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

Giáo trình kỹ thuật số 1 cung cấp kiến thức toàn diện về thí nghiệm số, kết hợp lý thuyết cơ bản và thực hành ứng dụng. Tài liệu này giúp người học nắm vững kỹ

• 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

Chương I : Các Hệ Thống Số I-1 Nhận xét các bảng mã của các số Gray (1 bit, 2 bit, 3 bit và 4 bit) ta thấy các số gần nhau luôn luôn khác nhau một bit, ngoài ra, trong từng bộ mã, các số đối xứng nhau qua gương cũng khác nhau một bit. Đổi các số thập phân dưới đây sang hệ nhị phân và hệ thập lục phân : a/ 12 b/ 24 c/ 192 d/ 2079 e/ 15492 f/ 0,25 g/ 0,375 h/ 0,376 i/ 17,150 j/ 192,1875 2. Đổi sang hệ thập phân và mã BCD các số nhị phân sau đây: a/ 1011 b/ 10110 c/ 101,1 d/ 0,1101 e/ 0,001 f/ 110,01 g/ 1011011 h/ 10101101011 3. Đổi các số thập lục phân dưới đây sang hệ 10 và hệ 8: a/ FF b/ 1A c/ 789 d/ 0,13 e/ ABCD,EF 4.

Đổi các số nhị phân dưới đây sang hệ 8 và hệ 16: a/ 111001001,001110001 b/ 10101110001,00011010101 c/ 1010101011001100,1010110010101 d/ 1111011100001,01010111001 5. Mã hóa số thập phân dưới đây dùng mã BCD : a/ 12 b/ 192 c/ 2079 d/15436 e/ 0,375 f/ 17,250 ______________________________________________________________ ______________________Nguyễn Trung Lập__________________________ KĨ THUẬT SỐ ______________________________________________________Chương 2 Hàm Logic II - 1 " CHƯƠNG 2 HÀM LOGIC D HÀM LOGIC CƠ BẢN D CÁC DẠNG CHUẨN CỦA HÀM LOGIC Š Dạng tổng chuẩn Š Dạng tích chuẩn Š Dạng số Š Biến đổi qua lại giữa các dạng chuẩn D RÚT GỌN HÀM LOGIC Š Phương pháp đại số Š Phương pháp dùng bảng Karnaugh Š Phương pháp Quine Mc. Cluskey ___________________________________________________________________________ ____________ Năm 1854 Georges Boole, một triết gia đồng thời là nhà toán học người Anh cho xuất bản một tác phẩm về lý luận logic, nội dung của tác phẩm đặt ra những mệnh đề mà để trả lời người ta chỉ phải dùng một trong hai từ đúng (có, yes) hoặc sai (không, no). Tập hợp các thuật toán dùng cho các mệnh đề này hình thành môn Đại số Boole.

Đây là môn toán học dùng hệ thống số nhị phân mà ứng dụng của nó trong kỹ thuật chính là các mạch logic, nền tảng của kỹ thuật số. Chương này không có tham vọng trình bày lý thuyết Đại số Boole mà chỉ giới hạn trong việc giới thiệu các hàm logic cơ bản và các tính chất cần thiết để giúp sinh viên hiểu vận hành của một hệ thống logic. HÀM LOGIC CƠ BẢN 2. Một số định nghĩa - Trạng thái logic: trạng thái của một thực thể.

Xét về mặt logic thì một thực thể chỉ tồn tại ở một trong hai trạng thái. Thí dụ, đối với một bóng đèn ta chỉ quan tâm nó đang ở trạng thái nào: tắt hay cháy. Vậy tắt / cháy là 2 trạng thái logic của nó. - Biến logic dùng đặc trưng cho các trạng thái logic của các thực thể.

Người ta biểu diễn biến logic bởi một ký hiệu (chữ hay dấu) và nó chỉ nhận 1 trong 2 giá trị : 0 hoặc 1. Thí dụ trạng thái logic của một công tắc là đóng hoặc mở, mà ta có thể đặc trưng bởi trị 1 hoặc 0. - Hàm logic diễn tả bởi một nhóm biến logic liên hệ nhau bởi các phép toán logic. Cũng như biến logic, hàm logic chỉ nhận 1 trong 2 giá trị: 0 hoặc 1 tùy theo các điều kiện liên quan đến các biến.

Thí dụ, một mạch gồm một nguồn hiệu thế cấp cho một bóng đèn qua hai công tắc mắc nối tiếp, bóng đèn chỉ cháy khi cả 2 công tắc đều đóng. Trạng thái của bóng đèn là một hàm theo 2 biến là trạng thái của 2 công tắc. Gọi A và B là tên biến chỉ công tắc, công tắc đóng ứng với trị 1 và hở ứng với trị 0. Y là hàm chỉ trạng thái bóng đèn, 1 chỉ đèn cháy và 0 khi đèn tắt.

Quan hệ giữa hàm Y và các biến A, B được diễn tả nhờ bảng sau: ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ ______________________________________________________Chương 2 Hàm Logic II - 2 A B Y=f(A,B) 0 (hở) 0 (hở) 0 (tắt) 0 (hở) 1 (đóng) 0 (tắt) 1 (đóng) 0 (hở) 0 (tắt) 1 (đóng) 1 (đóng) 1 (cháy) 2. Biểu diễn biến và hàm logic 2. Giản đồ Venn Còn gọi là giản đồ Euler, đặc biệt dùng trong lãnh vực tập hợp. Mỗi biến logic chia không gian ra 2 vùng không gian con, một vùng trong đó giá trị biến là đúng (hay=1), và vùng còn lại là vùng phụ trong đó giá trị biến là sai (hay=0).

Thí dụ: Phần giao nhau của hai tập hợp con A và B (gạch chéo) biểu diễn tập hợp trong đó A và B là đúng (A AND B) (H 2. Bảng sự thật Nếu hàm có n biến, bảng sự thật có n+1 cột và 2n + 1 hàng. Hàng đầu tiên chỉ tên biến và hàm, các hàng còn lại trình bày các tổ hợp của n biến trong 2n tổ hợp có thể có. Các cột đầu ghi giá trị của biến, cột cuối cùng ghi giá trị của hàm tương ứng với tổ hợp biến trên cùng hàng (gọi là trị riêng của hàm).

Thí dụ: Hàm OR của 2 biến A, B: f(A,B) = (A OR B) có bảng sự thật tương ứng. Bảng Karnaugh Đây là cách biểu diễn khác của bảng sự thật trong đó mỗi hàng của bảng sự thật được thay thế bởi một ô mà tọa độ (gồm hàng và cột) xác định bởi tổ hợp đã cho của biến. Bảng Karnaugh của n biến gồm 2n ô. Giá trị của hàm được ghi tại mỗi ô của bảng.

Bảng Karnaugh rất thuận tiện để đơn giản hàm logic bằng cách nhóm các ô lại với nhau. Thí dụ: Hàm OR ở trên được diễn tả bởi bảng Karnaugh sau đây A\B 0 1 0 0 1 1 1 1 ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ ______________________________________________________Chương 2 Hàm Logic II - 3 2. Giản đồ thời gian Dùng để diễn tả quan hệ giữa các hàm và biến theo thời gian, đồng thời với quan hệ logic. Thí dụ: Giản đồ thời gian của hàm OR của 2 biến A và B, tại những thời điểm có một (hoặc 2) biến có giá trị 1 thì hàm có trị 1 và hàm chỉ có trị 0 tại những thời điểm mà cả 2 biến đều bằng 0.

Qui ước Khi nghiên cứu một hệ thống logic, cần xác định qui ước logic. Qui ước này không được thay đổi trong suốt quá trình nghiên cứu. Người ta dùng 2 mức điện thế thấp và cao để gán cho 2 trạng thái logic 1 và 0. Qui ước logic dương gán điện thế thấp cho logic 0 và điện thế cao cho logic 1 Qui ước logic âm thì ngược lại.

Hàm logic cơ bản (Các phép toán logic) 2. Hàm NOT (đảo, bù) : Y=A Bảng sự thật A Y=A 0 1 1 0 2. Hàm AND [tích logic, toán tử (.B Bảng sự thật A B Y=A.B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ ______________________________________________________Chương 2 Hàm Logic II - 4 1 1 1 Nhận xét: Tính chất của hàm AND có thể được phát biểu như sau: - Hàm AND của 2 (hay nhiều) biến chỉ có giá trị 1 khi tất cả các biến đều bằng 1 hoặc - Hàm AND của 2 (hay nhiều) biến có giá trị 0 khi có một biến bằng 0. Hàm OR [tổng logic, toán tử (+)] : Y=A+B Bảng sự thật A B Y=A + B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Nhận xét: Tính chất của hàm OR có thể được phát biểu như sau: - Hàm OR của 2 (hay nhiều) biến chỉ có giá trị 0 khi tất cả các biến đều bằng 0 hoặc - Hàm OR của 2 (hay nhiều) biến có giá trị 1 khi có một biến bằng 1.Hàm EX-OR (OR loại trừ) Y = A ⊕B Bảng sự thật A B Y = A ⊕B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Nhận xét: Một số tính chất của hàm EX - OR: - Hàm EX - OR của 2 biến chỉ có giá trị 1 khi hai biến khác nhau và ngược lại.

Tính chất này được dùng để so sánh 2 biến. - Hàm EX - OR của 2 biến cho phép thực hiện cộng hai số nhị phân 1 bit mà không quan tâm tới số nhớ. - Từ kết quả của hàm EX-OR 2 biến ta suy ra bảng sự thật cho hàm 3 biến A B C Y = A ⊕ B⊕ C 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ ______________________________________________________Chương 2 Hàm Logic II - 5 - Trong trường hợp 3 biến (và suy rộng ra cho nhiều biến), hàm EX - OR có giá trị 1 khi số biến bằng 1 là số lẻ. Tính chất này được dùng để nhận dạng một chuỗi dữ liệu có số bit 1 là chẵn hay lẻ trong thiết kế mạch phát chẵn lẻ.

Tính chất của các hàm logic cơ bản: 2. Tính chất cơ bản: ♦ Có một phần tử trung tính duy nhất cho mỗi toán tử (+) và (.): A + 0 = A ; 0 là phần tử trung tính của hàm OR A. 1 = A ; 1 là phần tử trung tính của hàm AND ♦ Tính giao hoán: A+B=B+A A.A ♦ Tính phối hợp: (A + B) + C = A + (B + C) = A + B + C (A. C ♦ Tính phân bố: - Phân bố đối với phép nhân: A.

C - Phân bố đối với phép cộng: A + (B. (A + C) Phân bố đối với phép cộng là một tính chất đặc biệt của phép toán logic ♦ Không có phép tính lũy thừa và thừa số: A+A+. Tính song đối (duality): Tất cả biểu thức logic vẫn đúng khi [thay phép toán (+) bởi phép (.) và 0 bởi 1] hay ngược lại. Điều này có thể chứng minh dễ dàng cho tất cả biểu thức ở trên.

Định lý De Morgan Định lý De Morgan được phát biểu bởi hai biểu thức: A + B + C = A .C = A + B + C Định lý De Morgan cho phép biến đổi qua lại giữa hai phép cộng và nhân nhờ vào phép đảo. ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ ______________________________________________________Chương 2 Hàm Logic II - 6 Định lý De Morgan được chứng minh bằng cách lập bảng sự thật cho tất cả trường hợp có thể có của các biến A, B, C với các hàm AND, OR và NOT của chúng. Sự phụ thuộc lẫn nhau của các hàm logic cơ bản Định lý De Morgan cho thấy các hàm logic không độc lập với nhau, chúng có thể biến đổi qua lại, sự biến đổi này cần có sự tham gia của hàm NOT. Kết quả là ta có thể dùng hàm (AND và NOT) hoặc (OR và NOT) để diễn tả tất cả các hàm.

Thí dụ: Chỉ dùng hàm AND và NOT để diễn tả hàm sau: Y = A.