Khi flip-flop bị lỗi, bộ đếm thường không thể đếm lên được số nhất định. Cũng chính vì không thể đếm đến lên số nhất định, mà yếu tố này (dễ nhận thấy) giúp cho kỹ thuật viên khoanh vùng lỗi và cô lập lỗi.

Bộ đếm cũng thường xảy ra một lỗi đặc biệt cần nghiên cứu kỹ là: Lỗi dội (còn gọi là lỗi do nảy, rung động) do ảnh hưởng của cơ cấu chuyển mạch cơ khí (gọi tắt là công tắc) khi đóng-cắt mạch. Lỗi này có nguyên nhân không phải tại các flip-flop, mà do lỗi xảy ra ở mạch kích thích. Hình 1 đưa ra một bộ đếm tuần tự có chức năng đếm số lần chuyển mạch của một công tắc CM. Mỗi lần công tắc CM đóng, xuất hiện một sườn xuống (do CM đóng thì đầu vào T nối với GND) tại đầu vào T, bộ đếm sẽ đếm sườn xuống và như vậy đếm được số lần đóng-cắt của CM. Tuy nhiên, vấn đề không đơn giản như vậy. Hãy quan sát kỹ sơ đồ ở Hình 1b (là sơ đồ thời gian nhận được do phép đo động cung cấp cho một lần công tắc CM chuyển từ trạng thái cắt sang trạng thái đóng), nhận thấy:

Tại thời điểm t₁, t₂, …t₆ bộ đếm đều sinh ra các mức lôgic1 tại các đầu ra. Nguyên nhân là do có hiện tượng dội (rung, nảy) công tắc CM khi chuyển từ trạng thái cắt sang trạng thái đóng, gây nên hiện tượng bộ đếm sinh mức lôgic đầu ra vô nghĩa. Bản chất của hiện tượng này được giải thích như sau: Khi công tắc CM chuyển từ trạng thái cắt sang đóng, thoạt nghĩ là các tiếp điểm động và tĩnh tiếp xúc chặt và ổn định. Nhưng thật ra thì hầu hết CM nào cũng có hiện tượng rung động (gọi là dội). Vì vậy, mỗi lần CM chuyển vào trạng thái đóng đều xuất hiện hiện tượng: Các tiếp điểm thoạt đầu tiếp xúc và xuất hiện dòng qua chúng, ngay sau đó chúng rời nhau ra (hở mạch) trong khoảng thời gian vô cùng nhỏ, rồi lại tiếp xúc với nhau. Số lần rung động tuỳ thuộc vào vật liệu, trọng lượng, kết cấu, thời gian đã hoạt động của bản thân công tắc CM (ví dụ ở Hình 1 cho một công tắc có số lần dội là 3 khi chuyển từ trạng thái cắt sang trạng thái đóng). Hiện tượng dội xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn và chỉ có thể quan sát được dựa vào ảnh chụp do thiết bị chụp ảnh có tốc độ cao. Trong một số ứng dụng đòi hỏi tốc độ đếm chậm., thì hiện tượng dội kể trên không gây khó khăn đáng kể. Chỉ ở những bộ đếm số hiện đại, mà tốc độ đếm nhanh đến mức có thể đếm luôn từng lần dội một theo số lần sườn xuống xuất hiện (ví dụ: Mỗi lần công tắc CM đóng có dội 3 lần thì bộ đếm sẽ đếm là 3 thay vì đúng ra phải đếm là1) thì hiện tượng trên là không thể chấp nhận. Quá trình công tắc CM chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái cắt cũng diễn ra tương tự.

Như vậy, qua phân tích trên đã thấy dấu hiệu để kỹ thuật viên khoanh vùng lỗi và cô lập lỗi khi xuất hiện lỗi không đếm lên số nhất định của bộ đếm. Vấn đề còn lại là xử lý lỗi như thế nào. Tất nhiên việc thay công tắc là không thể giúp xử lý lỗi, mà bản chất của xử lý lỗi ở đây là phải khử dội giữa công tắc CM và bộ đếm.

Có hai cách cơ bản khử dội như sau:

- Xử lý lỗi do dội dùng flip-flop R-S: Mạch khử dội và sơ đồ thời gian mô tả hoạt động của nó như trên Hình 2. Trong đó: Sử dụng flip-flop R-S không định thời và có các đầu vào tích cực ở mức thấp, công tắc CM là loại loại công tắc có một tiếp điểm động và hai tiếp điểm cố định R và S (còn gọi là loại một lá hai vị trí-Single pole, double throw-SPDT).

Trên Hình 2b, có: Từ t₁ đến t₂ là khoảng thời gian diễn ra quá trình tiếp điểm động rời khỏi vị trí tiếp xúc với tiếp điểm cố định R (tương ứng mức lôgic tại đầu vào R chuyển từ mức lôgic 0 lên mức lôgic 1), từ t₃ đến t₄ là khoảng thời gian tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm cố định S (tương ứng mức lôgic tại đầu vào S chuyển từ mức lôgic 1 xuống mức lôgic 0). Trong cả hai khoảng thời gian trên đều xảy ra hiện tượng dội, số lần dội khi đóng nhiều hơn khi cắt (một chú ý, với công tắc CM chế tạo tốt thì thực tế có thể không xuất hiện dội khi tiếp điểm động rời tiếp điểm cố định). Nguyên lý khử dội như sau: Khi tiếp điểm động rời ra khỏi đầu vào R, nó bị dội và gây ra mức lôgic tại đầu vào R có dạng xung (trong khoảng thời gian t₁ đến t₂). Tuy vậy, dạng xung này không gây ra sự thay đổi mức lôgic tại đầu ra Q (có giá trị lôgic 0) của flip-flop R-S và điều đó dẫn đến không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu vào bộ đếm. Khi tiếp điểm động tiếp xúc với đầu vào S tại thời điểm t₃ thì xuất hiện mức lôgic 1 tại đầu ra Q của flip-flop R-S và giá trị này cũng không đổi (nhờ tính chất của flip-flop R-S) trong khoảng thời gian xuất hiện xung (từ t₃ đến t₄) tại đầu vảo S do hiện tượng dội. Như vậy mọi xung xuất hiện do dội đều không gây thay đổi mức lôgic tại đầu ra Q đã được thiết lập tại thời điểm t₃, như vậy đầu ra Q chỉ thay đổi mức lôgic tương ứng với công tắc CM đóng tại S.

Nhược điểm của phương pháp trên là tồn tại công tắc hai tiếp điểm cố định. Phương pháp khử dội dùng Trigơ Schmitt loại trừ được công tắc này.

- Xử lý lỗi do dội dùng Trigơ Schmitt: Mạch khử dội và sơ đồ thời gian mô tả hoạt động của nó như Hình 3. Trên Hình 3b, các đoạn đường cong d (các nét mảnh) biểu diễn sự suy giảm của điện thế đầu vào (IN) khi công tắc CM đóng, các đoạn đường cong c (các nét đậm) biểu diễn sự tăng lên của đầu vào (IN) khi công tắc CM cắt. Sự đóng-cắt của công tắc CM ở đây phải hiểu là công tắc CM đang chuyển từ trạng thái cắt sang trạng thái đóng và có hiện tượng dội (trong khoảng thời gian từ t₁ đến t₆) làm xuất hiện quá trình phóng-nạp của tụ điện C. V_T+ là giá trị điện thế tại đầu vào gây nên sự thay đổi trạng thái Trigơ (từ đầu ra có mức lôgic 1 xuống mức lôgic 0). V_T-là giá trị điện thế tại đầu vào gây nên sự thay đổi trạng thái Trigơ (từ đầu ra có mức lôgic 0 lên mức lôgic 1). Hai giá trị ngưỡng này khác nhau do Trigơ có tính trễ. Bằng cách tính chọn các giá trị điện trở R₁, R₂, điện dung C thích hợp, sẽ có các nhánh đường cong d và c như Hình 3b và dạng đường cong đó đảm bảo Trigơ Schmitt đã sinh đầu ra có mức lôgic 1 tại thời điểm t₁ thì mức đó không thay đổi trong khoảng thời gian diến ra quá trình đóng công tắc CM có xảy ra hiện tượng dội. Như vậy đã khử được lỗi do dội ở bộ đếm tuần tự.

Trigơ Schmitt rất được sử dụng rộng rãi trong mạch số (kỹ thuật viên điện tử số cần quan tâm đặc biệt đến các ứng dụng của chúng và bản thân cũng có thể tạo ra các mạch số hữu ích trên cơ sở sử dụng tính năng của nó. Ví dụ: Thiết kế và ráp mạch số đầu vào cho rơle rò điện ELR trong hệ thống tự động chống giật-rò điện trong công nghiệp-đã giới thiệu trong tạp chí này số 50, kỳ tháng 10/2004). Trong khuôn khổ bài viết này, giới thiệu thêm hai công dụng phổ biến của Trigơ Schmitt.

+ Dọn sạch xung nhiễu (xem Hình 4): Tại đầu ra e_out, điện áp có dạng xung, mọi nhiễu trong khoảng thời gian từ t₁ đến t₂ đều được dọn, không xuất hiện ở e_out với điều kiện mức điện thế thấp nhất của e_IN phải lớn hơn V_T-.

+ Biển đổi sóng hình sin thành xung: Xem Hình 5.

Tìm và xử lý lỗi BCD:

BCD là mạch số có chức năng thập phân mã hoá nhị phân. Tức BCD cho phép đổi trực tiếp các số biểu diễn ở mức lôgic 1 và lôgic 0 sang thập phân. Như vậy, công dụng chính của BCD nằm ở giao diện giữa máy tính và người vận hành máy. BCD thường được thấy ở dạng màn hình.

Việc tìm và xử lý lỗi BCD tương đối đơn giản. Để hiểu cơ bản, xét một ví dụ sau (xem hình 6):

Đường xuất của màn hình này bị lỗi, vì ký số hàng chục lại cho số đọc là 11 thập phân. Đây là điều cấm ở mạch BCD khi vận hành đúng (khi vận hành đúng, không nhóm 4 đèn hình nào có thể biểu diễn số nhị phân lớn hơn số 9 thập phân). Lỗi chắc chắn nằm ở mạch kích thích, vì đèn hình rất ít khi bị lỗi s-a-1 mà chúng thường chỉ bị lỗi s-a-0 (tức bị cháy).

Thay lời kết: Với mục đích nâng cao kỹ năng tìm và xử lý lỗi mạch số cho các kỹ thuật viên điện tử số và bạn đọc quan tâm đến mạch số. Phần kết thúc loạt bài này giới thiệu vài mạch số cùng các giả định ban đầu để bạn đọc có thể: Tự ráp mạch theo sơ đồ mạch, tìm và xử lý lỗi (trên cơ sở những giả định và mạch số đã cho, bạn đọc có thể tự cho các giả định và mạch số khác để tìm và xử lý lỗi).

Những IC cần để ráp mạch là: 7408 (gồm 4phần tử lôgic AND); 7400 (gồm 4 phần tử NAND); 7402 (gồm 4 phần tử NOR); 7486 (gồm 4phần tử XOR); 7432 (gồm 4 phần tử OR); 7404 (gồm 6 phần tử NOT); 74279 (gồm 4 flip-flop R-S tích cực ở mức thấp). Những chíp này được mô phỏng như Hình 7 (nên sử dụng thêm các chíp đã chắc chắn hư để ráp mạch luyện kỹ năng này).

Bạn đọc cũng cần chế tạo mạch in để ghép nối các chíp trên theo từng sơ đồ cho dưới đây để thực hành (với chú ý chế tạo mạch in có khả năng dễ tạo ra lỗi để luyện kỹ năng và gắn chíp vào mạch in thông qua đế cắm tương ứng). Trong hoạt động thực tế, các kỹ thuật viên điện tử số (đặc biệt với các bạn trẻ) nên tự chế tạo “máy” thử nghiệm phần tử lôgic cơ bản phục vụ cho kiểm tra khi mua mới các chip, khi nghi ngờ chip bị hư trong mạch số đang có vấn đề. Việc tự chế tạo ra “máy “ này không khó lắm, đơn giản nhất phải thoả mãn kiểm tra chip ở các chế độ: Các đầu vào nối với GND, các đầu vào thả nổi (dùng các công tắc CM₁-CM₈)..., các đầu ra đo mức lôgic bằng phép đo tĩnh, như Hình 7b minh họa kiểm tra chíp 7400.

- Ví dụ 1: Với tập tín hiệu vào cho trước và mức lôgic tại các chân đầu ra của các phần tử lôgic như Hình 8. Hãy xác định lỗi xuất hiện đầu tiên tại đầu ra nào?

- Ví dụ 2: Đầu ra của 3 flip-flop (tích cực ở mức cao) ở Hình 9, thoạt nhìn như là bị lỗi s-a-0 hoặc s-a-1. Tuy nhiên, thật sự chỉ có một flip-flop bị lỗi, hai flip-flop còn lại hoạt động tốt. Căn cư tín hiệu vào, hãy xác định flip-flop bị lỗi.

- Ví dụ 3: Tìm xung nhiễu hoặc lỗi khác bằng cách so sánh các tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra Q của một flip-flop như Hình 10. Sử dụng máy hiện sóng cao tốc dò xung trên đường R.

[1] Nguyễn xuân Quỳnh. Lý thuyết mạch logic và kỹ thuật số. NXB KHKT 1985

[2] TTL Data Book, Fairchild Semiconductor. NXB TK 2002

[3] Choiyong sile. Electrical technology. NXB KHKT 2002.

HIENDAIHOA.COM (Theo: Tạp chí TĐHNN)