Mạch đếm (điện tử số)

110 Bài 9 : Mạch đếm (Counters) A - Phần tóm tắt lý thuyết 1. Mạch đếm nối tiếp: Trong mạch đếm nối tiếp trigơ đầu tiên chuyển trạng thái bằng xung nhịp Ck. Các trigơ sau chuyển trạng thái bằng xung lối ra của trigơ trớc nó. Mạch đếm nối tiếp cũng còn đợc gọi là mạch đếm không đồng bộ (Asynchronous). Dới dây là sơ đồ logic của mạch đếm modun 16 theo kiểu nối tiếp có điều khiển bằng đầu vào counT. Sau khi xoá mạch đếm bằng xung xoá CLR ta có : Q = Q D Q C Q B Q A = 0 0 0 0 Đặt counT = 1 , mạch đếm bắt đầu hoạt động theo xung nhịp tác dụng. Giản đồ thời gian đợc mô tả trên hình sau. Sau Ck1 mạch đếm 0001 đến CK15 mạch đếm 1111, CK16 trở lại 0000. Nh vậy mạch đếm có 4 trigơ đếm từ 0 15 gọi là đếm modun 16. Tổng quát nếu sơ đồ đếm có n trigơ sẽ đếm đợc modun 2 n . Nhìn giản đồ xung ta cũng thấy mỗi trigơ chia tần số xung nhịp làm 2. Do đó, 4 trigơ sẽ chia tần số xung nhịp làm 2 4 = 16, n trigơ sẽ chia tần số xung nhịp theo hệ số 2 n . CLR CK COUNT SET 0V 0V +V 5V B AC D +V 5V S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q 111 2. Mạch đếm song song. Trong mạch đếm song song, xung nhịp tác động đồng thời vào tất cả các trigơ. Mạch đếm song song cũng còn đợc gọi là mạch đếm đồng bộ (Synchronous). Ta biết rằng trong mạch đếm nối tiếp, xung nhịp Ck phải lần lợt qua từng trigơ một. Nếu thời gian lan truyền của xung nhịp qua mỗi trigơ là t p (t p = 10 ns) thì tổng thời gian trễ qua n trigơ là n.t p . Nh vậy mạch đếm nối tiếp là chậm chạp không đáp ứng đợc trong một số mạch cần tác động nhanh. Sơ đồ logic của mạch đếm modun 16 theo kiểu đếm song song có đầu vào điều khiến counT đợc trình bày dới đây. Khi counT = 0 , các trigơ J-K không thay đổi trạng thái. Khi counT = 1 , mạch đếm bắt đầu hoạt động theo xung nhịp Ck. Sau khi xoá mạch đếm bằng xung xoá CLR ta có : Q = Q D Q C Q B Q A = 0 0 0 0 Việc phân tích mạch rất đơn giản vì theo tính chất của trigơ J-K thì chỉ khi nào J = K = 1 trigơ sẽ thay đổi trạng thái khi có sờn âm của xung nhịp tác dụng. Mạch lần lợt đếm từ 0000 đến 1111 tức là từ 0 đến 15 (hệ thập phân). ứng với sờn âm xung nhịp thứ 15, ta có : Q = Q D Q C Q B Q A = 1 1 1 1 Bây giờ cả bốn trigơ đều có J = K = 1 và khi sờn âm xung nhịp CK thứ 16 tác động thì chúng chuyển trạng thái từ 1 về 0 . Tăng thêm các trigơ và các cửa và ta có mạch đếm đồng bộ với chiều dài tuỳ ý. Ưu việt của mạch đếm đồng bộ là tốc độ nhanh. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Ck Q A Q B Q C Q D 112 3. Các mạch đếm khác a) Mạch đếm với modun tuỳ ý: Modun của một mạch đếm là số trạng thái đầu ra của mạch đếm đó. Mạch đếm nối tiếp 4-bit nói trên có modun 16 vì rằng nó có 16 trạng thái phân biệt đợc đánh số từ 0000 ữ 1111 . Bằng cách thay đổi thiết kế mạch ta có thể xây dựng mạch đếm với modun theo ý muốn. Sơ đồ logic mạch đếm nối tiếp modun 6 xây dựng từ 3 trigơ J-K và một cửa không và và một cửa và. Mạch đếm bị xoá khi hoặc CLR = 0 hoặc Y = 0 Đầu tiên CLR = 0 , ta có Q = Q C Q B Q A = 0 0 0 . Khi CLR trở về 1 , mạch đếm bắt đầu hoạt động. Mạch đếm 3 bit bình thờng đếm từ 000 ữ 111 , ta cần xoá bỏ 2 từ đếm cuối cùng 110 và 111. Với mạch đếm modun 6 ta phải xoá ngay từ đếm: Q = Q C Q B Q A = 1 1 0 . Cửa không và với đầu ra Y = 01.1Q.Q BC == đã thực hiện xoá mạch đếm để chu trình lặp lại từ đầu . "1" "1" QDQC QB QA Ck Count S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q 113 Mạch đếm nối tiếp modun 10 có cách mắc tơng tự. Mạch đếm này có tên gọi là Đề cát (decade). Khi đếm xung thứ 9 , ta có Q = Q D Q C Q B Q A = 1 0 0 1. Ta cần dập từ đếm thứ 10 ( Q = Q D Q C Q B Q A = 1010) và cửa và với đầu ra 0QQY BD == đã thực hiện đợc việc xoá toàn mạch để chu trình lặp lại từ đầu. Lu ý rằng không nhất thiết cứ phải dùng mạch đếm nối tiếp mới xây dựng đợc mạch đếm với modun bất kỳ. Sơ đồ logic dới đây, với đờng liên kết chọn thích hợp ta có đợc mạch đếm Đề cát . Vi mạch 74LS90 là một mạch đếm Đề cát đợc thiết kế theo nguyên tắc này. "1" CLR Count QC QB QA Ck S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q "1" QD S J CP K R Q _ Q CLR Count QCQB QA Ck S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q 114 Giản đồ thời gian dới đây sẽ giải thích đầy đủ hoạt động của Đề cát này. - Đờng liên kết (3,2) buộc trigơ D phải chuyển trạng thái ở sờn âm CK8 - Đờng liên kết (2) buộc trigơ D phải chuyển trạng thái ở sờn âm CK10 - Đờng liên kết (1) buộc trigơ B không đổi trạng thái ở sờn âm CK10 Lu ý 2 trigơ B và D chịu tác động trực tiếp của xung lối ra Q A của trigơ A. b) Mạch đếm tiến, mạch đếm lùi (UP Counter, down Counter). 1 2 345678910 Ck Q A Q B Q C Q D 3 2 1 b a b a "1" "1" Count QC QB QA Ck S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q 2 3 1 "1" "1" "1" "1" "1" "1" "1" "1" QA QB QC QD S J CP K R Q _ Q Ck S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q 115 Trên đây là sơ đồ logic của mạch đếm nối tiếp 3 bit. - Nếu khoá S ở vị trí a, ta có mạch đếm tiến nối tiếp. - Nếu khoá S ở vị trí b, ta có mạch đếm lùi nối tiếp. ở đây muốn xét kỹ mạch đếm lùi (khoá S ở vị trí b). Sau khi xoá toàn bộ mạch đếm (đặt 0CLR = sau đó chuyển 1CLR = ) , ta để PR = 0 . từ nhị phân lối ra sẽ là: Q = Q C Q B Q A = 1 1 1 . Để PR = 1 , mạch đếm bắt đầu hoạt động (đếm lùi). Kết thúc xung nhịp 1 : Q = 1 1 0 2 : Q = 1 0 1 3 : Q = 1 0 0 4 : Q = 0 1 1 5 : Q = 0 1 0 6 : Q = 0 0 1 7 : Q = 0 0 0 Vậy là mạch đã đếm lùi từ 7 đến 0, tơng ứng với từ nhị phân 3 bit từ 111 đến 000. Xung nhịp thứ 8 tiếp theo làm cho mạch đếm quay trở lại trạng thái ban đầu Q = 111. Dới đây là hình vẽ cho mạch đếm tiến - lùi 4 bit. Nhờ đầu vào điều khiển UP/down mà mạch sẽ đếm theo kiểu tiến hoặc lùi . Khi UP/down = 1 , mạch đếm tiến từ 0000 đến 1111 Khi UP/down = 0 , mạch đếm lùi từ 1111 đến 0000 . c) Mạch đếm đặt trớc (Presettable Counter). Trong mạch đếm đặt trớc phép đếm bắt đầu từ một số lớn hơn số 0. Hình vẽ dới đây là một mạch đếm đặt trớc, phép đếm bắt đầu từ số nhị phân D C B A , một số nằm giữa số 0000 và 1111. 116 Khi cho đầu load (nạp) = 0 , mạch đếm bình thờng . Khi cho đầu load = 1, mạch đếm xác lập đầu ra Q = D C B A. Giả sử số đặt trớc là : D C B A = 0 1 1 0 Ta lần lợt làm nh sau : LOAD = 1 ; Q = 0101 LOAD = 0 ; theo xung nhịp tác động, mạch đếm lần lợt cho các kết quả : Q = 0110 Q = 0111 Q = 1000 Q = 1001 cho đến số cực đại Q = 1111 Xung nhịp tiếp theo làm cho mạch nạp lại giá trị đặt trớc ABCD Lập trình modun (Programming Modulus). Một ứng dụng vô cùng quan trọng của mạch đếm đặt trớc là lập trình modun. Mạch logic vừa đợc trình bày trên đếm từ 6 đến 15 tơng ứng với tù nhị phân 0110 đến 1111. Ta muốn mạch đếm quay trở lại trạng thái xác lập ban đầu theo giản đồ trạng thái sau : 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 6 , 7, 8 Nói khác đi ta cần lập trình modun 10 cho mạch đếm mà số đặt trớc là 6 0110 2 . Muốn vậy, các đầu ra Q kích thích cửa không hoặc 4 đầu vào và cửa không hoặc điều khiển trở lại đờng LOAD . 117 QA QB QC QD LOAD Khi Q = Q D Q C Q B Q A = 0000 thì LOAD = 1 . Hầu nh ngay tức khắc , các đầu vào số liệu DCBA = 0110 xác lập trạng thái ban đầu cho mạch đếm Q = 0110. Lúc này LOAD = 0, mạch đếm hoạt động trở lại đếm tiếp 0111, 1000 Nếu thay đổi số liệu đặt trớc DCBA, ta có các modun khác nhau. Công thức tổng quát : M = N - P M là modun mạch đếm đặt trớc ; N - 2 n là modun tự nhiên trong đó n là số trigơ , P là số đếm đặt trớc . Trong ví dụ trên M = 10, N = 16, P = 6. Bảng dới đây là một số mạch đếm họ TTL . 7490 là mạch đếm 10 nối tiếp (decade). Cấu trúc của mạch logic có 2 phần : phần đầu chia 2, phần sau chia 5. 7492 là mạch đếm modun 12. Cấu trúc của mạch logic có 2 phần : phần đầu chia 2, phần sau chia 6. 7493 là mạch đếm modun 16. Cấu trúc của mạch logic có 2 phần : phần đầu chia 2, phần sau chia 8. 74160 và 74161 là mạch đếm đồng bộ đặt trớc . Mạch đếm đầu là Decade, mạch sau có modun 16. 74190 và 74191 là mạch đếm đặt trớc tiến lùi. Mạch đếm đầu có modun 10, mạch sau có modun 16. 7490 7492 7493 74160 74161 74190 Decade Divide - by - 12 Divide - by - 16 Presettable Decade Presettable divide - by - 16 Up - down presettable decade 118 74191 Up - down presettable divide - by - 16 119 B - Phần bài tập. 1. Mạch đếm nối tiếp . a) Mạch đếm nối tiếp modun 16 Sơ đồ thí nghiệm Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: 04 Trigơ JK loại 74LS112 [Digital by Number/741xx/74112 1/2] 02 Logic Switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 04 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 02 Logic Source [Sources/Linear/+V] (1) Chú ý: [ ] Đờng dẫn để lấy linh kiện trong th viện ( ) Ký hiệu phím tắt Bớc 2: Sau khi vẽ xong mạch, bạn nhấp lên nút Run trên thanh công cụ. Kích chuột vào các logic switch để lần lợt thay đổi các mức logic của các logic switch. Hãy quan sát sự thay đổi các trạng thái ở lối ra Q A Q B Q C Q D Bớc 3: - Ban đầu xoá mạch đếm bằng xung CLR , sau đó mạch đếm hoạt động theo xung nhịp C K tác dụng, quan sát giá trị logic lối ra Q A Q B Q C Q D và điền đầy đủ vào bảng chân lý. CLR CK COUNT SET 0V 0V +V 5V B AC D +V 5V S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q [...]... lối ra QA QB QC Bớc 3: Ban đầu xoá mạch đếm bằng xung CLR , sau đó mạch đếm hoạt động - theo xung nhịp CK tác dụng, quan sát giá trị logic lối ra QA QB QC QD và điền đầy đủ vào bảng chân lý - So sánh với bảng chân lý ở phần lý thuyết Từ kết quả thí nghiệm hãy ghi đầy đủ vào bảng trạng thái và trả lời câu hỏi : - Tại sao gọi là mạch đếm đặt trớc - Tại sao gọi là mạch đếm modun 16 Ghi chú : 1) xung nhịp... đổi các trạng thái ở lối ra QA QB QC QD Bớc 3: - Bằng thực nghiệm và lý thuyết trả lời xem mỗi mạch đếm này có modun đếm bằng bao nhiêu ? - Ghi kết quả báo cáo vào bảng trạng thái (tự lập bảng này) 5 Ghép hai mạch đếm 74LS161 - Vẽ các đờng nối mạch rồi xây dựng mạch đo sau tiến hành thí nghiệm với yêu cầu đếm từ 12 ữ 53 - Ghi kết quả thực nghiệm vào bảng trạng thái cho đầy đủ 5V CLR 74LS161 CEP CET... Trigơ JK Tên IC: (JK trigger) 74x112 (TTL) 129 2 Bộ đếm thập phân; chia 12; đếm nhị phân 4 bit (Decade counter; divide-by-twelve counter; 4-bit binary counter) Tên IC: 74x90, 74x92, 74x93 (TTL) 130 131 3 Đếm thập phân mã BCD; đếm nhị phân 4 bit (JK trigger) Tên IC: 74x160, 74x161, 74x162, 74x163 (TTL) 132 4 Bộ đếm BCD/thập phân tiến/lùi đặt trớc; đếm nhị phân 4 bit tiến/lùi đặt trớc (Presettable BCD/Decade... NOT [Digital Basic/Buffers/Inverters/Inverter] Bớc 2: 123 16 Sau khi vẽ xong mạch, bạn nhấp lên nút Run trên thanh công cụ Kích chuột vào các logic switch để lần lợt thay đổi các mức logic của các logic switch Hãy quan sát sự thay đổi các trạng thái ở lối ra QA QB QC Bớc 3: Ban đầu xoá mạch đếm bằng xung CLR , sau đó mạch đếm hoạt động - theo xung nhịp CK tác dụng, quan sát giá trị logic lối ra QA... Cổng AND 2 lối vào [Digital Basic/Gates/2-in AND] (3) Bớc 2: Sau khi vẽ xong mạch, bạn nhấp lên nút Run trên thanh công cụ Kích chuột vào các logic switch để lần lợt thay đổi các mức logic của các logic switch Hãy quan sát sự thay đổi các trạng thái ở lối ra QA QB QC QD Bớc 3: - Ban đầu xoá mạch đếm bằng xung CLR , sau đó mạch đếm hoạt động theo xung nhịp CK tác dụng, quan sát giá trị logic lối ra QA... K J CP K Q _ Q S Q _ Q R R J CP K Q _ Q R 0V 0V CK Bớc 2: Sau khi vẽ xong mạch, bạn nhấp lên nút Run trên thanh công cụ Kích chuột vào các logic switch để lần lợt thay đổi các mức logic của các logic switch Hãy quan sát sự thay đổi các trạng thái ở lối ra QA QB QC QD Bớc 3: - Ban đầu xoá mạch đếm bằng xung CLR , sau đó mạch đếm hoạt động theo xung nhịp CK tác dụng, quan sát giá trị logic lối ra QA... _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ QA 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Vẽ giản đồ thời gian của mạch đếm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Ck QA QB QC QD 3 Mạch đếm tiến lùi Sơ đồ thí nghiệm SET 0V 5V UP/DOWN CK S 0V J CP K S Q _ Q R S Q _ Q R J CP K Q _ Q R 5V +V COUNT J CP K 5V CLR Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: 04 Trigơ JK loại 74LS112 [Digital by Number/741xx/74112... lối vào [Digital Basic/Gates/2-in NAND] (5) Bớc 2: Sau khi vẽ xong mạch, bạn nhấp lên nút Run trên thanh công cụ Kích chuột vào các logic switch để lần lợt thay đổi các mức logic của các logic switch Hãy quan sát sự thay đổi các trạng thái ở lối ra QA QB QC QD Bớc 3: Bằng thực nghiệm và lý thuyết trả lời xem mỗi mạch đếm này có modun - đếm bằng bao nhiêu ? Ghi kết quả báo cáo vào bảng trạng thái (tự... _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ QA 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ b) Mạch đếm modun 12 QD QC QB QA Sơ đồ thí nghiệm 5V +V SET S 0V J CP K CK R S S Q _ Q J CP K Q _ Q R J CP K S Q _ Q J CP K R Q _ Q R +V COUNT 5V U1A U2A CLR 0V Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: 04 Trigơ JK loại 74LS112 [Digital by Number/741xx/74112 1/2]... phần lý thuyết Thứ tự Ck QD QC QB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 0 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ QA 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2 Mạch đếm song song Sơ đồ thí nghiệm Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: 04 Trigơ JK loại 74LS112 [Digital by Number/741xx/74112 1/2] 02 Logic Switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 04 Logic . hình sau. Sau Ck1 mạch đếm 0001 đến CK15 mạch đếm 1111, CK16 trở lại 0000. Nh vậy mạch đếm có 4 trigơ đếm từ 0 15 gọi là đếm modun 16. Tổng quát nếu sơ đồ đếm có n trigơ sẽ đếm đợc modun 2 n CLR trở về 1 , mạch đếm bắt đầu hoạt động. Mạch đếm 3 bit bình thờng đếm từ 000 ữ 111 , ta cần xoá bỏ 2 từ đếm cuối cùng 110 và 111. Với mạch đếm modun 6 ta phải xoá ngay từ đếm: Q = Q C . 112 3. Các mạch đếm khác a) Mạch đếm với modun tuỳ ý: Modun của một mạch đếm là số trạng thái đầu ra của mạch đếm đó. Mạch đếm nối tiếp 4-bit nói trên có modun 16 vì rằng