1. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 1
KỸ THUẬT SỐ
Digital Electronics
Bộ môn Điện – Điện tử
Khoa Kỹ thuật Công nghiệp
Trường ĐH Tiền Giang
2. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 2
Địa chỉ liên hệ của tác giả
Văn phòng:
Bộ môn Điện-Điện tử – Khoa Kỹ thuật Công nghiệp
Trường Đại học Tiền Giang
F.203– Số 119, Đường Ấp Bắc, Phường 05, Thành phố
Mỹ Tho, Tiền Giang
Điện thoại: 0733.872.624
Giảng viên: Nguyễn Văn Thanh
Mobile: 0903351675
Email:
nguyenvanthanh@tgu.edu.vn
3. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 3
Mục đích học phần
Cung cấp các kiến thức cơ bản về:
Cấu tạo
Nguyên lý hoạt động
Ứng dụng
của các mạch số (mạch logic, IC, chip…)
Trang bị nguyên lý
Phân tích
Thiết kế
các mạch số cơ bản
Tạo cơ sở tiếp thu các kiến thức chuyên ngành
4. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 4
Tài liệu tham khảo chính
Nguyễn Thúy Vân, Kỹ thuật số , NXB KH&KT, Hà
Nội, 2004.
Charles H. Roth, Fundamentals of logic design,
6th
edition , Prentice Hall, 2012.
Tài liệu hướng dẫn Thực hành kỹ thuật số
Đề cương CTHP
http://www.alldatasheet.com
Tài liệu tham khảo
Tài liệu tham khảo
5. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 5
Thời lượng học phần
Tổng thời lượng: 90 tiết
Lý thuyết: 30 tiết, tại giảng đường
Thực hành: 60 tiết.
Hướng dẫn thực hành tại xưởng thực hành
Phòng F.104, Khu F, Trường ĐH Tiền Giang
Nộp báo cáo thực hành
Không có báo cáo thực hành => 0 điểm.
6. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 6
Nội dung của học phần
Chương 1. Các hệ thống số đếm
Chương 2. Đại số Boole và các phương pháp
biểu diễn hàm logic
Chương 3. Hệ tổ hợp
Chương 4. Hệ tuần tự
Chương 5. Các mạch logic lập trình
Chương 6. Các vi mạch số và vấn đề giao tiếp
7. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 7
Kỹ thuật số
Chương 4
HỆ TUẦN TỰ
Bộ môn Điện-Điện tử
Khoa Kỹ Thuật Công Nghiệp
Trường Đại học Tiền Giang
8. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 8
Nội dung chương 4
5.1. Khái niệm
5.2. Mô hình của hệ tuần tự
5.3. Các Trigger số
5.4. Một số ứng dụng của hệ tuần tự
9. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 9
4.1. Khái niệm
Hệ tuần tự là hệ mà tín hiệu ra không chỉ phụ
thuộc vào tín hiệu vào tại thời điểm hiện tại mà
còn phụ thuộc vào quá khứ của tín hiệu vào.
Hệ tuần tự còn được gọi là hệ có nhớ.
Để thực hiện được hệ tuần tự, nhất thiết phải có
phần tử nhớ. Ngoài ra còn có thể có các phần tử
logic cơ bản.
10. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 10
Phân loại hệ tuần tự
Hệ tuần tự đồng bộ: khi làm việc cần có 1 tín hiệu
đồng bộ để giữ nhịp cho toàn bộ hệ hoạt động.
Hệ tuần tự không đồng bộ: không cần tín hiệu
này để giữ nhịp chung cho toàn bộ hệ hoạt động.
Hệ tuần tự đồng bộ nhanh hơn hệ tuần tự không
đồng bộ tuy nhiên lại có thiết kế phức tạp hơn.
11. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 11
Nội dung chương 4
4.1. Khái niệm
4.2. Mô hình của hệ tuần tự
4.3. Các Trigger số
4.4. Một số ứng dụng của hệ dãy
12. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 12
Mô hình của hệ tuần tự
Mô hình của hệ tuần tự được dùng để mô tả hệ
dãy thông qua tín hiệu vào, tín hiệu ra và trạng
thái của hệ mà không quan tâm đến cấu trúc bên
trong của hệ.
13. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 13
Mô hình của hệ tuần tự (tiếp)
Có 2 loại mô hình:
Mealy
Moore
Hai loại mô hình trên có thể chuyển đổi qua lại cho
nhau.
14. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 14
a. Mô hình Mealy
Mô hình Mealy mô tả hệ dãy thông qua 5 tham số:
X = {x1, x2, ..., xn}
Y = {y1, y2, ..., yl}
S = {s1, s2, ..., sm}
FS(S, X)
FY(S, X)
15. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 15
Mô hình Mealy (tiếp)
Giải thích các kí hiệu:
X là tập hợp hữu hạn n tín hiệu đầu vào
Y là tập hợp hữu hạn l tín hiệu đầu ra
S tập hợp hữu hạn m trạng thái trong của hệ
FS là hàm biến đổi trạng thái. Đối với mô hình kiểu Mealy
thì FS phụ thuộc vào S và X → FS = FS(S, X)
FY là hàm tính trạng thái đầu ra: FY = FY(S, X)
16. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 16
b. Mô hình Moore
Mô hình Moore giống như mô hình Mealy, nhưng
khác ở chỗ là FY chỉ phụ thuộc vào S:
FY = FY(S)
17. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 17
Bảng chuyển trạng thái
Mô hình Mealy:
18. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 18
Bảng chuyển trạng thái (tiếp)
Mô hình Moore:
19. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 19
Ví dụ về mô hình hệ tuần tự
Sử dụng mô hình Mealy và Moore để mô tả hệ dãy
thực hiện phép cộng.
Ví dụ:
20. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 20
Ví dụ: Mô hình Mealy
X = {00, 01, 10, 11} - do có 2 đầu vào
Y = {0, 1} - do có 1 đầu ra
S = {s0, s1} - s0: trạng thái không nhớ
- s1: trạng thái có nhớ
Hàm trạng thái FS(S, X):
FS(s0, 00) = s0 FS(s0, 01) = s0
FS(s0, 11) = s1 FS(s0, 10) = s0
FS(s1, 00) = s0 FS(s1, 10) = s1
FS(s1, 01) = s1 FS(s1, 11) = s1
22. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 22
Bảng chuyển trạng thái
23. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 23
Đồ hình chuyển trạng thái
24. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 24
Ví dụ: Mô hình Moore
X = {00, 01, 10, 11} - do có 2 đầu vào
Y = {0, 1} - do có 1 đầu ra
S = {s00, s01, s10, s11} - sij: i = 0 là không nhớ
i = 1 là có nhớ
j = tín hiệu ra
26. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 26
Bảng chuyển trạng thái
27. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 27
Đồ hình chuyển trạng thái
28. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 28
Nội dung chương 4
4.1. Khái niệm
4.2. Mô hình của hệ tuần tự
4.3. Các Trigger số
4.4. Một số ứng dụng của hệ tuần tự
29. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 29
Trigger
Phần tử cơ bản của hệ tuần tự chính là các phần
tử nhớ hay còn gọi là các trigger
Đầu ra của trigger chính là trạng thái của nó
Một trigger có thể làm việc theo 2 kiểu:
Trigger không đồng bộ: đầu ra của trigger thay đổi chỉ
phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào
Trigger đồng bộ: đầu ra của trigger thay đổi phụ thuộc
vào tín hiệu vào và tín hiệu đồng bộ
30. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 30
Các kiểu đồng bộ
Đồng bộ theo mức:
Mức cao:
Khi tín hiệu đồng bộ có giá trị logic
bằng 0 thì hệ nghỉ (giữ nguyên
trạng thái)
Khi tín hiệu đồng bộ có giá trị logic
bằng 1 thì hệ làm việc bình thường.
Mức thấp:
Khi tín hiệu đồng bộ có giá trị logic
bằng 1 thì hệ nghỉ (giữ nguyên
trạng thái)
Khi tín hiệu đồng bộ có giá trị logic
bằng 0 thì hệ làm việc bình thường.
31. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 31
Các kiểu đồng bộ (tiếp)
Đồng bộ theo sườn:
Sườn dương:
Khi tín hiệu đồng bộ xuất hiện
sườn dương (sườn đi lên, từ 0 →
1) thì hệ làm việc bình thường
Trong các trường hợp còn lại, hệ
nghỉ (giữ nguyên trạng thái).
Sườn âm:
Khi tín hiệu đồng bộ xuất hiện
sườn âm (sườn đi xuống, từ 1 →
0), hệ làm việc bình thường
Trong các trường hợp còn lại, hệ
nghỉ (giữ nguyên trạng thái).
32. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 32
Các kiểu đồng bộ (tiếp)
Đồng bộ kiểu xung:
Khi có xung thì hệ làm việc bình thường
Khi không có xung thì hệ nghỉ (giữ nguyên trạng
thái).
33. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 33
Các loại Trigger
Có 4 loại Trigger:
RS Reset - Set Xóa - Thiết lập
D Delay Trễ
JK Jordan và Kelly Tên 2 nhà phát minh
T Toggle Bập bênh, bật tắt
34. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 34
a. Trigger RS
Sơ đồ khối:
Trigger RS hoạt động được ở cả 2 chế độ đồng bộ và không đồng bộ
35. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 35
Bảng chuyển trạng thái của RS
36. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 36
Ví dụ
Cho Trigger RS đồng bộ mức cao và đồ thị các tín
hiệu R, S như hình vẽ. Hãy vẽ đồ thị tín hiệu ra Q.
37. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 37
Ví dụ (tiếp)
39. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 39
b. Trigger D
Trigger D có 1 đầu vào là D và hoạt động ở 2 chế
độ đồng bộ và không đồng bộ.
Ta chỉ xét trigger D hoạt động ở chế độ đồng bộ.
40. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 40
Trigger D đồng bộ
Trigger D đồng bộ theo mức gọi là chốt D (Latch)
Trigger D đồng bộ theo sườn được gọi là xuất phát sườn
(Edge trigged)
41. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 41
Bảng chuyển trạng thái của D
42. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 42
Ví dụ 1
Cho chốt D kích hoạt mức cao. Hãy vẽ tín hiệu ra
Q dóng trên cùng trục thời gian với tín hiệu vào D.
43. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 43
Ví dụ 1 (tiếp)
44. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 44
Ví dụ 2
Cho trigger D xuất phát sườn dương. Hãy vẽ tín
hiệu ra Q dóng trên cùng trục thời gian với tín hiệu
vào D.
45. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 45
Ví dụ 2 (tiếp)
46. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 46
c. Trigger JK
Trigger JK chỉ hoạt động ở chế độ đồng bộ
Sơ đồ khối:
47. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 47
Bảng chuyển trạng thái của JK
J ~ S
K ~ R
48. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 48
d. Trigger T
Trigger T chỉ hoạt động ở chế độ đồng bộ
Sơ đồ khối:
49. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 49
Bảng chuyển trạng thái của T
50. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 50
Nội dung chương 4
5.1. Khái niệm
5.2. Mô hình của hệ dãy
5.3. Các Trigger số
5.4. Một số ứng dụng của hệ dãy
51. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 51
1. Bộ đếm và chia tần số
Bộ đếm được dùng để đếm xung
Bộ đếm được gọi là module n nếu nó có thể
đếm được n xung: từ 0 đến n-1
Có 2 loại bộ đếm:
Bộ đếm không đồng bộ: không đồng thời đưa
tín hiệu đếm vào các đầu vào của các trigger
Bộ đếm đồng bộ: có xung đếm đồng thời là
xung đồng hồ clock đưa vào tất cả các trigger
của bộ đếm
52. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 52
Bộ đếm không đồng bộ module 16
Đếm từ 0 đến 15 và có 16 trạng thái
Mã hóa thành 4 bit A,B,C,D tương ứng với
q4,q3,q2,q1
Cần dùng 4 trigger (giả sử dùng trigger JK)
1
1
1
1
1
1
1
1
53. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 53
Bộ đếm không đồng bộ module 16
Bảng đếm xung:
54. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 54
Biểu đồ thời gian:
NX: Bộ đếm này đồng thời cũng là bộ chia tần số
Bộ đếm không đồng bộ module 16
55. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 55
Có 10 trạng thái ⇒ cần dùng 4 Trigger
Giả sử dùng Trigger JK có đầu vào CLR (CLEAR: xóa) tích
cực ở mức thấp
Nếu CLR = 0 thì q = 0
Cứ mỗi khi đếm đến xung thứ 10 thì tất cả các q bị xóa về 0
Sơ đồ: (các J=K=1)
Bộ đếm không đồng bộ module 10
56. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 56
Bộ đếm đồng bộ module 8
Có 8 trạng thái ⇒ cần dùng 3 Trigger
Giả sử dùng các Trigger JK
Bảng đếm xung:
57. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 57
Bộ đếm đồng bộ module 8 (tiếp)
58. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 58
Bộ đếm lùi không đồng bộ module
8
Giả sử dùng Trigger JK có đầu vào PR (PRESET:
thiết lập trước) tích cực ở mức thấp
Nếu PR = 0 thì q = 1
Đầu tiên cho PR = 0 thì q1q2q3 = 111
Sau đó cho PR = 1, hệ hoạt động bình thường
xung q3 q2 q1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Số đếm
7
6
5
4
3
2
1
0
7
59. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 59
Bộ đếm lùi không đồng bộ module
8
60. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 60
2. Thanh ghi
Thanh ghi có cấu tạo gồm các trigger nối với
nhau
Chức năng:
Để lưu trữ tạm thời thông tin
Dịch chuyển thông tin
Lưu ý: cả thanh ghi và bộ nhớ đều dùng để lưu
trữ thông tin, nhưng thanh ghi có chức năng dịch
chuyển thông tin. Do đó, thanh ghi có thể sử
dụng làm bộ nhớ, nhưng bộ nhớ không thể làm
được thanh ghi.
61. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 61
Phân loại
Vào nối tiếp ra nối tiếp
Vào nối tiếp ra song song
Vào song song ra nối tiếp
Vào song song ra song song
0 1 0 1 0 0 11
0 1 0 1 0 0 11
0 1 0 1 0 0 11
0 1 0 1 0 0 11
62. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 62
Ví dụ
Thanh ghi 4 bit vào nối tiếp ra song song dùng
Trigger D
63. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 63
Ví dụ (tiếp)
Bảng số liệu khảo sát:
64. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 64
Tổng kết
1- Tính chất cơ bản của Trigơ:
Trigơ có hai trạng thái ổn định, dưới tác dụng của tín hiệu
bên ngoài có thể chuyển đổi từ trạng thái ổn định này sang
trạng thái ổn định kia, nếu không có tác dụng tín hiệu bên
ngoài thì nó duy trì mãi trạng thái ổn định vốn có.
Trigơ có thể được dùng làm phần tử nhớ của số nhị phân.
Mạch logic tuần tự có tín hiệu đầu ra phụ
thuộc không những tín hiệu đầu vào ở thời
điểm xét mà cả vào trạng thái mạch điện
sẵn có ở thời điểm đó. Để nhớ trạng thái
mạch điện, mạch tuần tự phải có phần tử
nhớ - đó là các trigơ.
65. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 65
2-Quan hệ giữa chức năng logic và hình thức
cấu trúc của trigơ
Chức năng logic là quan hệ giữa trạng thái tiếp theo của
đầu ra với trạng thái hiện tại của đầu ra và các tín hiệu
đầu vào.
Do chức năng logic khác nhau mà trigơ được phân thành
các loại RS, D, T, JK. Còn do hình thức cấu trúc khác
nhau mà trigơ lại được phân thành loại trigơ thường và
loại trigơ chính phụ.
Một trigơ có chức năng logic xác định có thể thực hiện
bằng các hình thức cấu trúc khác nhau.
Ví dụ: các trigơ cấu trúc loại chính phụ và loại thường đều
có thể thực hiện chức năng của một trigơ khác. Nghĩa là
cùng một cấu trúc có thể đảm trách những chức năng
khác nhau.
Tổng kết (1)
66. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 66
3-Mạch tuần tự cụ thể có rất nhiều chủng loại
Chương này chỉ giới thiệu một số loại
mạch tuần tự điển hình: bộ đếm, bộ ghi dịch…
Đồng thời với việc nắm vững cấu trúc, nguyên lý
công tác và đặc điểm của các mạch tuần tự đó,
chúng ta cũng phải nắm vững được đặc điểm
chung của mạch tuần tự và phương pháp chung
khi phân tích và thiết kế mạch tuần tự.
Tổng kết(2)
67. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 67
Bài tập
1. Thiết kế bộ đếm đồng bộ dùng Trigơ RS có dãy đếm sau:
000, 010, 101, 110 và lặp lại.
2. Thiết kế bộ đếm không đồng bộ dùng Trigơ D với dãy
đếm sau: 000, 001, 011, 010, 110,111, 101, 100, 000 . . .
3. Thiết kế một mạch đếm đồng bộ dùng Trigơ JK tác động
cạnh xuống, có dãy đếm như sau: 000, 001, 011, 111,
110, 100, 001. . . Những trạng thái không sử dụng được
đưa về trạng thái 000 ở xung đồng hồ kế tiếp. Vẽ sơ đồ
mạch.
4. Câu hỏi trắc nghiệm:
68. GV: Nguyen Van Thanh Bài giảng Kỹ thuật số _ Chương 4 68
Hết chương 4