Thiết kế mạch đếm bằng Flip Flop

Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

7.1.1: Mạch đếm lên

7.1.2: Mạch đếm xuống

7.1.3: Mạch đếm lên / xuống

7.1.4: Ảnh hưởng truyền của mạch đếm
không đồng bộ

7.1.5: Giải mã cho mạch đếm

7.1.6: Xung nhọn tạo ra bởi mạch giải mã
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Một mạch đếm gồm 4 FF T mắc nối tiếp. Các ngõ vào
T (hay J=K) của cả 4 tầng FF đều để trống hay nối
lên +V
cc
. Xung cần đếm được đưa vào ngõ ck tác động
cạnh xuống của tầng FF đầu tiên (nó có thể là một
chuỗi xung vuông có chu kì không cố định)

Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so
Giản đồ thời gian xung của ngõ vào và các ngõ ra bộ đếm :
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Mạch đếm thường hoạt động ở trạng thái ban đầu là

0000 do đó một xung tác động mức thấp sẽ được áp vào
ngõ Cl của các tầng FF để đặt trạng thái ngõ ra là
0000.

Khi xung đếm ck tác động cạnh xuống đầu tiên thì Q
0

lật trạng thái tức là Q
0
= 1. Ở cạnh xuống thứ 2 của
xung ck, Q
0
lại lật trạng thái một lần nữa, tức là Q
0
= 0.
Như vậy cứ sau mỗi lần tác động của ck Q
0
lại lật trạng
thái một lần, sau 2 lần ck tác động, Q
0
lặp lại trạng thái
ban đầu, do đó nếu xung ck có chu kì là T và tần số là f
thì xung ngõ ra Q
0
sẽ có chu kì là 2T và tần số còn 1/
2
f.
Như vậy xung đếm ck đã được chia đôi tần số sau 1
tầng FF.
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Như vậy với 4 FF ta có 16 trạng thái logic ngõ ra từ
0000(0
10
) ở xung đếm đầu tiên đến 1111 (15
10
) ở xung
đếm thứ 16, tức là trị thập phân ra bằng số xung đếm
vào và vì vậy đây là mạch đếm nhị phân 4 bit (có 4 tầng
FF, tần số được chia đổi sau mỗi tầng) hay mạch đếm
chia 16

Do Q
0
lại trở thành ngõ vào xung đếm của FF thứ 2
(FF B) nên tương tự tần như vậy f
Q1
bằng một nửa f
Q0
.
Với 4 tầng FF thì
f
Q3
= 1/
2
f
Q2
= 1/
4

f
Q1
= 1/
8
f
Q0
= 1/
16
f
Bảng sự thật của mạch đếm nhị phân 4 bit như sau :
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Ở trước là mạch đếm lên lần lượt chia 2 tần số, số hệ 10
ra tương ứng là từ 0 đến 15. Cũng có khi cần mạch đếm
xuống từ 15 xuống 0 chẳng hạn, cách nối mạch sẽ như thế
nào?

Hình dưới trình bày cấu trúc mạch đếm xuống nhị phân 4 bit. Ngõ
ra Q lần lượt của tầng trước sẽ được nối đến ngõ vào ck của tầng
sau đó. Xung đếm ck vẫn tác động ở mức thấp
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Các ngõ ra và cách thức xoá mạch, đưa xung vào
giống như ở trước. Ngõ ra Q của tầng FF đầu dổi
trạng thái ở đổi cạnh xuống của xung vào các ngõ
ra khác đổi trạng thái ở cạnh xuống của ngõ ra Q',
tức là cạnh lên của ngõ ra Q
0
của FF kề trước.
Dạng sóng ở ngõ vào và các ngõ ra cùng với mức

logic sau mỗi xung vào và kết quả số đếm được
trình bày như hình dưới đây. Để ý rằng sau xung ck
đầu tiên thì mạch se đếm ngay lên số đếm cao nhất
là 15 rồi dần dần xuống 14, … cho tới 0 tổng cộng
sau 15 xung ck và tới xung ck thứ 16 mạch sẽ tự
động xoá về 15 để đếm xuống trở lại.
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so
So sánh dạng sóng đếm lên và đếm xuống
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Cấu trúc của mạch sẽ được thiết kế như sau :
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Các mạch đếm ở trước tự động quay
vòng (đếm lên tối đa rồi reset trở lại 0 để
đếm lên hay đếm xuống tới 0 rồi reset
lên tối đa để đếm xuống lại) nếu xung
tiếp tục vào.
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Ảnh hưởng của trì hoãn được thể hiện rõ hơn qua
giản đồ xung sau
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Gọi T là chu kỳ xung vào, n là số tầng
FF, tD trì hoãn truyền mỗi tầng thì để
mạch đếm dợn sóng cho đến số đếm đúng
phải thỏa.
T ≥ ntD


Với n chọn trước thì tần số xung vào tối
đa là:
fmax = 1 / Tmin = 1 / ntD
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so
Hãy xét qua một số ví dụ sau :

Ở phần mạch giải mã để hiển thị led 7 đoạn,
mạch đếm đã được ứng dụng để tạo số đếm cho
mạch giải mã từ 0000(0) đến 1010(9
10
)

Còn đây là 1 ứng dụng đơn giản khác : yêu cầu
được đặt ra là phải biết được mạch đếm đến một
số nào đó (chẳng hạn 5) rồi hiển thị ra led.
Khoa hoc tu nhien - ly thuyet mach so

Cách sử dụng cổng logic để tạo trạng thái ngõ ra
làm sáng led từ tổ hợp trạng thái logic ngõ vào khi
mạch đếm đến 5. Cách mắc sẽ như sau :

Một ứng dụng đơn giản khác là dùng mạch
đếm này để tạo khoảng xung vuông điều
khiển tải (chẳng hạn động cơ chạy hay mở
van xả) trong khoảng thời gian 3s đếm từ
số 7 đến số 10

Giải pháp để giải bài toán trên là sẽ dùng
cổng logic để tạo mạch giải mã số

0111(7
10
) để kích ngõ ra lên cao rồi giải mã
số 1010(10
10
) để kích ngõ ra xuống thấp
trở lại. Hai đường giải mã này được đưa
vào ngõ Pr và Cl của mạch chốt để đặt ngõ
ra lên mức cao khi Pr và xoá nó khi Cl.

Mạch thực hiện kết nối như sau :
Xung nhọn tạo ra bởi mạch giải mã

Như đã nói ở trước, các FF đều có trì hoãn truyền.
Điều này sẽ khiến cho mạch giải mã số đếm
không thay đổi trạng thái logic dứt khoát mà tạo
các xung nhọn (Spike) hay còn gọi là bất ổn đột
biến (Glitch).

Cách dùng xung đánh dấu (strobe) để ngăn phát
sinh xung nhọn. Tức là các cổng giải mã (NAND
hay AND) có thêm một ngõ vào được nối chung
tính hiệu strobe.

(hình)

Tính hiệu strobe là tính hiệu điều khiển hay cho
phép, được cho xuất hiện sau khi mạch đếm đã
vừa đạt đến sự đếm ổn định.


Chu kỳ tối đa của xung vào mạch đếm cho bởi:

T ≥ nT
D
+ T
S

n là số tầng FF
Mạch đếm không đồng bộ không
theo hệ nhị phân

Với mạch đếm dùng n FF mắc nối tiếp thì số mod
(số trạng thái logic ra) là 2
n
, và mạch sẽ đếm từ 0
đến 2
n – 1
(4 FF đếm tới 16 trạng thái).

Trong nhiều trường hợp ta cần mạch đếm có số
mod không theo 2
n

Ví dụ: mạch đếm mod-10 (mạch đếm thập giai),
mod-6, mod-12, mod-N

Các mạch đếm này có đủ trạng thái N