tài liệu thí nghiệm kỹ thuật số của trường đại học Bách Khoa TPHCM, có 2 phần: phần 1: lắp mạch trực tiếp trên các module phần 2: viết code VHDL trên máy tính phần 2 sẽ upload lên sau. chân thành cảm ơn mọi người
digiB Hướng dẫn khai thác thí nghiệm GIỚI THIỆU MƠ TẢ BỘ THÍ NGHIỆM digiB Bộ thí nghiệm digiB Binary hệ thống mạch điện tử thích hợp cho việc giảng dạy thực hành thiết kế hệ thống số Đặc điểm bật digiB tập trung hướng dẫn cho người học cách thức thiết kế hệ thống số Người học tự sáng tạo dạng mạch khác nhờ vào linh động cấu trúc module thí nghiệm digiB Bộ thí nghiệm digiB bao gồm: Module B-MAIN chứa tất trang thiết bị cần thiết cho thực hành thí nghiệm nguồn cung cấp, nguồn phát sóng, cung cấp liệu đầu vào, hiển thị mức logic ngõ DGB-MAIN nơi đặt module digiB www.dientuvn.com thí nghiệm, lên đến module thí nghiệm đặt lên DGB-MAIN đồng thời Các module thí nghiệm DGB-MOD đa dạng, bao trùm tất kiến thức lĩnh vực thiết kế số như mạch tổ hợp, mạch tuần tự, nhớ, chuyển đổi tương tự - số Các module thiết kế để thí nghiệm độc lập kết hợp module với để tạo hệ thống số hoàn chỉnh Tài liệu hướng dẫn sử dụng thí nghiệm DGB-MAN Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm DGB-DG với nhiều thí nghiệm từ đến nâng cao cổng đơn giản, hệ tổ hợp, vi mạch SSI, MSI, ứng dụng mạch tổ hợp, hệ đồng bộ, bất đồng DGBDG hướng dẫn người học xây dựng hệ thống thí nghiệm cách nhanh chóng hiệu SỬ DỤNG NHANH MODULE DGB-DI Module DI sử dụng để cung cấp tín hiệu ngõ vào cho hệ thống số, thường đặt ô B-MAIN, bao gồm: Nguồn cung cấp +5V, +12V Nguồn +12V dùng làm việc với vi mạch CMOS 16 switch chống rung, có ngõ tương thích TTL CMOS Công tắc gạt lên mức 1, gạt xuống mức DIP SW bit, điện áp thay đổi +5V Hai công tắc tạo xung, có ngõ TTL CMOS Ngõ tích cực cạnh lên cạnh xuống Điện áp thay đổi +5V digiB www.dientuvn.com SỬ DỤNG NHANH MODULE DGB-DO Module DO sử dụng để hiển thị ngõ mạch số, thường đặt ô B-MAIN, bao gồm: Nguồn cung cấp +5V 16 led đơn, mức cao sang, mức thấp tắt led đoạn, led có ngõ vào dạng BCD 8421 ngõ vào cho dấu chấm dp led ma trận 8x8 Để sáng điểm ảnh ma trận, tín hiệu hàng phải có mức logic tín hiệu cột tương ứng phải có mức logic digiB www.dientuvn.com loa HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG NHANH Tắt nguồn B-MAIN Đặt module DGB-DI DGB-DO vào vị trí 1, DGB-MAIN Đây hai module sử dụng thí nghiệm Nó cung cấp tín hiệu số ngõ vào DI hiển thị kết ngõ DO Người thực hành nên xem thêm phần hướng dẫn nhanh cách thức sử dụng hai module Đặt module thí nghiệm khác vào vị trí 3, 4, 5, DGB-MAIN tùy theo yêu cầu thí nghiệm Thực kết nối cần thiết Đặc biệt ý chân cấp nguồn digiB www.dientuvn.com Mở nguồn kiểm tra hoạt động mạch LƯU Ý QUAN TRỌNG VỀ KẾT NỐI NGUỒN TRÊN CÁC MODULE Trên module thí nghiệm có chân cấp nguồn +5V, có thêm chân nguồn +12V Người thí nghiệm khơng cấp nhầm nguồn vào chân Chân nguồn có ký hiệu +12V sử dụng cho vi mạch dạng CMOS Đối với trường hợp không sử dụng chuẩn điện áp CMOS, người sử dụng nên bỏ trống chân nguồn +12V Vì CMOS làm việc với điện áp +5V nên người sử dụng nối nguồn +5V B-MAIN đến chân nguồn +12V TÓM TẮT CÁC NỘI DUNG THÍ NGHIỆM Phần 1: Thiết kế mạch tổ hợp Khảo sát cổng logic Thiết kế hàm dùng cổng logic Khảo sát vi mạch chức Thiết kế hàm dùng vi mạch chức Thiết kế hệ tổ hợp Phần 2: Thiết kế mạch Khảo sát vi mạch Thiết kế hệ từ thành phần Khảo sát vi mạch chức digiB www.dientuvn.com Ứng dụng vi mạch chức Thiết kế hệ Phần 3: Thiết kế máy trạng thái Máy Moore Máy Mealy Phần 4: Thí nghiệm mạch nhớ Phần 5: Thí nghiệm mạch biến đổi tương tự - số Phần 6: Thiết kế hệ thống số digiB www.dientuvn.com GỢI Ý THIẾT KẾ SỐ VỚI digiB PHẦN - THIẾT KẾ MẠCH TỔ HỢP Mạch logic tổ hợp xây dựng từ cổng logic Ngõ mạch phụ thuộc vào giá trị ngõ vào Ngõ mạch tổ hợp biểu diễn hàm Boolean Các thành phần mạch tổ hợp bao gồm biến ngõ vào, cổng logic, biến ngõ Cả biến ngõ vào ngõ có dạng nhị phân, tức “0” “1” Mạch có n biến ngõ vào có 2n tổ hợp ngõ vào khác nhau, tổ hợp tương ứng với giá trị biến ngõ Trước thiết kế mạch logic tổ hợp, người thiết kế cần nắm kiến thức sau: Bảng thật cổng logic Hàm Boolean Bìa Karnaugh Định lý DeMorgan Có nhiều cách để xây dựng mạch logic tổ hợp như: Dùng cổng AND, OR, NOT Dùng cổng mở rộng NAND, NOR, XOR digiB www.dientuvn.com Dựa mạch chức AOI (AND-OR-INVERT), giải mã (decoder), mã hóa (encoder), dồn kênh (multiplexer), phân kênh (demultiplexer), mạch phụ trợ khác cổng cực thu hở (opencollector), cổng trạng thái (tri-state gate), mạch so sánh… Phần thí nghiệm giúp người học khảo sát hoạt động cổng bản, mạch chức tổ hợp, sử dụng chúng thiết kế mạch tổ hợp khác CỔNG LOGIC CƠ BẢN AND, OR, NOT Mục đích Hiểu mức logic Khảo sát chức cổng logic AND, OR, NOT Cách thức thiết kế hệ tổ hợp đơn giản từ cổng logic Lý thuyết Trong mạch số, tương ứng mức logic ‘0’ ‘1’ điện áp thường biểu diễn sau digiB www.dientuvn.com Các mức điện áp VL, VH cụ thể tùy thuộc vào chuẩn điện áp dùng Có nhiều dạng chuẩn ví dụ TTL (mức ‘1’ từ 2V ~ 5V, mức ‘0’ từ 0V ~ 0.8V, minh họa hình trên), CMOS (mức ‘1’ từ 3.5V ~ 5V, mức ‘0’ từ 0V ~ 1.5V với nguồn cung cấp 5V), LVTTL (mức ‘1’ từ 2V ~ 3.3V, mức ‘0’ từ 0V ~ 0.8V),… Như thiết kế mạch với nhiều dạng điện áp, người thiết kế cần phải đảm bảo chúng tương thích mức điện áp với Trong digiB, người sử dụng chủ yếu dùng vi mạch loại TTL Biểu tượng, bảng thật, biểu thức cổng logic vẽ hình sau digiB www.dientuvn.com Thí nghiệm 1.1 Khảo sát hoạt động cổng AND, OR, NOT Hướng dẫn Sử dụng module: B-MAIN, DI, DO, CLG 10 digiB www.dientuvn.com Sơ đồ chân bảng hoạt động JK-FF kích cạnh âm 74LS112 Thí nghiệm 7.1 Khảo sát hoạt động D-FF JK-FF Hướng dẫn Sử dụng module B-MAIN, DI, DO, SD Cấp nguồn +5V từ B-MAIN cho module DI, DO, SD Chân cấp nguồn có ký hiệu +12V module DI dùng cho CMOS nên bỏ trống khơng cần sử dụng Nối ngõ vào flip flop đến switch DI, nối ngõ flip flop đến led đơn DO Dựa bảng thật khảo sát lại hoạt động cổng Lưu ý: D-FF có clock kích cạnh lên JK-FF có clock kích cạnh xuống 35 digiB www.dientuvn.com Module SD chứa thành phần Kiểm tra Xác nhận hoạt động thành phần THIẾT KẾ HỆ TUẦN TỰ TỪ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN Mục đích Nắm nguyên tắc chung để thiết kế hệ từ thành phần nhớ Thiết kế dạng đếm khác 36 digiB www.dientuvn.com Lý thuyết Trong phần này, người thực hành nắm cách thiết kế mạch đếm dạng nối tiếp song song từ thành phần cổng logic Thí nghiệm 8.1 Thiết kế mạch đếm lên từ đến dạng nối tiếp sử dụng D-FF Hướng dẫn Sử dụng module B-MAIN, DI, DO, CLG, SD Cấp nguồn +5V từ B-MAIN cho module DI, DO, CLG SD Chân cấp nguồn có ký hiệu +12V module DI dùng cho CMOS nên bỏ trống khơng cần sử dụng Ngõ vào xung clock lấy từ nguồn clock chuẩn B-MAIN (standard clock 1Hz, TTL), từ switch DI Ngõ vào preset, clear lấy từ switch DI Ngõ đếm đưa đến led đơn DO để kiểm tra (hoặc đưa vào khối led đoạn module DO để đọc giá trị) Với mạch đếm từ đến (6 trạng thái), D-FF sử dụng Vì mạch đếm lên clock kích cạnh lên nên ngõ Q’ flip-flop trước nối đến ngõ vào clock flip-flop sau Tín hiệu reset (để xóa trạng thái đếm 0) tích cực ngõ Q2Q1Q0 mạch có giá trị Tín hiệu reset tạo từ mạch tổ hợp tương ứng Cấu trúc mạch có dạng tương tự sau (sơ đồ mang tính tham khảo) 37 digiB www.dientuvn.com Kiểm tra Xác nhận hoạt động mạch Thí nghiệm 8.2 Thiết kế mạch đếm lên từ đến dạng song song dùng JK-FF Hướng dẫn Thực tương tự thí nghiệm 8.1 Một số thay đổi quan trọng: ngõ vào clock nối song song flip-flop Khơng có mạch tạo tín hiệu preset, clear Thay vào đó, người thiết kế cần tính mạch tổ hợp cho ngõ vào J, K flip-flop Người thiết kế cần xây dựng bảng trạng thái – để xác định bảng kích thích cho mạch Sử dụng bảng kích thích để thiết kế hệ tổ hợp cho ngõ vào J, K flip-flop ngõ flip-flop đưa đến khối led đoạn module DO Gợi ý: cấu trúc mạch có dạng tương tự sau (sơ đồ mang tính tham khảo) 38 digiB www.dientuvn.com Mơ hình tham khảo cho thí nghiệm 8.2 Kiểm tra Xác nhận hoạt động mạch CÁC VI MẠCH TUẦN TỰ CHỨC NĂNG Mục đích Khảo sát số mạch chức đếm, ghi dịch 74LS164, 74LS165, 74LS393, 74LS193, 74LS194 Ứng dụng vi mạch chức Lý thuyết Dưới bảng thật sơ đồ chân vi mạch chức Để khảo sát đầy đủ tham khảo datasheet vi mạch 39 digiB www.dientuvn.com Thanh ghi dịch nối tiếp sang song song 74LS164 Thanh ghi dịch song song sang nối tiếp 74LS165 40 digiB www.dientuvn.com Bộ đếm lên/xuống đồng 4-bit 74LS193 Thanh ghi dịch chiều 4-bit 74LS194 41 digiB www.dientuvn.com Hai đếm 4-bit 74LS393 Thí nghiệm 9.1 Khảo sát hoạt động vi mạch đếm ghi dịch Hướng dẫn Sử dụng module B-MAIN, DI, DO, CLG SD Cấp nguồn +5V từ B-MAIN cho module DI, DO, CLG SD Chân cấp nguồn có ký hiệu +12V module DI dùng cho CMOS nên bỏ trống khơng cần sử dụng Ngõ vào xung clock cho đếm ghi dịch lấy từ nguồn clock chuẩn B-MAIN (standard clock 1Hz, TTL), từ switch DI Các ngõ vào khác lấy từ switch DI Ngõ đếm ghi dịch đưa đến led đơn DO để 42 digiB www.dientuvn.com kiểm tra (ngõ đếm đưa vào khối led đoạn module DO để đọc giá trị cho thuận tiện) Module SLF chứa vi mạch chức Kiểm tra Thực khảo sát chức vi mạch Lưu ý ngõ vào phải nối đến module DI, ngõ phải nối đến module DO 10 ỨNG DỤNG CÁC VI MẠCH TUẦN TỰ CHỨC NĂNG Mục đích Ứng dụng vi mạch chức thiết kế hệ 43 digiB www.dientuvn.com Phối hợp vi mạch tổ hợp Thí nghiệm 10.1 Thiết kế đếm lên 8-bit Hướng dẫn Sử dụng module B-MAIN, DI, DO, CLG SD Gợi ý: dùng vi mạch 74LS393 Vi mạch bao gồm đếm 4bit, thử tìm cách nối tiếp đếm Ngõ đếm đưa đến khối led đơn DO để kiểm tra Thí nghiệm 10.2 Thiết kế đếm lên có 24 trạng thái từ đến 23 Hướng dẫn Sử dụng module B-MAIN, DI, DO, CLG SD Kết hợp vi mạch đếm 74LS393 với module tổ hợp CLG để tạo tín hiệu reset ngõ đếm đạt đến giá trị 24 Ngõ đếm nối đến khối led đơn module DO 11 THIẾT KẾ MỘT SỐ MẠCH TUẦN TỰ MỞ RỘNG Thí nghiệm 11.1 Thiết kế đồng hồ số bao gồm tín hiệu phút giây Để đơn giản, đồng hồ khơng cần tín hiệu chỉnh, mặc định chạy từ 00:00 Hướng dẫn 44 digiB www.dientuvn.com Sử dụng module B-MAIN, DI, DO, CLG SD Ngõ vào đồng hồ tín hiệu xung clock 1Hz Ngõ tín hiệu phút giây đưa đến khối led đoạn module DO để khảo sát PHẦN - THIẾT KẾ MÁY TRẠNG THÁI 12 MÁY MOORE Mục đích Lý thuyết Thí nghiệm 12.1 Hướng dẫn Kiểm tra 13 MÁY MEALY Mục đích Lý thuyết Thí nghiệm 13.1 Hướng dẫn Kiểm tra PHẦN - THÍ NGHIỆM MẠCH NHỚ Các vi mạch nhớ ROM RAM sử dụng để thiết kế hệ tổ hợp Lúc ngõ vào địa đóng vai trò biến hệ tổ hợp, 45 digiB www.dientuvn.com ngõ liệu mạch nhớ giá trị hàm Như vậy, nhớ với đường liệu 12 đường địa biểu diễn hàm đồng thời, hàm có tối đa 12 biến 14 KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC VI MẠCH NHỚ Mục đích Khảo sát hoạt động vi mạch nhớ thông dụng ROM RAM Nắm cách thức truy xuất nhớ Để nắm chi tiết hoạt động vi mạch này, người thực hành nên tham khảo thêm datasheet vi mạch trước bắt đầu thí nghiệm Lý thuyết Sơ đồ chân mô tả chức hai vi mạch nhơ tiêu biểu 28C64 6264 tóm tắt sau Sơ đồ chân chức nhớ EEPROM 8Kx8 AT28C64 46 digiB www.dientuvn.com Sơ đồ chân chức nhớ RAM 8Kx8 HM6264 Thí nghiệm 14.1 Khảo sát hoạt động vi mạch RAM HM6264 Hướng dẫn Sử dụng module B-MAIN, DI, DO MEM Hai tín hiệu CE-ROM CE-RAM tích cực mức thấp dung phép vi mạch ROM RAM phép hoạt động Tại thời điểm có hai tín hiệu phép tích cực Vì tín hiệu sử dụng chung bus liệu nên hai vi mạch cho phép đồng thời xảy tượng tranh chấp bus 47 digiB www.dientuvn.com Nối ngõ vào đến module DI, nối ngõ đến khối led đơn module DO Khảo sát vi mạch nhớ RAM cách thử ghi giá trị ngẫu nhiên vào nhớ, sau đọc vị trí nhớ để kiểm tra xác liệu Module MEM chứa nhớ RAM ROM 8Kx8 Thí nghiệm 14.2 Thực hiển thị ô nhớ vi mạch ROM AT28C64 lên led ma trận module DO 48 digiB www.dientuvn.com Hướng dẫn Ngoài module B-MAIN, DI, DO, MEM, người sử dụng cần phối hợp thêm module tổ hợp Lưu ý khối led ma trận thiết kế với tín hiệu hàng cột có mức tích cực Một đếm quét liên tục ô nhớ nhớ (bằng cách kết nối với ngõ vào địa nhớ), đếm đồng với tín hiệu quét hàng khối led ma trận Dữ liệu từ ngõ nhớ đưa đến cột Vẽ sơ đồ thiết kế trước thực kết nối mạch PHẦN - THÍ NGHIỆM MẠCH BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ PHẨN - THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ 49 digiB www.dientuvn.com