Chöông 4: HEÄ TUAÀN TÖÏI. Giôùi thieäu:

Ngoõ vaøo

(INPUT)

Ngoõ ra (OUTPUT

)

COÅNG

LOGIC

Heä tuaàn töï laø heä maø ngoõ ra khoâng chæ phuï thuoäc vaøo caùc ngoõ vaøo maø coøn phuï thuoäc vaøo 1 soá ngoõ ra ñöôïc hoài tieáp trôû thaønh ngoõ vaøo thoâng qua phaàn töû nhôù.

PHAÀN TÖÛ NHÔÙ

Phaàn töû nhôù thöôøng söû duïng laø Flip_Flop. Heä tuaàn töï ñöôïc chia thaønh 2 loaïi:

- Heä tuaàn töï ñoàng boä (Synchronous)

- Heä tuaàn töï baát ñoàng boä (Asynchronous)

II. Maïch Choát (Latch) vaø Flip-Flop (FF):

Flip_Flop: laø maïch tuaàn töï maø noù thöôøng laáy maãu caùc ngoõ vaøo vaø laøm thay ñoåi caùc ngoõ ra taïi nhöõng thôøi ñieåm xaùc ñònh bôûi xung clock.

Latch (choát): laø maïch tuaàn töï maø noù lieân tuïc xem xeùt caùc ngoõ vaøo vaø laøm thay ñoåi caùc ngoõ ra baát cöù thôøi ñieåm naøo khoâng phuï thuoäc vaøo xung clock.

Caùc maïch choát vaø FF coù 2 ngoõ ra Q vaø Q. Hai ngoõ ra naøy coù giaù trò logic laø buø cuûa nhau.

1. Caùc maïch choát:a. Choát

SR: coù 2 loaïi

* Coång NOR:

R(reset

)

QS(set)

Q

0 00 11 01 1

0 11 0 0 0

Q+ Q+S R

Q Q

Baûng hoaït ñoäng:

Caám söû duïng

Q+ laø traïng thaùi keá tieáp cuûa Q

Kyù hieäu:

S

R

Q

Q

* Coång NAND: Baûng hoaït ñoäng:

Kyù hieäu:

R(reset

)

Q

S(set) Q

Q+ Q+S R

0 00 11 01 1

1 00 1

1 1

Caám söû duïng

Q Q

S

R

Q

Q

b. Choát SR coù ngoõ vaøo cho pheùp:

0 X X

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

0 11 0 1 1

R(rese

t)

Q

S(set) Q

E(enabl

e)

Q+ Q+E S R

Q Q

Q Q

Kyù hieäu choát SR coù ngoõ vaøo cho pheùp tích cöïc cao:

S

E

R

Q

Q

Baûng hoaït ñoäng:

* Khaûo saùt giaûn ñoà xung:

S

R

E

Q(Cho Q ban ñaàu laø 0)

Kyù hieäu choát SR coù ngoõ vaøo cho pheùp tích cöïc thaáp:

S

E

R

Q

Q

1 X X

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

0 11 0 1 1

Q Q

Q Q

Q+ Q+E S R

c. Choát D:

Kyù hieäu choát D:

D

E

Q

Q

Baûng hoaït ñoäng:

E D Q+ Q+

0 X

Q Q

Q

D(set) Q

E(enabl

e)

1 0

1 1

0 1

1 0

2. Flip_Flop (FF): Traïng thaùi keá tieáp cuûa ngoõ ra FF seõ thay ñoåi theo ngoõ vaøo vaø traïng thaùi tröôùc ñoù cuûa ngoõ ra taïi thôøi ñieåm thay ñoåi cuûa xung clock (caïnh leân hoaëc caïnh xuoáng)

* Baûng ñaëc tính vaø phöông trình ñaëc tính: Bieåu dieãn moái quan heä cuûa ngoõ ra keá

tieáp Q+ phuï thuoäc vaøo caùc ngoõ vaøo vaø traïng thaùi ngoõ ra hieän taïi Q. * Baûng kích thích: Bieåu dieãn giaù trò cuûa caùc ngoõ vaøo caàn phaûi coù khi ta caàn ngoõ ra chuyeån töø traïng thaùi hieän taïi Q sang traïng thaùi keá tieáp Q+.

X

CK

Q

Q

X

CK

Q

Q

Xung clock caïnh leân

Xung clock caïnh xuoáng

a. Flip_Flop D (D-FF):

D

CK

Q

Q

Baûng hoaït ñoäng:

CK D Q+ Q+

0 1

1 0

0, 1, X

Khoâng thay ñoåi

0

1

D

CK

Q

Q

CK D Q+ Q+

0 1

1 0

Khoâng thay ñoåi 0, 1, X

0

1

* Khaûo saùt giaûn ñoà xung:

CK D Q

(Cho Q ban ñaàu laø 0)

* Baûng ñaëc tính vaø phöông trình ñaëc tính:

D Q Q+

0 0

0 1

1 0

1 1

001

1

Q+ = D

* Baûng kích thích:

Q Q+ D0

00

11

01

1

0101

D = Q+

T Q+

Q

b. Flip_Flop T (T-FF):

T

CK

Q

Q

Baûng hoaït ñoäng: T

CK

Q

QQ

0

1

* Baûng ñaëc tính vaø phöông trình ñaëc tính:

T Q Q+

0 0

0 1

1 0

1 1

0110

Q+ = T ⊕ Q

* Baûng kích thích:

Q Q+ T0

00

11

01

1

0110

T = Q ⊕ Q+

c. Flip_Flop SR (SR-FF):

S

CK

R

Q

Q

S

CK

R

Q

Q

* Baûng hoaït ñoäng:

S R Q

Q+

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

0

* Baûng ñaëc tính vaø pt ñaëc tính:

1

S R Q+

0 0

0 1

1 0

1 1

Q01X

0011XX

Q+ = S + R QS R = 0

* Baûng kích thích:

Q Q+ S R0

00

11

01

1

0 X1 00 1X 0

d. Flip_Flop JK (JK-FF):

J

CK

K

Q

Q

J

CK

K

Q

Q

* Baûng hoaït ñoäng: J K Q+

0 0

0 1

1 0

1 1

Q01Q

J K Q

Q+

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

0

* Baûng ñaëc tính vaø pt ñaëc tính:

1001110

* Baûng kích thích:

Q Q+ J K0

00

11

01

1

0 X1 XX 1X 0

Q+ = J Q + K Q

e. Caùc ngoõ vaøo baát ñoàng boä:

- Caùc ngoõ vaøo naøy seõ laøm thay ñoåi giaù trò ngoõ ra töùc thôøi, baát chaáp xung clock. - Coù 2 ngoõ vaøo vaøo baát ñoàng boä: Preset (Pr) vaø Clear (Cl).

+ Khi ngoõ vaøo Preset tích cöïc thì ngoõ ra Q ñöôïc set leân 1.

+ Khi ngoõ vaøo Clear tích cöïc thì ngoõ ra Q ñöôïc xoùa veà 0.

J

CK

K

Q

Q

Pr

Cl

J

CK

K

Q

Q

Pr

Cl

+ Khi ngoõ vaøo Preset vaø Clear khoâng tích cöïc thì FF môùi hoaït ñoäng.

III. Boä ñeám (COUNTER):1. Giôùi thieäu:

- Boä ñeám laø heä tuaàn töï coù 1 ngoõ vaøo xung clock vaø nhieàu ngoõ ra. Ngoõ ra cuûa boä ñeám chính laø ngoõ ra cuûa caùc Flip-Flop caáu thaønh boä ñeám. - Noäi dung cuûa boä ñeám taïi 1 thôøi ñieåm goïi laø traïng thaùi cuûa boä ñeám. Khi coù xung clock vaøo boä ñeám seõ chuyeån traïng thaùi töø 1 traïng thaùi hieän taïi chuyeån sang 1 traïng thaùi keá tieáp. Cöù tieáp tuïc nhö vaäy seõ taïo ra 1 voøng ñeám kheùp kín. - Giaûn ñoà traïng thaùi cuûa boä ñeám: Bieåu dieãn caùc traïng thaùi coù trong voøng ñeám vaø höôùng chuyeån traïng thaùi cuûa boä ñeám.

000

Q2Q1Q0

100

011

010

110 - Modulo cuûa boä ñeám:

Laø soá caùc traïng thaùi khaùc nhau trong voøng ñeám: m ≤ 2n

* Boä ñeám ñöôïc chia thaønh 2 loaïi:- Boä ñeám noái tieáp (boä ñeám baát

ñoàng boä): laø boä ñeám maø ngoõ ra cuûa FF tröôùc seõ laø ngoõ vaøo xung clock cho FF sau.

- Boä ñeám song song (boä ñeám ñoàng boä): laø boä ñeám maø ngoõ vaøo xung clock cuûa caùc FF ñöôïc noái chung vôùi nhau. 2. Boä ñeám noái tieáp (Asynchronous Counter): :

- Boä ñeám noái tieáp thöïc hieän caùc voøng ñeám leân hoaëc xuoáng: + Ñeám leân (Count Up): noäi dung boä ñeám taêng theâm 1 khi coù xung clock. + Ñeám xuoáng (Count Down): noäi dung boä ñeám giaûm ñi 1 khi coù xung clock. - Boä ñeám ñöôïc taïo töø caùc FF ñeám 2, gheùp noái tieáp vôùi nhau.

J

CK

K

Q

Q

1

1

T

CK

Q

Q

1

a. Boä ñeám ñaày ñuû (m = 2n):

CK

T

CK

Q

Q

1 T

CK

Q

Q

1 T

CK

Q

Q

1

Q2(MSB)

Q1Q0(LSB)

CKQ0

Q1

Q2

(LSB)

(MSB)

Khaûo saùt giaûn ñoà xung: ñaây laø boä ñeám leân (Count Up)

* Gheùp Cki+1 = Qi

J

CK

K

Q

Q

1

1

J

CK

K

Q

Q

1

1

J

CK

K

Q

Q

1

1

Q2(MSB)

Q0(LSB)

Q1

CK

Khaûo saùt giaûn ñoà xung:

CKQ0

Q1

Q2

(LSB)

(MSB)

laø boä ñeám xuoáng (Count Down)

* Gheùp Cki+1 = Qi

CK

T

CK

Q

Q

1 T

CK

Q

Q

1 T

CK

Q

Q

1

Q2(MSB)

Q1Q0(LSB)

Q2(MSB)

Q0(LSB)

Q1

CK

J

CK

K

Q

Q

1

1

J

CK

K

Q

Q

1

1

J

CK

K

Q

Q

1

1

+ Boä ñeám xuoáng (Count Down):

+ Boä ñeám leân (Count Up):

b. Boä ñeám khoâng ñaày ñuû (m< 2n): - Boä ñeám khoâng ñaày ñuû thöïc hieän döïa vaøo boä ñeám ñaày ñuû. Ta caàn xaùc ñònh traïng thaùi keá tieáp khoâng mong muoán cuûa voøng ñeám khoâng ñaày ñuû. - Duøng traïng thaùi naøy ñeå taïo ra tín hieäu taùc ñoäng tích cöïc vaøo caùc ngoõ vaøo baát ñoàng boä Preset hoaëc Clear ñeå ñöa boä ñeám trôû veà traïng thaùi ban ñaàu (th ng g i lườ ọ aø traïng thaùi reset). Vd: Söû duïng T-FF coù xung clock caïnh xuoáng

vaø ngoõ vaøo Preset, Clear tích cöïc cao; thieát keá boä ñeám leân coù m = 5 vaø b t ñaàu tắ ừ giaù trò 0.

Q2 Q1 Q00 0

00 0

10 1

00 1

11 0

01 0

11 1

01 1

1

000001XX

Ta g i ọ Z laø tín hi u reset b m. ệ để ộ đếZ

Q2Q1

Q0

Z

0

1

00

01

11

10

1

X

X

Z = Q2 Q0

CK

Q2(MSB)

Q1Q0(LSB)

T

Ck

Q

Q

1 Pr

Cl

T

Ck

Q

Q

1 Pr

Cl

T

Ck

Q

Q

1 Pr

Cl

Z

0 0 0

Khaûo saùt giaûn ñoà xung:

CKQ0

Q1

Q2

(LSB)

(MSB)

Vd: Söû duïng JK-FF coù xung clock caïnh xuoáng vaø ngoõ vaøo Pr, Cl tích cöïc thaáp; thieát keá boä ñeám xuoáng coù m = 5 vaø b t ắñaàu t ừ giaù trò 2.

Q2 Q1 Q00 1

00 0

10 0

01 1

11 1

01 0

1

Tín hi u reset:ệ Z = Q2 Q1

(tích cöïc thaáp)

Q2(MSB)

Q0(LSB)

Q1

CK

J

CK

K

Q

Q

1

1

Pr

Cl

J

CK

K

Q

Q

1

1

Pr

Cl

J

CK

K

Q

Q

1

1

Pr

Cl

1 1

1

CLR CK QD QC QB QA

IC 74393: 2 boä ñeám leân y 4 bitđầ đủ

1QA

1QB

1QC

(MSB) 1QD

3

4

5

6

1CK

1CLR

1

2

2QA

2QB

2QC

(MSB) 2QD

1110

9

8

2CK

2CLR

13 12

1 X

0 0, 1,

0

0 0 0 0 NO CHANGE COUNT UP

Reset/Set INPUTMR1 MR2 MS1

MS2

OUTPUTQD QC QB QA

1 1 0 X

1 1 X 0

X X 1 1

1 X 1 X

X 1 X 1

1 X X 1

X 1 1 X

IC 7490: goàm 2 boä ñeám - boä ñeám 2 vaø boä ñeám 5 (ñeám leân)

QA

1211

9

CKA

QB

QC

(MSB)QD

8

MR1

MR2

2

14 1 CKB

MS1

MS2

3

6

7

5

VCC

GND

10

0 0 0 0

0 0 0 0

1 0 0 1

Counting

3. Boä ñeám song song (Synchronous Counter): : - Laø boä ñeám maø caùc FF ñeàu söû duïng chung nguoàn xung clock; khi coù xung clock vaøo thì taát caû caùc ngoõ ra FF ñeàu thay ñoåi. - Khi thieát keá boä ñeám, chæ quan taâm ñeán traïng thaùi hieän taïi vaø traïng thaùi keá tieáp cuûa FF, maø khoâng quan taâm ñeán daïng xung clock (caïnh leân hoaëc caïnh xuoáng).

- Coù theå thieát keá boä ñeám coù voøng ñeám baát kyø.

Baûng haøm kích thích:

D = Q+

* D-FF:

T = Q ⊕ Q+

* T-FF:

* SR-FF

S R Q Q+ J K0

00

11

01

1

0 X1 00 1X 0

* JK-FF

0 X1 XX 1X 0

* Caùc böôùc thieát keá:- Töø phaùt bieåu baøi toaùn xaùc ñònh soá FF söû duïng vaø daõy ñeám.

- Laäp baûng chuyeån traïng thaùi chæ roõ moái quan heä giöõa traïng thaùi hieän taïi vaø traïng thaùi keá tieáp (döïa vaøo daõy ñeám).

T/t hieän taïi

Qn-1 … Q1 Q0

T/t keá tieápQ+

n-1 … Q+1

Q+0

0 … 0 0

1 … 1 1

- Tìm caùc giaù trò ngoõ vaøo FF caàn phaûi coù töø giaù trò hieän taïi Qi vaø keá tieáp Q+

i cuûa töøng FF (döïa vaøo baûng kích thích cuûa FF).

Caùc ngoõ

vaøo FF

- Tìm bieåu thöùc ruùt goïn cuûa moãi ngoõ vaøo FF phuï thuoäc vaøo caùc bieán traïng thaùi hieän taïi.

- Thöïc hieän sô ñoà logic.

a. Boä ñeám ñaày ñuû (m = 2n): Vd: Söû duïng T-FF kích theo caïnh leân, thieát

keá boä ñeám coù daõy ñeám sau: Q2Q1Q0 : 010, 101, 110, 001, 000, 111, 100, 011, 010, …

T/t hieän taïi

Q2 Q1 Q0

T/t keá tieáp

Q+2 Q+

1 Q+

0

Caùc ngoõ vaøo

T2 T1 T0

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

1 1 1

0 0 0

1 0 1

0 1 0

0 1 1

1 1 0

0 0 1

1 0 0

10101010

10101111

11111111

Q2Q

1Q0

T2

0

1

00

01

11

101 1 1 1

Q2Q

1Q0

T1

0

1

00

01

11

101 1 1 1

1 1

T2 = Q0 T1 = Q0 + Q2

T0 = 1

T2 = Q0 T1 = Q0 + Q2

T0 = 1

CK

Q0(LSB)

Q1Q2(MSB)

T2

CK2

Q2

Q2

T1

CK1

Q1

Q1

T0

CK0

Q0

Q0

1

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

b. Boä ñeám khoâng ñaày ñuû (m < 2n): Caùc traïng thaùi coù trong voøng ñeám seõ thieát keá nhö boä ñeám ñaày ñuû; coøn caùc traïng thaùi dö khoâng coù trong voøng ñeám seõ giaûi quyeát theo 2 caùch sau: * Caùch 1: Caùc traïng thaùi dö coù traïng thaùi keá tieáp laø tuøy ñònh. Khi thieát keá caàn khôûi ñoäng giaù trò ban ñaàu cho boä ñeám; giaù trò naøy phaûi laø 1 trong nhöõng traïng thaùi coù trong voøng ñeám.

T/t hieän taïi

Q2 Q1 Q0

T/t keá tieáp

Q+2 Q+

1 Q+

0

Vd: Thieát keá boä ñeám duøng D-FF caïnh leân, coù ngoõ vaøo Pr vaø Cl tích cöïc cao, coù giaûn ñoà traïng thaùi sau:

000

Q2Q1Q0

100

011

010

110

1 0 0

X X X

1 1 0

0 1 0

0 1 1

X X X

0 0 0

X X X

D2 D1 D0

D2 = Q2 Q0

D1 = Q2 ⊕ Q1

D0 = Q2 Q1

CK

Q0(LSB)

Q1Q2(MSB)

D2

Ck2

Q2

Q2

Pr

Cl

D1

Ck1

Q1

Q1

Pr

Cl

D0

Ck0

Q0

Q0

Pr

Cl

RS

0

0 0

* Caùch 2: Cho caùc traïng thaùi dö khoâng coù voøng ñeám coù traïng thaùi keá tieáp laø 1 trong nhöõng traïng thaùi coù trong voøng ñeám.

000

Q2Q1Q0

100

011

010

110

101

001

111

T/t hieän taïi

Q2 Q1 Q0

T/t keá tieáp

Q+2 Q+

1 Q+

0

Caùc ngoõ vaøo

T2 T1 T0

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

1 0 0

1 1 0

1 1 0

0 1 0

0 1 1

1 0 0

0 0 0

1 0 0

11101010

01001011

01011101

T2 = Q0 + Q2 Q1

T1 = Q2 ⊕ (Q1 Q0)

T0 = Q0 + Q2 Q1

* Phaân tích boä ñeám song song: - Töø sô ñoà logic cuûa boä ñeám xaùc ñònh haøm kích thích (bieåu thöùc cuûa caùc ngoõ vaøo cuûa töøng FF phuï thuoäc vaøo caùc ngoõ ra Qi) - Laäp baûng traïng thaùi: töø traïng thaùi hieän taïi Qi vaø giaù trò ngoõ vaøo ta xaùc ñònh ñöôïc traïng thaùi keá tieáp cuûa FF Q+

i. - Töø baûng chuyeån traïng thaùi xaùc ñònh ñöôïc giaûn ñoà traïng thaùi hoaëc khaûo saùt giaûn ñoà xung cuûa boä ñeám.

QA

QA

QA

CK

JA

CK

KA1

QBQC

QB

QB

JB

CK

KB

QC

QC

JC

CK

KC1

JA = QB QC

KA = 1JB = QA QC

KB = QA +

QC

JC = QA

KC = 1

T/t hieän taïi

QA QB QC

Caùc ngoõ vaøoJA KA JB KB JC

KC

T/t keá tieáp

Q+A Q+

B Q+

C

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

00010001

11111111

01010000

01011111

11110000

11111111

00010000

01100000

10100000

000QAQBQC

001

010

011

100

101

110 11

1

IC 74193: boä ñeám leân/xuoáng ñoàng boä 4 bit

CLR LOAD UP DOWN

MODE

QA

QB

QC

(MSB) QD

CO

BO

3

2

6

7

1312

A

B

C

D

15

1

10

9

LOAD

CLR

UP

DOWN

11

14

5

4

RESET (Asyn.)

PRESET (Asyn.)

No changeCOUNT UPCOUNT

DOWNCO (Carry Out) = QDQCQBQAUP

BO (Borrow Out) = QDQCQBQADOWN

1 X X X

0 0 X X

0 1 1 1

0 1 1

0 1 1

IV. Thanh ghi dòch (Shift Register):

Thanh ghi dòch laø heä tuaàn töï coù khaû naêng löu tröõ vaø dòch chuyeån döõ lieäu.

1. Thanh ghi dòch nhaäp noái tieáp - xuaát noái tieáp (SISO):

D

Ck

Q

Q

D

Ck

Q

Q

D

Ck

Q

QCK

SERIN SEROUT

2. Thanh ghi dòch nhaäp noái tieáp – xuaát song song (SIPO):

D

Ck

Q

Q

D

Ck

Q

Q

D

Ck

Q

QCK

SERIN

1Q 2Q nQ

38

3. Thanh ghi dòch nhaäp song song - xuaát noái tieáp (PISO):

D

Ck

Q

Q

SERIN

D

Ck

Q

Q

D

Ck

Q

Q

X1

X0

S

Y

X1

X0

S

Y

X1

X0

S

Y1D

2D

nD

CLOCK

SHIFT / LOAD

SEROUT

39

4. Thanh ghi dòch nhaäp song song - xuaát song song (PIPO):

D

Ck

Q

Q

SERIN

D

Ck

Q

Q

D

Ck

Q

Q

X1

X0

S

Y

X1

X0

S

Y

X1

X0

S

Y1D

2D

nD

CLOCK

SHIFT / LOAD

1Q

2Q

nQ

InputsCLR CLK A

B

OutputsQA QB … QH

IC 74164: SIPO – Thanh ghi d ch n i ti p thaønh ị ố ếsong song

0 0

0

QA0 QB0

QH0

1 QAn

QGn

0 QAn

QGn

0 QAn

QGn

QA

QB

QC

QD

QE

QF

QG

QH

3

4

5

6

12

13

A

B

1

2

CLR

CLK

9

8

10

11

0 X X

X

1 0 X

X

1 1

1

1 0

X

1 X

0

InputsSH/LD CLKINH CLK SER A

… H

OutputQA QB …

QH

IC 74165: PISO – Thanh ghi d ch song song thaønh ịn i ti p ố ế

a b

h

QA0 QB0 QH0

1 QAn

QGn

0 QAn

QGn

QA0 QB0 QH0

0 X X X

a … h

1 0 0 X

X

1 0 1

X

1 0 0

X

1 1 X X

X

QH

QH

ABCDEFGH 9

SH/LDCLK INHCLKSER

1

2

15

10

11

12

13

14

3

4

5

6

7

VI. Boä ñeám thanh ghi dòch (Shift Register Counter):1. Boä ñeám voøng (Ring Counter):

Q2

D2

Ck

Q2

Q2

D1

Ck

Q1

Q1

D0

Ck

Q0

Q0CK

Q1

Q0

ClCl

Pr

RS

CKQ2

Q1

Q0

Clock Q2 Q1 Q0

1 1 0 02 0 1 03 0 0 1

2. Boä ñeám voøng xoaén (Twisted-ring Counter): boä ñeám Johnson Q2

D2

Ck

Q2

Q2

D1

Ck

Q1

Q1

D0

Ck

Q0

Q0CK

Q1

Q0

ClClCl

RS

CKQ2

Q1

Q0

Clock Q2 Q1 Q0

1 0 0 02 1 0 03 1 1 04 1 1 15 0 1 16 0 0 1