Trang 1 Lời nói đầu Điện tử số là nhánh quan trọng của kỹ thuật điện tử, xử lý các tín hiệu số trên cơ sở đại số logic, là cơ sơ để tạo ra các sản phẩm điện tử nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng
Lời nói đầu Điện tử số nhánh quan trọng kỹ thuật điện tử, xử lý tín hiệu số sở đại số logic, sơ để tạo sản phẩm điện tử nhỏ gọn, tiêu thụ lượng, tích hợp nhiều tính Giáo trình kỹ thuật số đề cập tới nội dung: đại số logic, mã hóa, chuyển đổi tín hiệu tương tự-số, họ vi mạch số thực hàm logic, phương pháp thiết kế, tối ưu mạch điện tử số, xây dựng mạch tổ hợp thường gặp tính tốn, mã hóa, truyền dư liệu, mạch điện tử số dãy có nhớ ghi dịch, đếm, Cuốn sách phục vụ cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện-Điện tử tài liệu tham khảo hữu ích cho chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, truyền thơng Kỹ thuật điều khiển tự động hóa… đọc giả quan tâm đến lĩnh vực điện tử số Giáo trình Kỹ thuật Điện tử số TS Đào Thanh Toản chủ biên, đồng thời tác giả chương 1,2,4,5,6; chương 3,7 ThS Hồ Thành Trung biên soạn Trong trình hồn thành giáo trình này, chúng tơi nhận giúp đỡ, thảo luận, góp ý nhiều đồng nghiệp môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện-Điện tử, Đại học Giao thông Vận tải, đồng nghiệp Trường Đại học khác Mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho tài liệu hồn chỉnh, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế Chúng tơi mong nhận thêm góp ý đọc giả để nâng cao chất lượng giáo trình Những ý kiến đóng góp cho chúng tơi xin gửi tới: Bộ môn Kỹ thuật Điện tử, Khoa Điện-Điện tử, Đại học Giao thông Vận tải Nhóm tác giả Chương GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SỐ 1.1 HỆ ĐẾM 1.2 CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC HỆ ĐẾM 1.3 MÃ NHỊ PHÂN 10 1.4 TÍN HIỆU SỐ 20 1.5 GIỚI THIỆU ĐIỆN TỬ SỐ 21 Chương 25 CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ-SỐ 25 2.1 GIỚI THIỆU 25 2.2 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ/SỐ (ADC) 26 2.3 CHUYỂN ĐỔI SỐ/TƯƠNG TỰ (DAC) 37 Chương 48 ĐẠI SỐ LOGIC VÀ CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN 48 3.1 GIỚI THIỆU 48 3.2 ĐẠI SỐ LOGIC 48 3.3 CÁC CỔNG LOGIC 53 3.4 CHUYỂN ĐỔI CỔNG ĐA DỤNG THÀNH CÁC CỔNG CƠ BẢN 62 Chương 66 VI MẠCH SỐ 66 4.1 GIỚI THIỆU 66 4.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VI MẠCH SỐ 69 4.3 CÁC HỌ LOGIC SỬ DỤNG DIODE VÀ TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 74 4.4 CÁC HỌ LOGIC SỬ DỤNG TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG 83 4.5 GIAO DIỆN HỌ TTL CMOS 87 Chương 90 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ 90 5.1 TỔNG QUAN 90 5.2 CÁC BƯỚC THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ 90 5.3 THIẾT KẾ SỬ DỤNG CÁC CỔNG ĐA DỤNG 105 Chương 115 MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ TỔ HỢP 115 6.1 GIỚI THIỆU 115 6.2 BỘ CỘNG 115 6.3 MẠCH TRỪ 119 6.4 MẠCH SO SÁNH 122 6.5 MẠCH LẬP MÃ 123 6.6 MẠCH GIẢI MÃ 125 6.7 MẠCH GHÉP KÊNH VÀ PHÂN KÊNH 134 6.8 MẠCH TẠO VÀ KIỂM TRA CHẴN VÀ LẺ 139 CHƯƠNG 145 MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ DÃY 145 7.1 GIỚI THIỆU 145 7.2 FLIP-FLOP 146 7.3 PHÂN TÍCH MẠCH DÃY 160 7.4 THIẾT KẾ MẠCH DÃY 162 7.5 BỘ ĐẾM 167 7.6 THANH GHI DỊCH 180 TÀI LIỆU THAM KHẢO 193 PHỤ LỤC 1: BẢNG MÃ ASCII BIT 194 PHỤ LỤC 2: DANH MỤC CÁC IC SỐ 74 THÔNG DỤNG 209 Chương GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SỐ 1.1 HỆ ĐẾM Hệ đếm (system of numeration) tập ký hiệu (bảng chữ số) để biểu diễn số xác định giá trị biểu diễn sô Tổng quát: Nếu hệ đếm có số B (base) số hệ đếm có giá trị hệ thập phân D thơng thường với n chữ số (digit) bên trái m chữ số bên phải dấu phảy sau: D = a n Bn −1 + a n −1Bn −2 + + a1B1 + a B0 + b1B−1 + b B−2 + + b m B− m (1.1) Trong an chữ số có nghĩa lớn (MSD: Most Significant Digit), bm chữ số có nghĩa nhỏ (LSD: Least Significant Digit) Dựa vào cơng thức 1.1, xây dựng nhiều hệ đếm Sau số hệ đếm thông dụng: + Hệ đếm mười (decimal numeration, thập phân): có số 10, chữ số hệ đếm là: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, Đây hệ đếm sử dụng phổ biến đời sống hàng ngày Ví dụ 1.1: Con số 8899 = 8.103 + 8.102 + 9.101 + 9.100 biểu diễn tám nghìn tám trăm chín mươi chín đơn vị theo nghĩa thơng thường + Hệ đếm mười sáu (Hexadecimal numeration, hay cịn gọi thập lục phân): có số 16 với chữ số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E F Ví dụ: F10A hệ nhị phân biểu diễn giá trị A = 15.163 + 1.162 + 0.161+ 10.160 = 4106 hệ đếm 10 + Hệ đếm tám (Octal numeration): có số với chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, Ví dụ 1.2: số 325 hệ octal biểu diễn giá trị A = 3.82 + 2.81 + 5.80 =213 hệ đếm 10 Bảng đối chiếu 16 số hệ đếm tổng hợp bảng 1.1 + Hệ đếm hai (Binary numeration, hay cịn gọi nhị phân): có số 2, chữ số hệ đếm Ví dụ 1.3: 1101 hệ nhị phân biểu diễn giá trị A = 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 = 13 hệ đếm 10 Đây hệ đếm sử dụng mạch điện tử số, thiết bị kỹ thuật số, máy tính, Bảng 1.1 Số ký hiệu tương ứng hệ đếm Số Hệ 10 Hệ Hệ Hệ 16 (Number) (Decimal) (Binary) (Octal) (Hexadecimal) Không Một Hai Ba Bốn 10 Năm Sáu 11 Bảy Tám 100 Chín Mười 101 Mười 110 Mười hai Mười ba 111 Mười bốn Mười lăm 1000 10 Mười sáu 1001 11 …… 10 1010 12 A 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101 15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F 16 10000 20 10 … … … … Từ bảng 1.1 ta thấy, ký hiệu lại có nghĩa khác sử dụng với hệ đếm khác nhau, ví dụ ký hiệu “10” hệ thập phân nghĩa “mười” (đọc mười), hệ nhị phân “hai” (đọc một-không)… 1.2 CHUYỂN ĐỔI GIỮA CÁC HỆ ĐẾM Chuyển đổi hệ đếm cần thiết kỹ thuật, ví dụ: mạch điện tử số, hệ thống máy tính ngày làm việc với hệ đếm nhị phân, đời sống hàng ngày sử dụng hệ thập phân Về nguyên tắc tất hệ đếm chuyển đổi lẫn mơ tả hình 1.2 Hệ 10 Hệ (Thập phân) (Nhị phân) Hệ Hệ 16 Hình 1.2 Mơ tả chuyển đổi hệ đếm thường dùng 1.2.1 Hệ thập phân hệ khác: a, Hệ khác→ hệ 10 Chuyển từ hệ sang hệ 10, thực theo cơng thức (1.1), trình bày mục 1.1 b, Hệ 10 → hệ khác Chuyển đổi số thập phân cho số B ta chia liên tục số thập phân cho B, thương số 0, kết tập hợp số dư viết từ số dư cuối ( MSB) đến số dư ( LSB) Ví dụ 1.4: Chuyển đổi (456)10 sang hệ 2, 8, 16 - Sang hệ 16 Phép chia thứ Kết Số dư 456/16 28 28/16 12 1/16 Như (456)10 = (1C8)16 - Sang hệ Phép chia thứ Kết Số dư 456/8 57 57/8 7/8 Như (456)10 = (710)8 - Sang hệ Phép chia thứ Kết Số dư 456/2 228 228/2 114 114/2 57 57/2 28 28/2 14 14/2 7/2 3/2 1/2 Ta (456)10 = (111001000)2 1.2.2 Hệ hệ khác a, Hệ 2→ hệ khác - Hệ sang hệ số 8: Tạo nhóm bit bit có ý nghĩa nhỏ LSB, sau chuyển đổi sang hệ số Ví dụ 1.5: Chuyển đổi (101001101)2 sang hệ Bắt đầu từ số LSB, tạo nhóm bit: 101 001 101 Tương ứng hệ :5 Vậy (101001101)2 = (515)8 - Hệ sang hệ 10: Chuyển từ hệ thập phân sang hệ khác thực theo cơng thức (1.1), trình bày mục 1.1 - Hệ sang hệ 16: Tạo nhóm bit bit có ý nghĩa nhỏ LSB, sau chuyển đổi sang hệ 16 Ví dụ 1.6: Chuyển đổi (101001101)2 sang hệ 16 Bắt đầu từ bit LSB, tạo nhóm bit : 0100 1101 Ở trường hợp này, cần thêm số 0, để tạo đủ nhóm số: 0001 0100 1101 Tương ứng hệ 16 :1 D Vậy (101001101)2 = (14D)16 b, Hệ khác→ hệ Quá trình chuyển đổi từ hệ khác sang hệ thực ngược lại - Hệ sang hệ 2: Ánh xạ theo nhóm bit Ví dụ chuyển đổi (26)8 sang hệ Tương ứng hệ 8: Tương ứng hệ 2: 010 110 Vậy (26)8 = (010110)2 - Hệ 10 sang hệ 2: Theo nguyên tắc chia liên tiếp cho trình bày mục 1.2.1 - Hệ 16 sang hệ 2: Ánh xạ theo nhóm bit Ví dụ chuyển đổi (FE15)16 sang hệ Tương ứng hệ 16: F E Tương ứng hệ 2: 1111 1110 0001 0101 Vậy (FE15)16 = (1111111000010101)2 1.2.3 Chuyển đổi hệ 16 - Hệ sang 16: chuyển đổi qua hệ trung gian hệ hay hệ 10, chẳng hạn sử dụng hệ làm hệ trung gian: + Chuyển đổi hệ sang hệ + Tạo nhóm bit bit có ý nghĩa nhỏ LSB + Chuyển đổi tương đương sang hệ 16 Ví dụ 1.7: Chuyển đổi (26)8 sang hệ 16 Hệ : 26 Tương ứng hệ 2: 010 110 Tạo nhóm bit: 0001 0110 Tương ứng hệ 16: Vậy (26)8 = (16)16 - Hệ 16 sang 8: + Chuyển đổi hệ 16 sang hệ + Tạo nhóm bit bit có ý nghĩa nhỏ LSB + Chuyển đổi tương đương sang hệ Ví dụ 1.8: Chuyển đổi (4A)16 sang hệ Hệ 16 : A Tương ứng hệ 2: 0100 1010 Tạo nhóm bit: 001 001 010 Tương ứng hệ 8: 1 Vậy (4A)16 = (112)8 1.3 Phép tính với số nhị phân Phép cộng Phép trừ Phép nhân Phép chia + = – = × = 0 : = X (cấm) + = – = × = 0 : = + = – = × = : = X (cấm) + = (nhớ 1) – = (mượn 1) × = 1 : = Ví dụ 1.9: Thực phép cộng 10110 + 11011 Hướng dẫn Số nhớ: 01110 Kết quả: 10110 + 11011 110001 Ví dụ 1.10: Thực phép trừ sau: 11110 - 01001 Hướng dẫn Số mượn: 00001 Kết quả: 11110 - 01001 10101 Ví dụ 1.11: Thực phép nhân sau: 110 × 010 Hướng dẫn 1 × 1 1 1 0 Kết quả: 0 Ví dụ 1.12: Thực phép chia sau: 11110 : 110 Hướng dẫn 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 Kết quả: 1 1.3 MÃ NHỊ PHÂN Mã hóa nhị phân phép ánh xạ đối tượng từ tập hợp nguồn, tập số, tập ký tự, âm thanh, hình ảnh,… sang tập hợp đích, chứa tổ hợp số nhị phân 10