Hệ điều khiển logic

ong thực tế. Trong nội dung bản đồ án tốt nghiệp này, giới thiệu một cách khái quát nhất về lý thuyết điều khiển logic và đi sâu vào thiết kế mạch điều khiển ma trận 6.9 hiển thị 3 chữ số JVC với vòng sáng bao xung quanh chạy từ trái sang phải. Đó là một trong những ứng dụng của kĩ thuật số vào trong công việc thiết kế các mạch điện tran trí. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy Vương Cộng cùng toàn thể các thầy cô đã giúp em hoàn thành tốt bản Đồ án tốt nghiệp này. Hà Nội 6/2003. SINH VIÊN : Việt. TRầN NAM VIệT. – Lớp điện tử 11 K44. Trường đại học bách khoa hà nội. Phần 1 Chương I Đặc điểm cơ bản và phương pháp tổng hợp mạch logic tổ hợp I/ Đặc điểm cơ bản của mạch tổ hợp. Trong các mạch số, mạch tổ hợp là mạch mà trị số ổn định của tín hiệu đầu ra ở thời điểm bất kì chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu vào ở thời điểm đó. Trong mạch tổ hợp, trạng thái mạch điện trước thời điểm xét, tức là trước khi có tác động của tín hiệu đầu vào không ảnh hưởng của tín hiệu đầu ra. Đặc điểm của cấu trúc mạch tổ hợp là được cấu trúc nên từ các cổng logic. +) Các phương pháp biểu thị chức năng logic: . Bảng chân lý. . Sơ đồ logic. . Bảng Karnaugh. . Đồ thị thời gian dạng sóng. Đối với vi mạch cỡ nhỏ (SSI) thường biểu thị bằng hàm logic, với vi mạch cỡ vừa (MSI) thường biểu thị bằng bảng chân lý, hay là bảng chức năng. Bảng chức năng dùng hình thức bảng kê với mức logic cao (H) thấp là (L) để mô tả quan hệ logic giữa tín hiệu đầu vào,ra của mạch điện , chỉ cần thay giá trị logic cho trạng thái trong bảng chức năng, thì ta có bảng chân lý tương ứng. Mạch tổ hợp +) Sơ đồ khối mạch tổ hợp. F1 X1 Fn Xn Z1=f1 (x1,x2,……….,xn ) Z2=f2 (x1,x2,……….,xn ) .. .. .. ... Zn=fn(x1,x2,……….,xn ) Một cách tổng quát hàm logic của tín hiệu đầu ra có thể viết như trên hoặc viết dưới dạng vectơ như: Z= F (X). II/Phương pháp tổng hợp mạch logic tổ hợp. Ta có thể tóm tắt quá trình tổ hợp qua sơ đồ sau: Bài toán Hình thức hoá (bảng chân lý hay phương trình logic) Tối thiểu hoá hàm logic Chọn cổng và vẽ sơ đồ logic Kết thúc 1/ Phân tích yêu cầu. Yêu cầu nhiệm vụ thiết kế của vấn đề logic thực có thể là một đoạn văn, cũng có thể là một bài toán logic cụ thể. Nhiệm vụ phân tích là xác định cái nào là biến đầu vào, cái nào là biến đầu ra và mối quan hệ logic giữa chúng với nhau. Muốn phân tích đúng thì phải tìm hiểu xem xét một cách cụ thể yêu cầu thiết kế, điều này là rất quan trọng vì nó gắn liền với quá trình thiết kế. 2/ Hình thức hoá (Bảng chân lý hay phương trình logic). Nói chung, đầu tiên chúng ta nên liệt kê thành bảng về mối quan hệ tương ứng, giữa trạng thái tín hiệu đầu vào với trạng thái hàm số đầu ra. Đó là bảng kê yêu cầu chức năng logic, gọi tắt là Bảng chức năng. Tiếp theo ta thay giá trị logic cho trạng thái tức là dùng các số (0) và (1) biểu thị các trạng thái tương ứng của đầu vào và đầu ra. Kết quả ta có bảng giá trị thực logic, gọi tắt là Bảng chân lý .Đây chính là hình thức đại số của yêu cầu thiết kế. Cần lưu ý rằng từ một bảng chức năng ta có thể có nhiều bảng chân lý khác nhau. Nếu thay các giá trị logic khác nhau tức quan hệ giữa logic đầu ra với đầu vào cũng phụ thuộc vaò việc thay giá trị. Ví dụ: Ta có sơ đồ nguyên lý dùng hai chuyển mạch A,B mắc song song điều khiển bóng đèn Z. A B Ä Z E Chuyển mạch A Chuyển mạch B Bóng đèn Z Ngắt Ngắt Đóng Đóng Ngắt Đóng Ngắt Đóng Tắt Sáng Sáng Sáng Bảng chức năng Nếu ta thay thế giá trị logic theo 4 cách khác nhau thì sẽ có 4 biểu thức logic khác nhau. *Thay: 1 = đóng + sáng. 0= ngắt + tắt. A B Z 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 Z=A+ B (OR)  Bảng chân lý *Thay: 0= đóng + sáng. A B Z 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1= ngắt + tắt. Z= A.B (AND) Bảng chân lý *Thay: 1= đóng + tắt. A B Z 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0= ngắt + sáng. Z= A+ B (NOR) Bảng chân lý *Thay: 0=đóng +tắt. 1= ngắt + sáng. A B Z 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Z= A.B (NAND) Bảng chân lý Vậy phải căn cứ vào giá trị thay thế trạng thái để xác định ý nghĩa cụ thể của 0 và 1 ( Tức là ý nghĩa thực của bảng chân lý ). Khi thiết bảng chức năng hoặc bảng chân lý, có thể không liệt kê trạng thái tín hiệu đầu vào nào không thể có hay bị cấm. Những tổ hợp này cũng có thể được liệt kê, nhưng tại đầu ra ở trạng thái tương ứng ta ghi một dấu “x” mục đích tạo cho việc tối thiểu hoá hàm logic. 3/ Tiến hành tối thiểu hoá. Vì trực tiếp thiết kế sơ đồ logic hàm số có được từ bảng chân lý thường là rất phức tạp.Nếu sau khi đã thực hiện tối thiểu hoá hàm logic, nói chung việc thực hiện thuận tiện hơn, không những tiết kiệm được số linh kiện mà còn nâng cao được độ tin cậy. +) Khái niệm tối thiểu hoá. Đầu tiên các số hạng dạng tích phải là ít nhất. - Nếu đã thoả mãn, thì số biến của mỗi số hạng cũng phải là ít nhất. Dưới đây ta đưa ra 3 phương pháp thường dùng để tối thiểu hoá. Nếu số biến tương đối ít nhất thì có thể dùng phương pháp bảng Karnaugh, nếu số biến tương đối nhiều thì ta nên dùng phương pháp đại số. a. Phương pháp tối thiểu hoá bằng biến đổi đại số. Dựa vào các công thức và các định lý trong đại số logic để thực hiện tối thiểu hoá. Vì trong thực tế, biểu thức logic rất đa dạng, lại không có một cách nào hoàn chỉnh như một qui trình, nên việc đạt đến một biểu thức logic tối thiểu một cách nhanh nhất sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng, kinh nghiệm của mỗi người. Dưới đây ta đưa ra một số công thức thường dùng sau. *Luật đồng nhất: A.A=A A+A=A *Định lý De Morgan: A.B= A + B A+B = A.B *Luật hoàn nguyên: A = A *Phép XOR: AÅ B= A.B +A.B Các công thức : A.B + A.B = A A + A.B = A A + A.B = A + B A.B + A.C + B.C = A.B + A.C A.B + A.B = A.B + A.B A.B + A.C = A.B + A.C ẳẳẳ A.A = 0 A + A = 1 b) Phương pháp tối thiểu hóa bằng bảng Karnaugh. Quy luật gộp (dán) các số hạng nhỏ nhất trên bảng Karnaugh. Trên bảng Karnaugh của biến, tất cả các số hạng nhỏ nhất kề nhau đều có thể gộp lại với nhau, khi gộp lại thì có thể khử bỏ biến liên quan. Cụ thể cứ hai số hạng nhỏ nhất gộp lại thì khử bỏ một biến, bốn số hạng gộp lại khử bỏ được hai biến. Vậy tổng quát cứ 2n số hạng nhỏ nhất gộp lại thì khử bỏ được n biến. Dưới đây ta thực hiện dán các số hạng nhỏ nhất A\BC 00 01 11 10 1 1 0 1 (a) ABC + ABC = BC A\BC 00 01 10 11 1 1 0 1 (b) A B C + ABC = BC A\BC 00 01 11 10 1 1 0 1 (c) A BC + ABC = AB AB\CD 00 01 11 10 1 1 00 01 11 10 ABCD + ABCD = ACD AB\CD 00 01 11 10 1 1 00 01 11 10 (e) ABCD + ABCD = ABD AB\CD 00 01 11 10 1 1 00 01 11 10(f) A B C D + A B C D = B C D AB\CD 00 01 11 10 1 1 00 01 11 10 (g) A B C D + A B C D = A B D A\BC 00 01 11 10 1 1 1 1 0 1 A B C + A B C + A B C + A B C = B A\BC 00 01 11 10 1 1 1 1 0 1 A B C + A B C + A B C + A B C = B A\BC 00 01 11 10 1 1 1 1 0 1 A B C + A B C + A B C + A B C = C AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 00 01 11 10 A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = AD AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 00 01 11 10 A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = B D AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 00 01 11 10  (e) A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = A B AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 00 01 11 10 (e) A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = B D AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 1 1 1 1 00 01 11 10 (a) = B AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 1 1 1 1 00 01 11 10 (a) = B AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 1 1 1 1 00 01 11 10 (c) = D AB\CD 00 01 11 10 1 1 1 1 1 1 1 1 00 01 11 10 = C Cần lưu ý : Vòng gộp phải càng to càng tốt, tương ứng số các số hạng nhỏ nhất được gộp lại càng nhiều. Do đó sau khi gộp số hạng càng ít thừa số. Mỗi vòng gộp gồm ít nhất một số hạng nhỏ nhất không có trong vòng khác, vòng nào mà có số hạng chứa trong vòng khác thì vòng đó là thừa. Mặt khác, mỗi số hạng nhỏ nhất có thể được sử dụng nhiều lần ( có mặt trong nhiều vòng khác nhau ). Phải khoanh vòng sao cho toàn bộ số hạng nhỏ nhất của hàm số, đều có các vòng, không sót. Các thừa số tương ứng của số hạng vòng gộp xếp làm thành số hạng của hàm đã tối thiểu hóa. Trong một số trường hợp, có thể có nhiều cách khoanh vòng, nghĩa là có thể có nhiều hàm tối thiểu, những hàm tối thiểu này cần phải được so sánh, kiểm tra để chọn ra đâu là hàm tối thiểu thực sự ( tối thiểu của tối thiểu). Khi gộp các số hạng nhỏ nhất, nghĩa là khi khoanh vùng, có hai điều sau đây dễ quên : một là 4 ô ở 4 góc bảng Karnaugh cũng có thể gộp với nhau, khoanh vòng lớn trước, vòng bé sau. Kiểm tra xem mỗi vòng có ít nhất một số hạng nhỏ nhất không có trong vòng khác. c. Phương pháp QUINE-Mc.CLUSKEY. Kết thúc. Đưa các biểu thức của hàm thoả mãn Cmin. 2: Tìm các phủ tối thiểu. 1: Tìm các tích cực tiểu. Cho hàm với tập L các đỉnh 1 và tập N các đỉnh không xác định. Bắt đâu Quá trình tối thiểu hoá gồm các bước sau: 4/ Chọn cổng và vẽ sơ đồ logic. Trong mạch điện số, sau khi dùng các kí hiệu logic biểu thị một cấu trúc logic trên một bản vẽ, ta được sơ đồ logic. Sơ đồ logic cũng là một phương pháp biểu thị hàm logic, hơn nữa lại có ưu điểm nổi bật là rất tiếp cận thực tế, các kí hiệu logic thông thường đều có cấu kiện điện tử tương ứng. Vậy nên thường gọi sơ đồ logic là sơ đồ mạch logic. Kết quả việc tối thiểu hoá là biểu thức logic OR-AND. Căn cứ việc chọn lựa loại cổng logic cụ thể, cần biến đổi biểu thức logic đó thành dạng phù hợp. Ví dụ như nếu chọn dùng cổng NAND thì phải có biểu thức dạng NAND, nếu chọn cổng NOR thì phải có biểu thức dạng NOR.. vậy tuỳ theo từng tình huống cụ thể ta có thể vận dụng các bước thiết kế trên cho hợp lý và linh hoạt. 5/ Kết thúc. Sau khi đã vẽ xong sơ đồ logic ta thực hiện kiểm tra lại quá trình thiết kế nếu đạt yêu cầu thì ta cho lắp ráp và chạy thử. III/ Thiết kế mạch tổ hợp hai tầng và nhiều tầng. 1/ Cách thiết kế mạch hai tầng với các phần tử cho trước. Ta có thể tóm tắt thành bảng sau: T 2 T 1 AND OR NAND NOR AND * CTT * 1- CTH 2-f, áp dụng D OR CTH * 1-CTH 2-f, áp dụng D * NAND 1- CTH 2- cac pt sau đó áp dụng D * 1-CTT 2-f, áp dụng D (các thành phần khác không đổi) * NOR * 1- CTT 2- cac pt áp dụng D * 1- CTH 2- f, áp dụng D (các thành phần khác không đổi) Trong đó: CTT: dạng chuẩn tắc tuyển CTH: dạng chuẩn tắc hội D : định lý De moorgan “=” : áp dụng luật hoàn nguyên 2/ Mạch nhiều tầng. Khi số đầu vào lớn hơn số đầu vào cho phép của phần tử cho trước lúc đó phải tăng số tầng của mạch. Sự thay thế các mạch AND, OR, NAND, NOR, bởi các phần tử cùng loại có số đầu vào nhỏ hơn được biểu diễn như sau: Ta có: (a): thay thế mạch AND. (b): thay thế mạch OR. (c): thay thế mạch NAND. (d): thay thế mạch NOR. IV/ v I MạCH Vi mạch – ( intergrated circuits ) là những linh kiện điện tử rất nhỏ bé nhưng phức tạp, mỗi vi mạch có một chức năng xác định và được chế tạo bằng một công nghệ thích hợp. Vi mạch hiện đại thường đa năng và có thể sử dụng linh hoạt trong nhiều thiết bị điện tử khác nhau. Có nhiều cách phân loại vi mạch : Phân loại theo bản chất của tín hiệu vào ra của vi mạch. Phân loại theo mức độ tích hợp. Phân loại theo công nghệ chế tạo. Phân loại theo bản chất của tín hiệu vào/ ra của vi mạch : Tín hiệu điện được phân làm hai loại: Tín hiệu tương tự ( analog ) : biên độ biến thiên liên tục theo thời gian trong một giới hạn cho phép. Ví dụ điện áp hoặc dòng điện xoay chiều Tín hiệu số (digital) : biên độ tín hiệu chỉ có thể quy vào hai giá trị hữu hạn mang ý nghĩa logic 0 hay 1 , ứng với hai mức thấp L (low) và cao H (hight). Tín hiệu gián đoạn theo thời gian Nếu ký hiệu : X là tín hiệu vào của vi mạch, Y là tín hiệu ra của vi mạch, theo bản chất của tín hiệu X, Y có những loại mạch sau : Vi mạch X Y X, Y : tín hiệu tương tự : vi mạch tương tự X, Y : tín hiệu số : vi mạch số (vi mạch logic) X: tương tự (analog) : mạch biến đổi tương tự – số Y: số (digital) : analog-digital converter (ADC) X: số (digital) : mạch biến đổi số-tương tự Y: tương tự (analog) : digital-analog converter (DAC) ở đây chỉ xét đến các vi mạch số là vi mạch có tín hiệu vào và tín hiệu ra đều là tín hiệu số. Các vi mạch tương tự, các bộ ADC và DAC được trình bày trong các tài liệu khác. Vi mạch số bao gồm từ các cổng logic cơ bản đơn giản như các mạch AND, ORẳ, các mạch lật, các mạch đếm, các mạch dồn kênh, phân kênhẳ, cho đến các loại mạch phức tạp hơn hẳn như bộ nhớ, các mạch vào/ ra , các mạch điều khiển ngoại vi, các mạch vi tính, vi xử lý.. 2> Phân loại theo mật độ tích hợp: Mật độ tích hợp được định nghĩa là tổng số của những phần tử tích cực (transitor) hoặc cổng logic (tuỳ theo cách đánh giá khác nhau chưa thống nhất) chứa trên một đơn vị diện tích của mảnh tinh thể bán dẫn trong vi mạch. Mức tích hợp được định nghĩa là tổng số của những phần tử tích cực hoặc cổng logic chứa trên mảnh tinh thể bán dẫn của vi mạc Loại mạch Số transitor Số cổng logic Năm sản xuất Ví dụ SSI Hàng chục Vài Đầu những năm 60 7400,7406.. MSI Hàng trăm Vài chục Giữa những năm 60 Giải mã bộ ghi, bộ nhớ nhỏ MUX, DEMUX.. LSI Hàng nghìn Vài trăm Cuối 60 giữa 70 Bộ nhớ lớn, MP 4.8bit,bộ phối ghép vào/ra VLSI Hàng vạn Vài nghìn Cuối 70 đầu 80 đến nay Bộ nhớ cực lớn, MP16/32bit, bộ điều khiển đa năng phức tạp 8086 Những thông số này tuy không phải luôn đúng nhưng cũng nói lên mức độ phức tạp của vi mạch ấy. Theo mức độ tích hợp có những loại sau : vi mạch cỡ nhỏ SSI (Small Scale Intergration) vi mạch cỡ vừa MSI (Medium Scale Intergration) vi mạch cỡ lớn LSI (Large Scale Intergration) vi mạch cực lớn VLSI (Very Large Scale Intergration) 3> Phân loại theo công nghệ chế tạo : Hầu hết các loại vi mạch đều được chế tạo từ vật liệu bán dẫn. Sau phát minh vĩ đại về transitor (1974) , công nghệ bán dẫn bắt đầu phát triển nhanh chóng và đã làm đảo lộn nền công nghiệp điện tử. Đầu tiên vật liệu chủ yếu là gemani, từ những năm 1960 trở lại đây thì vai trò chính lại chuyển sang silic. Các linh kiện quang-điện tử và siêu cao tần mới ra đời thường dùng vật liệu GAAS đầy tính năng hứa hẹn. Chúng cho phép đạt tốc độ dịch chuyển nhanh hơn silic từ 2-6 lần. Công nghệ mới nhất dựa trên hiệu ứng JOSEPHSON cho phép đạt tốc độ dịch chuyển và mật độ tích hợp rất cao nhưng còn đang ở giai đoạn thử nghiệm, khó khăn đặc biệt là phải giữ vật liệu siêu dẫn ở điều kiện nhiệt độ cực thấp. Về mặt chế tạo, IC có thể chia ra làm 4 loại : đơn cực MOS CMOS Kênh P hoặc N ECL TTL DTL RTL Tương tự (Lưỡng cực) Mảng mỏng /dày (thin /thich film) Lưỡng cực Số Nguyên khối (monolithic) Vi mạch Tương tự Lai (hybrit) Số Vi mạch bán dẫn khối rắn Mạch tích hợp bán dẫn khối rắn (monolithic) là mạch được xây dựng hoàn toàn trên một đơn vị tinh thể chất bán dẫn là Si. Sau đó chất bán dẫn sẽ được khuyếch tán vào trong chất nền để tạo thành nhiều loại mặt ghép khác nhau. Những mặt ghép này có thể tạo thành diot, transitor hay điện trở. Những vật liệu bán dẫn được khuyếch tán vào trong chất nền dưới dạng hơi và đọng lại trên chất nền sau hàng loạt các quá trình “ tạo mask” trong điểu kiện nhiệt độ cao. Quá trình tạo “ mark” là quá trình trong đó người ta tiến hành oxy hoá bề mặt chất bán dẫn, tức là lấp kín bề mặt của nó bằng SiO2. Sau đó phủ một lớp cảm quang lên trên. Dạng mạch được thu nhỏ, chụp lên phim tạo thành khuôn sáng. Đặt khuôn lên trên bề mặt chất bảo vệ, chiếu ánh sáng vào ta được các dạng yêu cầu. Dùng hoá chất ăn mòn các rãnh, bỏ chất cảm quang để thực hiện khuyếch tán chất bán dẫn vào. “ Mặt nạ” được tạo bằng phương pháp quang học nên còn được gọi là phương pháp quang khắc. Vi mạch monolithic có 2 loại : mạch lưỡng cực và mạch MOS (Metal-Oxide-semi-conductor:kim loại-oxit-bán dẫn). Ngày nay, vi mạch MOS trở nên phổ biến hơn vì MOS dễ chế tạo, tốn ít diện tích hơn nên cho khả năng tích hợp lớn. Vi mạch tích hợp màng mỏng và màng dày. Các IC màng mỏng và màng dày được chế tạo bằng cách lắng đọng những vật liệu nhất định trên một đế cách điện (chẳng hạn như gốm, sứ..). Sau hàng loạt các quá trình tạo “ mặt nạ” , trên đế được tạo thành điện trở , điện dung hay điện cảm. Các diot, transitor..ít được chế tạo theo phương pháp này. Transitor thường được chế tạo theo phương pháp thông thường, với kích thước nhỏ (thường dùng FET). Do mạch này có thể chế tạo rất nhỏ nên nó cũng có những ưu điểm giống như mạch tích hợp nguyên khối (IC monolithic). Hơn nữa, khả năng chịu đựng của các phần tử của nó tốt hơn IC monolithic. Vì vậy, đối với những mạch đòi hỏi chính xác cao người ta thường sử dụng mạch tích hợp màng mỏng và màng dầy. Vi mạch lai (Hybrid) Vi mạch lai là sự kết hợp của hai loại vi mạch trên. mạch lai có thể bao gồm nhiều tinh thể monolothic được ghép nối với nhau thành một khối, nó cũng có thể là sự kết hợp giữa mạch monolithic với mạch mỏng thụ động. đôi khi các IC monolithic, IC màng mỏng/ màng dầy được kết hợp với các phần tử bán dẫn để thực hiện các chức năng riêng. Do tận dụng được ưu điểm của cả hai loại mạch nói trên, vi mạch lai có ưu điểm hơn hẳn các loại mạch khác. chẳng hạn, do kích thước vô cùng nhỏ của mạch monolithic, công suất của mạch nhỏ. để nhận được công suất lớn, trong mạch lai có thể kết hợp một mạch monolithic công suất nhỏ với transito công suất lớn. Hoặc dùng mạch lai có thể tạo một mạch chính xác cao bằng sự phối hợp giữa một mạch monolithic và mạch màng mỏng chính xác cao. Do phải phối hợp nhiều công nghệ nên đồng thời với sự hoàn hảo, mạch tổ hợp lai đắt tiền hơn các loại mạch khác. 4> những thông số của vi mạch số Những thông số quan trọng của vi mạch số là : Mức logic ( Logic Levels ) Trễ truyền đạt ( Propagation Delay ) Công suất ( Power ) Độ ổn định nhiễu ( Noise Immunity ) Khả năng mắc tải vào, ra ( Fan in, Fan out ) Mức logic Mức logic là giá trị điện áp vào, ra được qui định cho các số nhị phân 0 và 1. thường người ta chỉ ra giá trị danh định cho 2 mức logic. Trong thực tế, giá trị điện áp có thể biến đổi chút ít do khả năng của các phần tử trong mạch, do sự biến đổi của nguồn cung cấp, do nhiệt độ và một số thông số khác. Thông thường, các nhà chế tạo sẽ đưa ra giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của điện áp cho phép đối với mức logic 0 và logic 1. Mức logic là thông số quan trọng của vi mạch số. Nhờ thông số này có thể dễ dàng nhận biết được những trạng thái logic ra và vào bằng cách đo mức logic bằng vônkế hay oxylo. Hiểu biết về những mức logic sẽ cho phép phân tích sự hoạt động của mạch. Trễ truyền đạt Trễ truyền đạt là khoảng thời gian để đầu ra của mạch có đáp ứng đối với sự thay đổi mức logic cuả đầu vào. Trễ truyền đạt là tiêu chuẩn để đánh gía tốc độ làm việc của mạch. Tốc độ làm việc tương ứng với tần số lớn nhất mà mạch vẫn hoạt động đúng. Rõ ràng, trễ truyền đạt càng nhỏ càng tốt hay tốc độ làm việc càng lớn càng tốt. -Trễ xảy ra khi đầu ra thay đổi từ mức cao (high) xuống mức thấp (low) -Trễ xảy ra khi đầu ra thay đổi từ mức thấp lên mức cao. Do cấu tạo của mạch logic, trễ đôi với 2 loại chuyển biến thường là khác nhau. Chúng giống nhau về mức, gần nhau về giá trị nhưng không tương đương. Có 2 loại trễ truyền đạt: Công suất Một thông số quan trọng khác của vi mạch là công suất. đối với vi mạch phải quan tâm đến nhiều loại công suất. + Công suất tiêu tán Đây là tiêu chuẩn để đánh giá lượng công suất tiêu thụ (tổn hao) trên các phần tử trong vi mạch. Công suất tiêu tán thường cỡ vài mW đối với một vi mạch số và là giá trị trung bình giữa công suất tiêu tán khi đầu ra ở mức 0, 1 ( các công suất này thường là khác nhau ). Công suất tiêu tán lớn tức là sự tiêu thụ năng lượng điện lớn. Tất nhiên mong muốn công suất tiêu tán càng nhỏ càng tốt. Công suất tiêu tán có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong các thiết bị xách tay hay các thiết bị dùng pin. để làm giảm sự tiêu thụ pin và đảm bảo sử dụng pin được lâu dài, người ta cố gắng làm giảm công suất tiêu tán. + Công suất điều khiển Công suất điều khiển là công suất của tín hiệu điều khiển ở đầu vào bảo đảm sự hoạt động đúng của mạch. Rõ ràng công suất điều khiển càng nhỏ càng tốt. Độ ổn định nhiễu Độ ổn định nhiễu là tiêu chuẩn đánh giá độ nhạy của mạch logic đối với tạp âm xung trên đầu của mạch. Độ ổn định nhiễu( tĩnh ) là giá trị điện áp nhiễu tối đa trên đầu vào không làm thay đổi trạng thái logic của mạch – còn được gọi là mức ổn định nhiễu. độ ổn định nhiễu khi đầu ra ở mức 0 , 1 là khác nhau. Do vậy, người ta phân biệt độ ổn định nhiễu mức 0 và độ ổn định nhiêu mức 1. Tạp âm được xem như là bất cứ một tín hiệu nào không mong muốn phát sinh trong bản thân thiết bị hoặc được đưa từ ngoài vào, đè lên những mức logic chuẩn của hệ thống. Tạp âm này có thể biến đổi chậm theo mức một chiều, hoặc là ở tần số cao, thời gian tồn tại ngắn. Tạp âm có thể xảy ra ngẫu nhiên hay lặp đi lặp lại. Trong mọi trường hợp tín hiệu tạp âm có thể gây ra sự chuyển biến trạng thái sai , nhầm. Tất cả các mạch số logic đều có hệ số ổn định nhiễu rất cao. Độ ổn định nhiễu của hầu hết các mạch logic đều trong khoảng 10%- 50% của điện áp cung cấp. Trong một số trường hợp, tạp âm bị loại bởi chính mạch logic với tư cách là “ phần tử chuyển biến chậm” , một số tạp âm có tần số cao trong tự nhiên hay các tạp âm xung có thời gian tồn tại ngắn đến mức mạch logic không phản ứng kịp để gây chuyển biến trạng thái. Độ ổn định tạp âm là môt tham số quan trọng đối với các vi mạch số bởi lẽ hầu hết các mạch số trong quá trình chuyển biến trạng thái đều sinh ra một lượng tạp âm nhất định. Hơn nữa, nhiều thiết bị số được sử dụng trong môi trường công nghiệp lớn. e. Khả năng mắc tải vào, ra + Hệ số tải đầu ra: Hệ số tải đầu ra là số tải có thể nối được với đầu ra của mạch mà vẫn đảm bảo được độ tin cậy,tốc độ, giới hạn nhiệt độ và các thông số khác. Có 2 cách cơ bản để nối tải vào đầu ra: Đất chung : các tải được nối giữa đầu ra của mạch với đất Nguồn chung : các tải được nối giữa đầu ra của mạch với nguồn chung. + Hệ số tải đầu vào: Hệ số tải đầu vào là số đầu vào cực đại của mạch mà vẫn đảm bảo mạch làm việc tin cậy. Mong muốn hệ số tải đầu vào, ra lớn. f. Đóng vỏ IC. Có 3 phương pháp để đóng vỏ cho tinh thể silic là: -Phương pháp T05. -Đóng vỏ dạng hộp. -Đóng vỏ hai hàng chân song song. + Dạng đóng vỏ đơn giản nhất là T05. Nó có hình dạng tiêu chuẩn giống như transitor. Tuy nhiên có một số cải biến. Kiểu đóng rắn này hiện nay vẫn còn sử dụng tuy không còn phổ biến. + Ưu điểm của nó là có thể tiêu tán được nhiệt tích luỹ. Vì vậy, kiểu này chủ yếu được sử dụng trong các IC tuyến tính. + Đóng vỏ dạng hộp (Flat Pack ) là kiểu đóng rắn IC với kích thước nhỏ nhất với mật độ cao. Do đóng rắn ở nhiệt độ cao nên các IC thường được chế tạo bằng gốm là vật liệu có thể chịu đựng ddược nhiệt đọ cao. Mặt khác vẫn giải quyết được vấn đề toả nhiệt. F-P thường được sử dụng trong các hệ thống quân sự có độ tin cậy cao và có thiết bị công nghiệp đặc biệt. + Đóng vỏ hai hàng chân song song(Dual in Line Package) là phổ biến nhất, nó hơi lớn hơn so với các kiểu đóng rắn khác về kích cỡ nhưng có rất nhiều ưu điểm : dễ lắp ráp và sử dụng. Các loại IC đóng vỏ kiểu DIP có kích thước khác nhau, thay đổi từ 8 chân đến 40 chân. Hầu hết các SSI có 8,14,16 chân. Các mạch MSI thường có 14,16,24 chân. Còn LSI do kích thưứoc lớn, đòi hỏi số lượng đầu vào, đầu ra lớn nên thường được thiết kế với 24,28,40 chân. Có nhiều kiểu vật liệu được sử dụng để đóng rắn. Thông dụng nhất và rẻ nhất là đóng gói chất dẻo. Đầu tiên các tinh thể được đặt vào khung kim loại và sau đó toàn mạch được bao phủ bằng kĩ thuật đúc chất dẻo. Ngoài ra, người ta còn sử dụng kĩ thuật đóng rắn bằng gốm. Nó có khả năng chịu đựng nhiệt cao hơn. Chương II Thiết kế mạch tổ hợp 2 tầng và nhiều tầng I/ Ví dụ thiết kế bộ mã hoá thực hiện mã hoá 8 tín hiệu Y0,Y1,.. .., Y7 cho mã nhị phân. +) Phân tích yêu cầu. Bộ mã hoá. Y0 C B Y7 A Đối tượng được mã hoá là 8 tín hiệu đầu vào, tức là Y0,Y1,.. ...,Y7 theo công thức: N = 2n = 8 => n = 3. Vậy dùng 3 bit để biểu thị tín hiệu ra (A,B C). +) Kê bảng chân lý. Việc mã hóa chỉ tiến hành với một tín hiệu đầu vào ở một thời điểm. ở đầu vào không cho phép đồng thời nhiều tín hiệu cùng vào với mức logic cao, tức là Y0,..ẳ, Y7 không cùng nhau, vậy quan hệ logic giữa đầu ra và đầu vào có thể biểu thị bằng bảng chân lý. Có nhiều hình thức mã hoá tín hiệu, dưới đây ta dùng mã nhị phân 8421. C B A Y0 0 0 0 Y1 0 0 1 Y2 0 1 0 Y3 0 1 1 Y4 1 0 0 Y5 1 0 1 Y6 1 1 0 Y7 1 1 1 +) Tối thiểu hóa. Xét Y0,ẳẳ,Y7, là không đồng thời. Vậy chỉ cần lấy những biến nào làm cho đầu ra bằng 1 cộng lại thì ta có biểu thức hàm tối thiểu hóa dạng OR- AND. Ta rút ra được : C= Y4 + Y5 + Y6 + Y7 B= Y1 + Y2 + Y6 + Y7 A= Y1 + Y3 + Y5 + Y7 +) Vẽ sơ đồ logic. Chọn dùng cổng NAND vậy cần biến đổi dạng AND-OR thành dạng NAND cụ thể là : C= Y4 + Y5 + Y6 + Y7 = Y4.Y5.Y6.Y7 B= Y1 + Y2 + Y6 + Y7 = Y2.Y3.Y6.Y7 A= Y1 + Y3 + Y5 + Y7 = Y1.Y3.Y5.Y7 Y1 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 C B A II/ Các mạch tổ hợp thường gặp. 1/ Bộ cộng nhị phân một cột số. Tương tự như phép cộng 2 số thập phân như ta đã biết, phép cộng nhị phân cũng bắt đầu từ cột số có trọng số nhỏ nhất. Xây dựng sơ đồ : theo 2 cách a. Xây dựng sơ đồ bộ cộng 1 bit trực tiếp từ hệ phươn trình Si, Ci. b. Xây dựng sơ đồ từ bộ cộng 1 bit từ các bộ bán tổng (HA – Half Adder). 2/ Bộ trừ nhị phân một cột số. Cách làm hoàn toàn tương tự như khi xây dựng sơ đồ thực hiện bộ cộng nhị phân 1 cột số. Bảng chân lý của bộ trừ nhị phân đầy đủ 1 bit ( FS – Full Subtractor ). Ai Chữ số thứ i của số bị trừ. Bi Chữ số thứ i của số trừ. Ci-1 Nhớ từ cột có trọng số nhỏ hơn đưa đến. Hi Chữ số của hiệu. Ci Số nhớ đưa đến cột có trọng số lớn hơn. 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 3/ Bộ so sánh. Trong nhiều trường hợp phải so sánh 2 số nhị phân A và B để chỉ ra được mối quan hệ giữa chúng : A>B hay A<B hay là A =B. Mạch tổ hợp thực hiện chức năng trên được gọi là bộ so sánh. a. Bộ so sánh 2 số nhị phân 1 bit. Hàm (A=B) = A Å B Hàm (A<B) = A. B Hàm (A>B) = A. B A B A=B A<B A>B 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 b. Bộ so sánh n bit. Xây dựng từ sơ đồ trực tiếp từ các hàm: B A< B A= B Xây dựng sơ đồ gián tiếp qua các bộ so sánh 1 bit. 4/ Mạch tạo và kiểm tra chẵn lẻ. (Parity Generator / Checker). Trong thông tin, khi truyền dữ liệu (DATA) từ nơi này sang nơi khác cần phải xác định xem có lỗi của sự truyền hay không. Có nhiều phương pháp mã hoá dữ liệu có thể làm được điều này. Phương pháp đơn giản nhất là thêm 1 bit vào dữ liệu được truyền đi để sao cho chữ số 1 trong dữ liệu luoon luôn là 1 số lẻ hoặc chẵn. Bit đó gọi là bit chẵn lẻ. -Bit chẵn: nếu bit thêm vào có giá trị sao cho chữ số 1 trong dữ liệu là 1 số chẵn (Even). -Bit lẻ : nếu bit thêm vào có giá trị sao cho chữ số 1 trong dữ liệu là 1 số lẻ (Odd). 5/ Mạch phân loại ngắt. MP Bộ phân loại ngắt. TBNV-2n TBNV-2 TBNV-1 Trong kĩ thuật, thường có nhiều thiết bị ngoại vi được nối với máy tính, mạch phân loại ngắt được mô tả như sau: I1 IR A1 I2n An Bảng chức năng của Iterrupt Sorter Vào Ra P0 P1 P2 P3 IR A2 A1 0 0 0 0 0 0 0 X X X 1 1 1 1 X X 1 0 1 1 0 X 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 6/ Bộ dồn kênh (MUX) hay bộ chọn dữ liệu(DATA SELECTER). MUX 2n 1 Bộ dồn kênh là mạch có 2n đầu, n đầu vào điều khiển, 1 đầu vào chọn mạch và 1 đầu ra. En X0 Y đầu ra X2n-1 nđầu vào điều khiển Thực chất MUX là chuyển mạch điện tử dùng các tín hiệu điều khiển để điều khiển sự nối mạch của đầu ra với 1 trong số 2n đầu vào. Hiện nay bộ MUX được dùng như một phần tử vạn năng để xây dựng những mạch tổ hợp khác. 7/ Bộ phân kênh (DEMUX). DEMUX 1 2n Bộ phân kênh là mạch có 1 đầu vào, n đầu vào điều khiển, 1 đầu vào chọn mạch và 2n đầu ra. En(chọn mạch) Y0 Y1 X đầu vào Y2n-1 8/ Mạch chuyển mã. Trong các hệ thống điện tử dùng mạch số, dữ liệu (lệnh), số liệu được truyền đi hay xử lý ở dạng từ (word) nhị phân gồm các bit 0 và 1. cột từ gồm n bit có thể biểu diễn cho 2n phần tử tin khác nhau với giá trị thập phân từ 0 - 2n-1. Từ nhị phân n bits đó gọi là mã (code) của phần tử tin tức. *Các loại mã tiêu biểu: a. Các loại mã kí tự thường dùng. -Mã ASCII (American Standard Code for iformation Interchange): mã này dùng 8 bit để mã hoá kí tự. -Mã EBCDI (ẽtended Binary Coded Decimel Interchange Code): mã này dùng 8 bit để mã hoá kí tự. -Mã BAUDOT : Mã này dùng 5 bit để biểu diễn cho 1 kí tự, nó thường dùng trong bưu điện và một số loại teletype. b. Các loại mã thường dùng để mã hoá các con số . -Mã nhị phân: Đây là loại mã có trọng số, trọng số của các kí hiệu nhị phân được sắp xếp từ thấp đến cao là : 1,2,4,8,.. .. -Mã BCD (binary coded decimal): Để mã hoá nhị phân cho 10 chữ số thập phân cần từ mã có độ dài 4 bit. Tuỳ theo cách sử dụng 10 trên 16 tổ hợp mã nhị phân 4 bit mà ta có các loại BCD khác nhau: BCD-Normal (NBCD) ,2421, 5121.. -Mã dư 3 (XS3): Mã này được tạo thành từ mã nhị phân bằng cách cộng thêm 0011 (3) vào từ mã nhị phân tương ứng. -Mã Gray: Là loại mã không có trọng số , các từ mã cạnh nhau chỉ khác nhau một biến số. Mã Gray được dùng để biểu diễn bảng Karnaugh. -Mã Gray dư 3: Mã này cũng có đặc điểm như mã gray và nó được tạo thành từ mã gray lệch đi 3 hàng. -Mã sửa sai: Trong các mã sửa sai ngoài các bits mang thông tin còn có các bit thêm vào để phát hiện và sửa sai. Mã sửa sai đơn giản nhất là mã chẵn lẻ, khi đó mã thêm vào gọi là bit chẵn, lẻ(Parity bit). -Mã bảy vạch: Mã này dùng một từ mã có độ dài bằng 7 để biểu diễn một chữ số. *Phân loại các mạch chuyển mã: Mạch chuyển mã là mạch có chức năng chuyển từ1 loại mã này thành loại mã khác tương ứng. Ví dụ : Chuyển mã NBCD sang mã dư, XS3 sang mã nhị phân, mã Gray.. a. Mạch mã hoá - Lập mã(ENCODER) Mạch nà._.