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

Đặt các bit để lưu −21 theo bù hai 8 bit. Đọc như một số không dấu, giá trị U của mẫu là bao nhiêu?

N = −218 bit

U =

2.Hệ đếmKhó

Một ảnh không nén có kích thước 1280 × 720 điểm ảnh với 32 bit mỗi điểm ảnh. Nó chiếm bao nhiêu bộ nhớ M, tính theo KiB (1 KiB = 1024 byte)?

1280 × 720 px32 bit/px1 KiB = 1024 B

M = KiB

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

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

F = B′C + AB + ABC

L =

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

Một bộ đếm Johnson 4 bit Q₃Q₂Q₁Q₀ bắt đầu ở 0000. Ở mỗi sườn xung nhịp các bit dịch sang phải một vị trí (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) và Q₃ nhận giá trị đảo của Q₀. Hãy cho trạng thái Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ dưới dạng số thập phân sau 7 sườn xung nhịp.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00007

Q =

5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuTrung bình

Một cảm biến đo khoảng cách trên khoảng 500 mm, và đầu ra của nó lấp đầy toàn bộ dải đầu vào của một ADC. Số đọc phải phân giải được 0,5 mm. Tìm số bit nhỏ nhất N mà ADC cần.

khoảng = 500 mmđộ phân giải = 0,5 mm

N =

6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó

Một vi điều khiển có xung nhịp 20 MHz đặt tốc độ baud UART là f_clk/(16·D), với D là số nguyên được làm tròn đến giá trị gần nhất. Mục tiêu là 4800 baud. Tìm sai số phần trăm của tốc độ baud thực (dương khi nó quá nhanh).

f_clk = 20 MHzmục tiêu = 4800 Bd

e = %

3Dung dịch

1.Hệ đếm

Đáp số: U = 235

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.

Đảo bit và cộng một

21 = 0001 0101

đã đảo: 1110 1010

+1 → 1110 1011

Đọc như số không dấu

1110 1011₂ = 256 − 21 = 235

Đáp số

U = 235

2.Hệ đếm

Đáp số: M = 3600 KiB

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.

Bit và byte

1280·720·32 = 29491200 bit = 3686400 B

Đổi sang KiB

3686400/1024 = 3600 KiB

Đáp số

M = 3600 KiB

3.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: L = 4

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(1, 5)

AB → m(6, 7)

ABC → m(7)

Nhóm và đọc kết quả

F = B′C + AB

Đếm các literal

L = 4

Đáp số

L = 4

4.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: Q = 1

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.

Trạng thái sau mỗi sườn

0000 → 1000 → 1100 → 1110 → 1111 → 0111 → 0011 → 0001

Giá trị thập phân

0001₂ = 1

Đáp số

Q = 1

5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: N = 10

Độ phân giải ADC: một bộ chuyển đổi N bit chia dải toàn thang V_FSR thành 2ᴺ mã, từ 0 đến 2ᴺ − 1. Một bước là 1 LSB = V_FSR/2ᴺ: thay đổi nhỏ nhất mà bộ chuyển đổi có thể hiển thị. ADC cắt cụt cho mã ⌊V_in/LSB⌋; ADC làm tròn không bao giờ lệch quá ½ LSB so với giá trị thật, đó là sai số lượng tử hóa của nó. Mỗi bit thêm vào làm LSB giảm một nửa và thêm khoảng 6 dB vào tỉ số tín hiệu trên nhiễu lượng tử hóa lý tưởng SQNR = 6,02·N + 1,76 dB cho sóng sin toàn thang. Để đạt độ phân giải r trên một khoảng, chọn N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/r.

Số bước cần thiết

500/0,5 = 1000

Số bit

log₂(1000) = 9,966

2⁹ = 512 < 1000 ≤ 2¹⁰ = 1024

N = 10

Đáp số

N = 10

6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu

Đáp số: e = 0,1603 %

UART: một đường truyền nối tiếp không đồng bộ gửi mỗi byte thành một khung: một bit khởi đầu (mức thấp), các bit dữ liệu, một bit chẵn lẻ tùy chọn và một hoặc hai bit dừng (mức cao). Tốc độ baud là số bit mỗi giây, nên một bit kéo dài T_b = 1/baud và một khung n bit kéo dài n/baud. Định dạng 8N1 phổ biến có 10 bit cho mỗi byte. Bộ tạo baud chia tần số xung nhịp: baud = f_clk/(16·D) với D là số nguyên, nên tốc độ baud thực khác mục tiêu đôi chút; sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.

Bộ chia

D = 20·10⁶/(16·4800) = 260,4 → 260

Tốc độ baud thực

20·10⁶/(16·260) = 4808 Bd

Sai số

(4808 − 4800)/4800·100 = 0,1603 %

Đáp số

e = 0,1603 %

Sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.

ExamProblems · examproblems.com/courses/digital-electronics