Giáo trình Mạch logic số (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Mạch logic số (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Cao đẳng) được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Cơ sở kỹ thuật số; Mạch nhớ; Mạch đếm; Các mạch số học và giải mã. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Mạch logic số (Nghề: Sửa chữa thiết bị tự động hóa - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: MẠCH LOGIC SỐ NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số:216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2022 (Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Mạch Logic Số được dịch và biên soạn dành cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) của Trường Cao Đẳng Dầu Khí và thuộc môn học cơ sở ngành. Các sinh viên nghề SCTBTĐH trước khi học môn học này cần hoàn thành môn học an toàn tự động hóa. Nội dung của giáo trình gồm 04 bài: Bài 1: Cơ sở kỹ thuật số Bài 2: Mạch nhớ Bài 3: Mạch đếm Bài 4: Các mạch số học và giải mã Tác giả chân thành gửi lời cám ơn đến các đồng nghiệp bộ môn Tự Động Hóa đã giúp tác giả hoàn thiện giáo trình này. Tuy đã nỗ lực nhiều, nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để lần ban hành tiếp theo được hoàn thiện hơn. Bà Rịa, Vũng Tàu, tháng 03 năm 2022 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: ThS. Bùi Minh Thảo 2. ThS. Lương Quốc Kông 3. KS. Tạ Ngọc Dũng Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 1
MỤC LỤC BÀI 1: CƠ SỞ KĨ THUẬT SỐ ...................................................................................12 1.1 Công nghệ kĩ thuật số ......................................................................................... 12 1.1.1 Nguồn cấp (Power Supply).................................................................................14 1.1.2 Mức logic (Logic Level) .....................................................................................14 1.1.3 Các cổng (Gates).................................................................................................15 1.1.4 Các ký hiệu (Symbols) .......................................................................................16 1.2 Các cổng logic cơ bản......................................................................................... 17 1.2.1 Cổng AND ..........................................................................................................17 1.2.2 Cổng OR .............................................................................................................18 1.2.3 Cổng XOR ..........................................................................................................19 1.2.4 Cổng NOT ..........................................................................................................19 1.3 Các cổng biến đổi ............................................................................................... 20 1.3.1 Cổng NAND .......................................................................................................20 1.3.2 Cổng NOR ..........................................................................................................21 1.3.3 Cổng XNOR .......................................................................................................21 1.4 Logic tổ hợp (Mạch tổ hợp) ................................................................................ 22 1.4.1 Phân tích một mạch logic tổ hợp ........................................................................22 1.4.2 Ví dụ về mạch logic tổ hợp.................................................................................24 1.4.3 Các vấn đề liên quan đến mạch logic tổ hợp ......................................................26 1.4.4 Cổng đệm (Buffer Gate) .....................................................................................27 BÀI 2: MẠCH NHỚ ....................................................................................................29 2.1 Các phần tử nhớ cơ bản ...................................................................................... 31 2.1.1 RSFF (RS Flip-Flop) ..........................................................................................31 2.2.2 RSFF cổng NAND..............................................................................................33 2.2 Logic đồng bộ ..................................................................................................... 33 2.2.1 Các tín hiệu xung đồng bộ (Clock Signals) ........................................................34 2.2.2 Giản đồ thời gian (Timing Diagrams) ................................................................35 2.2.3 RSFF đồng bộ .....................................................................................................35 2.2.4 DFF (Data Flip-flop) ..........................................................................................36 2.2.5 JKFF (FF vạn năng) ............................................................................................38 2.3 Các thiết bị nhớ cỡ lớn........................................................................................ 39 2.3.1 Các thanh ghi cơ bản (Basic Registers) ..............................................................39 2.3.2 Các thanh ghi chuyên dụng (Specialized Registers) ..........................................40 Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 2
BÀI 3: MẠCH ĐẾM ....................................................................................................41 3.1 Các hệ thống số đếm ........................................................................................... 41 3.1.1 Hệ nhị phân (Binary number) .............................................................................42 3.1.2 Hệ thập lục phân (Hexadecimal number) ...........................................................43 3.1.3 Mã BCD (Binary Coded Decimal) .....................................................................44 3.2 Bộ đếm nhị phân ................................................................................................. 44 3.3 Bộ đếm BCD....................................................................................................... 46 3.4 Bộ đếm kiểu đếm lên/đếm xuống (Up/down counters ....................................... 47 BÀI 4: CÁC MẠCH SỐ HỌC VÀ GIẢI MÃ ...........................................................49 4.1 Mạch số học ........................................................................................................ 49 4.1.1 Nguyên tắc cộng .................................................................................................50 4.1.2 Mạch cộng số học ...............................................................................................50 4.1.3 Sơ đồ mạch logic bộ cộng nhị phân....................................................................51 4.2 Mạch giải mã ...................................................................................................... 52 4.2.1 Bộ giải mã cơ bản (Basic Decoder) ....................................................................53 4.2.2 Mạch giải mã BCD sang LED 7 đoạn hiển thị (IC 7447) ..................................55 PHỤ LỤC .....................................................................................................................58 PHỤ LỤC A: CÁC VI MẠCH CỔNG VÀ FF THÔNG DỤNG ................................. 58 PHỤ LỤC B: CÁC VI MẠCH TỔ HỢP THÔNG DỤNG ........................................... 60 PHỤ LỤC C: CÁC VI MẠCH TUẦN TỰ THÔNG DỤNG ...................................... 61 PHỤ LỤC D: CÁC CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM:......................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................66 Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0-1: Ví dụ về mức logic ngõ vào và mức logic ngõ ra ...................................15 Hình 0-2: Các kiểu ký hiệu logic .............................................................................16 Hình 0-3: Kí hiệu cổng AND ...................................................................................17 Hình 0-4: Mạch điện cổng AND ..............................................................................17 Hình 0-5: Kí hiệu cổng OR ......................................................................................18 Hình 0-6: Mạch điện cổng NOR ..............................................................................18 Hình 0-7: Kí hiệu cổng XOR ...................................................................................19 Hình 0-8: Kí hiệu cổng NOT ...................................................................................19 Hình 0-9: Cổng NOT sử dụng cùng với các cổng logic khác ..................................20 Hình 0-10: Kí hiệu cổng NAND ..............................................................................20 Hình 0-11: Kí hiệu cổng logic NOR ........................................................................21 Hình 0-12: Kí hiệu cổng logic XNOR .....................................................................22 Hình 0-13: Ví dụ về một mạch logic tổ hợp ............................................................23 Hình 0-14: Sơ đồ mạch điểu khiển và mạch logic của lò đốt ..................................26 Hình 0-15: Ví dụ về các cổng logic có 3 ngõ vào....................................................27 Hình 0-16: Kí hiệu cổng đệm (BUFFER) ................................................................28 Hình 0-1: Kí hiệu RSFF ...........................................................................................31 Hình 0-2: RSFF được làm từ các cổng NOR và đáp ứng của RSFF với các tổhợp ngõ vào khác nhau...................................................................................................32 Hình 0-3: Sơ đồ mạch RSFF cổng NAND ..............................................................33 Hình 0-4: Xung nhịp đồng bộ ..................................................................................34 Hình 0-5: Xung kích sườn (A) và xung kích mức (B) .............................................35 Hình 0-6: NOR RSFF đồng bộ ................................................................................36 Hình 0-7: Giản đồ thời gian của NOR RSFF đồng bộ .............................................36 Hình 0-8: DFF kích theo mức logic (A) và kích theo sườn (B)...............................37 Hình 0-9: Giản đồ thời gian của DFF kích theo mức logic 1 ..................................37 Hình 0-10: Giản đồ thời gian DFF kích sườn dương ...............................................38 Hình 0-11: Kí hiệu logic của JKFF ..........................................................................38 Hình 0-12: Giản đồ thời gian của JKFF ở trạng thái lật (J=K=1)............................39 Hình 0-13: Thanh ghi 4 bit được tạo thành từ 4 DFF mắc song song .....................40 Hình 0-1: Sơ đồ bộ đếm nhị phân 4 bit và giản đồ thời gian của các ngõ ra ...........45 Hình 0-2: Sơ đồ bộ đếm BCD ..................................................................................47 Hình 0-3: Giản đồ thời gian của bộ đếm BCD ........................................................47 Hình 0-4: Sơ đồ một bộ đếm lên/xuống ...................................................................48 Hình 0-1: So sánh phép cộng thập phân và phép cộng nhị phân .............................50 Hình 0-2: Kí hiệu bộ cộng nhị phân.........................................................................51 Hình 0-3: Sơ đồ bộ cộng 8-bit được ghép nối từ 8 mạch cộng nhị phân 1 bit. .......51 Hình 0-4: Sơ đồ logic mạch cộng nhị phân 1 bit .....................................................52 Hình 0-5: Kí hiệu logic của bộ giải mã cơ bản ........................................................54 Hình 0-6: Sơ đồ logic bộ giải mã cơ bản (3 đường thành 8 đường) ........................55 Hình 0-7: Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn ..............................................56 Hình 0-8: Led 7 đoạn loại anode chung và cathode chung ......................................56 Hình 0-9: Sơ đồ chân và kí hiệu IC 74LS47 ............................................................57 Hình 0-10: Sơ đồ nối IC 74LS47 điều khiển LED 7 đoạn anode chung .................57 Trang 4
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng sự thật của một cổng logic 3 ngõ vào ..................................................16 Bảng 1.2: Bảng sự thật cổng AND ................................................................................17 Bảng 1.3: Bảng sự thật cổng OR ...................................................................................18 Bảng 1.4: Bảng sự thật cổng XOR 2 ngõ vào ...............................................................19 Bảng 1.5: Bảng sự thật cổng NOT ................................................................................20 Bảng 1.6: Bảng sự thật cổng NAND 2 ngõ vào ............................................................21 Bảng 1.7: Bảng sự thật cổng logic NOR .......................................................................21 Bảng 1.8: Bảng sự thật cổng logic XNOR ....................................................................22 Bảng 1.9: Bảng sự thật của mạch có 04 ngõ vào...........................................................24 Bảng 1.10: Bảng sự thật trung gian (thành phần) ..........................................................24 Bảng 1.11: Bảng sự thật toàn mạch ...............................................................................24 Bảng 2.1: Bảng sự thật của NOR RSFF ........................................................................32 Bảng 2.2: Bảng sự thật của NAND RSFF .....................................................................33 Bảng 3.1: Biểu diễn 16 số thập phân 0÷15 dưới dạng BIN, BIN 4 bit và HEX ...........43 Bảng 3.2: Cấu tạo mã BCD ...........................................................................................44 Bảng 4.1: Bảng sự thật bộ cộng nhị phân 1 bit .............................................................52 Bảng 4.2: Bảng sự thật của bộ giải mã đơn giản ...........................................................54 Bảng 4.3: Bảng sự thật của bộ giải mã BCD thành 7 đoạn ...........................................57 Trang 5
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 1. Tên mô đun: Mạch Logic Số 2. Mã mô đun: AUTM53104 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: 3.1. Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun chuyên ngành của chương trình đào tạo. Mô đun này được dạy trước môn học thiết bị đo lường và sau khi hoàn thành các môn học cơ sở ngành nghề. 3.2. Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức về các cổng logic cơ bản, các loại flip-flop, các mạch số học cũng như các mạch ứng dụng như thanh ghi dịch, bộ giải mã. Người học sẽ lắp ráp được các mạch số cơ bản sử dụng các linh kiện cổng logic (IC), testboard và các linh kiện hỗ trợ khác. 3.3. Ý nghĩa và vai trò của mô đun: 4. Mục tiêu của mô đun 4.1. Về kiến thức: A1. Nhận diện được các ký hiệu cổng logic cơ bản và lập được bảng chân trị và vẽ được đồ thị thời gian của các loại cổng logic này; A2. Nhận diện được các ký hiệu của flip-flop và mạch chốt; A3. Mô tả được cách hoạt động của các loại flip-flop và các bộ đếm; A4. Mô tả được cách hoạt động của các loại thanh ghi dịch; A5. Mô tả được cách hoạt động của mạch số học và bộ giải mã. 4.2. Về kỹ năng: B1. Lắp ráp được các mạch logic tổ hợp theo sơ đồ cho sẵn; B2. Lắp ráp được các bộ đếm dựa trên các flip-flop. B3. Xác định được chân của các IC cổng cơ bản, flip-flop, bộ giải mã 4.3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: C1. Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; C2. Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn điện khi sử dụng các linh kiện điện tử và làm việc với các nguồn điện 1 - 5V và 3 - 12V 5. Nội dung của mô đun: 5.1. Chương trình khung Trang 6
Thời gian học tập (giờ) Trong đó Số Thực Kiểm tra Tên môn học, mô hành/ STT Mã MH/MĐ tín đun Tổng thực tập/ chỉ Lý số thí thuyết LT TH nghiệm/ bài tập/ thảo luận Các môn học I chung bắt buộc 23 465 180 260 17 8 1 COMP64002 Chính trị 4 75 41 29 5 0 2 COMP62004 Pháp luật 2 30 18 10 2 0 3 COMP62008 Giáo dục thể chất 2 60 5 51 0 4 Giáo dục quốc 4 COMP62010 4 75 36 35 2 2 phòng và An ninh 5 COMP63006 Tin học 3 75 15 58 0 2 6 FORL66001 Tiếng Anh 6 120 42 72 6 0 An toàn vệ sinh 7 SAEN52001 2 30 23 5 2 0 lao động Các môn học, mô II đun chuyên môn 79 1845 602 1170 43 30 ngành, nghề Môn học, mô đun II.1 20 375 196 159 15 5 cơ sở 8 AUTM52101 An toàn TĐH 2 45 14 29 1 1 9 ELEI53154 Điện kỹ thuật 1 3 60 28 29 2 1 10 AUTM53102 Điện tử cơ bản 3 60 28 29 2 1 11 ELEI53011 Khí cụ điện 3 45 28 14 3 0 12 ELEI53110 Đo lường điện 3 60 28 29 2 1 Bản vẽ thiết bị đo 13 AUTM53006 3 45 42 0 3 0 lường 14 AUTM53104 Mạch logic số 3 60 28 29 2 1 Môn học, mô đun II.2 chuyên môn 59 1470 406 1011 28 25 ngành, nghề 15 AUTM55005 Thiết bị đo lường 5 90 56 29 4 1 Hiệu chuẩn thiết 16 AUTM55107 5 120 28 87 2 3 bị đo lường Lắp đặt hệ thống 17 AUTM54108 4 90 28 58 2 2 TĐH 1 Lắp đặt hệ thống 18 4 90 28 58 2 2 AUTM54109 TĐH 2 Cơ sở điều khiển 19 AUTM53110 3 60 28 29 2 1 quá trình 20 AUTM52112 Đấu nối dây 2 45 14 29 1 1 Trang 7
Thời gian học tập (giờ) Trong đó Số Thực Kiểm tra Tên môn học, mô hành/ STT Mã MH/MĐ tín đun Tổng thực tập/ chỉ Lý số thí thuyết LT TH nghiệm/ bài tập/ thảo luận Hệ thống điều 21 AUTM54113 khiển thủy lực - 4 90 28 58 2 2 khí nén 22 AUTM55115 PLC 5 120 28 87 2 3 23 AUTM64125 Vi điều khiển 4 90 28 58 2 2 Hệ thống điều 24 AUTM63117 khiển phân tán 4 90 28 58 2 2 (DCS) Điều khiển quá 25 AUTM64118 4 90 28 58 2 2 trình nâng cao Kiểm tra, chạy thử 26 AUTM62119 và xử lý lỗi vòng 3 75 14 58 1 2 điều khiển Thiết bị phân tích 27 AUTM64020 4 60 42 14 4 0 và theo dõi Khóa luận tốt 28 AUTM63221 3 135 14 121 0 0 nghiệp 29 AUTM55222 Thực tập sản xuất 5 225 14 209 0 2 Tổng số 102 2310 782 1430 60 38 5.2. Chương trình Mô đun Thời gian (giờ) Thực hành, Số TT Nội dung tổng quát Tổng Lý thí nghiệm, Kiểm tra số thuyết thảo luận, bài tập LT TH 1 Bài 1: Cơ sở kỹ thuật số 20 10 10 2 Bài 2: Mạch nhớ 14 7 6 1 3 Bài 3: Mạch đếm 14 6 8 Bài 4: Mạch số học và mạch giải 4 12 5 5 1 1 mã Cộng 60 28 29 2 1 6. Điều kiện thực hiện mô đun Trang 8
6.1. Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: có đầy đủ thiết bị, vật tư thực hành 6.2. Phòng học lý thuyết: đáp ứng phòng học chuẩn 6.3. Phòng thực hành: phòng thực tập điện – điện tử 6.4. Trang thiết bị máy móc: Máy tính, máy chiếu, bảng, phấn, bút viết bảng/phấn trắng và màu, giẻ lau các loại IC, testboard, dây dẫn, LED, điện trở, kìm tuốt dây, VOM và các thiết bị/ công cụ/dụng cụ khác. 6.7. Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Giáo trình, giáo án, qui trình thực hành (nếu có). Phiếu đánh giá thực hành 7. Nội dung và phương pháp đánh giá 7.1. Nội dung: − Kiến thức: Bài 1, bài 2, bài 3 và bài 4. − Kỹ năng: bài 2, bài 3 và bài 4. − Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; + Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn điện khi sử dụng các linh kiện điện tử và làm việc với các nguồn điện 1 -5V và 3-12V 7.2. Phương pháp đánh giá: 7.2.1. Kiểm tra thường xuyên: Số lượng bài: 01. − Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy mô đun thực hiện tại thời điểm bất kỳ trong quá trình học thông qua việc kiểm tra vấn đáp trong giờ học, kiểm tra viết với thời gian làm bài bằng hoặc dưới 30 phút, kiểm tra một số nội dung thực hành, thực tập, chấm điểm bài tập. 7.2.2. Kiểm tra định kỳ: Số lượng bài: 03, trong đó 02 bài lý thuyết và 01 bài thực hành. − Cách thức thực hiện: Do giáo viên giảng dạy mô đun thực hiện theo theo số giờ kiểm tra được quy định trong chương trình môn học ở mục III có thể bằng hình thức kiểm tra viết từ 45 đến 60 phút, chấm điểm bài tập lớn, tiểu luận, làm bài thực hành, thực tập. Giáo viên biên soạn đề kiểm tra lý thuyết kèm đáp án và đề kiểm tra thực hành kèm biểu mẫu đánh giá thực hành theo đúng biểu mẫu qui định, trong đó: Trang 9
Bài kiểm Hình thức Nội dung kiến Chuẩn đầu ra đánh giá Stt Thời gian tra kiểm tra thức 1. Bài kiểm A1, A2, A3, A4, A5 45 ÷ 60phút Lý thuyết bài 1 và bài 2 tra số 1 2. Bài kiểm A4, A5, B1, B2 45 ÷ 60phút Lý thuyết bài 3 và bài 4 tra số 2 3. Bài kiểm bài 1, bài 2, A1, A2, A3, A4, A5, B1, 45 ÷ 60phút Thực hành tra số 3 bài 3, và bài 4 B2, B3, C1, C1 Thi kết thúc môn học: lý thuyết và thực hành. − Hình thức thi: trắc nghiệm và thực hành. − Thời gian thi: trắc nghiệm 45÷60 phút, thực hành 60÷120 phút. − Đáp ứng chuẩn đầu ra: A1, A2, A3, A4, A5, B1, B2, B3, C1, C2. 8. Hướng dẫn thực hiện mô đun 8.1. Phạm vi áp dụng chương trình: Chương trình mô đun này được áp dụng cho nghề sửa chữa thiết bị tự động hoá, trình độ trung cấp và cao đẳng. 8.2. phương pháp giảng dạy mô đun đào tạo: 8.2.1. Đối với giảng viên/giáo viên: − Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết hoặc tích hợp hoặc thực hành phù hợp với từng chương/bài học với thời lượng theo giờ dạy hoặc theo buổi dạy. − Tổ chức giảng dạy: tập trung đối với giờ lý thuyết và chia ca đối với giờ thực hành theo qui định. 8.2.2. Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau: − Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu...) − Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số tiết lý thuyết phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau. − Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 8-10 người học sẽ được cung cấp Trang 10
chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ chủ đề thảo luận của nhóm. − Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ. − Tham dự thi kết thúc môn học. − Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học. 9. Tài liệu tham khảo: − Tài liệu tiếng Việt: [1] Giáo trình Kỹ thuật số, Nguyễn Đình Phú – Nguyễn Trường Duy, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, NXB Đại Học Quốc Gia, 2016. − Tài liệu nước ngoài: [3] Instrumentation Level 4, third edition, NCCER, 2016. [4] Digital Systems Principles & Aplication, 12th edition, Ronald Tocci, Neal S. Widmer, Gregory L. Moss, PEARSON, 2017. Trang 11
BÀI 1: CƠ SỞ KĨ THUẬT SỐ GIỚI THIỆU BÀI 1 - Giới thiệu về công nghệ kỹ thuật số - Các cổng Logic cơ bản - Các cổng NAND; NOR; XNOR - Mạch tổ hợp MỤC TIÊU CỦA BÀI 1 LÀ: - Về kiến thức: + Trình bày được khái niệm về công nghệ kỹ thuật số và các các thuật ngữ liên quan; + Nhận diện được các ký hiệu cổng logic cơ bản và lập được bảng chân trị và vẽ được đồ thị thời gian của các loại cổng logic này; - Về kỹ năng: + Lắp ráp được các mạch logic tổ hợp theo sơ đồ cho sẵn; - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; + Tuân thủ nghiêm túc các quy định an toàn điện khi sử dụng các linh kiện điện tử và làm việc với các nguồn điện 1 -5V và 3-12V. PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 1 - Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập bài1 (cá nhân hoặc nhóm). - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống bài 1 theo cá nhân hoặc nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định. ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1 - Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng học thực hành điện – điện tử - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác - Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mô đun học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan, các loại trang thiết bị bảo hộ cá nhân: giày cách điện. - Các điều kiện khác: không có Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 12
KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 1 Nội dung: - Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức - Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng. - Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập. Phương pháp: - Điểm kiểm tra thường xuyên: không có. - Kiểm tra định kỳ lý thuyết/thực hành: không có. 1.1 Công nghệ kĩ thuật số Công nghệ số biểu diễn tất cả thông tin dưới dạng số. Việc này đã làm cho mạch số (digital circuits) trở nên rất linh hoạt và có thể xử lý bất kỳ dạng thông tin nào. Ngược lại, các mạch tương tự (analog circuits) thì lại đặc biệt hóa vì mỗi loại thông tin phải xử lý theo các phương pháp khác nhau. Đó là lý do tại sao công nghệ số đã thay đổi cả thế giới một cách ngoạn mục trong vài thập kỉ qua. Mạch số thực hiện 3 nhiệm vụ cơ bản về số: điều khiển logic, các phép toán và lưu trữ. Suy cho cùng, mỗi loại thiết bị số - ngay cả máy tính – loại thiết bị số quyền lực nhất của thế giới – cũng chỉ thực hiện 3 nhiệm vụ này. Các linh kiện kĩ thuật số có thể làm việc cùng với nhau thì được nhóm chung thành một nhóm hay một tập hơp hay một họ ligic (Logic Family). Qua nhiều năm phát triển, có rất nhiều họ logic xuất hiện. Khi được thiết kế, mỗi linh kiện số có thể được ghép từ nhiều họ logic khác nhau để giải quyết được các vấn đề riêng biệt. Nhưng không phải tất cả các họ logic đều có thể giao tiếp được với nhau. Vì thế các kĩ sư thiết kế phải nắm được đặc trưng cơ bản về điện của từng họ logic để giải quyết vấn đề. Tương tự như vậy, người kĩ thuật viên đo lường tự động hóa cũng phải biết được các đặc trưng của từng họ logic. Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 13
1.1.1 Nguồn cấp (Power Supply) Thông tin đầu tiên và quan trọng nhất về một linh kiện/thiết bị số chính là nguồn cấp. Tất cả thiết bị số sử dụng điện áp thấp. Tuy nhiên, hầu hết công nghệ không tương thích trừ khi chúng sử dụng cùng điện áp. Các linh kiện số chuyên biệt được thiết kế để phù hợp với một dải điện áp rộng. Những linh kiện này được sử dụng để chuyển đổi giữa các họ logic khác nhau. Các loại điện áp nguồn phổ biến nhất là +5 VDC và +3.3 VDC, mặc dù có những điện áp thấp hơn vẫn được sử dụng ở một số ứng dụng. Trên sơ đồ mạch điện, đường nối với nguồn cấp dương thường được kí hiệu là VCC hoặc VDD. Đường nối với nguồn cấp âm thường được kí hiệu là VSS hay GND (nối đất). Ngoài ra cũng có các kí hiệu khác. Trong công nghiệp, thuật ngữ “logic 5V” thường ám chỉ họ logic sử dụng nguồn cấp 5 VDC. Phải chú ý rằng không phải tất cả công nghệ logic 5V đều tương thích với nhau – có thể chúng không giao tiếp với nhau được. Để xác định được điều này, bạn cần phải biết thông tin khác về một họ logic, đấy chính là mức logic. 1.1.2 Mức logic (Logic Level) Công nghệ số tạo ra các con số mà chỉ sử dụng 2 giá trị là 0 và 1. Chúng đại diện cho 2 mức điện áp rời rạc hay mức logic, khoảng cách giữa 2 mức này đủ xa để không bị trộn lẫn vào nhau. Một mức logic có thể có nhiều tên. Mức 0 có thể được hiểu là mức thấp (mức LOW), sai (false) hoặc OFF (ngắt). Mức 1 có thể được hiểu là mức cao (HIGH), đúng (True) hoặc ON (đóng). Nhưng nhìn chung thì được gọi là mức 0 và mức 1. Để các thiết bị/linh kiện số giao tiếp được với nhau thì chúng phải có cùng mức logic. Mỗi linh kiện đều có ngõ vào và ngõ ra vì thế sẽ có mức logic cho ngõ vào và mức logic cho ngõ ra. Ví dụ: họ logic 5V qui định dải điện áp ngõ ra 0÷0.5V tương ứng mức logic 0, còn dải điện áp ngõ ra 4.5÷5.0 V tương ứng mức logic 1. Ngược lại, dải điện áp ngõ vào lại rộng hơn, 0÷1.5V tương ứng mức 0, còn 3.5÷5.0V tương ứng với mức 1. Bằng cách nới rộng dải điện áp ngõ vào hơn dải điện áp ngõ ra, mạch trở nên đảm bảo hơn (độ tin cậy cao hơn) khi tình trạng của mạch không còn là mạch lý tưởng. Hình 1-1 là một ví dụ về mối quan hệ giữa mức logic ngõ vào và mức logic ngõ ra của một họ logic. Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 14
Hình 0-1: Ví dụ về mức logic ngõ vào và mức logic ngõ ra 1.1.3 Các cổng (Gates) Các mạch số dù có phức tạp đến mấy cũng được thể hiện dưới dạng liên kết các cổng logic. Mỗi cổng có thể có một hay nhiều ngõ vào nhưng tối thiểu phải có một ngõ ra. Kết quả ngõ ra là phép toán logic của tất cả ngõ vào. Để biết được đặc tính của một cổng logic thì phải tham khảo bảng sự thật/bảng chân trị (Truth Table). Bảng này thể hiện tất cả các tổ hợp ngõ vào và xuất tín hiệu ngõ ra tương ứng với từng tổ hợp ngõ vào tác động. Nếu có 2 ngõ vào thì có 4 tổ hợp ngõ vào, nếu có 3 ngõ vào thì có 8 tổ hợp ngõ vào. Nói cách khác nếu có n ngõ vào thì có 2n tổ hợp ngõ vào. Như thế bảng sự thật sẽ có 2n dòng tương ứng. Bảng 1-1 là một ví dụ về bảng sự thật của một cổng logic 3 ngõ vào. Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 15
Bảng 0.1: Bảng sự thật của một cổng logic 3 ngõ vào 1.1.4 Các ký hiệu (Symbols) Các linh kiện điện tử, chẳng hạn như các cổng logic sẽ được hiện diện trong mạch bằng các ký hiệu. Các hệ thống lập trình, ví dụ như PLC sẽ sử dụng các ký hiệu logic này để viết chương trình điều khiển. Hiện tại có 2 loại ký hiệu được sử dụng trong công nghiệp. Một kiểu là ký hiệu truyền thống (Traditional) sử dụng từ năm 1950, kiểu này sử dụng các hình khác nhau để thể hiện các loại cổng logic khác nhau. Kiểu còn lại là kiểu hình chữ nhật, sử dụng từ năm 1980 với mục đích là thể hiện các cổng chỉ với một hình dạng (hình chữ nhật) và tên của các cổng được hiển thị bên trong hình chữ nhật này. Bạn có thể sử dụng 1 trong 2 kiểu ký hiệu cổng logic ở nơi làm việc mặc dù rất nhiều kĩ sư và kĩ thuật viên quen sử dụng kí hiệu truyền thống. Hình 1-2 là một ví dụ về kí hiệu của một cổng logic, hình 1-2 (A) là kí hiệu truyền thống và hình 1-2 (B) là kí hiệu hình chữ nhật. Hình 0-2: Các kiểu ký hiệu logic Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 16
1.2 Các cổng logic cơ bản Các mạch logic được làm từ 7 loại cổng logic. Trong số 7 cổng này, chỉ có 04 cổng là độc nhất còn 03 cổng còn lại đều là biến thể từ 04 cổng này. Ở phần này chúng ta sẽ tìm hiểu kí hiệu, mạch điện và bảng sự thật của từng cổng logic. 1.2.1 Cổng AND a. Kí hiệu: Hình 0-3: Kí hiệu cổng AND b. Mạch điện: Hình 0-4: Mạch điện cổng AND c. Bảng sự thật: NGÕ VÀO (INPUTS) NGÕ RA (OUTPUT) A B 𝑿𝑿 = 𝑨𝑨 ∙ 𝑩𝑩 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Bảng 0.2: Bảng sự thật cổng AND Ngõ ra (X) là phép nhân logic (AND) của tất cả ngõ vào. Đặc tính của cổng AND là ngõ ra chỉ bằng 1 khi và chỉ khi tất cả ngõ vào nhận giá trị 1. Nếu một trong các ngõ vào nhận giá trị 0 thì ngõ ra bằng 0. Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 17
1.2.2 Cổng OR a. Kí hiệu: Hình 0-5: Kí hiệu cổng OR b. Mạch điện: Hình 0-6: Mạch điện cổng NOR c. Bảng sự thật NGÕ VÀO (INPUTS) NGÕ RA (OUTPUT) A B 𝑿𝑿 = 𝑨𝑨 + 𝑩𝑩 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Bảng 0.3: Bảng sự thật cổng OR Ngõ ra (X) là phép cộng logic của tất cả ngõ vào. Đặc điểm của cổng OR là ngõ ra chỉ bằng 0 khi tất cả ngõ vào bằng 0. Nếu một trong các ngõ vào nhận giá trị 1 thì ngõ ra bằng 1. Bài 1: Cơ sở kĩ thuật số Trang 18