Bài giảng Điện tử số: Phần 1 - ĐH Phạm Văn Đồng

(NB) Bài giảng Điện tử số gồm có 6 chương để học mỗi chương cần có các kiến thức của chương trước, phần 1 sách gồm 3 chương đầu: các hệ thống số và mã, đại số boole và các cổng logic, mạch tổ hợp. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ SỐ

Bậc học: ĐẠI HỌC (Dành cho Sinh viên Khoa CNTT)

GV: Nguyễn Đình Hoàng

Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngõi, năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ SỐ

Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngõi, năm 2018

Lời nói đầu

Nhằm đáp ứng cho việc giảng dạy môn Điện tử số bậc Đại học, tác giả đã biên soạn bài giảng này nhằm làm tài liệu học tập cho các lớp chuyên ngành Công nghệ thông tin tại Đại học Phạm Văn Đồng Tài liệu này được sử dụng cho sinh viên các lớp ĐH CNTT với thời lượng 45 tiết (3TC) Tác giả hy vọng rằng đây sẽ là tài liệu thiết thực cho các bạn sinh viên

Trong quá trình biên soạn, chắc chắn tài liệu không tránh khỏi có những sai sót Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ Nguyễn Đình Hoàng - Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ - Trường Đai học Phạm Văn Đồng Xin chân thành cảm ơn

Tác giả

MỤC LỤC

Chương 1: CÁC HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ ……… 1

Chương 2: ĐẠI SỐ BOOLE VÀ CÁC CỔNG LOGIC……… 8

Chương 3: MẠCH TỔ HỢP ……… 25

Chương 4: MẠCH TUẦN TỰ……… 54

Chương 5: BỘ NHỚ BÁN DẪN ……… 68

Tài liệu tham khảo: ……… 76

Chương 1: CÁC HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ

1.1 Khái niệm

Hệ thống số chúng ta thường sử dụng là hệ thống số có vị trí Trong một hệ thống như vậy một số biểu diễn bằng một chuỗi các ký tự số (digit); ở đó mỗi vị trí của ký tự

số sẽ có một trọng số (weight) nhất định Trọng số ở đây chính là cơ số lũy thừa vị trí của ký tự số trong chuỗi Cơ số (radix) chính là số ký tự số được dùng để biểu diễn trong một hệ thống

Các hệ thống số thường gặp là hệ thống số thập phân (Decimal system), hệ thống

số nhị phân (Binary system), hệ thống số bát phân (Octal system), hệ thống số thập lục phân (Hexa-decimal) …

Giá trị thập phân của một số được tính theo công thức sau:

Giá trị = Σ(Ký số x trọng số)

1.2 Hệ thống số thập phân (Decimal)

Hệ thập phân dùng 10 chữ số 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 để biểu diễn các số (cơ số 10)

Ví dụ: Tính giá trị của 1234567 trong hệ thập phân

Biểu diễn theo công thức tổng quát:

1234567 = 1*106 + 2*105 + 3*104 + 4*103 + 5*102 + 6*101 + 7*100 = 1.000.000 + 200.000 + 30.000 + 4.000 + 500 + 60 + 7 = 123456710

1.3 Hệ thống nhị phân (Binarry)

Hệ nhị phân dùng 2 chữ số 0 và 1 để biểu diễn các số (cơ số 2)

Ví dụ: Tính giá trị của số 100111 trong hệ nhị phân

Biểu diễn theo công thức tổng quát:

100111B = 1*25 + 0*24 + 0*23 + 1*22+ 1*21 + 1*20 = 32+0+0+4+2+1= 3910

1.4 Hệ thống thập lục phân (Hexadecimal)

Hệ thập lục phân dùng 16 chữ số 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F để biểu diễn các

số (cơ số 16)

Ví dụ: Tính giá trị của số 4B trong hệ thập lục phân

Biểu diễn theo công thức tổng quát:

4BHex = 4*161 + B*160 = 64 + 10 = 7410

1.5 Biến đổi qua lại giữa các cơ số

1.5.1 Đổi một số từ nhị phân, thập lục phân sang thập phân

Nguyên tắc: lấy mỗi số hạng trong chuỗi số nhân với cơ số lũy thừa vị trí của nó sau đó lấy tổng tất cả

- Đổi từ nhị phân sang thập phân

Ví dụ: Đổi số1010,11 ở cơ số 2 sang cơ số10

1011,112 = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 + 1x2-1 +1x2-2 = 8 + 0 + 4 + 1 + 0,5 + 0,25

= 13,7510

- Đổi từ thập lục phân sang thập phân

Ví dụ: Đổi giá trị của số 4B,8F trong hệ thập lục phân sang hệ thập phân

4B,8F16 = 4x161 + Bx160 + 8x16-1 + 15x16-2 = 64 + 11 + 0,5 + 0.05859375= 75,5585937510

1.5.2 Đổi một số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân

Chia làm hai phần : phần nguyên và phần thập phân

Phần nguyên: chia liên tiếp cho 2 đến khi thương số bằng 0, số nhị phân là các số

dư lấy từ dưới lên

Phần thập phân: nhân liên tiếp cho 2 cho đến khi bằng 0 hoặc đạt được số lẻ cần thiết, số nhị phân phần phân sẽ là phần nguyên của phép nhân 2

Ví dụ: Đổi số thập phân 8.25 sang nhị phân

Kết quả chuyển đổi: 8.2510 = 1000.012

1.5.3 Đổi một số từ thập phân sang thập lục phân

Tương tự như cách đổi từ thập phân sang nhị phân, với số chia là 16 (phần nguyên)

và số nhân 16 (phần phân)

1.5.4 Đổi một số từ nhị phân sang thập lục phân

Nguyên tắc : Nhóm từ phải qua trái đủ bốn bít; nhóm cuối cùng nếu thiếu thì ta

cứ thêm các số 0 vào Thay thế các nhóm 4 bit thành các mã thập lục phân tương ứng

Ví dụ : 1010 01012

A 5

1010 01012 = A516

1.5.5 Đổi một số từ thập lục phân sang nhị phân

Ta thay một số thập lục phân bằng một số nhị 4 bít tương ứng

Ví dụ: 2B616 = 0010 1011 01102

Bảng mã tương quan giữa thập phân, nhị phân và thập lục phân

1.6.1 Biểu diễn số có dấu

Khi biểu diễn số có dấu thông thường ta sử dụng thêm 1 bit gọi là bit dấu (thường đặt ở vị trí số có trọng số cao nhất MSB) với qui ước bit 0 để chỉ số dương; bit 1 để chỉ

số âm

Ví dụ:

1 0101 = - 5

0 0101 = +5

1.6.2 Số bù 1 (dùng biểu diễn số âm)

Số bù 1 được định nghĩa cho một số N có n số sẽ bằng: rn -1 – N (với r là cơ số)

Ví dụ: Tìm số bù của số nhị phân N = 10102

rn = 24 = 10000, rn -1- N = 10000 -1-1010 = 0101 (bù 1)

hoặc có thể tìm bù 1 bằng cách đảo các bít của số N

1.6.3 Số bù 2 ( biểu diễn số âm)

Mã Gray hay còn gọi là mã vòng suy ra từ mã nhị phân Giả sử cho mã nhị phân

có bốn bit B3 B2 B1 B0, mã Gray tương ứng là G3 G2 G1 G0 thì có thể tính theo công thức sau :

Bảng mã ký tự ASCII:

1.8 Các phép toán trên số nhị phân

Cũng như số học thập phân, số học nhị phân cũng có bốn phép tính cơ bản là: Cộng (+), Trừ (-), Nhân (*), Chia (/)

Chương 2: ĐẠI SỐ BOOLE VÀ CÁC CỔNG LOGIC

A F

2.2.2 Các tính chất của các hàm logic cơ bản

a Tồn tại phần tử trung tính duy nhất trong phép toán "AND" và "OR"

- Phần tử trung tính của một phép toán là phần tử mà khi ta thực hiện phép toán giữa phần tử này và 1 đại lượng bất kỳ nào đó thì kết quả thu được chính là bằng đại lượng đó

- Phần tử trung tính duy nhất của phép "AND" là 1

- Phần tử trung tính duy nhất của phép "OR" là 0

A

f Định lý De Morgan

- Phủ định của một “tổng” bằng “tích” các phủ định thành phần

)(a  b =

- Phủ định của một “tích” bằng “tổng” các phủ định thành phần

)

( b a = +

g Nguyên lý đối ngẫu

Cộng đối ngẫu với nhân: + ~ x ; 0 đối ngẫu với 1: 0 ~ 1

2.3 Các phương pháp biểu diễn hàm và biến logic

2.3.1 Biểu đồ Ven (Ơle)

- Không gian con thứ nhất, biến nhận giá trị đúng (=1), không gian con thứ còn lại, biến nhận giá trị sai (=0)

Ví dụ: F = A AND B

2.3.2 Biểu thức đại số

Ví dụ: F = A AND B hay F = A.B

2.3.3 Bảng sự thật (Truth Table)

Bảng thật biểu diễn 1 hàm logic n biến có: (n+1) cột và 2n hàng

Trong đó,

(n+1) cột có:

o n cột đầu tương ứng với n biến

o cột còn lại tương ứng với giá trị của hàm

2n hàng tương ứng với 2n giá trị của tổ hợp biến

Bảng sự thật của hàm AND: F = A AND B, hay F = A.B

2.3.5 Biểu đồ thời gian

Là đồ thị biểu diễn sự biến đổi theo thời gian của biến và hàm logic

Ví dụ: F = A AND B

Ta có biểu đồ thời gian như sau:

2.4 Biểu diễn hàm logic dưới dạng chính tắc

Một hàm logic thông thường được biểu diễn dưới 2 dạng:

Tuyển: dạng tổng các tích

Ví dụ: f(a,b,c)=ab+acb+cb

Hội: dạng tích các tổng

Ví dụ: f(a,b,c)=(a+b)(a+c+b)

Một hàm logic được gọi là biểu diễn dưới dạng chính tắc nếu mỗi số hạng của

nó đều có đầy đủ các biến

2.5.2 Hội chính tắc

Dạng hội chính tắc quan tâm tới những tổ hợp biến mà tại đó hàm nhận giá trịbằng

0 Việc biểu diễn hàm logic hội chính tắc dưới dạng số liệt kê các tổ hợp biến mà tại đó hàm có giá trị bằng 0

2.6 Tối thiểu hóa các hàm logic

Một hàm logic được gọi là tối thiểu hoá nếu như nó có số lượng số hạng ít nhất

và số lượng biến ít nhất

Mục đích của việc tối thiểu hoá: Mỗi hàm logic có thể được biểu diễn bằng các biểu thức logic khác nhau Mỗi 1 biểu thức logic có một mạch thực hiện tương ứng với

nó Biểu thức logic càng đơn giản thì mạch thực hiện càng đơn giản

Có hai phương pháp để tối thiểu hoá hàm logic:

2.6.2 Phương pháp sử dụng Bìa Các-nô

a Quy tắc lập bìa Các-nô

Bìa Các-nô có số ô bằng 2n ,với n là số biến của hàm Boole, một ô sẽ tương đương với một tổ hợp của các biến đã cho Hai ô liền kề nhau chỉ sai khác nhau 1 giá trị của 1 biến (tương ứng với tổ hợp biến khác nhau 1 giá trị) Bìa Các-nô có tính không gian

 Bìa Các-nô cho 2 biến:

Số lượng ô trong nhóm liên quan đến số lượng biến có thể loại bỏ đi được

Nhóm có 1 ô: không loại được biến nào Nhóm có 2 ô: loại được 1 biến

Nhóm có 4 ô: loại được 2 biến Nhóm có 8 ô: loại được 3 biến Nhóm có 2n ô: loại được n biến Biến nào nhận được giá trị ngược nhau trong nhóm thì biến đó sẽ bị loại Khi nhóm thì các nhóm có thể trùng nhau một vài phần tử nhưng không được trùng hoàn toàn và phải nhóm hết các ô bằng 1 Số lượng nhóm chính bằng số lượng số hạng sau khi đã tối thiểu hoá (mỗi nhóm tương ứng với 1 số hạng)

Ví dụ: Cho hàm logic 3 biến:

c Rút gọn dùng bìa Các-nô cho các trường hợp không xác định (Don’t care)

Ta mới chỉ xét giá trị của hàm là xác định Tuy nhiên, có thể xảy ra trường hợp ứng với tập hợp biến nào đó, ta không sử dụng, khi đó, giá trị của hàm là không xác định

tại tổ hợp biến đó Nếu xác định, giá trị của hàm chỉ là 0 hoặc 1

Khi tối thiểu hóa bằng bìa Các-nô, ta vẫn nhóm bình thường, và có thể nhóm kèm các ô 1 với các ô không xác định Tuy nhiên, không được có nhóm nào chỉ có toàn các

ô không xác định, vì nếu không sẽ được biểu thức không tối thiểu

Với các ô không xác định, ta kí hiệu x

2.7.4 Cổng NAND (NOT AND)

Cổng NAND được kết hợp giữa cổng NOT và cổng AND

2.7.5 Cổng NOR (NOT OR)

Cổng NOR được kết hợp giữa cổng NOT và cổng OR

Xét mạch:

Giả sử lấy TTL làm chuẩn cho hoạt động của mạch, ta đặt điện áp lần lượt là 0v

và 5v vào 2 đầu vào A và B, sau đó đo điện áp tại đầu ra F Ta được:

Giả sử lấy TTL làm chuẩn cho hoạt động của mạch, ta đặt điện áp lần lượt là 0v

và 5v vào 2 đầu vào A và B, sau đó đo điện áp tại đầu ra F Ta được:

F

Kết luận: Đây là mạch thực hiện phần tử và (AND) hai đầu vào sử dụng diode

2.8.2 Mạch thực hiện phần tử đảo (NOT) dùng transistor

Có 2 loại transistor: NPN và PNP Ký hiệu:

Cấu tạo: Transistor có 3 cực:

IB = 0, Transistor làm việc ở chế độ không khuếch đại (ngắt), IC = 0

IB > 0, Transistor làm việc ở chế độ khuếch đại (dẫn), IC =  IB, trong đó,  là hệ số khuếch đại

(),,,

(

.)

,,,

(

2

1

D B D C A D C B D C B

A

F

C A ACD D

B A D BC A D C B

Hãy lập bảng chân trị của F1 và F2

3 Dùng bìa Karnaugh rút gọn các hàm sau

29 , 28 , 25 , 22 , 21 , 20 , 14 , 12 , 9 , 6 , 5 , 4 , 3 , 1 ( ) , , , ,

(

) (

) , , ,

(

) 7 , 6 , 5 , 4 , 3 , 2 , 1 ( ) 0 ( ) , ,

(

) 14 , 12 , 10 , 8 , 5 , 4 , 2 , 1 , 0 ( ) , , ,

D C B

A

F

D C ABC D

C A B D C B A D C B

A

F

d C

B

A

F

D C B

A

F

4 Dùng bìa Karnaugh rút gọn các hàm sau

)5,3()15,9,7,4,2,1(),,,

,,,

(

2 A B C D

F

)10,0(.)15,13,8,7,5,2(),,,

,,,

(

F

Chương 3: MẠCH TỔ HỢP

3.1 Khái niệm

Hệ thống số (hệ thống logic) gồm 2 loại: Hệ tổ hợp và hệ tuần tự

Hệ tổ hợp là hệ mà tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào tại thời điểm hiện tại Hệ tổ hợp còn được gọi là hệ không nhớ Hệ tổ hợp chỉ cần thực hiện bằng những phần tử logic cơ bản

Hệ tuần tự là hệ mà tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc tín hiệu vào tại thời điểm hiện tại mà còn phụ thuộc vào quá khứ của tín hiệu vào Hệ tuần tự còn được gọi là hệ có nhớ Mạch thực hiện của hệ tuần tự bắt buộc phải có các phần tử nhớ (FF) Ngoài ra còn

có thể có thêm các phần tử logic cơ bản

Các bước thực hiện thiết mạch tổ hợp:

- Phân tích yêu cầu bài toán thiết kế

- Xác định số ngõ vào và ngõ ra

- Thành lập bảng sự thật theo yêu cầu bài toán

- Tối thiểu hóa biểu thức đại số Boole ( Bìa Các-nô)

- Vẽ mạch logic

Trên thực tế có rất nhiều các ứng dụng hệ tổ hợp khác nhau Ở đây chỉ giới thiệu một vài hệ tổ hợp cơ bản, hay được sử dụng và xuất hiện nhiều nhất

3.2 Bộ mã hóa

Mã hóa là việc sử dụng ký hiệu để biểu diễn đặc trưng cho một đối tượng nào đó

Ký hiệu tương ứng với một đối tượng được gọi là từ mã

Mỗi phím được gán một từ mã khác nhau Khi một phím được nhấn, bộ mã hóa

sẽ cho ra đầu ra là từ mã tương ứng đã gán cho phím đó

Bộ mã hóa

tín hiệu tín

hiệu

Ví dụ: Hãy thiết kế bộ mã hóa cho một bàn phím gồm có 9 phím với giả thiết trong một thời điểm chỉ có duy nhất 1 phím được nhấn Mỗi khi có 1 phím được nhấn,

bộ mã hóa phải cho ra 1 từ mã tương ứng

Sơ đồ khối: Một bộ 9 phím, phải sử dụng 4 bit để mã hóa Vậy có 4 đầu ra, 9 đầu vào

Lập biểu thức đầu ra phụ thuộc đầu vào:

nghĩa là khi P8 = 1 hoặc P9 = 1

Vậy A = P8 + P9

B = 1 khi P4 hoặc P5 hoặc P6 hoặc P7 được nhấn (VÀ CÁC PHÍM P1…P3

KHÔNG NHẤN), nghĩa là khi P4 = 1 hoặc P5 = 1 hoặc P6 = 1 hoặc P7 = 1 Vậy B = P4 + P5 + P6 + P7

C = 1 khi P2 hoặc P3 hoặc P6 hoặc P7 được nhấn, nghĩa là khi P2 = 1 hoặc P3 = 1 hoặc P6 = 1 hoặc P7 = 1

Vậy C = P2 + P3 + P6 + P7

D = 1 khi P1 hoặc P3 hoặc P5 hoặc P7 hoặc P9 được nhấn, nghĩa là khi P1 = 1 hoặc

P3 = 1 hoặc P5 = 1 hoặc P7 = 1 hoặc P9 = 1

Vậy D = P1 + P3 + P5 + P7 + P9

Mạch logic:

3.3 Bộ giải mã

Bộ giải mã thực hiện chức năng ngược với bộ mã hóa Cung cấp thông tin ở đầu

ra khi đầu vào xuất hiện tổ hợp các biến nhị phân ứng với 1 hay nhiều từ mã đã được chọn

Từ từ mã xác định được tín hiệu tương ứng với đối tượng đã mã hóa

Có 2 trường hợp giải mã:

- Giải mã cho 1 từ mã (cấu hình)

Nguyên lý: ứng với một tổ hợp cần giải mã ở đầu vào thì đầu ra bằng 1, các tổ hợp đầu vào còn lại, đầu ra bằng 0

Sơ đồ khối:

- Giải mã cho toàn bộ mã:

Nguyên lý: ứng với một tổ hợp nào đó ở đầu vào thì 1 trong các đầu ra bằng 1, các đầu ra còn lại bằng 0

Ví dụ: với bộ giải mã cho toàn bộ từ mã có 2 đầu vào và 4 đầu ra như sau, thì với AB=00, đầu ra S0 = 1, còn S1, S2, S3 = 0 Tương tự với các giá trị AB còn lại

Sơ đồ khối:

3.3.1 Bộ giải mã BCD (Binary Coding Decimal)

Mã BCD là mã dùng hệ nhị phân để mã hóa cho hệ thập phân ( các chữ số từ 0 đến 9)

BGM

Từ mã

Tín hiệu xác định đối tượng

M

Bảng mã:

Xác định đầu vào, đầu ra cho bộ giải mã BCD

Vào: từ mã nhị phân 4 bit

Ra: các tín hiệu tương ứng với các số nhị phân mà từ mã mã hóa

Do có 4 bit, nên có 16 tổ hợp Ta chỉ sử dụng 10 tổ hợp, còn 6 tổ hợp không sử dụng đến, ta coi là không xác định Nhờ đó ta có thể tối thiểu hóa các biểu thức của đầu

ra

Sơ đồ khối bộ giải mã BCD:

Chữ số thập phân 0

- Đầu vào: tín hiệu địa chỉ ngăn nhớ phát ra từ bộ vi xử lý

- Đầu ra: xác định ngăn nhớ nào

Ngoài ra còn đầu vào CS (Chip Select) để lựa chọn chip nhớ làm việc

Nếu CS=0 thì không được vào lấy địa chỉ

Nếu CS=1 thì được lấy địa chỉ

Chức năng: từ tín hiệu địa chỉ phát ra từ bộ vi xử lý, xác định ngăn nhớ nào sẽ trao đổi dữ liệu với bộ vi xử lý

Sơ đồ khối mạch giải mã địa chỉ:

S 0

S 1

S 2n -1

BGM địa chỉ

Phát

địa chỉ

S 0

S 7

BGM 3-8

S0  S3 = 0

S4  S7 phụ thuộc vào (E1,E0) như một Bộ giải mã 2-4

Ta có thể sử dụng 2 bộ giải mã 2 đầu vào để lắp thành 1 bộ giải mã 3-8

3.4 Bộ chuyển đổi mã BCD sang mã 7 đoạn

Dùng để chuyển từ mã BCD sang mã hiển thị 7 thanh, mỗi thanh là một điốt phát quang

Bảng sự thật:

1 0 1 0 - - - -

1 0 1 1 - - - -

1 1 0 0 - - - -

1 1 0 1 - - - -

1 1 1 0 - - - -

1 1 1 1 - - - -

Biểu diễn đầu ra phụ thuộc vào các đầu vào: a = A + C + B D + BD CD AB 00 01 11 10 00 1 0 1 1 01 0 1 1 1 11 - - - -

10 1 1 - - b = B + C D + CD CD AB 00 01 11 10 00 1 1 1 1 01 1 0 1 0 11 - - - -