Tín hiệu số - Định nghĩa, Đặc điểm và Ứng dụng | Thực tập cơ bản | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

I. Tín hiệu số: 1. Định nghĩa:
- 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). 2. Đặc điểm:
- Trạng thái tín hiệu: Dạng rời rạc tại các thời điểm khác nhau, chỉ
có 2 trạng thái (0 và 1) nên thân thiện với máy tính và các thiết bị
tính toán, phù hợp với xử lý và lưu trữ dữ liệu.
- Lưu trữ: Dữ liệu được lưu dưới dạng bit (0 và 1), cho phép lưu trữ
thông tin với dung lượng lớn trên các thiết bị nhớ như ROM, ổ đĩa cứng, SSD,...
- Truyền tải: Dữ liệu có thể được truyền đi nhanh chóng, nhưng vẫn
có khả năng bị nhiễu làm ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng.
- Phạm vi ứng dụng: Phổ biến trong các hệ thống truyền thông, tính
toán, lưu trữ dữ liệu và xử lý đa phương tiện. 1
3. Ưu điểm và nhược điểm: Ưu điểm Nhược điểm
- Truyền tải tín hiệu chuẩn xác - Tín hiệu số digital dễ bị lỗi tín
và có khả năng lọc bỏ các tạp
hiệu âm thanh vì tín hiệu số âm.
biểu diễn ở dạng dữ liệu số nên
- Sao chép thông tin dữ liệu hạn trong quá trình truyền tải có thể
chế giảm chất lượng và có thể thất thoát một vài byte.
sao chép vô số lần không giới
- So với tín hiệu analog thì tín hạn.
hiệu số digital có quy trình xử
- Tín hiệu digital ít bị biến dạng lý tín hiệu khá phức tạp và tốn
bởi các tác động như dao động kém hơn. nhiệt và điện áp.
- Tín hiệu số digital yêu cầu
- Tất cả các thông tin dạng kỹ
băng thông lớn hơn nhiều so
thuật số đều được mã hóa dễ với tín hiệu analog. dàng.
- Các phần mềm, công cụ có
thể chỉnh sửa với tín hiệu số. 4. Ứng dụng: Trong truyền thông:
- Mạng viễn thông di động:
+ Gọi thoại và truyền dữ liệu qua mạng 4G/5G.
+ Ứng dụng trong các ứng dụng nhắn tin như Zalo, Messenger.
- Mạng truyền hình số: Phát trực tiếp trên nền tảng số như YouTube, TikTok. - Mạng Internet:
+ Truyền tải dữ liệu qua cáp quang, Ethernet.
+ Dịch vụ đám mây (Google Drive, Dropbox).
Trong xử lý âm thanh và video: - Chỉnh sửa âm thanh:
+ Tạo nhạc số trong các phần mềm như FL Studio, Logic Pro.
+ Ứng dụng Auto-Tune để chỉnh giọng hát.
- Chỉnh sửa video: Phần mềm xử lý video như Adobe Premiere, Final Cut Pro.
- Phát nhạc và video trực tuyến: Spotify, Netflix, YouTube. 2 Trong lĩnh vực y tế:
- Chẩn đoán hình ảnh: Máy MRI, CT Scan, X-quang sử dụng xử lý
tín hiệu số để tái tạo hình ảnh cơ thể.
- Thiết bị theo dõi sức khỏe: Đồng hồ thông minh đo nhịp tim,
lượng oxy trong máu (Apple Watch, Fitbit).
- Phân tích tín hiệu sinh học: Đo điện não (EEG), điện tâm đồ
(ECG) để phân tích bệnh lý.
Điều khiển và tự động hóa:
- Robot công nghiệp và dây chuyền tự động hóa. - Smart Home.
II. Các cổng logic cơ bản: 1. Cổng NOT:
- Cổng NOT là một cổng Logic thực hiện thuật toán phủ định Logic
tín hiệu đầu vào. Cổng NOT còn được gọi là cổng ĐẢO (Inverter).
Cổng NOT chỉ có một ngõ vào và một ngõ ra. - Kí hiệu: - Bảng trạng thái: Ngõ vào Ngõ ra A Q 0 1 1 0
- Biểu thức logic: Q = A 2. Cổng AND:
- Cổng AND là một cổng logic thực hiện thuật toán nhân logic các
tín hiệu đầu vào. Cổng AND dùng thực hiện hàm AND của 2 hay
nhiều biến. Cổng AND có số ngõ vào tuỳ thuộc vào số biến và có một ngõ ra. 3 - Kí hiệu: - Bảng trạng thái: Các ngõ vào Ngõ ra A B Q 111 100 010 000 Nhận xét:
+ Ngõ ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả các ngõ vào lên cao.
+ Khi có một ngõ vào bằng 0, ngõ ra bằng 0 bất chấp các ngõ vào còn lại. - Biểu thức logic: Q=A.B 3. Cổng OR:
- Cổng OR là một cổng logic thực hiện thuật toán tổng logic các tín
hiệu đầu vào. Cổng OR dùng thực hiện hàm OR của 2 hay nhiều
biến. Cổng OR có số ngõ vào tuỳ thuộc vào số biến và có một ngõ ra. - Kí hiệu: - Bảng trạng thái: Các ngõ vào Ngõ ra 4 A B Q 111 101 011 000 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.
- Biểu thức logic: Q = A + B 4. Cổng NAND:
- Cổng NAND là kết hợp của cổng AND và cổng NOT. Ngõ ra của
cổng NAND là đảo với ngõ ra cổng AND. - Kí hiệu: - Bảng trạng thái: Các ngõ vào Ngõ ra A B Q 110 101 011 001 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.
- Biểu thức logic: Q = A.B 5 5. Cổng NOR:
- Cổng NOR là kết hợp của cổng OR và cổng NOT. Ngõ ra của
cổng NOR là đảo với ngõ ra cổng OR. - Kí hiệu: - Bảng trạng thái: Các ngõ vào Ngõ ra A B Q 110 100 010 001 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 - Biểu thức logic: Q = A+B 6. Cổng EX-OR:
- Cổng EX-OR dùng để thực hiện hàm EX-OR. Cổng EX-OR chỉ có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra. - Kí hiệu: - Bảng trạng thái: 6 Các ngõ vào Ngõ ra A B Q 110 101 011 000 Nhận xét:
+ Ngõ ra của cổng EX-OR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic bằng nhau.
+ Ngõ ra của cổng EX-OR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic khác nhau. - Biểu thức logic: Q = A B +B A 7. Cổng EX-NOR:
- Cổng EX-NOR là kết hợp của cổng EX-OR và cổng NOT, dùng để
thực hiện hàm EX-NOR. Cổng EX-NOR chỉ có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra. - Kí hiệu: - Bảng trạng thái: Các ngõ vào Ngõ ra A B Q 111 100 010 001 Nhận xét: 7
+ Ngõ ra của cổng EX-NOR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic khác nhau.
+ Ngõ ra của cổng EX-NOR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic bằng nhau.
- Biểu thức logic: Q = AB+AB III. Các IC: 1. IC 74LS90:
- IC 74LS90 là một vi mạch logic thuộc
họ TTL Low-power Schottky (LS). Nó
được sử dụng phổ biến trong các ứng
dụng đếm (counter) vì khả năng đếm nhị phân hoặc thập phân Chân IC: Chân Tên
chân Mô tả chi tiết
Chân 1 là đầu vào xung clock của MOD 5 trong
IC. Là chân tích cực mức thấp (chỉ kích hoạt khi 1 CLKB
có giá trị logic mức thấp), để thay đổi trạng thái ở
3 bit đầu ra. Tại các đầu ra có xung thay đổi từ
mức cao đến thấp, ba bit đầu ra sẽ bị thay đổi.
Chân 2 được sử dụng như một chân reset trong 2 R1
IC. Nó sẽ cho giá trị lớn nhất ở đầu ra. Sử dụng kết hợp với chân 3.
Chân 3 cũng được sử dụng như một chân reset 3 R2
trong IC. Nó sẽ kích giá trị lớn nhất ở đầu ra. Sử
dụng kết hợp với chân 2. 4
NC Chân 4 không quan trọng nó được đấu nối hay
không vì nó sẽ không ảnh hưởng đến mạch. 5 VCC
Chân 5 là chân đầu vào cấp nguồn.
Chân 6 được sử dụng như một chân reset trong 6 R3
IC. Nó sẽ xóa tất cả giá trị các đầu ra khi kết hợp với R4. 7
R4 Chân 7 cũng được sử dụng như một chân reset.
Nó sẽ xóa tất cả các đầu ra khi kết hợp với R3. 8 8
QC Chân 8 là một chân đầu ra. Nó là bit thứ hai của dữ liệu đầu ra 4 bit.
Chân 9 cũng là một chân đầu ra. Nó là bit LSB 9 QB
thứ hai (Bit có trọng số thấp thứ 2) của dữ liệu đầu ra 4 bit. 10 GND
Chân 10 là chân nối đất. 11
QD Chân 11 là bit đầu ra có trong số lớn nhất của dữ liệu đầu ra 4 bit. 12
QA Chân 12 là bit đầu ra có trọng số nhỏ nhất của dữ liệu đầu ra 4 bit. 13
NC Chân 13 là chân không cần đấu nối. Nó sẽ không
ảnh hưởng đến vi mạch như chân 4. 14
CLKA Chân 14 là chân đầu vào xung clock dùng để cấp xung clock cho MOD 2 của IC. Nguyên lí hoạt động:
- IC 74LS90 được chia thành hai phần đếm độc lập:
+ MOD 2 Counter (Bộ đếm Modulo-2):
Được điều khiển bởi chân CLKA.
Có đầu ra là bit thấp nhất (QA).
Đếm từ 0 đến 1 theo chu kỳ, tức mỗi hai xung clock thì trạng
thái QA thay đổi một lần.
+ MOD 5 Counter (Bộ đếm Modulo-5):
Được điều khiển bởi chân CLKB (lấy tín hiệu từ đầu ra của MOD 2).
Có các đầu ra là QB, QC, QD.
Đếm từ 0 đến 4 theo chu kỳ, tức sau mỗi 5 xung từ MOD 2,
MOD 5 sẽ quay lại trạng thái ban đầu.
- Khi kết hợp MOD 2 và MOD 5, IC có thể đếm từ 0 đến 9, sau đó
tự động quay lại trạng thái ban đầu (Modulo-10). Quy trình đếm: - Xung Clock:
+ Khi có xung tại CLKA, bit QA sẽ thay đổi trạng thái (từ 0 → 1 hoặc 1 → 0).
+ Sau khi QA thay đổi đủ 2 lần (1 chu kỳ của MOD 2), MOD 5 bắt đầu đếm qua CLKB. 9 - Chuyển trạng thái: Xung QA QB QC QD CLKA 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 2 0 1 0 0 3 1 1 0 0 4 0 0 1 0 5 1 0 1 0 6 0 1 1 0 7 1 1 1 0 8 0 0 0 1 9 1 0 0 1
- Reset: Khi các chân R1 và R2 được kích hoạt đồng thời (mức logic
cao), toàn bộ các đầu ra QA, QB, QC, QD sẽ được đặt về 0, đưa IC về trạng thái ban đầu. 2. IC 74LS47:
- 74LS47 là IC điều khiển / giải mã BCD sang 7 đoạn. Nó
chấpnhận một số thập phân
được mã hóa nhị phân làm đầu
vào và chuyển đổi nó thành
một mẫu để điều khiển 7 đoạn
để hiển thị các chữ số từ 0 đến
9. Số thập phân được mã hóa
nhị phân (BCD) là một kiểu
mã hóa trong đó mỗi chữ số
của một số được biểu diễn
bằng chuỗi nhị phân của chính nó (thường là bốn bit). Chân IC Chân Tên
chân Mô tả chi tiết 10 1 B Đầu vào BCD. 2 C Đầu vào BCD. 3 LT
Lamp Test – Kiểm tra bằng cách bật tất cả các đoạn LED. 4
BI/RBO Blanking Input/Ripple Blanking Output – Tắt
LED hoặc xuất tín hiệu làm mờ ripple. 5 RBI
Ripple Blanking Input – Đầu vào kiểm soát làm mờ ripple trên LED. 6 D
Đầu vào BCD (bit MSB - Most Significant Bit). 7 A
Đầu vào BCD (bit LSB - Least Significant Bit). 8 GND Nối đất 9 e
Đầu ra điều khiển đoạn e của LED 7 đoạn. 10 d
Đầu ra điều khiển đoạn d của LED 7 đoạn. 11 c
Đầu ra điều khiển đoạn c của LED 7 đoạn. 12 b
Đầu ra điều khiển đoạn b của LED 7 đoạn. 13 a
Đầu ra điều khiển đoạn a của LED 7 đoạn. 14 g
Đầu ra điều khiển đoạn g của LED 7 đoạn. 15 f
Đầu ra điều khiển đoạn f của LED 7 đoạn. 16 VCC Nguồn cấp
IC 7447 thường được dùng ở 4 chế độ hoạt động là:
- Sáng bình thường đủ các trạng thái từ 0 đến 9 (chế độ thường dùng
nhất). Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc là được nối lên mức cao,
chân RBI phải bỏ trống hoặc được nối lên mức cao, chân LT phải
bỏ trống hoặc phải nối lên mức cao.
- Chân BI/RBO khi nối xuống mức thấp thì tất các các đoạn của
LED sẽ đều không sáng dù trạng thái của các ngõ vào còn lại như thế nào.
- Bỏ trạng thái số 0 (khi BCD tại ngõ vào bằng 0 thì tất cả các đoạn
của LED 7 đoạn sẽ đều tắt). Chân RBI nằm ở mức thấp và chân
BI/RBO phải được bỏ trống (đóng vai trò như một ngõ ra).
- Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc được nối lên mức cao và chân
LT phải được nối xuống mức thấp. Tất cả các thanh của LED 7
đoạn sẽ đều sáng, bất chấp các ngõ vào BCD khác như thế nào.
Được sử dụng để Kiểm tra các đoạn của LED 7 đoạn xem liệu còn sáng hay không. 11 3. IC 74LS00:
- IC 7400 là một IC logic 14 chân và nó bao gồm bốn cổng NAND 2
đầu vào. Mỗi cổng đều sử dụng chân 2 đầu vào & chân 1 đầu ra,
bởi 2 chân còn lại là nguồn và đất. Chân IC: Chân Tên
chân Mô tả chi tiết 1 1A
Đầu vào A của cổng NAND thứ nhất 2 1B
Đầu vào B của cổng NAND thứ nhất 3 1Y
Đầu ra của cổng NAND thứ nhất 4 2A
Đầu vào A của cổng NAND thứ hai 5 2B
Đầu vào B của cổng NAND thứ hai 6 2Y
Đầu ra của cổng NAND thứ hai 7 GND Nối đất 8 3Y
Đầu ra của cổng NAND thứ ba 9 3A
Đầu vào A của cổng NAND thứ ba 10 3B
Đầu vào B của cổng NAND thứ ba 11 4Y
Đầu ra của cổng NAND thứ tư 12 4A
Đầu vào A của cổng NAND thứ tư 13 4B
Đầu vào B của cổng NAND thứ tư 14 VCC Nguồn cấp IV. Led 7 thanh:
- LED 7 thanh, còn được gọi là LED 7
đoạn, là một thiết bị hiển thị đơn giản
và phổ biến trong các hệ thống điện tử.
Nó được cấu tạo từ 7 đoạn LED nhỏ,
được sắp xếp theo hình chữ nhật để có
thể hiển thị các chữ số từ hệ thập phân 12
(Decimal) hoặc hệ thập lục phân (Hexadecimal). Mỗi đoạn được
điều khiển độc lập để tạo ra các chữ số hoặc ký tự khác nhau.
- Ngoài 7 đoạn chính (được đánh tên a, b, c, d, e, f, g), nhiều LED 7
đoạn còn được trang bị thêm một đoạn thứ 8 gọi là dp (decimal
point). Đoạn này được dùng để hiển thị dấu thập phân, đặc biệt
hữu ích khi nhiều LED 7 đoạn được kết nối với nhau để hiển thị
các số lớn hơn 2 chữ số hoặc số có phần thập phân. Tên chân Mô tả a Điều khiển đoạn a b Điều khiển đoạn b c Điều khiển đoạn c d Điều khiển đoạn d e Điều khiển đoạn e f Điều khiển đoạn f g Điều khiển đoạn g dp
Điều khiển dấu chấm thập phân (nếu có) COM Chân chung (Anode hoặc Cathode)
lED 7 đoạn được chia thành 2 loại chính: - Common Anode (CA):
+ Tất cả các cực dương của LED được nối chung.
+ Các đoạn LED sáng khi chân cực âm (Cathode) của chúng được
nối với tín hiệu mức thấp (0V).
+ Phù hợp với IC giải mã như 74LS47. - Common Cathode (CC):
+ Tất cả các cực âm của LED được nối chung.
+ Các đoạn LED sáng khi chân cực dương (Anode) của chúng
được nối với tín hiệu mức cao (+5V).
Hiển thị số trên LED 7 đoạn: Số hiển thị
Các đoạn sáng (a, b, c, d, e, f, g) 0 a, b, c, d, e, f 1 b, c 2 a, b, d, e, g 13 3 a, b, c, d, g 4 b, c, f, g 5 a, c, d, f, g 6 a, c, d, e, f, g 7 a, b, c 8 a, b, c, d, e, f, g 9 a, b, c, d, f, g 14