mạch so sánh.

Ngày nay chúng ta đã rất quen thuộc với máy vi tính, đó là 1 hệ thống vi xử lí hoàn hảo. Trong cấu trúc của VXL có 1 thành phần rất quan trọng là ALU (Arithmetic logic unit : bộ logic và số học). Nó có thể tính toán hàng ngàn, triệu phép tính trong 1s. Cấu tạo nên VXL lại gồm các mạch đếm, thanh ghi, cổng logic và cả các mạch so sánh cộng trừ nhân chia số học gọi là các mạch làm toán. Không những thế các mạch làm toán còn được sử dụng trong điện tử nói chung kể cả điều khiển tự động, truyển dữ liệu chẳng hạn như khi thu nhận dữ liệu từ bên ngoài thì cần phải có mạch tính toán, so sánh để cho tín hiệu phản hồi.

Phần này sẽ tìm hiểu về các mạch làm toán cơ bản và giới thiệu qua về ALU. Đây không chỉ là kiến thức cần biết khi học mạch số mà còn là nền tảng để có thể tiếp cận lĩnh vực máy tính và VXL mà ta sẽ gặp khi học hay tìm hiểu các môn VXL, vi điều khiển, cấu trúc máy tính, truyền số liệu...

1. Mạch so sánh

Trước hết hãy xem 1 ví dụ của việc cần thiết phải dùng mạch so sánh : đó là việc điều khiển nhiệt độ của 1 lò nhiệt như hình dưới đây :

1 bộ cảm biến sẽ chuyển đổi tình trạng nhiệt độ của lò thành tín hiệu điện tương ứng với 1 nhiệt độ xác định. Bộ so sánh làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động hiển thị về tình trạng của lò.

Hình 2.3.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ lò

Để đơn giản, giả sử tín hiệu đưa về là A, chỉ có 2 mức logic là cao và thấp (tín hiệu số 1 bit). Tín hiệu đem so sánh là B (tín hiệu cài đặt)

Sẽ có 3 trường hợp xảy ra cho ngõ ra :

A > B khi A = 1 và B = 0

A < B khi A = 0 và B = 1

A = B khi A = 1 = B hay A = 0 = B

Từ đây xây dựng bảng sự thật cho 3 trường hợp ngõ ra từ tổ hợp trạng thái 2 ngõ vào ra như sau :

Bảng 2.3.1 So sánh 2 số 1 bit

Nhận thấy

Trường hợp A = B là ngõ ra của 1 cổng EXNOR 2 ngõ vào A và B

Trường hợp A < B là ngõ ra của 1 cổng AND 2 ngõ vào A v

Trường hợp A > B là ngõ ra của 1 cổng AND 2 ngõ vàoĠ và B

Đây được gọi là mạch so sánh độ lớn 1 bit. Cấu trúc mạch sẽ như sau :

Hình 2.2.2 Khối so sánh 1 bit Hình 2.2.3 Mạch so sánh 1 bit

Bây giờ dạng tín hiệu vào mạch so sánh không phải chỉ có mức cao hay mức thấp (1 bit) mà là một chuỗi các xung vuông thì mạch khi này phải là mạch so sánh độ lớn nhiều bít.

Hình thức so sánh của mạch 4 bit cũng giống như mạch 1 bit và rõ ràng là phải so sánh bit MSB trước rồi mới lùi dần.

7485/LS85 là 1 IC tiêu biểu có chứa mạch so sánh 4 bit

Kí hiệu khối của IC như hình, còn sơ đồ chân có thể xem trong phần datasheet

Hình 2.3.4 Mạch so sánh độ lớn 4 bit

74LS85

Bảng 2.3.2 Bảng sự thật của 74LS85

Nhìn vào bảng sự thật của IC ta có thể thấy được hoạt động của mạch

Ở 8 trường hợp đầu mạch so sánh bình thường, lần lượt so sánh từ bít cao trước. Khi tất cả các bit của 2 ngõ vào đều bằng nhau thì phải xét đến logic của các ngõ vào nối chồng (được dùng khi ghép chồng nhiều IC để có số bit so sánh lớn hơn). Logic ở các ngõ vào này thực ra là của các ngõ ra tầng so sánh các bit thấp (nếu có). Trường hợp ngõ vào nối chồng nào lên cao thì ngõ ra tương ứng cũng lên cao.Trường hợp các bít trước không so sánh được thì các ngõ ra sau cùng đều thấp. Trường hợp không có tín hiệu ngõ vào nối chồng thì tức là dữ liệu ngõ vào A và B khác nhau nên ngõ ra A < B và A> B đểu ở mức cao. Vậy để mạch so sánh đúng 4 bit thì nên nối ngõ nối chống A = B ở mức cao

Hình sau đây cho cách hiểu dễ hơn với các ngõ vào nối chồng khi ghép 2 IC 74LS85.

Hình 2.3.5 Nối chồng 2 IC 74LS85 để có

mạch so sánh độ lớn 8 bit

Ví dụ sau ứng dụng mạch so sánh vào trò chơi đơn giản :

Người chơi sẽ nhấn nút SW trong chốc lát để tạo một số xung kích từ mạch dao động; khi đó mạch đếm sẽ cho mã số B3B2B1B0 ngẫu nhiên. Một mã số được cài sẵn (chẳng hạn dùng công tắc tạo mức logic cho A3A2A1A0 là 0110) sẽ so sánh với số đếm ngẫu nhiên vừa vào. Nếu chúng bằng nhau đèn vàng sẽ sáng, nếu A > B đèn đỏ sáng, còn khi A < B thì đèn xanh sáng. Như vậy có thể đặt ra quy định là đèn vàng sáng thì người chơi thắng chẳng hạn. Mạch dao động có thể dùng IC 555 hay dùng cổng logic như ở chương trước cũng được.

Hình 2.3.6 Ứng dụng trò chơi đơn giản dùng mạch so sánh 74LS85