Trong thế giới điện tử số, các mạch xử lí tín hiệu đóng vai trò then chốt giúp biến đổi, phân tích và điều khiển các tín hiệu điện tử. Những mạch này được tích hợp trong hầu hết các thiết bị công nghệ hiện đại như điện thoại thông minh, máy tính, hệ thống giải trí nghe nhìn và nhiều ứng dụng khác.

Các mạch xử lí tín hiệu giúp giảm thiểu nhiễu, nâng cao chất lượng tín hiệu và đảm bảo việc lưu trữ, truyền tải dữ liệu diễn ra hiệu quả.

Phân loại mạch xử lí tín hiệu trong điện tử số:

• Mạch logic tổ hợp: Đầu ra chỉ phụ thuộc vào đầu vào hiện tại
• Mạch dãy: Đầu ra phụ thuộc vào cả đầu vào hiện tại và trạng thái trước đó

Ví dụ khởi động:

Khi so sánh hai số nhị phân A và B (mỗi số 1 bit), sẽ có ba khả năng xảy ra:

• A nhỏ hơn B (A < B)
• A bằng B (A = B)
• A lớn hơn B (A > B)

I. Lý thuyết trọng tâm

1. Mạch logic tổ hợp

a) Khái niệm

Mạch logic tổ hợp là loại mạch được cấu thành từ các cổng logic cơ bản (AND, OR, NOT, NAND, NOR…).

Đặc điểm quan trọng nhất: Tín hiệu đầu ra tại bất kỳ thời điểm nào chỉ được quyết định bởi tổ hợp các tín hiệu đầu vào tại chính thời điểm đó. Mạch không có khả năng ghi nhớ các trạng thái trước đó.

Nói cách khác: Đầu ra = Hàm(Đầu vào hiện tại)

b) Các loại mạch logic tổ hợp thường gặp

c) Mạch so sánh hai số

Mạch so sánh có nhiệm vụ đối chiếu hai giá trị số A và B (mỗi số 1 bit) và đưa ra kết quả:

• Khi hai số bằng nhau (A = B): Đầu ra C mang giá trị 1
• Khi hai số khác nhau (A ≠ B): Đầu ra C mang giá trị 0

Bảng chân lí của mạch so sánh:

Xây dựng phương trình logic:

Quan sát bảng chân lí, ta thấy đầu ra C = 1 trong hai trường hợp:

• Trường hợp 1: A = 0 VÀ B = 0 → $\overline{A} \cdot \overline{B}$
• Trường hợp 2: A = 1 VÀ B = 1 → $A \cdot B$

Do đó, phương trình logic của mạch so sánh là:

$$C = \overline{A} \cdot \overline{B} + A \cdot B$$

Phân tích các cổng logic cần sử dụng:

• 2 cổng NOT: Để tạo ra $\overline{A}$ và $\overline{B}$
• 2 cổng AND: Để thực hiện phép nhân $\overline{A} \cdot \overline{B}$ và $A \cdot B$
• 1 cổng OR: Để cộng hai kết quả lại với nhau

2. Mạch dãy

a) Khái niệm mạch dãy

Mạch dãy cũng được xây dựng từ các cổng logic cơ bản, tuy nhiên có điểm khác biệt quan trọng so với mạch logic tổ hợp.

Đặc điểm quan trọng nhất: Tín hiệu đầu ra không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp tín hiệu đầu vào hiện tại, mà còn phụ thuộc vào trạng thái đầu ra ở những thời điểm trước đó (trạng thái quá khứ).

Nói cách khác: Đầu ra = Hàm(Đầu vào hiện tại, Đầu ra quá khứ)

Cấu trúc mạch dãy gồm hai phần:

• Mạch logic tổ hợp: Xử lí tín hiệu
• Phần tử nhớ: Lưu trữ trạng thái trước đó

b) Các loại mạch dãy thường gặp

c) Mạch đếm

Flip-Flop (FF) – Phần tử nền tảng của mạch đếm:

Flip-Flop (còn được gọi là Trigger) là một phần tử nhớ đặc biệt, sở hữu hai trạng thái cân bằng ổn định tương ứng với hai mức logic 0 và 1.

Đặc tính hoạt động của Flip-Flop:

• FF có khả năng chuyển sang một trong hai trạng thái cân bằng khi có tín hiệu điều khiển
• FF sẽ duy trì trạng thái đó cho đến khi có tín hiệu điều khiển mới tác động
• Trạng thái kế tiếp của FF được quyết định bởi cả tín hiệu đầu vào lẫn trạng thái đầu ra hiện tại

Các loại Flip-Flop phổ biến: RS, JK, T, D,…

Flip-Flop loại D (FF-D):

Trong bài học này, chúng ta tập trung tìm hiểu Flip-Flop D – loại FF được sử dụng rộng rãi trong các mạch đếm.

Cấu tạo Flip-Flop D gồm:

• Lối vào D: Nhận dữ liệu đầu vào
• Lối vào CLK: Nhận xung nhịp đồng hồ (Clock)
• Lối ra Q: Đầu ra chính
• Lối ra $\overline{Q}$: Đầu ra đảo (luôn ngược với Q)

Bảng chân lí của Flip-Flop D:

Giải thích hoạt động:

• Khi xung CLK ở sườn xuống (chuyển từ 1 về 0): FF-D giữ nguyên trạng thái, không quan tâm giá trị D
• Khi xung CLK ở sườn lên (chuyển từ 0 lên 1): FF-D cập nhật đầu ra Q theo giá trị D
  • Nếu D = 0 → Q = 0 (trạng thái Xóa)
  • Nếu D = 1 → Q = 1 (trạng thái Đặt)

Mạch đếm nhị phân 2 bit sử dụng Flip-Flop D:

Mạch đếm nhị phân là thành phần cốt lõi trong hệ thống số, được ứng dụng để:

• Đếm số lượng xung tín hiệu
• Chia tần số, tạo xung thời gian
• Làm xung đồng hồ trong máy tính và các thiết bị thông tin

Cấu trúc mạch đếm nhị phân 2 bit:

Đây là mạch đếm nhị phân kiểu nối tiếp, trong đó đầu ra $\overline{Q}$ của Flip-Flop trước được kết nối với lối vào CLK của Flip-Flop sau.

Nguyên lí hoạt động chi tiết:

Quy tắc ghi nhớ:

• FF0 chuyển trạng thái với mọi xung nhịp tác động vào
• FF1 chỉ chuyển trạng thái khi Q₀ chuyển từ 1 về 0

Bảng chân lí của bộ đếm nhị phân 2 bit:

Phạm vi đếm: Mạch đếm 2 bit có thể đếm từ 0 đến 3 (tổng cộng 4 trạng thái = 2²). Khi xung thứ 4 tác động, mạch tự động quay về trạng thái ban đầu (0) và bắt đầu chu trình đếm mới.

II. So sánh mạch logic tổ hợp và mạch dãy

Cách phân biệt nhanh:

• Nếu mạch không có phần tử nhớ và đầu ra thay đổi ngay khi đầu vào thay đổi → Mạch logic tổ hợp
• Nếu mạch có phần tử nhớ và đầu ra còn phụ thuộc vào trạng thái trước đó → Mạch dãy

III. Bảng tóm tắt công thức và bảng chân lí

Mạch so sánh hai số (1 bit)

Phương trình logic:

$$C = \overline{A} \cdot \overline{B} + A \cdot B$$

Bảng chân lí:

Flip-Flop D

Bảng chân lí:

Bộ đếm nhị phân n bit

Công thức tính phạm vi đếm:

$$\text{Số trạng thái} = 2^n$$

$$\text{Phạm vi đếm: } 0 \text{ đến } 2^n – 1$$

IV. Ứng dụng thực tế

1. Đồng hồ hiển thị trên cây xăng

Hệ thống hiển thị trên cây xăng kết hợp cả bộ đếm và bộ so sánh:

• Bộ đếm: Mỗi lít xăng bơm ra, bộ đếm tăng lên một đơn vị và cập nhật số liệu hiển thị
• Bộ so sánh: So sánh lượng xăng đã bơm với ngưỡng đặt trước (số tiền khách hàng yêu cầu), khi đạt ngưỡng thì dừng bơm

2. Đèn tín hiệu giao thông

Đèn giao thông sử dụng mạch đếm để:

• Đếm lùi: Hiển thị thời gian còn lại của đèn xanh/đỏ
• Đếm tiến: Theo dõi thời gian đã trôi qua

3. Các ứng dụng khác

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám