Bài giảng Điện tử số - Chương 4: Mạch tổ hợp - Nguyễn Trung Lập

Nội dung text: Bài giảng Điện tử số - Chương 4: Mạch tổ hợp - Nguyễn Trung Lập

1. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 1 CHƯƠNG 4: MẠCH TỔ HỢP ” MẠCH Mà HÓA 7 Mạch mã hóa 2n đường sang n đường 7 Mạch tạo mã BCD cho số thập phân ” MẠCH GIẢI Mà 7 Mạch giải mã n đường sang 2n đường 7 Mạch giải mã BCD sang 7 đoạn ” MẠCH ĐA HỢP VÀ GIẢI ĐA HỢP 7 Khái niệm 7 Mạch đa hợp 7 Ứng dụng của mạch đa hợp 7 Mạch giải đa hợp ” MẠCH SO SÁNH 7 Mạch so sánh hai số một bit 7 Mạch so sánh hai số nhiều bit ” MẠCH KIÊM / PHÁT CHẴN LẺ 7 Mạch phát chẵn lẻ 7 Mạch kiểm chẵn lẻ ___ ___ Các mạch số được chia ra làm hai loại: Mạch tổ hợp và Mạch tuần tự. - Mạch tổ hợp: Trạng thái ngã ra chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các ngã vào khi tổ hợp này đã ổn định. Ngã ra Q của mạch tổ hợp là hàm logic của các biến ngã vào A, B, C . . Q = f(A,B,C . . .) - Mạch tuần tự : Trạng thái ngã ra không những phụ thuộc vào tổ hợp các ngã vào mà còn phụ thuộc trạng thái ngã ra trước đó. Ta nói mạch tuần tự có tính nhớ. Ngã ra Q+ của mạch tuần tự là hàm logic của các biến ngã vào A, B, C . . . . và ngã ra Q trước đó. Q+ = f(Q,A,B,C . . .) Chương này nghiên cứu một số mạch tổ hợp thông dụng thông qua việc thiết kế một số mạch đơn giản và khảo sát một số IC trên thực tế. 4.1. MẠCH Mà HÓA Mã hóa là gán các ký hiệu cho các đối tượng trong một tập hợp để thuận tiện cho việc thực hiện một yêu cầu cụ thể nào đó. Thí dụ mã BCD gán số nhị phân 4 bit cho từng số mã của số thập phân (từ 0 đến 9) để thuận tiện cho máy đọc một số có nhiều số mã; mã Gray dùng tiện lợi trong việc tối giản các hàm logic . . Mạch chuyển từ mã này sang mã khác gọi là mạch chuyển mã, cũng được xếp vào loại mạch mã hóa. Thí dụ mạch chuyển số nhị phân 4 bit sang số Gray là một mạch chuyển mã. ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
2. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 3 x 1 0 0 0 1 x x 1 0 1 0 x x x 1 1 1 Bảng 4.1 Nhận thấy biến 0 trong bảng sự thật không ảnh hưởng đến kết quả nên ta chỉ vẽ bảng Karnaugh cho 3 biến 1, 2 và 3. Lưu ý là do trong bảng sự thật có các trường hợp bất chấp của biến nên ứng với một trị riêng của hàm ta có thể có đến 2 hoặc 4 số 1 trong bảng Karnaugh. Thí dụ với trị 1 của cả 2 hàm A1 và A0 ở dòng cuối cùng đưa đến 4 số 1 trong các ô 001, 011, 101 và 111 của 3 biến 123. Từ bảng Karnaugh, ta có kết quả và mạch tương ứng. Trong mạch không có ngã vào 0, điều này được hiểu là mạch sẽ chỉ báo số 0 khi không tác động vào ngã vào nào. (H 4.2) 4.1.1.2 Mã hóa 8 đường sang 3 đường Chúng ta sẽ khảo sát một IC mã hóa 8 đường sang 3 đường. Trên thực tế khi chế tạo một IC, ngoài các ngã vào/ra để thực hiện chức năng chính của nó, người ta thường dự trù thêm các ngã vào và ra cho một số chức năng khác như cho phép, nối mạch để mở rộng hoạt động của IC. IC 74148 là IC mã hóa ưu tiên 8 đường sang 3 đường, vào/ ra tác động thấp, có các ngã nối mạch để mở rộng mã hóa với số ngã vào nhiều hơn. Dưới đây là bảng sự thật của IC 74148, trong đó Ei ngã vào nối mạch và cho phép, Eo là ngã ra nối mạch và Gs dùng để mở rộng cho số nhị phân ra. Dựa vào bảng sự thật, ta thấy IC làm việc theo 10 trạng thái: - Các trạng thái từ 0 đến 7: IC mã hóa cho ra số 3 bit - Các trạng thái 8 và 9: dùng cho việc mở rộng, sẽ giải thích rõ hơn khi nối 2 IC để mở rộng mã hóa cho số 4 bit Trạng Ngã vào Ngã ra thái Ei 0 1 2 3 4 5 6 A2 A1 A0 Gs Eo 7 9 1 x x x x x x x 1 1 1 1 1 8 0 x 1 1 1 1 0 7 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 6 0 1 0 0 1 0 1 5 0 x x x x x x x 0 1 0 0 1 4 0 0 0 1 1 0 1 ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
3. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 5 A2A1A0 của IC2, , trong lúc đó B3 = Gs2 = 0, ta được kết quả từ 0111 đến 0000, tức từ 8 đến 15. Thí dụ để mã số 14, đưa ngã vào 14 xuống mức 0, đưa ngã vào 15 lên mức 1, bất chấp các ngã vào từ 0 đến 13, mã số ra là B3B2B1B0 = Gs2B2B1B0 = 0001, tức số 14 Muốn có ngã ra chỉ số nhị phân đúng với ngã vào được tác động mà không phải đảo các bit ta có thể thay các cổng AND bằng cổng NAND 4.1.2 Mạch tạo mã BCD cho số thập phân Mạch gồm 10 ngã vào tượng trưng cho 10 số thập phân và 4 ngã ra là 4 bit của số BCD. Khi một ngã vào (tượng trưng cho một số thập phân) được tác động bằng cách đưa lên mức cao các ngã ra sẽ cho số BCD tương ứng Bảng sự thật của mạch: Trạng thái các ngã vào Mã số ra 9 8 7 6 5 4 3 2 A3 A2 A1 1 0 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Bảng 4.3 Không cần bảng Karnaugh ta có thể viết ngay các hàm xác định các ngã ra: A0 = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 A1 = 2 + 3 + 6 + 7 A2 = 4 + 5 + 6 + 7 A3 = 8 + 9 Mạch cho ở (H 4.4) ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
4. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 7 = 9 + (7 + 5.6.7 + 3.4.5.6.7 +1.2.3.4.5.6.7)8.9 A 0 = 9 + (7 + 5.6 + 3.4.6 +1.2.4.6)8.9 = 9 + (7 + 5.6 + 3.4.6 +1.2.4.6)(8 + 9) Mạch cho ở (H 4.5) (H 4.5) 4.1.3 Mạch chuyển mã Mạch chuyển từ một mã này sang một mã khác cũng thuộc loại mã hóa. DMạch chuyển mã nhị phân sang Gray Thử thiết kế mạch chuyển từ mã nhị phân sang mã Gray của số 4 bit. Trước tiên viết bảng sự thật của số nhị phân và số Gray tương ứng. Các số nhị phân là các biến và các số Gray sẽ là hàm của các biến đó. ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
5. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 9 4.2 . MẠCH GIẢI MÃ 4.2.1 Giải mã n đường sang 2n đường 4.2.1.1 Giải mã 2 đường sang 4 đường: Thiết kế mạch Giải mã 2 đường sang 4 đường có ngã vào cho phép (cũng được dùng để nối mạch) Để đơn giản, ta xét mạch giải mã 2 đường sang 4 đường có các ngã vào và ra đều tác động cao . Bảng sự thật, các hàm ngã ra và sơ đồ mạch: Vào R a Y0 = G.A 1 A 0 G A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 0 x x 0 0 0 0 Y1 = G.A 1A 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 Y = G.A A 0 1 1 0 0 0 1 0 2 1 1 1 1 0 0 0 1 Y = G.A A 00 3 1 0 (H 4.7) 4.2.1.2 Giải mã 3 đường sang 8 đường Dùng 2 mạch giải mã 2 đường sang 4 đường để thực hiện mạch giải mã 3 đường sang 8 đường (H 4.8) Vào R a A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
6. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 11 (H 4.9) Một ứng dụng quan trọng của mạch giải mã là dùng giải mã địa chỉ cho bộ nhớ bán dẫn. Ngoài ra, mạch giải mã kết hợp với một cổng OR có thể tạo được hàm logic. Thí dụ, thiết kế mạch tạo hàm Y=f(A,B,C)= A BC + ABC + A BC + ABC Với hàm 3 biến, ta dùng mạch giải mã 3 đường sang 8 đường. 8 ngã ra mạch giải mã tương ứng với 8 tổ hợp biến của 3 biến, các ngã ra tương ứng với các tổ hợp biến có trong hàm sẽ lên mức 1. Với một hàm đã viết dưới dạng tổng chuẩn, ta chỉ cần dùng một cổng OR có số ngã vào bằng với số tổ hợp biến trong hàm nối vào các ngã ra tương ứng của mạch giải mã để cộng các tổ hợp biến có trong hàm lại ta sẽ được hàm cần tạo. Như vậy, mạch tạo hàm trên có dạng (H 4.10) (H 4.10) Dĩ nhiên, với những hàm chưa phải dạng tổng chuẩn, chúng ta phải chuẩn hóa. Và nếu bài toán có yêu cầu ta phải thực hiện việc đổi cổng, bằng cách dùng định lý De Morgan. 4.2.2 Giải mã BCD sang 7 đọan 4.2.2.1 Đèn 7 đọan Đây là lọai đèn dùng hiển thị các số từ 0 đến 9, đèn gồm 7 đọan a, b, c, d, e, f, g, bên dưới mỗi đọan là một led (đèn nhỏ) hoặc một nhóm led mắc song song (đèn lớn). Qui ước các đọan cho bởi (H 4.11). (H 4.11) Khi một tổ hợp các đọan cháy sáng sẽ tạo được một con số thập phân từ 0 - 9. ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
7. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 13 a = DB(CA + CA) b = CBA + CBA c = DCBA d = DCBA + CBA + CBA e = A + CB f = CB+ BA + DCA g = DCB+ CBA Từ các kết quả ta có thể vẽ mạch giải mã 7 đoạn dùng các cổng logic. Hai IC thông dụng dùng để giải mã BCD sang 7 đọan là: - CD 4511 (loại CMOS, ngã ra tác động cao và có đệm) - 7447 (loại TTL, ngã ra tác động thấp, cực thu để hở) Chúng ta khảo sát một IC giải mã BCD sang 7 đoạn : IC 7447 Bảng sự thật của 7447: Vào Ra Sô / BI Hàm LT RB D C B A (1) a b c d e f g I RBO 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 x 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 2 1 x 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 3 1 x 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 4 1 x 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 5 1 x 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 6 1 x 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 7 1 x 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 8 1 x 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 9 1 x 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 10 1 x 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 11 1 x 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 12 1 x 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 13 1 x 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 14 1 x 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 15 1 x 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 (2) x x x x x x 0 1 1 1 1 1 1 1 (3) 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 (4) 0 x x x x x 1 0 0 0 0 0 0 0 Ghi chú: 1. BI/RBO được nối theo kiểu điểm AND bên trong IC và được dùng như ngã vào xóa (Blanking Input, BI) và/hoặc ngã ra xóa dợn sóng (Ripple Blanking Output, RBO). Ngã vào BI phải được để hở hay giữ ở mức cao khi cần thực hiện giải mã cho số ra. Ngã vào xóa dợn sóng (Ripple Blanking Input, RBI) phải để hở hay ở mức cao khi muốn đọc số 0. ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
8. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 15 Người ta thường dùng IC CMOS để thúc LCD vì hai lý do: - CMOS tiêu thụ năng lượng rất thấp phù hợp với việc dùng pin cho các thiết bị dùng LCD. - Mức thấp của CMOS đạt trị 0 và tín hiệu thúc LCD sẽ không chứa thành phần một chiều, tuổi thọ LCD được kéo dài. (Mức thấp của TTL khoảng 0,4 V, thành phần DC này làm giảm tuổi thọ của LCD). (H 4.15) 4.3 MẠCH ĐA HỢP VÀ MẠCH GIẢI ĐA HỢP 4.3.1.Khái niệm Trong truyền dữ liệu, để tiết kiệm đường truyền, người ta dùng một đường dây để truyền nhiều kênh dữ liệu, như vậy phải thực hiện viêc chọn nguồn dữ liệu nào trong các nguồn khác nhau để truyền. Mạch đa hợp hay còn gọi là mạch chọn dữ liệu sẽ làm công việc này. Ở nơi thu, dữ liệu nhận được phải được chuyển tới các đích khác nhau, ta cần mạch phân bố dữ liệu hay giải đa hợp (H 4.16). (H 4.16) 4.3.2 Mạch đa hợp Còn được gọi là mạch chọn dữ liệu, gồm 2n ngã vào dữ liệu, n ngã vào địa chỉ (hay điều khiển) và một ngã ra. Khi có một địa chỉ được tác động dữ liệu ở ngã vào tương ứng với địa chỉ đó sẽ được chọn. - Thiết kế mạch đa hợp 4→1 Mạch có 4 ngã vào dữ liệu D0 . . . . D3, 2 ngã vào điều khiển AB và ngã ra Y ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
9. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 17 4.3.3.1 Biến chuỗi dữ liệu song song thành nối tiếp: Một mạch đa hợp kết hợp với một mạch đếm sẽ biến chuỗi dữ liệu song song ở ngã vào thành chuỗi dữ liệu nối tiếp ở ngã ra (H 4.19) (H 4.19) 4.3.3.2 Tạo chuỗi xung tuần hoàn : Nếu cho dữ liệu vào tuần hoàn, dữ liệu ra nối tiếp cũng tuần hoàn, như vậy chỉ cần đặt trước các ngã vào thay đổi theo một chu kỳ nào đó ta sẽ được chuỗi xung tuần hoàn ở ngã ra. 4.3.3.3 Tạo hàm: 7 Một đa hợp 2n → 1 có thể tạo hàm n biến bằng cách cho các biến vào ngã vào điều khiển và cho trị riêng của hàm vào các ngã vào dữ liệu. Thí dụ: Để tạo hàm 3 biến bằng đa hợp 8→1 ta viết lại biểu thức của đa hợp Y = A.B.CD 0 + A.B.CD 1 + ABCD 2 + ABCD 3 + AB.CD 4 + ABCD 5 + ABCD 6 + ABCD 7 So sánh với biểu thức của hàm viết dưới dạng triển khai theo định lý Shanon thứ nhất f(A,B,C) = A.B.Cf(0,0,0) + A.B.Cf(0,0,1) + ABCf(0,1,0) + ABCf(0,1,1) + AB.Cf(1,0,0) + ABCf(1,0,1) + ABCf(1,1,0) + ABCf(1,1,1) Ta được kết quả: D0 = f(0,0,0) ; D1 = f(0,0,1) , . . . . . . . . . . . D6 = f(1,1,0) và D7 = f(1,1,1) Thí dụ: Tạo hàm: Y = f(A, B,C) = A.B.C + ABC + ABC + A BC + ABC Ta thấy D0=D2=D3=D5=D7=1 nên các ngã vào này được nối lên nguồn, các ngã vào còn lại D1=D4=D6=0 nên được đưa xuống mass (H 4.20). (H 4.20) ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
10. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 19 4.4 MẠCH SO SÁNH 4.4.1 Mạch so sánh 2 số 1 bit Trước tiên ta thiết kế mạch so sánh hai số 1 bit. Bảng sự thật của mạch so sánh một bit có ngã vào cho phép (nối mạch) G : G a b S (a>b) I (a<b) E (a=b) 0 x x 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 Bảng 4.7 (H 4.23) Từ mạch so sánh 1 bit ta có thể mở rộng để so sánh nhiều bit. 4.4.2 Mạch so sánh 2 số nhiều bit Để so sánh 2 số nhiều bit, trước tiên người ta so sánh 2 bit cao nhất (MSB), kết quả lớn hoặc nhỏ hơn do 2 bit này quyết định, nếu 2 bit MSB bằng nhau người ta so sánh 2 bit có trọng số thấp hơn tiếp theo và kết quả được quyết định theo cách tương tự như ở 2 bit MSB. . . . . Sự so sánh được lặp lại cho đến bit LSB để được kết cuối cùng. Dưới đây là sơ đồ mạch so sánh 3 bit (H 4.24). (H 4.24) ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
11. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 21 (H 4.25) Thí dụ : a. So sánh hai số A7 . . . .A0 = 10101111 và B7 . . . . B0 = 10110001 IC 2 so sánh các bit cao A7 . . .A4 = 1010 và B7 . . .B4 =1011 có A7= B7 , A6= B6 , A5= B5 và A4 B3B2B1B0 = 1001 nên ngã ra A>B = 1 để chỉ kết quả so sánh của 2 số 8 bit (trạng thái 10). 4.5 MẠCH KIỂM / PHÁT CHẴN LẺ Do yêu cầu kiểm sai trong truyền dữ liệu, người ta có phương pháp kiểm tra chẵn lẻ. Trong phương pháp này, ngoài các bit dữ liệu, người ta thêm vào 1 bit kiểm tra sao cho tổng số bit 1 kể cả bit kiểm tra là số chẵn (KT chẵn) hoặc lẻ (KT lẻ) 1 0 1 1 0 0 1 1 ← Bit chẵn lẻ thêm vào (KT lẻ) 1 1 0 0 1 0 1 0 ← Bit chẵn lẻ thêm vào (KT chẵn) Ở nơi thu, mạch kiểm tra chẵn lẻ sẽ kiểm tra lại số số 1 có trên tất cả các bit để biết dòng dữ liệu nhận được đúng hay sai. Với phương pháp này máy thu sẽ có kết luận đúng khi số bit lỗi là số lẻ. Như vậy phương pháp chỉ cho kết quả đúng với xác suất 50%, tuy nhiên vì xác suất để một lỗi xảy ra là rất nhỏ nên phương pháp vẫn được sử dụng phổ biến trong một số hệ truyền thông. 4.5.1 Mạch phát chẵn lẻ (Parity Generator, PG) Ta sẽ xét trường hợp mạch có 4 bit dữ liệu. Mạch có 4 ngã vào dữ liệu A, B, C, D và 1 ngã vào chọn chẵn lẻ S ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
12. ___Chương 4 Mạch tổ hợp IV - 23 Số bít 1 của ABCDS P Lẻ 1 Chẵn 0 Bảng 4.9 Như vậy, ta có thể dùng mạch phát ở trên để làm mạch kiểm tra chẵn lẻ. Tóm lại, một hệ thống gồm mạch phát và kiểm chẵn lẽ được mắc như (H 4.28) Khi ngã vào S của mạch phát đưa xuống mức 0, nếu bản tin nhận đúng thì ngã ra P ở mạch kiểm cũng xuống 0. (H 4.28) Trên thị trường có các IC kiểm/phát chẵn lẻ như 74180 (9 bit) 74280 (9 bit), loại CMOS có 40101 (9 bit), 4531 (13 bit). BÀI TẬP 1. Thiết kế mạch mã hóa 32 đường sang 5 đường dùng IC 74148 và cổng logic. 2. Thiết kế mạch giải mã 4 đường sang 16 đường từ mạch giải mã 2 đường sang 4 đường có ngã vào cho phép. 3. Thiết kế mạch so sánh 4 bit từ mạch so sánh 1 bit 4. Thiết kế mạch chuyển từ mã Gray sang mã nhị phân 5. Thiết kế mạch chuyển từ mã BCD sang mã Excess-3 của các số từ 0 đến 9. (Mã Excess-3 của 1 số có được từ trị nhị phân tương ứng cộng thêm 3, thí dụ mã số 0 là 0011, mã số 9 là 1100) 6. Dùng một mạch giải mã 3 sang 8 đường, 2 cổng NAND 3 ngã vào và 1 cổng AND 2 ngã vào thực hiện các hàm sau: F1 = Σ(1,2,3) ; F2 = Σ(4,5,7) ; F3 = Σ(1,2,3,4,5,7) ___ ___Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ