Điện tử số: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 6 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Hệ đếm

Giá trị vị trí: nhị phân 2^k, bát phân 8^k, thập lục phân 16^k
Sang thập phân: Σ d_k·b^k
Từ thập phân: chia cho cơ số, đọc các số dư từ dưới lên
Thập lục phân ↔ nhị phân: một chữ số thập lục phân = 4 bit
Số bù hai: đảo các bit và cộng 1

Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Các cổng cơ bản: A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Các quy tắc Boole: X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan: (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Thứ tự của bìa Karnaugh: 00, 01, 11, 10 (Gray code)
Nhóm 2ᵏ ô: mất k biến
Bộ ghép kênh 4-sang-1: F = A′B′I₀ + A′BI₁ + AB′I₂ + ABI₃
Flip-flop: D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Bộ đếm: n bit: 2ⁿ trạng thái; mod-N: n nhỏ nhất thỏa 2ⁿ ≥ N; f_out = f_clk/N
Bộ đếm gợn sóng: f_max = 1/(n·t_pd)
Bộ đếm vòng và Johnson: n và 2n trạng thái

Phương pháp

Với một mạch, hãy làm từ các đầu vào đến đầu ra từng cổng một và ghi giá trị trên mọi dây, hoặc viết biểu thức của nó rồi điền bảng chân trị.
Để rút gọn, hãy đặt các số 1 (và các điều kiện tùy định là X) vào một bìa Karnaugh với hàng và cột theo mã Gray: 00, 01, 11, 10.
Hãy phủ các số 1 bằng càng ít nhóm và càng lớn càng tốt gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, cuộn qua mép; mỗi nhóm là một số hạng tích gồm các biến không đổi. Hãy nhóm các số 0 cho dạng POS.
Với flip-flop và bộ đếm, hãy đọc các đầu vào tại mỗi sườn xung nhịp tích cực, ghi trạng thái sau mỗi sườn, và nhớ rằng bộ đếm n bit quay vòng sau 2ⁿ trạng thái.

Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Tiêu chuẩn Nyquist: f_s > 2·f_max, f_N = f_s/2
Tần số răng cưa (alias): f_a = |f − k·f_s|, k = round(f/f_s)
Kích thước bước lượng tử: 1 LSB = V_FSR/2ᴺ
Sai số lượng tử hóa (làm tròn): ±½ LSB
Mã ADC cắt cụt: D = ⌊V_in/LSB⌋
Số bit cho độ phân giải r: 2ᴺ ≥ span/r
SQNR lý tưởng, sóng sin toàn thang: SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tốc độ dữ liệu: số kênh × f_s × N bit/s
ADC ghép kênh: f_s = 1/(n·(t_c + t_set))
UART: T_b = 1/baud; 8N1 = 10 bit cho mỗi byte; byte/s = baud/số bit mỗi khung
Bộ chia tốc độ baud: baud = f_clk/(16·D)

Phương pháp

Ghi ra những gì đã cho: tốc độ lấy mẫu, các tần số tín hiệu, số bit, dải đầu vào, tốc độ baud.
Với các câu hỏi về lấy mẫu, so sánh từng tần số với f_s/2; tần số cao hơn xuất hiện tại f_a = |f − k·f_s| với bội số gần nhất của f_s.
Với các câu hỏi về độ phân giải, tìm 1 LSB = V_FSR/2ᴺ, hoặc N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/độ phân giải.
Với tốc độ dữ liệu và đường truyền UART, đếm mọi thứ được gửi đi: số kênh, số mẫu mỗi giây, số bit hoặc số byte nguyên mỗi mẫu, và các bit khởi đầu, chẵn lẻ và dừng của mỗi khung.

2Bài tập

1.Hệ đếmTrung bình

Viết −8 dưới dạng dãy số bù hai 8 bit. Đọc dãy đó như một số nhị phân không dấu: giá trị U của nó trong hệ thập phân là bao nhiêu?

N = −88 bit

U =

2.Hệ đếmKhó

Đặt các bit thành kết quả 8 bit của 1010 1001 AND 0010 1011. Giá trị R của kết quả theo hệ thập phân là bao nhiêu?

1010 1001AND0010 1011

R =

3.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình

Hãy rút gọn F = B′C′ + A′BC′ + ABC + AC′ về dạng tổng các tích tối thiểu. Biểu thức rút gọn chứa bao nhiêu literal L?

F = B′C′ + A′BC′ + ABC + AC′

L =

4.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó

Một bộ đếm Johnson (vòng xoắn) gồm 3 flip-flop D, với đầu ra cuối đã đảo được đưa ngược về đầu vào đầu tiên, và bắt đầu từ toàn số không. Nó đi qua bao nhiêu trạng thái khác nhau N?

n = 3

N =

5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuTrung bình

Một sóng sin 5,5 kHz được lấy mẫu ở 5 kHz mà không có bộ lọc chống răng cưa. Nó xuất hiện ở tần số f_a nào trong các mẫu? Cho kết quả theo Hz.

f = 5,5 kHzf_s = 5 kHz

f_a = Hz

6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó

Một bộ ghép kênh 16 kênh cấp cho một ADC. Mỗi lần chuyển đổi mất 20 µs, và sau mỗi lần chuyển kênh đầu vào cần 2,5 µs để ổn định. Các kênh được quét lần lượt không nghỉ. Tìm tốc độ lấy mẫu f_s của mỗi kênh, theo kHz.

n = 16t_c = 20 µst_set = 2,5 µs

f_s = kHz

3Dung dịch

1.Hệ đếm

Đáp số: U = 248

Hệ đếm theo vị trí: mỗi chữ số có giá trị bằng giá trị của nó nhân với một lũy thừa của cơ số. Trong hệ nhị phân, các vị trí có giá trị 1, 2, 4, 8, 16, …; trong hệ thập lục phân 1, 16, 256, …, với A–F biểu diễn 10–15. Trong số bù hai 8 bit, bit ngoài cùng bên trái có giá trị −128 thay vì +128, đó là cách lưu số âm.

Đảo bit và cộng một

8 = 0000 1000

đã đảo: 1111 0111

+1 → 1111 1000

Đọc như số không dấu

1111 1000₂ = 256 − 8 = 248

Đáp số

U = 248

2.Hệ đếm

Đáp số: R = 41

Đặt các bit: mỗi bit có giá trị bằng một lũy thừa của hai (128, 64, …, 1). Một chữ số hex đúng bằng bốn bit, và trong bù hai 8 bit, bit ngoài cùng bên trái có giá trị −128. Các phép toán theo bit làm việc trên từng vị trí bit riêng biệt.

Từng bit một

AND cho 1 chỉ ở nơi cả hai bit đều là 1.

1010 1001

AND 0010 1011

= 0010 1001

Giá trị của kết quả

0010 1001₂ = 41

Đáp số

R = 41

3.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: L = 3

Đại số Boole: các quy tắc rút gọn biểu thức là X + X′ = 1 và X·X′ = 0, X + X = X, hấp thụ X + X·Y = X, quy tắc kết hợp X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y và định lý đồng thuận XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Các luật De Morgan biến (X·Y)′ thành X′ + Y′ và (X + Y)′ thành X′·Y′. Một bìa Karnaugh áp dụng các quy tắc này bằng hình ảnh: mỗi nhóm hai ô kề nhau là một lần dùng XY + XY′ = X.

Các minterm của biểu thức

B′C′ → m(0, 4)

A′BC′ → m(2)

ABC → m(7)

AC′ → m(4, 6)

Nhóm và đọc kết quả

F = C′ + AB

Đếm các literal

L = 3

Đáp số

L = 3

4.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: N = 6

Flip-flop và bộ đếm: một flip-flop chỉ thay đổi ở sườn tích cực của xung nhịp. D sao chép đầu vào của nó (Q⁺ = D); T đảo khi T = 1; JK giữ nguyên với 00, đặt về 0 với 01, đặt lên 1 với 10 và đảo với 11. Một bộ đếm nhị phân n bit có 2ⁿ trạng thái và đếm theo modulo 2ⁿ; một bộ đếm mod-N đếm 0, 1, …, N − 1 rồi về lại 0, và cần số flip-flop n nhỏ nhất thỏa 2ⁿ ≥ N. Mỗi tầng của bộ đếm gợn sóng chia đôi tần số, nên đầu ra cuối của bộ đếm mod-N chạy ở f_clk/N. Một bộ đếm Johnson gồm n flip-flop có 2n trạng thái, bộ đếm vòng có n.

Chuỗi trạng thái cho 3 flip-flop

000 → 100 → 110 → 111 → 011 → 001

Số trạng thái

N = 6

Đáp số

N = 6

5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: f_a = 500 Hz

Lấy mẫu: một ADC đo tín hiệu f_s lần mỗi giây. Theo định lý Nyquist–Shannon, một tần số f chỉ được thu đúng khi f < f_s/2, tức tần số Nyquist (tần số gập), nên tốc độ lấy mẫu phải vượt quá hai lần tần số tín hiệu cao nhất. Một tần số cao hơn không bị mất: nó xuất hiện dưới dạng tần số răng cưa tại f_a = |f − k·f_s|, với số nguyên k đưa kết quả vào khoảng từ 0 đến f_s/2. Các mẫu không thể phân biệt hai tần số đó, nên một bộ lọc chống răng cưa tương tự phải loại bỏ mọi thứ trên f_s/2 trước ADC.

Tần số Nyquist

f_s/2 = 2,5 kHz < f = 5,5 kHz

Bội số gần nhất của tốc độ lấy mẫu

k = round(5500/5000) = 1

Tần số răng cưa (alias)

f_a = |5500 − 1·5000| = 500 Hz

Đáp số

f_a = 500 Hz

Đường nét đứt trong hình là tần số răng cưa: nó đi qua đúng các mẫu giống nhau.

6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: f_s = 2,778 kHz

Tốc độ dữ liệu: mỗi kênh cung cấp f_s mẫu mỗi giây, mỗi mẫu N bit, nên tốc độ thô là số kênh × f_s × N bit/s. Trong bộ nhớ, một mẫu chiếm số byte nguyên (một mẫu 12 bit được lưu trong 2 byte), nên bộ nhớ cho một bản ghi là số kênh × f_s × số byte mỗi mẫu × thời gian. ADC ghép kênh chuyển đổi lần lượt các kênh: mỗi lần chuyển đổi (kể cả thời gian ổn định) mất t, nên một vòng n kênh mất n·t và mỗi kênh được lấy mẫu ở 1/(n·t).

Thời gian mỗi kênh

20 + 2,5 = 22,5 µs

Thời gian mỗi lượt quét

16·22,5 = 360 µs

Tốc độ lấy mẫu mỗi kênh

f_s = 1/360 µs = 2,778 kHz

Đáp số

f_s = 2,778 kHz

ExamProblems · examproblems.com/courses/digital-electronics