Bài giảng Thiết kế mạch logic: Chương 5

Cùng nắm kiến thức trong chương 5 này thông qua việc tìm hiểu các nội dung sau: Khái niệm chung, phương pháp mô tả mạch tuần tự, mạch tuần tự đồng bộ, mạch tuần tự không đồng bộ, phần tử nhớ trong mạch tuần tự, phân tích và thiết kế mạch tuần tự, hiện tượng chu kỳ và chạy đua trong mạch không đồng bộ, một số mạch tuần tự thông dụng

MẠCH LOGIC TUẦN TỰ

Nội dung

1. Khái niệm chung

2. Phương pháp mô tả mạch tuần tự

3. Mạch tuần tự đồng bộ

4. Mạch tuần tự không đồng bộ

5. Phần tử nhớ trong mạch tuần tự

6. Phân tích và thiết kế mạch tuần tự

7. Hiện tượng chu kỳ và chạy đua trong mạch không đồng

bộ

8. Một số mạch tuần tự thông dụng

Khái niệm chung

• Mạch logic tuần tự hay còn gọi là mạch dãy - Sequential Circuit, hay mạch số có nhớ

• Là một mạch số làm việc với tín hiệu số

• Hoạt động của hệ mạch này có tính chất kế tiếp nhau

• Tại thời điểm đang xét, tín hiệu ra của mạch điện khôngchỉ phụ thuộc vào giá trị đầu vào mà còn phụ thuộc vào tổ

hợp các tín hiệu vào tại các thời điểm trước đó của mạch

• Mạch logic tuần tự làm việc theo nguyên tắc có nhớ.

để nhớ trạng thái trong của mạch

mà tổ hợp tín hiệu vào tại các thời điểm trước đó tác động

Mô hình toán học

• Y = f(X, S)

• Hay:

Y = f(S(t), X) S(t+1) = f(S(t), X)

Với

X={X0, X1, …, XN-1} tập tổ hợp tín hiệu vào, N≤2 n

Y={Y0, Y1, …, YM-1} tập tổ hợp tín hiệu ra, M≤2 m

S={S0, S1, …, SL-1} tập tổ hợp tín hiệu trạng thái , L≤2 n R={R0, R1, …, RL-1} tập tổ hợp tín hiệu kích

Nội dung

1. Khái niệm chung

2. Phương pháp mô tả mạch tuần tự

3. Mạch tuần tự đồng bộ

4. Mạch tuần tự không đồng bộ

5. Phần tử nhớ trong mạch tuần tự

6. Phân tích và thiết kế mạch tuần tự

7. Hiện tượng chu kỳ và chạy đua trong mạch không đồng

bộ

8. Một số mạch tuần tự thông dụng

Phương pháp mô tả mạch tuần tự

Bằng lời

• Dùng để mô tả mối quan hệ logic của hệ

• Ví dụ: Mô tả một mạch điều khiển đèn giao thông ở mộtngã tư

Bằng đồ thị thời gian

• Ví dụ: Mạch đếm xung có hệ số đếm k=5

Bằng bảng trạng thái (1)

Trạng thái

kế tiếp Sk

Bảng trạng thái (2)

Bảng tín hiệu ra

• Các hàng của bảng ghi các trạng thái trong

• Các cột ghi các tín hiệu vào

• Các ô ghi giá trị của tín hiệu ra tương ứng.

Bảng trạng thái (3)

• Bảng chuyển đổi trạng thái và tín hiệu ra

• Ví dụ: Mạch đếm xung có hệ số đếm k=5

• M – tập các đỉnh, mỗi đỉnh tương ứng 1 trạng thái trong

• K – Tập các cung có hướng, biểu diễn sự chuyển biến trạng thái của mạch

• Mô hình Mealy

• Mô hình Moore

• Ví dụ: Mạch đếm xung k=5

Nội dung

1. Khái niệm chung

2. Phương pháp mô tả mạch tuần tự

3. Mạch tuần tự đồng bộ và không đồng bộ

4. Phần tử nhớ trong mạch tuần tự

5. Phân tích và thiết kế mạch tuần tự

6. Hiện tượng chu kỳ và chạy đua trong mạch không đồng

bộ

7. Một số mạch tuần tự thông dụng

Mạch tuần tự đồng bộ

• Là mạch tuần tự mà sự chuyển

trạng thái của mạch được điều

khiển bởi một tín hiệu xung đồng

bộ (xung đồng hồ Clock – Ck)

được đưa tới các phần tử nhớ.

• Khi tín hiệu vào thay đổi giá trị

thì các tín hiệu trạng thái chỉ thay

đổi giá trị khi và chỉ khi có xung

Ck, và mạch chuyển sang trạng

thái mới.

• Tín hiệu vào phải biến đổi đồng

bộ với xung Ck

Mạch tuần tự không đồng bộ

• Là mạch tuần tự mà hoạt động

không cần sự điều khiển của tín

hiệu xung đồng hồ Ck.

• Tín hiệu xung không xuất hiện

đồng thời trên nhiều đầu vào của

mạch.

• Phần tử nhớ chỉ đổi trạng thái

khi có xung tín hiệu vào

Nội dung

1. Khái niệm chung

2. Phương pháp mô tả mạch tuần tự

3. Mạch tuần tự đồng bộ và không đồng bộ

4. Phần tử nhớ trong mạch tuần tự

5. Phân tích và thiết kế mạch tuần tự

6. Hiện tượng chu kỳ và chạy đua trong mạch không đồng

bộ

7. Một số mạch tuần tự thông dụng

• một hoặc vài lối vào điều khiển

(lối vào dữ liệu)

4.1 Định nghĩa

Phân loại:

• Theo đầu vào điều khiển:

• Trigơ một lối vào như trigơ D, T

• Trigơ 2 lối vào như trigơ RS, trigơ JK

• Theo phương thức hoạt động:

• Trigơ không đồng bộ

• Trigơ đồng bộ, có hai loại: trigơ thường và trigơ chính – phụ (Master – Slave)

4.1 Định nghĩa

Biểu diễn trigơ

• Bảng giá trị:

Q: giá trị đầu ra tại thời điểm t hiện tại

Q’: giá trị đầu ra tại thời điểm t+1 đang chuyển biến đến

• Phương trình đặc trưng:

Q’ = f(tín hiệu dữ liệu, Q)

• Đồ hình trạng thái: chỉ có 2 đỉnh Q=0, Q=1

• Sơ đồ mạch logic

Trigơ RS (2)

• Sơ đồ nguyên lý

• Đồ hình trạng thái

• Đồ thị thời gian

Trigơ JK (1)

• Trigơ JK có hai lối vào điều khiển J, K.

• Không còn tồn tại tổ hợp cấm bằng các đường hồi tiếp từ Q về chân R và từ Q về S  Ưu điểm hơn trigơ RS.

Trigơ JK (2)

• Đồ hình trạng thái

• Sơ đồ mạch điện

• Trigơ JK đồng bộ

Trigơ D

• Trigơ D là loại trigơ có một lối vào điều khiển D.

• Biểu thức: = , mỗi khi xuất hiện xung nhịp C.

• Sơ đồ khối: Bảng trạng thái

Trigơ Chính - Phụ (Master - Slave)

• Do các loại trigơ đồng bộ trên đều hoạt động tại sườn dương hay sườn âm của xung nhịp nên khi làm việc ở tần số cao thì lối ra Q không đáp ứng kịp với sự thay đổi của xung nhịp, dẫn đến mạch hoạt động ở tình trạng không được tin cậy

• Lối ra của trigơ MS thay đổi tại sườn dương và sườn âm của xung nhịp, nên cấu trúc của nó gồm 2 trigơ giống nhau nhưng cực tính điều khiển của xung Clock thì ngược nhau để đảm

bảo sao cho tại mỗi sườn của xung sẽ có một trigơ hoạt động

Lối vào không đồng bộ của trigơ

Một số IC thông dụng

Chuyển đổi giữa các loại Trigơ

• Với 4 loại trigơ RS, JK, D, và T có 12 khả năng chuyểnđổi sang nhau

Chuyển đổi giữa các loại Trigơ (2)

• Bài toán: Xây dựng trigơ loại X từ loại Y cho trước

Bài toán  Xây dựng mạch tổ hợp có các đầu vào X và Q, các lối ra Y biểu diễn bởi hàm Y= f(X,Q).

• Các bước thực hiện:

• Xác định hệ hàm Y= f(X,Q) theo bảng hàm kích

• Tối thiểu hóa các hàm này và xây dựng các sơ đồ

Chuyển đổi giữa các loại Trigơ (3)

• Bảng hàm kích của các loại Trigơ

Nội dung

1. Khái niệm chung

2. Phương pháp mô tả mạch tuần tự

3. Mạch tuần tự đồng bộ

4. Mạch tuần tự không đồng bộ

5. Phần tử nhớ trong mạch tuần tự

6. Phân tích và thiết kế mạch tuần tự

7. Hiện tượng chu kỳ và chạy đua trong mạch không đồng

bộ

8. Một số mạch tuần tự thông dụng

Phân tích mạch tuần tự - Lý thuyết

Phân tích mạch tuần tự - Ví dụ (2)

• Bước 4: Bảng chuyển đổi trạng thái

• Bước 5: Đồ hình trạng thái

• Bước 6: Phân tích chức năng của mạch

Phân tích mạch tuần tự - Ví dụ (1)

• Kết luận: Mạch có chức năng kiểm tra dãy tín hiệu vào X

ở dạng chuỗi có độ dài bằng 3 nếu chuỗi tín hiệu vào códạng 1 trong 4 dãy : 010, 011, 110, 111, mạch sẽ cho tínhiệu ra Z=1 tại thời điểm có xung nhịp thứ 3

Dạng xung ra của mạch

Thiết kế mạch tuần tự - Lý thuyết

Tối thiểu hóa trạng thái

tương đương nhau / hoặc thuộc 2 trạng thái đang xét tương đương.

• Qui tắc Caldwell: Nếu thay 1 nhóm các trạng thái tương đương

của 1 mạch = 1 trạng thái đại diện thì không làm thay đổi chức năng của mạch đó.

 Tối thiểu hóa trạng thái của mạch chính là xác định các nhóm trạng thái tương đương và thay thế 1 nhóm = 1 trạng thái đại diện tương ứng

Tối thiểu hóa trạng thái

• PP Caldwell:

• Thay các hàng trạng thái tương đương = 1 hàng trạng thái đại diện Thực hiện thay thế cho đến khi không tối thiếu được nữa.

• PP phân hoạch:

• Nhóm các trạng thái có tập các tổ hợp tín hiệu ra giống nhau

• Trong từng nhóm: loại dần những trạng thái không có khả năng

tương đương  xác định được nhóm tương đương

• Thay nhóm trạng thái tương đương bằng 1 trạng thái

• PP bảng so sánh:

• Mạch có L trạng thái thì bảng có L-1 hàng, L-1 cột bố trí dạng bảng tam giác bậc thang Nội dung của bảng ghi ket quả xét tương đương của từng cặp 2 trạng thái của hàng và cột tương ứng.

Tối thiểu hóa trạng thái

• Tối thiểu hóa trạng thái của cácmạch có bảng trạng thái ra nhưbên

Thiết kế mạch tuần tự - Ví dụ

• Bài toán: Thiết kế mạch thực hien kiểm tra dãy tín hiệu

vào ở dạng nhị phân có độ dài bằng 3 được đưa vào lien tiếp tren đầu vào X Nếu dãy tín hiệu vào có dạng 010

hoặc 011 hoặc 110 hoặc 111, thì tín hiệu ra Z=1 Các

trường hợp khác Z=0

• Bài toán: Thiết kế mach tuần tự đồng bộ có 1 đầu vào x

đưa chuỗi xung vào đồng bộ với xung Ck, 1 đầu vào xung

Ck, 1 đầu ra y Biet, tín hiệu ra y=1  chuỗi xung vào liêntiếp là 0000

• Bài toán: Thiết kế mạch đieu khien cấp đien cho máy bơm

nước

Một số mạch tuần tự thông dụng

• Bộ đếm

• Bộ ghi dịch

• …

Bộ đếm

nhieu lối ra, mạch có số trạng thái trong bằng chính hệ số đếm (Md)

trong này đến một trạng thái trong khác theo một thứ tự nhất định.

Cứ sau Md tín hiệu vào đếm mạch lại trở về trạng thái xuất phát ban đầu.

đếm được dùng rất nhiều trong các dụng cụ đo lường chỉ thị số, các máy tính điện tử.

Phân loại bộ đếm

Bộ đếm nhị phân đồng bộ

• VD: thiết kế bộ đếm nhị phân đồng bộ có Mđ=4, mã nhịphân

• Dùng trigo JK

• Dùng trigo T

• VD: thiết kế bộ đếm nhị phân thuận đồng bộ có Mđ= 8,

mã Gray

Bộ đếm có hệ số đếm bất kỳ

• Thiết kế bộ đếm đồng bộ có Mđ=5, dùng trigo T

Bộ đếm nhị phân không đồng bộ

• Chỉ dùng trigo T hoặc JK

• Đầu ra trigo trước nối tới đầu vào Clock của trigo kế saunó

• Đếm tiến thì lấy ở đầu ra Q Đếm lùi thì lấy ở đầu ra

• Tín hiệu vào Xđ luôn được đưa tới đầu vào Clock củatrigo có trọng số nhỏ nhất

• Sơ đồ này là bộ đếm nhị phân với Mđ = ? Đồng bộ hay không đồng bộ? Đếm tiến hay lùi?

• Vẽ sơ đồ mạch bộ đếm nhị phân 3 bit không đồng bộđếm lùi (Mđ=8)

Một số IC đếm

Phân loại

Ứng dụng của bộ ghi dịch

• Nhớ dữ liệu

• Chuyển dữ liệu từ song song thành nối tiếp và ngược lại

• Để thiết kế bộ đếm

• Tạo dãy tín hiệu nhị phân tuần hoàn

• Bộ ghi dịch 4 bit dịch phải