Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun Kỹ thuật số (Mã số: TĐH19MĐ04) là tài liệu đào tạo chuyên môn cơ sở thuộc chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) ở trình độ Cao đẳng, được ban hành kèm theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam).

                 CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NGHỀ TỰ ĐỘNG HÓA
[Môn học cơ sở]                                         [Môn học chung]
- An toàn Tự động hóa (TĐH19MH01)                       - Tin học, Tiếng Anh...
- Điện kỹ thuật (KTĐ19MĐ05)
- Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02)
[Mô đun: KỸ THUẬT SỐ] (TĐH19MĐ04 - 3 Tín chỉ / 60 Giờ)
[Mô đun chuyên môn nâng cao]
- Thiết bị đo lường (TĐH19MH05)
- PLC (TĐH19MĐ15) & DCS (TĐH19MĐ17)
- Điều khiển quá trình (TĐH19MĐ10)

Về vị trí trong khung chương trình, mô đun này có thời lượng 3 tín chỉ (tổng cộng 60 giờ học, gồm 28 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận/bài tập và 3 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các học phần tiên quyết về an toàn lao động và điện tử cơ sở (như An toàn Tự động hóa, Điện kỹ thuật, Điện tử cơ bản), đồng thời đóng vai trò làm kiến thức nền tảng trước khi người học tiếp cận học phần Thiết bị đo lường (TĐH19MH05), PLC (TĐH19MĐ15) và Hệ thống điều khiển phân tán DCS (TĐH19MĐ17).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể theo 3 nhóm chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1–A5): Nhận diện ký hiệu cổng logic, lập bảng chân trị, vẽ đồ thị thời gian; nhận diện và mô tả nguyên lý hoạt động của flip-flop, mạch chốt, bộ đếm, thanh ghi dịch, mạch số học và mạch giải mã.
  • Kỹ năng (B1–B2): Lắp ráp mạch logic tổ hợp theo sơ đồ; lắp ráp bộ đếm dựa trên flip-flop; xác định đúng chân của các vi mạch (IC) logic, flip-flop và IC giải mã trên bo cắm thử nghiệm (testboard).
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C2): Rèn luyện tác phong cẩn thận, tuân thủ quy chuẩn an toàn điện khi làm việc với nguồn điện áp thấp 1–5V và 3–12V.

Giáo trình được biên soạn bởi tập thể giảng viên bộ môn Tự động hóa: ThS. Bùi Minh Thảo (Chủ biên), Lương Quốc Kông và Tạ Ngọc Dũng. Cấu trúc tài liệu tiếp cận từ cấu kiện cơ bản đến mạch phức hợp, kết hợp hệ thống phụ lục tra cứu mã IC thực tế phục vụ trực tiếp cho công tác sửa chữa thiết bị tự động hóa.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình được phân bổ thành 04 bài học chuyên đề, kèm theo 03 phần phụ lục tra cứu vi mạch tích hợp:

                            CẤU TRÚC NỘI DUNG MÔ ĐUN
  [BÀI 1: 20H]      [BÀI 2: 14H]                  [BÀI 3: 14H]      [BÀI 4: 12H]
Cơ sở kỹ thuật số     Mạch nhớ                      Mạch đếm        Mạch số học
 - Mức logic 5V/3.3V  - RSFF (NOR/NAND)             - Nhị phân/HEX  & Mạch giải mã
 - Cổng cơ bản/biến đổi - Đồng bộ hóa (Clock)       - Mã BCD-8421   - Mạch cộng 1-bit
 - Mạch tổ hợp        - DFF & JKFF (Toggle)         - Đếm chia 16   - Bộ cộng 8-bit
 - Độ trễ lan truyền  - Thanh ghi (SIPO, PISO...)   - Đếm BCD Mod-10 - Giải mã 3-8 line
 - Cổng đệm Buffer                                  - Đếm Up/Down   - IC 7447 & LED 7 đoạn
                       [HỆ THỐNG PHỤ LỤC TRA CỨU IC]
                       - Phụ lục A: Vi mạch cổng & Flip-Flop
                       - Phụ lục B: Vi mạch tổ hợp
                       - Phụ lục C: Vi mạch tuần tự
  • Bài 1: Cơ sở kỹ thuật số (20 giờ - 10 giờ Lý thuyết, 10 giờ Thực hành): Giới thiệu công nghệ số, các chuẩn điện áp nguồn (VCC/VDD +5VDC, +3.3VDC, GND/VSS) và quy định mức logic 0/1 theo biên độ điện áp ngõ vào/ngõ ra họ 5V. Trình bày chi tiết 7 cổng logic gồm 4 cổng cơ bản (AND, OR, XOR, NOT), 3 cổng biến đổi (NAND, NOR, XNOR), cùng cổng đệm (Buffer Gate). Phân tích mạch logic tổ hợp thông qua phương pháp lập bảng sự thật trung gian và toàn mạch, đồng thời khảo sát hiện tượng thời gian trễ lan truyền tín hiệu (Propagation Delay - đo bằng nano giây, $ns = 10^{-9}s$).
  • Bài 2: Mạch nhớ (14 giờ - 7 giờ Lý thuyết, 6 giờ Thực hành, 1 giờ Kiểm tra): Trình bày phần tử nhớ cơ bản 1-bit dựa trên nguyên lý hồi tiếp (Feedback). Khảo sát cấu trúc mạch RSFF xây dựng từ cổng NOR và cổng NAND (với các trạng thái SET, RESET, MEMORY và trạng thái cấm ILLEGAL). Phân tích logic đồng bộ với xung Clock (từ <1Hz đến >4GHz), phân loại tác động sườn (Edge-triggered: sườn dương/rising, sườn âm/falling) và tác động mức (Level-triggered). Giới thiệu DFF, JKFF (đặc tính lật trạng thái - Toggle khi $J=K=1$) và các dạng thanh ghi lưu trữ dữ liệu dạng word (thanh ghi 4-bit ghép song song từ DFF, thanh ghi SIPO, PISO, Shift Register).
  • Bài 3: Mạch đếm (14 giờ - 6 giờ Lý thuyết, 8 giờ Thực hành): Hệ thống hóa các hệ đếm gồm hệ nhị phân (Binary - các khái niệm MSB, LSB, nipple 4-bit, byte 8-bit, word 16-bit, doubleword 32-bit, quadword 64-bit), hệ thập lục phân (Hexadecimal 0–9, A–F) và mã nhị thập phân BCD-8421. Phân tích nguyên lý bộ đếm nhị phân 4-bit (mạch đếm chia 16) tạo từ 4 tầng JKFF kích sườn âm, bộ đếm BCD Modulo-10 sử dụng cổng AND hồi tiếp để thiết lập lại trạng thái 0000 ở xung thứ 10, và sơ đồ bộ đếm lên/xuống (Up/down counters).
  • Bài 4: Các mạch số học và giải mã (12 giờ - 5 giờ Lý thuyết, 5 giờ Thực hành, 2 giờ Kiểm tra): Cung cấp nguyên tắc thực hiện phép cộng nhị phân, sơ đồ logic mạch cộng 1-bit và bộ cộng 8-bit ghép nối chuỗi. Phân tích cấu trúc bộ giải mã cơ bản 3 đường sang 8 đường (3-to-8 decoder) và mạch giải mã BCD sang LED 7 đoạn sử dụng vi mạch chuyên dụng IC 7447/74LS47 điều khiển hiển thị dạng Anode chung và Cathode chung.
  • Phụ lục A, B, C: Cung cấp thông số, sơ đồ chân kết nối của các họ vi mạch cổng, Flip-Flop, vi mạch tổ hợp và vi mạch tuần tự thông dụng trong công nghiệp.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình trang bị hệ thống lý thuyết và mô hình kỹ thuật có tính hệ thống:

  1. Lý thuyết đại số logic và mức điện áp rời rạc: Thiết lập mối quan hệ toán học giữa các hàm logic ngõ ra và tổ hợp ngõ vào ($2^n$ trạng thái), đồng thời làm rõ dải điện áp tương thích giữa ngõ vào và ngõ ra để đảm bảo ngưỡng chống nhiễu của vi mạch logic 5V.
  2. Nguyên lý lưu trữ và vòng hồi tiếp (Feedback Principle): Làm rõ cách thức các cổng logic kết hợp vòng phản hồi để tạo ra khả năng duy trì trạng thái nhị phân không phụ thuộc tức thời vào tín hiệu ngõ vào.
  3. Cơ chế định thời và đồng bộ hóa (Clock & Timing Framework): Sử dụng giản đồ thời gian (Timing Diagrams) làm công cụ cốt lõi để phân tích đáp ứng động, phân biệt giữa kích hoạt theo mức logic và kích hoạt theo sườn xung.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc và giải thích sơ đồ nguyên lý mạch số; nhận dạng sơ đồ chân các IC logic, IC Flip-Flop và IC giải mã (IC 74LS47); lắp ráp an toàn các mạch điện trên bo cắm thử nghiệm (testboard) kết nối nguồn 1–5V và 3–12V.
  • Kỹ năng phân tích: Xây dựng bảng chân trị cho mạch tổ hợp nhiều ngõ vào; phân tích giản đồ xung đồng bộ nhiều tầng; tính toán phân chia tần số ngõ ra qua các tầng Flip-Flop ($f_{Qn} = \frac{f}{2^n}$).
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp: Thiết kế và kiểm tra mạch logic điều khiển liên động an toàn; kết nối hiển thị số liệu từ mã BCD sang LED 7 đoạn phục vụ đo lường và hiển thị trạng thái thiết bị tự động hóa.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp đào tạo của mô đun được thiết kế tích hợp giữa lý thuyết và thực hành thao tác:

                            TIẾP CẬN DẠY VÀ HỌC
[PHƯƠNG PHÁP CỦA GIẢNG VIÊN]                           [HOẠT ĐỘNG CỦA NGƯỜI HỌC]
- Diễn giảng kỹ thuật & Vấn đáp                         - Đọc giáo trình & Nghiên cứu trước
- Dạy học giải quyết vấn đề (PBL)                       - Thảo luận nhóm (8-10 sinh viên)
- Hướng dẫn thực hành mạch testboard                   - Lắp ráp mạch thực tế & Đo kiểm VOM
- Đánh giá theo bảng tiêu chí chuẩn                     - Duy trì chuyên cần (≥ 70% số tiết)
  • Tiếp cận sư phạm (Pedagogical Approach): Áp dụng phương pháp giảng dạy tích cực kết hợp giữa diễn giảng lý thuyết, phương pháp vấn đáp và dạy học theo vấn đề (Problem-based learning). Giảng viên thiết kế giáo án tích hợp theo buổi học; lớp lý thuyết được tổ chức tập trung, trong khi các giờ thực hành được chia ca tại phòng thực tập chuyên môn hóa Điện – Điện tử.
  • Bài tập và nghiên cứu tình huống thực tiễn (Case Studies): Giáo trình lồng ghép bài toán điều khiển khóa liên động an toàn cho hệ thống lò đốt công nghiệp theo tiêu chuẩn NFPA 86 (Standard 86 của Hiệp hội phòng cháy chữa cháy). Tình huống yêu cầu kết hợp các ngõ vào số từ đầu dò nhiên liệu áp suất thấp, đầu dò áp suất cao, cảm biến lưu lượng không khí và đầu dò ngọn lửa thông qua các cổng logic (OR, NOT) để điều khiển van ngắt nhiên liệu an toàn.
  • Thực hành và thí nghiệm: Học viên trực tiếp sử dụng thiết bị máy chiếu, đồng hồ vạn năng (VOM), kìm tuốt dây, nguồn điện DC, bảng cắm (testboard), linh kiện điện trở, đèn LED và các vi mạch số chuyên dụng để thực hiện các bài tập: biến đổi cổng NAND thành NOT/AND/OR, ráp nối mạch đếm nhị phân chia tần số và mạch hiển thị LED 7 đoạn.
  • Phương pháp đánh giá kết quả:
Hình thức đánh giá Số lượng Thời lượng Nội dung kiểm tra Chuẩn đầu ra đánh giá
Kiểm tra thường xuyên 01 bài $\le 30$ phút Vấn đáp, kiểm tra viết hoặc chấm điểm thực hành Kiến thức và kỹ năng từng bài
Kiểm tra định kỳ số 1 (Lý thuyết) 01 bài 45 ÷ 60 phút Trắc nghiệm / Tự luận Bài 1 và Bài 2 A1, A2, A3, A4, A5
Kiểm tra định kỳ số 2 (Lý thuyết) 01 bài 45 ÷ 60 phút Trắc nghiệm / Tự luận Bài 3 và Bài 4 A4, A5, B1, B2
Kiểm tra định kỳ số 3 (Thực hành) 01 bài 45 ÷ 60 phút Thao tác mạch tổng hợp Bài 1, 2, 3, 4 A1–A5, B1–B2, C1–C2
Thi kết thúc mô đun 01 kỳ LT: 45–60 ph
TH: 60–120 ph		 Đề thi trắc nghiệm lý thuyết và thao tác thực hành Toàn bộ chuẩn đầu ra A1–A5, B1–B2, C1–C2
  • Quy định tự học: Người học phải nghiên cứu trước giáo trình và tài liệu tham khảo trước khi lên lớp; tham gia làm việc nhóm (mỗi nhóm từ 8–10 người) để giải quyết các chủ đề được giao; tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% phải học lại mô đun).

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tính kế thừa và chuẩn hóa tài liệu: Nội dung giáo trình được dịch, biên soạn và đối chiếu từ các nguồn tài liệu kỹ thuật chuẩn quốc tế và trong nước, bao gồm giáo trình Instrumentation Level 4 (Ấn bản lần 3, Tổ chức NCCER, 2016), Digital Systems Principles & Applications (Ấn bản lần 12, tác giả Ronald Tocci và Neal S. Widmer) cùng Giáo trình Kỹ thuật số của tác giả Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, NXB Đại học Quốc gia, 2016).
  • Cập nhật tiêu chuẩn ký hiệu công nghiệp: Giáo trình phân tích song song hai hệ thống ký hiệu logic đang tồn tại trong thực tế: Ký hiệu truyền thống (Traditional symbols - áp dụng từ năm 1950) và Ký hiệu chuẩn hình chữ nhật (áp dụng từ năm 1980, thường gặp trong các phần mềm lập trình PLC, bản vẽ tiêu chuẩn quốc tế).
  • Gắn liền với an toàn công nghiệp nặng: Giáo trình không tiếp cận kỹ thuật số thuần túy về mặt lý thuyết toán rời rạc mà luôn liên hệ với các thông số vật lý: hiện tượng trễ truyền dẫn (Propagation Delay) trong các mạch số quy mô lớn của hệ thống dừng khẩn cấp lò phản ứng hạt nhân; phân tích mạch khóa an toàn đốt lò theo tiêu chuẩn NFPA 86.
  • Định hướng ứng dụng dầu khí: Nội dung tập trung xử lý các tín hiệu đo lường, mã hóa BCD và giải mã hiển thị – những khối chức năng cốt lõi trong các tủ điều khiển thiết bị tự động hóa tại các công trình dầu khí, nhà máy lọc hóa dầu và trạm xử lý khí.

Đối tượng sử dụng giáo trình

                        ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG VÀ YÊU CẦU
[SINH VIÊN CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP]     [GIẢNG VIÊN CHUYÊN NGÀNH]       [KỸ THUẬT VIÊN THAM KHẢO]
- Ngành: Sửa chữa thiết bị TĐH     - Căn cứ biên soạn giáo án      - Kỹ thuật viên bảo trì
- Điều kiện tiên quyết:            - Thiết kế bài tập thực hành    - Tra cứu sơ đồ vi mạch
  + An toàn Tự động hóa            - Đánh giá theo chuẩn A, B, C   - Phân tích lỗi mạch số
  + Điện kỹ thuật & Điện tử
  • Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên theo học hệ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp đào tạo khối ngành Điện tử – Tự động hóa công nghiệp.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Trước khi học mô đun này, sinh viên bắt buộc phải hoàn thành các học phần: An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), An toàn Tự động hóa (TĐH19MH01), Điện kỹ thuật (KTĐ19MĐ05) và Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02).
  • Đối với giảng viên: Tài liệu là căn cứ pháp lý và chuyên môn để thiết lập kế hoạch bài giảng, biên soạn đề kiểm tra lý thuyết (trắc nghiệm/tự luận) và xây dựng phiếu đánh giá kỹ năng thực hành theo đúng quy định đào tạo theo mô đun.
  • Đối với kỹ thuật viên và người tự học: Tài liệu cung cấp tài liệu tra cứu hữu ích cho kỹ thuật viên bảo trì đo lường, công nhân vận hành thiết bị tại các nhà máy công nghiệp cần nắm bắt cấu tạo các cổng logic, phương pháp dò chân IC (Phụ lục A, B, C) và sửa chữa các khối mạch số học, giải mã, đếm xung.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Tài liệu được xây dựng chính thức theo chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp, phục vụ đào tạo nhân lực kỹ thuật cho Tập đoàn Dầu khí Việt Nam và khối công nghiệp tự động hóa.

2. Người học cần đáp ứng những kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận mô đun?

Người học cần hoàn thành môn học An toàn tự động hóa, Điện kỹ thuật và Điện tử cơ bản để nắm vững các quy tắc an toàn điện áp, định luật Ohm, Kirchhoff, đặc tính của linh kiện bán dẫn (Diode, Transistor) trước khi học về các mức logic số và vi mạch tích hợp.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các tài liệu kỹ thuật số lý thuyết thông thường?

Giáo trình kết hợp trực tiếp giữa nguyên lý mạch số với ứng dụng bảo vệ công nghiệp thực tế (như hệ thống khóa liên động theo chuẩn NFPA 86, phân tích trễ lan truyền trong mạch dừng khẩn cấp), đồng thời cấu trúc thời lượng thực hành chiếm gần 50% (29/60 giờ).

4. Phương pháp nào giúp tự học giáo trình đạt hiệu quả cao?

Người học cần kết hợp phân tích bảng chân trị lý thuyết với việc vẽ giản đồ thời gian (Timing diagram); chủ động nghiên cứu sơ đồ chân IC ở các phần Phụ lục A, B, C và tiến hành ráp mạch thực tế trên testboard theo nhóm học tập 8–10 thành viên.

5. Có những tài liệu bổ trợ nào đi kèm với giáo trình?

Giáo trình tích hợp sẵn 03 phụ lục chuyên sâu về vi mạch: Phụ lục A (Các vi mạch cổng và Flip-Flop), Phụ lục B (Các vi mạch tổ hợp), Phụ lục C (Các vi mạch tuần tự), cùng danh mục câu hỏi củng cố lý thuyết và bài tập thực hành sau mỗi bài học.

Kết luận

Giáo trình mô đun Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04) là tài liệu đào tạo chuyên môn cung cấp hệ thống kiến thức từ cổng logic cơ bản, mạch nhớ, mạch đếm đến các mạch số học và giải mã. Nội dung được chuẩn hóa nhằm phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo thực hành nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa.

                      LỘ TRÌNH ĐÀO TẠO TIẾP DIỄN
[MÔ ĐUN KỸ THUẬT SỐ]                                   [ỨNG DỤNG MẠCH THỰC TẾ]
(Cổng logic, FF, Bộ đếm, Giải mã)                      (Khóa an toàn, Đếm, Hiển thị)
[TĐH19MH05] Thiết bị đo lường                           [TĐH19MĐ15] PLC
[TĐH19MĐ07] Hiệu chuẩn thiết bị đo lường                [TĐH19MĐ17] DCS

Sau khi hoàn thành mô đun này, người học hoàn thiện khối kiến thức cơ sở ngành để chuyển tiếp sang các học phần chuyên môn tiếp theo như Thiết bị đo lường (TĐH19MH05), Lắp đặt hệ thống tự động hóa (TĐH19MĐ08), PLC (TĐH19MĐ15) và Hệ thống điều khiển phân tán DCS (TĐH19MĐ17). Tài liệu tham khảo bổ trợ được khuyến nghị sử dụng bao gồm các ấn bản của NCCER (Instrumentation Level 4), Ronald Tocci (Digital Systems) và tài liệu đào tạo của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.