Đề cương bài giảng môđun Kỹ thuật số (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp) - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

Hệ bát phân đã có một thời dùng trong máy tính nhưng hiện nay không còn được sử dụng nữa.Để tăng cường khả năng xử lí số liệu(xử lí bit), chúng ta sẽ xem qua bảng sau là bảng liên hệ g[r]

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔĐUN: KỸ THUẬT SỐ

(Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp)

GVBS: Nguyễn Thị Thanh Hằng

1

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình “Kỹ thuật số” mơđun chuyên ngành quan trọng ngành điện tử, ứng dụng hầu hết ngành kỹ thuật lĩnh vực điều khiển khác Nó quan trọng sinh viên ngành trường, đặc biệt ngành điện tử, điện công nghiệp sửa chữa máy tính Để tạo điều kiện cho sinh viên học tập nghiên cứu môđun này, khoa Điện-Điện tử- trường CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II biên soạn tài liệu: KỸ THUẬT SỐ làm giáo trình lưu hành nội Trong q trình biên soạn khơng khỏi có nhiều sai sót, chúng tơi mong thơng cảm góp ý đồng nghiệp bạn đọc

Tp.Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018

2

MỤC LỤC

Lời giới thiệu

Mục lục

Phần 2: Kỹ thuật số Bài 4: Đại cương

Bài 5: FLIP - FLOP 33

Bài 6: Mạch đếm ghi 45

Bài 7: Mạch logic MSI 68

Bài 8: Họ vi mạch TTL - CMOS 88

Bài 9: Bộ nhớ 108

Bài 10: Kỹ thuật ADC - DAC 116

3

Bài 4: ĐẠI CƯƠNG Giới thiệu:

Hệ thống số mã hệ thống gồm số thập phân, nhị phân, bát phân, thập lục phân, mã BCD, mã ASCII

Mục tiêu:

- Biểu diễn hệ thống số đếm - Chuyển đổi qua lại hệ số đếm

Nội dung chính:

4.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ MẠCH SỐ

4.1.1 Định nghĩa

a Hệ thống tương tự (analog system)

Là thiết bị thao tác đại lượng vật lý biểu diễn dạng tương tự Trong hệ thống tương tự đại lượng thay đổi khoảng giá trị liên tục Một vài hệ thống tương tự thường gặp như: khuếch đại âm tần, thiết bị thu phát băng từ,…Tín hiệu tương tự minh hoạ hình 4.1

Hình 4.1

b Hệ thống số (digital system)

Là tập hợp thiết bị thiết kế để thao tác thông tin logic hay đại lương vật lý biểu diển dạng số, tức đại lượng có giá trị rời rạc Đây thường hệ thống điện tử đơi có hệ thống từ, hay khí nén Một vài hệ thống kỹ thuật số ta thường gặp là: máy vi tính, máy tính tay, thiết bị nghe nhìn số hệ thống điện thoại Tín hiệu số minh họa hình 4.2

Hình 4.2

4

4.1.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự a Ưu điểm kỹ thuật số:

- Thiết bị số dễ thiết kế

- Thông tin lưu trữ truy cập dễ dàng nhanh chóng - Tính xác độ tin cậy cao

- Có thể lập trình hệ thống hoạt động hệ thống kỹ thuật số - Mạch số bị ảnh hưởng bị nhiễu

- Nhiều mạch số tích hợp chíp IC

b Nhược điểm kỹ thuật số:

Hầu hết đại lượng vật lý có chất tương tự, đại lượng thường đầu vào đầu hệ thống theo dõi, xữ lý điều khiển Như muốn sử dụng kỹ thuât số làm việc với đầu vào đầu dạng tương tự ta phải thực chuyển đổi từ tương tự sang số sau lại số sang tương tự, nhược điểm lớn kỹ thuật số

Để sử dụng hệ thồng kỹ thuật số đầu vào đầu dạng tương tự ta cần thực bước sau đây:

Biến đổi đầu vào tương tự thành dạng số Xử lý thông tin số

Biến đổi đầu dạng số lại tương tự

Để hiểu trình chuyển đổi ta xem ví dụ minh họa hình 4.3 sau:

Hình 4.3.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ

5

Một nhược điểm khác hệ thống số giá thành cao, ví dụ truyền hình số tốn truyền hình tương tự

-Tín hiệu:

+Tương tự: Tín hiệu tương tự nguồn biến thiên biên độ, mà thường điện áp hay dịng điện, theo thời gian Đường biểu diển tín hiệu dạng sóng liên tục theo thời gian

+Số: tín hiệu số dãy số (nhị phân), biểu diễn theo khoản rời rạc với mức 5v biểu thị cho mức logic [1] 0v biểu thị cho mức logic [0]

- Mạch tương tự: Là mạch xử lý tín hiệu tương tự, tín hiệu có biên độ liên tục theo thời gian

- Mạch số mạch xử lý tín hiệu số, tín hiệu sóng có dạng xung (gọi tín hiệu nhị phân) mà biên độ gồm có mức:

Hình 4.4

Mức cao hay gọi mức ký hiệu [1]: Là mức mà xung có xuất Đối với TTL mức cao có tầm điện áp từ 2,4v đến 5v

Mức thấp hay gọi mức ký hiệu [0]: Là mức tín hiệu mà xung khơng xuất Đối với TTL mức thấp có tầm điện áp từ 0v đến 0,8v

- Nói đến analog ta nghĩ đến liên tục(continuous), cịn nói đến digital ta liên tưởng đến rời rạc(discrete # step by step) khác kĩ thuật tương tự kĩ thuật số Sự khác biệt khả kĩ thuật số làm sáng tỏ dần vào chương trình

4.2 HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ SỐ

4.2.1 Hệ thống số thập phân(Decade System)

Hệ thập phân – hay gọi làhệ số 10 Bao gồm 10 chữ số (ký hiệu) 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, Sử dụng chữ ta biểu thị đại lượng

Hệ thập phân hệ thống theo vị trí giá trị chữ số phụ thuộc vào vị trí Để hiểu rõ điều ta xét ví dụ sau: xét số thập phân 345 Ta biết chữ số biểu thị trăm, biểu thị chục, đơn vị Xét chất, mang giá trị lớn ba chữ số, gọi chữ số có nghĩa lớn nhất

6 X = an1 10

1

n + ……+ a

0

n .10

0

n

VD: 270 = X 102

+ X 101

+ X 100 = 200 + 70 + = 270

2151 =2 X 103

+ X 102

+ X 101

+ X 100 = 2000 + 100 + 50 + = 2151

Để diển tả số thập phân lẻ người ta dùng dấu chấm thập phân để chia phần nguyên phần phân số

VD: Số 123.456

123.456= 1x102 + 2x101 + 3x100 + 4x10-1 + 5x10-2 + 6x10-3

4.2.2 Hệ thống số nhị phân(Binary System)

Trong hệ thống nhị phân (binary system) có hai giá trị số Tất phát biểu hệ thập phân áp dụng cho hệ nhị phân Hệ nhị phân hệ thống số theo vị trí Mỗi nhị phân có giá trị riêng, tức trọng số, luỹ thừa Để biểu diễn số nhị phân lẻ ta dùng dấu chấm thập phân để phân cánh phần nguyên phần lẻ

Ví dụ: 1000.1012 = (1x 23) + (0x 22) + (0x21) + (0x20) + (1x2-1) + (0x2-2) + (1x 2-3) = + + + + 0.5 + + 0.125

= 8.125 Cách gọi nhị phân

Một số số nhị phân gọi bit (Binary Digital)

Bit đầu (hàng tận bên trái) có giá trị cao gọi MSB (Most Significant Bit – bit có nghĩa lớn nhất), bit cuối (hàng tận bên phải) có giá trị nhỏ gọi LSB (Least Significant Bit – bit có nghĩa nhỏ nhất)

Số nhị phân có bit gọi byte

Lũy thừa 210 = 1024 gọi 1K (kilo) 220 = 210 210 = 1K 1K = 1M (Mega)

7

Biểu đồ thời gian dùng để biểu diễn thay đổi theo thời gian tín hiệu số, đặc biệt biểu diển hai hay nhiều tín hiệu số mạch điện hay hệ thống

Cách đếm nhị phân

Cách đếm số nhị phân trình bày theo bảng sau:

Nếu sử dụng N bit N chữ số ta đếm 2N số độc lập Ví dụ:

2 bit ta đếm 22 = số ( 002 đến 112 )

4 bit ta đếm 24 = 16 số ( 00002 đến 11112 )

Ở bước đếm cuối, tất bit trạng thái 2N – hệ thập phân

Ví dụ: sử dụng bit, bước đếm cuối 11112 = 24 – = 1510

4.2.3 Hệ thống số bát phân(Octal Number System)

8

Ví dụ: 1378 = 1X82 + 3X81 +7X80 = 64+24+7 = 95D

Cách chuyển đổi từ số bát phân sang hệ thống số khác đổi ngược lại có qui luật hệ thống số nhị phân hay thập lục phân

Điều đáng lưu ý ký số số bát phân tương ứng với bit số nhị phân Ở ví dụ cho biết cách chuyển đổi từ số bát phân sang số thập phân quen thuộc Hệ bát phân có thời dùng máy tính khơng cịn sử dụng nữa.Để tăng cường khả xử lí số liệu(xử lí bit), xem qua bảng sau bảng liên hệ hệ thống số phép tính số nhị phân: cộng, trừ

 Bảng liên hệ hệ thống số:

Thập Phân Thập Lục Phân Bát Phân Nhị Phân 10 11 12 13 14 15 16 17 A B C D E F 10 11 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 10001

4.2.4 Hệ thống số thập lục phân(Hexadecimal Number System)

Hệ thống số thập lục phân sử dụng số 16, nghĩa có 16 ký số Hệ thập lục phân dùng ký số từ đến cộng thêm chữ A, B, C, D, E, F Mỗi ký số thập lục phân biểu diễn nhóm ký số nhị phân

Trình tự đếm minh họa đây:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, 10, 11, 12, 13, ,1A, 1B, , ………1F, 20………2F,… FF

Ví dụ:

9 Liên hệ số Hex số nhị phân:

Mỗi ký số số Hex tương ứng với bit số nhị phân Ví dụ số 6H có giá trị 6D số nhị phân 0110B , số CH có giá trị 12D số nhị phân 1100B Tương tự cho ký số khác

Như ký số thập lục tương ứng với bit nhị phân Do số Hex có n ký số có 4*n bit số nhị phân hay có n nhóm bit số nhị phân Đây phép biến đổi từ số Hex sang số nhị phân

Ví dụ:

7AC2H = 111 1010 1100 0010B * Cách đổi từ số nhị phân sang số Hex:

Nếu có số nhị phân cho trước ta chia số thành nhóm bit theo chiều từ phải sang trái, sau ứng với nhóm ta tương ứng ký số Hex

Ví dụ:

101.1010.0111B = 5A7H

4.2.5 Mã BCD

Mã dùng bit nhị phân để biểu diễn số VD: 910 = 1001BCD ; 1310 = 1101BCD ; 1510 = 1111BCD

Như nhóm bit biểu diễn số tương ứng lớn 15 hệ 10 Nếu số thập phân lớn 15 người ta dùng nhiều nhóm mã BCD để biểu diễn

4.2.6 Mã ASCII

Mã chữ số sử dụng rộng rãi mã ASCII Mã ASCII mã 7bit, nên có 27 = 128 nhóm mã, đủ để biểu thị tất ký tự bàn phím chuẩn chức điều khiển Bảng minh họa phần danh sách mã ASCII:

Kí tự Mã ASCII bit Bát phân Thập phân

10

4.3 CHUYỂN ĐỔI QUA LẠI GIỮA CÁC HỆ THỐNG SỐ ĐẾM

4.3.1 Đổi từ nhị phân sang thập phân

Mỗi ký số nhị phân (bit) có trọng số dựa vị trí Bất kỳ số nhị phân đổi thành số thập phân tương đương cách cộng trọng số vị trí có bit

Để hiểu rõ ta xét vài ví dụ sau đây:

4.3.2 Đổi từ thập phân sang nhị phân

11

4.3.3 Đổi từ bát phân sang thập phân

Ta dể dàng đổi số bát phân sang thập phân tương đương cách nhân ký số bát phân với trọng số nó, cộng kết với

Ví dụ: Đổi số bát phân 4708 thành số thập phân 4758 = 4x(82) + 7x(81) + 5x(80) = 4x64 + 7x8 + 5x1 = 31710

4.3.4 Đổi từ thập phân sang bát phân

Có thể dùng phương pháp lặp lại phép chia để đổi số nguyên thập phân sang bát phân tương đương, với số chia

Ví dụ 9: Đổi số thập phân 365 thành số bát phân tương đương

4.3.5 Đổi từ thập lục phân sang thập phân

Một số thập lục phân đổi thành số thập phân tương đương dựa vào liệu vị trí ký số thập lục phân có trọng số lũy thừa 16 LSD có trọng số 160, ký số thập lục phân vị trí có số mũ tăng lên Q trình chuyển đổi sau:

Ví dụ đổi số thập lục phân 4BE16 thành số thập phân tương đương 4BE16 = 4x162 + 11x161 + 14x160

= 1024 + 176 + 14 = 121410

Chú ý, ví dụ thay 11 vào B 14 vào E đổi sang thập phân 4.3.6 Đổi từ thập phân sang thập lục phân

Tương tự cách đổi từ thập phân sang nhị phân hay bát thân, đổi từ thập phân sang thập lục phân ta dùng cách lặp lại phép chia cho 16 lấy số dư trước

12

→ 76510 = 2FD16

Chúng ta nên nhớ số dư phép chia lớn biểu diễn chữ từ A đến F đổi sang số thập lục phân

4.3.7 Đổi từ thập lục phân sang nhị phân

Cách đổi từ số thập lục phân sang số nhị phân giống đổi từ bát phân sang nhị phân, nghĩa ký số thập lục phân đổi sang giá trị nhị phân bit tương đương

Ví dụ: Đổi số 8D216

4.3.8 Đổi từ nhị phân sang thập lục phân

Để đổi từ số nhị phân sang thập lục phân ta làm ngược lại cách đổi từ thập lục phân sang nhị phân Nghĩa ta nhóm thành nhóm bit, nhóm đổi sang ký số thập lục phân tương đương

Ví dụ 1: Đổi số 110011011012 thành số thập lục phân

13

4.4 CÁC PHÉP TÓAN TRONG HỆ THỐNG SỐ NHỊ PHÂN

4.4.1 Cộng nhị phân

Phép cộng hai số nhị phân tiến hành giống cộng số thập phân Các bước phép cộng nhị phân áp dụng cho số nhị phân Tuy nhiên, có bốn trường hợp xảy phép cộng hai số nhị phân (bit) vị trí Đó là:

0 + = + =

1 + = = + nhớ cộng vào vị trí + + = 11 = 1+ nhớ cộng vào vị trí Dưới vài ví dụ cộng hai số nhị phân:

Phép cộng phép toán số học quan trọng hệ thống kỹ thuật số Như ta thấy, phép trừ, nhân chia thực hầu hết máy vi tính máy tính bấm tay đại thực dùng phép cộng làm phép toán chúng

4.4.2 Trừ nhị phân

Trong phép trừ số trừ nhỏ số trừ, cụ thể trừ 1, phải mượn hàng cao kế ở hàng trừ số mượn phải trả lại cho hàng cao kế tương tự phép trừ hai số thập phân

Ví dụ: trường hợp trừ hai số nhị phân bit

14 4.4.3 Biểu diễn số có dấu

Do đa số máy tính xử lý số âm lẫn số dương nên cần có dấu hiệu để biểu thị dấu số ( + hay - ) Thường người ta thêm vào bit phụ gọi bit dấu Thông thường chấp nhận bit bit dấu biểu thị số dương, bit bit dấu biểu thị số âm

Dạng bù

Để có bù số nhị phân, ta thay bit thành bit bit thành bit Nói cách khác, ta thay đổi bit số nhị phân cho thành bit bù (đảo) tương ứng

Ví dụ :

1 1 số nhị phân ban đầu ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

0 0 Bù (đảo) bit để thành lập dạng bù

Dạng bù

Bù số nhị phân hình thành cách lấy bù số cộng vào vị trí nhỏ

Ví dụ : Tìm dạng bù số 1101012 = 5310

Ví dụ :

Biểu diễn số có dấu bù 2:

Nếu số dương, trị tuyệt đối biểu diễn theo dạng nhị phân thực nó, bit dấu đặt vào trước MSB

Nếu số âm, trị tuyệt đối biểu diễn dạng bù 2, bit dấu đặt trước MSB

15

Các phép tính bù tương tự phép tính số nhị phân bình thường 4.4.4 Nhân số nhị phân

Phép nhân số nhị phân thực tương tự nhân số thập phân Quá trình thật đơn giản ký số số nhân 1, ta nhân cho hay

Ví dụ:

4.4.5 Chia số nhị phân

16

Trong ví dụ ta có 10012 chia cho 112, tương đương 910 chia cho 310 Thương số 00112 = 310 Trong ví dụ thứ 2, 10102 chia cho 1002 tức 1010 chia cho 410 kết 0010.12 = 2.510

Phép chia số có dấu thực phép nhân Số âm biến thành số dương phép bù, sau thực phép chia Nếu số bị chia số chia có dấu ngược nhau, thương số đổi sang số âm cách lấy bù gán bit dấu Nếu số bị chia số chia dấu, thương số số dương gán bit dấu

4.5 CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN

4.5.1 Cổng AND

Là cổng logíc có hai ngõ vào (hoặc nhiều hơn) ngõ cho ngõ lên mức [1] tất ngõ vào mức [1]

- Ký hiệu: Hàm Logic

Hình 4.5 Ký hiệu, hàm logic, bảng trạng thái A,B tín hiệu ngõ vào, Y tín hiệu ngõ

Y=A.B hàm biểu diển tín hiệu ngõ theo biến vào A,B Bảng thật (bảng trạng thái)

Trên cổng AND ngõ vào ngồi ta có cổng AND ngõ vào, ngõ vào Ở bảng thật ta nhận thấy tín hiệu ngõ Y ngõ vào A B

- Ghi nhớ:

Ngõ cổng AND lên tất ngõ vào lên Điều cho cổng AND lớn ngõ vào

- Bên cạnh bảng thật ta có hình vẽ mơ tả cổng AND Ta cho cơng tắt mở mức 0, đóng mức 1, cịn bóng đèn tắt mức sáng mức Như bóng đèn Y sáng (ở mức 1) công tắt AB đóng Ở hình dưới,

Y=1 (5v) Diode ngưng dẫn tương ứng với A=B=1=5v @Lưu ý:

17

4.5.2 Cổng OR

Cổng OR cổng logic có chức cho ngõ mức [0] tất ngõ vào có mức [0], ngõ vào có mức [1] ngõ mức [1]

Ký hiệu Hàm Logic

Hình 4.6 Ký hiệu, hàm logic, bảng trạng thái Ghi nhớ:

Ngõ Y ngõ vào bắng Điều áp dụng cho cổng OR nhiều ngõ vào

Lưu ý :

Khi A=1 suy Y=1 B Khi A=0 suy Y=B

Bên cạnh bảng thật có mạch diển tả cổng OR 4.5.3 Cổng NOT

Là loại cổng logic (tích hợp từ linh kiện điên tử rời) nhằm chuyển đổi tín hiệu có mức logic thấp ( [0]) ngõ vào (A) thành tín hiệu có mức logíc cao ([1]) ngõ (Y); tín hiệu ngõ vào mức cao [1] tín hiệu ngõ mức thấp [0]

 Ký hiệu Hàm Logic

18

4.5.4 Cổng NAND: là cổng phủ định cổng AND

Ký hiệu Hàm Logic

Hình 4.8 Ký hiệu, hàm logic, bảng trạng thái

Cổng NAND thực chất kết hợp cổng AND cổng NOT ta áp dụng tính chất cổng tương ứng biết.

4.5.5 Cổng NOR

Cổng NOR thực chất kết hợp cổng OR cổng NOT ta áp dụng tính chất cổng tương ứng biết

Ký hiệu Hàm Logic

19

4.5.6 Cổng EX – OR

Hình 4.10 Ký hiệu, hàm logic, bảng trạng thái

Ghi nhớ: Ngõ cổng Ex-Or có ngõ vào mạch cộng nhị phân

2 số số có bit

4.5.7 Cổng EX – NOR

Là phủ định cổng EX-OR Tức kết hợp cổng EX-OR cổng NOT

Học viên tự viết ký hiệu, bảng trạng thái, hàm logic

4.5.8 Cổng đệm (Buffer)

Là loại cổng dùng để nắn dạng tín hiệu Vo, khơng làm dạng tín hiệu Vo thay đổi mà có tác dụng sửa(nắn) tín hiệu, làm cho tín hiệu trở nên rõ ràng sau qua nhiều tầng IC

Ký hiệu Mạch diễn tả

Vcc

A

Y

A Y

Bảng trạng thái Hàm logic

Y=A

Hình 4.11 Ký hiệu, hàm logic, bảng trạng thái

A Y

0