MẠCH TUẦN TỰ KỸ THUẬT SỐ CĐN

Bài 1: Các khái niệm cơ bản Chương trước đã đề cập đến các mạch tổ hợp từ các cổng logic đơn giản đến các mạch tích hợp MSI phức tạp hơn như mạch chuyển đổi mã, dồn kênh, tách kênh. Chúng có một đặc điểm là ngõ ra sẽ thay đổi trạng thái theo trạng thái ngõ vào mà không kể tới các trạng thái trước đó của nó, nghĩa là chúng không có tính nhớ. Đơn giản như mạch trên hình 3.1.1, nếu A = 1 thì Y = 0 Hình 3.1.1 Cổng NOT Ở chương này, ta sẽ nói đến một loại lớn khác của mạch số, đó là mạch tuần tự. Khác với mạch tổ hợp, trạng thái ngõ ra của mạch tuần tự tuỳ thuộc không những vào các trạng thái ngõ vào mà còn vào cả 2 trạng thái trước đó của ngõ ra. Không những thế, trạng thái ngõ ra sẽ không thay đổi ngay khi ngõ vào thay đổi mà lại còn phải đợi đến khi có xung lệnh gọi là xung đồng hồ (clock). Như vậy mạch tuần tự vừa có tính nhớ vừa có tính đồng bộ. Cả mạch tổ hợp và tuần tự đều được sử dụng nhiều trong các hệ thống số. Một hệ tuần tự có thể biểu diễn một cách tổng quát như sau: Hình 3.1.2 Hệ tuần tự Phần tổ hợp sẽ nhận tín hiệu logic từ đầu vào bên ngoài và từ đầu ra của các phần tử nhớ, nó tính toán dựa vào các đầu vào này để cho ra các đầu ra khác nhau, trong đó một phần được đem sang khối các phần tử nhớ để cất giữ đi; đầu ra của phần tử nhớ có thể đưa ra ngoài hay đưa điều khiển phần tổ hợp. Phần điều khiển sẽ cho phép phần nhớ và tổ hợp hoạt động theo một số yêu cầu đề ra. Như vậy, các đầu ra của hệ thống số vừa phụ thuộc vào các đầu vào vừa liên quan đến thông tin đã lưu trữ bên trong của phần tử nhớ. Phần tử nhớ có thể là một mạch logic nhưng có khi chỉ là một đường nối phản hồi từ ngõ ra về ngõ vào. 1 1.1 Mạch chốt cổng Nand Hãy xem cấu tạo của mạch dưới đây : Hình 3.1.3 Mạch chốt cổng Nand Mạch gồm 2 cổng logic Nand mắc chéo nhau, có 2 ngõ vào là S (set : có nghĩa là đặt) và R (reset : có nghĩa là đặt lại). 2 ngõ ra kí hiệu là Q (đầu ra bình thường) và Q (đầu ra đảo, tức là có trạng thái logic ngược lại với Q) o Hoạt động của mạch như thế nào? o Khi thiết lập mạch chốt đặt S = 0, R = 1 Do S = 0 nên Q = 1 bất chấp ngõ còn lại Vậy ngõ ra ổn định sẽ là Q = 1 và Q = 0 o Khi xoá mạch chốt S = 1 và R = 0 Do R = 0 nên Q = 1 bất chấp ngõ còn lại Vậy ngõ ra ổn định sẽ là Q = 0 và Q = 1 Vì lí do đối xứng nên hoạt động thiết lập và xoá mạch chốt ngược nhau. o Khi để ngõ vào thường nghỉ S= 1 R=1 Rõ ràng chưa thể biết ngõ ra Q và Q như thế nào Hãy xét đến trạng thái trước đó: Vì vậy khi S=1 R=1 trạng thái ra không thay đổi tức là trước đó như thế nào thì sau vẫn vậy (Qo và Qo) o Khi thiết lập và xoá cùng lúc S=0, R=0 Rõ ràng khi nãy cả 2 cổng NAND đều có mức vào là 0 nên mức ra là 1, đây là điều kiện không mong muốn vì đã quy ước Q và có trạng thái logic ngược nhau. Hơn nữa khi S, R trở lại mức cao(1) thì sẽ không thể dự đoán Q và Q thay đổi; vì vậy trạng thái này không được sử dụng còn gọi là trạng thái cấm. Như vậy, mạch có 2 trạng thái ra ổn định là 0 và 1; mạch có thể nhận tín hiệu số vào (trong trường hợp đơn giản này chỉ là 0 và 1) và đưa được nó ra, và từ đây khả năng nhớ (lưu trữ dữ liệu), đồng bộ, và một số điểm khác cũng có thể được thực hiện được. Ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn ở những mạch sau đó. Mạch hoạt động như ở trên được coi là 1 mạch chốt, 1dạng mạch tuần tự cơ bản nhất. 2 1.2 Mạch chốt là gì? Như tên gọi của nó, mạch có thể cài lại, giữ lại trạng thái logic ngõ vào Hình 3.1.4 Kí hiệu khối chốt SR và bảng hoạt động 1.3 Chốt cổng NOR Mạch chốt như trên có thể thay thế 2 cổng nand bằng 2 cổng NOR nguyên lí hoạt động cũng tương tự nhưng ngõ vào S, R tác động ở mức cao Hình 3.1.6 Chốt cổng NOR Hình 3.1.7 Dạng sóng minh hoạ và bảng hoạt động của mạch chốt cổng NOR Thấy rằng các mạch tuần tự dù là mạch chốt đã khảo sát ở trên hay các mạch cao hơn thì đều được cấu tạo bởi cổng logic cơ bản. Mặc dù tự thân cồng logic không thể lưu trữ được dữ liệu nhưng khi biết kết hợp với nhau theo một cách thức cho phép tuỳ theo mức độ phức tạp, quy mô kết hợp mà sẽ có mạch chốt, mạch lật, ghi dịch hay hơn nữa là các bộ nhớ, xử lý. 1.4 Ứng dụng của mạch chốt : Mạch chốt như tên gọi của nó được sử dụng nhiều trong các hệ thống số cần chốt hay đệm dữ liệu trước khi được xử lý điều khiển hay truyền nhận. Ngoài ra nó cònđược sử dụng làm mạch chống dội và mạch tạo dạng sóng vuông. a. Mạch chống dội : 3 o Hiện tượng dội do các thiết bị cơ khí gây nên khi đóng ngắt chuyển mạch điện tử. Mạch chốt có thể được dùng để chống dội như đã thấy ở chương 1 o Mạch minh hoạ Hình 3.1.8 Chốt NAND chống dội b. Mạch tạo dao động sóng vuông Một mạch chốt cơ bản kết hợp với một số linh kiện R , C để tạo nên mạch dao động sóng vuông do ngõ ra lật trạng thái qua lại giữa mức 1 và 0. Mạch thiết lập và xoá tự động theo thời hằng nạp xả của tụ C và trở R. o Tần số dao động tính theo giá trị R, C là f = ½(R+R3)C o Mạch minh hoạ Hình 3.1.9 Ứng dụng chốt tạo dao động sóng vuông 1.5 Chốt NAND khi có xung đồng hồ Như đã nói đến ở phần trước, các mạch tuần tự còn có một đặc tính nữa là tính đồng bộ mà mạch chốt chưa thể hiện. Trong hệ thống mạch logic, các mạch phải thay đổi trạng thái có trật tự hay đồng bộ nhau thì mới có thể khống chế các trạng thái ra theo các thời điểm chọn trước. Lúc này người ta sử dụng chân Ck (clock_đồng hồ: vì thông thường tín hiệu trên chân này có sóng dạng điện áp như tín hiệu của đồng hồ) minh hoạ qua hình sau o Mạch chốt được thêm vào 2 cổng nand ở trước cùng với 1 ngõ điều khiển ck 4 Hình 3.1.10 Chốt NAND có thêm xung đồng hồ Bảng sự thật của chốt Nand khi có thêm ck Hoạt động của mạch có thể giải thích theo bảng sự thật: Mạch vừa nêu còn có một tên rất thông dụng: đó là flip flop (viết tắt là FF). Cụ thể ở đây là mạch FF RS. Các FF có 4 dạng kích hoạt từ chân Ck: kích hoạt theo mức cao, mức thấp; cạnh lên, cạnh xuống (tại thời điểm xung Ck có mức hoặc cạnh tương thích thì FF mới được phép chuyển trạng thái). Do đó trong các sổ tay tra cứu IC số, các trạng thái kích hoạt này được ký hiệu như sau 5 Bài 2.1: Flip-flop và các vi mạch điển hình 2.1 Tổng quan về flip flop (FF) FF là mạch có khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích hợp của ngõ vào, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu trong mạch và xuất dữ liệu ra khi cần. Có nhiều loại flip flop khác nhau, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng. Các mạch FF thường được kí hiệu như sau Hình 3.1.11 Ký hiệu FF Nếu các ngõ vào sẽ quyết định ngõ ra là cái gì thì ngõ đồng hồ ck lại chỉ ra rằng khi nào mới có sự thay đổi đó. Chân Ck có thể tác động mức thấp hay mức cao tuỳ vào cấu trúc bên trong của từng IC FF, do đó với một IC FF cố định thì chỉ có một kiểu tác động và chỉ một mà thối, ví dụ với IC 74112 chỉ có một cách tác động là xung Ck tác động theo cạnh xuống. 2.2 Các loại FF Hình 2.1.13 Kí hiệu khối của 4 loại FF nảy bởi cạnh lên Ck a) FF SR (mạch lật lại đặt) Hình 3.1.14 Dạng sóng minh hoạ cho FF RS FF RS nảy cạnh lên khi đó sẽ kí hiệu hình tam giác ở sơ đồ khối và dấu mũi tên lên trong bảng trạng thái. 6 FF RS nảy bằng cạnh xuống tương tự và có khí hiệu thêm hình tròn nhỏ hay gạch đầu Ck để chỉ cạnh xuống ở ký hiệu khối và vẽ dấu mũi tên xuống ở bảng trạng thái. b) FF JK FF JK bổ sung thêm trạng thái cho FF RS ( tránh trạng thái cấm) Hình 3.1.15 Dạng sóng minh hoạ cho FF JK Nhận thấy đầu vào J, K điều khiển trạng thái ngõ ra theo đúng như cách mà S R đã làm trừ 1 điểm là khi J = K = 1 thì trạng thái cấm được chuyển thành trạng thái ngược lại(với J = K = 0 ). Nó còn gọi là chế độ lật của hoạt động. Từ dạng sóng có thể thấy rằng ngõ ra FF không bị ảnh hưởng bởi sườn xuống của xung ck các đầu vào J K cũng không có tác động trừ khi xảy ra tác động lên của Ck FF JK có thể tạo thành từ FF SR có thêm 2 đầu and có ngõ ra đưa về như hình : Hình 3.1.16 FF JK từ FF SR Còn cấu tạo bên trong của FF JK kích bằng cạnh sườn sẽ như sau : Hình 3.1.17 Cấu trúc mạch của FF JK c) FF T 7 Khi nối chung 2 ngõ vào JK như hình dưới thì sẽ được FF T : chỉ có một ngõ vào T, ngõ ra sẽ bị lật lại trạng thái ban đầu khi ngõ T tác động và mỗi khi có cạnh sườn lên hay xuống của xung ck. Kí hiệu khối và bảng trạng thái của FF T như sau : => Hình 3.1.18 Kí hiệu khối của FF T Hình 3.1.19 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF T FF T được sử dụng chính để tạo mạch đếm chia 2. Khi T nối lên mức 1 (V cc ) hay để trống, xung kích lần lượt đưa vào ngõ Ck. Nhận thấy ngõ ra Q sẽ lật trạng thái mỗi lần ck xuống hay lên. Tần số xung ngõ ra Q chỉ còn bằng một nửa tần số ngõ vào ck nếu đưa Q này tới các tầng FF sau nữa thì lần lượt tần số f sẽ lại được chia đôi. Đây là nguyên lí chính của mạch đếm sẽ được xét đến ở phần sau. Hình 3.1.19a FF T dùng làm mạch chia tần d) FF D Khi nối ngõ vào của FF RS hay JK như hình thì sẽ được FF D : chỉ có 1 ngõ vào gọi là ngõ vào data(dữ liệu) hay delay(trì hoãn). Hoạt động của FF D rất đơn giản : ngõ ra sẽ theo ngõ vào mỗi khi xung Ck tác động cạnh lên hay xuống. => Hình 3.1.20 Kí hiệu khối 8 Hình 3.1.21 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF D FF D thường là nơi để chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Q cung cấp cho mạch sau như mạch cộng, ghi dịch… nên hơn nữa ngõ vào D phải chờ một khoảng thời gian khi xung ck kích thì mới đưa ra ngõ ra Q, do đó FF D còn được xem như mạch trì hoãn, ngõ D còn gọi là delay. e) Mạch chốt D Các FF nảy bằng mức đều có thể trở thành mạch chốt khi chân ck cho ở mức tác động luôn. Thông dụng nhất là chốt D. Mạch được tạo bởi FF D khi thay ngõ vào đồng bộ bởi ngõ vào cho phép (enable : E) tác động ở mức cao. Cấu tạo kí hiệu và bảng trạng thái như những hình sau : Hình 3.1.22 Kí hiệu khối và bảng sự thật của chốt D Hình 3.1.23 Cấu tạo chốt D 2.3 Flip flop khi có thêm ngõ vào trực tiếp 9 Hình 3.124 Kí hiệu FF SR có thêm ngõ Pr và Cl Như thấy các FF đã xem xét ở trên khi cấp điện sẽ có thể xây dựng ngay trạng thái của ngõ ra vì nó còn tuỳ thuộc vào cấu trúc của mạch và các yếu tố ngẫu nhiên khác. Vì lí do này 2 ngõ vào mới được thêm vào để xác định chính xác trạng thái logic ra lúc cấp điện (mở nguồn) hay bất cứ lúc nào muốn, nó hoàn toàn độc lập với trạng thái logic ở các ngõ vào đồng bộ J, K, R, S, D, T và kể cả xung đồng hồ ck, tứcl à chúng giành quyền ưu tiên trước hết quyết định ngõ ra. Chúng được gọi là ngõ vào trực tiếp (ngõ vào không đồng bộ) và đặt tên là Preset (Pr) có nghĩa là đặt trước và Clear (Cl) có nghĩa là xoá Cần phải để ý rằng không được phép đặt chân Pr = Cl = 0 vì khi đó Q = Q' =1 trạng thái cấm. Chân Pr, Cl khi này không có tác dụng gì, không xác định được trạng thái ra. Do đó, nhiều mạch FF chỉ có 1 ngõ Clear để xoá mạch khi cần mà không có ngõ Pr; có FF thì lại không có cả 2 ngõ này. Về cấu trúc bên trong của FF khi này, 2 ngõ Pr và Cl sẽ được đưa vào tầng trung gian của các FF, như trong cấu tạo của IC 74LS76. Bài 2.2: Ứng dụng của chốt và FF 3.1 Mạch phát hiện tuần tự các dữ liệu. • Với 2 tín hiệu vào cùng một lúc A và B, để xác định tín hiệu nào vào trước, tín hiệu nào vào sau (chẳng hạn ai bấm chuông trước), ta có thể dùng FF JK (cổng NAND không thể xác định được). Mạch trên minh hoạ cho hoạt động của mạch Hình 3.1.27 Mạch phát hiện tuần tự dữ liệu A và B • FF JK có ngõ K để ở thấp, xoá mạch để ngõ ra Q ở thấp. Bây giờ nếu A đưa tới ngõ J mà vào trước, thì khi B vào sau ở ngõ ck sẽ làm Q lên cao. Ngược lại, nếu A vào sau, thì khi B vào trước (ngõ J khi này vẫn ở thấp) sẽ vẫn để ngõ ra Q ở thấp 3.2 Mạch báo động khi tia sáng bị cắt • Hình minh hoạ 10 [...]... đồng hồ số cần mạch đếm chia 6 và chia 12 để hiển thị giờ và phút hay bất kì mạch đếm chia mod n nào.Thường thì trong mạch đếm lên số đếm tăng theo thứ tự liên tục từ 0 đền 2 n – 1 rồi quay về 0 để đếm trở lại Nhưng cũng có thể không tăng theo thứ tự hay thứ tự nhưng không liên tục miễn là đủ số trạng thái n Trở lại mạch đếm tự dừng ở hình trên : khi đếm tới một số định sẵn (số 10) mạch sẽ tự dừng,... cách thực hiện: Hình 3.3.9 Mạch đếm tự dừng ở số đếm 10 1.2 Mạch đếm không đồng bộ không theo hệ nhị phân (chia 2) Với mạch đếm dùng n FF mắc nối tiếp thì số mod (số trạng thái logic ra) là 2 n, và mạch sẽ đếm từ 0 đến 2n – 1 (4 FF đếm tới 16 trạng thái) Trong nhiều trường hợp ta cần mạch đếm có số mod không theo 2n, chẳng hạn đếm mod 10 (còn gọi là mạch đếm thập giai hay mạch đếm chia 10) rất hay dùng... ck của mạch đếm, nếu Tck = 1s thì T = 3s Do đó ta có thể thay đổi f mạch dao động để thay đổi khoảng thời gian điều khiển tải Bây giờ bạn hãy thiết kế bộ trò chơi đó chỉ cần dùng 3 FF T (tạo 8 trạng thái ra) Khi người chơi nhấn dừng mạch đếm ở số 5 hay số 10 thì đèn led sẽ sáng Mạch đếm xuống Ở trước là mạch đếm lên lần lượt chia 2 tần số, số hệ 10 ra tương ứng là từ 0 đến 15 Cũng có khi cần mạch đếm... 4: MẠCH ĐẾM KHÔNG ĐỒNG BỘ Trong những phần trước ta đã được biết đến 2 loại mạch tuần tự cơ bản là mạch lật và mạch ghi dịch; và cũng biết rằng nhiều FF nối lại với nhau có thể hoạt động như một mạch đếm hay thanh ghi (nhớ nhiều bit) Nhưng đó mới chỉ là những mạch nhớ cơ bản, phần này sẽ đề cập đến chi tiết hơn cấu tạo, hoạt động và nhiều ứng dụng của nhiều mạch đếm khác nhau Phần lớn chúng ở dạng mạch. .. ở xung đếm thứ 16, tức là trị thập phân ra bằng số xung đếm vào và vì vậy đây là mạch đếm nhị phân 4 bit (có 4 tầng FF, tần số được chia đổi sau mỗi tầng) hay mạch đếm chia 16 Mạch được xếp vào loại mạch đếm lên vì khi số xung đếm vào tăng thì số thập phân ra tương ứng cũng tăng Nhưng để ý rằng chỉ có 16 trạng thái ra nên ở xung đếm ck thứ 16 mạch được tự động xoá về 0 để đếm lại Muốn có nhiều trạng... số 7 đến số 10 Giải pháp để giải bài toán trên là sẽ dùng cổng logic để tạo mạch giải mã số 0111(7 10) để kích ngõ ra lên cao rồi giải mã số 1010(1010) để kích ngõ ra xuống thấp trở lại Hai đường giải mã này được đưa vào ngõ Pr và Cl của mạch chốt để đặt ngõ ra lên mức cao khi Pr và xoá nó khi Cl Mạch thực hiện kết nối như sau : Hình 3.3.4 Giải mã mạch đếm điều khiển tải Trong đó NAND1 sẽ giải mã số. .. hoạt động của mạch đếm này ta thấy rằng không phải lúc nào các trạng thái logic các ngõ ra đều thay đổi theo nhịp xung đếm ck đầu vào nên ở đây chỉ là mạch đếm không đồng bộ Giải mã mạch đếm Với bộ đếm như trên thì có thể làm được gì ? Chắc chắn là nó có nhiều ứng dụng rồi, hãy xét qua một số ví dụ sau : Ở phần mạch giải mã để hiển thị led 7 đoạn, mạch đếm đã được ứng dụng để tạo số đếm cho mạch giải mã... bất kì để ngưng cấp xung đếm ck, mạch đếm sẽ dừng lại ở con số đang đếm đến Nếu số này làm đèn led sáng thì người chơi sẽ thắng Tất nhiên để hoàn chỉnh ta cần phải có một mạch dao động để cấp xung ck cho mạch đếm chạy (bạn có thể tạo mạch dao động từ cổng logic hay mạch chốt kết hợp với linh kiện thụ động R, C như đã nói ở phần trước) Một ứng dụng đơn giản khác là dùng mạch đếm này để tạo khoảng xung... thêm tầng FF Tổng quát với hoạt động như trên nếu có n FF thì sẽ tạo ra 2 n trạng thái ngõ ra Số trạng thái ngõ ra hay số lượng số đếm khác nhau còn được gọi là Modulus (viết tắt : Mod) do đó, mạch đếm trình bày ở trên còn gọi là mạch đếm mod 16 Bảng sự thật của mạch đếm nhị phân 4 bit như sau : Số vào xungMã số ra sau khi cóTrị thập xung vào phân ra Q3 Q2 Q1 Q0 Xoá 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 2 0 0 1 0 2... Phần lớn chúng ở dạng mạch tích hợp Hệ thống số ngày nay sử dụng khá nhiều loại mạch đếm, có thể dùng để đếm xung, đếm sản phẩm, đếm làm đồng hồ, định thời gian … và rõ ràng chúng là các mạch logic nên chính xác và dễ dàng thiết kế hơn nhiều so với các loại mạch tương tự 1.1 Đếm không đồng bộ theo hệ nhị phân (chia 2) Mạch đếm lên Hình dưới đây trình bày một mạch đếm gồm 4 FF T mắc nối tiếp Các ngõ vào . NOT Ở chương này, ta sẽ nói đến một loại lớn khác của mạch số, đó là mạch tu n tự. Khác với mạch tổ hợp, trạng thái ngõ ra của mạch tu n tự tu thuộc không những vào các trạng thái ngõ vào mà còn. xung đồng hồ (clock). Như vậy mạch tu n tự vừa có tính nhớ vừa có tính đồng bộ. Cả mạch tổ hợp và tu n tự đều được sử dụng nhiều trong các hệ thống số. Một hệ tu n tự có thể biểu diễn một cách. được số xung đầu vào, nó là một thao tác cơ bản quan trọng và được sử dụng rộng rãi, từ các thiết bị đo chỉ thị số đến các máy tính điện tử số loại lớn, gần như tất cả các hệ thống số hiện