1-2.SỐ NHỊ PHÂN, MỨC LOGIC, VÀ DẠNG SÓNG SỐ

Điện tử số bao gồm những mạch và những hệ thống mà trong đó chỉ có 2 trạng thái khả dĩ. Những trạng thái này được biễu diễn bởi hai mức điện áp khác nhau: CAO và THẤP. Hai trạng thái này cũng có thể được biểu diễn bởi những mức dòng điện, những bit và những điểm gồ lên trên CD và DVD v.v...Trong hệ thống số chẳng hạn như máy tính, sự kết hợp giữa hai trạng thái được gọi là mã. Mã được dùng để biểu diễn những số, kí tự, bảng chữ cái, và những loại thông tin khác. Hệ thống có hai trạng thái gọi là hệ nhị phân, và hai số của nó là 0 và 1. Một số nhị phân được gọi là bit.

Sau khi hoàn thành phần này, bạn sẽ có thể

§ Định nghĩa hệ nhị phân

§ Định nghĩa bit

§ Kể tên những bit trong hệ nhị phân

§ Giải thích những mức điện áp được dùng để biểu diễn bit như thế nào

§ Giải thích những mức điện áp được nhận ra bởi mạch số như thế nào

§ Mô tả những tính chất chung của xung

§ Xác định biên độ, thời gian tăng, thời gian giảm của xung

§ Nhận ra và mô tả tính chất của sóng số

§ Xác định biên độ, chu kì, tần số, và chu trình làm việc của sóng số

§ Giải thích giản đồ thời gian là gì và mục đích của nó

§ Giải thích sự truyền dữ liệu nối tiếp và song song và phát biểu ưu và nhược điểm của từng phương pháp

Số nhị phân

Trog một hệ nhị phân, 1 và 0 được gọi là bit (bit là dạng rút gọn của binary digit). Trong mạch số, hai mức điện áp khác nhau được dùng để biểu diễn hai bit. Nói chung, 1 được biễu diễn bởi những mức điện áp cao hơn mà chúng ta gọi là MỨC CAO, và 0 được biễu diễn bởi những mức điện áp thấp hơn mà chúng ta sẽ gọi là MỨC THẤP. Cách biễu diễn này được gọi là logic dương và sẽ được dùng trong toàn bộ sách này

HIGH = 1 và LOW = 0

Có những hệ thống khác trong đó 1 được biểu diễn bởi MỨC THẤP và 0 được biễu diễn bởi MỨC CAO được gọi là logic âm.

Những nhóm bit (sự kết hợp của những số 1 và 0) được gọi là mã được dùng để biểu diễn số , kí tự, hướng dẫn, và bất cứ thứ gì khác trong một hệ thống nhất định.

Những mức logic

Điện áp được dùng để biễu diễn bởi 1 và 0 được gọi là những mức logic. Một cách lí tưởng, một mức điện áp biễu diễn CAO và mức điện áp khác biễu diễn THẤP. Tuy nhiên, trong mạch số thực tế, MỨC CAO có thể là bất cứ giá trị điện áp nào nằm giữa giá trị cực đại và cực tiểu nào đó. Tương tự, MỨC THẤP có thể là bất kì giá trị điện áp nào nằm giữa những giá trị cực đại và cực tiểu nhất định.

Không có sự xen phủ giữa khoảng chứa những mức cao và khoảng chứa những mức thấp.

Hình 1-5 minh họa khoảng chứa những mức cao và khoảng chứa những mức thấp đối với một mạch số trong trường hợp tổng quát. Biến V_H(max) biễu diễn giá trị điện áp cao cực đại, và V_H(min) biễu diễn giá trị điện áp cao cực tiểu. Giá trị điện áp thấp cực đại được biễu diễn bởi V_L(max) và giá trị điện áp thấp cực tiểu được biểu diễn bởi V_L(min). Giá trị điện áp giữa V_L(max) và V_H(min) không được chấp nhận trong hoạt động của mạch. Khi một giá trị điện áp đưa vào mạch không thuộc khoảng chứa những mức điện áp cao và cũng không thuộc khoảng chứa những mức điện áp thấp thì nó là những giá trị không được chấp nhận. Chẳng hạn, đối với mạch CMOS, những giá trị điện áp nằm trong khoảng từ 2 tới 3.3 V có thể xem là mức cao và những giá trị điện áp nằm trong khảng từ 0 đến 0.8V có thể xem là mức thấp. Vì vậy, nếu mức điện áp 2.5 V được đặt vào mạch, mạch sẽ hiểu nó là cao, số nhị phân 1. Còn nếu điện áp 0.5 V được đặc vào mạch sẽ hiểu nó là thấp hoặc số nhị phân 0. Đối với loại mạch này, điện áp từ 0.8 V đến 2 V không được chấp nhận.

Sóng số

Sóng số bao gồm những mức điện áp thay đổi qua lại giữa những mức hoặc trạng thái CAO và THẤP. Hình 1-6(a) biễu diễn xung dương đơn được tạo ra khi điện áp (hoặc dòng điện) đi từ mức thấp đến mức cao rồi trở lại mức thấp. Xung âm trong hình 1-6(b) được tạo ra khi điện áp đi từ mức cao đến mức thấp và trở lại mức cao. Sóng số được tạo ra từ một chuỗi các xung.

Xung Như được chỉ trong hình 1-6, một xung có 2 sườn: sườn trước ban đầu xuất hiện tại thời điểm t₀ và sườn sau xuất hiện tại thời điểm t₁. Đối với xung dương, sườn trước là sườn đang tăng và sườn sau là sườn đang giảm. Xung trong hình 1-6 là lí tưởng bởi vì sự tăng và giảm của sườn được giả sử là thay đổi tức thời. Trong thực tế, những sự chuyển dịch này không bao giờ tức thời, tuy vậy trong đa số các trường hợp, bạn vẫn có thể giả sử rằng xung lí tưởng.

Hình 1-7 biễu diễn xung không lí tưởng. Quả thực, tất cả các xung thể hiện một số hoặc tất cả các tính chất này. Sự quá tải và những dao động sót lại thỉnh thoảng xuất hiện do điện cảm kí sinh và hiệu ứng điện dung.

Cạnh tà do điện dung kí sinh và điện trở mạch, chúng hình thành nên mạch RC với thời hằng thấp.

Thời gian cần thiết để một xung đi từ mức thấp đến mức cao của nó được gọi là thời gian tăng (t_r), và thời gian cần thiết để chuyển từ mức cao đến mức thấp được gọi là thời gian giảm (t_f). Trong thực tế, thường thời gian tăng được đo từ 10% biên độ xung đến 90% biên độ xung và đo thời gian giảm từ 90% đến 10% biên độ xung, như được chỉ ra trong hình 1-7. Phần đồ thị bên dưới 10% và bên trên 90% xung không bao gồm trong thời gian tăng và thời gian giảm bởi vì dạng sóng trong khu vực này là phi tuyến. Độ rộng xung (t_W) là khoảng thời gian tồn tại của xung và thường được định nghĩa là khoảng thời gian giữa những điểm 50% sườn trước và sườn sau như được chỉ trong hình 1-7.

Đặc tính của sóng Đa số các dạng sóng trong hệ thống số bao gồm một chuỗi các xung, thỉnh thoảng được gọi là dãy xung, và có thể được phân loại thành tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Xung tuần hoàn là xung tự lặp lại nó sau những khoảng thời gian cố định, được gọi là chu kì (T). Xung không tuần hoàn không tự lặp lại sau những khoảng thời gian cố định và có thể bao gồm những xung có độ rộng khác nhau một cách ngẫu nhiên và khoảng thời gian khác nhau ngẫu nhiên giữa các xung. Ví dụ về mỗi loại được biễu diễn trong hình 1-8.

Tần số (f) của sóng dạng xung (số) là nghịch đảo của chu kì. Mối quan hệ giữa tần số và chu kì được biễu diễn như sau:

Phương trình 1-1 f=1/T

Phương trình 1-2 T=1/f

Một tính chất quan trọng của sóng dạng xung là chu trình làm việc của nó, là tỉ lệ giữa độ rộng xung (t_W) và chu kì (T). Nó có thể được biểu diễn theo %.

Chu trình làm việc = (t_W/T)100% (1-3)

Ví dụ 1-1 Một phần của sóng dạng số tuần hoàn được biễu diễn trong hình 1-9. Xác định chu kì, tần số và chu trình làm việc.

Sóng dạng số mang thông tin nhị phân

Thông tin nhị phân đưa vào hệ thống số là dạng sóng được biểu diễn bằng một chuỗi các bit. Khi dạng sóng cao, số nhị phân 1 được đưa vào; khi dạng sóng thấp, số nhị phân 0 được đưa vào. Mỗi bit trong chuỗi chiếm một khoảng thời gian xác định được gọi là thời gian bit.

Xung nhịp Trong hệ thống số, tất cả các dạng sóng được đồng bộ hóa với một dạng sóng thời gian cơ bản được gọi là xung nhịp. Xung nhịp là dạng sóng tuần hoàn trong đó khoảng thời gian giữa các xung (chu kì) bằng thời gian của một bit.

Hình 1-10 cho ví dụ về xung nhịp. Chú ý rằng, trong trường hợp này, mỗi sự thay đổi mức của sóng A xuất hiện tại bờ trước của xung nhịp. Trong những trường hợp khác, những sự thay đổi mức có thể xuất hiện tại sườn sau của xung nhịp. Trong mỗi thời gian bit của xung nhịp, sóng A có thể ở MỨC CAO hoặc THẤP. Những mức cao và thấp này biễu diễn một chuỗi các bit như được chỉ ra. Một nhóm vài bit có thể được dùng để biểu diễn một mẫu thông tin nhị phân, chẳng hạn như số hoặc kí tự. Bản thân xung nhịp không mang thông tin.

Giản đồ thời gian Giản đồ thời gian là đồ thị của sóng số biễu diễn mối quan hệ thực sự của hai hoặc nhiều dạng sóng và mỗi dạng sóng thay đổi như thế nào đối với các dạng sóng khác. Hình 1-11 là giản đồ thời gian của 4 dạng sóng. Từ giản đồ thời gian này bạn có thể thấy rằng ba sóng A, B và C là cao chỉ trong bit thời gian thứ 7 và tất cả chúng thay đổi trở lại mức thấp tại cuối thời gian bit thứ 7 (vùng được tô màu).

Truyền dữ liệu

Dữ liệu là một nhóm các bit vận chuyển một vài loại thông tin. Dữ liệu nhị phân được biễu diễn bởi sóng số phải được truyền từ một mạch đến một mạch khác trong hệ thống số hoặc từ một hệ đến một hệ khác để thực hiện một mục đích nào đó. Chẳng hạn, số được lưu trữ dưới dạng nhị phân trong bộ nhớ máy tính p-hải được truyền đến bộ vi xử lí để cộng. Sau đó tổng của phép công phải được truyền tới màn hình và/hoặc được truyền trở lại bộ nhớ. Trong hệ thống máy tính, như được minh họa trong hình 1-12, dữ liệu nhị phân được truyền theo hai cách: nối tiếp và song song.

Khi những bit được truyền theo hình thức nối tiếp từ một điểm đến một điểm khác, mỗi lần chúng gửi một bit qua một dây. Đó là trường hợp truyền dữ liệu từ máy tính đến modem (hình 1-12a). Trong khoảng thời gian từ t₀ đến t₁ , bit đầu tiên được truyền. trong khoảng thời gian từ t₁ đến t₂ bit thứ hai được truyền, và v.v..Để truyền 8 bit nối tiếp, nó mất 8 khoảng thời gian như vậy.

Khi những bit được truyền theo hình thức song song, tất cả các bit được gửi đồng thời ra ngoài trên các dây riêng biệt. Có một dây cho mỗi bit. Hình 1-12 biễu diễn việc truyền song song 8 bit từ máy tính sang máy in. Để truyền 8 bit song song.

Tóm lại, ưu điểm của việc truyền dữ liệu nhị phân nối tiếp là chỉ cần ít dây. Trong hình thức truyền song song, cần số dây bằng với số bit được truyền một lần. Nhược đểm của truyền nối tiếp là mất nhiều thời gian hơn truyền song song để truyền cùng một lượng dữ liệu. Chẳng hạn, để truyền một bit cần 1μs thì sẽ phải mất 8 μs để truyền 8 bit theo hình thức nối tiếp, nhưng chỉ cần 1μs để truyền 8 bit theo hình thức song song. Một nhược điểm của truyền song song là nó cần nhiều dây hơn truyền nối tiếp.

Ví dụ 1-2

(a) Xác định thời gian cần để truyền nối tiếp 8 bit trong sóng A của hình 1-13 và chỉ ra tần số bit. Bit trái cùng được truyền đầu tiên. Ở đây dùng xung nhịp 100 kHz.

(b) Thời gian để truyền 8 bit này theo hình thức song song là bao nhiêu ?

Câu hỏi phần 1-2

1. Định nghĩa số nhị phân và hệ nhị phân

2. Bit có nghĩa là gì ?

3. Những bit trong hệ nhị phần là gì ?

4. Thời gian tăng và thời gian giảm của xung được đo như thế nào ?

5. Biết chu kì của sóng, bạn tìm tần số của nó như thế nào ?

6. Giải thích xung nhịp là gì.

7. Mục đích của giản đồ thời gian

8. Ưu điểm của việc truyền dữ liệu nhị phân tho hình thức song song so với truyền theo hình thức nối tiếp là gì ?