THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM 8 SẢN PHẨM (SỬ DỤNG D-FF), HIỂN THỊ TRẠNG THÁI ĐẾM TRÊN LED 7 THANH

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM 8 SẢN PHẨM
(SỬ DỤNG D-FF), HIỂN THỊ TRẠNG THÁI ĐẾM TRÊN LED 7
THANH

Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Nguyễn Thị Thu Hà

Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Anh

2018600801

Nguyễn Ngọc Dũng

2018601579

Nguyễn Xuân Được

2018601154

Hà Nội - 2021


PHIẾU HỌC TẬP CÁ
NHÂN/NHÓM
Họ và tên sinh viên :

Mã sinh viên: 2018600801

1. Nguyễn Đức Anh
2.

Nguyễn Ngọc Dũng

Mã sinh viên: 2018601579

3. Nguyễn Xuân Được

Mã sinh viên: 2018601154

Lớp: 20202FE6021001

Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà
Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm 8 sản phẩm (sử dụng D-FF), hiển thị trạng thái
đếm trên LED 7 thanh
NỘI DUNG THỰC HIỆN
TT

Nội dung cần thực hiện

CĐR

1

Lập kế hoạch làm việc

2

Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả thi

L1.2; L1.3

3

Tính tốn thiết kế, xây dựng và phân tích mơ
hình

L1.2; L1.3

4

Chế tạo và lắp ráp

L1.2; L1.3

5

Thử nghiệm và hiệu chỉnh

L1.2; L1.3

6

Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo

L1.2; L1.3

7

Báo cáo

L1.2; L1.3

L1.3


I. Yêu cầu thực hiện:
1. Phần thuyết minh:
* Trình bày đầy đủ các nội dung đồ án, bao gồm:
-

Chương 1. Tổng quan (Nêu cơ sở lựa chọn đề tài đồ án, ứng dụng trong thực
tiễn …);

-

Chương 2. Tính tốn, thiết kế mô phỏng;

-

Chương 3. Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh;

-

Phụ lục (nếu có)

* Quyển báo cáo được trình bày từ 10 đến 15 trang giấy A4 với các định dạng theo
quyết định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019:
2. Sản phẩm của đồ án mơn
TT

Tên sản phẩm

1

Mơ hình (mạch điện)

2

Quyển báo cáo

3

Slide thuyết minh đồ án

Định dạng

Số lượng
01

Theo quyết định
815/QĐ-ĐHCN

01
01

3. Phạm vi lựa chọn đề tài
- Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số.
- Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh
kiện điện tử cơ bản…
- Đảm bảo an toàn lao động.
Ngày giao: 13/04/2021

Ngày hoàn thành: 15/05/2021
Hà Nội, ngày 13 tháng 04 năm 2021

Trưởng bộ môn

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Thị Thu Hà


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở nên quên thuộc với nhiều người, bởi vì sự phát
triển của nghành kỹ thuật số đã có ảnh hưởng rất lớn đến nghành kinh tế tồn cầu. có
người đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng ta là “nền kinh tế kỹ thuật
số”, “số hóa” đã gần như vượt khỏi ranh giới của một thuật ngữ kỹ thuật. Nhờ có ưu điểm
của xử lí số như độ tin cậy trong truyền dẫn, tính đa thích nghi và kinh tế của nhiều phần
mềm khác nhau, tính tiện lợi trong điều khiển và khai thác mạng. Số hóa đang là xu
hướng phát triển tất yếu của nhiều linh vực kỹ thuật và kinh tế khác nhau. Không chỉ

trong lĩnh vực thông tin liên lạc và tin học.
Ngày nay, kỹ thuật số đã và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều
khiển tự động, Phát thanh truyền hình, Y tế, Nông nghiệp... và ngay cả trong các đồ dùng
sinh hoạt gia đình. Với sự phát triển khơng ngừng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng
các linh kiện bán dẫn đã phần vào giảm bớt giá thành sản phẩm làm bằng các linh kiện
rời. Ứng dụng môn kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xung số ngày càng nhiều. Nó thâm nhập
nhanh chóng vào các lĩnh vực điện tử thơng dụng và chuyên nghiệp. Trong đố án này,
nhóm chúng em lựa chọn đề tài Thiết kế mạch đếm 8 sản phẩm (sử dụng D-FF), hiển thị
trạng thái đếm trên LED 7 thanh


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất cô Nguyễn Thị
Thu Hà – người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động viên chúng em trong
suốt q trình nghiên cứu thực hiện đồ án mơn học này.
Chúng em xin trân trọng cảm ơn đến tất cả các q thầy cơ khoa Cơ Khí trường Đại Học
Cơng Nghiệp hà Nội, những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản,
cũng như đã nhiệt tình quân tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em được học
tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án Kỹ thuật xung số này.
Chúng em xin cám ơn.
Trân trọng!
Hà Nội, ngày tháng
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Anh
Nguyễn Ngọc Dũng
Nguyễn Xuân Được

năm 2021

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Khái niệm
FF là mạch có khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích hợp của ngõ
vào, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu trong mạch và xuất dữ liệu
ra khi cần.
Có nhiều loại flip flop khác nhau, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng.
Các mạch FF thường được kí hiệu như sau

Hình 1.1 Ký hiệu FF
Nếu các ngõ vào sẽ quyết định ngõ ra là cái gì thì ngõ đồng hồ ck lại chỉ ra rằng khi nào
mới có sự thay đổi đó. Chân Ck có thể tác động mức thấp hay mức cao tuỳ vào cấu trúc
bên trong của từng IC FF, do đó với một IC FF cố định thì chỉ có một kiểu tác động và chỉ
một mà thơi, ví dụ với IC 74112 chỉ có một cách tác động là xung Ck tác động theo cạnh
xuống.
1.1.2. Phân loại


Hình 1.2 Kí hiệu khối của 4 loại FF nảy bởi cạnh lên Ck
a) FF SR (mạch lật lại đặt)

Hình 1.3 Dạng sóng minh hoạ cho FF RS
FF RS nảy cạnh lên khi đó sẽ kí hiệu hình tam giác ở sơ đồ khối và dấu mũi tên lên trong
bảng trạng thái.
FF RS nảy bằng cạnh xuống tương tự và có khí hiệu thêm hình trịn nhỏ hay gạch
đầu Ck để chỉ cạnh xuống ở ký hiệu khối và vẽ dấu mũi tên xuống ở bảng trạng thái.
b) FF JK
FF JK bổ sung thêm trạng thái cho FF RS ( tránh trạng thái cấm)

Hình 1.4 Dạng sóng minh hoạ cho FF JK

Nhận thấy đầu vào J, K điều khiển trạng thái ngõ ra theo đúng như cách mà S R đã làm
trừ 1 điểm là khi J = K = 1 thì trạng thái cấm được chuyển thành trạng thái ngược lại ( với
J = K = 0 ). Nó còn gọi là chế độ lật của hoạt động.


Từ dạng sóng có thể thấy rằng ngõ ra FF không bị ảnh hưởng bởi sườn xuống của xung
ck các đầu vào J K cũng khơng có tác động trừ khi xảy ra tác động lên của Ck
FF JK có thể tạo thành từ FF SR có thêm 2 đầu and có ngõ ra đưa về như hình :

Hình 1.5 FF JK từ FF SR
Còn cấu tạo bên trong của FF JK kích bằng cạnh sườn sẽ như sau :

Hình 1.6 Cấu trúc mạch của FF JK
c) FF T
Khi nối chung 2 ngõ vào JK như hình dưới thì sẽ được FF T : chỉ có một ngõ vào T, ngõ
ra sẽ bị lật lại trạng thái ban đầu khi ngõ T tác động và mỗi khi có cạnh sườn lên hay
xuống của xung ck.
Kí hiệu khối và bảng trạng thái của FF T như sau :
=>


Hình 1.8 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF T
FF T được sử dụng chính để tạo mạch đếm chia 2. Khi T nối lên mức 1 (Vcc) hay để
trống, xung kích lần lượt đưa vào ngõ Ck. Nhận thấy ngõ ra Q sẽ lật trạng thái mỗi lần ck
xuống hay lên. Tần số xung ngõ ra Q chỉ còn bằng một nửa tần số ngõ vào ck nếu đưa Q
này tới các tầng FF sau nữa thì lần lượt tần số f sẽ lại được chia đôi. Đây là nguyên lí
chính của mạch đếm sẽ được xét đến ở phần sau.

Hình 1.9 FF T dùng làm mạch chia tần
d) FF D

Khi nối ngõ vào của FF RS hay JK như hình thì sẽ được FF D : chỉ có 1 ngõ vào gọi là
ngõ vào data(dữ liệu) hay delay(trì hỗn). Hoạt động của FF D rất đơn giản : ngõ ra sẽ
theo ngõ vào mỗi khi xung Ck tác động cạnh lên hay xuống.
=>


Hình 1.11 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF D
FF D thường là nơi để chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Q cung cấp cho mạch sau
như mạch cộng, ghi dịch… nên hơn nữa ngõ vào D phải chờ một khoảng thời gian khi
xung ck kích thì mới đưa ra ngõ ra Q, do đó FF D cịn được xem như mạch trì hỗn, ngõ
D còn gọi là delay.
e) Mạch chốt D
Các FF nảy bằng mức đều có thể trở thành mạch chốt khi chân ck cho ở mức tác động
luôn. Thông dụng nhất là chốt D. Mạch được tạo bởi FF D khi thay ngõ vào đồng bộ bởi
ngõ vào cho phép (enable : E) tác động ở mức cao.
Cấu tạo kí hiệu và bảng trạng thái như những hình sau :

Hình 1.12 Kí hiệu khối và bảng sự thật của chốt D

Hình 1.13 Cấu tạo chốt D
1.2. Cơ sở chọn đề tài
Tất cả các đầu ra của một mạch tổ hợp cụ thể được mong đợi sẽ thay đổi trạng thái của
chúng cùng một lúc. Tuy nhiên, đôi khi do độ trễ cổng khác nhau, các đầu ra của mạch tổ
hợp có thể thay đổi trạng thái của chúng tại các trường hợp thời gian khác nhau. Điều này
sẽ tiếp tục gây ra hành vi không mong muốn dẫn đến kết quả sai. Điều này có thể tránh
được bằng cách sử dụng flip-flops D đồng bộ ở các đầu ra hoạt động như bộ đồng bộ hóa
dữ liệu.
1.3. Ứng dụng trong thực tiễn
D flip-flop có thể được sử dụng để tạo đường trễ được sử dụng trong các hệ thống xử lý
tín hiệu số. Ứng dụng này dễ dàng phát sinh do thực tế là đầu ra flip flop D đồng bộ

khơng là gì khác ngồi đầu vào bị trễ bởi chu kỳ một xung nhịp. Do đó, bằng cách xếp
tầng n flip-flops như vậy, đầu ra có thể bị trễ n chu kỳ xung, do đó tạo ra lượng trễ cần
thiết.
1.4. Phạm vi lựa chọn đề tài nghiên cứu

Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số.
Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh kiện
điện tử cơ bản…
Đảm bảo an toàn lao động.


CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Tính tốn hệ thống
Ta có đề hình trạng thái :
Biểu đồ này hiện thị chuỗi các trạng thái mà bộ đếm tiến lên khi nó có được tạo
xung nhịp. Hình bên dưới cho thấy được trạng thái bộ đếm nhị phân 3 bit

Hình 2.1 Biểu đồ trạng thái của bộ đếm nhị phân 3 bit
Mạch khơng có đầu vào nào ngồi xung đồng bộ và khơng có đầu ra khác nào khác ngồi
trạng thái bên trong của nó(đầu ra được lấy ra khỏi mỗi flip-flop trong bộ đếm). Trạng
thái tiếp theo của bộ đếm phụ thuộc hoàn toàn vào trạng thái hiện tại của nó. Và sự
chuyển đổi trạng thái xảy ra mỗi khi xung đồng bộ xuất hiện. Hình 2.1 cho thấy được
chuỗi đếm sau mỗi xung đồng bộ


Hình 2.2 Đếm chuỗi sau mỗi xung
Khi mạch tuần tự được xác định bởi biều đồ trạng thái, bước tiếp theo là lấy bảng trạng
thái bảng chuyển đổi trạng thái và các giá trị các đầu vào, bảng này được suy ra từ biều đồ

trạng thái trong hình 2.1 và được thể hiện ở bảng bên dưới.
0
0
0
0
1
1
1
1

Q2Q1Q0
0
0
1
1
0
0
1
1

0
1
0
1
0
1
0
1

Q2+Q1+Q0+

0
1
1
0
0
1
1
0

0
0
0
1
1
1
1
0

1
0
1
0
1
0
1
0

0
0
0

1
1
1
1
0

Tối thiểu hóa
D2
Q0
Q2Q1
00
01
11
10
D2 = + +

0

1

0
0
1
1

0
1
0
1

D2D1D0
0
1
1
0
0
1
1
0

1
0
1
0
1
0
1
0


D1
Q0
Q2Q1
00
01
11
10

0

1

0
1
1
0

1
0
0
1

D1= + =
D0
Q0
Q2Q1
00
01
11
10

0

1

1
1
1
1

0
0
0
0

D0=
2.2. Mạch D-FF đếm 8 sản phẩm

Hình 2.3 Mạch D-FF
2.3. Thiết kế mạch
Ta sử dụng phần mềm protues để mô phỏng mạch đếm 8 sản phầm sử dụng D-FF


Hình 2.4 Mạch đếm 8 sản phẩm sử dụng D-ff
2.4. Phân tích và lựa chọn linh kiện
Trên mạch ta sử dụng các cổng AND, OR, XOR, NAND
1. IC 7408 cổng AND

Hình 2.5 IC 7408
Thơng số kĩ thuật:


Điện áp cung cấp: 4.75V ~ 5.25V
Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC
Dòng điện ra mức cao: IOH = -0.4mA
Dòng điện ra mức thấp: IOL = 8mA
2. IC 7432 cổng OR

Hình 2.6 IC 7432
Cấu tạo bên trong IC 74HC32 có bốn cổng logic OR, mỗi cổng có 2 ngõ vào và 1 ngõ

ra. IC 74HC32 được sản xuất theo cơng nghệ Cmos, là một mạch tích hợp được xây dựng
từ các Mosfet và một số điện trở phụ trợ.
3. IC 4070 cổng XOR

Hình 2.7 IC 4070

Thơng số kĩ thuật


4. IC 4093 cổng NAND

Hình 2.8 IC 4093
Thơng số kĩ thuật
Dải điện áp rộng: -0,5 ~ 20V
Dải nhiệt độ hoạt động: – 55 ~ 125 độ C
Mã: CD4093BE
Kiểu chân: 14 chân cắm DIP-1


5. IC 74LS74 – DFF

Hình 2.9 IC 74LS74
Thơng số kĩ thuật:
Gói IC Flip Flop D kép
Điện áp hoạt động: 2V đến 15V
Độ trễ truyền: 40nS
Điện áp đầu vào mức cao tối thiểu: 2 V
Điện áp đầu vào mức thấp tối đa: 0,8V
Nhiệt độ hoạt động: 0 đến 70 ° C
Dòng điện đầu ra mức cao: 8mA

Có các gói SO-14, SOT42 14 chân
6. IC 7447 – giải mã led 7 thanh


Hình 2.10 IC 7447

7. Led 7 thanh

Hình 2.11 Led 7 thanh
Sơ đồ chân nối


CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH
3.1. Chế tạo các bộ phận cơ khí và các bộ phận điện tử
Các bước chế tạo mạch
Bước 1: Vẽ mạch trên phần mềm Altium

Hình 3.1 Mạch vẽ mơ phỏng
Bước 2: Mơ phỏng trên phần mềm

Hình 3.2 Mạch dựng 3D
Bước 3: In file mạch nguyên lí và cắt tầm fit đồng


Hình 3.3 Mạch ngun lí sau khi được in ra
Bước 4: ngâm mạch trong dung dịch FeCl3, sau khi mạch đã bị ăn mòn hết, thả mạch vào
nước, dung giấy giáp chà sạch lớp mực in trên mạch. Phủ 1 lớp keo thơng lỏng lên mạch
đê tránh oxi hóa lớp đồng

Hình 3.4 Ngâm mạch in vào dung dịch FeCl3

Bước 5: Đục lỗ để hàn chân linh kiện
Bước 6: Dùng máy hàn hàn các chân linh kiện vào mạch
Sau đó mạch hoàn thiện:


Hình 3.5 Mạch hồn thiện và chạy thử


KẾT LUẬN
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, nhóm chúng em đã tiếp thu được thêm
nhiều kiến thức, tìm kiếm thêm các nguồn tài liệu để bổ sung thêm kiến thức để hồn
thành đồ án. Nhóm em đã biết cách thiết kế, lựa chọn các linh kiện phù hợp với đề tài.
Việc hoàn thành tốt đồ án kỹ thuật xung số này là cơ sở để nhóm em thực hiện những đồ
án quan trọng sau này như đồ án cơ điện tử và đồ án tốt nghiệp.
Tuy rằng hệ thống đã hoạt động tốt theo yêu cầu đặt ra, nhưng khơng thể tránh khỏi
sai sót trong q trình vận hành và điều khiển hệ thống. Vì vậy, nhóm chúng em rất mong
nhận được những góp ý để hoàn thành hệ thống tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn!