Bài giảng Nhập môn Mạch số - Chương 6 - Phần 2: Mạch tuần tự: Bộ đếm (Sequential circuit: Counters) - Nguyễn Thanh Sang

Nội dung text: Bài giảng Nhập môn Mạch số - Chương 6 - Phần 2: Mạch tuần tự: Bộ đếm (Sequential circuit: Counters) - Nguyễn Thanh Sang

1. NHẬP MÔN MẠCH SỐ CHƯƠNG 6 – PHẦN 2 Mạch tuần tự: Bộ đếm (Sequential circuit: Counters) 1
2. Nội dung • Bộ đếm bất đồng bộ (Asynchronous counters) – Hệ số của bộ đếm (MOD number) – Bộ đếm lên/xuống (Up/ Down counters) – Phân tích và thiết kế bộ đếm bất đồng bộ – Delay của mạch (Propagation delay) • Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counters) – Phân tích bộ đếm đồng bộ (Analyze synchronous counters) – Thiết kế bộ đếm đồng bộ (Design synchronous counter) • Thanh ghi (Register) 3
3. Bộ đếm bất đồng bộ Xem xét hoạt động của bộ đếm 4-bit bên dưới – Clock chỉ được kết nối đến chân CLK của FF A – J và K của tất cả FF đều bằng 1 – Ngõ ra Q của FF A kết nối với chân CLK của FF B, tiếp tục kết nối như vậy với FF C, D. Bảng sự thật FF-J_K – Ngõ ra của các FF D, C, B và A tạo thành bộ đếm 4-bit binary với D có trọng số cao nhất (MSB) Note: * tất cả ngõ vào J và K của các FF được đưa vào mức 1 5
4. Bộ đếm bất đồng bộ • Các FFs không thay đổi trạng thái đồng bộ với xung Clock Trong ví dụ ở slide trước, Chỉ FF A mới thay đổi tại cạnh xuống của xung Clock , FF B phải đợi FF A thay đổi trạng thái trước khi nó có thể lật, FF C phải đợi FF B thay đổi, tương tự với FF D phải đợi FF C Có trì hoãn (delay) giữa các FF liên tiếp nhau • Chỉ FF có trọng số thấp nhất mới kết nối với xung Clock • Bộ đếm trên còn được gọi là bộ đếm tích lũy trì hoãn (ripple counter) 7
5. Duty cycle của một tín hiệu (xung) Duty cycle của một xung là tỉ lệ phần trăm của thời gian xung tích cực với chu kì của xung Ví dụ: giá trị duty cycle (mức 1) của xung 9
6. Hệ số của bộ đếm (MOD number) (tt) • Chia tần số – mỗi FF sẽ có tần số ngõ ra bằng ½ tần số của xung đưa vào chân Clock của FF đó Giả sử tần số của xung Clock đưa vào bộ đếm trong ví dụ 1 là 16 kHz Tần số của ngõ ra FF A, B, C, D lần lượt là 8, 4, 2, 1 kHz Tần số của FF có trọng số lớn nhất sẽ bằng tần số xung Clock chia cho hệ số của bộ đếm 11
7. Ví dụ 3 • Các bước để làm một đồng hồ số • Cần bao nhiêu FF cho bộ đếm có hệ số đếm 60 (MOD-60)? • Đáp án: Không có số nguyên N để thỏa điều kiện 2N = 60 Số N gần nhất là 6, khi đó 26 = 64 > 60 Vì đồng hồ số cần đếm chính xác Không có đáp án với yêu cầu thiết kế trên 13
8. Bộ đếm có Hệ số bộ đếm < 2N • Bộ đếm bất đồng bộ thông thường giới hạn hệ số bộ đếm bằng 2N (Hệ số đếm lớn nhất với N flip-flop được sử dụng) • Xét bộ đếm với mạch cho bên dưới Tất cả ngõ vào J, K bằng 1 MOD-6 counter? 15
9. 7-4 Counters with MOD Number <2N Bộ đếm có Hệ số bộ đếm < 2N (tt) Giản đồ chuyển trạng thái của bộ đếm MOD-6 - Mỗi vòng tròn nét liền chỉ một trạng thái thực sự của bộ đếm - Mỗi vòng tròn nét đứt chỉ một trạng thái tạm của bộ đếm - Mũi tên nét liền chỉ sự chuyển trạng Trạng thái tạm thái giữa 2 trạng thái thực - Mũi tên nét đứt chỉ sự chuyển từ trạng thái thực sang trạng thái tạm hoặc ngược lại - Không có mũi tên chỉ đến trạng thái 111 vì trong chu trình của bộ đếm không có trạng thái nào chuyển đến trạng thái này - Trạng thái 111 có thể xuất hiện khi bật nguồn (power-up) 17
10. Ví dụ 4 • Xác định hệ số bộ đếm (MOD number) của mạch đếm bên dưới? • Xác định tần số tại ngõ ra D? * Tất cả ngõ vào J, K bằng 1 • MOD-14 (14 trạng thái thật sự từ 0000 đến 1101) • FreqD = 30kHz/14 = 2.14 kHz 19
11. Bộ đếm bất đồng bộ - Đếm xuống * Tất cả ngõ vào J, K bằng 1 Bộ đếm xuống bất đồng bộ ít được sử dụng trong thực tế . 21
12. Thiết kế bộ đếm bất đông bộ MOD-X Ví dụ: Thiết kế bộ đếm lên bất đồng bộ MOD-5 dùng FF-T có xung clock kích cạnh xuống, ngõ vào Preset và Clear tích cực cao. Biết rằng trạng thái ban đầu của bộ đếm là 5. Bước 1: Tìm số flip-flop cần dùng nhỏ nhất thỏa yêu cầu bài toán (2N >= X) Ta có: 23 >= 5 (MOD-5) Sử dụng 3 FF 23
13. Thiết kế bộ đếm bất đông bộ MOD-X (tt) Ví dụ: Thiết kế bộ đếm lên bất đồng bộ MOD-5 dùng FF-T có xung clock kích cạnh xuống, ngõ vào Preset và Clear tích cực cao. Biết rằng trạng thái ban đầu của bộ đếm là 5. Bước 3: Thiết kế mạch Reset của bộ đếm  Trường hợp 1: 2N = X Mạch không bị Reset bỏ qua bước 3  Trường hợp 2: 2N >= X . Nếu số FF sử dụng từ 6 trở lên: • Sử dụng cổng AND/NAND nếu PR và CLR tích cực cao/thấp • Kết nối các giá trị ngõ ra tương ứng của các FF tại trạng thái Reset của bộ đếm với ngõ vào của cổng AND/NAND ở trên • Kết nối ngõ ra cổng AND/NAND tới chân PR và CLR thích hợp tại các FF . Nếu số FF sử dụng nhỏ hơn 6: 25
14. Thiết kế bộ đếm bất đông bộ MOD-X (tt) Ví dụ: Thiết kế bộ đếm lên bất đồng bộ MOD-5 dùng FF-T có xung clock kích cạnh xuống, ngõ vào Preset và Clear tích cực cao. Biết rằng trạng thái ban đầu của bộ đếm là 5. Bước 4: Vẽ mạch cần thiết kế (Lưu ý: - FF kích cạnh lên/xuống; mạch đếm lên/xuống - Pr và Clr tích cực cao/thấp - Trạng thái Reset và trạng thái của bộ đếm sau khi mạch được Reset) Mạch Reset của bộ đếm 27
15. Ví dụ 5 Thiết kế bộ đếm MOD-60 trong ví dụ 3 Đáp án: Sử dụng 6 FF để thiết kế 29
16. Delay của bộ đếm tích lũy trì hoãn (tt) • Bộ đếm tích lũy trì hoãn có thiết kế đơn giản. Tuy nhiên, hạn chế của bộ đếm là delay của FF trước được tích lũy đến FF sau Delay của toàn mạch lớn Bộ đếm này không phù hợp cho các thiết kế hoạt động ở tần số cao • Để mạch hoạt động đúng thì chu kì của xung Clock phải lớn hơn tổng Delay của mạch Tclock N x tpd Tclock: chu kì xung Clock N: số FF của mạch Tpd: delay của một FF Tần số tối đa của mạch: Fmax=1/(N x tpd) 31
17. Delay của bộ đếm tích lũy trì hoãn (tt) • Bộ đếm bất đồng bộ sẽ không hữu ích khi hoạt động ở tần số cao, đặc biệt khi bộ đếm sử dụng nhiều flip-flop. • Tuy nhiên, vì tính đơn giản trong thiết kế, bộ đếm bất đồng bộ vẫn được sử dụng trong các mạch không đòi hỏi tần số cao. 33
18. Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counters) 35
19. Phân tích bộ đếm đồng bộ (Analyze Synchronous Counters) Ví dụ: Phân tích mạch đếm ở hình bên dưới Bước 1: Tìm phương trình ngõ vào của các FF S1 = Q’1Q’0 S0 = Q’0 R1 = Q1 R0 = Q’1 Q0 37
20. Phân tích bộ đếm đồng bộ (Analyze Synchronous Counters) Ví dụ: Phân tích mạch đếm ở hình bên dưới Bước 3: Vẽ lưu đồ chuyển trạng thái của bộ đếm 39
21. Mô tả đầy đủ của một Flip-flop Có 4 dạng FF cơ bản: D, T, S_R, J_K FF có thể được mô tả bằng ký hiệu hình học, bảng sự thật, bảng đặc tính, phương trình đặc tính hoặc bảng kích thích  Bảng đặc tính (Characteristic table) Một bảng chỉ ra trạng thái kế tiếp như một hàm của trạng thái hiện tại và ngõ vào của của mỗi FF Phương trình đặc tính (Characteristic equation) Một biểu thức chỉ ra quan hệ của trạng thái kế tiếp theo trạng thái hiện tại và ngõ vào của mỗi FF  Bảng kích thích (Excitation table ) Một bảng liệt kê các yêu cầu ngõ vào (input) để FF chuyển từ trạng thái hiện tại đến trạng thái kế tiếp 41
22. Mô tả đầy đủ của FF-T Ký hiệu Bảng sự thật Bảng đặc tính Bảng kích thích Q+ = T + Q Phương trình đặc tính 43
23. Mô tả đầy đủ của FF-J_K Ký hiệu Bảng sự thật Bảng đặc tính Bảng kích thích Phương trình đặc tính 45
24. Thiết kế bộ đếm đồng bộ Bước 2: Vẽ biểu đồ chuyển trạng thái (state diagram) của bộ đếm Lưu ý: - vẽ tất cả các trạng thái có thể - những trạng thái không có trong chu trình đếm, có thể cho chuyển đến một trạng thái có trong chu trình đếm C B A 0 0 0 0 0 1 0 1 0 CBA 0 1 1 1 0 0 0 0 0 etc. 47
25. Thiết kế bộ đếm đồng bộ Bước 4: Lập bảng kích thích của mạch (circuit excitation table) - Dựa vào trạng thái hiện tại và trạng thái kế tiếp, thêm các cột giá trị ngõ vào mỗi FF vào bên phải bảng chuyển trạng thái Bảng kích thích của mạch 49
26. Thiết kế bộ đếm đồng bộ Bước 6: Vẽ mạch cần thiết kế 51
27. Bộ đếm có khả năng định giá trị ban đầu (Presettable Counters) • Bộ đếm có khả năng định giá trị ban đầu là bộ đếm có thể định giá trị ban đầu trước khi bộ đếm hoạt động. - Việc định giá trị ban đầu có thể thực hiện đồng bộ hoặc bất đồng bộ • Thao tác định giá trị ban đầu cho bộ đếm còn được gọi là nạp dữ liệu song song (parallel loading) cho bộ đếm 1. Đưa giá trị dữ liệu mong muốn vào các ngõ vào song song (P2P1P0) 2. Điều khiển PL = 0 để nạp dữ liệu ban đầu vào bộ đếm Bộ đếm lên đồng bộ nạp dữ liệu song song bất đồng bộ 53
28. Nội dung • Bộ đếm bất đồng bộ (Asynchronous counters) – Hệ số của bộ đếm (MOD number) – Bộ đếm lên/xuống (Up/ Down counters) – Phân tích và thiết kế bộ đếm bất đồng bộ – Delay của mạch (Propagation delay) • Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counters) – Phân tích bộ đếm đồng bộ (Analyze synchronous counters) – Thiết kế bộ đếm đồng bộ (Design synchronous counter) • Thanh ghi (Register) 55
29. Truyền dữ liệu thanh ghi (Register Data Transfer) Sự phân loại thanh ghi dựa vào 2 đặc điểm: . Cách dữ liệu được đưa vào thanh ghi để lưu trữ . Cách dữ liệu được lấy ra từ thanh ghi • Thanh ghi nối tiếp (Serial register): dữ liệu được nạp vào thanh ghi theo dạng nối tiếp từ phải sang trái hoặc từ trái sang phải – Thanh ghi nối tiếp có dữ liệu ngõ ra được nối đến ngõ vào (feedback) được gọi là thanh ghi quay vòng (rotate register) – Thanh ghi nối tiếp có dữ liệu ngõ ra không nối đến ngõ vào được gọi là thanh ghi dịch (shift register) • Thanh ghi song song (Parallel register): dữ liệu được nạp vào thanh ghi theo dạng song. Thanh ghi này còn được gọi là thanh ghi nạp (load register) 57
30. Truyền dữ liệu thanh ghi (Register Data Transfer) Ngõ vào nối tiếp - ngõ ra nối tiếp (SISO) (serial in/serial out) 59
31. Truyền dữ liệu thanh ghi (Register Data Transfer) Ngõ vào nối tiếp - ngõ ra song song (SIPO) (serial in/parallel out) 61
32. Bộ đếm thanh ghi dịch Bộ đếm vòng tròn (Ring counter) • Bộ đếm vòng tròn là bộ đếm trong đó ngõ ra của FF sau cùng kết nối đến ngõ vào của FF đầu tiên Bộ đếm vòng tròn 4-bit (MOD-4) Biểu đồ chuyển trạng thái (Q0: MSB, Q3: LSB) Dạng sóng của bộ đếm vòng tròn Bảng tuần tự 63
33. Bộ đếm thanh ghi dịch Bộ đếm Jonhson (Jonhson counter) • Trong bộ đếm Johnson hay bộ đếm vòng xoắn (twisted-ring counter) ngõ ra bù (Q-bù) của FF cuối cùng sẽ kết nối với ngõ vào của FF đầu tiên. Bộ đếm Johnson 3-bit (MOD-6) (Q0: MSB, Q2: LSB) Biểu đồ chuyển trạng thái Bảng tuần tự Dạng sóng của bộ đếm Jonhson 65
34. Bộ đếm thanh ghi dịch Bộ đếm Jonhson (Jonhson counter) • Bộ đếm Johnson cần cổng logic bên ngoài để giải mã cho trạng thái. • Cổng AND-2 được dùng để giải mã cho bộ đếm Jonhson mà không quan tâm số FF được sử dụng. 67
35. Thảo luận? 69