Bài giảng Điện tử số: Phần 1 - ĐH Phạm Văn Đồng

(NB) Bài giảng Điện tử số gồm có 6 chương để học mỗi chương cần có các kiến thức của chương trước, phần 1 sách gồm 3 chương đầu: các hệ thống số và mã, đại số boole và các cổng logic, mạch tổ hợp. Mời các bạn cùng tham khảo!

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ SỐ Bậc học: ĐẠI HỌC (Dành cho Sinh viên Khoa CNTT) GV: Nguyễn Đình Hồng Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ Quảng Ngõi, năm 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ SỐ Bậc học: ĐẠI HỌC SỐ TÍN CHỈ: GV: Nguyễn Đình Hồng Bộ mơn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Cơng nghệ Quảng Ngõi, năm 2018 Lời nói đầu Nhằm đáp ứng cho việc giảng dạy môn Điện tử số bậc Đại học, tác giả biên soạn giảng nhằm làm tài liệu học tập cho lớp chuyên ngành Công nghệ thông tin Đại học Phạm Văn Đồng Tài liệu sử dụng cho sinh viên lớp ĐH CNTT với thời lượng 45 tiết (3TC) Tác giả hy vọng tài liệu thiết thực cho bạn sinh viên Trong q trình biên soạn, chắn tài liệu khơng tránh khỏi có sai sót Mọi góp ý xin gửi địa Nguyễn Đình Hồng - Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ Trường Đai học Phạm Văn Đồng Xin chân thành cảm ơn Tác giả MỤC LỤC Chương 1: CÁC HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ ……………………………………… Chương 2: ĐẠI SỐ BOOLE VÀ CÁC CỔNG LOGIC………………………… Chương 3: MẠCH TỔ HỢP ……………………………………………………… 25 Chương 4: MẠCH TUẦN TỰ…………………………………………………… 54 Chương 5: BỘ NHỚ BÁN DẪN ………………………………………………… 68 Tài liệu tham khảo: ………………………………………………………… 76 Chương 1: CÁC HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ 1.1 Khái niệm Hệ thống số thường sử dụng hệ thống số có vị trí Trong hệ thống số biểu diễn chuỗi ký tự số (digit); vị trí ký tự số có trọng số (weight) định Trọng số số lũy thừa vị trí ký tự số chuỗi Cơ số (radix) số ký tự số dùng để biểu diễn hệ thống Các hệ thống số thường gặp hệ thống số thập phân (Decimal system), hệ thống số nhị phân (Binary system), hệ thống số bát phân (Octal system), hệ thống số thập lục phân (Hexa-decimal) … Giá trị thập phân số tính theo công thức sau: Giá trị = Σ(Ký số x trọng số) 1.2 Hệ thống số thập phân (Decimal) Hệ thập phân dùng 10 chữ số để biểu diễn số (cơ số 10) Ví dụ: Tính giá trị 1234567 hệ thập phân Biểu diễn theo công thức tổng quát: 1234567 = 1*106 + 2*105 + 3*104 + 4*103 + 5*102 + 6*101 + 7*100 = 1.000.000 + 200.000 + 30.000 + 4.000 + 500 + 60 + = 123456710 1.3 Hệ thống nhị phân (Binarry) Hệ nhị phân dùng chữ số để biểu diễn số (cơ số 2) Ví dụ: Tính giá trị số 100111 hệ nhị phân Biểu diễn theo công thức tổng quát: 100111B = 1*25 + 0*24 + 0*23 + 1*22+ 1*21 + 1*20 = 32+0+0+4+2+1= 3910 1.4 Hệ thống thập lục phân (Hexadecimal) Hệ thập lục phân dùng 16 chữ số A B C D E F để biểu diễn số (cơ số 16) Ví dụ: Tính giá trị số 4B hệ thập lục phân Biểu diễn theo công thức tổng quát: 4BHex = 4*161 + B*160 = 64 + 10 = 7410 1.5 Biến đổi qua lại số 1.5.1 Đổi số từ nhị phân, thập lục phân sang thập phân Nguyên tắc: lấy số hạng chuỗi số nhân với số lũy thừa vị trí sau lấy tổng tất - Đổi từ nhị phân sang thập phân Ví dụ: Đổi số1010,11 số sang số10 1011,112 = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 + 1x2-1 +1x2-2 = + + + + 0,5 + 0,25 = 13,7510 - Đổi từ thập lục phân sang thập phân Ví dụ: Đổi giá trị số 4B,8F hệ thập lục phân sang hệ thập phân 4B,8F16 = 4x161 + Bx160 + 8x16-1 + 15x16-2 = 64 + 11 + 0,5 + 0.05859375= 75,5585937510 1.5.2 Đổi số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân Chia làm hai phần : phần nguyên phần thập phân Phần nguyên: chia liên tiếp thương số 0, số nhị phân số dư lấy từ lên Phần thập phân: nhân liên tiếp cho đạt số lẻ cần thiết, số nhị phân phần phân phần nguyên phép nhân Ví dụ: Đổi số thập phân 8.25 sang nhị phân Phần nguyên: 8:2 = dư MSB 4:2 =2 dư 2:2 =1 dư 1:2 = dư LSB Phần thập phân: 0.25x = 0.5 phần nguyên MSB 0.5x2 =1.0 phân nguyên LSB Kết chuyển đổi: 8.2510 = 1000.012 1.5.3 Đổi số từ thập phân sang thập lục phân Tương tự cách đổi từ thập phân sang nhị phân, với số chia 16 (phần nguyên) số nhân 16 (phần phân) 1.5.4 Đổi số từ nhị phân sang thập lục phân Nguyên tắc : Nhóm từ phải qua trái đủ bốn bít; nhóm cuối thiếu ta thêm số vào Thay nhóm bit thành mã thập lục phân tương ứng Ví dụ : 1010 01012 A 1010 01012 = A516 1.5.5 Đổi số từ thập lục phân sang nhị phân Ta thay số thập lục phân số nhị bít tương ứng Ví dụ: 2B616 = 0010 1011 01102 Bảng mã tương quan thập phân, nhị phân thập lục phân Thập phân Nhị phân Thập lục phân 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 10 1010 A 11 1011 B 12 1100 C 13 1101 D 14 1110 E 15 1111 F 1.6 Số có dấu 1.6.1 Biểu diễn số có dấu Khi biểu diễn số có dấu thơng thường ta sử dụng thêm bit gọi bit dấu (thường đặt vị trí số có trọng số cao MSB) với qui ước bit để số dương; bit để số âm Ví dụ: 0101 = - 0101 = +5 1.6.2 Số bù (dùng biểu diễn số âm) Số bù định nghĩa cho số N có n số bằng: rn -1 – N (với r số) Ví dụ: Tìm số bù số nhị phân N = 10102 rn = 24 = 10000, rn -1- N = 10000 -1-1010 = 0101 (bù 1) tìm bù cách đảo bít số N 1.6.3 Số bù ( biểu diễn số âm) Số bù có cách cộng số bù với Ví dụ: Tìm số bù số 1010 Bù số 1010 0101 Bù 2: 0101 +1 = 0110 (bù số nhị phân 1010) 1.7 Các loại mã 1.7.1 Mã BCD Mã số BCD số thập phân mã hóa theo nhị phân Mã số dùng nhóm bốn bit để biểu thị số thập phân từ đến Ví dụ: 10 0001 0010 0000BCD 1.7.2 Mã thừa Mã (thừa 3) mã có tăng đơn vị từ mã Binary Nghĩa cộng thêm 0112 Ví dụ: 0101 1000 (thừa 3) 1.7.2 Mã Gray Mã Gray hay gọi mã vòng suy từ mã nhị phân Giả sử cho mã nhị phân có bốn bit B3 B2 B1 B0, mã Gray tương ứng G3 G2 G1 G0 tính theo cơng thức sau : Gi = Bi+1 ⨁ Bi Đặc điểm mã Gray hai số nhị phân liên tiếp phép thay đổi bit 1.7.3 Mã ký tự (ASCII) Mã ASCII mã mà hầu hết máy tính dùng (mã chuẩn Mỹ: American Standard Code for Information Interchange) Mỗi ký tự (chữ cái, chữ số , dấu, ký hiệu đặt biệt …) tương ứng với mã bit (là dãy liên tiếp chữ số 1) Bảng mã ký tự ASCII: 1.8 Các phép toán số nhị phân Cũng số học thập phân, số học nhị phân có bốn phép tính là: Cộng (+), Trừ (-), Nhân (*), Chia (/) 1.8.1 Phép cộng Nguyên tắc: 0+0=0 0+1=1 1+0=1 + = Nhớ (carry) Ví dụ: 10011 + 011 10110 1.8.2 Phép trừ Nguyên tắc: 0-0=0 - = mượn (borrow) 1-0=1 1-1=0 Ví dụ: 10011 111 01100 1.8.3 Phép nhân Nguyên tắc: 0x0=0 0x1=0 1x0=0 1x1=1 Ví dụ: 10011 x 011 10011 10011 00000 0111001 1.8.4 Phép chia Thực giống phép chia thập phân Ví dụ: 1011 101 101 10 000 (số dư) (thương số) g = A + B C + C D + BC CD AB 00 00 01 11 10 0 1 01 1 11 - - - - 10 1 - - Sơ đồ mạch giải mã đoạn: 39 3.5 Bộ dồn kênh phân kênh (Multiplexer/DeMultiplexer–MUX/DEMUX) 3.5.1 Bộ dồn kênh (MUX) Mạch dồn kênh hay cịn gọi MUX mạch có 2n liệu (Data), n ngõ vào điều khiển (Selects) có ngõ Chức năng: chọn tín hiệu nhiều tín hiệu đầu vào để đưa đầu Mạch MUX 2-1: Sơ đồ khối: E1 S C0 E0 Tín hiệu chọn: C0 S E0 E1 Tín hiệu S = C0 E0 + C0E1 Mạch MUX 4-1: Sơ đồ khối: E3 E2 S E1 E0 C1 C0 Tín hiệu chọn: C1 C0 0 1 1 S E0 E1 E2 E3 Tín hiệu S = C1 C0 E0 + C1 C0E1 + C1 C0 E2 + C1C0E3 40 - Thiết kế MUX 2-1 Bảng thật: C0 0 0 1 1 E1 0 1 0 1 E0 1 1 S 1 0 1 Biểu thức đầu S: S = C0 E0 + C0E1 E1E0 00 01 11 10 0 1 1 C0 Sơ đồ mạch: & E0 E1 S & C0  Ứng dụng Bộ chọn kênh a Chọn nguồn tin Giả thiết có nguồn tin A, B, nguồn bit A: a3a2a1a0 B: b3b2b1b0 Sơ đồ mạch chọn nguồn tin A B: a3 a2 a0 a1 b3 b2 b0 b1 C0 S3 S2 S1 41 S0 Khi C0 = Mux : S3 = a3 Mux : S2 = a2 Mux : S1 = a1 Mux : S0 = a0 Vậy S=A Khi C0 = Mux : S3 = b3 Mux : S2 = b2 Mux : S1 = b1 Mux : S0 = b0 Vậy S=B b Bộ chuyển đổi song song – nối tiếp Bộ chuyển đổi kênh thực việc chuyển đổi từ truyền song song sang truyền nối tiếp E3 E2 E1 C1 t S C0 E0 t S0 C1 E0 E1 t0 C0 E2 t1 E3 t2 t t3 c.Tạo hàm logic MUX sử dụng để tạo hàm logic Ví dụ: MUX 4-1: E3 E2 S E1 E0 C1 C0 S = C1 C0 E0 + C1 C0E1 + C1 C0 E2 + C1C0E3 Mặt khác áp dụng định lý Shannon để khai triển hàm biến ta có: F(a,b) = a b f(0,0) + a bf(0,1) + a b f(1,0) + abf (1,1) 42 So sánh ta thấy tương ứng 1-1 giữa: S F(a, b); C1 a; C0 b; E0 f(0, 0) E1 f(0, 1) E2 f(1, 0) E3 f(1, 1) Vậy ta có cách tạo hàm biến cách sử dụng chọn kênh 4-1 với tương ứng Ví dụ: Tạo hàm F(A, B) = A + B Bảng thật: A B F 0 0 1 1 1 Mạch tạo hàm F = A+B MUX 4-1: E3 = E2 = S E1 = E0 = A B Ví dụ: Tạo hàm F(A, B) = AB Bảng thật: A 0 1 B 1 F 0 Mạch tạo hàm F= A.B MUX 4-1: 43 F E3 = E2 = S F E1 = E0 = A B 3.5.2 Bộ phân kênh (Demultiplexer – DeMUX) DEMUX mạch tổ hợp có ngõ vào, n ngõ điều khiển 2n ngõ ra.Nếu liệu từ MUX đưa đến DEMUX liệu phục hồi trạng thái ban đầu Chức năng: đưa tín hiệu từ đầu vào tới đầu - Mạch DeMUX 1-2 Sơ đồ khối: S0 E S1 Tín hiệu chọn: C0 - S0 E S1 E Mạch DeMUX 1-4 Sơ đồ khối: S0 S1 E S2 S3 C1 C0 44 Tín hiệu chọn: C1 C0 S0 S1 S2 S3 0 E 0 0 E 0 0 E 1 0 E Các ngõ ra: S0 = E S1 = C0 E S = C1 E S3 = C0C1E Sơ đồ logic mạch DEMUX 1:4: E S0 C0 S1 C1 S2 S3 45 3.6 Các mạch số học 3.6.1 Bộ cộng a.Bộ cộng bán phần (Half-Adder) Bộ cộng bán phần hệ tổ hợp có nhiệm vụ thực phép cộng số học bit nhị phân ngõ vào bi; hệ có ngõ ra: bit tổng Si (Sum) bit nhớ Ci+1 (Carry) Sơ đồ khối: HA Si bi Ci+1 Bảng thật: 0 1 bi 1 Si 1 Ci+1 0 Biểu thức đầu phụ thuộc đầu vào: Ci+1 = ai.bi Si =  bi Sơ đồ mạch logic: & =1 bi Ci+1 Si b.Bộ cộng đầy đủ (Full-Adder) Thực phép cộng bit phép cộng số nhị phân ( có số nhớ trước) Sơ đồ khối: C i: số nhớ đầu vào Ci+1: số nhớ đầu 46 Si FA bi Ci+1 Ci Bảng thật: bi 0 0 1 1 1 1 Ci 1 1 Si 1 0 Ci+1 0 1 1 Biểu thức đầu phụ thuộc đầu vào: Si =  bi  Ci Ci+1= ai.bi + Ci(ai  bi) aibi 00 01 11 10 0 1 1 Ci Sơ đồ mạch logic: si =1 =1 & >=1 bi & Ci 47 Ci+1 c Bộ cộng song song Đây cộng số nhị phân n bit, kết nhận số nguyên n+1 bit A an-1 an-2 a1 a0 B bn-1 bn-2 b1 b0 S sn sn-1 sn-2 s1 s0 Sơ đồ mach logic: an-1bn-1 Cn-1 an-2bn-2 FAn-1 Cn FAn-2 a1b1 Cn-2 sn sn-1 a0b0 FA1 …… Cn-1 C1 FA0 C1 C2 sn-2 C0 = s1 s0 3.6.2 Bộ trừ a Bộ trừ bán phần (Half-Substractor) Dùng để thực phép trừ bit nhị phân bi; ngõ hiệu Di số nhớ âm (mượn) Bi+1 Sơ đồ khối: HS bi Bảng thật: bi 0 1 1 Di Bi+1 Di 1 Bi+1 0 Biểu thức đầu phụ thuộc đầu vào Di=  bi Bi+1= bi Sơ đồ logic: 48 Di =1 & bi Bi+1 b.Bộ trừ đầy đủ (Full-Substractor) Dùng để thực trừ bit phép trừ số nhị phân Sơ đồ khối: Bi+1 FS bi Bi Bảng thật: Bi 0 0 1 1 1 1 Di bi 1 1 Bi+1 0 1 Di 1 0 1 Biểu thức đầu phụ thuộc đầu vào Di =  bi  Bi Bi+1= bi + Bi (  bi ) Mạch logic: 49 Di =1 =1 & >=1 Bi+1 bi & Bi 3.7 Bộ so sánh Có loại mạch so sánh số nhị phân: - So sánh đơn giản: kết so sánh: nhau, khác - So sánh đầy đủ: kết so sánh: lớn hơn, nhỏ hơn, 3.7.1 Bộ so sánh đơn giản Xây dựng so sánh đơn giản số A B: A a3 a2 a1 a0 B b3 b2 b1 b0 Đầu S: S = A = B S = A  B A B Bộ so sánh đơn giản S Ta có: a3  b3 a3  b3  a3  b3  a  b a  b     a  b2  2 A B    a1  b1  a1  b1   a1  b1  a0  b0 a0  b0  a  b   Vậy S  a3  b3 a2  b2 a1  b1.a0  b0 Sơ đồ mạch logic: 50 a3 =1 & b3 a2 =1 S b2 a1 =1 b1 a0 =1 b0 3.7.2 Bộ so sánh đầy đủ a Bộ so sánh đầy đủ bit Đầu vào: bit cần so sánh bi Đầu ra: tín hiệu để báo kết lớn hơn, nhỏ hơn, bit > bi Gi = Ei, Li = < bi Li = Ei, Gi = = bi Ei = Gi, Li = Sơ đồ khối: Gi Bộ so sánh bi Li Ei đầy đủ Bảng thật: bi Gi 0 1 1 Biểu diễn đầu theo đầu vào: Gi = bi Li 0 Li = bi Ei =  bi Sơ đồ mạch logic: 51 Ei 0 bi Gi & & Li =1 Ei c Bộ so sánh đầy đủ số nhị phân nhiều bit Có cấu tạo gồm so sánh bit Có tín hiệu CS: - CS = 0, tất đầu = - CS = 1, hoạt động bình thường Khi đó, đầu so sánh bit có biểu thức: Gi = CS bi Li = CS bi Ei = CS(  bi ) Sơ đồ mạch so sánh số bit: A: a2 a1 a0 B: b2 b1 b0 a2 b2 G2 Bộ so sánh L2 đầy đủ E2 CS a1 b1 1 G G1 Bộ so sánh L1 đầy đủ E1 1 L CS a0 b0 G0 Bộ so sánh L0 đầy đủ E0 52 E Bài tập chương Một mạch tổ hợp có ngõ vào A, B, C, D, E ngõ Y Ngõ vào từ mã thuộc mã sau E D C B A 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 a Thiết kế mạch tổ hợp dùng cổng AND-OR cho Y=1 ngõ vào từ mã Y=0 ngõ vào từ mã sai b Thực lại câu a dùng toàn cổng NAND Cho hệ tổ hợp hoạt động theo bảng sau E X1 X0 Y0 Y1 X X 1 0 0 0 1 0 1 1 1 Y2 1 1 Y3 1 1 Thiết kế hệ tổ hợp dùng toàn cổng NOT NAND ngõ vào Thiết kế mạch trừ hai số bit, V biến điều khiển, Ci-1 số mượn ngõ vào, Ci số mượn ngõ Khi V=0 mạch thực D=A-B, V=1 thực D=B-A Thiết kế mạch trừ hai số bit A B với biến điều khiển V, dựa sở mạch trừ hai số bit 53 ... C D 01 11 10 1 01 1 11 - - - - 10 1 - - 01 11 10 1 + CD CD AB 00 00 01 1 11 - - - - 10 1 - - 37 e 1 0 1 - f 0 1 1 - g 0 1 1 1 - c=D+ C +B CD AB 00 01 11 10 00 1 01 1 1 11 - - - - 10 1 - - d =... A + C D + B C + B D + BC D CD AB 00 01 11 10 00 1 01 1 11 - - - - 10 1 - - CD AB 00 01 11 10 00 0 01 0 11 - - - - 10 - - 00 01 11 10 0 01 1 11 - - - - 10 - - e = B D + CD f= C D + BC + B D CD... phân Nhị phân Thập lục phân 0000 00 01 0 010 0 011 010 0 010 1 011 0 011 1 10 00 10 01 10 10 10 A 11 10 11 B 12 11 00 C 13 11 01 D 14 11 10 E 15 11 11 F 1. 6 Số có dấu 1. 6 .1 Biểu diễn số có dấu Khi biểu diễn