Bài giảng Thiết kế hệ thống vi xử lý - Chương 2: Các mạch số cơ bản, flip-flop, mạch nhớ - Nguyễn Hồng Quang

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế hệ thống vi xử lý - Chương 2: Các mạch số cơ bản, flip-flop, mạch nhớ - Nguyễn Hồng Quang

1. Mạch điệncơ bản Vc •2 điệntrở mắcnốitiếp • Vout = (Vc * R1)/(R1 + R2) R1 •Vớdụ: Vc = 10V, R1 = 1K, R2 = 1K, Vout = 5V R2 1 Electrical Engineering Mạch cơ bản(tiếp) Vc •Trường hợp đặcbiệt •Nếu R1>>R2 -> Vout = 0 R1 •Nếu R1 Vout = Vc Vout R2 2 Electrical Engineering 1
2. Transistor Vc •Nếu R1 >> R2 (R1 -> infinity, R2 ->0) • Vout = Vc Vout 0, ground Vc Nếu R1 0) Vout = 0 Vout 0, ground 3 Electrical Engineering Transistor lý tưởng V2 V2 V2 Vin Vin Vin V1 V1 V1 •Điệntrở R được điểukhiểnbởi điệnỏpVin •Giả thiếtV2 > V1 •NếuVinxấpxỉ V1, R = infinity •Nếu Vin > V1 + 1V, R = 0 4 Electrical Engineering 2
3. N transistor V2 •V2 > V1 Vin •NếuVinxẫpxỉ V1, R = infinity •Nếu Vin > V1 + 1V, R = 0 V1 Collector Base Emiter 5 Electrical Engineering P transistor V2 Vin •V2 V2 + 1V, R V1 Collector = infinity Base Emiter 6 Electrical Engineering 3
4. Kếtcấumạch logic (0, 1) V2 = 5 V Nếu Vin = 5 V Vc PNP •V2-Vin = 0, T2 khóa Vin T2 •Vin > V1 + 1V, T1 mở Vout Vout = 0V Vout NPN Vin T1 0, ground V1 = 0v, ground 7 Electrical Engineering Kết cấu mạch logic (0, 1) V2 = 5 V Nếu Vin = 0V PNP •V2-Vin > 1V, T2 mở Vin T2 •Vin =V1, T1 khóa Vout Vout = 5V Vout NPN Vin 0, ground T1 V1 = 0v, ground 8 Electrical Engineering 4
5. Mạch đảo dựng transistor •Nếu Vin = 5V, Vout = 0V •Nếu Vin = 0V, Vout = 5V •Nếu Vin = High, Vout = Low •Nếu Vin = Low, Vout = High 9 Electrical Engineering Chếđộlàm việc Transitor •Chế độ khóa (cutoff) •Chế độ khuyếch đại (active) •Chế độ bão hòa (satuation) 10 Electrical Engineering 5
6. Logic function Hàm tổng hợp cỏc biến đầu vào W = f(x1,x2, xn) x là cỏc bit logic, cú 2 trạng thỏi, đưarabảng chõn lý với cỏc trạng thỏi chuẩn 11 Electrical Engineering Cỏc hàm lụgic cơ bản • AND •OR • NAND • NOR • XOR • NOT 12 Electrical Engineering 6
7. AND • W = and (x,y) = x.y • Điềukiệnvà x y W 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 13 Electrical Engineering OR • W = or (x,y) = x + y Điều kiện hoặc x y W 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 14 Electrical Engineering 7
8. NOT •W = NOT (X) = x’ Điều kiện đảo W = W x W 0 1 1 0 15 Electrical Engineering NAND • W = nand (x,y) = (x . y)’ Điều kiện và đảo x y W 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 16 Electrical Engineering 8
9. NOR • W = nor (x,y) = (x + y)’ Điều kiện hoặc đảo x y W 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 17 Electrical Engineering XOR • W = xor (x,y) Điều kiện hoặc loại trừ (or exclusive) x y W 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 18 Electrical Engineering 9
10. Mạch nhiều đầuvào • W = and (x1,x2,x3,x4) = • And(x1,x2) . (and(x3,x4)) 19 Electrical Engineering Phõn loạiIC số •Loại TTL –Ngưỡng 0: 0 – 0.8V –Ngưỡng 1: 2.4 – 5V •LoạiCMOS –Ngưỡng 0: 0 – 1.5V –Ngưỡng 1: 2.5 – 5V (loạiCMOS 5V) –Ngưỡng 1: 11 – 15V (loại CMOS 15V) 20 Electrical Engineering 10
11. Cỏc mạch số cơ bản •Mạch giải mó (decoder) •Mạch dồn kờnh (multiplexer) •Mạch chốt (Flip-Flop) •Mạch đếm (counter) •Mạch chia tầnsố (freq divider) •Mạch tạoxungclock (555 timer) 21 Electrical Engineering Mạch giảimó •Mạch chuyển đổitừ n đầu vào thành bit tương ứng 2^n ởđầura •Mạch giảimó1 –2 • Đầurađược quyết định bởitổ hợpnhị phõn đầu vào 22 Electrical Engineering 11
12. Mạch giảimó3 –8 (74LS138) U2 •Mạch giảimótừ 3 1 15 đường ra 8 đường cú 2 A Y0 14 3 B Y1 13 thể C Y2 12 6 Y3 11 • Tuõn theo luật2^n 4 G1 Y4 10 5 G2A Y5 9 • IC 74138, 74139, G2B Y6 7 Y7 74154 74LS138 23 Electrical Engineering LED 7 thanh 24 Electrical Engineering 12
13. Mó BCD thành LED 7thanh 25 Electrical Engineering Bảng logic 26 Electrical Engineering 13
14. IC số giảimóBCD •HaiIC thụngdụng dựng để giải mó BCD sang 7 đọan là: • CD 4511 (loại CMOS, ngó ra tỏc động cao và cú đệm) • 7447 (loại TTL, ngó ra tỏc động thấp, cực thu để hở) 27 Electrical Engineering Mạch hiểnthị thựctế 28 Electrical Engineering 14
15. Mạch dồnkờnh(2 đường) •Cũnđượcgọilàmạch chọn dữ liệu, gồm 2^n ngó vào dữ liệu, n ngó vào địachỉ (hay điều khiển) và một ngó ra. Khi cú một địachỉ đượctỏcđộng dữ liệu ở ngó vào tương ứng với địa chỉđúsẽđượcchọn. 29 Electrical Engineering Dồnkờnh 30 Electrical Engineering 15
16. Thựctế dồnkờnh •Trờnthựctế, ta cú đủ cỏc loạimạch đahợptừ 2 → 1 (IC 74157), 4 → 1 (IC 74153), 8 → 1 (IC 74151) và 16 → 1 (74150) . . . . • Ngoài ra, để chọndữ liệu là cỏc nguồntớnhiệu tương tự, khúa tương tự (analog switch), đượcchế tạotheocụngnghệ MOS như IC 4051 (8 kờnh) IC 4053 (2 kờnh). . . . Cũng cú loại khúa sử dụng đượcchocả tớn hiệutương tự và số (bilateral switches) như IC 4016, IC 4066,. . •Sử dụng trong mạch chuyển đổitừ tớn hiệu song song sang tớn hiệunốitiếp 31 Electrical Engineering Mạch chốt, Flip-flop 32 Electrical Engineering 16
17. Mạch RS chốt dựng mạch NOR tỏc động mức cao • Khi R=S=0 (cả 2 ngó vào đều khụng tỏc động), ngó ra khụng đổitrạng thỏi. • - Khi R=0 và S=1 (ngó vào S tỏc động), chốt đượcSet (tức đặt Q+=1). • - Khi R=1 và S=0 (ngó vào R tỏc động), chốt đượcReset (tức đặtlại Q+=0). •-KhiR=S=1 (cả 2 ngó vào đều tỏc động), chốtrơivàotrạng thỏi cấm 33 Electrical Engineering Mạch chốt R-S dựng NAND tỏc động mứcthấp •Mạch chốt tớn hiệu ra bấtchấpdạng của tớn hiệuvào •Tớnhiệu S dựng xỏc lập tớn hiệura •Tớnhiệu R dựng xúa tớn hiệura • Khụng thể cú 2 tớn hiệu vào cựng là 0 34 Electrical Engineering 17
18. Ưng dụng mạch R-S •Chống hiệntượng rung trong mạch bàn phớm 35 Electrical Engineering Mạch RS dựng xung clock •R, S bỡnhthường luụn giữ giỏ trị 0 •Mạch R/S chỉ cú tỏc dụng khi CLK cú giỏ trị 1 •Mạch hoạt động theo mứcxung CLK 36 Electrical Engineering 18
19. Flipflop RS cú ngó vào Preset và Clear 37 Electrical Engineering Mạch RS hoạt động vớisườn xung clock (flip – flop) Tín hiệu đi xung clock từ 0 – 1 - 0, mạch chỉ hoạt động khi xung clock chuyển từ 1 về 0 38 Electrical Engineering 19
20. Mạch J-K flip flop • J = 1, K = 1, Q = Q’ • J = 0, K = 0, Q giữ nguyờn trạng thỏi • J =1, K = 0, Q = 1 • J =0, K = 1, Q = 0 39 Electrical Engineering Mạch chốt D (data latch) •Tớnhiệu Q giỏ trị bằng tớn hiệu D, khi CLK = 1 • Khi CLK = 0, Q chốtgiỏtrị 40 Electrical Engineering 20
21. Ký hiệumạch số 41 Electrical Engineering Mạch ghi dịch 42 Electrical Engineering 21
22. Thứctế mạch ghi dịch •IC 74164: dịch phải8 bit; •IC 7495: 4 bit , dịch phải, trỏi, vào/ra nốitiếp/song song •Mộtsố nhị phõn khi dịch trỏi 1 bit, giỏ trịđược nhõn lờn gấp đụi và đượcchiahaikhidịch phảimột bit. • Trong mỏy tớnh thanh ghi (tờn thường gọicủamạch ghi dịch) là nơilưutạmdữ liệu để thựchiện cỏc phộp tớnh, cỏc lệnh cơ bảnnhư quay, dịch • Ngoài ra, mạch ghi dịch cũn những ứng dụng khỏc như: tạomạch đếm vũng, biến đổidữ liệunốitiếp ↔ song song, dựng thiếtkế cỏc mạch đốn trang trớ, quang bỏo. 43 Electrical Engineering Mạch đếm •Lợidụng tớnh đảotrạng thỏi của JK khi J=K=1, ngườitathựchiện cỏc mạch đếm. •Chứcnăng củamạch đếmlàđếmsố xung CK đưa vào ngó vào hoặcthể hiệnsố trạng thỏi cú thể cú của cỏc ngó ra. •Nếu xột khớa cạnh tầnsố của tớn hiệuthỡmạch đếm cú chứcnăng chia tần, nghĩalàtầnsố của tớn hiệu ở ngó ra là kếtquả của phộp chia tầnsố của tớn hiệu CK ở ngó vào cho sốđếmcủamạch. • Ta cú cỏc loại: mạch đếm đồng bộ, khụng đồng bộ và đếm vũng. 44 Electrical Engineering 22
23. Mạch đếmtăng đồng bộ Mạch tăng giỏ trị lờn 1 mỗi khi cú mộttớn hiệu xung đầuvào 45 Electrical Engineering States Mạch đếmtăng Count D C B A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 •Bảng chõn lý 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 0 0 0 8 1 0 0 1 9 1 0 1 0 10 1 0 1 1 11 1 1 0 0 12 1 1 0 1 13 1 1 1 0 14 1 1 1 1 15 46 Electrical Engineering 23
24. Mạch đếmthập phõn (0 – 9) 47 Electrical Engineering Mạch đếm0 -5 48 Electrical Engineering 24
25. Mạch chia tầnsố •Tầnsốđầurabằng tầnsố xung vào chia cho giỏ trị n. •Vớdụ mạch chia 2, chia 4, chia 10 49 Electrical Engineering Vớ dụ thựctế U3 3 14 4 A QA 13 •Mạch đếm 0 – 15 5 B QB 12 6 C QC 11 D QD • Mạch đếm thuận,đếm 2 15 ng−ợc CLK RCO 1 7 CLR •Mạch tín hiệu xóa 10 ENP 9 ENT LOAD 74LS163 50 Electrical Engineering 25
26. Binary Encoder 51 Electrical Engineering Đầura3 trạng thỏi 52 Electrical Engineering 26
27. Bộđệm3 trạng thỏi 53 Electrical Engineering Ghộp nhiềubộđệm3 trạng thỏi 54 Electrical Engineering 27
28. Mạch tạo xung clock, 555 •Tạo xung clock vớitầnsố khỏc nhau, kết hợpgiỏtrị Tụ và trở •Tạo xung cú độ rộng xung khỏc nhau •Làmviệcvớidải điệnỏptừ 3V – 18V 55 Electrical Engineering Sơđồchõn 56 Electrical Engineering 28
29. Hóng sảnxuất 57 Electrical Engineering Mạch điện 58 Electrical Engineering 29
30. Cấutrỳctrongmạch 555 59 Electrical Engineering Cỏc phầntử cơ bản 1. Ground. pin 2 = VCC and 2. Trigger input. pin 6 = 0 3. Output. pin 4 = Vcc 4. Reset input. pin 5 = NC 5. Control voltage. ->pin 3 = 0 6. Threshhold input. ->discharge transistor 7. Discharge. (pin 7) luôn nối đất 8. +VCC. +5 to +15 volts in normal use. 60 Electrical Engineering 30
31. Mono stable e=E(1-(-t/RC)) t = 1.1 RC 61 Electrical Engineering Mạch tạo xung Thời gian nạp = 0.693(Ra + Rb)C. Thời gian phóng = 0.693 Rb C Tổng thời gian t = 1.44/(Ra + 2Rb)C. Thời gian phóng và nạp khác nhau 62 Electrical Engineering 31
32. Vớ dụ thựctế Ph−ơng pháp biến điệu độ rộng xung (PWM) 63 Electrical Engineering 32