Luận Văn Về Ứng Dụng Vi Mạch Số Lập Trình

Tài liệu nghiên cứu Luận văn ứng dụng vi mạch số lập trình, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Trường học: Trường Phước Toàn
• Chuyên ngành: Khoa Học Kỹ Thuật
• Đề tài: Ứng Dụng Vi Mạch Số Lập Trình Trong Khoa Học Kỹ Thuật
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 1999
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN
• 1.1. I/ CỔNG LOGIC VÀ (AND), HOẶC (OR), KHÔNG (NOT)
• 1.1.1. 1/ Cổng logic VÀ
• 1.1.2. 2/ Cổng logic HOẶC
• 1.1.3. 3/ Cổng logic KHÔNG
• 1.2. II/ CỔNG LOGIC KHÔNG-VÀ (NAND), KHÔNG-HOẶC (NOR)
• 1.2.1. 1/ Cổng logic NAND
• 1.2.2. 2/ Cổng NOR
• 1.3. III/ CỔNG LOGIC EXOR, EXNOR
• 1.3.1. 1/ Cổng EXOR
• 1.3.2. 2/ Cổng EXNOR
• 1.4. IV/ BIẾN ĐỔI CÁC HÀM QUAN HỆ RA HÀM LOGIC NAND, NOR
• 2. CHƯƠNG II: MẠCH LOGIC TỔ HỢP
• 2.1. I/ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MẠCH TỔ HỢP
• 2.2. II/ PHƯƠNG PHÁP BIỂU THỨ VÀ PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG LOGIC
• 2.3. III/ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ LOGIC MẠCH TỔ HỢP
• 2.3.1. 1/ Phân tích yêu cầu
• 2.3.2. 2/ Lập bảng sự thật
• 2.3.3. 3/ Tiến hành đơn giản hóa
• 3. CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH
• 3.1. 1/ Lịch sử phát triển của vi mạch số lập trình
• 3.2. 2/ Cấu trúc cơ bản của các hồi vi mạch lập trình
• 3.3. 3/ Các phần mềm hỗ trợ của PLD
• 3.4. 4/ Giới thiệu phần mềm SYNARYO
• PHẦN II THI CÔNG
• PHẦN III KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Vi Mạch Số Lập Trình Trong Khoa Học Kỹ Thuật

Vi mạch số lập trình (Programmable Logic Device - PLD) đã trở thành một phần không thể thiếu trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Chúng cho phép thiết kế và triển khai các hệ thống logic phức tạp một cách linh hoạt và hiệu quả. Việc sử dụng vi mạch số giúp giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển sản phẩm. Các ứng dụng của vi mạch số lập trình rất đa dạng, từ điều khiển tự động đến xử lý tín hiệu số.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Vi Mạch Số Lập Trình

Vi mạch số lập trình đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1970. Sự ra đời của các loại vi mạch như PAL và FPGA đã mở ra nhiều cơ hội mới cho các kỹ sư trong việc thiết kế hệ thống. Những cải tiến này đã giúp tăng cường khả năng xử lý và giảm thiểu kích thước của các thiết bị điện tử.

1.2. Các Loại Vi Mạch Số Lập Trình Phổ Biến

Có nhiều loại vi mạch số lập trình như CPLD, FPGA và PLD. Mỗi loại có những đặc điểm riêng biệt, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn loại vi mạch phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và tính khả thi của dự án.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Ứng Dụng Vi Mạch Số

Mặc dù vi mạch số lập trình mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số thách thức trong quá trình thiết kế và triển khai. Các vấn đề như độ tin cậy, tiêu thụ năng lượng và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc tối ưu hóa thiết kế để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng là một thách thức lớn trong khoa học kỹ thuật hiện đại.

2.1. Độ Tin Cậy Của Hệ Thống

Độ tin cậy của vi mạch số lập trình là một yếu tố quan trọng. Các lỗi trong thiết kế hoặc sản xuất có thể dẫn đến sự cố trong hệ thống. Do đó, việc kiểm tra và xác minh thiết kế là rất cần thiết để đảm bảo tính ổn định của sản phẩm.

2.2. Tiêu Thụ Năng Lượng Trong Vi Mạch

Tiêu thụ năng lượng là một trong những vấn đề lớn trong thiết kế vi mạch số. Các kỹ sư cần phải tìm ra các phương pháp tối ưu hóa để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.

III. Phương Pháp Thiết Kế Vi Mạch Số Lập Trình Hiệu Quả

Để thiết kế vi mạch số lập trình hiệu quả, các kỹ sư thường sử dụng các phương pháp như mô hình hóa, mô phỏng và tối ưu hóa. Việc áp dụng các công cụ phần mềm hiện đại giúp tăng cường khả năng thiết kế và giảm thiểu thời gian phát triển. Các phương pháp này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Mô Hình Hóa Hệ Thống

Mô hình hóa là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế vi mạch. Nó giúp các kỹ sư hình dung được cấu trúc và chức năng của hệ thống trước khi tiến hành thiết kế chi tiết. Việc này giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn.

3.2. Sử Dụng Công Cụ Phần Mềm Hiện Đại

Các công cụ phần mềm như Quartus, Xilinx ISE giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế. Chúng cho phép mô phỏng và kiểm tra các thiết kế trước khi sản xuất, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vi Mạch Số Lập Trình

Vi mạch số lập trình được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, viễn thông, và thiết bị y tế. Chúng giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vi mạch số lập trình có thể tăng cường khả năng xử lý và giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Ứng Dụng Trong Tự Động Hóa

Trong lĩnh vực tự động hóa, vi mạch số lập trình được sử dụng để điều khiển các thiết bị và quy trình sản xuất. Chúng giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu lỗi trong quá trình sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Thiết Bị Y Tế

Vi mạch số lập trình cũng được ứng dụng trong các thiết bị y tế như máy siêu âm và máy theo dõi nhịp tim. Chúng giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của các thiết bị này, từ đó nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Vi Mạch Số Lập Trình

Vi mạch số lập trình đang ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng trong khoa học kỹ thuật. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới, từ việc cải thiện hiệu suất đến giảm thiểu chi phí sản xuất. Các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Xu hướng phát triển công nghệ vi mạch số lập trình đang hướng tới việc tích hợp nhiều chức năng hơn trong một chip. Điều này không chỉ giúp giảm kích thước mà còn nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử.

5.2. Tương Lai Của Ngành Công Nghiệp

Ngành công nghiệp vi mạch số lập trình sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng nhu cầu về các thiết bị thông minh và tự động hóa. Các kỹ sư sẽ cần phải thích ứng với những thay đổi này để đáp ứng nhu cầu của thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP ÑEÀ TAØI: ÖÙNG DUÏNG VI MAÏCH SOÁ LAÄP TRÌNH LÔØI MÔÛ ÑAÀU Vôùi söï tieán boä khoâng ngöøng cuûa khoa hoïc kyõ thuaät, ñaëc bieät laø ngaønh ñieän töû ñaõ öùng duïng raát nhieàu trong coâng nghieäp. Trong lónh vöïc ñieàu khieån, töø khi coâng ngheä cheá taïo loaïi vi maïch laäp trình phaùt trieån ñaõ ñem ñeán caùc kyõ thuaät ñieàu khieån hieän ñaïi coù nhieàu öu ñieåm so vôùi vieäc söû duïng caùc maïch ñieàu khieån ñöôïc laép raùp töø caùc linh kieän rôøi nhö kích thöôùc maïch nhoû, goïn, giaù thaønh reû, ñoä laøm vieäc tin caäy vaø coâng suaát tieâu thuï thaáp. Ngaøy nay lónh vöïc ñieàu khieån ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong caùc thieát bò, saûn phaåm phuïc vuï cho nhu caàu sinh hoaït haèng ngaøy cuûa con ngöôøi nhö maùy giaët, ñoàng hoà ñieän töû. nhaèm giuùp cho ñôøi soáng ngaøy caøng hieän ñaïi vaø tieän lôïi hôn.

Ñeà taøi öùng duïng vi maïch soá laäp trình raát phong phuù ña daïng, coù nhieàu loaïi hình khaùc nhau döïa vaøo coâng duïng vaø ñoä phöùc taïp. Do taøi lieäu tham khaûo tieáng vieät haïn cheá, trình ñoä coù haïn vaø kinh nghieäm trong thöïc tieãn coøn non keùm, neân ñeà taøi chaéc chaén coøn nhieàu thieáu soùt. Raát mong ñöôïc nhaän nhöõng yù kieán ñoùng goùp, giuùp ñôõ chaân tình, quyù baùu cuûa quyù thaày coâ cuøng caùc baïn sinh vieân. Thaùng 2 naêm 1999 Tröông Phöôùc Toaøn MUÏC LUÏC Trang PHAÀN I LYÙ THUYEÁT .1 CHÖÔNGI GIÔÙI THIEÄU CAÙC COÅNG LOGIC CÔ BAÛN.

2 I/ COÅNG LOGIC VAØ (AND) ,HOAËC (OR) ,KHOÂNG (NOT). 2 1/ Coång logic VAØ.2 2/ Coång logic HOAËC .2 3/ Coång logic KHOÂNG. 3 II/ COÅNG LOGIC KHOÂNG-VAØ (NAND) ,KHOÂNG-HOAËC (NOR). 4 1/ Coång NAND.

4 2/ Coång NOR .4 III/ COÅNG LOGIC EXOR ,EXNOR.5 1/Coång EXOR .5 2/Coång EXNOR.5 IV/ BIEÁN ÑOÅI CAÙC HAØM QUAN HEÄ RA HAØM LOGIC NAND, NOR .6 CHÖÔNG II MAÏCH LOGIC TOÅ HÔÏP .8 I/ ÑAËC ÑIEÅM CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH TOÅ HÔÏP. 8 II/ PHÖÔNG PHAÙP BIEÅU THÒ VAØ PHAÂN TÍCH CHÖÙC NAÊNG LOGIC.8 III/ PHÖÔNG PHAÙP THIEÁT KEÁ LOGIC MAÏCH TOÅ HÔÏP .9 1/ Phaân tích yeâu caàu .9 2/ Laäp baûng söï thaät .9 3/ Tieán haønh ñôn giaûn hoùa. 11 CHÖÔNG III GIÔÙI THIEÄU VI MAÏCH SOÁ LAÄP TRÌNH .12 1/ LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN CUÛA VI MAÏCH SOÁ LAÄP TRÌNH. 12 2/ CAÁU TRUÙC CÔ BAÛN CUÛA CAÙC HOÏ VI MAÏCH LAÄP TRÌNH .16 3/ CAÙC PHAÀN MEØM HOÅ TRÔÏ CUÛA PLD.

40 4/ GIÔÙI THIEÄU PHAÀN MEÀM SYNARYO .44 PHAÀN II THI COÂNG. 48 PHAÀN III KEÁT LUAÄN .60 PHAÀN I LYÙ THUYEÁT Trang 4 CHÖÔNG I : GIÔÙI THIEÄU CAÙC COÅNG LOGIC CÔ BAÛN I/ HAØM LOGIC VAØ (AND) , HOAËC (OR) ,KHOÂNG (NOT). 1/ Coång logic. Goïi A laø bieán soá nhò phaân coù möùc logic laø 0 hoaëc 1, vaø Y laø moät bieán soá nhò phaân tuøy thuoäc vaøo A: Y= f(A).

Trong tröôøng hôïp naøy coù hai khaû naêng xaûy ra: - Y = A, A= 0 thì Y = 0 hay A= 1 thì Y = 1 - Y = A A= 0 thì Y = 1 hay A= 1 thì Y = 0 Khi Y tuøy thuoäc vaøo hai bieán soá nhò phaân A, B  Y = f(A,B) Vì bieán soá A,B chæ coù theå laø 0 hay 1 neân A vaø B chæ coù theå taïo ra 4 toå hôïp khaùc nhau laø: A B 0 0 A 0 1 1 0 B 1 1 Baûng lieät keâ taát caû caùc toå hôïp khaû dó cuûa caùc bieán soá vaø haøm soá töông öùng goïi laø baûng söï thaät. Khi coù 3 hay nhieàu bieán soá (A,B ,C) soá löôïng haøm soá khaû dó taêng nhanh. Maïch ñieän töû thöïc hieän quan heä logic : Y = f(A ) hay Y = f(A,B). goïi laø maïch logic, trong ñoù caùc bieán soá A,B.

laø caùc ngoû vaøo vaø haøm soáY laø caùc ngoû ra. Moät maïch logic dieãn taû quan heä giöõa caùc ngoû vaøo vaø ngoû ra nghóa laø thöïc hieän ñöôïc moät haøm logic, do ñoù coù bao nhieâu haøm soá logic thì coù baáy nhieâu maïch logic. Löu yù raèng khi bieåu dieãn moái quan heä toaùn hoïc ta goïi laø haøm soá logic coøn khi bieåu dieãn moái quan heä veà maïch tín hieäu ta goïi laø coång logic. 2/ Coång logic VAØ (AND).

Trang 5 Haøm logic VAØ ñöôïc ñònh nghóa theo baûng söï thaät sau: Baûng söï thaät: A B Y 0 0 0 A 0 1 0 Y=A.B 1 0 0 B 1 1 1 Kyù hieäu toaùn hoïc cuûa haøm soá VA.Ø Kí hieäu coång VAØ (AND) Y = A.B 3/ Coång logic HOAËC (OR). Haøm soá HOAËC cuûa hai bieán soá A,B ñöôïc ñònh nghóa ôû baûng söï thaät sau: Baûng söï thaät: A B Y 0 0 0 A 0 1 1 Y B 1 0 1 1 1 1 Kí hieäu coång HOAËC Ngoû ra Y laø 1 khi coù ít nhaát moät bieán soá laø 1, do ñoù chæ baèng 0 ôû tröôøng hôïp khi caû hai bieán soá baèng 0. Kyù hieäu toaùn hoïc cuûa coång HOAËC laø: Y = A+B 4/ Coång logic KHOÂNG (NOT). Haøm VAØ vaø haøm HOAËC taùc ñoäng leân hai hay nhieàu bieán soá trong khi ñoù haøm KHOÂNG coù theå xem nhö chæ coù theå taùc ñoäng leân moät bieán soá.

Baûng söï thaät : A Y A Y Y=A 0 1 Trang 6 1 0 Kí hieäu coång NOT Haøm KHOÂNG coù taùc ñoäng phuû ñònh hay ñaûo .Sôû dó coù söï ñoàng hoùa naøy laø vì ta ñang lieân heä vôùisoá nhò phaân coù hai traïng thaùi 0 hay 1. Do ñoù phuû ñònh cuûa 0 laø1. Trang 7 II/ COÅNG LOGIC KHOÂNG -VAØ (NAND) , KHOÂNG-HOAËC (NOR). 1/ Coång logic NAND.

Xeùt tröôøng hôïp coù hai bieán soá A,B ngoû ra ôû coång VAØ Y = A.B neân ngoû ra ôû coång KHOÂNG laø ñaûo cuûa Y: Y = A.B Veà hoaït ñoäng cuûa coång NAND thì töø caùc toå hôïp cuûa A,B ta laäp baûng traïng thaùi roài laáy ñaûo ñeå coù Y ñaûo. Tuy nhieân coù theå ñi tröïc tieáp baèng caùch laäp baûng söï thaät sau: Baûng söï thaät : A B Y A 0 0 1 & Y B 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Kí hieäu coång NAND. 2/ Coång NOR. Xeùt tröôøng hôïp hai ngoû vaøo laø A,B .Ngoû ra ôû coång NOR laø : Y = A+B neân ngoû ra ôû coång ñaûo seõ laø : Y = A+B.

Baûng söï thaät : A B Y A 0 0 1 Y 0 1 0 B 1 0 0 1 1 0 Kí hieäu coång NOR. III/ HAØM LOGIC EXOR VAØ EXNOR. 1/ Coång logic EXOR. Trang 8 Haøm HOAËC ñöôïc goïi laø HOAËC bao goàm vì noù khoâng giaûi quyeát ñöôïc baøi toaùn coäng nhò phaân.

Lyù do laø khi caû hai bieán soá ñeàu laø 1 thì Y = 1 thay vì laø 0. Maëc duø HOAËC nhö vaäy vaãn coù yù nghóa thöïc teá neân vaãn ñöôïc duøng, nhöng ngöôøi ta phaûi ñònh nghóa moät coång logic khaùc laø HOAËC LOAÏI TRÖØ (EXOR) coång naøy coù yù nghóa laø loaïi tröôøng hôïp khi A,B ñoàng thôøi laø 1 thì Y = 0 Kyù hieäu : Y = A B Baûng söï thaät: A B Y 0 0 0 A 0 1 1 Y 1 0 1 B 1 1 0 Kí hieäu coång EXOR. 2/ Coång EXNOR. Haøm EXNOR ñöôïc thöïc hieän baèng caùch theâm coång NOT sau coång EXOR, do ñoù hoaït ñoäng logic cuûa EXNOR laø ñaûo so vôùi EXOR.

Kyù hieäu : Y = A  B Baûng söï thaät: B Y 0 0 1 A 0 1 0 Y B 1 0 0 1 1 1 Trang 9 IV/ BIEÁN ÑOÅI CAÙC HAØM QUAN HEÄ RA HAØM LOGIC NAND , NOR. Moái lieân heä cô baûn giöõa ba coång AND, OR, NOT khoâng nhöõng coù theå thay baèng caùc coång NAND maø coøn coù theå bieán thaønh coång NOR vôùi cuøng moät chöùc naêng logic, vieäc laøm naøy raát thöôøng ñöôïc aùp duïng khi thöïc hieän caùc maïch logic. Trong thöïc teá vì toaøn boä sô ñoà neáu ñöôïc keát hôïp cuøng moät loaïi coång duy nhaát thì seû giaûm ñöôïc soá löôïng vi maïch caàn thieát. Quaù trình bieán ñoåi naøy döïa treân moät nguyeân taéc ñöôïc trình baøy nhö sau: + Coång NOT ñöôïc thay baèng coång NAND vaø coång NOR.

- Döïa vaøo baûng söï thaät cuûa coång NAND suy ra tröôøng hôïp laø khi caû A,B ñoàng thôøi baèng 0, thì Y = 1 vaø A =1, B =1 thì Y = 1. Sô ñoà minh hoïa : A=B Y Töông töï döïa vaøo baûng söï thaät cuûa coång NOR suy ra : A = 0, B = 0  Y = 1 vaø A= 1, B= 1  Y = 0 Sô ñoà minh hoïa : A=B Y + Coång AND ñuôïc thay baèng coång NAND vaø coång NOR. Töông töï nhö caùc tröôøng hôïp treân, döïa vaøo baûng söï thaät: - Ngoõ ra cuûa coång AND Y= A+B coøn coång NAND Y' = A+B  ñaûo Y' = Y Sô ñoà minh hoïa: A Y B Trang 10 - Ngoû ra cuûa coång NOR Y = A. B = A + B Sô ñoà minh hoïa : Trang 11 A Y B + Coång OR ñuôïc thay baèng coång NAND vaø coång NOR.

Bieåu thöùc coång OR Y = A.B Sô ñoà minh hoïa : A Y B - Bieåu thöùc coång NOR Y’ = A.B = Y Sô ñoà minh hoïa : A Y B Trang 12 CHÖÔNG II MAÏCH LOGIC TOÅ HÔÏP I/ ÑAËC ÑIEÅM CÔ BAÛN CUÛA MAÏCH TOÅ HÔÏP. Trong maïch soá, maïch toå hôïp laø maïch maø trò soá oån ñònh cuûa tín hieäu ra ôû thôøi ñieåm baát kyø chæ phuï thuoäc vaøo toå hôïp caùc giaù trò tín hieäu ngoû vaøo ôû thôøi ñieåm ñoù.Trong maïch toå hôïp, traïng thaùi maïch ñieän tröôùc thôøi ñieåm xeùt , töùc tröôùc khi coù tín hieäu ngoû vaøo, khoâng aûnh höôûng ñeán tín hieäu ñaàu ra. Ñaëc ñieåm caáu truùc maïch toå hôïp laø ñöôïc caáu truùc töø caùc coång logic. II/ PHÖÔNG PHAÙP BIEÅU THÒ VAØ PHAÂN TÍCH CHÖÙC NAÊNG LOGIC.

1/ Phöông phaùp bieåu thò chöùc naêng logic. Caùc phöông phaùp thöôøng duøng ñeå bieåu thò chöùc naêng logic cuûa maïch toå hôïp laø haøm soá logic , baûng söï thaät , sô ñoà logic , baûng Karnaugh , cuõng coù khi bieåu thò baèng ñoà thò thôøi gian daïng soùng. Ñoái vôùi vi maïch côõ nhoû (SSI) thöôøng bieåu thò baèng haøm logic. Ñoái vôùi côõ vöøa thöôøng bieåu thò baèng baûng söï thaät, hay laø baûng chöùc naêng.

Baûng chöùc naêng duøng hình thöùc lieät keâ, vôùi möùc logic cao (H) vaø möùc logic thaáp (L) , ñeå moâ taû quan heä logic giöõa tín hieäu ngoû ra vôùi tín hieäu ngoû vaøo cuûa maïch ñieän ñang xeùt. Chæ caàn thay giaù trò logic cho traïng thaùi trong baûng chöùc naêng, thì ta coù baûng söï thaät töông öùng. Maïch toå hôïp. Xn zm Hình 2-1 : Sô ñoà khoái maïch toå hôïp Nhö hình 2-1 cho bieát, thöôøng coù nhieàu tín hieäu ngoû vaøo vaø nhieàu tín hieäu ngoû ra.