Các khái niệm cơ bản mạch tuần tự

I. GIỚI THIỆU

Chương trước đã đề cập đến các mạch tổ hợp từ các cổng logic đơn giản đến các mạch tích hợp MSI phức tạp hơn như mạch chuyển đổi mã, dồn kênh, tách kênh. Chúng có một đặc điểm là ngõ ra sẽ thay đổi trạng thái theo trạng thái ngõ vào mà không kể tới các trạng thái trước đó của nó, nghĩa là chúng không có tính nhớ.

Đơn giản như mạch trên hình 3.1.1, nếu A = 1 thì Y = 0

Hình 3.1.1 Cổng NOT

Ở chương này, ta sẽ nói đến một loại lớn khác của mạch số, đó là mạch tuần tự. Khác với mạch tổ hợp, trạng thái ngõ ra của mạch tuần tự tuỳ thuộc không những vào các trạng thái ngõ vào mà còn vào cả 2 trạng thái trước đó của ngõ ra. Không những thế, trạng thái ngõ ra sẽ không thay đổi ngay khi ngõ vào thay đổi mà lại còn phải đợi đến khi có xung lệnh gọi là xung đồng hồ (clock). Như vậy mạch tuần tự vừa có tính nhớ vừa có tính đồng bộ.

Cả mạch tổ hợp và tuần tự đều được sử dụng nhiều trong các hệ thống số. Một hệ tuần tự có thể biểu diễn một cách tổng quát như sau:

Hình 3.1.2 Hệ tuần tự

Phần tổ hợp sẽ nhận tín hiệu logic từ đầu vào bên ngoài và từ đầu ra của các phần tử nhớ, nó tính toán dựa vào các đầu vào này để cho ra các đầu ra khác nhau, trong đó một phần được đem sang khối các phần tử nhớ để cất giữ đi; đầu ra của phần tử nhớ có thể đưa ra ngoài hay đưa điều khiển phần tổ hợp. Phần điều khiển sẽ cho phép phần nhớ và tổ hợp hoạt động theo một số yêu cầu đề ra.

Như vậy, các đầu ra của hệ thống số vừa phụ thuộc vào các đầu vào vừa liên quan đến thông tin đã lưu trữ bên trong của phần tử nhớ. Phần tử nhớ có thể là một mạch logic nhưng có khi chỉ là một đường nối phản hồi từ ngõ ra về ngõ vào.

1.Mạch chốt cổng Nand

Hãy xem cấu tạo của mạch dưới đây :

Hình 3.1.3 Mạch chốt cổng Nand

Mạch gồm 2 cổng logic Nand mắc chéo nhau, có 2 ngõ vào là S (set : có nghĩa là đặt) và R (reset : có nghĩa là đặt lại). 2 ngõ ra kí hiệu là Q (đầu ra bình thường) và Q(đầu ra đảo, tức là có trạng thái logic ngược lại với Q)

Hoạt động của mạch như thế nào?
- Khi thiết lập mạch chốt đặt S = 0, R = 1. Vậy ngõ ra ổn định sẽ là Q = 1 và Q = 0Do S = 0 nên Q = 1 bất chấp ngõ còn lại
- Khi xoá mạch chốt S = 1 và R = 0 V.ậy ngõ ra ổn định sẽ là Q = 0 và Q = 1
- Vì lí do đối xứng nên hoạt động thiết lập và xoá mạch chốt ngược nhau.
- Do R = 0 nên Q = 1 bất chấp ngõ còn lại
- Khi để ngõ vào thường nghỉ S= 1 R=1Hãy xét đến trạng thái trước đó:
- Vì vậy khi S=1 R=1 trạng thái ra không thay đổi tức là trước đó như thế nào thì sau vẫn vậy (Qo và Qo)
- Rõ ràng chưa thể biết ngõ ra Q và Q như thế nào
- Khi thiết lập và xoá cùng lúc S=0, R=0
- Rõ ràng khi nãy cả 2 cổng NAND đều có mức vào là 0 nên mức ra là 1, đây là điều kiện không mong muốn vì đã quy ước Q và có trạng thái logic ngược nhau. Hơn nữa khi S, R trở lại mức cao(1) thì sẽ không thể dự đoán Q và Q thay đổi; vì vậy trạng thái này không được sử dụng còn gọi là trạng thái cấm.

Như vậy, mạch có 2 trạng thái ra ổn định là 0 và 1; mạch có thể nhận tín hiệu số vào (trong trường hợp đơn giản này chỉ là 0 và 1) và đưa được nó ra, và từ đây khả năng nhớ (lưu trữ dữ liệu), đồng bộ, và một số điểm khác cũng có thể được thực hiện được. Ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn ở những mạch sau đó. Mạch hoạt động như ở trên được coi là 1 mạch chốt, 1dạng mạch tuần tự cơ bản nhất.

2.Mạch chốt là gì?

Như tên gọi của nó, mạch có thể cài lại, giữ lại trạng thái logic ngõ vào

Hình 3.1.4 Kí hiệu khối chốt SR và bảng hoạt động

3.Chốt cổng NOR

Hình 3.1.6 Chốt cổng NOR

Mạch chốt như trên có thể thay thế 2 cổng nand bằng 2 cổng NOR nguyên lí hoạt động cũng tương tự nhưng ngõ vào S, R tác động ở mức cao

Hình 3.1.7 Dạng sóng minh hoạ và bảng hoạt động của mạch chốt cổng NOR

Thấy rằng các mạch tuần tự dù là mạch chốt đã khảo sát ở trên hay các mạch cao hơn thì đều được cấu tạo bởi cổng logic cơ bản. Mặc dù tự thân cồng logic không thể lưu trữ được dữ liệu nhưng khi biết kết hợp với nhau theo một cách thức cho phép tuỳ theo mức độ phức tạp, quy mô kết hợp mà sẽ có mạch chốt, mạch lật, ghi dịch hay hơn nữa là các bộ nhớ, xử lý.

4.Ứng dụng của mạch chốt

Mạch chốt như tên gọi của nó được sử dụng nhiều trong các hệ thống số cần chốt hay đệm dữ liệu trước khi được xử lý điều khiển hay truyền nhận. Ngoài ra nó còn được sử dụng làm mạch chống dội và mạch tạo dạng sóng vuông.

a.Mạch chống dội

Hiện tượng dội do các thiết bị cơ khí gây nên khi đóng ngắt chuyển mạch điện tử. Mạch chốt có thể được dùng để chống dội như đã thấy ở chương 1

Hình 3.1.8 Chốt NAND chống dội

b.Mạch tạo dao động sóng vuông

Tần số dao động tính theo giá trị R, C là
f = ½(R+R3)C
Mạch minh hoạ

Hình 3.1.9 Ứng dụng chốt tạo dao động sóng vuông

Một mạch chốt cơ bản kết hợp với một số linh kiện R , C để tạo nên mạch dao động sóng vuông do ngõ ra lật trạng thái qua lại giữa mức 1 và 0. Mạch thiết lập và xoá tự động theo thời hằng nạp xả của tụ C và trở R.

5.Chốt NAND khi có xung đồng hồ

Như đã nói đến ở phần trước, các mạch tuần tự còn có một đặc tính nữa là tính đồng bộ mà mạch chốt chưa thể hiện. Trong hệ thống mạch logic, các mạch phải thay đổi trạng thái có trật tự hay đồng bộ nhau thì mới có thể khống chế các trạng thái ra theo các thời điểm chọn trước. Lúc này người ta sử dụng chân Ck (clock_đồng hồ: vì thông thường tín hiệu trên chân này có sóng dạng điện áp như tín hiệu của đồng hồ) minh hoạ qua hình sau

Mạch chốt được thêm vào 2 cổng nand ở trước cùng với 1 ngõ điều khiển ck

Hình 3.1.10 Chốt NAND có thêm xung đồng hồ

Bảng sự thật của chốt Nand khi có thêm ck

Hoạt động của mạch có thể giải thích theo bảng sự thật:

Mạch vừa nêu còn có một tên rất thông dụng: đó là flip flop (viết tắt là FF). Cụ thể ở đây là mạch FF RS. Các FF có 4 dạng kích hoạt từ chân Ck: kích hoạt theo mức cao, mức thấp; cạnh lên, cạnh xuống (tại thời điểm xung Ck có mức hoặc cạnh tương thích thì FF mới được phép chuyển trạng thái).