Giáo trình điện tử số phần 1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGUYỄN THIỆN THÔNG NGUYỄN DUY THẮNG GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ SỐ (GIÁO TRÌNH DÙNG CHO HỆ CAO ĐẲNG NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG) TP HỒ CHÍ MINH - 2019 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG SỐ ĐẾM - SỐ NHỊ PHÂN 1.1 CÁC HỆ THỐNG SỐ ĐẾM 1.1.1 Các khái niệm 1.1.2 Chuyển đổi số 1.2 SỐ NHỊ PHÂN (BINARY) 1.2.1 Các tính chất số nhị phân 1.2.2 Các phép toán số học số nhị phân 1.2.3 Mã nhị phân 1.3 SỐ NHỊ PHÂN CÓ DÂU 1.3.1 Biểu diễn số có dấu 1.3.2 Các phép toán cộng từ số có dấu CHƯƠNG 2: ĐẠI SỐ BOOLE - CỔNG LOGIC 14 2.1 CẤU TRÚC ĐẠI SỐ BOOLE 14 2.1.1 Các tiên đề (Axioms) 14 2.1.2 Các định lý (Basic Theorems) 15 2.2 HÀM BOOLE (BOOLEAN FUNCTION) 15 2.2.1 Định nghĩa 15 2.2.2 Bù hàm 16 2.3 DẠNG CHÍNH TẮC VÀ DẠNG CHUẨN CỦA HÀM BOOLE 16 2.3.1 Các tích chuẩn (minterm) tổng chuẩn (Maxterm) 16 2.3.2 Dạng tắc (Canonical Form) 17 2.3.3 Dạng chuẩn (Standard Form) 18 2.4 CỔNG LOGIC 19 2.4.1 Cổng NOT 19 2.4.2 Cổng AND 19 2.4.3 Cổng OR 20 2.4.5 Cổng NOR 20 2.4.6 Cổng EXOR 21 2.4.7 Cổng ENOR 21 2.5 RÚT GỌN HÀM BOOLE 21 2.5.1 Phương pháp đại số 21 2.5.2 Phương pháp bìa KARNAUGH 22 2.6 THỰC HIỆN HÀM BOOLE BẰNG CỔNG LOGIC 30 2.6.1 Cấu trúc cổng AND_OR 30 2.6.2 Cấu trúc cổng OR _ AND 31 2.6.3 Cấu trúc cổng AND_OR_INVERTER (AOI) 31 2.6.4 Cấu trúc cổng OR _ AND _INVERTER (OAI) 31 2.6.5 Cấu trúc toàn cổng NAND 33 2.6.6 Cấu trúc toàn cổng NOR 34 CHƯƠNG 3: HỆ TỔ HỢP 36 3.1 GIỚI THIỆU - CÁCH THIẾT LẬP HỆ TỔ HỢP 36 3.2 BỘ CỘNG - TRỪ NHỊ PHÂN 38 3.2.1 Bộ cộng (Adder) 38 3.2.2 Bộ trừ (Subtractor) 40 i 3.2.3 Bộ cộng / trừ nhị phân song song .41 3.3 Hệ chuyển mã (Code Conversion) .42 3.4 BỘ GIẢI MÃ (DECODER) .43 3.4.1 Giới thiệu 43 3.4.2 IC giải mã 45 3.4.3 Sử dụng giải mã thực hàm Boole 46 3.5 BỘ MÃ HÓA (ENCODER) .46 3.5.1 Giới thiệu 46 3.5.2 IC mã hóa ưu tiên sang (74148) 48 3.6 BỘ DỒN KÊNH (MULTIPLEXER – MUX) 48 3.6.1 Giới thiệu 48 3.6.2 IC dồn kênh 50 3.6.3 Sử dụng MUX thực hàm Boole .51 3.7 BỘ PHÂN KÊNH (DEMUX) 52 3.7.1 Giới thiệu 52 3.7.2 IC phân kênh 74LS155 .53 3.8 BỘ SO SÁNH ĐỘ LỚN (COMPARATOR) .53 3.8.1 Giới thiệu 53 3.8.2 IC so sánh 74LS85 55 CHƯƠNG 4: HỆ TUẦN TỰ- .56 4.1 GIỚI THIỆU 56 4.2 MẠCH CHỐT (LATCH) VÀ FLIP-FLOP (FF) 56 4.2.1 Các mạch chốt .57 4.2.2 Flip Flop (FF) 59 4.3 BỘ ĐẾM (COUNTER) 63 4.3.1 Giới thiệu 63 4.3.2 Bộ đếm nối tiếp (Asynchronous Counter) 63 4.3.3 Bộ đếm song song (Synchronous Counter) 68 4.4 THANH GHI DỊCH (SHIFT REGISTER) 74 4.4.1 Thanh ghi dịch nhập nối tiếp – xuất nối tiếp (SISO) 74 4.4.2 Thanh ghi dịch nhập nối tiếp – xuất song song (SIPO) 75 4.4.3 Thanh ghi dịch nhập song song – xuất nối tiếp (PISO) 75 4.4.4 Thanh ghi dịch nhập song song – xuất song song (PIPO) 76 4.5 BỘ ĐẾM THANH GHI DỊCH (SHIFT REGISTER COUNTER) 79 4.5.1 Bộ đếm vòng (Ring Counter) 79 4.5.2 Bộ đếm vòng xoắn (Twisted-ring Counter): đếm Johnson 79 4.6 PHÂN TÍCH HỆ TUẦN TỰ 80 4.6.1 Kiểu MEALY 80 4.6.2 Kiểu MOORE .82 4.7 THIẾT KẾ HỆ TUẦN TỰ 83 4.7.1 Thành lập graph trạng thái bảng chuyển trạng thái 83 4.7.2 Rút gọn trạng thái 84 4.7.4 Chọn FF thiết kế phần tổ hợp 86 4.8 LƯU ĐỒ MÁY TRẠNG THÁI 92 ii Chương 1: Hệ thống số đếm - số nhị phân CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG SỐ ĐẾM - SỐ NHỊ PHÂN 1.1 CÁC HỆ THỐNG SỐ ĐẾM 1.1.1 Các khái niệm - Cơ số (r - radix): số lượng ký tự chữ số (ký số - digit) sử dụng để biểu diễn hệ thống số đêm - Trọng số (weight): đại lượng biểu diễn cho vị trí số chuỗi số Trọng số = Cơ số vị trí - Giá trị (value): tính tổng theo trọng số Giá trị = ∑(Ký số x Trọng số) Số thập phân (Decimal): Cơ số r = 10 400 + + + 0.6 + 0.02 + 0.005 = 407.625 Số nhị phân (Binary): Cơ số r = + + + + 0.25 + 0.125 = 5.375 Chương 1: Hệ thống số đếm - số nhị phân Số thập lục phân (Hexadecimal): Cơ sổ r = 16 1280 60 + + 0.25 + 0.0508 + 0.0002 = 1440.301 1.1.2 Chuyển đổi số - Từ thập phân sang nhị phân ˗ Từ thập phân sang thập lục phân Chương 1: Hệ thống số đếm - số nhị phân ˗ Từ nhị phân sang thập lục phân ˗ Từ thập lục phân sang nhị phân 1.2 SỐ NHỊ PHÂN (BINARY) 1.2.1 Các tính chất số nhị phân - Số nhị phân n bit có 2n giá trị từ đến 2n – - Số nhị phân có giá trị 2n – 1: 1… … … 1(n bit 1) giá trị 2n: - 10… … …0(n bit 0) Số nhị phân có giá trị lẻ số có LSB =1; ngược lại giá trị chẵn số có LSB = Các bội số bit: 1B (Byte) = bit KB = 210 B = 1024 B MB = 210 KB = 220 B GB = 210 MB Chương 1: Hệ thống số đếm - số nhị phân 1.2.2 Các phép toán số học số nhị phân - Phép cộng - Phép trừ - Phép nhân - Phép chia 1.2.3 Mã nhị phân Chương 1: Hệ thống số đếm - số nhị phân Từ mã: tổ hợp nhị phân sử dụng loại mã nhị phân - Mã nhị phân cho số thập phân (BCD - Binary Coded Decimal) - Mã Gray: mã nhị phân mà giá trị liên tiếp có tổ hợp bit biểu diễn khác bit - Mã LED đoạn: Chương 1: Hệ thống số đếm - số nhị phân - Mã ký tự ASCII - Mã tron n: mã nhị phân n bit có từ mã có bit (hoặc 0) n-1 bit lại (hoặc 1) Chương 3: Hệ tổ hợp 3.2.3 Bộ cộng / trừ nhị phân song song Bộ cộng nhị phân Bộ trừ nhị phân - Sử dụng trừ toàn phần F.S Thực phép cộng với bù số trừ Kết quả: - C4 = kết số dương - C4 = kết số âm 41 Chương 3: Hệ tổ hợp Bộ cộng / trừ nhị phân 3.3 Hệ chuyển mã (Code Conversion) - Hệ chuyển mã hệ tổ hợp có nhiệm vụ làm cho hệ thống tương thích với nhau, hệ thống dùng mã nhị phân khác - - Hệ chuyển mã có ngõ vào cung cấp tổ hợp mã nhị phân A ngõ tạo cá tổ hợp mã nhị phân B Như vậy, ngõ vào ngõ phải có số lượng từ mã Ví dụ: Thiết kế hệ chuyển mã từ mã BCD thành mã BCD 42 Chương 3: Hệ tổ hợp 3.4 BỘ GIẢI MÃ (DECODER) 3.4.1 Giới thiệu - Bộ giải mã hệ chuyển mã có nhiệm vụ chuyển từ mã nhị phân n bit ngõ vào thành mã nhị phân m ngõ - Với giá trị i tổ hợp nhị phân ngõ vào, ngõ Yi tích cực ngõ cịn lại khơng tích cực Có dạng: ngõ tích cực cao (mức 1) ngõ tích cực thấp (mức 0) 43 Chương 3: Hệ tổ hợp Bộ giải mã ngõ tích cực cao Bộ giải mã ngõ tích cực thấp 44 Chương 3: Hệ tổ hợp Bộ giải mã có ngõ vào cho phép - Ngoài ngõ vào liệu, giải mã có hay nhiều ngõ vào cho phép Khi ngõ vào cho phép trạng thái tích cực mạch giải mã hoạt động Ngược lại, mạch giải mã không hoạt động; ngõ trạng thái khơng tích cực 3.4.2 IC giải mã IC 74139: gồm giải mã sang ngõ tích cực thấp 45 Chương 3: Hệ tổ hợp IC 74138: giải mã sang ngõ tích cực thấp 3.4.3 Sử dụng giải mã thực hàm Boole Ngõ giải mã minterm (ngõ tích cực cao) maxterm (ngõ tích cực thấp) n biến ngõ vào Do đó, ta sử dụng giải mã thực hàm Boole theo dạng tắc 3.5 BỘ MÃ HĨA (ENCODER) 3.5.1 Giới thiệu - Encoder hệ chuyển mã thực hoạt động ngược lại với decoder Nghĩa encoder có m ngõ vào theo mã nhị phân m n ngõ theo mã nhị phân (với m ≤ 2n) - Với ngõ vào Ii tích cực ngõ tổ hợp giá trị nhị phân i tương ứng 46 Chương 3: Hệ tổ hợp Bộ mã hóa có ưu tiên (Priority Encoder): mạch mã hóa cho có nhiều ngõ vào tích cực ngõ giá trị nhị phân ngõ vào có ưu tiên cao 47 Chương 3: Hệ tổ hợp 3.5.2 IC mã hóa ưu tiên sang (74148) 3.6 BỘ DỒN KÊNH (MULTIPLEXER – MUX) 3.6.1 Giới thiệu - Bộ MUX 2n→1 hệ tổ hợp có nhiều ngõ vào có ngõ Ngõ vào gồm nhóm: m ngõ vào liệu (data input) n ngõ vào lựa chọn (select input) - Với giá trị i tổ hợp nhị phân ngõ vào lựa chọn, ngõ vào liệu Di chọn đưa đến ngõ (m = 2n) 48 Chương 3: Hệ tổ hợp Bộ MUX 4→1 49 Chương 3: Hệ tổ hợp 3.6.2 IC dồn kênh 74LS153: gồm MUX 4→1 74LS151: MUX 8→1 50 Chương 3: Hệ tổ hợp 3.6.3 Sử dụng MUX thực hàm Boole Bộ MUX 2n thực hàm Boole n biến Bộ MUX 2n thực hàm Boole n+1 biến 51 Chương 3: Hệ tổ hợp 3.7 BỘ PHÂN KÊNH (DEMUX) 3.7.1 Giới thiệu - Bộ DEMUX 1→2n có chức thực hoạt động ngược lại với MUX Mạch có ngõ vào liệu, n ngõ vào lựa chọn 2n ngõ - Với giá trị i tổ hợp nhị phân ngõ vào lựa chọn, ngõ vào liệu D chọn đưa đến ngõ Yi Bộ DEMUX 1→4 52 Chương 3: Hệ tổ hợp 3.7.2 IC phân kênh 74LS155 Gồm phân kênh 1→4 3.8 BỘ SO SÁNH ĐỘ LỚN (COMPARATOR) 3.8.1 Giới thiệu - Bộ so sánh hệ tổ hợp có nhiệm vụ so sánh số nhị phân không dấu A B(mỗi số n bit) - Bộ so sánh có ngõ ra(A>B), (A=B) (A