BÀI 4: MẠCH ĐẾM KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.2 Mạch đếm không đồng bộ không theo hệ nhị phân (chia 2)
Với mạch đếm dùng n FF mắc nối tiếp thì số mod (số trạng thái logic ra) là 2n, và mạch sẽ đếm từ 0 đến 2n – 1 (4 FF đếm tới 16 trạng thái). Trong nhiều trường hợp ta cần mạch đếm có số mod không theo 2n, chẳng hạn đếm mod 10 (còn gọi là mạch đếm thập giai hay mạch đếm chia 10) rất hay dùng để hiển thị kết quả đếm ở dạng hệ 10, hay ví dụ khác là trong đồng hồ số cần mạch đếm chia 6 và chia 12 để hiển thị giờ và phút hay bất kì mạch đếm chia mod n nào.Thường thì trong mạch đếm lên số đếm tăng theo thứ tự liên tục từ 0 đền 2n – 1 rồi quay về 0 để đếm trở lại. Nhưng cũng có thể không tăng theo thứ tự hay thứ tự nhưng không liên tục miễn là đủ số trạng thái n.
Trở lại mạch đếm tự dừng ở hình trên : khi đếm tới một số định sẵn (số 10) mạch sẽ tự dừng, vậy ta có thể cho mạch tiếp tục chạy để đếm trở lại bằng cách đưa ngõ đó tới chân clear thay vì đưa tới chân J, K.
Hình 3.3.10 Mạch đếm mod 10
Cần để ý là ở xung đếm ck thứ 10 khi số đếm vừa lên 10 thì các trạng thái logic ngõ ra được đưa về khống chế ngõ Cl ngay do đó có thể thấy là số 10 không kịp hiện ra đã phải chuyển về 0. Thực tế thì do thời gian trì hoãn giữa các cổng logic khoảng vài ns nên vẫn có số đếm 10 trong khoảng thời gian này, ta chỉ quan tâm tới ảnh hưởng này khi cần đòi hỏi mạch hoạt động với độ chính xác cao như trong máy vi tính chẳng hạn.
Ảnh hưởng của trì hoãn được thể hiện rõ hơn qua giản đồ xung sau
Hình 3.3.11 Trì hoãn truyền của mạch đếm không đồng bộ mod 10
Thực tế thì cách thiết kế mạch đếm không theo hệ nhị phân lợi dụng ngõ clear như ở trên không được dùng do:
+ Các ngõ ra do được nối với tải khác nhau ảnh hưởng đến ngõ đưa về, rồi trì hoãn truyền qua các cổng logic nữa sẽ phát sinh xung nhọn, các tầng FF sẽ không được xoá đồng thời
+ Hơn nữa ngõ clear không còn được tự do để xoá mạch lúc mong muốn.
Do vậy có một cách tạo mạch đếm trên là nghiên cứu sự liên hệ giữa các trạng thái ở các ngõ ra rồi thử nối chúng với các ngõ vào J, K của tầng nào đó cho tới khi thoả bảng trạng thái. Hãy xem cách nối như thế nào:
- Ngõ ra Q2 tới lúc xoá vẫn ở 0 nên không cần thay đổi gì tầng FF 2
- Ngõ ra Q3 khi xoá phải trở lại mức 0 ban đầu, lúc này Q1 ở cao, Q2 ở thấp đồng thời Q0 đang đi xuống, do đó có thể nối Q0 tới ngõ ck của FF 3 và nối cổng and từ Q1 và Q2
Kết quả nối mạch như sau:
hình 3.3.12 Mạch đếm mod 10
Cuối cùng kiểm tra lại thấy thoả hoạt động. Nhưng cách này xem ra “khá rắc rối và như là đoán mò”. Thực ra nó lại rất hay, nó có một phương pháp thiết kế rất đúng và bài bản ta sẽ gặp lại ở phần thiết kế mạch đếm đồng bộ ở phần sau.
Có rất nhiều IC đếm không đồng bộ cả họ TTL và CMOS. Ở đây chỉ giới thiệu một số IC hay dùng :
74LS293
Cấu tạo gồm 4 FF JK với các đầu ra Q0 (LSB), Q1, Q2, Q3(MSB), Q0 để riêng biệt cho phép mạch hoạt động linh hoạt. Các đầu vào J, K đều được nối mức cao ở bên trong.
Mạch có tới 2 đầu vào xung nhịp CP (clock pulse) cũng chính là xung ck mà ta đã biết) cho tầng 0 và tầng 1 để dễ thiết kế nhiều ứng dụng.
Hai ngõ vào không đồng bộ MR1 và MR2 (master reset) nếu cùng tác động mức cao thì sẽ hoạt động như chân clear để xoá mạch.
Sơ đồ logic và sơ đồ khối của IC như sau :
Hình 3.3.13b Cấu trúc mạch của 74LS293
74LS293 là IC đếm không đồng bộ nhiều kiểu bit ra tuỳ cách mắc dây. Đếm mod 16 :
Xung nhịp vào sẽ vào chân CP0; chân CP1 nối tới ngõ ra Q0; MR1, MR2 nối chung xuống mass để mạch xoá tự động
Hình 3.3.13c 74LS293 đếm mod 16
Đếm mod 10
Xung nhịp vẫn vào chân CP0; chân CP1 nối tới Q0 để cho đủ số trạng thái lên đến 10, khi đếm đến 10 Q1, Q3 lên mức cao nên được nối về MR1 và MR2 để xoá mạch
Hình 3.3.13d 74LS293 đếm mod 10
Đếm mod 14
CP0, CP1 vẫn nối dây như cũ khi đếm tới 14 thì Q3Q2Q1Q0 là 1110 do đó phải nối Q3 tới MR1, Q2, Q1 tới MR2 qua cổng nand.
Hình 3.3.13e 74LS293 đếm mod 14
74LS90, 74LS92, 74LS93
3 IC trên cùng các loạt của nó (LS, HC, …) cũng rất hay dùng. Sơ đồ mạch và sơ đồ chân như hình. Cũng giống như 74LS293 tầng FF đầu khá độc lập để dùng linh hoạt hơn, muốn đếm đầy đủ số trạng thái của IC thì cần phải nối ngõ ra Q0 tới ngõ vào B; hai ngõ reset thường nối AND đề xoá mạch đếm khi đưa lên cao. Khi đếm lên thì cần phải cho 1 trong 2 ngõ này lên cao trong chốc lát (khoảng vài mươi ns) rồi đưa xuống thấp trở lại. Riêng 74LS90 có thêm 2 ngõ reset 9 (R9(0) và R9(1)). Bình thường một trong hai hoặc cả 2 ngõ này được giữ ở thấp, muốn ngõ ra có số đếm là 9 thì phải đưa cả 2 ngõ lên cao.Như vậy ta có thể dùng 74LS93 để làm mạch đếm mod 10, mod 12 hay mod 16 giống như 74LS293 ở trên. Cách mắc dây bạn có thể dễ dàng làm được.
Hình 3.3.14a Chân ra IC đếm 74LS90 74LS92 74LS93
Hình 3.3.14b kí hiệu khối của 74LS90 74LS92 74LS93
Còn khi cần số mod lớn ta có thể dùng 4020 (mod 16384 tức 14 tầng FF) hay 4040 (mod 4096 tức 12 tầng FF). Do dùng nhiều tầng FF và lại thuộc loại CMOS cũ nên tần số hoạt động khá giới hạn chỉ khoảng 2MHz.