Bài giảng kỹ thuật xung số phần 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THÁI BÌNH KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT XUNG SỐ Ths Đào Thị Mơ Ths Nguyến Thị Nga Ths Tống Thị Lan MỤC LỤC Chương Hệ thống số đếm 1.1 Biểu diễn số 1.2 Các hệ thống số đếm 1.3 Chuyển đổi hệ số đếm 1.4 Các loại mã thông dụng 1.5 Phép toán hệ nhị phân Tổng kết chương Bài tập chương Chương 2: Đại số Boole 2.1 Khái niệm 2.2 Các cổng logic 2.3 Các tiên đề, định lý đại số Boole 2.4 Phương pháp biểu diễn hàm Boole 2.4.1 Bảng giá trị 2.4.2 Biểu thức hàm số 2.4.3 Bìa Karnaugh 2.4.4 Sơ đồ mạch logic 2.5 Phương pháp rút gọn hàm Boole 2.5.1 Phương pháp đại số 2.5.2 Phương pháp bìa Karnaugh 2.5.3 Thực hàm dùng toàn NAND 2.5.4 Thực hàm dùng toàn NOR Phụ lục chương Tổng kết chương Bài tập chương Chương 3: Hệ tổ hợp 3.1 Khái niệm 3.2 Mạch cộng 3.3 Mạch hợp kênh 3.4 Mạch phân kênh 3.5 Mạch giải mã 3.6 Mạch mã hóa 3.7 Mạch so sánh Tổng kết chương Bài tập chương Chương 4: Hệ 4.1 Khái niệm 4.2 Các phần tử hệ 4.2.1 Chốt 4.2.2 FF 4.3 Hệ đếm 4.3.1 Đếm không đồng 4.3.2 Đếm đồng 1 11 11 12 18 19 19 20 22 25 25 25 25 29 29 30 37 38 42 42 42 44 48 49 59 62 65 65 69 69 69 69 70 75 75 78 Phụ lục chương Tổng kết chương Bài tập chương Chương 5: Tín hiệu xung mạch RLC 5.1 Khái niệm dạng xung 5.2 Các thơng số tín hiệu xung 5.3 Mạch tích phân 5.3.1 Mạch ch phân RC 5.3.2 Mạch ch phân RL 5.3.3 Mạch ch phân dùng Op-amp 5.4 Mạch vi phân 5.4.1 Mạch vi phân RC 5.4.2 Mạch vi phân RL 5.4.2 Mạch vi phân dùng Op-amp Tổng kết chương Bài tập chương Chương 6: Mạch xén mạch ghim điện áp 6.1 Mạch xén 6.1.1 Mạch xén dương 6.1.2 Mạch xén âm 6.1.3 Mạch xén mức 6.2 Mạch ghim 6.2.1 Mạch ghim đỉnh 6.2.2 Mạch ghim đỉnh Tổng kết chương Bài tập chương Chương 7: Mạch dao động đa hài 7.1 Khái niệm 7.2 Trạng thái tắt, dẫn bão hòa BJT 7.3 Mạch dao động lưỡng ổn 7.4 Mạch dao động đơn ổn 7.5 Mạch dao động phi ổn 7.6 Mạch dao động dùng khuếch đại thuật toán 7.7 Dao động dùng vi mạch LM555 7.8 Mạch dao động dùng cổng logic Tổng kết chương Bài tập chương Chương 8: Mạch Schmitt Trigger 8.1 Khái niệm 8.2 Mạch Schmitt Trigger 8.3 Mạch Schmitt Trigger dùng Op-amp Tổng kết chương Bài tập chương 82 90 91 94 94 95 96 96 99 99 100 100 102 102 104 105 110 110 110 111 113 115 115 116 118 119 121 121 121 122 124 128 130 133 138 143 143 148 148 149 151 153 153 CHƯƠNG HỆ THỐNG SỐ ĐẾM Mở đầu Chương giới thiệu hệ thống số, thường sử dụng hệ thống số có vị trí Trong đó, số biểu diễn chuỗi kí tự số (digit) Ở vị trí kí tự số có trọng số định Các hệ thống số đếm thường gặp: hệ nhị phân (Binary), hệ bát phân (Octal), hệ thập phân (Decimal), hệ thập lục phân (Hexa-Decimal gọi tắt Hexa) Chương đề cập đến phương pháp chuyển đổi hệ thống số đếm, mã nhị phân thông dụng phép tính nhị phân Mục tiêu học chương 1: - Nhận diện phân biệt hệ thống số đếm (hệ nhị phân, hệ bát phân, hệ thập phân, hệ thập lục phân) - Chuyển đổi hệ thống số đếm - Biết cách xác định số bù 1, số bù số nhị phân - Nhận diện hiểu ý nghĩa số BCD Biết cách chuyển đổi số thập phân số BCD - Nhận diện chuyển đổi mã nhị phân thơng dụng - Tính tốn (cộng, trừ, nhân, chia) hệ thống số đếm học - Hoàn thành tập cuối chương 1.1 Biểu diễn số - Hệ thống số thường sử dụng hệ thống số có vị trí Trong đó, số biểu diễn chuỗi kí tự số (digit) Ở vị trí kí tự số có trọng số định Trọng số: lũy thừa vị trí kí tự số chuỗi Số có trọng số cao kí hiệu MSB (Most Significant Bit), số có trọng số thấp kí hiệu LSB (Less Significant Bit) Cơ số: số kí tự số dùng để biểu diễn hệ thống - Các hệ thống số đếm thường gặp: hệ nhị phân (Binary), hệ bát phân (Octal), hệ thập phân (Decimal), hệ thập lục phân (Hexa-Decimal gọi tắt Hexa) 1.2 Các hệ thống số đếm a Hệ thống số đếm thập phân - Kí tự số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, - Cơ số: 10 b Hệ thống số đếm nhị phân - Kí tự số: 0, - Cơ số: c Hệ thống số đếm bát phân - Kí tự số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, - Cơ số: d Hệ thống số đếm thập lục phân - Kí tự số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F - Cơ số: 16 1.3 Chuyển đổi hệ số đếm a Chuyển đổi số nhị phân, bát phân, thập lục phân sang số thập phân Nguyên tắc: Lấy số hạng chuỗi số nhân với số lũy thừa vị trí nó, sau lấy tổng tất  kết b Chuyển đổi số từ nhị phân sang bát phân Nguyên tắc: Nhóm từ phải qua trái đủ ba số (ba bit); nhóm cuối thiếu ta thêm số vào Thay nhóm bit nhị phân thành mã bát phân tương ứng Nhị phân 000 001 010 011 100 101 110 111 Bát phân c Chuyển đổi số từ nhị phân sang thập lục phân Nguyên tắc: Nhóm từ phải qua trái đủ bốn số (bốn bit); nhóm cuối thiếu ta thêm số vào Thay nhóm bit nhị phân thành mã thập lục phân tương ứng Nhị phân 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Thập lục phân A B C d Chuyển đổi số từ bát phân sang nhị phân Nguyên tắc: Thay ký tự số số nhị phân ba bit tương ứng Ví dụ : 5[8] = 11100101[2] 011 100 101 001 011 7[8] = 1011111[2] 111 e Chuyển đổi số từ thập lục phân sang nhị phân Nguyên tắc: Thay ký tự số số nhị phân bốn bit tương ứng Ví dụ : F E (H) = 1011111110[2] 0010 1111 1110 f Chuyển đổi số thập phân sang số nhị phân, bát phân, thập lục phân Chia làm hai phần: phần nguyên (phần N) phần thập phân (phần L) D E F * Phần nguyên N: - Lấy N chia cho số (2 hoặc 16), thương số N 0, số dư n0 - Lấy N0 chia cho số (2 hoặc 16), thương số N1, số dư n1 - Lấy N1 chia cho số (2 hoặc 16), thương số N2, số dư n2 - Tiếp tục chia thương số Ni =0, số dư ni Khi số N biểu diễn dạng nhị phân là: N[2] = ni ni-1 … n2 n1 n0 (Các số dư lấy theo thứ tự từ lên) Ví dụ : 64[10] = ?[2] 35[10] = ?[2] 64 35 32 16 17 8 4 2 2 0 1 =1000000[2] = 100011[2] Ví dụ : 1997[10] 16 = 7CD[16] 16 = 1A7[16] 423[10] 13000 124 16 12 7 700 26 16 16 10 1 16 Ví dụ : 266[10] = 412[8] 1999[10] = 3717[8] 2000 33 700 249 8 31 70 * Phần thập phân L: - Lấy phần L nhân số thành L’ có phần nguyên d1, phần thập phân L1 - Lấy phần L1 nhân số thành L1’ có phần nguyên d2, phần thập phân L2 - Lấy phần L2 nhân số thành L2’ có phần nguyên d3, phần thập phân L3 …………… - Tiếp tục phần thập phân tích số hay đạt số lẻ cần thiết Khi phần lẻ là: L[2] = d1 d2 d3 d4 … dk Ví dụ : Ví dụ : Ví dụ : L[10] = 0.6875  L[2] 0.6875 x = 1.3750 (L’) 0.3750 x = 0.750 (L1’) 0.750 x = 1.50 (L2’) 0.50 x = 1.0 (L3’)  L[2] = 0.1011 L[10] = 0.6875  L[8] _ 0.6875 x = 5.5 (L’) _ 0.5 x = 4.0(L1’)  L[8] = 0.54 L[10] = 0.6875  L[16] _ 0.6875 x 16 = 11 (L’)  L[16] = 0.B  d1 = 1; L1 = 0.3750  d2 = 0; L2 = 0.750  d3 = 1; L3 = 0.50  d4 = 1; L4 =  d1 = 5; L1 = 0.5  d2 = 4; L2 =  d1 = B; L1 = 1.4 Các loại mã thông dụng a Mã nhị phân: Mã nhị phân mã sử dụng hệ thống nhị phân xếp theo cấu trúc Trong kỹ thuật số, mã nhị phân sử dụng phổ biến Mã nhị phân dựa hệ thống nhị phân, gồm hai ký hiệu Nó đặc trưng cho hai trạn thái thiết bị (“tắt” “bật”), đặc trưng cho hai mức tín hiệu (mức điện áp) “thấp” “cao” b Mã BCD (Binary Coded Decimal) : Mã BCD số thập phân mã hóa theo nhị phân Mã dùng nhóm bit để biểu thị số thập phân từ đến Lưu ý: mã BCD có giá trị đến nên ta chuyển đổi từ mã BCD sang giá trị thập phân cần ý trường hợp cấm (không tồn mã BCD) 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 BCD Thập phân Khơng phải BCD (Cấm) Ví dụ : 0001 (D) 0010 0 0 (BCD) 0001 0010 1000 0111 c Mã 3: 9 1001 (D) 1001 0 (BCD) 0101 1100 0101 (cấm) Mã (thừa 3, dư 3) mã có tăng đơn vị từ Binary, tức cộng thêm 011 [2] d Mã 6: Mã (thừa 6, dư 6) mã có tăng đơn vị từ Binary, tức cộng thêm 0110 [2] e Mã Gray (mã vòng): Mã Gray mã vòng suy từ mã nhị phân Giả sử cho mã nhị phân có bit B 3B2B1B0, mã Gray tương ứng G3G2G1G0, với: G i  B i1  B i (Gray) * 0100    0110 f Mã kí tự: Là mã biểu diễn kí tự Mã sử dụng hầu hết máy tính mã ASCII Mỗi kí tự tương ứng với mã bit Ví dụ: Kí tự Mã ASCII Kí tự Mã ASCII 00110000 A 01000001 00110001 B 01000010 00110010 Y 01011001 00110011 Z 01011010 00110100 00110101 A 01100001 00110100 B 01100010 1.5 Phép toán hệ nhị phân 15.1 Các phép tính: a Phép tốn cộng: Nguyên tắc 0+0=0 0+1=1 1+0=1 + = 10 = nhớ (carry) Ví dụ : 100110 + 001 1010110 1000101 1001010 1010010 100111 10011011 10011100 b Phép toán trừ Nguyên tắc : – = 0 – = mượn (borrow) 1–0=1 –1 = Ví dụ : 1111 1000 -0110 -0011 1001 0101 c Phép toán nhân: Nguyên tắc : x = 0 x = x = x = Ví dụ : 1010 10001 x101 x1000 1010 1000100 00000 10100 1 0 10 d Phép tốn chia Ví dụ : 101000[2] / 11[2] = ?; 1010[2] / 101[2] = ?; 111111[2] / 110[2] = ? 1 0 11 - 1 11011 0 - 1 Thương số 0 - 0 0 - 1 0 Số dư 10 Qn Qn+1 Jn Kn 0 X 1 X X 1 X Trong X: tùy định Bảng có suy từ bảng giá trị JKFF Jn Kn Qn+1 0 Qn 1 1 Qn Ta lập bảng giá trị theo yêu cầu mạch đếm Xung Q1 Q0 Q1 Q0 J0 K J1 K (hiện tại) (kế tiếp) 00 01 1X 0X 01 10 X1 1X 10 11 1X X0 11 00 X1 X1 Dùng bìa Karnaugh rút gọn hàm J0,K0, J1, K1 theo biến Q0,Q1(hiện tại) ta có: J0=K0=1;J1=K1=Q0 Mạch đếm song song: xung CK FF nối chung với (hay nói cách khác: xung CLK từ bên vào tất chân CK FF); chân J,K nối theo kết rút gọn bìa Karnaugh Sơ đồ thực mạch sau: Q0 Q1 [1] J CK Q J CK K Q CK Q K Q Nhận xét: phương pháp có kiểu kết nối mạch khác cho kết 80 Ví dụ 2: Thiết kế mạch đếm thực chuỗi đếm: 0,2,4,6,0… Giả sử số đếm xuất cấp điện khơng nằm chuỗi số đếm số Bảng giá trị Xung Q2 Q Q (hiện tại) 000 001 010 011 100 101 110 111 Q2 Q1 Q0 (kế tiếp) 010 000 100 000 110 000 000 000 J0 K J1 K J2 K 0X X1 0X X1 0X X1 0X X1 1X 0X X1 X1 1X 0X X1 X1 0X 0X 1X 0X X0 X1 X1 X1 Kết rút gọn từ bìa Karnaugh: J0=K0=Q0;J1=K1=Q1+ Q ;J2=K2=Q0Q2+Q1 Q Sơ đồ mạch: Q0 J CK Q1 Q J CK K Q J CK Q K Q2 Q CK Q K Q Tùy thuộc cách rút gọn hàm mà ta sơ đồ khác nhau, kết cuối chuỗi số đếm giống Ví dụ 3: Thiết kế mạch đếm theo sơ đồ sau: 000 010 100 101 110 011 111 Số JKFF cần sử dụng Bảng giá trị: 81 001 Xung Q2 Q Q (hiện tại) 000 001 010 011 100 101 110 111 Q2 Q1 Q0 (kế tiếp) 010 111 101 100 000 110 001 000 J0 K J1 K J2 K 0X X0 1X X1 0X X1 1X X0 1X 1X X1 X1 0X 1X X1 X1 0X 1X 1X 1X X1 X0 X1 X1 Kết rút gọn: J0=Q1;K0= Q Q1+Q2 Q1 =Q2Q1;J1=Q0+ Q ;K1=1;J2=Q0+Q2;K2= Q +Q1 Sơ đồ mạch: Q0 Q1 Q2 [1] J CK Q J CK K Q CK Q K J Q CK Q K Q Q1 Q2 /Q0 Q1 Mạch đếm song song đếm lên – xuống Xét mạch đếm: đếm lên – xuống mod =8 có chuỗi số đếm 0,1,2,3,4,5,6,7,0,1… Để thiết kế mạch ta kết hợp phương pháp thiết kế mạch đếm lên xuống kiểu song song Ta có sơ đồ mạch: 82 Counter Up Q0 /Q0 Counter Down [1] J CK Q Q0 CK K J Q CK Q /Q0 K J Q CK Q Chuỗi số đếm lấy từ ngõ Q0,Q1,Q2 83 K Q PHỤ LỤC CHƯƠNG Một số vi mạch FF ICSN54/74LS74 - DFF tích cực cạnh lên Hình dạng : D 11 CLK Q Q CLK Q S 12 R Q R D 13 S 10 Ký hiệu logic: 74S74 12 CLK K J Q S 14 Q Q 10 CLK 13 K 15 Q R J R S 11 Chân 7: GND, chân 14: Vcc 74LS109 – JKFF 74LS109 13 K Q 12 74LS112 Một số IC đếm chuyên dụng 8: GND 16: Vcc a IC đếm lên: SN54/74LS90,92,93 84 J S 11 Q R CLK 15 Q Q CLK K 14 J R S 74LS112- JKFF 10 8: GND 16: Vcc Sơ đồ logic: Chức chân: Q0-Q3: ngõ nhị phân CP0, CP1 MR: thiết lập giá trị ngõ Nếu MR=1thì đếm xóa 0, ngõ mức thấp MS: thiết lập giá trị ngõ Nếu MS=1 ngõ Q3Q2Q1Q0 =giá trị đếm cao LS90 – IC đếm thập phân (0-9) Sơ đồ chân Sơ đồ logic MS MS J 14 K MR MR Q J CP CP0 CP1 SD SD Q J CP CD Q K SD Q R CP CD Q K SD Q CP CD Q S CD Q 12 Q Vcc= chân 5, GND 0= chân 10 Q Q 85 11 Q3 Chế độ hoạt động: RESET/ SET NGÕ VÀO NGÕ RA MR1 MR2 MS1 MS2 Q0 Q1 Q2 Q3 H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L L H L X L X Đếm X L X L Đếm L X X L Đếm X L L X Đếm Trình tự đếm: (Chú ý: Ngõ Q0 nối với ngõ vào CP1) Đếm Ngõ Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L H L L L L H L L H H L L L L H L H L H L L H H L H H H L L L L H H L L H LS92 – IC đếm số 12 (0-11) Sơ đồ chân: 86 Sơ đồ logic: J 14 CP Q CP Q J CP K CP J CD Q K Q J CP CD Q K Q CP CD Q K CD Q 1 MR MR 12 11 Q Q Q Chế độ hoạt động (LS92 LS93): Reset ngõ vào Ngõ MR1 MR2 Q0 Q1 Q2 Q3 H H L L L L L H Đếm H L Đếm L L Đếm Bảng giá trị trình tự đếm: (Chú ý: Ngõ Q0 nối với ngõ vào CP1) Đếm Ngõ Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L H L L L L H L L H H L L L L H L H L H L L H H L H H H L L L L H H L L H 10 L H L H 11 H H L H 87 Q LS93 – IC đếm thập lục phân (0-15) Sơ đồ chân: Sơ đồ logic: J 14 CP J CP K CP Q Q J CP CD Q K Q J CP CD Q K Q CP CD Q K CD Q 1 MR MR 2 12 Q Q Q 11 Q3 Bảng giá trị trình tự đếm: (Chú ý: Ngõ Q0 nối với ngõ vào CP1) Đếm Ngõ Q0 Q1 Q2 Q3 L L L L H L L L L H L L H H L L L L H L H L H L L H H L H H H L L L L H H L L H 10 L H L H 11 H H L H 12 L L H H 13 H L H H 14 L H H H 15 H H H H 88 b IC đếm lên/ xuống: 74LS190/191 Sơ đồ chân: CE : Ngõ vào cho phép đếm (tích cực mức thấp) CP: ngõ vào xung clk U/D: ngõ vào điều khiển đếm lên /xuống (=0: đếm lùi, =1: đếm lên) PL: ngõ vào điều khiển thiết lập trạng thái đầu cho mạch đếm (tích cực mức thấp) PL=0 Qi=Ai (i=0-3) P0- P3: ngõ vào liệu song song Q0 – Q3: ngõ Flip Flop RC TC: ngõ dùng để kết nối liên tầng IC74190 (RC: ngõ clk, TC: ngõ đếm) Kí hiệu logic: 89 Sơ đồ logic LS190: Đếm thập phân (0-9) 90 Sơ đồ logic LS191: Đếm nhị phân (0-15) 91 TỔNG KẾT CHƯƠNG Sau học xong chương 4, sinh viên có khả năng: - Trình bày khái niệm, kí hiệu, chức năng, bảng giá trị FF: TFF, RSFF, DFF, JKFF - Nhận diện, phân tích nguyên lí hoạt động, ứng dụng mạch chốt, mạch FF - Thiết kế mạch đếm: Đếm đồng bộ, đếm không đồng dựa FF theo yêu cầu cho trước - Thiết kế mạch đếm sử dụng IC chuyên dụng có sẵn - Tra cứu IC đếm chuyên dụng 92 BÀI TẬP CHƯƠNG Bài Thiết kế đếm lên 0-8 dùng JKFF Bài Thiết kế đếm xuống 7-0 dùng DFF Bài Thiết kế đếm 0-9 hiển thị led đoạn A chung dùng IC7490 Bài Thiết kế đếm đồng đếm lên 0-7 dùng JK FF Bài Thiết kế đếm 00-23 dùng IC7490 Bài Thiết kế đếm 00-59 dùng IC7490 Bài Thiết kế đếm 59-00 dùng IC74190 Bài tập trắc nghiệm Cho D-FF hình vẽ: D PR Q CLK CLR Q\ Khi PR=1; CLR=0 trạng thái ngõ là: a Q =0; Q\ =0 b Q=1; Q\ =1 c Q =1; Q\=0 d Q=0;Q\ =1 2.Mạch đếm song song (mạch đếm đồng bộ) có đặc điểm: a Ngõ flip flop trước làm xung clock (CK) cho flip flop b Xung đếm đến flip flop c Xung đếm đưa đến ngõ vào xung clock (CK) tất flip flop d Cả ba câu sai Cho T-FF hình vẽ: PR T Q Khi PR =0, CLR =1 trạng thái ngõ là: a Q=1; Q\=1 b Q=1; Q\ =0 c Q =0; Q\=1 d Q=0; Q\=0 93 PR D Q CLK CLR Q\ Khi PR =1; CLR =1, D=0, CK kích cạnh xuống trạng thái ngõ là: a Đổi trạng thái b Q=1, Q\=0 c Q=0, Q\=1 d Giữ nguyên trạng thái trước Hình sơ đồ đếm Qo D CLR Q CK Q D PR CK Q1 Q CLR CKin PR Q a Nối tiếp, đếm lên với mod=2 b Nối tiếp, đếm xuống với mod=2 c Nối tiếp, đếm lên với mod=4 d Nối tiếp, đếm xuống với mod=4 Cho T-FF hình vẽ: PR T Q CLK CLR Q\ Khi PR =0, CLR =1 trạng thái ngõ là: a Q=1; Q\=1 b Q=1; Q\ =0 c Q =0; Q\=1 d Q=0; Q\=0 IC giải mã BCD sang mã đoạn 74LS47 có ngõ tích cực mức thấp sử dụng với loại led đoạn: a Anode chung b Cathode chung c Cả loại Anode chung K chung d Cả câu 94