Bài giảng Thiết kế hệ thống vi xử lý - Bài 2

1Electrical Engineering 1 Mạch điện cơ bản • 2 điện trở mắc nối tiếp • Vout = (Vc * R1)/(R1 + R2) • Ví dụ: Vc = 10V, R1 = 1K, R2 = 1K, Vout = 5V R2 R1 Vc Electrical Engineering 2 Mạch cơ bản (tiếp) • Trường hợp đặc biệt • Nếu R1>>R2 -> Vout = 0 • Nếu R1 Vout = Vc R2 R1 Vc Vout 2Electrical Engineering 3 Transistor • Nếu R1 >> R2 (R1 -> infinity, R2 ->0) • Vout = Vc Vc Vout 0, ground Vc Vout 0, ground Nếu R1 0) Vout = 0 Electrical Engineering 4 Transistor lý tưởng V2 V1 Vin V2 V1 V2 V1 VinVin •Điện trở R được điểu khiển bởi điện áp Vin •Giả thiết V2 > V1 •Nếu Vin xấp xỉ V1, R = infinity •Nếu Vin > V1 + 1V, R = 0 3Electrical Engineering 5 N transistor • V2 > V1 • Nếu Vin xẫp xỉ V1, R = infinity • Nếu Vin > V1 + 1V, R = 0 V2 V1 Vin Base Collector Emiter Electrical Engineering 6 P transistor • V2 < V1 • Nếu Vin xấp xỉ V2, R = 0 • Nếu Vin > V2 + 1V, R = infinity V2 V1 Vin Base Collector Emiter 4Electrical Engineering 7 Kết cấu mạch logic (0, 1) Vc Vout 0, ground NÕu Vin = 5 V •V2-Vin = 0, T2 khãa •Vin > V1 + 1V, T1 më Vout = 0V V2 = 5 V Vin V1 = 0v, ground Vin PNP NPN Vout T2 T1 Electrical Engineering 8 KÕt cÊu m¹ch logic (0, 1) NÕu Vin = 0V •V2-Vin > 1V, T2 më •Vin =V1, T1 khãa Vout = 5V V2 = 5 V Vin V1 = 0v, ground Vin PNP NPN Vout T2 T1 Vout 0, ground 5Electrical Engineering 9 Mạch đảo dùng transistor • Nếu Vin = 5V, Vout = 0V • Nếu Vin = 0V, Vout = 5V • Nếu Vin = High, Vout = Low • Nếu Vin = Low, Vout = High Electrical Engineering 10 Chế độ làm việc Transitor •ChÕ ®é khãa (cutoff) •ChÕ ®é khuyÕch ®¹i (active) •ChÕ ®é b·o hßa (satuation) 6Electrical Engineering 11 Logic function Hàm tổng hợp các biến đầu vào W = f(x1,x2, ... xn) x là các bit logic, có 2 trạng thái, đưa ra bảng chân lý với các trạng thái chuẩn Electrical Engineering 12 Các hàm lôgic cơ bản • AND • OR • NAND • NOR • XOR • NOT 7Electrical Engineering 13 AND • W = and (x,y) = x.y • Điều kiện và x y W 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Electrical Engineering 14 OR • W = or (x,y) = x + y §iÒu kiÖn hoÆc x y W 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 8Electrical Engineering 15 NOT • W = NOT (X) = x’ §iÒu kiÖn ®¶o W = W x W 0 1 1 0 Electrical Engineering 16 NAND • W = nand (x,y) = (x . y)’ §iÒu kiÖn vµ ®¶o x y W 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 9Electrical Engineering 17 NOR • W = nor (x,y) = (x + y)’ §iÒu kiÖn hoÆc ®¶o x y W 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Electrical Engineering 18 XOR • W = xor (x,y) §iÒu kiÖn hoÆc lo¹i trõ (or exclusive) x y W 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 10 Electrical Engineering 19 Mạch nhiều đầu vào • W = and (x1,x2,x3,x4) = • And(x1,x2) . (and(x3,x4)) Electrical Engineering 20 Phân loại IC số • Loại TTL – Ngưỡng 0: 0 – 0.8V – Ngưỡng 1: 2.4 – 5V • Loại CMOS – Ngưỡng 0: 0 – 1.5V – Ngưỡng 1: 2.5 – 5V (loại CMOS 5V) – Ngưỡng 1: 11 – 15V (loại CMOS 15V) 11 Electrical Engineering 21 Các mạch số cơ bản • Mạch giải mã (decoder) • Mạch dồn kênh (multiplexer) • Mạch chốt (Flip-Flop) • Mạch đếm (counter) • Mạch chia tần số (freq divider) • Mạch tạo xung clock (555 timer) Electrical Engineering 22 Mạch giải mã • Mạch chuyển đổi từ n đầu vào thành bit tương ứng 2^n ở đầu ra • Mạch giải mã 1 – 2 • Đầu ra được quyết định bởi tổ hợp nhị phân đầu vào 12 Electrical Engineering 23 Mạch giải mã 3 – 8 (74LS138) • Mạch giải mã từ 3 đường ra 8 đường có thể • Tuân theo luật 2^n • IC 74138, 74139, 74154 U2 74LS138 1 2 3 15 14 13 12 11 10 9 7 6 4 5 A B C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 G1 G2A G2B Electrical Engineering 24 LED 7 thanh 13 Electrical Engineering 25 Mã BCD thành LED 7thanh Electrical Engineering 26 Bảng logic 14 Electrical Engineering 27 IC số giải mã BCD • Hai IC thông dụng dùng để giải mã BCD sang 7 đọan là: • CD 4511 (loại CMOS, ngã ra tác động cao và có đệm) • 7447 (loại TTL, ngã ra tác động thấp, cực thu để hở) Electrical Engineering 28 Mạch hiển thị thực tế 15 Electrical Engineering 29 Mạch dồn kênh (2 đường) • Còn được gọi là mạch chọn dữ liệu, gồm 2^n ngã vào dữ liệu, n ngã vào địa chỉ (hay điều khiển) và một ngã ra. Khi có một địa chỉ được tác động dữ liệu ở ngã vào tương ứng với địa chỉ đó sẽ được chọn. Electrical Engineering 30 Dồn kênh 16 Electrical Engineering 31 Thực tế dồn kênh • Trên thực tế, ta có đủ các loại mạch đa hợp từ 2 → 1 (IC 74157), 4 → 1 (IC 74153), 8 → 1 (IC 74151) và 16 → 1 (74150) . . . . • Ngoài ra, để chọn dữ liệu là các nguồn tín hiệu tương tự, khóa tương tự (analog switch), được chế tạo theo công nghệMOS như IC 4051 (8 kênh) IC 4053 (2 kênh). . . . Cũng có loại khóa sử dụng được cho cả tín hiệu tương tự và số (bilateral switches) như IC 4016, IC 4066,. . • Sử dụng trong mạch chuyển đổi từ tín hiệu song song sang tín hiệu nối tiếp Electrical Engineering 32 Mạch chốt, Flip-flop 17 Electrical Engineering 33 Mạch RS chốt dùng mạch NOR tác động mức cao • Khi R=S=0 (cả 2 ngã vào đều không tác động), ngã ra không đổi trạng thái. • - Khi R=0 và S=1 (ngã vào S tác động), chốt được Set (tức đặt Q+=1). • - Khi R=1 và S=0 (ngã vào R tác động), chốt được Reset (tức đặt lại Q+=0). • - Khi R=S=1 (cả 2 ngã vào đều tác động), chốt rơi vào trạng thái cấm Electrical Engineering 34 Mạch chốt R-S dùng NAND tác động mức thấp • Mạch chốt tín hiệu ra bất chấp dạng của tín hiệu vào • Tín hiệu S dùng xác lập tín hiệu ra • Tín hiệu R dùng xóa tín hiệu ra • Không thể có 2 tín hiệu vào cùng là 0 18 Electrical Engineering 35 Ưng dụng mạch R-S • Chống hiện tượng rung trong mạch bàn phím Electrical Engineering 36 Mạch RS dùng xung clock • R, S bình thường luôn giữ giá trị 0 • Mạch R/S chỉ có tác dụng khi CLK có giá trị 1 • Mạch hoạt động theo mức xung CLK 19 Electrical Engineering 37 Flipflop RS có ngã vào Preset và Clear Electrical Engineering 38 Mạch RS hoạt động với sườn xung clock (flip – flop) TÝn hiÖu ®i xung clock tõ 0 – 1 - 0, m¹ch chØ ho¹t ®éng khi xung clock chuyÓn tõ 1 vÒ 0 20 Electrical Engineering 39 Mạch J-K flip flop • J = 1, K = 1, Q = Q’ • J = 0, K = 0, Q giữ nguyên trạng thái • J =1, K = 0, Q = 1 • J =0, K = 1, Q = 0 Electrical Engineering 40 Mạch chốt D (data latch) • Tín hiệu Q giá trị bằng tín hiệu D, khi CLK = 1 • Khi CLK = 0, Q chốt giá trị 21 Electrical Engineering 41 Ký hiệu mạch số Electrical Engineering 42 Mạch ghi dịch 22 Electrical Engineering 43 Thức tế mạch ghi dịch • IC 74164: dịch phải 8 bit; • IC 7495: 4 bit , dịch phải, trái, vào/ra nối tiếp/song song • Một số nhị phân khi dịch trái 1 bit, giá trị được nhân lên gấp đôi và được chia hai khi dịch phải một bit. • Trong máy tính thanh ghi (tên thường gọi của mạch ghi dịch) là nơi lưu tạm dữ liệu để thực hiện các phép tính, các lệnh cơ bản như quay, dịch .... • Ngoài ra, mạch ghi dịch còn những ứng dụng khác như: tạo mạch đếm vòng, biến đổi dữ liệu nối tiếp↔ song song, dùng thiết kế các mạch đèn trang trí, quang báo. Electrical Engineering 44 Mạch đếm • Lợi dụng tính đảo trạng thái của JK khi J=K=1, người ta thực hiện các mạch đếm. • Chức năng của mạch đếm là đếm số xung CK đưa vào ngã vào hoặc thể hiện số trạng thái có thể có của các ngã ra. • Nếu xét khía cạnh tần số của tín hiệu thì mạch đếm có chức năng chia tần, nghĩa là tần số của tín hiệu ở ngã ra là kết quả của phép chia tần số của tín hiệu CK ở ngã vào cho số đếm của mạch. • Ta có các loại: mạch đếm đồng bộ, không đồng bộ và đếm vòng. 23 Electrical Engineering 45 Mạch đếm tăng đồng bộ Mạch tăng giá trị lên 1 mỗi khi có một tín hiệu xung đầu vào Electrical Engineering 46 Mạch đếm tăng • Bảng chân lý States Count D C B A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 0 0 0 8 1 0 0 1 9 1 0 1 0 10 1 0 1 1 11 1 1 0 0 12 1 1 0 1 13 1 1 1 0 14 1 1 1 1 15 24 Electrical Engineering 47 Mạch đếm thập phân (0 – 9) Electrical Engineering 48 Mạch đếm 0 - 5 25 Electrical Engineering 49 Mạch chia tần số • Tần số đầu ra bằng tần số xung vào chia cho giá trị n. • Ví dụ mạch chia 2, chia 4, chia 10 Electrical Engineering 50 Ví dụ thực tế U3 74LS163 3 4 5 6 2 14 13 12 11 15 1 7 10 9 A B C D CLK QA QB QC QD RCO CLR ENP ENT LOAD •M¹ch ®Õm 0 – 15 • M¹ch ®Õm thuËn,®Õm ng−îc •M¹ch tÝn hiÖu xãa 26 Electrical Engineering 51 Binary Encoder Electrical Engineering 52 Đầu ra 3 trạng thái 27 Electrical Engineering 53 Bộ đệm 3 trạng thái Electrical Engineering 54 Ghép nhiều bộ đệm 3 trạng thái 28 Electrical Engineering 55 Mạch tạo xung clock, 555 • Tạo xung clock với tần số khác nhau, kết hợp giá trị Tụ và trở • Tạo xung có độ rộng xung khác nhau • Làm việc với dải điện áp từ 3V – 18V Electrical Engineering 56 Sơ đồ chân 29 Electrical Engineering 57 Hãng sản xuất Electrical Engineering 58 Mạch điện 30 Electrical Engineering 59 Cấu trúc trong mạch 555 Electrical Engineering 60 Các phần tử cơ bản 1. Ground. 2. Trigger input. 3. Output. 4. Reset input. 5. Control voltage. 6. Threshhold input. 7. Discharge. 8. +VCC. +5 to +15 volts in normal use. pin 2 = VCC and pin 6 = 0 pin 4 = Vcc pin 5 = NC ->pin 3 = 0 ->discharge transistor (pin 7) lu«n nèi ®Êt 31 Electrical Engineering 61 Mono stable e = E(1 - (-t/RC)) t = 1.1 RC Electrical Engineering 62 Mạch tạo xung Thêi gian n¹p = 0.693(Ra + Rb)C. Thêi gian phãng = 0.693 Rb C Tæng thêi gian t = 1.44/(Ra + 2Rb)C. Thêi gian phãng vµ n¹p kh¸c nhau 32 Electrical Engineering 63 Ví dụ thực tế Ph−¬ng ph¸p biÕn ®iÖu ®é réng xung (PWM)