Tín hiệu Số và Cổng Logic - Ttcb - Tổng Quan và Ứng Dụng | Thực tập cơ bản | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

I. Tín hiệu số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
II. Cổng logic cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1. Cổng NOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Cổng AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3. Cổng OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4. Cổng BUFFER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
5. Cổng NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
6. Cổng NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
7. Cổng EX-OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
8. Cổng EX-NOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
9. Cổng phức AOI (AND-OR-INVERTER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
III. Các ICs và LED 7 thanh trong mạch đếm thuận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1. IC đếm 74LS90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. IC SN7447 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. IC SN7400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4. LED 7 thanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
IV. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 O o c S | 33 080 I. Tín hiệu số
Tín hiệu số là tín hiệu được sử dụng để biểu diễn dữ liệu dưới dạng một chuỗi
các giá trị rời rạc; tại bất kỳ thời điểm nào, nó chỉ có thể đảm nhận một trong số
các giá trị hữu hạn. Điều này tương phản với một tín hiệu tương tự, đại diện cho
các giá trị liên tục; tại bất kỳ thời điểm nào, tín hiệu tương tự đại diện cho một
số thực trong phạm vi giá trị liên tục.
Các tín hiệu số đơn giản biểu thị thông tin trong các dải rời rạc của các mức
tương tự. Tất cả các cấp trong một dải các giá trị đại diện cho cùng một trạng
thái thông tin. Trong hầu hết các mạch kỹ thuật số, tín hiệu có thể có hai giá trị
có thể; đây được gọi là tín hiệu nhị phân hoặc tín hiệu logic. Chúng được biểu
thị bằng hai dải điện áp: một dải gần giá trị tham chiếu (thường được gọi là điện
áp đất hoặc 0 volt) và giá trị kia gần điện áp cung cấp. Các giá trị này tương ứng
với hai giá trị “0” và “1” (hoặc “sai” và “đúng”) của miền Boolean, do đó tại bất
kỳ thời điểm nào, tín hiệu nhị phân đại diện cho một chữ số nhị phân (bit). Do
sự rời rạc này, những thay đổi tương đối nhỏ đối với các mức tín hiệu tương tự
không rời khỏi đường bao rời rạc và kết quả là bị bỏ qua bởi mạch cảm biến
trạng thái tín hiệu. Kết quả là, tín hiệu số có khả năng chống nhiễu; nhiễu điện
tử, miễn là nó không quá lớn, sẽ không ảnh hưởng đến các mạch kỹ thuật số,
trong khi nhiễu luôn làm suy giảm hoạt động của tín hiệu tương tự ở một mức độ nào đó.
Tín hiệu số có nhiều hơn hai trạng thái đôi khi được sử dụng; mạch sử dụng các
tín hiệu như vậy được gọi là logic đa trị. Ví dụ, các tín hiệu có thể giả sử ba trạng
thái có thể được gọi là logic ba giá trị.
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 từ
khác, áp suất âm, từ hóa của phương tiện lưu trữ từ tính, vân vân. 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.
Figure 1 Tín hiệu số 1 O o c S | 33 080
Tín hiệu số nhận được có thể bị suy giảm do nhiễu và biến dạng mà không nhất
thiết ảnh hưởng đến các số.
II. Cổng logic cơ bản 1. Cổng NOT
• Còn gọi là cổng đảo (Inverter), dùng để thực hiện hàm đảo
• Ký hiệu (fig. 2), mũi tên chỉ chiều di chuyển của tín hiệu và vòng tròn là ký
hiệu đảo. Trong những trường hợp không thể nhầm lẫn về chiều này,
người ta có thể bỏ mũi tên.
Figure 2 Kí hiệu công NOT và bảng chân lí 2.Cổng AND
• Dùng thực hiện hàm AND 2 hay nhiều biến.
• Cổng AND có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra. Ngã ra của cổng
là hàm AND của các biến ngã vào.
• Ký hiệu cổng AND 2 ngã vào cho 2 biến (fig. 3a)
Figure 3 Kí hiệu cổng AND và bảng chân lí Nhận xét:
• Ngã ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả ngã vào lên cao.
• Khi có một ngã vào = 0, ngã ra = 0 bất chấp các ngã vào còn lại.
• Khi có một ngã vào =1, ngã ra = AND của các ngã vào còn lại. 2 O o c S | 33 080
Vậy với cổng AND 2 ngã vào ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát (fig. 3b),
khi ngã kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua
cổng và khi ngã kiểm soát = 0, cổng đóng , ngã ra luôn bằng 0, bất chấp ngã vào còn lại.
Với cổng AND có nhiều ngã vào hơn, khi có một ngã vào được đưa lên mức cao
thì ngã ra bằng AND của các biến ở các ngã vào còn lại.
Hình (fig. 4) là giản đồ thời gian của cổng AND hai ngã vào. Trên giản đồ, ngã ra
Y chỉ lên mức 1 khi cả A và B đều ở mức 1.
Figure 4 Giản đồ thời gian cổng AND 3.Cổng OR
• Dùng để thực hiện hàm OR 2 hay nhiều biến.
• Cổng OR có số ngã vào tùy thuộc số biến và một ngã ra. Ký hiệu cổng OR 2 ngã vào
Figure 5 Kí hiệu cổng OR • Bảng chân lí:
Figure 6 Bảng chân lí cổng OR 3 O o c S | 33 080 Nhận xét:
• Ngã ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi cả 2 ngã vào xuống thấp.
• Khi có một ngã vào =1, ngã ra = 1 bất chấp ngã vào còn lại.
• Khi có một ngã vào =0, ngã ra = OR các ngã vào còn lại.
Vậy với cổng OR 2 ngã vào ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã kiểm soát, khi ngã
kiểm soát = 0, cổng mở, cho phép tín hiệu logic ở ngã vào còn lại qua cổng và
khi ngã kiểm soát = 1, cổng đóng, ngã ra luôn bằng 1.
Với cổng OR nhiều ngã vào hơn, khi có một ngã vào được đưa xuống mức thấp
thì ngã ra bằng OR của các biến ở các ngã vào còn lại. 4.Cổng BUFFER
Còn gọi là cổng đệm. Tín hiệu số qua cổng BUFFER không đổi trạng thái logic.
Cổng BUFFER được dùng với các mục đích sau: • Sửa dạng tín hiệu.
• Đưa điện thế của tín hiệu về đúng chuẩn của các mức logic.
• Nâng khả năng cấp dòng cho mạch. Ký hiệu của cổng BUFFER.
Figure 7 Kí hiệu cổng BUFFER
Tuy cổng đệm không làm thay đổi trạng thái logic của tín hiệu vào cổng nhưng
nó giữ vai trò rất quan trọng trong các mạch số. 5.Cổng NAND
• Là kết hợp của cổng AND và cổng NOT. (Ở đây chỉ xét cổng NAND 2 ngã
vào, độc giả tự suy ra trường hợp nhiều ngã vào).
• Ký hiệu của cổng NAND: Gồm AND và NOT, cổng NOT thu gọn lại một vòng tròn.
• Tương tự như cổng AND, ở cổng NAND ta có thể dùng 1 ngã vào làm ngã
kiểm soát. Khi ngã kiểm soát = 1, cổng mở cho phép tín hiệu logic ở ngã
vào còn lại qua cổng và bị đảo, khi ngã kiểm soát = 0, cổng đóng, ngã ra luôn bằng 1.
• Khi nối tất cả ngã vào của cổng NAND lại với nhau, nó hoạt động như một cổng đảo 4 O o c S | 33 080
Figure 8 Kí hiệu cổng NAND 6.Cổng NOR
• Là kết hợp của cổng OR và cổng NOT.
• Ký hiệu của cổng NOR: Gồm cổng OR và NOT, nhưng cổng NOT thu gọn lại một vòng tròn
Figure 9 Kí hiệu cổng NOR 7.Cổng EX-OR
• Dùng để thực hiện hàm EX-OR.
• Cổng EX-OR chỉ có 2 ngã vào và 1 ngã ra • Ký hiệu (fig. 10a)
• Một tính chất rất quan trọng của cổng EX-OR:
Tương đương với một cổng đảo khi có một ngã vào nối lên mức cao, (fig. 10b)
Tương đương với một cổng đệm khi có một ngã vào nối xuống mức thấp, (fig. 10c)
Figure 10 Kí hiệu cổng EX-OR 8.Cổng EX-NOR
• Là kết hợp của cổng EX-OR và cổng NOT
• Cổng EX-NOR có 2 ngã vào và một ngã ra
• Hàm logic ứng với cổng EX-NOR là
• Các tính chất của cổng EX-NOR giống cổng EX-OR nhưng có ngã ra đảo lại. 5 O o c S | 33 080
Figure 11 Kí hiệu cổng EX-NOR
9.Cổng phức AOI (AND-OR-INVERTER)
Ứng dụng các kết quả của Đại số BOOLE, người ta có thể kết nối nhiều cổng khác
nhau trên một chip IC để thực hiện một hàm logic phức tạp nào đó. Cổng AOI là
một kết hợp của 3 loại cổng AND (A), OR (O) và INVERTER (I). Thí dụ để thực hiện hàm logic Ta có cổng phức sau:
Figure 12 Kí hiệu cổng phức AOI
III. Các ICs và LED 7 thanh trong mạch đếm thuận 1.IC đếm 74LS90
IC 74LS90 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số đếm lên và trong các mạch chia tần số.
Chức năng của các chân: 6 O o c S | 33 080 Số chân Tên chân Mô tả Clock input
2Ngõ vào xung đồng hồ 2 (xung kích cạnh 1 (CLKA) xuống)
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
Chân cấp nguồn 5V (4.75V – 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 8 Output 3 (QC) Ngõ ra 3 9 Output 2 (QB) Ngõ ra 2 10 Ground (0V) Chân nối đất 11 Output 4 (QD) Ngõ ra 4 12 Output 1 (QA) Ngõ ra 1 13 Not connected Không sử dụng 14 Clock input
1 Ngõ vào xung đồng hồ 1 (xung kích cạnh ( CLKA ) xuống)
IC đếm 74LS90 về cơ bản là mạch đếm thập phân MOD-10 tạo ra mã BCD ở các
ngõ ra. 74LS90 bao gồm bốn flip-flop JK chủ-tớ được kết nối bên trong để cung
cấp mạch đếm MOD-2 (2 trạng thái đếm) và mạch đếm MOD-5 (5 trạng thái
đếm). 74LS90 có một flip-flop độc lập được điều khiển bởi đầu vào CLKA và ba
flip-flop JK tạo thành một bộ đếm không đồng bộ được điều khiển bởi đầu vào CLKB như hình bên dưới. 7 O o c S | 33 080
Figure 13 Cấu tạo bên trong IC đếm 47LS490
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.
Bảng hoạt động Reset và đếm của IC đếm 74LS90 như sau:
Figure 14 Bảng hoạt động Reset và đếm của IC đếm 74LS90 8 O o c S | 33 080
Như đã trình bày ở trên, bên trong IC đếm 74LS90 gồm có mạch đếm chia 2 và
mạch đếm chia 5. Như vậy, chúng ta có thể sử dụng một trong hai mạch đếm:
hoặc chỉ mạch đếm chia 2 tần số hoặc chỉ bộ đếm chia 5 tần số hoặc kết hợp cả
hai mạch đếm với nhau để tạo ra mạch đếm BCD chia 10 như mong muốn. 2.IC SN7447
74LS47 là IC điều khiển / giải mã BCD sang 7 đoạn. Nó chấp nhận 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).
IC 74LS47 chấp nhận bốn dòng dữ liệu đầu vào BCD (8421) và tạo ra phần bổ
sung của chúng bên trong. Dữ liệu được giải mã bằng bảy cổng AND / OR để
điều khiển trực tiếp LED 7 đoạn.
Các đầu ra tương ứng với cấu hình cực dương chung (CA) của 7 đoạn.
Ứng dụng khi ta cần hiện thị số trên LED 7 đoạn trong mạch số mà không cần
dùng vi điều khiển, hoặc muốn tiết kiệm chân cho vi điều khiển.
• Sơ đồ chân và chức năng của chân 74LS47 9 O o c S | 33 080
Figure 15 Sơ đồ chân của IC 74LS47 Số chân Tên chân Mô tả 1 B Đầu vào BCD của IC 2 C Đầu vào BCD của IC 3 Display test / Lamp test Kiểm tra hiển thị LED 4 Blank input Tắt các LED hiển thị 5 Store
Lưu trữ hoặc nhấp nháy mã BCD 6 D Đầu vào BCD của IC 7 A Đầu vào BCD của IC 8 GND Chân nối mass 9 e Đầu vào 1 LED 7 đoạn 10 d Đầu vào 2 LED 7 đoạn 10 O o c S | 33 080 11 c Đầu vào 3 LED 7 đoạn 12 b Đầu vào 4 LED 7 đoạn 13 a Đầu vào 5 LED 7 đoạn 14 g Đầu vào 6 LED 7 đoạn 15 f Đầu vào 7 LED 7 đoạn 16 VCC Cấp nguồn
IC 74LS47 thường được sử dụng ở 4 chế độ hoạt động:
• Sáng bình thường đủ các trạng thái từ 0 ÷ 9 (thường dùng nhất). Chân
BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao, chân RBI phải bỏ trống hoặc
nối lên mức cao, chân LT phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao.
• Chân BI/RBO nối xuống mức thấp thì tất các các đoạn của LED đều không
sáng bất chấp trạng thái của các ngõ vào còn lại.
• Bỏ trạng thái số 0 (khi giá trị BCD tại ngõ vào bằng 0 thì tất cả các đoạn
của LED 7 đoạn đều tắt). Chân RBI ở mức thấp và chân BI/RBO phải bỏ
trống (và nó đóng vai trò là ngõ ra).
• Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao và chân LT phải nối
xuống mức thấp. Tất cả các thanh của LED 7 đoạn đều sáng, bất chấp các
ngõ vào BCD. Dùng để Kiểm tra các đoạn của LED 7 đoạn (còn sáng hay đã chết). 3.IC SN7400
IC SN7400 là họ logic phổ biến nhất trong mạch tích hợp, có thể được xây dựng
với một số thiết bị, cung cấp tất cả các cổng logic cơ bản, FF (dép xỏ ngón), bộ
đếm ALU, và bộ thu phát xe buýt. Họ IC số mở rộng là IC 7400 series. Dòng IC
này chủ yếu bao gồm các chip logic kín đáo khác nhau như cổng logic cùng với
các thanh ghi, bộ nhớ RAM và bộ giải mã khác nhau.
IC 7400 là một chip 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. Con chip này được tạo ra với các gói khác nhau như giá đỡ bề mặt và lỗ
xuyên qua, bao gồm gói gốm (hoặc) nhựa kép trong dòng và gói phẳng.
Sơ đồ chân và chức năng của IC SN7400: 11 O o c S | 33 080
Figure 16 Sơ đồ chân của IC SN7400 Số chân Tên chân Mô tả 1 1 A Đây là cổng A-input-1 2 1 B Cổng vào B-1 3 1 Y Cổng ra Y-1 4 2 A Cổng A-input-2 5 2 B Cổng đầu vào B-2 6 2 Y Cổng ra Y-2 7 GND
Thiết bị đầu cuối GND 8 3 Y Cổng ra Y-3 9 3 A Cổng A-input-3 10 3 B Cổng đầu vào B-3 11 4 Y Cổng đầu ra Y-4 12 O o c S | 33 080 12 4 A Cổng A-input-4 13 4 B Cổng đầu vào B-4 14 VCC Chân Vcc 4.LED 7 thanh
LED 7 thanh hay còn được gọi là LED 7 đoạn, bao gồm 7 đoạn đèn LED được
xếp lại với nhau thành hình chữ nhật. Khi các đoạn lập trình để chiếu sáng thì sẽ
hiển thị chữ số của hệ thập phân hoặc thập lục phân. Đôi khi LED số 8 được hiển
thị dấu thập phân khi có nhiều LED 7 thanh được nối với nhau để có thể hiển thị
được các số lớn hơn 2 chữ số. Figure 17 LED 7 thanh
Với các đoạn LED trong màn hình đều được nối với các chân kết nối để đưa ra
ngoài. Các chân này được gán các ký tự từ a đến g, chúng đại diện cho từng LED
riêng lẻ. Các chân được kết nối với nhau để có thể tạo thành một chân chung.
Chân Pin chung hiển thị thường được sử dụng để có thể xác định loại màn hình
LED 7 thanh đó là loại nào. Có 2 loại LED 7 thanh được sử dụng đó là Cathode
chung (CC) và Anode chung (CA):
• Cathode chung (CC): Trong màn hình Cathode chung thì tất cả các cực
Cathode cả các đèn LED được nối chung với nhau với mức logic “0” hoặc
nối Mass (Ground). Các chân còn lại là chân Anode sẽ được nối với tín
hiệu logic mức cao (HIGHT) hay mức logic 1 thông qua 1 điện trở giới
hạn dòng điện để có thể đưa điện áp vào phân cực ở Anode từ a đến G để
có thể hiển thị tùy ý. 13 O o c S | 33 080
Figure 18 LED 7 thanh cathode chung
• Anode chung (CA): Trong màn hình hiển thị Anode chung, tất cả các kết
nối Anode của LED 7 thanh sẽ được nối với nhau ở mức logic “1”, các
phân đoạn LED riêng lẻ sẽ sáng bằng cách áp dụng cho nó một tín hiệu
logic “0” hoặc mức thấp “LOW” thông qua một điện trở giới hạn dòng điện
để giúp phù hợp với các cực Cathode với các đoạn LED cụ thể từ a đến g.
Figure 19 LED 7 thanh Anode chung
Tùy thuộc vào các chữ số thập phân mà LED hiển thị. LED sẽ nên được phân cực
thuận. Chẳng hạn, nếu hiển thị chữ số 0 thì chúng ta bắt buộc cần phải làm sáng
6 đoạn LED tương ứng đó à a, b, c, d, f. Do đó, các con số khác nhau sẽ được thể
hiện từ 0 – 9 trên màn hình.
• Bảng chân lí của LED 7 thanh: Decima
Individual Segments il uminated l Digit a b c d e f g 0 x x x x x x 14 O o c S | 33 080 IV. Kết luận
Qua bài thực hành này, nhóm bọn em dưới sự hướng dẫn tận tình của giảng viên
hướng dẫn, đã học được nhiều kiến thức bổ ích từ cách hiểu nguyên lí của mạch,
sử dụng các linh kiện điện tử, sắp xếp linh kiện, đến cách đi dây sao cho đẹp mà
vẫn đúng quy tắc. Do thời gian không nhiều, nên không thể tránh được những sai
sót trong quá trình thiết kế mạch cũng như làm báo cáo. Cuối cùng, nhóm chúng
em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo
chúng em trong suốt quá trình học tập và thực hành. 15