0

Logic 1

Dải không cho phép

Từ hình vẽ này ta thấy: mức điện áp logic 0 cho phép ở ngõ vào thay đổi từ 0(V) đến 0.8 (V), mức điện áp logic 1 ở ngõ vào thay đổi từ 2.0(V) đến 5(V)

Các giá trị điện áp lề nhiễu:

• V NH = 0.4 (V): điện áp lề nhiễu mức cao (high-state noise margin)

• V NL = 0.4 (V): điện áp lề nhiễu mức thấp (low-state noise margin)

Về cấu tạo ngõ ra có 3 loại ngõ ra khác nhau là: ngõ ra cột chạm (totem-pole), ngõ ra cực thu hở (open-collector) và ngõ ba trạng thái (three-state)

Đối với ngõ ra cột chạm tuyệt đối không được nối chung ngõ ra của các cổng lại với nhau có thể gây nên hiện tượng quá dòng và làm hỏng cổng

Đối với ngõ ra cực thu để hở khi sử dụng cần mắc thêm một điện trở từ ngõ ra của cổng kéo lên nguồn để đảm bảo mức 1, giá trị điện trở khoảng từ vài trăm Ohm đến vài kΩ Ngõ ra cực thu để hở

có thể nối chung các ngõ ra lại với nhau và khi nối chung như vậy có thể tạo ra các cổng logic mới Đối với các cổng ngõ ra 3 trạng thái có thể được ứng dụng để chế tạo các bus đệm dữ liệu 2 chiều, được ứng dụng rất nhiều trong các hệ vi xử lý và vi điều khiển

Họ TTL các ngõ vào để trống tương đương mức logic 1 Các ngõ ra không dùng đến của vi mạch TTL có thể nối đất hoặc nối lên nguồn thông qua điện trở có giá trị khoảng vài kΩ

Họ vi mạch TTL được ký hiệu: 74xxx, 54xxx

b Họ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

So với họ TTL, các vi mạch cổng họ CMOS có nhiều đặc tính ưu điểm hơn đó là:

• Công suất tiêu tán thấp hơn

• Điện áp làm việc cho phép thay đổi rộng hơn từ 3V đến 15V, cực đại là 18V

• Độ miễn nhiễu tốt hơn, khả năng chống nhiễu phụ thuộc vào nguồn cung cấp

• DC Fanout > 50

Đối với họ CMOS điện áp càng cao thì tốc độ hoạt động càng nhanh, nghĩa là thời gian trễ càng nhỏ Thời gian trễ gia tăng khi nhiệt độ tăng và giá trị điện dung tải tăng

Khả năng chống nhiễu của CMOS rất tốt Giá trị điện áp lề nhiễu tỉ lệ thuận với điện áp nguồn cung cấp VDD, thường khoảng 30%VDD Các giá trị điện áp ngõ vào và ngõ ra của một vi mạch CMOS tiêu biểu (họ 40xx) như sau:

• VOL (max) = 0 (V)

• VOH (min) = VDD

• VIL (max) = 30%VDD

• VIH (min) = 70%VDD

Với điện áp cấp VDD = +5V, CMOS vẫn làm việc bình thường với sự mất ổn định của điện áp cung cấp hay điện áp nhiễu đến 1V

Cấu tạo ngõ ra của vi mạch CMOS cũng gồm 3 dạng tương tự họ TTL: ngõ ra cột chạm (totem-pole), ngõ ra cực thu để hở (open-collector) và ngõ ra 3 trạng thái (three-state) Các lưu ý khi sử dụng 3 loại ngõ ra này hoàn toàn giống như đối với họ TTL

c Đặc tính truyền đạt của họ TTL và CMOS

Hàm số chuyển Vo = f(Vi) (đặc tính truyền đạt) của các mạch đảo ở 2 họ logic TTL và CMOS

có thể cho trên hình vẽ sau:

5V

2.5V

3V

1.2V 1.5 1.6V

Vi

Vo

Vi Vo

TTL phân cực V CC = +5V CMOS phân cực V DD = +5V

Từ đặc tính này cho thấy mức điện áp ngưỡng của họ TTL khoảng 1.5 ÷ 1.6 (V), trong khi mức điện áp ngưỡng của họ CMOS cao hơn xấp xỉ bằng VDD/2 Chứng tỏ rằng đặc tính chuyển của CMOS tốt hơn so với TTL, cũng như khả năng chống nhiễu của CMOS cũng tốt hơn

d Giao tiếp giữa CMOS và TTL:

Với điện áp nguồn cung cấp +5V họ CMOS giao tiếp trực tiếp với TTL, do tổng trở vào của CMOS rất lớn nên cổng TTL có thể tải vô số cổng CMOS mà không làm mất Fanout Tuy nhiên do điện áp mức logic 1 của cổng TTL thông thường từ 3.0V ÷ 3.5V nên cần mắc ở ngõ ra của cổng TTL một điện trở pull-up lên nguồn có giá trị khoảng từ 1kΩ ÷10kΩ để nâng điện áp ngõ ra mức 1 của cổng TTL lên khoảng 4.0V, đảm bảo đủ điện áp mức 1 cho ngõ vào cổng CMOS

e Một số chú ý khi sử dụng các vi mạch CMOS:

• Các vi mạch chưa dùng nên đựng trong các ống nhựa hay bọc trong giấy nhôm

• Mỏ hàn nên dùng loại hàn nhiệt, và nên dùng loại nối đất

• Tránh dùng tay tiếp xúc trực tiếp với vi mạch CMOS, bàn làm việc và người làm việc nên được nối đất thông qua điện trở 1MΩ

• Không nên tháo lắp IC khi đang có điện

• Những ngõ vào không dùng đến nên được nối lên nguồn VDD hay nối đất thông qua điện trở 1MΩ Tuyệt đối không được để hở bất kỳ một ngõ vào nào của vi mạch CMOS

• Đối với các ngõ vào nhận tín hiệu từ ngõ ra của các vi mạch khác nên mắc thêm 1 điện trở 1MΩ từ ngõ vào xuống đất để đảm bảo MOSFET không bị tự kích dẫn khi ngõ ra nguồn tín hiệu hở mạch và tạo đường xả nhanh cho các điện tích trong vùng cổng G

• Ổn áp và lọc thật sạch nguồn điện áp VDD cung cấp cho IC

3 Flip-Flop

FLIP-FLOP (FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo một bảng trạng thái cho trước

Xét về tín hiệu điều khiển có thể chia các thành 2 loại là: FF không đồng bộ (không có tín hiệu điều khiển đồng bộ Ck) và FF đồng bộ (có tín hiệu Ck) Thực tế các FF được sử dụng thường là FF đồng bộ

Tín hiệu đồng bộ Ck có thể kích khởi theo mức hay theo sườn của tín hiệu Nếu kích khởi theo sườn tín hiệu ta có: FF được kích khởi theo sườn lên của tín hiệu Ck và FF được kích khởi theo sườn xuống của tín hiệu Ck (gọi tắt là sườn lên và sườn xuống, hoặc sườn trước và sườn sau) Xét về chức năng có thể phân chia các FF thành 4 loại sau đây:

a RSFF (Set-Reset Flip-Flop)

Đây là loại FF có khả năng thiết lập ngõ ra (Set), xóa ngõ ra (Reset) và duy trì trạng thái ngõ ra trước đó, với bảng trạng thái hoạt động và phương trình logic như sau:

S n R n Q n+1 Hoạt động

0 0 Qn Giữ nguyên trạng thái

0 1 0 Xóa

1 0 1 Thiết lập

1 1 X Trạng thái cấm

S Q

Ck

R Q

n Q n R n S 1 n

b TFF (Toggle Flip-Flop)

Q

Q

0

1

Tn

Qn

n

Qn+1

T Q

Ck

Phương trình logic: Qn+1=Tn ⊕Qn

Khi ngõ vào T = 1 có tác dụng lật trạng thái ngõ ra trước đó, khi T = 0 duy trì trạng thái ngõ ra trước đó

c DFF (Delay Flip-Flop)

Đây là loại FF có chức năng làm trễ tín hiệu vào 1 nhịp xung đồng bộ, với phương trình logic mô

tả hoạt động như sau: Qn+1 = Dn

Bảng trạng thái

Ck

Q

Qn+1

Dn

0

1

0

1

d JKFF

J Q

Ck

K Q

0

0

1

1

0

1

0

1

Qn

0

1

Qn

Giữ nguyên trạng thái Xóa ngõ ra

Thiết lập ngõ ra Đảo trạng thái

Phương trình logic của JKFF: Qn+1 = JnQn +Kn.Qn

III 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

IV 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 = (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 =

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

so sánh giá trị V2 và V1 có kết luận gì ? IC NE555 thực hiện vai trò là mạch dao động gì? • 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 =

Thời gian không có xung: T OFF =

Chu kỳ dao động: T = T ON + T OFF =

Tần số dao động: f = 1/T =

• 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 Hãy giải thích vì sao điện áp nạp của

tụ không tăng tuyến tính? Nếu muốn tạo ra điện áp nạp tuyến tính (điện áp có dạng tam giác) phải cải tiến mạch dao động này như thế nào?

• Hãy tính giá trị điện áp trung bình của nguồn xung clock theo công thức:

=

=

T

T

T dt t v T

V

0

) (

1

(V)

• So sánh giá trị điện áp trung bình V TB với giá trị điện áp đo được khi sử dụng VOM ? Hãy giải thích kết quả ?

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

Điện áp đo được bằng VOM

Mức

Logic 0 Logic 1

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 Ứng với mỗi trường hợp của tổ hợp 2 biến A, B ghi kết quả đo được vào bảng sau:

Bảng chân trị cổng AND:

A B Y = A.B Điện áp V Y

0 0

0 1

1 0

1 1 Tiến hành tương tự cho các cổng logic khác: NAND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR và hoàn thành các bảng chân trị tương ứng sau đây:

Bảng chân trị cổng NAND

0 0

0 1

1 0

1 1

Bảng chân trị cổng OR

0 0

0 1

1 0

1 1

Bảng chân trị cổng NOR

0 0

0 1

1 0

1 1

Bảng chân trị cổng XOR

0 0

0 1

1 0

1 1

Bảng chân trị cổng XNOR

0 0

0 1

1 0

1 1

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

Thực hiện mạch sau đây để kiểm tra khả năng đóng mở tín hiệu của cổng AND và NAND, với:

• ngõ vào A đóng vai trò là ngõ vào điều khiển (control)

• ngõ vào B đóng vai trò là ngõ vào dữ liệu (data), nhận tín hiệu xung vuông từ khối tạo

dao động CLOCK

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 ra: Y 1 của cổng AND, và Y 2 của cổng NAND bằng cách sử dụng 2 kênh vào của dao động ký

Từ dạng sóng quan sát được trên dao động ký hãy cho biết:

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

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

• 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 ?

• Hãy vẽ các dạng sóng quan sát được?

A

NAND

AND

+V 5V

Y1

Nếu thời gian cho phép, tiến hành khảo sát vai trò đóng mở tín hiệu của cổng OR và NOR tương tự như đã làm với cổng AND và NAND ở trên

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

Thực hiện mạch sau đây: (trên khối XOR/XNOR)

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

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 hãy cho biết:

• Có thể dùng cổng XOR để đóng/mở tín hiệu dữ liệu được không ?

• Khi ngõ vào điều khiển A = 1 thì: X 1 =

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

Từ các kết quả trên đối với cổng XOR hãy thử trả lời các câu hỏi sau khi sử dụng cổng XNOR (lưu ý không thực hiện mạch) :

• Có thể dùng cổng XNOR để đóng/mở tín hiệu dữ liệu được không ?

• Khi ngõ vào điều khiển A = 1 thì: X 2 =

• Khi ngõ vào điều khiển A = 0 thì: X 2 =

Hãy thực hiện mạch với cổng XNOR để kiểm chứng lại những kết luận trên

Câu hỏi: Hãy đưa ra những kết luận của bạn sau khi thực hiện 2 bài thí nghiệm d và e ở trên ?