Báo cáo thực tập cơ bản mạch kỹ thuật số với bộ Đếm thuận (00 Đến 59)

Cổng Đệm được sử dụng để tăng cường tín hiệu, giúp nó duy trì độ mạnh và chất lượng trong quá trình truyền đi ▪ Chuyển đổi mức logic: Trong một số ứng dụng, tín hiệu có thể cần được chuy

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Hà Nội, ngày 1 tháng 6 năm 2024

I Tìm hiểu về tín hiệu số

1 Tín hiệu số là gì?

Tín hiệu số còn được biết thông dụng với tên gọi tín hiệu digital có biên độ rời rạc, không liên tục nhau theo từng thời điểm Dạng tín hiệu này vận hành theo hệ nhị phân - tại bất kỳ một thời điểm nào, tín hiệu chỉ được thể hiện thông qua chữ số 0 và

1 Với 1 thể hiện mức điện thế cao (ở trạng thái ON) và 0 biểu diễn mức điện thế thấp (ở trạng thái OFF) Nói một cách đơn giản, khi ở trạng thái 0 thiết bị ngừng hoạtđộng, còn ở trạng thái 1 là thời gian thiết bị hoạt động Tín hiệu số được hình thành

từ công nghệ do đó thuận tiện hơn trong việc xử lý và lưu trữ dữ liệu

Tín hiệu digital là tín hiệu không có thật trong tự nhiên, được con người tạo ra bằng công nghệ nên có thể thay đổi điều chỉnh theo mục đích của mình Ví dụ: Điều chỉnh

âm lượng loa các thiết bị đa phương tiện, điều chỉnh âm thanh của loa Nôm na là không có sẵn mà phải nhờ tác động của con người thông qua công nghệ

Trong tín hiệu số, đại lượng vật lý đại diện cho thông tin có thể là dòng điện hoặc điện áp thay đổi, cường độ, pha hoặc phân cực của trường quang hoặc điện tử khác,

áp suất âm, từ hóa của phương tiện lưu trữ từ tính,… Tín hiệu số được sử dụng trong tất cả các thiết bị điện tử kỹ thuật số, đáng chú ý là thiết bị điện toán và truyền dữ liệu

Hình 1.1 Tín hiệu số (digital signal)

2 Ưu/nhược điểm tín hiệu số

Ưu điểm

▪ Tốc độ không làm ảnh hưởng hay gây méo dao động

▪ Khi sử dụng tín hiệu Digital trong quá trình truyền tải sẽ giúp loại bỏ các tạp âm

▪ Việc sao chép các thông tin được thực hiện chất lượng hơn và không bịhạn chế

▪ Tín hiệu Digital không bị ảnh hưởng bởi điện áp và dao động nhiệt Dù là các biến dạng tuyến tính hay không tuyến tính, digital vẫn không bị biến dạng

▪ Tín hiệu digital được biểu thị dưới dạng số 0 và 1 do vậy chúng dễ bị tổn thất khi truyền tải Trong quá trình truyền âm thanh nhưng sai sót một vài byte dữ liệu cũng khiến cho âm thanh bị lỗi

Mỗi tín hiệu đều có những ưu và nhược điểm riêng Trong cuộc sống chúngta không thể không có tín hiệu digital để lưu trữ và xử lý thông tin Mặc dù ứngdụng này có thể được thay thế bằng tín hiệu analog, tuy nhiên analog không thểtruyền tải được thông tin đi xa, do đó digital vẫn không thể thay thế

II Các cổng logic cơ bản và thuật toán logic

Trong điện tử học, cổng logic (logic gate) là mạch điện thực hiện một hàm Boole lý tưởng hóa Có nghĩa là, nó thực hiện một phép toán logic trên một hoặc nhiều logic đầu vào, và tạo ra một kết quả logic ra duy nhất, với thời gian thực hiện lý tưởng hóa

là không có trễ

Các cổng đơn giản nhất có số ngõ vào tối thiểu của phép toán (1 hoặc 2) đôi khi đượchiểu là cổng logic cơ bản Đó là 8 cổng: cổng Đệm, cổng NOT (đảo), cổng OR, cổng AND, cổng NOR, cổng NAND, cổng XOR, cổng XNOR Các cổng phức hợp thì nhiều ngõ hơn Gắn với cổng là bảng chân lý theo đại số Boole

1 Cổng BUFFER

Cổng logic BUFFER là loại cổng logic đơn giản nhất trong hệ thống, không thực hiệnbất kỳ phép toán logic nào

Nguyên lý hoạt động: cổng logic BUFFER là sao chép chính xác tín hiệu đầu vào

lên đầu ra mà không thay đổi giá trị hoặc tính chất của tín hiệu

Ứng dụng cổng BUFFER:

▪ Tăng cường tín hiệu: Trong các mạch điện tử phức tạp, tín hiệu có thể yếu hoặc

bị suy giảm khi đi qua nhiều mạch hoặc dây dẫn dài Cổng Đệm được sử dụng

để tăng cường tín hiệu, giúp nó duy trì độ mạnh và chất lượng trong quá trình truyền đi

▪ Chuyển đổi mức logic: Trong một số ứng dụng, tín hiệu có thể cần được chuyểnđổi từ mức logic thấp sang mức logic cao hoặc ngược lại Cổng Đệm có thể được sử dụng để thực hiện chức năng chuyển đổi này mà không làm thay đổi giá trị logic của tín hiệu

▪ Phân tách tín hiệu: Trong các mạch logic có đầu ra chia sẻ, cổng Đệm được sử dụng để phân tách tín hiệu đầu ra ra nhiều đường dẫn mà không ảnh hưởng đến giá trị của tín hiệu gốc

▪ Chia tín hiệu: Trong một số ứng dụng, cần phải sao chép một tín hiệu ra nhiều đường dẫn Cổng Đệm được sử dụng để sao chép tín hiệu một cách đáng tin cậy và chính xác

▪ Tham số cân bằng tải: Trong các mạch phức tạp, cổng Đệm có thể được sử dụng để cân bằng tải giữa các phần của mạch, giúp duy trì tính ổn định và hiệusuất của hệ thống

Ký hiệu

Biểu diễnBoole Bảng chân lý

1997

DIN40700/1976

Nguyên lý hoạt động: Cổng NOT chỉ có một đầu vào và một đầu ra Nguyên tắc cơ

bản của nó là chuyển đổi giá trị logic của đầu vào thành giá trị logic đối ngược ở đầu

ra Nếu đầu vào của cổng NOT là 0 (mức logic thấp), thì đầu ra sẽ là 1 (mức logic cao); và nếu đầu vào là 1 (mức logic cao), thì đầu ra sẽ là 0 (mức logic thấp) Điều này tương đương với việc “phủ định” giá trị của đầu vào

Ứng dụng cổng NOT:

▪ Mạch logic: Cổng OR được sử dụng để kết hợp tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau Ví dụ, trong các bộ xử lý dữ liệu, nó được sử dụng để xác định điều kiện hoạt động hoặc kích hoạt

▪ Mạch điều khiển: Cổng OR có thể được sử dụng để kích hoạt các hành động hoặc tình trạng cụ thể dựa trên nhiều điều kiện

▪ Xử lý tín hiệu số: Cổng OR được sử dụng để kết hợp hoặc phân tích các tín hiệu

từ nhiều nguồn, như trong các bộ lọc hoặc các quá trình xử lý tín hiệu

▪ Mạch lưu trữ dữ liệu: Trong các hệ thống lưu trữ dữ liệu như RAM (Random Access Memory), cổng OR được sử dụng để chọn đường dẫn truy cập hoặc xác định vị trí lưu trữ cụ thể

Ký hiệu

Biểu diễnBoole Bảng chân lý

1997

DIN40700/1976

Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của cổng AND là dựa trên logic

Boolean, trong đó cổng này sẽ cho ra kết quả đầu ra là “1” chỉ khi cả hai đầu vào đều

có giá trị là “1” Nếu một hoặc cả hai đầu vào có giá trị là “0”, thì đầu ra sẽ là “0”

Ứng dụng cổng AND: Cổng AND là một trong những cổng logic cơ bản nhất và có

nhiều ứng dụng thực tiễn trong điện tử và các lĩnh vực khác Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của cổng AND:

▪ Hệ thống đèn giao thông tự động: Cổng AND được sử dụng để kích hoạt đèn xanh chỉ khi cả hai điều kiện là đúng: đến lượt và không có xe đi ngang

▪ Trong bộ nhớ RAM: Cổng AND được sử dụng để lựa chọn dòng và cột để truy cập một ô nhớ cụ thể

▪ Trong một multiplexer: Cổng AND được sử dụng để chọn đường dẫn dữ liệu được truyền từ một trong nhiều nguồn đầu vào đến một đầu ra duy nhất

▪ Trong các bộ lọc số: Cổng AND được sử dụng để kích hoạt hoặc vô hiệu hóa các bộ lọc tùy thuộc vào các điều kiện đầu vào

▪ Hệ thống kiểm soát truy cập: Cổng AND có thể được sử dụng để mở cửa chỉ khithẻ truy cập và mã PIN đều chính xác

Ký hiệu Biểu diễn

DIN40700/1976

Nguyên lý hoạt động: Cổng NOT chỉ có một đầu vào và một đầu ra Nguyên tắc cơ

bản của nó là chuyển đổi giá trị logic của đầu vào thành giá trị logic đối ngược ở đầu

ra Nếu đầu vào của cổng NOT là 0 (mức logic thấp), thì đầu ra sẽ là 1 (mức logic cao); và nếu đầu vào là 1 (mức logic cao), thì đầu ra sẽ là 0 (mức logic thấp) Điều này tương đương với việc “phủ định” giá trị của đầu vào

Ứng dụng cổng OR:

▪ Inverter trong mạch logic: Cổng NOT thường được sử dụng làm inverter trong các mạch logic Điều này có nghĩa là nó chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ mức logic cao thành mức logic thấp và ngược lại

▪ Điều khiển tín hiệu: Trong các hệ thống điều khiển và tự động hóa, cổng NOT được sử dụng để chuyển đổi trạng thái của các thiết bị điện tử, như các relay hoặc transistor, từ trạng thái bật sang trạng thái tắt hoặc ngược lại

▪ Xử lý tín hiệu audio và video: Cổng NOT có thể sử dụng để đảo ngược tín hiệu

âm thanh hoặc video, hữu ích trong việc điều chỉnh âm lượng, phân phối tín hiệu và kiểm soát các yếu tố khác của tín hiệu

▪ Điều khiển đèn LED: Cổng NOT được sử dụng để điều khiển hoặc đảo ngược trạng thái của đèn LED, đèn hiển thị, đèn chiếu sáng tự động hoặc trong các hệthống chiếu sáng thông minh

▪ Chuyển đổi tín hiệu Digital: Trong các hệ thống kỹ thuật số, cổng NOT có thể được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu digital, thường kết hợp với các cổng khác như AND, OR và XOR để tạo ra các chức năng logic phức tạp hơn

Ký hiệu Biểu diễn

DIN40700/1976

Nhận xét: Ngõ ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi tất cả các ngõ vào xuống thấp Khi có

một ngõ vào bằng 1, ngõ ra bằng 1 bất chấp các ngõ vào còn lại

5 Cổng NAND

Cổng NAND là cổng kết hợp giữa cổng AND và cổng NOT Nó cho ra kết quả đầu ra TRUE chỉ khi tất cả các tín hiệu đầu vào đều là TRUE, ngược lại, kết quả đầu ra sẽ làFALSE Cổng NAND có khả năng thực hiện tất cả các phép toán logic cơ bản và có thể được sử dụng để xây dựng các mạch logic phức tạp

Nguyên lý hoạt động: Cổng NAND có hai hoặc nhiều đầu vào và một đầu ra

Nguyên lý hoạt động của cổng NAND là nếu cả các đầu vào của nó đều là logic cao (1), thì đầu ra sẽ là logic thấp (0); trong tất cả các trường hợp còn lại, đầu ra sẽ là logic cao (1) Tóm lại, cổng NAND hoạt động như một cổng AND sau đó kết hợp với một cổng NOT

Ứng dụng cổng NAND:

▪ Cổng NAND được sử dụng để tạo ra các mạch lưu trữ như bộ nhớ flash và các phần tử logic trong vi xử lý Các mạch NAND flash được sử dụng rộng rãi trong lưu trữ dữ liệu mà không cần nguồn điện liên tục

▪ Trong công nghệ tích hợp mạch, cổng NAND được sử dụng để tạo ra các mạch logic phức tạp và vi mạch Cổng NAND nhỏ gọn và hiệu quả, điều này rất quan trọng trong việc giảm kích thước và tiêu thụ năng lượng của các mạch tích hợp

▪ Trong lĩnh vực bảo mật thông tin, cổng NAND được sử dụng để tạo ra các mạch mã hoá và giải mã, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thông tin và

IEEE Std

91/91a-1991

1991IEC60617-12:

Nhận xét: Ngõ ra cổng NAND = 1 khi có ít nhất 1 ngõ vào của nó bằng 0 Ngõ ra

cổng NAND = 0 khi tất cả các ngõ vào của nó bằng 1

6 Cổng NOR

Cổng NOR là sự kết hợp giữa cổng OR và cổng NOT Khi tất cả các tín hiệu đầu vào

là FALSE, kết quả đầu ra sẽ là TRUE Chỉ khi ít nhất một trong các tín hiệu đầu vào

là TRUE, kết quả đầu ra mới là FALSE

Nguyên lý hoạt động: Cổng NOR có hai đầu vào và một đầu ra Đầu ra của cổng

NOR chỉ là mức logic cao (1) khi cả hai đầu vào đều là mức logic thấp (0); nếu bất kỳ một trong hai đầu vào là mức logic cao (1), thì đầu ra sẽ là mức logic thấp (0)

Ứng dụng cổng NOR:

▪ Trong các mạch nhớ, các cổng NOR thường được sử dụng để xây dựng các bộ nhớ latches và flip-flops, đóng vai trò trong việc lưu trữ dữ liệu trong các ứng dụng như bộ nhớ RAM

▪ Cổng NOR có thể được sử dụng để giảm nhiễu trong các tín hiệu, đặc biệt là trong các mạch số hoặc mạch xử lý tín hiệu

Ký hiệu

Biểu diễnBoole Bảng chân lý

1997

DIN40700/1976

Bảng 1.6

Nhận xét: Ngõ ra cổng NOR = 1 khi tất cả các ngõ vào của nó có giá trị 0 Ngõ ra

cổng NOR = 0 khi có ít nhất 1 ngõ vào của nó có giá trị 1

7 Cổng XOR

Cổng XOR (eXclusive OR) là một trong các cổng logic cơ bản trong điện tử kỹ thuật

số Cổng này thực hiện phép toán XOR giữa hai đầu vào Cổng XOR tạo ra kết quả đầu ra TRUE khi số lượng tín hiệu đầu vào TRUE là lẻ Nếu số lượng tín hiệu đầu vàoTRUE là chẵn, kết quả đầu ra sẽ là FALSE Cổng XOR thường được sử dụng trong việc so sánh và xác định các điều kiện tương đối giữa các tín hiệu đầu vào

Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của cổng XOR được mô tả bằng bảng

chân lý Đầu vào A và B là hai tín hiệu đầu vào của cổng XOR, đầu ra là kết quả của phép toán XOR giữa hai đầu vào đó

Ứng dụng cổng XOR:

▪ Cổng XOR được sử dụng rộng rãi trong các thuật toán mã hóa và giải mã, như AES (Advanced Encryption Standard) và một số thuật toán mã hóa dựa trên khóa đối xứng khác

▪ XOR cũng được sử dụng trong các thuật toán kiểm tra lỗi và sửa lỗi Ví dụ, mã Hamming là một loại mã sửa lỗi được sử dụng trong viễn thông số, và nó sử dụng phép toán XOR để xác định và sửa lỗi trong dữ liệu

▪ Trong các mạch điện tử, cổng XOR được sử dụng trong việc xử lý và điều khiển tín hiệu Ví dụ, trong một số ứng dụng vi xử lý tín hiệu số, cổng XOR có thể được sử dụng để thực hiện các phép toán logic đơn giản trên dữ liệu đầu vào

▪ XOR được coi là một vấn đề quan trọng trong máy học và mạng nơ-ron nhân tạo Một mạng nơ-ron nhân tạo cần có khả năng học và thực hiện phép toán XOR để có thể giải quyết các bài toán phức tạp hơn

Ký hiệu

Biểu diễnBoole Bảng chân lý

1997

DIN40700/1976

Nhận xét: Ngõ ra của cổng XOR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic bằngnhau Ngõ

ra của cổng XOR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic khácnhau

8 XNOR

Cổng XNOR tương tự như cổng XOR, nhưng kết quả đầu ra là TRUE khi số lượng tín hiệu đầu vào TRUE là chẵn và FALSE khi số lượng tín hiệu đầu vào TRUE là lẻ Cổng XNOR thường được sử dụng trong việc so sánh và kiểm tra tính tương đương giữa cáctín hiệu đầu vào.

Nguyên lý hoạt động: Cổng XNOR là một loại cổng logic trong hệ thống điện tử số,

thường được sử dụng để so sánh hai tín hiệu đầu vào và tạo ra một tín hiệu đầu ra dựa trên kết quả của phép so sánh Tên gọi “XNOR” đến từ viết tắt của “exclusive NOR”, chỉ rằng đầu ra của cổng này sẽ là mức cao (1) khi cả hai đầu vào cùng là mứccao (1) hoặc cả hai đầu vào đều là mức thấp (0) Ngược lại, nếu một trong hai đầu vào là mức cao và một là mức thấp, đầu ra sẽ là mức thấp (0)

1997

DIN40700/1976

Nhận xét: Ngõ ra của cổng XNOR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic khác nhau

Ngõ ra của cổng XNOR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic bằng nhau

III Các ICs và LED 7 thanh trong mạch đếm thuận

1 IC đếm 74LS90

IC 74LS90 thuộc họ TTL có công dụng đếm mã nhị phân chia 10 mã hóa BCD Cứ mỗi xung vào thì

IC74LS90 đếm tiến lên 1 và được mã hóa 4 chân khi đếm đến 10 thì nó sẽ reset và trở về ban đầu IC 74LS90 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số đếmlên vàtrong các mạch chia tần số

Hình 2.1 IC 74LS90 và sơ đồ chân

Số chân Tên chân Mô tả

1 Clock input 2(CLKB) Ngõ vào xung đồng hồ 2 (xung kích cạnhxuống)

2 Reset 1 (R0(1)) Chân Reset 1 (Reset về 0) – Tích cực mức 1

3 Reset 2 (R0(2)) Chân Reset 2 (Reset về 0) – Tích cực mức 1

4 Not connected (NC) Không sử dụng

5 Supply voltage (Vcc) Chân cấp nguồn 5V (4.75 - 5.25V)

6 Reset 3 (R9(1)) Chân Reset 3 (Reset về 9) – Tích cực mức 1

7 Reset 4 (R9(2)) Chân Reset 4 (Reset về 9) – Tích cực mức 1

13 Not connected (NC) Không sử dụng

14 Clock input 1(CLKA) Ngõ vào xung đồng hồ 1 (xung kích cạnhxuống)

Bảng 2.1 Bảng chân IC 74LS90

Hoạt động IC 74LS90:

IC 74LS90 về cơ bản là mạch đếm thập phân MOD-10 tạo ra mã BCD ởcác ngõ ra 74LS90 bao gồm bốn flip-flop JK chủ-tớ được kết nối bên trong đểcung cấp mạch đếm MOD-2 (2 trạng thái đếm) và mạch đếm MOD-5 (5 trạngthái đếm) 74LS90 có một flip-flop độc lập được điều khiển bởi đầu vào CLKAvà ba flip-flop JK tạo thành một bộ đếm không đồng bộ được điều khiển bởi đầuvào CLKB

Cấu tạo bộ đếm IC 74LS90:

Bốn ngõ ra của IC được ký hiệu là QA, QB, QC và QD Thứ tự đếm của 74LS90 được kích hoạt bởi cạnh xuống của tín hiệu xung đồng hồ, tức là khi tín hiệu xung đồng hồ CLK chuyển từ logic 1 (mức CAO) sang logic 0 (mức THẤP) thì xem như có xung đồng hồ tác động vào mạch đếm Các chân ngõ vào bổ sung R1, R2, R3 và R4 là các chân RESET Khi các ngõ vào RESET R1 và R2 được kết nối với logic 1, thì mạch đếm

sẽ bị RESET trở về 0 (0000) còn khi các ngõ vào R3 và R4 được kết nối với logic 1, thì mạch đếm được RESET về số 9 (1001) bất kể số đếm hoặc vị trị đếm hiện tại

Bộ đếm 74LS90 bao gồm bộ đếm chia cho 2 và bộ đếm chia cho 5 trong cùng một gói Sau đó, ta có thể sử dụng một trong hai bộ đếm để chỉ tạo ra bộ đếm tần số chia cho 2, chỉ sử dụng bộ đếm tần số chia cho 5 hoặc cả hai cùng nhau để tạo ra bộ đếm BCD chia cho 10 mà chúng ta mong muốn.Với bốn flip-flop tạo nên phần bộ đếm chiacho 5 bị vô hiệu hóa, nếu tín hiệu đồng hồ được áp dụng cho chân đầu vào 14 ( CLK

A ) và đầu ra lấy từ chân 12 ( Q A ), chúng ta có thể tạo ra một phép chia tiêu chuẩn by-2 bộ đếm nhị phân để sử dụng trong các mạch phân chia tần số như được hiển thị

-Bộ đếm chia 2 74LS90:

Hình 2.2 Bộ đếm chia 2 74LS90