Quy trình thiết kế máy thu phát ký tự 48 bit bằng ngõ ra flip-Flop của cổng logic AND

Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 12 không thể thiếu cho những công việc cần thiết đối với con người, đối với những công dân của thế kỷ 21. Chúng ta là những công dân, kỹ sư của những nhà máy, xí nghiệp, thì việc tuân thủ giờ giấc là một yêu cầu nghiêm ngặt. Do đó, cần có hệ thống báo giờ để giúp mọi người nắm bắt được giờ giấc kịp thời mà không ảnh hưởng đến công việc. Có rất nhiều báo giờ đã và đang được lắp đăët, từ những loại thô sơ dến những loại hiện đại. Từ những đồng hồ cơ khí, bán cơ khí sau cùng là đồng hồ điện tử. Chỉ riêng đồng hồ điện tử cũng có rất nhiều loại. Và theo em loại đồng hồ báo thức đơn giản và phổ biến nhất là:”Mạch báo giờ dùng EPROM”. II. Muçc đích nghiên cứu  Ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn.  Tìm hiểu sâu hơn những kiến thức đã được học.  Bổ sung những kiến thức còn thiếu.  Để hoàn thành chương trình học. III. Giới hạn vấn đề Do thời gian và kiến thức có hạn nên việc thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu xót trong việc thiết kế và thi công. Em chỉ thực hiện dược các ý tưởng sau: Báo giờ, ngày, thứ và báo chuông theo giờ đặt sẵn. Có thể ý tưởng của em không phải là tối ưu nhất. Rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn. IV. Phân tích công trình liên hệ Thông qua việc tham khảo đề tài"thiết kế và thi công đồng hồ báo giờ"cuả Vũ Lê Đức Trí và Đoàn Nam Sơn. Đề tài này chỉ thiết kế phần báo giờ. A. LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Chương I: CÁC MẠCH CƠ BẢN I. CÁC MẠCH LOGIC 1. Cổng AND Dùng để thực hiện phép nhân logic Kí hiệu: Bảng trạng thái A B Y Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 13 A B Y 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 Nhận xét: ngõ ra của cổng logic AND chỉ lên mức 1 khi các ngõ vào là 1  A,B: ngõ vào tín hiệu logic  0: mức logic thấp  1: mức logic cao  Y: đáp ứng ngõ ra 2. Cổng NOT Dùng để thực hiện phép đảo Kí hiệu: Bảng trạng thái A Y 0 1 1 0 Tín hiệu giữa ngõ ra và ngõ vào luôn ngược mức logic nhau 3. Cổng NAND Dùng thực hiện phép đảo của phép nhân logic Kí hiệu: Bảng trạng thái A B Y 0 0 1 0 1 0 1 1 1 A Y Y B A A B Y Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 14 1 1 0 Nhận xét: Ngõ ra của cổng NAND ở mức logic 1 khi tất cả các đầu vào là 0. 4. Cổng OR Dùng thực hiện chức năng cộng logic Kí hiệu: Bảng trạng thái. A B Y 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 Nhận xét: Ngõ ra cổng OR ở mức logic 1 khi ngõ vào có ít nhất một ngõ ở 1 5. Cổng NOR Dùng thực hiện phép đảo cổng OR Kí hiệu: Bảng trạng thái A B C 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 Nhận xét: ngõ ra cổng NOR sẽ ở mức 1 khi tất cả các đầu vào là 0 6. Cổng EX-OR Dùng tạo ra tín hiệu mức 0 khi các đầu vào cùng trạng thái. Kí hiệu: Bảng trạng thái A B Y 0 0 1 0 1 0 0 1 1 B A Y B A Y B A Y Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 15 1 1 0 Tóm lại: Trên đây người viết giới thiệu 6 loại cồng logic :AND, NOT, NAND, OR, NOR, EX-OR. Nhưng thực tế chỉ cần 4 cổng AND, OR, EX-OR, NOT thì có thể có được các cổng còn lại. Hiện nay các cổng logic được tích hợp trong các IC. Một số IC thông dụng chứa các cổng thông dụng là: 4 AND 2 ngõ vào: 7408, 4081 6 NOT : 7404,4051 4 NAND 2 ngõ vào:7400, 4071 4 NOR 2 ngõ vào: 7402, 4001 4 EX-OR 2 ngõ vào:74136, 4030 II. Mạch Flip-Flop. Flip - Flop là các phần tử cơ bản để tạo thành các mạch đếm, các thanh ghi, các bộ nhớ…. là phần tử thường có 2 đầu ra và nhiều đầu vào. 1. Flip - Flop RS Flip - Flop RS là loại FF đơn giản nhất chỉ có hai đầu vào điều khiển trực tiếp. Kí hiệu: Bảng chân lý: S R Q Q\ 0 0 0 1 1 0 1 1 Qn Qn\ 0 1 1 0 Không dùng 2. Flip - Flop RST: Còn được gọi là Flip - Flop nhịp. Mạch có các đầu vào điều kiện trực tiếp và các đầu vào đồng bộ cộng với xung nhịp Cp. 3. Flip-Flop Chủ tớ (Master - Slave): Là mgät dạng FF rất phổ biến gồm 2 phần và có 2 khối điều khiển riêng nhưng lại có quan hệ với nhau. FF chủ thực hiện chức năng logic cơ S R QN Q Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 16 bản của hệ Flip-Flop tớ thực hiện chức năng nhớ trạng thái của hệ sau khi hoàn thành việc ghi thông tin. Dưới sự điều khiển của xung clock Cp, việc ghi thông tin vào Flip- Flop chủ tớ được thực hiện qua 4 bước:  Bước 1: cách ly giữa 2 Flip-Flop chủ và tớ.  Bước 2: ghi thông tin vào Flip-Flop chủ.  Bước 3: cách ly giữa đầu vào và Flip-Flop chủ.  Bước 4: chuyển thông tin từ Flip-Flop chủ đến tớ. 4. Flip - Flop JK: Là một FF vạn năng có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật số. Trong FF này ngoài 2 đầu vào kích thích trực tiếp Sd và Rd, còn có 2 đầu vào điều khiển đồng bộ JK đầu vào xung clock Cp. Kí hiệu: Bảng trạng thái: J K Q 0 0 0 1 1 0 1 1 Q0 0 1 Qn Về cấu tạo: Flip-Flop JK phức tạp hơn FF RS và FF RST, nhưng chúng có khả năng hoạt động lớn hơn bởi vì cáclý do sau: Vẫn điều khiển trực tiếp qua Sd, Rd. Các đầu vào J, K không có đặc tính như S và R. Tuy nhiên khi J - K = 1 thì mạch hoạt động như một Flip - Flop T (nghĩa là Q vẫn được xác định trofg khi FF RS, RST thì bị cấm). Chú ý: khi Flip - Flop nẫy bằng xung clock ta cần chú ý: Flip - Flop tác động bằng mức điện thế hay bằng cạnh (sườn). Một số IC chứa Flip - Flop JK: SJCPK R QN Q Cp Q Q\ X2' FF Master FF Slave X1 X2 X1' Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 17  7470: FF JK nẩy bằng cạnh lên, với Preset và xoá, có cửa and ở ngõ vào.  7472: FF JK chủ tớ nẩy ở mức cao với Preset và xoá, có cửa and ở ngõ vào.  7473: FF JK với xoá, nẩy ở mức cao, (74LS73 nẩy ở cạnh xuống).  74112: hai FF JK với xoá, Preset, nẩy bằng cạnh xuống.  4027: chưá 2FF độc lập, Set, Reset nẩy ở cạnh lên. 5. Flip - Flop D: Kí hiệu: Bảng trạng thái D Qn+1 Qn+1 0 1 0 1 1 0 Đầu ra của Flip-Flop D lặp lại trạng thái đầu vào D ở thời điểm trước đó. Ta có thể chế tạo FF D từ FF JK, RS… Các IC chứa Flip-Flop D: 7474,74174,74175… 6. Flip - Flop T: Là Flip-Flop có hai đầu ra Q, Q\ và đầu vào dữ liệu T. Kí hiệu: Bảng trạng thái T Qn+1 Qn+1 0 1 Qn Qn Qn Qn T = 1: đầu ra nẩq liên tục theo xung clock T = 0: đầu ra giữ vị trí cũ không đổi. III. Mạch đếm Mở đầu: Mạch đếm hạch đếm xung là một hệ lôgic dãy được tạo thành từ sự kết hợp của các Flip - Flop. Mạch có một đầu vào cho xung đếm và nhiều đầu ra. Các đầu ra này thường là các đầu ra Q cho các FF. Vì Q chỉ có thể có hai trạng thái là 1 và 0 cho nên sự sắp xếp các đầu ra này cho phép ta biểu D CP QN Q T Cp Q Q Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 18 diễn kết quả dưới dạng một số hệ hai có số bit bằng số FF dùng trong mạch đếm. Điều kiện cơ bản để một mạch được gọi là mạch đếm là nó có các trạng thái khác nhau, tối đa của mạch cũng bị giới hạn. Số xung tối đa đếm được gọi là dung lượng của mạch đếm. A B C D Nếu cứ tiếp tục kích thích khi đã tới hạn mạch sẽ trở về trạng thái khởi đầu, tức là mạch có tính chất tuần hoàn. Có nhiều phương pháp kết hợp các Flip-Flop cho nên có rất nhiều loại mạch đếm. Tuy nhiên, chúng ta có thể sắp chúng vào ba loại chính là: mạch đếm nhị phân, mạch đếm BCD, và mạch đếm modul M. Mạch đếm nhị phân: Là loại mạch đếm trong đó có trạng thái của mạch được trình bày dưới dạng số nhị phân. Một mạch đếm nhị phân sử dụng n Flip-Flgp sẽ có dung lượng là 2n. Mạch đếm BCD: Thường dùng 4 FF nhưng chỉ cho mười trạng thái khác nhau để biểu diễn các số hệ 10 từ 0 đến 9. Mạch đếm modul M: Là mạch đếm có dung lượng là M, với M là số nguyên dương bất kỳ. Vì vậy mạch đếm loại này có rất nhiều dạng khác nhau tuỳ theo sáng kiến của nhà thiết kế nhằm thoả mãn nhu cầu sử dụng. Mạch đếm modul M thường dùng cổng logic với Flip-Flop và các kiểu hồi tiếp đặc biệt để có thể trình bày kết quả dưới dạng số hệ hai tự nhiên hay dưới dạng mã nào đó. Về chức năng của mạch đếm, người ta phân biệt: Các mạch đếm lên (up counters) hay còn gọi là mạch đếm cộng, mạch đếm thuận. Các mạch đếm xuống: (down counters) hay còn gọi là mạch đếm trừ, mạch đếm nghịch. Các mạch đếm lên - xuống (up - down counters) hay còn gọi là mạch đếm hỗn hợp, mạch đếm thuận nghịch. Xung đếm Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 19 Về phương pháp đưa xung clock vào mạch đếm, người ta phân ra: Phương pháp đồng bộ: Phương pháp này xung clock được đưa đến các Flip Flop cùng một lúc. Phương pháp không đồng bộ: Phương pháp này xung clock được đưa đến một FF, rồi các FF còn lại kích thích lẫn nhau. Tốc độ tác động của maçch đếm là tham số quan trọng và được xác định bởi hai tham số khác là: Tần số cực đại của dãy xung mà bộ đếm có thể đếm được. Khoảng thời gian thiết lập của mạch đếm: tức là khoảng thời gian từ khi đưa xung đếm vào mạch cho tới khi thiết lập xong trạng thái trong bộ đếm tương ứng với khung đầu vào. Các Flip-Flop thường dùng trong mạch đếm là loại RST và JK dưới dạng rời hay tích hợp. Mạch ghi: Mỗi Flip-Flop có hai trạng thái ổn định (hai trạng thái bền) và ta có thể kích thích Flip-Flop để có được một trong hai trạng thái như ý muốn. Sau khi kích thích Flip-Flop sẽ giữ hai trạng thái này cho đến khi nó buộc bị thay đổi. Vì có đặc tính như vậy nên ta bảo rằng Flip-Flop là mạch có tính nhớ được hay mạch nhớ. Như vậy, nếu dùng nhiều Flip-Flop ta có thể ghi vào đó một hay nhiều dữ liệu đã được mã hoá dưới dạng một chuỗi các số hệ nhị phân là 0 và 1. Các FF dùng vào công vaệc như thế tạo thành một loại mạch là mạch ghi mà trong nhiều trường hợp còn gọi là thanh ghi (register). Thông thường các FF không nằm cô lập mà chúng được nối lại với nhau theo một cách nào đó để có thể truyền từng phần dữ liệu cho nhau. Dưới hình thức này ta có thanh ghi dịch (shift register). Thanh ghi dịch là một phần tử quan trọng trong các thiết bị số từ máy đo cho đến máy tính. Ngoài nhiệm vụ ghi nhớ dữ liệu, chúng còn thực hiện một số chức năng khác nhau. Có hai phương pháp đưa dữ liệu vào mạch là: nối tiếp (serial) và song song (parallel) tạo thành các mạch ghi nối tiếp và mạch ghi song song. Thanh ghi được tích hợp trong các IC sau:  74164  4034 : thanh ghi độc lập 8 bit. Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 20  74165  4021 : thanh ghi dịch 8 bit.  74166  4014 : thanh ghi dịch 8 bit.  74194  40194 :thanh ghi dịch 4 bit.  74195  40195 :thanh ghi dịch 4 bit. Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 21 Chương II: GIAO TIẾP GIỮA TTL VÀ CMOS I. MỤC ĐÍCH GIAO TIẾP: Trong khi một ngõ TTL có thể thúc trực tiếp nhiều ngõ TTL, một ngõ ra CMOS có thể thúc trực tiếp nhiều ngõ CMOS: thì đôi khi ta phải dùng hỗn tạp IC TTL và Cmo8 trong cùng một mạch hay vì hệ thống vì lẽ không có IC cùng loại, lúc đó vấn đề giao tiếp giữa hai loại họ IC được đặt ra mà lý do là điện thế ra, vào và khả năng dòng ra vào của hai mạch logic khác nhau. Sau đây là bảng giá trị dòng điện và điện áp cho việc giao tiếp CMOS và TTL: Thông số 4000B 74HC 74HTC 74 74LS 74AS 74ALS VIH (min) 3,5V 3,5V 2,0V 2,0V 2,0V 2,0V 2,0V VIL (max) 1,5 1,0V 0,8V 0,8V 0,8V 0,8V 0,8V VOH (min) 4,95 4,6 2,4V 2,7V 2,7V 2,7V 2,7V VOL (max) 0,05V 0,1V 0,1V 0,4V 0,5V 0,5V 0,4V IIH (max) 1A 1 1A 40A 20A 200A 20A IIL (max) 1A 1 1A 1,6A 0,4A 2mA 100A IOH (max) 0,4mA 4mA 4mA 0,4mA 0,4mA 2mA 400A IOL (max) 0,4mA 4mA 4A 16mA 8mA 20mA 8mA II. GIAO TIẾP GIỮA TTL VÀ CMOS. Khi ngõ ra của cửa TTL ở mức cao (logic 1) dòng điện từ Vcc chạy qua transitor tải hay điện trở kéo lên để vào mạch CMOS. Dòng điện tải (vào mạch CMOS) phải nhỏ hơn dòng điện nguồn của mạch TTL ở mức logic 1 để không hạ thấp mức điện thế ra của mạch TTL xuống dưới mức điện thế vào ở trạng thái 1 của mạch CMOS. Vì dòng điện vào trạng thái 1 của mạch CMOS. Chỉ bằng ở 10pA nên không có vấn đề gì. Mạch TTL có 3 kiểu mạch ra: điện trở kéo lên, cực thu để hở và kéo đèn tích cực. Do đó xét 3 trường hợp: Điện trở kéo lên: trường hợp mạch ngõ ra có điện trở kéo lên như hình 1 ta có thể mắc trực tiếp vào CMOS. Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 22 Cực thu để hở: (hình 2): với mạch TTL có ngõ ra kiểu này ta phải mắc thêm điện trở kéo lên để giao tiếp với CMOS. Không nên sử dụng hỗn tạp mạch CMOS, TTL làm tải mà chỉ toàn CMOS thôi. Ngõ ra kéo lên tích cực (hình 3) đây là kiểu ra phổ biến nhất của TTL. Điện thế ra tối thiểu ở mức cao 2,4 V là dòng điện tải 100 A. Khi tải là cuửa CMOS điệ nthế ra ở logic 1 của mạch TTL là: V0 = Vcc - VBE - VD - RB . 10pA B Điện thế này dưới 4V khiến CMOS không hoạt động đúng nên phải dùng điện trở kéo lên Rx bên ngoài mạch TTL. (hình 4). Cách chọn điện trở kéo lên: Trị số tối thiểu của điện trở kéo lên Rx cho bởi: Rx (min) = VDD - VOL (max) IOL - NIIL VOL (max): điện thế tối đa ra ở mức logic 0 của TTL. Hình 1 TTL +V 5V NPN 1k Hình 2 +V 5V CMOS 1k Io +V 5V TTL CMOS Hình 4 +V 5V NPN NPN