Bài giảng Kỹ thuật số - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH & XÃ HỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH HOÀNG THỊ PHƯƠNG TRẦN THANH SƠN BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SỐ a Street – Ward – Soc Trang City – Soc Trang provine 2012 NĂM 2015 MỤC LỤC 1.1 Tổng quan logic số 1.1.1 Tín hiệu tương tự 1.1.2 Tín hiệu số 1.1.3 Mức logic 1.1.4 Đặc điểm mạch logic: 10 1.2 Các hệ thống số đếm 10 1.2.1 Hệ thập phân (Decimal System) 10 1.2.2 Hệ nhị phân (Binary System) 11 1.2.3 Hệ thập lục phân (Hecxa Decimal System) 11 1.2.4 Hệ bát phân (Octal System) 12 1.3 Chuyển đổi hệ thống số 12 1.3.1 Chuyển đổi từ hệ thập phân sang hệ nhị phân 12 1.3.2 Chuyển đổi từ hệ nhị phân sang hệ thập phân 13 1.3.3 Chuyển đổi từ hệ thập phân sang hệ thập lục phân 13 1.3.4 Chuyển đổi từ hệ thập lục phân sang hệ thập phân 14 1.3.5 Chuyển đổi từ hệ nhị phân sang hệ thập lục phân 14 1.4 Các loại mã thông dụng 15 1.4.1 Mã nhị phân (Binary code) 15 1.4.2 Mã BCD (Binary code Decimal) 15 1.4.3 Mã thập lục phân (Hexa Decimal code) 16 1.4.4 Mã bát phân (Octal code) 16 1.4.5 Mã vòng (Gray code) 17 1.4.6 Mã ACSII (American national code for information interchanger) 18 1.4.7.Mã thừa ( Excess-3) 19 1.5 Đại số logic 20 1.5.1 Khái niệm hàm logic 20 1.5.2 Các tính chất đại số logic 21 1.5.3 Các định lý đại số Boolean 21 1.5.4 Một số đẳng thức tiện dụng 22 1.6 Các phương pháp biểu diễn hàm logic 22 1.6.1 Phương pháp biểu diễn thành bảng giá trị hàm 22 1.6.2 Phương pháp biểu diễn hàm logic dạng hình học 23 1.6.3 Phương pháp biểu diễn hàm logic biểu thức đại số 23 1.6.4 Phương pháp biểu diễn hàm logic bảng Karnaugh 25 1.7 Các phương pháp tối giản hàm logic 26 1.7.1 Tối giản hàm logic phương pháp đại số Boolean 26 1.7.2 Tối giản hàm logic phương pháp bảng Karnaugh 26 Y  BC  AC 28 Y  C( A  B) 28 Y  AB  BC  C D 29 Y  (B  C).(B  D)( A  C  D) 29 BÀI TẬP CHƯƠNG 29 CHƯƠNG 2: CÁC CỔNG LOGIC 31 2.1.Cổng NOT (ĐẢO) 31 2.1.1.Định nghĩa 31 2.1.2 Ký hiệu biểu thức toán 31 2.1.3 Bảng chân lý 31 2.1.4 Dạng sóng cổng NOT 31 2.1.5 Biểu diễn cổng NOT mạch điện đơn giản 32 2.1.5 Biểu diễn cổng NOT mạch bán dẫn đơn giản 32 2.2 Cổng OR (HOẶC ) 32 2.2.1 Định nghĩa 32 2.2.2 Ký hiệu biểu thức toán 33 2.2.3 Bảng chân lý 33 2.2.4 Dạng sóng cổng OR 33 2.2.5 Biểu diễn cổng OR mạch điện đơn giản 34 2.2.7 Biểu diễn cổng OR mạch điện tử đơn giản mạch (DRL) 34 2.3 Cổng AND( VÀ) 34 2.3.1 Định nghĩa 34 2.3.2 Ký hiệu, biểu thức toán cổng AND 35 2.3.3.Bảng chân lý 35 2.3.4 Dạng sóng cổng AND 35 2.3.5 Biểu diễn cổng AND mạch điện đơn giản 36 2.3.5 Biểu diễn cổng AND mạch bán dẫn đơn giản 36 2.4 Cổng NAND (VÀ-ĐẢO) 37 2.4.1 Định nghĩa 37 2.4.2 Ký hiệu, biểu thức toán cổng NAND 37 2.4.3 Bảng chân lý 37 2.4.4 Dạng sóng cổng NAND 38 2.4.5.Biểu diễn cổng NAND mạch điện đơn giản 38 2.4.6 Biểu diễn cổng NAND mạch bán dẫn đơn giản 38 2.5 Cổng NOR (HOẶC-ĐẢO) 39 2.5.1 Định nghĩa 39 2.5.2 Ký hiệu biểu thức toán 39 2.5.3 Bảng chân lý 40 2.5.4 Dạng sóng cổng NOR 40 2.5.5 Biểu diễn cổng NOR mạch điện đơn giản 40 2.5.6 Biểu diễn cổng NOR mạch bán dẫn đơn giản 41 2.6 Cổng EXOR (Exclusive OR gate) 41 2.6.1 Định nghĩa 41 2.6.2 Ký hiệu biểu thức toán 41 2.6.3 Bảng chân lý 41 2.6.4 Dạng sóng cổng EXOR 42 2.6.5 Mạch điện tương đương cổng EXOR dùng cổng logic 42 2.7 Cổng EXNOR ( Exclusive NOR gate) 43 2.7.1.Định nghĩa 43 2.7.2.Ký hiệu biểu thức toán 43 2.7.3.Bảng chân lý 43 2.7.4 Dạng sóng cổng EXNOR 43 2.7.5 Mạch điện tương đương cổng EXNOR dùng cổng logic 44 2.8 Cổng đệm 44 2.8.1 Cổng đệm Buffer 44 2.8.2.Cổng đệm trạng thái 45 3.9 Các phép biến đổi cổng logic 47 BÀI TẬP CHƯƠNG 48 CHƯƠNG 3: MẠCH LOGIC TỔ HỢP 51 3.1 Khái niệm mạch logic tổ hợp 51 3.1.1 Định nghĩa 51 3.1.2 Phân loại 51 3.2 Phân tích mạch logic tổ hợp 51 3.2.1 Các bước phân tích mạch logic tổ hợp 51 3.2.2 Ví dụ 52 3.3 Thiết kế mạch logic tổ hợp 53 3.3.1 Các bước thiết kế mạch logic tổ hợp 53 3.3.2 Ví dụ 54 3.4 Mạch mã hoá mạch giải mã 55 3.4.1 Mạch mã hoá 55 Hình 3.12 Mạch mã hóa thập phân tích cực mức thấp dùng cổng NOT cổng OR 63 Áp dụng định lý De Morgan biến đổi thành hàm dùng cổng NAND sau: 63 Hình 3.12.Mạch mã hóa thập phân tích cực mức thấp dùng cổng NAND 64 3.4.2 Mạch giải mã 64 3.5 Mạch phân kênh mạch dồn kênh 78 3.5.1 Mạch phân kênh 78 3.5.2 Mạch dồn kênh 80 3.6 Mạch so sánh nhị phân 82 3.6.1 Mạch so sánh số nhị phân bít 82 3.6.2 Mạch so sánh số nhị phân n bít 83 3.7 Mạch cộng nhị phân 84 3.7.1 Mạch cộng nhị phân bán phần ( cộng khơng có nhớ) 84 3.7.2 Mạch cộng nhị phân tồn phần ( cộng có nhớ) 85 3.8 Mạch kiểm tra chẵn lẻ 86 BÀI TẬP CHƯƠNG 87 CHƯƠNG 4: FLIP  FLOP VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 89 4.1 Khái niệm Flip - flop phân loại 89 4.1.1 Khái niệm Flip-Plop 89 4.1.2 Phân loại Flip-Plop 90 4.2 Các Flip -Flop 90 4.2.1 FlipFlop_RS 90 4.3 Mạch ghi dịch 105 4.3.1 Khái niệm mạch ghi dịch 105 4.3.2 Phân loại mạch ghi dịch 106 4.3.4 Thiết kế mạch ghi dịch 106 4.3.5 Một số vi mạch ghi dịch thường gặp 112 4.3.5.2 Vi mạch ghi dịch 74LS96 114 4.4 Mạch đếm 117 4.4.1 Khái niệm mạch đếm 117 4.4.2 Phân loại mạch đếm 117 4.4.3 Thiết kế mạch đếm không đồng 117 4.4.4 Thiết kế mạch đếm đồng 123 4.4.5 Thiết kế mạch đếm thập phân mạch đếm 133 4.4.6 Một số vi mạch đếm thường gặp 135 BÀI TẬP CHƯƠNG 138 CHƯƠNG MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ-SỐ, SỐ-TƯƠNG TỰ 140 5.1 Mạch chuyển đổi số-tương tự (DAC) 140 5.1.1.Mạch DAC kiểu thang điện trở 141 5.1.2.Mạch DAC kiểu điện trở trọng số: 146 5.1.3 Các thông số kỹ thuật mạch chuyển đổi DAC 148 5.2 Mạch chuyển đổi tương tự- số (ADC) 149 5.2.1 Tổng quan mạch chuyển đổi tương tự số 149 5.2.2 Mạch chuyển đổi ADC trực tiếp 150 5.2.3 Mạch ADC theo phương pháp xấp xỉ liên tục 152 5.2.4 Các mạch ADC khác: 156 5.3 Các vi mạch adc_dac thông dụng 161 5.3.1 Ứng dụng vi mạch DAC 0808 162 5.3.2 Ứng dụng vi mạch ADC0804 164 CHƯƠNG 6: BỘ NHỚ BÁN DẪN 168 6.2 Bộ nhớ đọc (ROM) 170 6.2.1 Bộ nhớ ROM che mặt nạ 170 6.2.2 ROM có khả lập trình _PROM 173 6.2.3 EPROM ghi điện xoá tia cực tím 174 6.2.4 EEPROM Nạp xoá điện 177 6.3 Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) 180 6.3.1 SRAM _ RAM tĩnh 181 6.3.2 DRAM _RAM động 185 6.3.3 Khai thác sử dụng nhớ 190 6.4 Các vi mạch có khả lập trình 194 6.4.1 PLD cấu trúc từ PROM_EPROM 195 6.4.2.PLD cấu trúc PAL 196 6.4.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý PAL8R4 200 TÀI LIỆU THAM KHẢO 206 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển xã hội, công nghệ điện tử số ngày phát triển áp dụng rộng rãi thiết kế thiết bị điện tử phục vụ nhu cầu sử dụng người Kỹ thuật số khẳng định ưu điểm lĩnh vực kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật truyễn dẫn thông tin, … Nhờ phát triển ngày lớn mạnh công nghệ số, thiết bị ứng dụng công nghệ số theo thời gian phát triển hình thức (nhỏ gọn) nội dung (đa chức năng, dung lượng lớn, tốc độ cao ) Trong đào tạo với chuyên ngành thuộc lĩnh vực Điện Điện tử học phần Kỹ thuật số môn học bậc đại học, cao đẳng cao đẳng nghề Tài liệu Kỹ thuật số nhiều tác giả nước biên soạn, tài liệu có đặc điểm riêng biệt theo ý đồ tác giả Bài giảng Kỹ thuật số biên soạn bám sát chương trình chi tiết học phần Kỹ thuật số thống làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành công nghệ Kỹ thuật Điện-Điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, làm tài liệu tham khảo cho môn học liên quan thuộc ngành nghề khác Tập giảng cấu trúc thành chương, kiến thức từ đến phức tạp giúp cho sinh viên bước tiếp cận nội dung đáp ứng mục tiêu giảng dạy mơn học Ngồi ra, giảng mơn học Kỹ thuật số cịn làm sở cho sinh viên học học phần : Vi xử lý, Xử lý tín hiệu số, Điều khiển số,… Bài giảng Kỹ thuật số biên soạn khơng tránh cịn thiếu sót, nhóm tác giả xin tiếp thu đóng góp ý kiến từ phía độc giả để tập giảng hồn thiện Nhóm tác giả Hồng Thị Phương - Trần Thanh Sơn CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ SỞ CỦA KỸ THUẬT SỐ 1.1 Tổng quan logic số 1.1.1 Tín hiệu tương tự Mạch tương tự xử lý tín hiệu điện dạng tương tự (analog), tín hiệu có biên độ Lv hàm số liên tục theo thời gian Xử lý khuếch đại, phát sinh biến đổi Tín hiệu tương tự biểu diễn theo thời gian hình 1-1 (time chart) Tín hiệu Analog thường tượng tự nhiên phát sinh có đặc Lv điểm sau: t - Liên tục biên độ (có trị số trình biến thiên nó) - Liên tục thời gian suốt thời gian có tín hiệu Hình 1-1 Dạng tín hiệu tương tự 1.1.2 Tín hiệu số Mạch số cịn gọi mạch logic (logic circuit) xử lý tín hiệu số Tín hiệu số tín hiệu rời rạc, biên độ có hai mức mức cao (H) mức thấp (L), gọi mức (1) mức (0) (hình 1-2) Tín hiệu số biểu diễn mức logic sau: V Mức cao từ 2,4 đến Vol cho loại TTL mức H t Hình 1-2 Dạng tín hiệu số Mức thấp từ đến 0,4 Vol cho loại TTL Như vậy, mức cao mạch logic loại TTL (Transistor – Transistor Logic) mức L biến thiên khoảng 2,4  vol mức thấp thường biến thiên khoảng (00,4) vol 1.1.3 Mức logic t Nếu ta biểu diễn mức logic “1” có mức điện cao mức logic “0” ta có mức logic dương “+” ... tiết học phần Kỹ thuật số thống làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành công nghệ Kỹ thuật Điện-Điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, làm tài... học phần Kỹ thuật số môn học bậc đại học, cao đẳng cao đẳng nghề Tài liệu Kỹ thuật số nhiều tác giả nước biên soạn, tài liệu có đặc điểm riêng biệt theo ý đồ tác giả Bài giảng Kỹ thuật số biên... điện tử số ngày phát triển áp dụng rộng rãi thiết kế thiết bị điện tử phục vụ nhu cầu sử dụng người Kỹ thuật số khẳng định ưu điểm lĩnh vực kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật truyễn