Mạch tích hợp số trong Proteus

Mạch tích hợp số trong Proteus

Phần mềm Proteus có một bộ sưu tập lớn và đa dạng các thư viện IC kỹ thuật số. Phần mềm này có thể được sử dụng như một công cụ chọn IC trong thiết kế mạch kỹ thuật số. Những nhà thiết kế mạch không cần phải mất thời gian tìm kiếm sự có sẵn của các IC khác nhau cho ứng dụng của họ. Thư viện này cung cấp thông tin về các IC cũng như các thông tin thương mại và chi tiết nhà sản xuất của chúng.

Các thành phần có thể dễ dàng được tìm kiếm trong thư viện bằng cách sử dụng từ khóa như Cổng AND, Cổng OR, flip flop, bộ giải mã, bộ đếm, v.v. Phần mô tả cung cấp thông tin về các gói của IC, như số lượng cổng có trong một IC, v.v. Xem trước được cung cấp để tham khảo nhanh về thành phần cũng như xem trước PCB, điều này giúp dễ dàng khi chuyển đổi mô hình mạch sang thiết kế PCB.

Dưới đây là các kỹ thuật thiết kế để mô phỏng đúng của mạch kỹ thuật số:

Không để bất kỳ chân đầu vào của IC nào mở, tức là ở trạng thái nổi, trừ khi trong tài liệu kỹ thuật đề cập đến sẵn có của các chân kéo lên hoặc kéo xuống nội bộ.
Sử dụng các résistor có giá trị phù hợp, thường là 10K cho chân kéo lên hoặc kéo xuống bên ngoài.
Việc sử dụng chân kéo lên hoặc kéo xuống bên ngoài là bắt buộc khi sử dụng công tắc thủ công làm đầu vào.
Sử dụng các résistor có giá trị phù hợp cho đèn LED. Không kết nối LED trực tiếp vào các đầu ra ngay cả cho mục đích mô phỏng, vì điều này có thể dẫn đến hoạt động không chính xác của mạch do sự dịch chuyển của mức điện áp.
Được khuyến khích thiết lập loại mô hình của các résistor trong thuộc tính của résistor thành kỹ thuật số khi sử dụng chúng với IC kỹ thuật số trong phần mềm mô phỏng.

Khi phân tích mạch bằng Oscilloscope, hãy đặt các kênh vào chế độ DC.

Sử dụng chế độ Bus cho các kết nối nếu có quá nhiều IC hoặc nếu dây nối không gọn gàng.

Cổng OR

Nếu bất kỳ một trong các đầu vào của Cổng OR là HIGH, thì đầu ra của Cổng OR cũng là HIGH. Nếu các đầu vào được áp dụng bằng cách sử dụng công tắc, các đầu vào phải được kéo xuống cho các đầu vào active high và kéo lên cho các đầu vào active low.

Bảng chân trị của Cổng OR:

Các Cổng OR với số lượng đầu vào lên đến 12 có sẵn để mô phỏng. Tuy nhiên, để thực hiện trên phần cứng, người thiết kế phải xác nhận sự có sẵn của chúng trên thị trường từ thời gian này đến thời gian khác.

Cổng AND

Nếu tất cả các đầu vào của Cổng AND đều là HIGH, thì đầu ra của Cổng AND cũng là HIGH. Nếu các đầu vào được áp dụng bằng cách sử dụng công tắc, các đầu vào phải được kéo xuống cho các đầu vào active high và kéo lên cho các đầu vào active low.

Bảng chân trị của cổng AND

Các Cổng AND với số lượng đầu vào lên đến 8 có sẵn để mô phỏng. Tuy nhiên, để thực hiện trên phần cứng, người thiết kế phải xác nhận sự có sẵn của chúng trên thị trường từ thời gian này đến thời gian khác.

Cổng NOR

Nếu bất kỳ một trong các đầu vào của Cổng NOR là HIGH thì đầu ra của Cổng NOR là LOW. Đầu ra chỉ là HIGH khi tất cả các đầu vào đều là LOW.

Bảng chân trị của cổng NOR

ổng NOR là một trong hai cổng cơ bản, nghĩa là bất kỳ logic nào cũng có thể được tạo ra bằng cổng NOR. Các Cổng NOR với số lượng đầu vào lên đến 8 có sẵn để mô phỏng.

Cổng NAND

Nếu bất kỳ một trong các đầu vào của Cổng NAND là LOW thì đầu ra của Cổng NAND là HIGH. Đầu ra chỉ là LOW khi tất cả các đầu vào đều là HIGH.

Bảng chân trị của cổng NAND

Cổng NAND là một trong hai cổng cơ bản, nghĩa là bất kỳ logic nào cũng có thể được tạo ra bằng cổng NAND. Các Cổng NAND với số lượng đầu vào lên đến 13 có sẵn để mô phỏng.

Cổng XOR

Nếu có một số lẻ đầu vào là HIGH, thì đầu ra là HIGH. Hàm của cổng X-OR hai đầu vào tương tự như cách hoạt động của các công tắc hai chiều trong bảng điều khiển điện.

Bảng chân trị của cổng XOR

Cổng XOR là một bộ cộng hai bit. Các Cổng XOR với số lượng đầu vào lên đến 9 có sẵn để mô phỏng.

Cổng Inverter

Đầu ra của cổng này ngược với đầu vào của nó. Đây là một cổng đơn đầu vào và đơn đầu ra.

Bảng chân trị của cổng Inverter

Cổng Buffer
Đầu ra của cổng này giống với đầu vào của nó. Đây là một cổng đơn đầu vào và đơn đầu ra. Thường được sử dụng để tăng cường tín hiệu yếu trong bất kỳ phần nào của mạch. Ngoài ra, nó cũng được sử dụng để tăng độ trễ truyền.

Các bộ đệm với Đầu ra ba trạng thái.

Đầu ra của cổng này giống với đầu vào của nó nếu bộ đệm được kích hoạt (enabled). Nếu đầu vào kích hoạt (enable) không hoạt động, thì đầu ra sẽ ở trạng thái điện trở cao (High impedance) hoặc ba trạng thái (Tri-state).

Các đầu ra của hai hoặc nhiều bộ đệm có thể được kết nối với nhau mà không gặp vấn đề về ngắn mạch. Đặc tính này hữu ích trong việc chọn lựa đầu vào. Các gói IC với 6 Bộ đệm (Buffers) có sẵn.

Dữ liệu đến từ một trong các kênh đa kênh có thể được chọn bằng cách sử dụng các bộ đệm này. Phương pháp này có thể được áp dụng để giảm số lượng kênh truyền thông cần thiết trong bộ xử lý, trừ khi cần dữ liệu từ tất cả các kênh cùng một lúc.

Kỹ thuật Lựa chọn Chip / Lựa chọn Giai đoạn.

Trong các mạch kỹ thuật số lớn hoặc các hệ thống đa đầu vào/đầu ra, bộ xử lý trung tâm phải trao đổi dữ liệu với các thiết bị ngoại vi của nó. Các đường địa chỉ của bộ xử lý chứa địa chỉ của thiết bị ngoại vi cụ thể. Để kích hoạt chip với một địa chỉ cụ thể, kỹ thuật lựa chọn chip này được sử dụng.

Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng Cổng AND với một số đầu vào phù hợp với số lượng đường địa chỉ và một số Bộ đảo (Inverters). Ví dụ, hãy không để ý đến nguồn của địa chỉ và xem xét ba đường địa chỉ thông qua đó các địa chỉ được thu được. Vì vậy, Cổng AND với 3 đầu vào được sử dụng. Số lượng địa chỉ có thể có với 3 dòng là 23=8.

Với 8 địa chỉ này, một trong 8 chip có thể được chọn. Mỗi chip sẽ được gán cho một Cổng AND riêng, sao cho đầu ra của cổng này chỉ là HIGH khi địa chỉ của chip tương ứng với địa chỉ được tạo ra bởi các đường địa chỉ. Điều này thường được gọi là Bộ giải mã 3 thành 8 (3-to-8 Decoder).

Trong trường hợp của các Bộ đếm nhị phân, kỹ thuật này được sử dụng để xác định hoặc lựa chọn giai đoạn đếm để đặt lại bộ đếm hoặc bắt đầu một quy trình khác. Số lượng chip được địa chỉ có thể được tăng bằng cách tăng số đầu vào của Cổng AND.

JK-Flip Flop

Đây là một cạc Flip Flop hai đầu vào, đầu ra của nó thay đổi theo các đầu vào trong lúc xung lên hoặc xung xuống của tín hiệu clock. Do đó, J và K là các đầu vào đồng bộ. Chúng ảnh hưởng đến đầu ra trong quá trình áp dụng xung clock.

Trạng thái chuyển tiếp của cạc Flip Flop JK được xác định bởi bảng chân trị sau

Đồng hồ cho Flip Flop có thể được lựa chọn là Xung lên hoặc Xung xuống. Cả hai đều có sẵn. Các đầu vào không đồng bộ cũng được bao gồm trong gói IC, cho phép thiết lập/xóa cạc Flip Flop tại bất kỳ thời điểm nào mà không phụ thuộc vào các đầu vào đồng bộ và tín hiệu clock. Các IC được chế tạo với các JK-Flip Flop đôi, ba, bốn trong một gói đơn với đầu vào clock và không đồng bộ chung hoặc độc lập.

JK Flip Flop operation

J=1, K=1 là trạng thái chuyển đổi (toggle state) của cạc Flip Flop, dẫn đến Toggle Flip Flop, nghĩa là đầu ra chuyển đổi liên tục khi các xung lên của clock được áp dụng. Khi J=1 và K=1, trạng thái của cạc Flip Flop sẽ đảo ngược mỗi khi có xung lên của clock, dẫn đến việc đầu ra chuyển đổi giữa các trạng thái 0 và 1 mỗi lần xung lên. Điều này tạo ra một tín hiệu đầu ra có tần số gấp đôi của tần số của xung lên clock.

Một BCD Counter (Binary Coded Decimal Counter) sử dụng JK-Flip Flops (Flip Flop JK)

Cạc Flip Flop JK được sử dụng như một yếu tố cơ bản trong việc thiết kế các bộ đếm nhị phân/BCD. Dưới đây là một Bộ Đếm Nhị Phân 4-Bit tăng dần (4-Bit Binary Up-Counter). Bằng cách kết nối nối tiếp 4 Flip Flop JK, ta thu được một Bộ Đếm 4-Bit.

Trong cả hai loại bộ đếm, trạng thái chuyển đổi của cạc Flip Flop, tức là với các đầu vào J=K=1 được sử dụng.

Tuy nhiên, có các quy trình để thiết kế các bộ đếm khác nhau, được giải thích rõ ràng trong sách về điện tử kỹ thuật số và mạch chuyển đổi.

D-Flip Flop

Đây là một cạc Flip Flop đơn đầu vào, đầu ra của nó thay đổi theo đầu vào trong lúc xung lên hoặc xung xuống của tín hiệu clock. Đây còn được gọi là cạc Flip Flop trong suốt (transparent Flip Flop).

Bảng chân trị của D-Flip Flop

Đồng hồ cho Flip Flop có thể được lựa chọn là Xung lên hoặc Xung xuống. Cả hai đều có sẵn. Đầu vào không đồng bộ cũng được bao gồm trong gói IC, cho phép thiết lập/xóa cạc Flip Flop tại bất kỳ thời điểm nào mà không phụ thuộc vào các đầu vào đồng bộ và tín hiệu clock. IC được chế tạo với các D Flip Flop kép, ba, bốn, sáu, tám trong một gói đơn với các đầu vào tín hiệu cho phép khóa đầu ra và đầu vào. Do đó, những cạc flip-flop này được sử dụng như các latch (khoá).

Cạc Flip Flop D được sử dụng như một yếu tố cơ bản trong việc thiết kế mạch tuần tự (Sequential circuits), bộ đếm (counters), latch và các ứng dụng khác. Tùy chọn đầu ra ba trạng thái (Tri-state output) cũng có sẵn trong một số IC như 74LS373. Điều này cho phép kết nối nhiều IC tương tự để trao đổi dữ liệu chọn lọc, như mở rộng các cổng của một vi điều khiển (microcontroller).

Decoders

Bộ giải mã (Decoders) là mạch kết hợp đa đầu vào và đa đầu ra. Trong trường hợp của bộ giải mã địa chỉ (address decoders), chỉ có một trong các đầu ra sẽ ở trạng thái HIGH tại bất kỳ thời điểm nào. Trong trường hợp của bộ giải mã hiển thị như bộ giải mã BCD sang bảy đoạn (BCD to Seven segment decoders), đầu ra sẽ được điều chỉnh theo dữ liệu đầu vào để sáng các đoạn mong muốn trên màn hình hiển thị. Bộ giải mã có nhiều đầu vào cho phép được gọi là De-Multiplexers (Bộ chia đa).

Trong trường hợp ứng dụng chọn chip, một địa chỉ 4-Bit được tạo ra bởi một bộ xử lý tới bộ giải mã (decoder). Bộ giải mã kích hoạt một trong các đầu ra tương ứng với địa chỉ tại các đầu vào của nó.

Bộ giải mã BCD sang 7 đoạn

Bộ giải mã BCD sang bảy đoạn được sử dụng để hiển thị các giá trị BCD dưới dạng thập phân. Như trong ví dụ của bộ đếm nhị phân đã được thảo luận ở trên với Flip Flop JK, đầu ra là dạng nhị phân. Bằng cách sử dụng bộ giải mã này, giá trị đếm có thể được hiển thị dưới dạng thập phân.

Có các bộ giải mã cho màn hình chung âm (common cathode) cũng như chung dương (common anode). Các font cũng khác nhau từ một IC sang IC khác.

Decade counter

Đây cũng là một loại bộ giải mã, nơi đếm các xung clock đầu vào và một trong mười đầu ra được đặt ở trạng thái HIGH tương ứng với số xung đếm đầu vào.

Bộ đếm xung với đầu ra bảy đoạn

Bộ đếm này là sự kết hợp của bộ đếm nhị phân, bộ chuyển đổi nhị phân sang BCD, và bộ giải mã BCD sang bảy đoạn. Nó có các đầu ra Carry Out và Un-gated C-segment, được sử dụng trong các bộ đếm Chia cho 10 và Chia cho 12. Các đầu ra này vẫn có sẵn ngay cả khi màn hình bị vô hiệu hóa trong chế độ tiết kiệm năng lượng.

Bộ mã hóa ưu tiên (Priority Encoder)

Một bộ mã hóa ưu tiên (Priority Encoder) là một IC đa đầu vào đa đầu ra, hoạt động theo chế độ ngược của bộ giải mã 4 sang 16. Đầu ra của bộ mã hóa là giá trị nhị phân của đầu vào có giá trị cao nhất số học. Do đó, nó được gọi là bộ mã hóa ưu tiên.

Xem xét một bộ mã hóa 16 sang 4 với các đầu vào tích cực cao. Nó có 16 đầu vào từ D0 đến D15 và đầu ra nhị phân 4 bit. Trong trạng thái được kích hoạt,

Nếu D0 = HIGH, và tất cả các đầu vào khác đều LOW, thì đầu ra nhị phân = 0000.

Nếu D15 là HIGH (cao), bất kể tất cả các đầu vào khác, thì đầu ra nhị phân sẽ là 1111.

Chân GS (Group Signal) tránh sự mơ hồ của trạng thái không có đầu vào hoạt động và trạng thái D0 đang hoạt động.

Nếu GS là HIGH (cao) thì ít nhất một trong các đầu vào đang hoạt động. Vì vậy, nếu đầu ra là nhị phân 000 và GS là HIGH, thì nó chỉ ra rằng D0 là đầu vào đang hoạt động. Nếu đầu ra là nhị phân 000 và GS là LOW, thì nó chỉ ra rằng không có đầu vào nào đang hoạt động.

Chân EO (Enable Output) được sử dụng trong việc nối tiếp các bộ mã hóa để mở rộng phạm vi tổng thể của bộ mã hóa. Khi một bộ mã hóa được kết nối với bộ mã hóa khác thông qua chân EO, nó cho phép mở rộng số lượng đầu vào có thể xử lý và tăng khả năng mở rộng của hệ thống mã hóa.