Mạch tuần tự là mạch kỹ thuật số lưu trữ và sử dụng thông tin trạng thái trước đó để xác định trạng thái tiếp theo của chúng. Không giống như mạch tổ hợp, chỉ phụ thuộc vào các giá trị đầu vào hiện tại để tạo ra đầu ra, mạch tuần tự phụ thuộc vào cả đầu vào hiện tại và trạng thái trước đó được lưu trữ trong các phần tử bộ nhớ.

Khái niệm

Mạch tuần tự (sequential circuit) là một loại mạch điện tử trong đó các tín hiệu và trạng thái của mạch được xử lý theo một chuỗi các sự kiện hoặc tín hiệu điều khiển xảy ra theo thứ tự nhất định. Mạch tuần tự có khả năng lưu trữ thông tin về trạng thái trước đó và sử dụng thông tin này để xác định trạng thái và hoạt động tiếp theo.

Mạch tuần tự có hai thành phần chính: bộ lưu trữ (flip-flop, register) và mạch kết nối logic (combinational logic). Bộ lưu trữ giúp lưu giữ trạng thái của mạch, còn mạch kết nối logic thực hiện các phép tính logic và quyết định xem trạng thái và tín hiệu điều khiển nào sẽ được thực hiện tiếp theo.

Các ứng dụng của mạch tuần tự rất đa dạng, từ các ứng dụng điện tử đơn giản như đèn động cơ tự động cho đến các hệ thống phức tạp như vi xử lý và các hệ thống điều khiển tự động. Mạch tuần tự thường được sử dụng để lưu trữ thông tin trạng thái, xử lý các tín hiệu điều khiển và thực hiện các phép tính dựa trên trạng thái hiện tại và tín hiệu điều khiển.

Ví dụ về mạch tuần tự phổ biến là vi xử lý (CPU) trong máy tính. CPU chứa các bộ lưu trữ như bộ nhớ cache và các flip-flop để lưu trữ trạng thái của các biến và thực hiện các phép tính logic để điều khiển các hoạt động của máy tính.

Mạch tuần tự không đồng bộ

Đây là một hệ thống mà đầu ra của nó phụ thuộc vào thứ tự thay đổi của các biến đầu vào và có thể bị ảnh hưởng tại bất kỳ thời điểm nào.Hệ thống bất đồng bộ kiểu cổng về cơ bản là các mạch tổ hợp với các đường phản hồi. Vì có phản hồi giữa các cổng logic, hệ thống có thể đôi khi trở nên không ổn định. Do đó, chúng không thường được sử dụng.

Mạch tuần tự đồng bộ

Loại hệ thống này sử dụng các phần tử lưu trữ gọi là flip-flop, được sử dụng để thay đổi giá trị nhị phân của chúng chỉ tại những khoảnh khắc riêng biệt. Mạch tuần tự đồng bộ sử dụng cổng logic và thiết bị lưu trữ flip-flop. Mạch tuần tự có tín hiệu đồng hồ là một trong những đầu vào của chúng. Tất cả các chuyển trạng thái trong các mạch như vậy chỉ xảy ra khi giá trị đồng hồ là 0 hoặc 1 hoặc xảy ra ở các cạnh lên hoặc xuống của đồng hồ tùy thuộc vào loại phần tử bộ nhớ được sử dụng trong mạch. Đồng bộ hóa được thực hiện bởi một thiết bị định thời gọi là bộ phát xung đồng hồ. Các xung nhịp được phân phối khắp hệ thống theo cách mà các flip-flop chỉ bị ảnh hưởng khi xung đồng bộ hóa đến. Các mạch tuần tự đồng bộ sử dụng xung nhịp ở đầu vào được gọi là mạch tuần tự có đồng hồ. Chúng ổn định và thời gian của chúng có thể dễ dàng được phân tách thành các bước rời rạc độc lập, mỗi bước được xem xét riêng biệt.

Các mạch lật (Flip-Flop)

Flip-Flop FF-RS

Flip-Flop RS (Reset-Set) là một loại mạch lật cơ bản có hai đầu vào: đầu vào Reset (R) và đầu vào Set (S). Nó còn được gọi là Flip-Flop Bistable vì có hai trạng thái ổn định: một trạng thái khi Q = 0 và một trạng thái khi Q = 1.

Cấu trúc cơ bản của mạch Flip-Flop RS bao gồm hai cổng NAND hoặc hai cổng NOR kết hợp với nhau. Dưới đây là biểu đồ mạch của Flip-Flop RS bằng cổng NAND và NOR:

Flip-Flop RS sử dụng cổng NAND:

• Đầu vào Reset (R) được kết nối với cổng NAND 1.

• Đầu vào Set (S) được kết nối với cổng NAND 2.

• Đầu ra Q của NAND 1 cũng là một trong hai đầu vào của NAND 2.

• Đầu ra Q’ của NAND 2 cũng là một trong hai đầu vào của NAND 1. Khi đầu vào Reset được kích hoạt (R = 1), đầu ra Q sẽ bị đặt về 0. Khi đầu vào Set được kích hoạt (S = 1), đầu ra Q sẽ được đặt về 1.

Flip-Flop RS sử dụng cổng NOR:

• Đầu vào Reset (R) được kết nối với cổng NOR 1.

• Đầu vào Set (S) được kết nối với cổng NOR 2.

• Đầu ra Q của NOR 2 cũng là một trong hai đầu vào của NOR 1.

• Đầu ra Q’ của NOR 1 cũng là một trong hai đầu vào của NOR 2. Tương tự như Flip-Flop RS sử dụng cổng NAND, khi đầu vào Reset được kích hoạt (R = 0), đầu ra Q sẽ bị đặt về 1. Khi đầu vào Set được kích hoạt (S = 0), đầu ra Q sẽ được đặt về 0.

Tuy Flip-Flop RS là một mạch cơ bản, nhưng nó có một số hạn chế liên quan đến tình trạng không xác định (vì cả hai đầu vào R và S cùng bằng 1) và tình trạng cấm (vì cả hai đầu vào R và S đều bằng 0). Để khắc phục các vấn đề này, các loại Flip-Flop khác như D-type và JK Flip-Flop được phát triển.

Ưu điểm của mạch tuần tự

1. Bộ nhớ: Mạch tuần tự có khả năng lưu trữ các giá trị nhị phân, lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu các thành phần bộ nhớ, chẳng hạn như bộ hẹn giờ và bộ đếm.

2. Thời gian: Mạch tuần tự thường được sử dụng để thực hiện thời gian và đồng bộ hóa trong các hệ thống kỹ thuật số , khiến chúng trở nên cần thiết cho các ứng dụng điều khiển thời gian thực.

3. Triển khai máy trạng thái: Có thể sử dụng mạch tuần tự để triển khai máy trạng thái, hữu ích cho việc kiểm soát các hệ thống kỹ thuật số phức tạp và đảm bảo chúng hoạt động theo đúng mục đích.

4. Phát hiện lỗi: Mạch tuần tự có thể được thiết kế để phát hiện lỗi trong hệ thống kỹ thuật số và phản hồi phù hợp, cải thiện độ tin cậy của hệ thống kỹ thuật số.

Nhược điểm của mạch tuần tự

1. Độ phức tạp: Mạch tuần tự thường phức tạp hơn mạch tổ hợp và yêu cầu nhiều thành phần hơn để triển khai.

2. Ràng buộc về thời gian: Việc thiết kế các mạch tuần tự có thể gặp nhiều thách thức do phải đảm bảo thời gian của đầu vào và đầu ra là chính xác.

3. Kiểm tra và gỡ lỗi: Kiểm tra và gỡ lỗi mạch tuần tự có thể khó hơn so với mạch tổ hợp do cấu trúc phức tạp và đầu ra phụ thuộc vào trạng thái của chúng.

Ứng dụng

Mạch tuần tự được ứng dụng trong hầu như mọi hệ thống kỹ thuật số ngày nay vì khả năng xử lý thông tin trạng thái của chúng. Một số ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Bộ đếm: Thường xuất hiện trong đồng hồ kỹ thuật số, bộ đếm tần số và bộ đếm sự kiện.

• Thanh ghi: Có trong bộ vi xử lý và hệ thống kỹ thuật số như một phương tiện lưu trữ, phương tiện truyền tải và phương tiện để xử lý dữ liệu.

• Phần tử bộ nhớ: Được sử dụng trong RAM và các thiết bị lưu trữ khác để lưu trữ dữ liệu tạm thời.

• Máy trạng thái: Được sử dụng trong các hệ thống điều khiển , quy trình truyền thông và các thiết bị kỹ thuật số khác để kiểm soát trạng thái.

• Bộ hẹn giờ: Được ứng dụng trong việc đo thời gian, tạo độ trễ và chức năng lập lịch trong mạch kỹ thuật số.

Kết luận

Các mạch tuần tự với tính thực tiễn của việc lưu trữ thông tin trạng thái trước đó khiến chúng trở nên cực kỳ có giá trị đối với thiết kế trong các hệ thống kỹ thuật số. Chúng cho phép thực hiện các quy trình phức tạp như máy trạng thái, thời gian và đồng bộ hóa, do đó các thành phần bộ nhớ rất quan trọng trong các mạch điện tử tiên tiến. Chúng đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống kỹ thuật số do khả năng lưu trữ và sử dụng các giá trị nhị phân, triển khai thời gian và đồng bộ hóa, và triển khai máy trạng thái

‍