u.v n ed u.v KỸ THUẬT SỐ lib ui ed u.v n -w ww lib ui ed u.v n -w ww lib ui (Dùng cho trưòng đào tạo hệ Đại học Cao đẳng) ww w ui ed n- ww w lib ui ed u.v n- ww w lib ThS BÙI THỊ KIM THOA PGS.TS NGUYỄN QƯÓC TRƯNG (Chủ biên) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM u.v n ed ui .ha ww w lib nu.v ed ui .ha w lib ww nu.v ed ui .ha lib -w ww ed u.v n ui .lib -w ww u.v n ui ed Công ty c ổ phần Sách Đại học ww w lib 303-201 l/C X B /5 - 357/G D Dạy nghề - Nhà xuất Giáo dục Việt Nam giữ quyền công bố tác phẩm M ã số ; 7B810Y u.v n ed ui .ha ww w lib n- LỜI NÓI ĐẦU u.v Chúng ta sống kỷ nguyên mà sản phẳm công nghệ cao thâm ui ed nhập vào lĩnh vực đời sống - xã hội Công nghệ nano - vật liệu mới; công nghệ thông tin sổ, công nghệ robot thông minh; công nghệ sinh học; công nghệ nghiên cứu sống nhiều công nghệ tiên tiến khác thực tàm thay đổi giới thập kỷ qua ed u.v n- ww w lib Kỷ nguyên công nghệ số tiếp tục phát triển không ngừng nhằm thơng minh hóa đại hóa hệ thổng, nâng cao chất lượng hệ thống truyền thông điều khiển Sự bùng nỗ sản phẩm công nghệ cao ngày phần nhiều dựa trẽn đời phát triển công nghệ kỹ thuật số hệ thống thơng tin số Có thể kể đến nhiều ứng dụng kỹ thuật số sống như: hệ thống truyền hình số; thơng tin di động số; máy ảnh kỹ thuật số; thiết bị MP3/MP4; thiết bị điều khiển số, vv ed u.v n -w ww lib ui Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên trường đại học sư phạm kỹ thuật lớn khu vực phía Bắc, Mục tiêu nhà trường trở thành trường đại học định hướng thự c hành/ứng dụng hàng đầu khu vực với nhiệm vụ đào tạo kỹ sư công nghệ cho công ty, doanh nghiệp cử nhân sư phạm kỹ thuật cho trường chuyên nghiệp dạy nghề góp phần vào cơng cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Chính thế, ngồi việc tập trung đào tạo kiến thức lý thuyết chuyên môn, sinh viên cần phải đạt lực nghề nghiệp cần thiết Các lực hình thành thông qua trinh học tập lý thuyết, thực hành/thí nghiệm , thơng qua đồ án mơn học, đồ án tốt nghiệp thực tập công ty, doanh nghiệp -w ww lib ui Với giúp đỡ Dự án giáo dục đại học Việt Nam - Hà Lan, cộng với kinh nghiệm nhiều năm nghiên cứu giảng dạy Trưởng đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, tập thể giảng viên Khoa Điện - Điện tử đâ cho đời sách Kỹ thuật Điện - Đ iện tử Cuốn Kỹ thuật số sách thuộc sách ww w lib ui ed u.v n Mục tiêu sách nhằm cung cấp kiến thức lý thuyết tổng quan đầy đủ phương pháp phân tích tổng hợp mạch số cho sinh viên, giảng viên kỹ sư, kỹ th u ậ t viên chuyên ngành Điện - Điện tử Bên cạnh đó, tập luyện tập ví dụ ứng dụng thực tiễn, tác giả kiểm nghiệm thơng qua thực hành/thí nghiệm, bổ sung vào nội dung sách Với cấu trúc vậy, người đọc dễ dàng đọc tự học Kinh nghiệm cho thấy, người đọc nhớ tốt hứng thú với mà họ đọc thực hành, họ đư ợ c nghe u.v n ui ed Cuốn sách tài liệu tham khảo có ich cho tất sinh viên theo học ngành Kỹ thuật điện tử, Viễn thông, Kiến trúc máy tính, Tin học, Tự động hố, Đo lường, Điều k h iể n , trường Cao đẳng Đại học ww w lib Nội dung sách gồm có chương: Chưcyng 1: Trình bày khái niệm hệ thống số, hệ thống số đếm, phép tính số học loại mã n- Chương 2: Trình bày sở tốn logic, phương pháp biểu diễn tối thiểu hoá hàm iogic ed u.v C h n g 3; Giới thiệu thông số, cấú tạo hoạt động vi mạch logic .ha ui Chương 4: Trình bày phương pháp phân tích thiết kế mạch tổ hợp, mạch logic tổ hợp thường gặp, ứng dụng w lib Chương 5: Trình bày phương pháp phân tích thiết kế mạch dãy mạch logic dãy thư ờng gặp, ứng dụng, ww C h n g 6: Trình bày chuyển đổi số - tương tự tương.tự - số u.v n- Trong chương, sau phần lý thuyết có ví dụ cụ thể ứng dụng giải thích rõ ràng giúp người đọc hiểu rõ vấn đề, hệ thống tập cuối chương giúp người học nắm vững kiến thức học ui ed Các tác giả xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp Bộ môn Kỹ thuật Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đóng góp nhiều ý kiến bổ ích cho việc soạn thảo -w ww lib Nội dung sách dùng làm tài liệu giảng dạy cho lớp Đại học Cao đẳng nhiều năm, nhiên tránh khỏi thiếu sót Chúng tơi mong nhận đư ợ c ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp, bạn đọc để kịp thời chỉnh sửa, bổ sung cho lần tái sau ww w lib ui ed u.v n -w ww lib ui ed u.v n Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về: Khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, huyện Khối Châu, Hưng n Cơng ty cổ phần sách Đại học Dạy nghề - Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội Các tác giả u.v n ed ui ww w lib KHÁI NIỆM CO BẢN CỦA HỆ THÓNG s Chu'o'ng I n- 1.1 KHÁI NIỆM TÍN HIỆU s ố u.v v ề có hai cách biểu diễn giá trị đại lượng, tương tự (analog) ed số (d ig ita l) ui - Biểu diễn dạng tương tir; cách biếu diễn dạng tương tir, đại lượng biểu diễn hiệu điện thế, cường dộ dòng điện, hay số đo chuyển động tương quan với giá ir ị đại lượng w lib V í dii, đồng hồ đo vận tốc xe ôtô kim đo phải lệch tương ứng với tốc độ ww lạ i xe độ lệch phải thay đối tức vận tốc xe tăng hay giảm M ộ t ví dii khác đại lượng lương tự micro 1'rong thiết bị này, biên độ n- hiệu điện đầu ln lỷ lệ với cường độ sóng âm tác động vào màng rung u.v m icro dầu vào ed Các đại lượng tương tự có m ộl đặc điếm quan trọng là: Đại lượng tương tự ui thay đối theo khoảng giá trị liên lục .ha - B iếu diễn dạng số; Trong cách biếu diễn dạng số, dại lượng biểu diễn lib bàng biểu tượng gọi ký số (digit) V í dụ, đồng hồ số, hiển thị thời gian ngày giờ, phút, giây -w ww dạng số thập phân Tuy thời gian ngày thay đối liên tục, số đồng hồ số lại thay dổi bước, mồi bước phút hay mộl giây bước rời rạc ed u.v n N ó i cách khác, đại lượng số có dặc diồni giá Irị eủa thay đồi ihco V ì tính rời rạc biểu diễn dạng số nên đọc giá trị đại lượng số, không ui có mơ hồ a) ưu điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự lib - D o sử dụng chuyển mạch nên nhin chung thiết bị số dễ thiết kế -w ww -T h ô n g tin lưu trữ dễ dàng - Tính xác độ tin cậy cao - C ó thể lập trìn h để điều khiển hệ thống số u.v n - í t ảnh hưởng nhiễu ed - N h iề u mạch số tích hợp chip IC .ha ui b) Giới hạn kỹ thuật số ww w lib Mặc dù hệ thống số có nhiều ưu điểm, bên cạnh có số hạn u.v n ed chế Do hầu hết đại lượng vât lý có chấl tương tự nên muốn tận dụng ui đượe hệ thông kỹ thuật số thỉ phải thực bước sau: - B iế n đổi đầu vào dạng tương ụr thành dạng số (A /D ) ww w lib - X lý tín hiệu số - B iế n đối đầu dạng số thành dạng tương tự (D /A ) Ï U V n h i ê n , q u t r ì n h t r ê n d ợ c c o i q u tr ìn h tất y ế u đ ố i v i h ệ t h ố n g s ố n- số hệ Ihống, để tận dụng ưu điểm kỹ ihuật sổ kỹ ihuật tương tự u.v người ta dùng hai hệ thống Trong hệ thống lai ghép việc quan trọng ed phải xác định phần hệ thống nên sử dụng kỹ thuậl sổ phần nên ui sử dụng kỹ thuật tương tự w lib 1.2 TR Ạ N G THÁI NH Ị PHÂN VÀ MỨC LOG IC Trong hệ thốiiíi kỹ thuật số ihơng tin dược xứ lý biểu diễn dạng nhị ww phân Bất kv thiết bị chí có hai Irạng thái hoại động có thê biêu diễn cáe đại lượng dạng nhị phân n- V í dii, m ộl cơng tắc có hai trạng thái hoạt động đóng mở Ta u.v quy ước công tẳc mớ biếu diễn nhị phân cơng tấc dóng biểu diễn nhị phàn Với ed quv ưó'c nàv ta có thê biếu diễn số nhị phân ui Có vơ số thiết bị chi có hai trạng ihái hoại động hav vận hành hai điều kiện dối lập như: bóng đèn (sáng/tối), điơt (dẫn/khơng dần), rơle (ngắt/đóng), lib 1'rong thiết bị điện tử số, Ihông lin nhị phân dược biểu diễn bàng hiệu diện (hav dòng điện) đầu vào hay đầu mạch Thông Ihường, số nhị phân -w ww biểu diễn hai mức diện danh định Ví dụ: o v biếu diễn bàní> nhị phân +5V biểu diễn nhị phân '1'rên thực tế, số dược biểu ed u.v n diễn khoảng điện quy định đỏ Ví dụ, khoảníi đỉện từ o v đến 0,8V quy định mức logic từ 3V dến 5V dược quy định mức louic Đ ối với hệ thống kỹ thuật số giá trị xác hiệu điện thổ hay dòng diện ui khơng quan trọng, cần nằm troriíỉ khống quy định mức logic hay .lib 1.3 KHÁI NIỆM BIT, B YTE, W ORD - B i t (binary d ig it - so nhị phân): Là hai số dùng thiếl bị -w ww số đế biểu thị số, ký tự lệnh máy B it đơn vị nhỏ cúa thông tin - B y te ; Hầu hết m áy tính thao tác lưu trữ Ihông tin , liệu nhị phân theo u.v n nhóm bít, chuồi bit có tên byle - W o r d - từ: Thông tin liệu tạo thành từ đơn vị gọi từ ed (w ord) Tuỳ theo loại máy, từ bit, 16 bit, 32 b it Các thiết bị chí ui truyền hay nhận vào nguyên từ hay nhiều từ khòng phái vài bit cua từ ww w lib Tuy nhiên đơn v ị nhớ bít u.v n ed ui 1.4 CÁC HỆ TH Ố N G s ổ ĐÉM ww w lib 1.4.1 C ác hệ thống số đếm sử dụng kỹ thuật số Đe biểu diễn sổ đo, đại lượng vật lý ta cần hệ thống số đếm T ro n i m ộl hệ thổng số đếm bất kỳ, m ộl số biểu diễn dạng m ột dãy chữ SC liên tiếp Như vậy, ứng với tập hợp chữ số dùng để biểu diễn SC ed T rong kỹ thuật số, có bốn hệ thống số đếm quan trọng là; u.v chữ số khác dùng để biểu diễn số hệ đếm n- m ột hệ Ihống đếm khác Người ta gọi số cúa hệ đếm SC đê biêu diễn số, 10 chữ số là; 0, 1, 2, , ui - H ộ đếm thập phân (D ecim al): gọi hệ số 10, sử dụng 10chữ SC w lib - H ộ nhị phân (B in a ry): gọi hệ số 2, sử dụng hai chữ số đểbiểi; diễn tất số, hai chữ số ww - H ộ bát phân (O ctal): gọi hệ số 8, sử dụng 8chữ số để biểu n- diễn tất số, chữ số là; 0, 1, 2, , u.v - H ệ thập lục phân (Hexa): gọi hệ số 16, sử dụng 16 ký hiệu để biểu diễn tất số, 16 ký hiệu là; 0, 1, 2, , 9, A , B, c , D, E, F ed Các hệ thống số đếm nói hệ thống đếm theo vị trí, tứclà giá ui ir ị chữ số phụ thuộc vào v ị trí số V ì số, chữ số gọi chữ số (b it) có ý nghĩa (M S D - M ost Significant lib D ig it), tức có trọng số lớn chữ số cuối chữ số (b it) ý nghĩa nhấl -w ww (L S D - Least S ign ifica n t D ig it), tức có trọng số bé 1.4.2 C h u yển đổi giữ a hệ thống số đểm ed u.v n a) Chuyển đồi từ hệ thống số đếm khác sang hệ thập phàn Nếu có số A hệ thống đếm B ta chuyển đổi sang hệ thập phân theo công thức sau: T rong đó; ui ( A ) b ~ Sn-iB" ' + an-ỉB" ^+ +aoB^+a_|B *+ +a_niB lib A m ột số (A = a„ -1 a„ - ao, a_i a- 2- a-,„) -w ww B số hệ đếm; < ak < B - n số chữ số phần nguyên u.v n m số chữ số phần thập phân an-i chữ số có ý nghĩa ww w lib ui ed a-m chữ số ý nghĩa trọng số chữ số vị trí k; với k = -m ^ n - (1.4.2.1) u.v n ed ui Ví dụ 1.4,2.1: ( , ) i6 ' = 1.16' + 3.16“ + 8.16 ww w lib ( ) = ‘ + 2.8^ + ( 1 , ) = ^ + 1.2^ + ‘ + 1.2^ + 0.2 ' + ( 25) i u ' b) Chuyển đổi từ hệ thập phân sang hệ thống số đếm khác Với phần nguyên, ta thực chia liên tiếp số Ihập phân cho số hệ đếm n- thương thực lẩy số dư theo thứ tự sổ dư cuối chữ u.v số có ý nghĩa sổ dư chừ số ý nghĩa ed Với phần lẻ sau dấu phẩy, sụr chuyển đổi thực cách nhân liên tiếp ui số hệ đếm giữ lại phần nguyên sinh từ trá i qua phải .ha Ví dụ 1.4.2.2 Chuyển (18,25)io sang hệ nhị phân w lib Giai: ww Phần nguyên thụrc chia liên liếp cho thương hình 1.4.2.1: Vậy (18)io = (10010)2 u.v 0,5 0,0 X X2 X2 1,0 0,0 ed n ^ ui io ' \ \ 0,25 lib -w ww 18 n- V ới phần lẻ thực nhân liên tiếp với hình 1.4.2.2: ed u.v n Hình 1.4.2.1 Hình 1.4.2.2 Vậy: (0 ,2 ),o - (0.01)2 ui Ta có: (18.25)10 = (10010,01)2 (K iêm Ira lại kết cách chuyến lừ hệ nhị phân Scing hệ thập phân lib học ó' mục trước) -w ww Lưu ý chuycn đổi iuôn ln xác nói chunu lượng gần tưong đương dược xác định bàng kết ihúc trình nhân diểm mong mviốn Ví dụ 1.4.2,3 Chuyến đối (23,15)io sang hệ bát phân u.v n Giai: ui ed Phần nguyên; ww w lib Vậy: (23),0 = (27)s 23 \2 u.v n X8 ui X8 0,8 0,6 ed 0,2 0,15 Phán lé; ww w lib [4,8 Váy: (0 ,1 )1 ^(0 ,1 )8 n- T a c ó : (23,15)10 «(27 ,1 )8 (K ié m tra la i két bäng cách chuyén lü he bát phán sang he tháp phán nhir da u.v hoc a muc trirá c) ed T irang tu, láy v i du chuyén tu he tháp phán sang thap luc phán .ha ui c) Chuyén doi tú’ nhj phán sang he bát phán vá ngu’O’c ¡ai V i b it nhi phán có thé tao dugc (2' =8) to hgp s5 nhi phán b it khác w lib N hu váy, m 6i ky só bát phán có thé dugc biéu dién báng nhóm má nhi phán ba ww bit khác K h i nhap du liéu váo niáy tính thi ba bil nhi phán có thé dugc biéu dién báng mgt ky só bát phán rát thuan lien Truac du liéu dugc xú ly thi n- dugc tai tao thánh dang nhi phán bäng mach chuyén doi u.v Dé chuyén tu he nhi phán sang bát phán ta thuc hien nhóm só nhi phán thánh ed tüng nhóm ba b it vá chuyén sang ky só bát phán tuang úng ui Dói vái phán nguyén thuc hién nhóm tu phái sang irái, dói vói phán lé thuc hien nhóm tú trái sang phái Néu nhóm cuói cúng khong dú bit thi thém bit O váo N gugc lai, chuyén tu bát phán sang nhi phán dói tüng ky só bát phán thánh tüng Báng chuyén dói: Só he 000 001 010 ed u.v n Só -w ww lib nhóm nhi phán bit 011 100 101 110 111 T u báng chuyén dói trén ta có thé dói bát ky só he nao sang hốc ngugc lai .ha ui Vi du 1.4.2.4: (001 011 001 010 101,101 010 100)2 -(13125,524)8 lib (713,26)8 = (111 001 01 1,010 110)2 -w ww d) Chuyén ti> nhj phán sang tháp luc phán vá ngwo’C lai u.v n Tuong tu nhu muc (c) ó dáy ta nhóm tirng nhóm bit Báng chuyén dói: 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 A B c D E F Só nhi phán 10 00 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Só 1lexa Só nhi phán ui ed Só í lexa ww w lib Có bón bit nhi phán có thé tao dugc ( ') 16 lo hgp só nhi phán bit khác u.v n ed ui M ỗ i tổ hợp bốn b it nhị phân biểu diễn m ột ký số thập lục phân Như vậy, kh i nhập liệu vào máy tính bốn b it nhị phân biểu diễn dạng ký số Hexa thuận tiện, s ố Hexa biến đối thành dạng nhị phân trước ww w lib chúng xử lý mạch số Ví dụ 1.4.2.5: (0101 0010 0111 101 1001,1001 1011)2 = (5 B ,9 B ),6 n- (5 A C ,9 E ) i = ( 101 10101 100,100111 1)2 u.v e) Chuyển từ hệ bát phân sang hệ thập lục phân ngược lại ed Do chuyển đổi qua lạ i hệ hệ 8, hệ hệ 16 nhanh chóng nên ui kh i chuyển từ hệ sang hệ 16 ngược lại ta dùng hệ làm trung gian .ha Ví dụ 1.4.2.6; (723)8 = (111010011)2 = (1D3),6 w lib ( C ) i = ( 1 0 0 )2 = ( 304)8 ww 1.4.3 Phép đếm tro n g hệ thống sổ đếm n- Cũng tương tự hệ 10, hệ hệ 16 gồm 16 ký tự nên ed u.v đếm đến F quay trở ký số trước tăng thêm đơn vị Ví dụ 1.4.3.1: Hệ 8: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 20, đảo b it với b it khác đảo b it b it sau -w ww chuyển từ sang .ha (1 sang s a n g l), đối 20 , m ỗi lần đếm b it có trọng số 1( ° ) lib Quy tắc đếm hệ 2: Sau ui Hệ 16: 0,1, , , E, F ,1 ,l V í dụ: 0,1,10,11,100,101,110,111,1000, Số số nhị phân gồm n b it số gồm (n + 1) b it với b it ed u.v n n b it .ha ui 1.5 CÁC PHÉP TÍNH s ố HỌC TRONG HỆ NHỊ PHÂN 1.5.1 C ộng nhị phân lib Phép cộng hai số nhị phân tiến hành giống cộng số thập phân Tuy kỳ là: -w ww nhiên, có bốn trường hợp xảy phép cộng b it nhị phân vị trí bất 1) + = 1+0=1 u.v n 2) + = 10 (bàng nhớ 1) 4) + + = 11 (bằng nhớ 1) ed 3) ui Trường hợp cuối xảy k h i hai b it v ị trí nào' có nhớ từ ww w lib v ị trí trước 10 ... phát triển công nghệ kỹ thuật số hệ thống thơng tin số Có thể kể đến nhiều ứng dụng kỹ thuật số sống như: hệ thống truyền hình số; thơng tin di động số; máy ảnh kỹ thuật số; thiết bị MP3/MP4;... a_i a- 2- a-,„) -w ww B số hệ đếm; < ak < B - n số chữ số phần nguyên u.v n m số chữ số phần thập phân an-i chữ số có ý nghĩa ww w lib ui ed a-m chữ số ý nghĩa trọng số chữ số vị trí k; với k =... tập hợp chữ số dùng để biểu diễn SC ed T rong kỹ thuật số, có bốn hệ thống số đếm quan trọng là; u.v chữ số khác dùng để biểu diễn số hệ đếm n- m ột hệ Ihống đếm khác Người ta gọi số cúa hệ đếm