Giáo trình Kỹ thuật số 1 - Thí nghiệm số: Nội dung lý thuyết & bài thực hành chi tiết

• Tác giả: Nguyễn Trung Lập
• Chuyên ngành: Kỹ thuật số
• Đề tài: Kỹ thuật số: Các hệ thống số và ứng dụng trong vi mạch
• Loại tài liệu: Giáo trình

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình kỹ thuật số Nguyễn Trung Lập

Giáo trình kỹ thuật số của tác giả Nguyễn Trung Lập là tài liệu học tập quan trọng dành cho sinh viên ngành Công nghệ thông tin và Điện tử. Nội dung giáo trình bao gồm các hệ thống số, mã hóa, hàm logic, cổng logic, mạch tổ hợp, mạch đếm, thanh ghi dịch và bộ nhớ ROM, RAM. Giáo trình được biên soạn theo chương trình thực hành với 15 tiết thực hành và 3 tiết kiểm tra. Môn học yêu cầu sinh viên đã hoàn thành môn Kỹ thuật số 1 làm môn tiên quyết. Nội dung lý thuyết kết hợp chặt chẽ với thực hành thí nghiệm, giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động của các linh kiện và mạch số. Giáo trình này được sử dụng rộng rãi trong đào tạo ngành Điện tử viễn thông và Công nghệ thông tin tại các trường đại học Việt Nam.

1.1. Mục tiêu và cấu trúc giáo trình

Giáo trình kỹ thuật số Nguyễn Trung Lập được xây dựng với mục tiêu trang bị kiến thức nền tảng về mạch số cho sinh viên. Cấu trúc bao gồm 5 bài thí nghiệm chính: khảo sát cổng logic và Flip-Flop, mã hóa và giải mã, hệ tổ hợp tạo hàm dùng vi mạch MSI, mạch đếm và thanh ghi dịch, hệ nhớ ROM và RAM. Mỗi bài thí nghiệm đi kèm lý thuyết chi tiết và hướng dẫn thực hành cụ thể. Sinh viên được học cách đo đạc các thông số dòng, áp của cổng logic TTL và CMOS, vẽ đặc tuyến truyền đạt, đồng thời hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các vi mạch tích hợp MSI phổ biến.

1.2. Đối tượng và phương pháp giảng dạy

Giáo trình hướng đến sinh viên năm hai, năm ba các ngành kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin. Phương pháp giảng dạy kết hợp giữa lý thuyết và thực hành thí nghiệm. Sinh viên sẽ thao tác trực tiếp trên các board mạch thực nghiệm, sử dụng đồng hồ hiện sóng để quan sát tín hiệu. Giáo trình sử dụng các vi mạch MSI phổ biến như IC 74138, IC 74151, IC 7493, IC 74164 để minh họa. Đội ngũ giảng viên phụ trách gồm nhiều giảng viên giàu kinh nghiệm, đảm bảo chất lượng đào tạo toàn diện cho sinh viên.

II. Phân tích nội dung các hệ thống số và mã hóa

Chương đầu tiên của giáo trình kỹ thuật số trình bày về các hệ thống số và phương pháp biến đổi giữa các hệ cơ số. Nội dung bao gồm hệ thập phân, nhị phân, bát phân và thập lục phân. Sinh viên học cách chuyển đổi qua lại giữa các hệ số, thực hiện các phép toán cộng, trừ, nhân, chia số nhị phân. Giáo trình cũng giới thiệu hai loại mã hóa quan trọng là mã BCD và mã Gray. Mã BCD dùng để hiển thị số thập phân trên thiết bị kỹ thuật số, còn mã Gray giảm thiểu lỗi khi chuyển đổi giữa các trạng thái liền kề. Việc nắm vững các hệ thống số là nền tảng thiết yếu để hiểu nguyên lý hoạt động của mọi mạch số trong các phần tiếp theo của giáo trình kỹ thuật số Nguyễn Trung Lập.

2.1. Các hệ thống số và nguyên lý biểu diễn

Giáo trình giới thiệu bốn hệ thống số chính: hệ thập phân cơ số 10, hệ nhị phân cơ số 2, hệ bát phân cơ số 8 và hệ thập lục phân cơ số 16. Mỗi hệ số có ưu điểm riêng trong ứng dụng kỹ thuật số. Hệ nhị phân là nền tảng cho mọi mạch logic vì chỉ sử dụng hai trạng thái 0 và 1. Hệ thập lục phân giúp viết gọn các chuỗi nhị phân dài. Nguyên lý chuyển đổi giữa các hệ số dựa trên phương pháp chia lấy dư và nhân lấy phần nguyên, được trình bày chi tiết với nhiều ví dụ minh họa cụ thể trong giáo trình.

2.2. Mã hóa BCD và mã Gray trong kỹ thuật số

Mã BCD (Binary Coded Decimal) biểu diễn mỗi chữ số thập phân bằng 4 bit nhị phân, thuận tiện cho việc hiển thị số trên LED 7 đoạn. Giáo trình hướng dẫn sử dụng vi mạch IC 4511 để giải mã BCD sang 7 đoạn. Mã Gray có đặc điểm quan trọng là hai mã liền kề chỉ khác nhau một bit, giúp giảm sai sót khi chuyển đổi cơ học. Trong thực hành, sinh viên khảo sát vi mạch mã hóa ưu tiên 8 sang 3 IC 74148 và vi mạch giải mã 3 sang 8 IC 74138. Các vi mạch MSI này là công cụ cơ bản trong thiết kế hệ thống số hiện đại.

III. Phân tích cổng logic mạch tổ hợp và Flip Flop

Phần cốt lõi của giáo trình kỹ thuật số Nguyễn Trung Lập tập trung vào cổng logic và Flip-Flop. Cổng logic TTL và CMOS là hai họ linh kiện chính được khảo sát. Sinh viên vẽ đặc tuyến truyền đạt V0=f(Vi), đo thông số dòng, áp và khảo sát khả năng Fan-out mức thấp. Giáo trình phân tích chi tiết các kiểu ngã ra totempole và ngã ra cực thu để hở, mỗi kiểu có ưu nhược điểm riêng. Flip-Flop D và JK là hai loại Flip-Flop cơ bản, hoạt động như bộ nhớ một bit. Mạch tổ hợp bao gồm bộ mã hóa, giải mã và multiplexer được xây dựng từ các cổng logic cơ bản. Phần này cung cấp nền tảng để hiểu mạch đếm, thanh ghi dịch và các hệ thống phức tạp hơn.

3.1. Cấu tạo và đặc tính cổng logic TTL CMOS

Cổng logic TTL sử dụng transistor lưỡng cực, hoạt động ở mức điện áp 5V với tốc độ truyền nhanh. Cổng CMOS sử dụng transistor hiệu ứng trường, tiêu thụ công suất thấp hơn nhiều so với TTL. Giáo trình mô tả mạch bên trong cổng NAND TTL với các transistor T1 đến T4, điện trở và diode bảo vệ. Kiểu ngã ra totempole giúp giảm công suất tiêu thụ và thời gian truyền trễ. Kiểu ngã ra cực thu để hở cho phép nối chung nhiều ngã ra nhưng cần điện trở kéo lên lên Vcc. Đặc tuyến truyền đạt thể hiện mối quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra, là công cụ đánh giá chất lượng cổng logic.

3.2. Hoạt động của Flip Flop và mạch tổ hợp

Flip-Flop là phần tử nhớ cơ bản trong kỹ thuật số, lưu trữ một bit thông tin. D-FF có một đầu vào dữ liệu D, ngõ ra Q nhận giá trị D tại thời điểm xung clock. JK-FF linh hoạt hơn với hai đầu vào J, K, có thể thực hiện các chức năng giữ, đặt, reset và đảo trạng thái. Mạch tổ hợp là mạch ngõ ra chỉ phụ thuộc vào trạng thái ngõ ra hiện tại, không có bộ nhớ. Giáo trình hướng dẫn dùng decoder 74138 và multiplexer 74151 để tạo hàm logic任意. Phương pháp này đơn giản hóa thiết kế so với dùng cổng logic rời rạc.

IV. Ứng dụng mạch đếm thanh ghi dịch và bộ nhớ

Phần ứng dụng trong giáo trình kỹ thuật số Nguyễn Trung Lập trình bày mạch đếm, thanh ghi dịch và hệ nhớ ROM, RAM. Mạch đếm 7493 thực hiện đếm nhị phân và đếm modulo, là thành phần quan trọng trong bộ tạo xung, bộ chia tần số. Vi mạch đếm 4510 là bộ đếm thập phân có khả năng đếm lên và đếm xuống. Thanh ghi dịch 8 bit 74164 chuyển dữ liệu nối tiếp sang song song, dùng trong truyền thông số và điều khiển LED. Thanh ghi dịch 4 bit 74194 có chức năng dịch trái, dịch phải và nạp song song. Hệ nhớ ROM lưu dữ liệu cố định, dùng cho bảng tra cứu và tạo hàm. RAM cho phép đọc ghi dữ liệu tùy ý, là bộ nhớ chính trong máy tính. Kiến thức này giúp sinh viên thiết kế các hệ thống số phức tạp thực tế.

4.1. Mạch đếm và thanh ghi dịch trong hệ thống số

Mạch đếm là mạch tuần tự tạo chuỗi trạng thái theo thứ tự xác định khi có xung clock vào. IC 7493 là bộ đếm 4 bit, có thể cấu hình đếm module 2, module 8 hoặc module 16 bằng cách kết nối các Flip-Flop bên trong. Giáo trình hướng dẫn đếm modulo bằng cách dùng cổng NAND để reset sớm. Thanh ghi dịch là nhóm Flip-Flop nối tiếp, dữ liệu di chuyển từ bit này sang bit kia theo xung clock. 74164 thực hiện nạp nối tiếp và xuất song song, ứng dụng trong hiển thị ký tự LED. 74194 đa năng hơn, hỗ trợ bốn chế độ hoạt động: giữ, dịch trái, dịch phải và nạp song song.

4.2. Hệ nhớ ROM và RAM trong kỹ thuật số

ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc, dữ liệu được ghi cố định trong quá trình sản xuất hoặc lập trình. ROM được dùng để lưu bảng tra cứu, mã hóa và tạo hàm logic phức tạp mà không cần mạch tổ hợp rời rạc. Truy xuất ROM bằng cách đặt địa chỉ lên bus địa chỉ, dữ liệu tương ứng xuất hiện ở bus dữ liệu. RAM (Random Access Memory) cho phép đọc và ghi dữ liệu任意 tại bất kỳ địa chỉ nào. RAM là thành phần không thể thiếu trong hệ thống vi xử lý, lưu trữ chương trình và dữ liệu tạm thời. Giáo trình hướng dẫn thao tác ghi đọc RAM trong thực hành, giúp sinh viên hiểu nguyên lý lưu trữ dữ liệu số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

GIÔÙI THIEÄU MOÂN HOÏC 1. Teân moân hoïc : THÍ NGHIEÄM SOÁ 1 2. Phaân phoái giôø : 15 tieát thöïc haønh + 3 tieát kieåm tra 4. Moân tieân quyeát : KYÕ THUAÄT SOÁ 1 6. Moân song haønh : 7. Giaùo trình chính : Taøi lieäu höôùng daãn TN SOÁ 1 8. Taøi lieäu tham khaûo : - Giaùo trình SOÁ 1 - Phuï luïc TN SOÁ 1 9. Toùm taét noäi dung : Khaûo saùt tính naêng cuûa coång logic vaø Flip-Flop, hoaït ñoäng cuûa caùc maïch toå hôïp, maïch ñeám vaø thanh ghi dòch vaø öùng duïng cuûa chuùng trong vi maïch MSI. Characteristics of logic gate and Flip-Flop, operation of combinational circuits, counter and register and their applications on MSI integrated circuits 10. Ñoái töôïng hoïc : 11. Giaùo vieân phuï traùch : 1) Leâ Thò Kim Anh 2) Voõ Thò Thu Hoàng 3) Vuõ Quang Thôøi 4) Nguyeãn Kyø Taøi 5) Tröông Quang Vinh 6) Traàn Thò Chieâu Minh 7) Nguyeãn Ngoïc Mai Khanh 8) Hoaøng Trang ÑEÀ CÖÔNG MOÂN HOÏC THÍ NGHIEÄM SOÁ 1 Thôøi gian:15 tieát thöïc haønh +3 tieát kieåm tra Baøi 1: Khaûo saùt coång logic vaø Flip-Flop -Veõ ñaëc tuyeán truyeàn ñaït V0=f(Vi) cuûa 2 loïai coång TTL vaø CMOS -Ño (caùc thoâng soá doøng, aùp) khaû naêng Fan-out möùc thaáp cuûa 1 coång logic TTL -Khaûo saùt ngoõ ra cöïc thu hôû, ngoõ ra 3 traïng thaùi cuûa coång logic TTL -Khaûo saùt hoïat ñoäng cuûa D-FF vaø JK-FF Baøi 2: Maõ hoùa – giaûi maõ – giaûi maõ keùo LED 7 ñoaïn -Khaûo saùt vi maïch choát-giaûi maõ BCD sang 7 ñoïan ( IC 4511) – öùng duïng -Khaûo saùt vi maïch maõ hoùa öu tieân 8 sang 3 (IC 74148) – öùng duïng - Khaûo saùt vi maïch giaûi maõ 3 sang 8 (IC 74138) – öùng duïng Baøi 3: Heä toå hôïp taïo haøm duøng vi maïch MSI -Duøng decoder ( töø coång/vi maïch 74138) ñeå taïo haøm -Duøng multiplexer (töø vi maïch 74151/74153) ñeå taïo haøm Baøi 4:Maïch ñeám vaø thanh ghi dòch -Khaûo saùt vi maïch ñeám7493 (öùng duïng ñeám nhò phaân vaø ñeám module) - Khaûo saùt chöùc naêng vi maïch ñeám 4510 -Khaûo saùt thanh ghi dòch 8 bit 74164 –öùng duïng -Khaûo saùt thanh ghi dòch 4 bit 74194 – öùng duïng Baøi 5: Heä nhôù ROM – RAM -Truy xuaát ROM -Ghi ñoïc RAM ________________________________________Chương I : Các Hệ Thống Số I-1 CHƯƠNG 1: CÁC HỆ THỐNG SỐ & Mà U NGUYÊN LÝ CỦA VIỆC VIẾT SỐ U CÁC HỆ THỐNG SỐ Ò Hệ cơ số 10 (thập phân) Ò Hệ cơ số 2 (nhị phân) Ò Hệ cơ số 8 (bát phân) Ò Hệ cơ số 16 (thâp lục phân) U BIẾN ĐỔI QUA LẠI GIỮA CÁC HỆ THỐNG SỐ Ò Đổi từ hệ b sang hệ 10 Ò Đổi từ hệ 10 sang hệ b Ò Đổi từ hệ b sang hệ bk & ngược lại Ò Đổi từ hệ bk sang hệ bp U CÁC PHÉP TOÁN Số NHị PHÂN Ò Phép cộng Ò Phép trừ Ò Phép nhân Ò Phép chia U Mà HÓA Ò Mã BCD Ò Mã Gray Nhu cầu về định lượng trong quan hệ giữa con người với nhau, nhất là trong những trao đổi thương mại, đã có từ khi xã hội hình thành. Đã có rất nhiều cố gắng trong việc tìm kiếm các vật dụng, các ký hiệu . dùng cho việc định lượng này như các que gỗ, vỏ sò, số La mã . Hiện nay số Ả rập tỏ ra có nhiều ưu điểm khi được sử dụng trong định lượng, tính toán. Việc sử dụng hệ thống số hằng ngày trở nên quá quen thuộc khiến chúng ta có thể đã quên đi sự hình thành và các qui tắc để viết các con số. Chương này nhắc lại một cách sơ lược nguyên lý của việc viết số và giới thiệu các hệ thống số khác ngoài hệ thống thập phân quen thuộc, phương pháp biến đổi qua lại của các số trong các hệ thống khác nhau. Chúng ta sẽ đặc biệt quan tâm đến hệ thống nhị phân là hệ thống được dùng trong lãnh vực điện tử-tin học như là một phương tiện để giải quyết các vấn đề mang tính logic. Phần cuối của chương sẽ giới thiệu các loại mã thông dụng để chuẩn bị cho các chương kế tiếp.1 Nguyên lý của việc viết số Một số được viết bằng cách đặt kề nhau các ký hiệu, được chọn trong một tập hợp xác định. Mỗi ký hiệu trong một số được gọi là số mã (số hạng, digit). Thí dụ, trong hệ thống thập phân (cơ số 10) tập hợp này gồm 10 ký hiệu rất quen thuộc, đó là các con số từ 0 đến 9: S10 = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} Khi một số gồm nhiều số mã được viết, giá trị của các số mã tùy thuộc vị trí của nó trong số đó. Giá trị này được gọi là trọng số của số mã. ______________________________________________________________ ______________________Nguyễn Trung Lập__________________________ KĨ THUẬT SỐ ________________________________________Chương I : Các Hệ Thống Số I-1 Thí dụ số 1998 trong hệ thập phân có giá trị xác định bởi triển khai theo đa thức của 10: 199810 = 1x103 + 9x102 +9x101 + 9x100 = 1000 + 900 + 90 + 8 Trong triển khai, số mũ của đa thức chỉ vị trí của một ký hiệu trong một số với qui ước vị trí của hàng đơn vị là 0, các vị trí liên tiếp về phía trái là 1, 2, 3, . Nếu có phần lẻ, vị trí đầu tiên sau dấu phẩy là -1, các vị trí liên tiếp về phía phải là -2, -3, . Ta thấy, số 9 đầu tiên (sau số 1) có trọng số là 900 trong khi số 9 thứ hai chỉ là 90. Có thể nhận xét là với 2 ký hiệu giống nhau trong hệ 10, ký hiệu đứng trước có trọng số gấp 10 lần ký hiệu đứng ngay sau nó. Điều này hoàn toàn đúng cho các hệ khác, thí dụ, đối với hệ nhị phân ( cơ số 2) thì tỉ lệ này là 2. Tổng quát, một hệ thống số được gọi là hệ b sẽ gồm b ký hiệu trong một tập hợp: Sb = {S0, S1, S2, ., Sb-1} Một số N được viết: N = (anan-1an-2.a-m)b với ai ∈ Sb Sẽ có giá trị: N = an bn + an-1bn-1 + an-2bn-2 + . n = ∑ ai b i i =−m aibi chính là trọng số của một ký hiệu trong Sb ở vị trí thứ i.2 Các hệ thống số 1.1 Hệ cơ số 10 (thập phân, Decimal system) Hệ thập phân là hệ thống số rất quen thuộc, gồm 10 số mã như nói trên. Dưới đây là vài ví dụ số thập phân: N = 199810 = 1x103 + 9x102 + 9x101 + 8x100 = 1x1000 + 9x100 + 9x10 + 8x1 N = 3,1410 = 3x100 + 1x10-1 +4x10-2 = 3x1 + 1x1/10 + 4x1/100 1. Số N trong hệ nhị phân: N = (anan-1an-2.a-m)2 (với ai∈ S2) Có giá trị là: N = an 2n + an-12n-1 + .+ a-m2-m an là bit có trọng số lớn nhất, được gọi là bit MSB (Most significant bit) và a-m là bit có trọng số nhỏ nhất, gọi là bit LSB (Least significant bit).3 Hệ cơ số 8 (bát phân ,Octal system) Hệ bát phân gồm tám số trong tập hợp S8 = {0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}. Số N trong hệ bát phân: N = (anan-1an-2.a-m)8 (với ai ∈ S8) ______________________________________________________________ ______________________Nguyễn Trung Lập__________________________ KĨ THUẬT SỐ ________________________________________Chương I : Các Hệ Thống Số I-1 Có giá trị là: N = an 8n + an-18n-1 + an-28n-2 +.4 Hệ cơ số 16 (thập lục phân, Hexadecimal system) Hệ thập lục phân được dùng rất thuận tiện để con người giao tiếp với máy tính, hệ này gồm mười sáu số trong tập hợp S16 ={0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F } (A tương đương với 1010 , B =1110 , . Số N trong hệ thập lục phân: N = (anan-1an-2.a-m)16 (với ai∈ S16) Có giá trị là: N = an 16n + an-116n-1 + an-216n-2 +.+ a-m16-m Người ta thường dùng chữ H (hay h) sau con số để chỉ số thập lục phân. Thí dụ: N = 20EA,8H = 20EA,816 = 2x163 + 0x162 + 14x161 + 10x160 + 8x16-1 = 4330,510 1.3 Biến đổi qua lại giữa các hệ thống số Khi đã có nhiều hệ thông số, việc xác định giá trị tương đương của một số trong hệ này so với hệ kia là cần thiết. Phần sau đây cho phép ta biến đổi qua lại giữa các số trong bất cứ hệ nào sang bất cứ hệ khác trong các hệ đã được giới thiệu.1 Đổi một số từ hệ b sang hệ 10 Để đổi một số từ hệ b sang hệ 10 ta triển khai trực tiếp đa thức của b Một số N trong hệ b: N = (anan-1an-2.a-m)b với ai ∈ Sb Có giá trị tương đương trong hệ 10 là: N = an bn + an-1bn-1 +. Thí dụ: * Đổi số 10110,112 sang hệ 10 10110,112 = 1x24 + 0 + 1x22 + 1x2 + 0 + 1x2-1 + 1x2-2 = 22,7510 * Đổi số 4BE,ADH sang hệ 10 4BE,ADH=4x162+11x161+14x160+10x16-1+13x16-2 = 1214,67510 1.2 Đổi một số từ hệ 10 sang hệ b Đây là bài toán tìm một dãy ký hiệu cho số N viết trong hệ b. Tổng quát, một số N cho ở hệ 10, viết sang hệ b có dạng: N = (anan-1 .a0)b = PE(N) là phần nguyên của N và (0,a-1a-2 .a-m)b = PF(N) là phần lẻ của N Phần nguyên và phần lẻ được biến đổi theo hai cách khác nhau: ______________________________________________________________ ______________________Nguyễn Trung Lập__________________________ KĨ THUẬT SỐ ________________________________________Chương I : Các Hệ Thống Số I-1 Š Phần nguyên: Giá trị của phần nguyên xác định nhờ triển khai: PE(N) = anbn + an-1bn-1 + .+ a1b 1+ a0b0 Hay có thể viết lại PE(N) = (anbn-1 + an-1bn-2 + .+ a1)b + a0 Với cách viết này ta thấy nếu chia PE(N) cho b, ta được thương số là PE’(N) = (anbn- 1 + an-1bn-2 + .+ a1) và số dư là a0. Vậy số dư của lần chia thứ nhất này chính là số mã có trọng số nhỏ nhất (a0) của phần nguyên. Lặp lại bài toán chia PE’(N) cho b: PE’(N) = anbn-1 + an-1bn-2 + .+ a1= (anbn-2 + an-1bn-3 + .+ a2)b+ a1 Ta được số dư thứ hai, chính là số mã có trọng số lớn hơn kế tiếp (a1) và thương số là PE”(N)= anbn-2 + an-1bn-3 + . Tiếp tục bài toán chia thương số có được với b, cho đến khi được số dư của phép chia cuối cùng, đó chính là số mã có trọng số lớn nhất (an) Š Phần lẻ: Giá trị của phần lẻ xác định bởi: PF(N) = a-1 b-1 + a-2 b-2 +.+ a-mb-m Hay viết lại PF(N) = b-1 (a-1 + a-2 b-1 +.+ a-mb-m+1 ) Nhân PF(N) với b, ta được : bPF(N) = a-1 + (a-2 b-1 +. Vậy lần nhân thứ nhất này ta được phần nguyên của phép nhân, chính là số mã có trọng số lớn nhất của phần lẻ (a-1) (số a-1 này có thể vẫn là số 0). PF’(N) là phần lẻ xuất hiện trong phép nhân. Tiếp tục nhân PF’(N) với b, ta tìm được a-2 và phần lẻ PF”(N).