Bài giảng Kỹ thuật số: Phần 2

Nối tiếp phần 1, "Bài giảng Kỹ thuật số: Phần 2" tiếp tục trình bày những nội dung về mạch logic tuần tự; mô hình toán học; phần tử nhớ của mạch tuần tự; đầu vào không đồng bộ của trigơ; chuyển đổi giữa các loại trigơ; phân tích mạch tuần tự; bộ đếm, phân tích và thiết kế bộ đếm; bộ ghi dịch (Shift Register); thanh chốt dữ liệu (Latch);... Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kỹ thuật số: Phần 2 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG TRẦN THỊ THÚY HÀ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SỐ HÀ NỘI – 12.2013 CHƯƠNG 4. MẠCH LOGIC TUẦN TỰ GIỚI THIỆU. Chúng ta đã nghiên cứu về phép phân tích và thiết kế các mạch logic tổ hợp. Mặc dù rất quan trọng nhưng nó chỉ là một phần của các hệ thống kỹ thuật số. Một phần quan trọng của các hệ thống kỹ thuật số khác là phân tích và thiết kế mạch tuần tự. Tuy nhiên việc thiết kế các mạch tuần tự lại phụ thuộc vào việc thiết kế mạch tổ hợp đã được đề cập ở chương 3. Có nhiều ứng dụng mà đầu ra số phải được tạo để phù hợp với tuần tự nhận được các tín hiệu vào. Yêu cầu này không thể được thoả mãn bằng việc sử dụng hệ thống logic tổ hợp. Những ứng dụng này yêu cầu đầu ra không chỉ phụ thuộc vào các điều kiện đầu vào hiện có mà còn phụ thuộc vào lịch sử của các đầu vào. Lịch sử được cung cấp bằng cách phản hồi từ đầu ra về lại đầu vào. Mạch logic tuần tự không những phụ thuộc vào trạng thái các đầu vào và còn phụ thuộc vào trạng thái trong của nó. Mạch tuần tự được chia làm hai loại chính là mạch tuần tự không đồng bộ và mạch tuần tự đồng bộ. Trong phần này sẽ giới thiệu về các phần tử nhớ của mạch tuần tự. Cách phân tích và thiết kế mạch tuần tự đơn giản và phức tạp. NỘI DUNG 4.1. KHÁI NIỆM CHUNG VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC 4.1.1. Khái niệm chung Trong chương này, chúng ta sẽ nói đến hệ thống số được gọi là mạch logic tuần tự (hay còn gọi là mạch dãy - Sequential Circuit). Hoạt động của hệ này có tính chất kế tiếp nhau, tức là trạng thái hoạt động của mạch điện không những phụ thuộc trực tiếp đầu vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái bên trong trước đó của chính nó. Nói cách khác các hệ thống này làm việc theo nguyên tắc có nhớ. 4.1.2. Mô hình toán học Mạch tuần tự là mạch bao gồm mạch logic tổ hợp và mạch nhớ. Mạch nhớ là các trigơ. Đối với mạch tuần tự, đáp ứng ra của hệ thống mạch điện không chỉ phụ thuộc trực tiếp vào tín hiệu vào (X) mà còn phụ thuộc vào trạng thái nội (Q) của nó. Có thể mô tả sơ đồ khối tổng quát của mạch tuần tự. Ở đây: X - tập tín hiệu vào. Q - tập trạng thái trong trước đó của mạch. W - hàm kích. Z - các hàm ra Hoạt động của mạch tuần tự được mô tả bằng mối quan hệ toán học sau: Z = f(Q, X) 79 Hình 4. 1. Sơ đồ khối mạch tuần tự Trong phương trình toán học của mạch tuần tự thấy có hai thông tin. Đó là thông tin về trạng thái tiếp theo của mạch tuần tự và thông tin về tín hiệu ra của mạch. Hai thông tin này cùng phụ thuộc đồng thời vào trạng thái bên trong trước đó của mạch (Q) và tín hiệu tác động vào (X) của nó. Có thể viết lại biểu thức trên như sau: Z = f [Q(n), X] ; Q (n +1) = f [Q(n), X] Trong đó: Q(n +1): là trạng thái kế tiếp của mạch. Q(n): là trạng thái bên trong trước đó. Để hiểu rõ hơn về mạch tuần tự, xét các phần tử có trong mạch. Mạch logic tổ hợp đã được xét ở chương 4 còn phần tử nhớ chính là các trigơ. 4.2. PHẦN TỬ NHỚ CỦA MẠCH TUẦN TỰ 4.2.1. Các loại Trigơ Định nghĩa: Trigơ là phần tử có khả năng lưu trữ (nhớ) một trong hai trạng thái bằng ổn định tương ứng với hai mức logic 1 và 0. Trigơ trong tiếng Anh còn gọi là Flip – Flop viết tắt là FF hay Latch. Khi tác dụng một tín hiệu tới đầu vào có cực tính và biên độ thích hợp, trigơ có thể chuyển về một trong hai trạng thái cân bằng, và giữ nguyên trạng thái đó chừng nào chưa có tín hiệu tác dụng làm thay đổi trạng thái của nó. Trạng thái tiếp theo của trigơ không những phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của nó. Như vậy nó có tính chất nhớ và nó được sử dụng làm các phần tử nhớ. Trigơ được tạo thành từ các phần tử logic cơ bản. Trigơ có từ 1 đến một vài lối điều khiển, có hai đầu ra luôn luôn ngược nhau là Q và Q . Tuỳ từng loại trigơ có thể có thêm các đầu vào lập (PRESET) và đầu vào xoá (CLEAR). Ngoài ra, trigơ còn có đầu vào đồng bộ (CLOCK). Hình 4.2 là sơ đồ khối tổng quát của trigơ. 80 Hình 4. 2. Sơ đồ tổng quát của một trigơ Phân loại: Theo chức năng làm việc của của các đầu vào điều khiển: hiện nay thường sử dụng loại trigơ một đầu vào như trigơ D, T; loại hai đầu vào như trigơ RS, trigơ JK. Theo phương thức hoạt động có hai loại: trigơ đồng bộ và trigơ không đồng bộ. Trong loại trigơ đồng bộ lại được chia làm hai loại: trigơ thường và trigơ chủ - tớ (Master- Slave). Sơ đồ khối của sự phân loại trigơ được cho ở hình 4.3. Hình 4. 3. Sơ đồ phân loại trigơ 4.2.1.1. Trigơ RS a) Trigơ RS không đồng bộ Hình 4. 4. Sơ đồ ký hiệu trigơ RS không đồng bộ Trigơ RS là loại có hai đầu vào điều khiển S, R. Chân S gọi là đầu vào lập (SET) và R được gọi là đầu vào xoá (RESET). Hình 4.4 là ký hiệu của trigơ RS trong các sơ đồ logic. Hình 4.5 là sơ đồ nguyên lý của trigơ RS và RS đồng bộ. 81 Hình 4. 5. Sơ đồ nguyên lý của trigơ RS không đồng bộ cổng NOR và cổng NAND b) Nguyên lý hoạt động của trigơ RS không đồng bộ cổng NAND Khi không có tín hiệu, tức là R  S  1 , mạch có hai trạng thái ổn định Q = 0 và Q  1 hoặc Q = 1 và Q  0 . Đầu ra của cổng này được nối trực tiếp với đầu vào của cổng kia, mạch có hồi tiếp dương, do đó mạch hoàn toàn duy trì trạng thái hiện có. Giả sử trigơ có trạng thái Q = 0 và Q  1, đưa một xung âm vào đầu S mạch chuyển nhanh sang trạng thái Q = 1, Q  0 , và tự động duy trì ở trạng thái này. Vì thế xung âm đầu vào gọi là xung kích. ...