GT kỹ thuật số trung cấp nghề

BÀI 1: QUAN HỆ LOGIC CƠ BẢN VÀ THÔNG DỤNG A. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Trạng thái nhị phân và mức logic Trong hệ thống kỹ thuật số, thông tin được xử lý đều biểu diễn dưới dạng nhị phân. Bất kỳ thiết bị nào chỉ có hai trạng thái hoạt động đều có thể biểu diễn được các đại lượng dưới dạng nhị phân. Ví dụ một công tắc chỉ có hai trạng thái hoạt động là đóng hoặc mở. Ta có, thể quy ước công tắc mở biểu diễn nhị phân 0 và công tắc đóng biểu diễn nhị phân 1. Với quy ước này ta có thể biểu diễn số nhị phân bất kỳ. Có vô số thiết bị chỉ có hai trạng thái hoạt động hay vận hành ở hai điều kiện đối lập nhau như: bóng đèn (sáng/tối), điốt (dẫn/không dẫn), rơle (ngắt/đóng), … Trong thiết bị điện tử số, thông tin nhị phân được biểu diễn bằng hiệu điện thế (hay dòng điện) tại đầu vào hay đầu ra của mạch. Thông thường, số nhị phân 0 và 1 được biểu diễn bằng hai mức điện thế danh định. Ví dụ: 0V có thể biễu diễn bằng nhị phân 0 và +5V biễu diễn bằng nhị phân 1. Trên thực tế, các số 0 hoặc 1 được biểu diễn bằng một khoảng điện thế quy định nào đó. Ví dụ: Điện thế từ 0V đến 0.8V biểu thị nhị phân 0 và điện thế từ 3V đến 5V biểu diễn nhị phân 1. Đại số logic còn được gọi là đại số Boole. Lý thuyết này do George Boole nhà toán học người Anh đưa ra năm 1847. 1.2. Cơ sở của đại số logic Mạch số hoạt động ở chế độ nhị phân, nơi mỗi điện thế vào và ra sẽ có giá trị 0 hoặc 1; việc chỉ định giá trị 0 và 1 biểu thị khoảng điện thế định sẵn. Đặc điểm này của mạch logic cho phép sử dụng đại số logic làm công cụ phân tích và thiết kế các hệ thống kỹ thuật số. Đại số logic dùng để phân tích hay thiết kế những mạch điện có quan hệ giữa biến và hàm. Trong đó biến và hàm chỉ nhận một trong hai giá trị là 0 và 1, hai giá trị này không biểu thị số lượng to nhỏ cụ thể mà chủ yếu là để biểu thị hai trạng thái logic khác nhau (đúng và sai, cao và thấp, mở và đóng). Đại số logic là phương tiện biểu diễn mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của mạch logic dưới dạng phương trình đại số. Đầu vào sẽ được xem là các biến logic có mức logic quyết định mức logic của đầu ra (hàm logic) tại thời điểm bất kỳ. Biến logic và hàm logic thường được ký hiệu bằng chữ cái. Tóm lại ta có: - x i là biến logic khi x i chỉ lấy một trong hai giá trị là 0 và 1. - Tập hợp n biến logic có 2 n tổ hợp giá trị khác nhau. Giá trị thập phân tương ứng biểu diễn các tổ hợp này là: 0 đến (2 n – 1) - F(x 1 , x 2 , …,x n ) là hàm logic khi các biến của hàm là biến logic và F chỉ lấy một trong hai giá trị 0 hoặc 1. Trong thực tế, đại số logic chỉ có ba phép toán cơ bản: OR, AND và NOT. Các phép toán cơ bản này được gọi là phép toán logic. 1.3. Các quy tắc và các định lí cơ bản của Đại số logic 1. Các mệnh đề cơ sở: x + 0 = x x . 0 = 0 x + 1 = 1 x . 1 = x x + x = 1 x . x = 0 2. Định luật đồng nhất: x + x = x 2 x . x = x 3. Định luật phủ định của phủ định: x = x 4. Định luật kết hợp: x 1 + (x 2 + x 3 ) = (x 1 + x 2 ) + x 3 x 1 . (x 2 . x 3 ) = (x 1 . x 2 ) . x 3 5. Định luật giao hoán: x 1 + x 2 = x 2 + x 1 x 1 . x 2 = x 2 . x 1 6. Định luật phân phối: x 1 (x 2 + x 3 ) = x 1 .x 2 + x 1 .x 3 (x 1 + x 2 )(x 1 + x 3 ) = x 1 .x 1 + x 1 .x 3 + x 2 .x 1 + x 2 .x 3 = x 1 (x 1 + x 2 + x 3 ) + x 2 .x 3 = x 1 + x 2 .x 3 7. Định luật Demorgan x 1 + x 2 = x 1 . x 2 x 1 . x 2 = x 1 + x 2 8. Các đẳng thức hay dùng: B. QUAN HỆ LOGIC CƠ BẢN VÀ THÔNG DỤNG 3 I. Các phần tử logic cơ bản 1. Cổng AND 1.1. Phép toán AND hay còn được gọi là phép nhân logic. a. Phương trình logic AND : - Phương trình logic AND hai đầu vào: Y = X 1 . X 2 Trong đó: X 1 , X 2 là các biến đầu vào Y là biến đầu ra - Mở rộng cho trường hợp tổng quát có n biến: Y = X 1 . X 2 . … . X n Trong đó: X 1 , X 2 , … X n là n biến đầu vào Y là biến đầu ra b. Bảng trạng thái: - Xét mạch điện minh hoạ quan hệ logic OR: - Bảng hoạt động của mạch điện: Công tắc X 1 Công tắc X 2 Đèn Y Mở Mở Tối Mở Đóng Tối Đóng Mở Tối Đóng Đóng Sáng Bảng trạng thái của phép toán AND giống như bảng hoạt động của mạch điện trên. Trong đó, các biến đầu vào X 1 , X 2 là 2 công tắc, khi công tắc đóng thì các biến đầu vào có giá trị là 1, khi công tắc mở thì các biến đầu vào có giá trị là 0, đầu ra Y bằng 1 là trạng thái đèn Y sáng, đầu ra Y bằng 0 là trạng thái đèn Y tối. - Bảng trạng thái: 4 Y X 2 X 1 + - Đầu vào Đầu ra X 1 X 2 Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1.2. Cổng AND: a. Định nghĩa: Cổng AND là mạch có từ hai đầu vào trở lên và chỉ có 1 đầu ra bằng tổ hợp AND các biến đầu vào. Cổng AND được sử dụng rộng rãi trong máy tính và mạch số. Các loại IC chứa cổng AND là: - IC 7408 chứa 4 cổng AND 2 đầu vào với mức điện áp hoạt động là 5V - IC 7411 chứa 3 cổng AND 3 đầu vào với mức điện áp hoạt động là 5V - IC 4081 chứa 4 cổng AND 2 đầu vào. IC 4081 thuộc họ CMOS, điện áp hoạt động từ 3-15V nhưng cao nhất là 18V. b. Đồ thị thời gian: c. Ký hiệu logic: 2. Cổng OR 2.1. Phép toán OR hay còn được gọi là phép cộng logic. a. Phương trình logic OR : - Phương trình logic OR hai đầu vào: Y = X 1 + X 2 5 X 2 X 1 Y X 2 X 1 t t t Y Trong đó: X 1 , X 2 là các biến đầu vào Y là biến đầu ra - Mở rộng cho trường hợp tổng quát có n biến: Y = X 1 + X 2 + … + X n Trong đó: X 1 , X 2 , … X n là n biến đầu vào Y là biến đầu ra b. Bảng trạng thái: - Xét mạch điện minh hoạ quan hệ logic OR: - Bảng hoạt động của mạch điện: Công tắc X 1 Công tắc X 2 Đèn Y Mở Mở Tối Mở Đóng Sáng Đóng Mở Sáng Đóng Đóng Sáng Bảng trạng thái của phép toán OR giống như bảng hoạt động của mạch điện trên. Trong đó, các biến đầu vào X 1 , X 2 là 2 công tắc, khi công tắc đóng thì các biến đầu vào có giá trị là 1, khi công tắc mở thì các biến đầu vào có giá trị là 0, đầu ra Y bằng 1 là trạng thái đèn Y sáng, đầu ra Y bằng 0 là trạng thái đèn Y tối. - Bảng trạng thái: Đầu vào Đầu ra X 1 X 2 Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 2.2. Cổng OR: 6 Y X 2 X 1 + - a. Định nghĩa: Cổng OR là mạch có từ hai đầu vào trở lên và chỉ có 1 đầu ra bằng tổ hợp OR các biến đầu vào. Cổng OR được sử dụng trong dụng cụ đo số. Các loại IC chứa cổng OR là: - IC 7432: Chứa 4 cổng OR 2 đầu vào, điện áp hoạt động là 5V - IC 74071B: Chứa 4 cổng OR 3 đầu vào, điện áp hoạt động từ 3-15V - IC 74075B: Chứa 3 cổng OR 3 đầu vào, điện áp hoạt động từ 3-15V b. Đồ thị thời gian: c. Ký hiệu logic Hoặc 2.3. Ứng dụng Bài tập: Có 1 LED và 3 công tắc. Thiết kế mạch sử dụng cổng OR hai đầu vào điều khiển LED theo yêu cầu sau: - LED sáng khi có ít nhất 1 công tắc được đóng. - LED sẽ tối khi tất cả các công tắc mở. Lời giải 7 X 2 X 1 Y X 1 X 2 Y X 2 X 1 t t t Y B1: Gọi 3 công tắc là 3 biến đầu vào: X 1 , X 2 , X 3 , khi công tắc đóng thì các biến đầu vào có giá trị là 1, khi công tắc mở thì các biến đầu vào có giá trị là 0 Tín hiệu điều khiển LED là biến đầu ra Y, đầu ra Y bằng 1 là trạng thái đèn Y sáng, đầu ra Y bằng 0 là trạng thái đèn Y tối. B2: Dựa vào đề bài và đặc điểm cổng OR, ta có phương trình: Y = X 1 + X 2 + X 3 = X 1 + (X 2 + X 3 ) B3: Thiết kế mạch: 3. Cổng NOT 3.1. Phép toán NOT hay còn được gọi là phép phủ định logic. a. Phương trình logic NOT: - Phương trình logic NOT : Y = X Trong đó: X biến đầu vào Y là biến đầu ra 8 Y LED X 1 X 3 X 2 b. Bảng trạng thái: - Xét mạch điện minh hoạ quan hệ logic NOT: - Bảng hoạt động của mạch điện: Công tắc X Đèn Y Mở Sáng Đóng Tối Bảng trạng thái của phép toán NOT giống như bảng hoạt động của mạch điện trên. Trong đó, biến đầu vào X là công tắc, khi công tắc đóng thì biến đầu vào có giá trị là 1, khi công tắc mở thì các biến đầu vào có giá trị là 0, đầu ra Y bằng 1 là trạng thái đèn Y sáng, đầu ra Y bằng 0 là trạng thái đèn Y tối. - Bảng trạng thái: 3.2. Cổng NOT: a. Định nghĩa: Là mạch duy nhất có một đầu vào và đầu ra luôn có mức logic ngược với mức logic của đầu vào. Cổng NOT được sử dụng trong mạch giải mã ( nhị phân sang thập phân). IC chứa cổng NOT là: - IC 7404 chứa 6 cổng NOT, điện áp hoạt động là 5V - IC 7449B chứa 6 cổng NOT, điện áp hoạt động là 3-15V b. Đồ thị thời gian: Đầu vào Đầu ra X Y 0 1 1 0 9 + - X Y R X t t Y c. Ký hiệu logic: 4. Cổng NOR a. Phương trình logic: - Phương trình logic NOR hai đầu vào: Y = X 1 + X 2 Trong đó: X 1 , X 2 là các biến đầu vào Y là biến đầu ra - Mở rộng cho trường hợp tổng quát có n biến: Y = X 1 + X 2 + … + X n Trong đó: X 1 , X 2 , … X n là n biến đầu vào Y là biến đầu ra b. Bảng trạng thái: Đầu vào Đầu ra X 1 X 2 Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 c. Đồ thị thời gian: d. Ký hiệu logic: 10 X Y X 2 X 1 Y X 1 X 2 Y X 2 X 1 t t t Y [...]... chọn ra một trong số chúng tại thời điểm xác định để chuyển đến đầu ra Hoạt động lộ trình từ đầu vào đến đầu ra do đầu vào SELECT (còn gọi là đầu vào địa chỉ) chi phối b Sơ đồ chức năng của một bộ hợp kênh số tổng quát: I0 Y I1 In- 1 SELECT c Nguyên lý hoạt động: Ta thấy MUX hoạt động như 1 công tắc nhiều vị trí được điều khiển bởi mã số Mã số này là dạng số nhị phân, tuỳ tổ hợp số nhị phân này mà... Với tần số hoạt động được của các IC mạch số hàng MHZ trở lên nên cho phép ghép truyền được rất nhiều đường tín hiệu và dữ liệu đi coi như là đồng thời Phần này ta sẽ tìm hiểu về các mạch dồn kênh, tách kênh dùng IC số và những ứng dụng liên quan I BỘ DỒN KÊNH (MUX: Multiplexer) 1 Khái niệm chung: a Định nghĩa: Mạch hợp kênh số (Digital multiplexer) là mạch logic chấp nhận nhiều đầu vào dữ liệu số, chọn... thống phức tạp như máy vi tính, bộ vi xử lý … một số lượng lượng đầu ra của các cổng cần phải nối với một 15 đường chung gọi là Bus mà nó lại có thể đi điều khiển một số lượng đầu vào của một số cổng nào đó Khi một số đầu ra được nối với Bus, chúng ta gặp phải vài khó khăn là: - Các đầu ra Totem pole không thể nối với nhau do dòng điện rất lớn từ nguồn cung cấp và nhiệt sinh ra có thể làm hỏng IC - Các... đưa về là A, chỉ có 2 mức logic là cao và thấp (tín hiệu số 1 bit) Tín hiệu đem so sánh là B (tín hiệu cài đặt) Sẽ có 3 trường hợp xảy ra cho ngõ ra : A > B khi A = 1 và B = 0 A < B khi A = 0 và B = 1 A = B khi A = 1 = B hay A = 0 = B Từ đây xây dựng bảng trạng thái cho 3 trường hợp ngõ ra từ tổ hợp trạng thái 2 ngõ vào, ra như sau: Bảng so sánh 2 số 1 bit Phương trình logic khi: • A > B là Y1 = AB •... đường tín hiệu được vì tốn kém, bị nhiễu giữa các đường dây hay suy giảm tín hiệu trên đường dây đặc biệt khi khoảng cách truyền xa lên hay có nhiều hơn số đường cần truyền (16, 32, 100,…) Có 1 cách 18 là ghép các đường tín hiệu lại với nhau để giảm bớt số đường truyền và rõ ràng bên nhận được cũng phải tách đường nhận được trở lại 8 đường tín hiệu ban đầu nhưng để không lẫn lộn giữa các đường tín hiệu... 74LS150 Tất nhiên cần 1 mạch đếm để tạo mã số nhị phân 4 bit cho 4 ngõ chọn của mạch dồn kênh (chẳng hạn 74LS93) Mạch 24 đếm hoạt động khiến mã chọn thay đổi từ 0000 rồi 0001, rồi đến 1111 và lại vòng trở lại 0000 đếm liên tiếp khiến dữ liệu vào song song được chuyển đổi liên tiếp sang nối tiếp Cũng cần phải có một mạch dao động để tạo xung kích cho mạch đếm, nếu tần số dao động tạo xung kích cho mạch đếm... 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... thu của Transistor ra dưới Q3 (Transistor nhận dòng ) lên V cc Khi giao tiếp tải ta phải thêm bên ngoài mạch một điện trở nối từ ngõ ra Y lên V cc gọi là điện trở kéo lên (pull up resistor Rp) có trị số từ trên trăm ohm đến vài kilo Ohm tuỳ theo tải Chẳng hạn với mạch cổng NAND ở trên ta muốn điều khiển tải là một đèn led, led sáng khi ngõ ra ở mức thấp, vậy điện trở kéo lên có thể được tính toán như... quyết định truyền đầu vào dữ liệu (D) đến đầu ra nào b Sơ đồ khối của bộ phân kênh: Y0 I Y1 SELECT Yn- 1 c Nguyên lý hoạt động: bộ phân kênh lấy một nguồn dữ liệu vào và phân phối có chọn lọc đến 1 trong số n kênh ra, tương tự 1 chuyển mạch nhiều tiếp điểm 2 Cấu trúc mạch phân kênh 2 ngõ ra dùng các cổng logic cơ bản a Phương trình logic Y1 = S I0 Y2 = S I1 b Sơ đồ mạch: I DMUX 1:2 c Nguyên lý hoạt động:... 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 Ở bài 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 . định sẵn. Đặc điểm này của mạch logic cho phép sử dụng đại số logic làm công cụ phân tích và thiết kế các hệ thống kỹ thuật số. Đại số logic dùng để phân tích hay thiết kế những mạch điện có. một bộ hợp kênh số tổng quát: c. Nguyên lý hoạt động: Ta thấy MUX hoạt động như 1 công tắc nhiều vị trí được điều khiển bởi mã số. Mã số này là dạng số nhị phân, tuỳ tổ hợp số nhị phân này. xử lý … một số lượng lượng đầu ra của các cổng cần phải nối với một 15 đường chung gọi là Bus mà nó lại có thể đi điều khiển một số lượng đầu vào của một số cổng nào đó. Khi một số đầu ra được