Tài liệu Khảo sát hệ tổ hợp và hệ tuần tự ppt

Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ Trang 15
BÀI 2.
KHẢO SÁT HỆ TỔ HỢP VÀ HỆ TUẦN TỰ

I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU
Trong bài thí nghiệm này sinh viên sẽ được khảo sát một số mạch tổ hợp và mạch tuần tự đơn
giản: mạch so sánh 4 bít, mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit, bộ đếm không đồng bộ, bộ đếm đồng
bộ, thanh ghi dịch 4 bít.
Qua bài thí nghiệm sinh viên có thể hiểu được nguyên tắc hoạt động của một số mạch tổ hợp và
mạch tuần tự đơn giản, làm quen với một số vi mạch số TTL thường được sử dụng. Sau khi hoàn
thành bài thí nghiệm này, sinh viên có thể tự mình hệ thống hoá lại kiến thức đã tích luỹ trong giờ
học lý thuyết, trên cơ sở đó vận dụng để thiết kế được những mạch ứng dụng phức tạp hơn.
Để hoàn thành bài thí nghiệm này sinh viên cần nắm vững lý thuyết đã được học trong giáo trình
Kỹ Thuật Số về các hệ tổ hợp và hệ tuần tự.

II. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Mạch so sánh
Mạch so sánh dùng để so sánh các số nhị phân về mặt độ lớn. Có thể phân loại thành mạch so
sánh 1 bít và mạch so sánh nhiều bít. Trong đó, mạch so sánh 1 bít chỉ làm nhiệm vụ so sánh hai số
nhị phân 1 bít ở đầu vào trong khi mạch so sánh nhiều bít thường được ứng dụng nhiều hơn trong
thực tế. Về cấu tạo mạch so sánh hai số nhị phân nhiều bít thường được xây dựng trên cơ sở ghép
nối nhiều mạch so sánh 1 bít với nhau.
Giả sử cần so sánh 2 số nhị phân 4 bít như sau: A = a
3
a
2
a
1
a
0

và B = b
3
b
2
b
1
b
0
. Kết quả so sánh có
thể là A=B hay A>B hay A<B, như vậy mạch so sánh sẽ có 3 tín hiệu ra biểu thị kết quả so sánh
tương ứng với 1 trong 3 trường hợp trên. Ngoài các ngõ vào nhận 2 số nhị phân cần so sánh còn có
các đầu vào điều khiển.
Để thực hiện việc cộng 2 số nhị phân 4 bít người ta thường sử dụng vi mạch TTL 74LS85.

2. Mạch cộng
Mạch cộng thực hiện phép toán cộng 2 số nhị phân. Mạch cộng bán phần (Half Adder) chỉ cho
phép cộng 2 số nhị phân 1 bít mà chưa tính đến số nhớ của lần cộng trước đó, trong khi mạch cộng
toàn phần (Full Adder) cho phép cộng 2 số nhị phân 1 bít và có tính đến số nhớ của lần cộng trước.
Có 2 phương pháp để xây dựng mạch cộng toàn phần (Full Adder): phương pháp trực tiếp và
phương pháp sử dụng 2 mạch cộng bán phần (2 Half Adder).
Trên cơ sở mạch cộng toàn phần chúng ta có thể xây dựng mạch cộng 2 số nhị phân nhiều bít
bằng cách ghép nối nhiều bộ cộng toàn phần với nhau. Tùy theo kiểu ghép nối các bộ cộng toàn
phần chúng ta có mạch cộng 2 số nhị phân nhiều bít nối tiếp và mạch cộng 2 số nhị phân nhiều bít
song song. Mạch cộng nối tiếp có nhược điểm việc cộng được tiến hành tuần tự từng bít một (từ bít
có trọng số thấp đến bít có trọng số cao hơn) nên tốc độ tính toán chậm. Mạch cộng song song có
ưu điểm hơn do việc cộng từng cặp bít được tiến hành cùng một lúc, song số nhớ từ kết quả cộng 2
bít có trọng số thấp được chuyển lên nối tiếp nên tốc độ tính toán vẫn chậm.
Để khắc phục những nhược điểm trên, nâng cao tốc độ thực hiện phép toán cộng 2 số nhị phân
nhiều bít người ta chế tạo ra mạch cộng với số nhớ nhìn thấy trước (Carry Look Ahead) hay còn gọi
là mạch cộng nhớ nhanh (Fast Carry), với việc tính toán số nhớ được thực hiện trước khi có kết quả

phép cộng, do đó tốc độ thực hiện phép toán rất nhanh.
Trong bài thí nghiệm này chúng ta sẽ làm quen với vi mạch cộng nhớ nhanh hai số nhị phân 4 bít
74LS283.
Bài 2 – Digital Circuit Fundamentals 1 Trang 16

3. Bộ đếm
Bộ đếm được xây dựng trên cơ sở các Flip - Flop (FF) ghép nối với nhau sao cho hoạt động theo
một bảng trạng thái (qui luật) cho trước. Số lượng FF sử dụng là số hàng của bộ đếm.
Bộ đếm được sử dụng để tạo ra một dãy địa chỉ của lệnh điều kiển, đếm số chu trình thực hiện
phép tính, hoặc có thể dùng trong vấn đề thu và phát mã.
Có thể phân loại bộ đếm theo nhiều cách khác nhau:
- Phân loại theo cơ sở các hệ đếm: Bộ đếm thập phân, bộ đếm nhị phân.
Trong đó bộ đếm nhị phân được chia làm hai loại:
+ Bộ đếm với dung lượng đếm 2
n
.

+ Bộ đếm với dung lượng đếm khác 2
n
(đếm modulo M).
- Phân loại theo hướng đếm gồm: Mạch đếm lên (đếm tiến), mạch đếm xuống (đếm lùi),
mạch đếm vòng.
- Phân loại mạch đếm theo tín hiệu chuyển: bộ đếm nối tiếp, bộ đếm song song, bộ đếm hỗn
hợp.
- Phân loại dựa vào chức năng điều khiển:
+ Bộ đếm đồng bộ: Sự thay đổi ngõ ra phụ thuộc vào tín hiệu điều kiển Ck.
+ Bộ đếm không đồng bộ.
Mặc dù có rất nhiều cách phân loại nhưng chỉ có ba loại chính:
•
Bộ đếm không đồng bộ (đếm nối tiếp)

•
Bộ đếm đồng bộ (đếm song song)

•
Bộ đếm hỗn hợp.


a. Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous Counter)
Bộ đếm không đồng bộ, còn gọi là bộ đếm nối tiếp, là bộ đếm trong đó các TFF (hoặc JKFF giữ
chức năng của TFF) với ngõ vào T=1 được ghép nối tiếp với nhau, ngõ ra của TFF đứng trước nối
với ngõ vào Ck của TFF đứng sau, và hoạt động theo một loại mã duy nhất là BCD 8421. Đối với
loại bộ đếm này, các ngõ ra thay đổi trạng thái không đồng thời với tín hiệu điều khiển Ck (tức
không chịu sự điều khiển của tín hiệu điều khiển Ck) do đó được gọi là mạch đếm không đồng bộ.
Quy luật ghép nối các TFF nối tiếp nhau phụ thuộc vào 2 yếu tố: hướng đếm và tín hiệu Ck:


Ck sườn xuống (↓) Ck sườn lên (↑)
Đếm lên
Ck
i+1
= Q
i

Ck
i+1
=
i
Q

Đếm xuống
Ck
i+1
=
i
Q

Ck
i+1
= Q
i


b. Bộ đếm đồng bộ (Synchronous Counter)
Bộ đếm song song là bộ đếm trong đó các FF mắc song song với nhau và các ngõ ra sẽ thay đổi
trạng thái dưới sự điều khiển của tín hiệu Ck. Chính vì vậy mà người ta còn gọi bộ đếm song song
là bộ đếm đồng bộ.
Mạch đếm song song được sử dụng với bất kỳ FF loại nào và có thể đếm theo qui luật bất kỳ
cho trước. Vì vậy, để thiết kế bộ đếm đồng bộ (song song) người ta dựa vào các bảng đầu vào kích
của FF.
Trong bài thí nghiệm về bộ đếm chúng ta sẽ khảo sát vi mạch đếm 74LS193.

4. Thanh ghi dịch (Shift Register)
Thanh ghi dịch được xây dựng trên cơ sở các DFF (hoặc các FF khác thực hiện chức năng của
DFF) và trong đó mỗi DFF sẽ lưu trữ 1 bit dữ liệu.
Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ Trang 17
Để tạo thanh ghi dịch nhiều bit, người ta ghép nhiều DFF lại với nhau theo qui luật như sau:
• Ngõ ra của DFF đứng trước được nối với ngõ vào DATA của DFF sau (D
i+1
= Q

i
) → đây
là thanh ghi có khả năng dịch phải.
• Hoặc ngõ ra của DFF đứng sau được nối với ngõ vào DATA của DFF đứng trước (D
i
=
Q
i+1
) → đây là thanh ghi có khả năng dịch trái.
• Ngoài ra còn có thanh ghi vừa thực hiện dịch trái, vừa thực hiện dịch phải.
Việc nhập dữ liệu vào thanh ghi dịch có nhiều phương pháp:
• Nhập dữ liệu vào nối tiếp
• Nhập dữ liệu vào song song không đồng bộ
• Nhập dữ liệu vào song song đồng bộ
Các ngõ ra dữ liệu của thanh ghi dịch gồm có:
• Ngõ ra dữ liệu nối tiếp
• Các ngõ ra dữ liệu song song
Thanh ghi dịch được khảo sát trong bài thí nghiệm là thanh ghi dịch 4 bít 74LS194.
Trong các bộ thu phát dữ liệu nối tiếp thanh ghi dịch có thể được sử dụng để chuyển dữ liệu song
song thành dữ liệu nối tiếp và ngược lại; cũng có thể ứng dụng thanh ghi dịch để thực hiện phép
toán nhân hai và chia hai; cũng có thể ứng dụng thanh ghi dịch để thiết kế mạch thực hiện phép toán
cộng 2 số nhị phân nhiều bít..., ngoài ra thanh ghi dịch là một thành phần không thể thiếu trong các
bộ vi xử lý và vi điều khiển.

III. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
• 1 FACET Base Unit. (Đế lắp mạch thí nghiệm).
• 1 Digital Circuit Fundamental 1 board (Board mạch thí nghiệm).
• 1 VOM.
• 1 máy phát sóng vuông
• Các dây nối và các connector.

III. CÁC THÍ NGHIỆM

Board mạch thí nghiệm gồm các khối sau đây:

• REG (Regulator): Nguồn cung cấp.
• CLOCK: Tạo xung vuông có tần số 50KHz.
• PULSE: Mạch tạo xung kích khởi bằng tay.
• SIGNAL: Cung cấp các tín hiệu logic ngõ vào A, B, C, D.
• Các khối còn lại là các mạch chúng ta sẽ lần lượt khảo sát sau đây.
Bài 2 – Digital Circuit Fundamentals 1 Trang 18

1. Khảo sát mạch đếm không đồng bộ (đếm nối tiếp)
Khối mạch thực hiện: ASYNCHRONOUS RIPPLE COUNTER

a. Khảo sát tác dụng của các ngõ vào CLR và PR:
• Quan sát sơ đồ mạch của bộ đếm không đồng bộ (đếm nối tiếp) sử dụng 4 JKFF (được
thực hiện bằng 2 vi mạch 74LS76) thực hiện chức năng của TFF mắc nối tiếp với nhau.
• Khảo sát hoạt động xóa (CLEAR) và đặt trước (PRESET) bộ đếm bằng cách cấp tín hiệu
logic tương ứng cho các ngõ vào CLR và PR.
• Dùng tụ điện có giá trị C = 10 (µF) mắc thêm vào mạch để khảo sát tác dụng của mạch
RC trong việc “tự động” xóa FF và thiết lập FF lúc ban đầu khi bật nguồn cung cấp.

b. Khảo sát hoạt động đếm lên:
• Cấp xung Clock từ khối tạo xung PULSE vào ngõ vào CLOCK của mạch.
• Xóa bộ đếm về 0.
• Thay đổi vị trí công tắc ở khối PULSE để tạo xung kích khởi cho bộ đếm và quan sát sự
thay đổi trạng thái ngõ ra của bộ đếm từ giá trị 0000 đến 1111. Lưu ý: đèn sáng tương
ứng mức logic “1”, đèn tắt tương ứng mức logic “0”.

• Dùng máy phát sóng cấp tín hiệu xung vuông có tần số 1 Hz vào ngõ vào CLOCK của
bộ đếm và quan sát hoạt động đếm lên của mạch.
• Tăng tần số xung CLOCK của máy phát sóng để tăng tốc độ đếm.
• Có nhận xét gì khi tiếp tục tăng tần số xung CLOCK của bộ đếm? Cho biết đến tần số
xung CLOCK bằng bao nhiêu thì có thể xem như trạng thái của cả 4 đèn đều sáng?

2. Khảo sát mạch đếm đồng bộ (74LS193)
Khối mạch thực hiện: SYNCHRONOUS COUNTER
Vi mạch TTL 74LS193 là bộ đếm đồng bộ thuận/nghịch 4 bít, với các ngõ vào dữ liệu cho phép
nhập giá trị bắt đầu của bộ đếm (nội dung đếm).
Sơ đồ chân của vi mạch này được cho trên hình vẽ sau:


Đây là một vi mạch MSI (Medium Scale Integrated) được cấu tạo từ khoảng 55 cổng với sơ đồ
logic và đồ thị thời gian mô tả hoạt động của vi mạch được cho trên các hình vẽ sau:

Tập hướng dẫn thí nghiệm KỸ THUẬT SỐ Trang 19