Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng JKFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi đếm được 3 xung

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

--🙢🙢🙢--

ĐỒ ÁN MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM NGHỊCH, NHỊ PHÂN, ĐỒNG BỘ
Kđ=8, SỬ DỤNG JK-FF HIỂN THỊ KẾT QUẢ ĐẾM TRÊN LED 7
THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO KHI ĐẾM ĐƯỢC 3 XUNG

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Quốc Hưng 2018601566
Nguyễn Văn Đạo

2018600355

Nguyễn Văn Nam

2018601354

Hà Nội,2021


PHIẾU HỌC TẬP CÁ
NHÂN/NHÓM
Họ và tên sinh viên :
1.

Nguyễn Quốc Hưng

Mã sinh viên:2018601566

2.

Nguyễn Văn Đạo

Mã sinh viên:2018600355

3.

Nguyễn Văn Nam

Mã sinh viên:2018601354

Lớp: 20202FE6021001
Khoá: 13
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà
Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng JKFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi đếm được 3
xung
NỘI DUNG THỰC HIỆN
TT

Nội dung cần thực hiện

CĐR

1

Lập kế hoạch làm việc

L1.3

3

Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả
thi
Tính tốn thiết kế, xây dựng và phân tích mơ
hình

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

2

L1.2; L1.3
L1.2; 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 mơ 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
Lời nói đầu

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Sơ đồ khối bộ đếm
Hình 2: Đồ hình trạng thái tổng quan của bộ đếm
Hình 3: Sơ đồ khối bộ đếm
Hình 4: Đồ hình trạng thái
Hình 5: Sơ đồ logic
Hình 6: Mạch ngun lí
Hình 7: Bản thiết kế mạch in
Hình 8: Mạch in PCB
Hình 9: Mạch in PCB
Hình 10: Mạch in PCB
Hình 11: Mạch in thành phẩm
Hình 12: Sơ đồ chân của IC 74LS73
Hình 13: Sơ đồ chân của IC 74LS47N
Hình 14: Sơ đồ chân của IC 74HC76
Hình 15: Sơ đồ chân IC 555

Hình 16: Thực hiện lắp ráp linh kiện
Hình 17: Kết quả chạy thử nghiệm
Hình 18: Kết quả chạy thử nghiệm
Hình 19: Kết quả chạy thử nghiệm
4


LỜI NĨI DẦU
Cùng với mơn học kĩ thuật điện tử , kĩ thuật xung số là môn học kĩ thuật cơ
sở quan trọng trong khối ngành kĩ thuật . Nó đặc biệt quan trọng đối với sinh
viên của tất cả các ngành nhất là ngành điện tử và cơ điện tử của Trường đại học
cơng nghiệp Hà Nội . Vì vậy thông qua việc làm đồ án sẽ giúp sinh viên có cái
nhìn sâu sắc hơn về mơn học kĩ thuật xung số này và qua đây sẽ giúp cho mỗi
sinh viên đánh giá được khả năng tích lũy kiến thức về môn học đồng thời biết
cách vận dụng môn học vào thực tế …
Trong đề tài “ Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử
dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi đếm được
3 xung ” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày một cách cụ thể về quá
trình nghiên cứu tìm hiểu và tính tốn, thiết kế mơ hình. Thơng qua đó có thể áp
dụng nó vào các bài nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên
ngành khi ra trường.
Để bài báo cáo được hồn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận được
những góp ý từ phía các thầy cô. Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời cảm
ơn đến các thầy cơ trong khoa đã nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em.

5


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
I.1. Cơ sở lý thuyết

Khái niệm:
Mạch đếm là một mạch dãy đơn giản được xây dựng từ các phần tử nhớ và
các phần tử tổ hợp, mạch đếm là thành phần cơ bản của các hệ thống số .
Bộ đếm là một mạch dãy tuần hồn có một đầu vào đếm và một đầu ra,
mạch có số trạng thái trong chính hệ số đếm (Kđ).
Dưới tác động của tín hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển từ trạng thái trong này
đến một trạng thái trong khác theo một thứ tự nhất định. Cứ sau Kđ lần tín hiệu
vào đếm, mạch sẽ trở về trạng thái xuất phát ban đầu.
Bộ đếm thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển và nó chỉ
có một đầu vào. Do đó, nếu xung đồng bộ (CLK) xuất hiện khác thời điểm xung
đếm (Xđ) xuất hiện thì việc đếm xung khơng thực hiện được nên mạch đếm phải
có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ có một đầu
vào.
Xđ
Bộ đếm

Y

Hình 1: Sơ đồ khối bộ đếm
Đồ hình trạng thái:
Đồ hình là mơ hình mơ tả sự chuyển đổi các trạng thái trong hay chính là
mô tả hoạt động của bộ đếm

6


Hình 2: Đồ hình trạng thái tổng quan của bộ đếm
Phân loại bộ đếm:
- Phân loại theo cách làm việc:
Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổi trạng

thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm. Mọi sự
chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạng
thái trung gian (Si Sj). Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ.
Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter): là bộ đếm tồn tại ít nhất
một cặp chuyển biến trạng thái Si Sj mà trong đó các FF khơng thay đổi trạng
thái đồng thời. (Si Si’ Si’’ Sj). Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các
FF.
- Phân loại theo hệ s
Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sử dụng n
FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hố tối đa là (Kđ
= 2, 4, 8, 16...)
Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong
cho bộ đếm, sẽ có ( - Kđ) trạng thái không được sử dụng đến. Do vậy khi thiết
kế bộ đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái khơng sử dụng tức là cần phải có
biện pháp làm cho bộ đếm thốt khỏi các trạng thái đó một cách hợp lý để trở về
chu trình đúng mà vẫn phải đảm bảo bộ đếm được thiết kế là đơn giản. (Kđ = 3,
5, 6, 7, 10...).
- Phân loại theo mã:
7


Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đến
trạng thái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hố bởi một
mã cụ thể. Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hố trạng thái trong khác
nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiện khác
nhau.
Mã nhị phân, Mã Gray
Mã BCD, Mã Johnson
Mã vòng...
- Phân loại theo hướng đếm:

Bộ đếm thuận (Up counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) thì
trạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1. (Si Si+1).
Bộ đếm nghịch (Down counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm
(Xđ) thì trạng thái trong của bộ đếm giảm đi 1. (Si Si-1)
Chú ý: Khái niệm thuận nghịch chỉ là tương đối chủ yếu là do vấn đề mã
hoá các trạng thái trong của bộ đếm.
Bộ đếm thuận nghịch: là bộ đếm vừa có khả năng đếm thuận vừa có khả
năng đếm nghịch.
- Phân loại theo khả năng lập trình:
Bộ đếm có khả năng lập trình: Kđ có thể thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu
điều khiển.
Bộ đếm khơng có khả năng lập trình: Kđ cố định, khơng thay đổi được.
I.2. Mục đích nghiên cứu
Thiết kế mạch logic tổ hợp đáp ứng yêu cầu đề tài.
Mô phỏng mạch logic.
Thiết kế mạch in PCB.
Chế tạo thủ công mạch in PCB.
8


I.3. Đối tượng nghiên cứu
Quy trình thiết kế của mạch tổ hợp.
Phần mềm mô phỏng Proteus.
Phần mềm vẽ mạch in Altium.
Cấu tạo, cách hoạt động của các vi mạch tổ hợp.
Các linh kiện điện tử cơ bản.
Quy trình chế tạo mạch in PCB thủ công.
Kĩ năng khoan, hàn mạch điện tử.
I.4. Phạm vi 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, mạch in PCB, linh kiện điện tử căn
bản.
Đảm bảo an toàn lao động.
I.5. Ý nghĩa thực tiễn
Nắm bắt phương pháp thiết kế mạch tổ hợp.
Thực hành quy trình chế tạo mạch in PCB.
Nâng cao kĩ năng khoan và hàn mạch điện tử.
Áp dụng kiến thức đã học về mạch đếm để thiết kế.

9


CHƯƠNG II. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ PHỎNG
II.1. Thiết kế bộ đếm

Hình 3: Sơ đồ khối bộ đếm
 Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:
• Bước 1: Xác định các yêu cầu của bài toán
Phân tích u cầu đầu bài tìm ra số trạng thái trong
• Bước 2: Lập đồ hình trạng thái
Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế như: hệ số đếm và một số các
yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mơ tả hoạt động của bộ đếm.
• Bước 3: Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa các trạng thái trong
của bộ đếm theo mã đã cho.
Số phần tử nhớ được xác định như sau:
Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ
• Mã vịng n = Kđ
• Mã Johnson n=1/2 Kđ
• Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra:
Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng ra để xác định phương trình kích

cho các FF và phương trình hàm ra.
• Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực hiện.
Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra sơ
đồ mạch thực hiện.
10


II.2. Tính tốn
Thiết kế bộ đếm thuận,nhị phân đồng bộ,Kđ=8 sử dụng JK-FF hiển thị số
đếm trên led 7 thanh.
Với Kđ=8, sử dụng 3 FF để thiết kế
Đồ hình trạng thái:

Hình 4: Đồ hình trạng thái
Bảng chuyển đổi trạng thái:
S
S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7

Qn
Q3Q2Q1
000
001
010

011
100
101
110
111

Qn+1
Q3Q2Q1
111
000
001
010
011
100
101
110

Phương trình đầu vào:

11

J3K3

J2K2

J1K1

1X
0X
0X

0X
X1
X0
X0
X0

1X
0X
X1
X0
1X
0X
X1
X0

1X
X1
1X
X1
1X
X1
1X
X1


Sơ đồ logic:

Hình 5: Sơ đồ logic
II.3. Mơ phỏng
Sơ đồ mô phỏng bộ đếm nhị phân, nghịch, đồng bộ Kđ=8, sử dung JK-FF

(Trên phần mềm proteus):

Hình 6: Mạch ngun lí

12


CHƯƠNG III. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU
CHỈNH
III.1. Chế tạo mạch in PCB
III.1.1. Thiết kế mạch in trên Altium

Hình 7: Bản thiết kế mạch in
III.1.2. Mạch in PCB

Hình 8: Mạch in PCB
13


Hình 9: Mạch in PCB

Hình 10: Mạch in PCB

14


Mạch in thành phẩm:

Hình 11: Mạch in thành phẩm

III.2. Lựa chọn linh kiện
III.2.1. Bảng liệt kê các linh kiện cần dùng
ST
T
1
2
3
4
5
6
6
7
10
11
12
13

Linh kiện
IC 74LS73
IC 74LS47N
IC 74HC76
IC 74HC04
IC 74HC08
IC 555
Led 7 thanh
Trở 330 Ω
Tụ hố 10µf
Tụ cốm 104
LED xanh
LED Đỏ

Số lượng
2
1
1
8
1
1
1
10
1
1
1
1

15

Chức năng
Trigger JK-FF
IC giải mã cho led 7 thanh
Trigger JK-FF
IC logic cổng NOT
IC logic cổng AND
Tạo xung cho mạch
Hiển thị giá trị số đếm


III.2.2. Cấu tạo linh kiện
 IC 74LS73

Hình 12: Sơ đồ chân của IC 74LS73
- Chân 4 cấp nguồn 5V
- Chân 11 nối mass.
- Chân 3,14,7,10(chân K1, J1, J2, K2) là các chân tín hiệu vào Ic. Các chân
này sẽ ln thay đổi trạng thái và khi kết hợp với xung clock nó sẽ cho ra ngõ Q
theo ý muốn của người thiết kế.
- Chân 1,5 (chân CLK) là chân xung clock của Trigger, ở đây nó sẽ tích
cực ở sườn xuống của xung nghĩa là nó sẽ làm việc trong khoảng thời gian xung
từ mức cao chuyển xuống mức thấp, cịn khi ta cấp mức cao hoặc mức thấp thì
nó sẽ không làm việc.
- Chân 2,6 (chân CLR) là chân Clear có nhiệm vụ xóa trạng thái về 0 ở đây
nó tích cực ở mức thấp nếu ta nối nó xuống mass thì nó sẽ hoạt động cịn nếu
nối lên mức cao nó sẽ khơng hoạt động .
- Chân 12,9 (chân Q1, Q2) là chân ra ở trạng thái bình thường của Trigger
JK
- Chân 13,8 (chân đảo) chân ra ở trạng tháo đảo với chân 12,9.
16


 IC 74LS47N

Hình 13: Sơ đồ chân của IC 74LS47N

- Chân 16 cấp nguồn 5V.
- Chân 8 nối mass.
- Các chân 1,2,6,7 là các chân tín hiệu vào ứng với B, C, D, A.
- Các chân 15,14,13,12,11,10,9 là các chân ra, các chân này sẽ được nối với
led 7 thanh và được nối như hình trên.
- Chân thứ 3 LT (Lamp test) như tên gọi của nó chân 3 này là chân kiểm tra
led 7 đoạn, nếu ta cắm chân này xuống mass thì bộ giải mã sẽ sáng cùng lúc với

7 đoạn. Chân này chỉ phục vụ để kiểm tra xem có led nào bị hỏng hay khơng và
trong thực tế khơng sử dụng nó.
- Chân 4 BI/RB0 ln luôn được kết nối với mức cao, nếu kết nối với mức
thấp thì tồn bộ led sẽ khơng sáng bất chấp trạng thái ngõ vào là gì.
- Chân 5 RBI kết nối với mức cao.

17


 IC 74HC76

Hình 14: Sơ đồ chân của IC 74HC76
Số chân
5
13
JK-FF 1/ JK-FF 2

Kí hiệu
Vcc
Ground

1, 6

Clock-1/ Clock-2

2, 7

Preset-1 / Preset-2

3, 8

Clear-1/Clear-2

12, 16

K-1/ K-2

4, 9

J-1 / J-2

Mô tả
Cấp nguồn IC
Chân nối đất
Các chân này phải được cung cấp
xung cho flip flop
Khi Preset cao, flip flop sẽ đặt Q =
1 chứ không phải Q = 0
Khi Clear cao, flip flop sẽ đặt Q =
0 chứ không phải Q = 1
Chân đầu vào của Flip Flop
Một chân đầu vào khác của Flip
Flop
Chân đầu ra đảo ngược của Flip
Flop
Chân đầu ra của Flip Flop

10, 14
11, 15
 IC 555

Q1/Q2

IC 555 là một IC tạo xung rất đa năng

18


Hình 15: Sơ đồ chân IC 555
Chân số 1: “GND” là chân nối đất, tất cả các mức điện áp điều được so
sánh với áp tại đường dây nối đất.
Chân số 2: “Trigger” là chân kích : chân trigger được dùng để cung cấp đầu
vào kích cho IC 555 hoạt động ở chế độ đơn ổn. Chân này là đầu vào đảo của bộ
so sánh có nhiệm vụ làm cho transistor của flip flop chuyển trạng thái từ set
sang reset. Ngõ ra của bộ định thời phụ thuộc vào độ lớn xung bên ngoài đưa
vào chân trigger. Một xung âm
Chân số 3: “Output” là chân xuất tín hiệu ra : Ngõ ra của bộ định thời ln
ln có sẵn ở chân này. Có hai cách để 1 tải có thể kết nối với chân output. Cách
1 là kết nối giữ chân 3 (output) và chân 1 (GND) hoặc giữa chân 3 và chân 8
(chân nguồn). Tải nối giữa chân output và chân nguồn được gọi là tải thường
mở, tải nối giữa chân outpur và chân GND được gọi là tải thường đóng.
Chân số 4: “Reset” là chân reset vi mạch: Bất cứ khi nào bộ định thời bị
reset, một xung âm được đưa đến chân 4. Đầu ra được thiết lập lại trạng thái ban
đầu bất kể điều kiện đầu vào. Khi chân này không được sử dụng, ta nối lên Vcc
để tránh mọi khả năng kích hoạt sai.
Chân số 5: “Control voltage” là chân điện áp điều khiển. Chân ngưỡng
(threshold) và chân kích (trigger) điều khiển sử dụng chân này. Biên độ sóng ra
19

được quyết định bởi một biến trở hoặc một điện áp bên ngồi được đưa vào chân
này. Vì vậy, lượng điện áp trên chân này sẽ quyết định khi nào bộ so sánh được
chuyển đổi, và do đó thay đổi biên độ của đầu ra. Khi không sử dụng chân này,
ta nên nối đất thông qua 1 tụ 0,01 micro Farad để chống nhiễu.
Chân số 6: “Threshold” là chân ngưỡng. Nó là ngõ vào khơng đảo của bộ
so sánh 1, được so sánh với ngõ vào đảo với điện áp tham chiếu là 2/3Vcc, bộ so
sánh trên chuyển sang +Vsat và đầu ra được đặt lại.
Chân số 7: “discharge” là chân xả điện. Chân này nối vào cực C của
transistor và thường có một tụ điện nối giữa chân xả điện và chân nối đất. Nó
được gọi là chân xả điện vì khi transistor dẫn bão hịa, tụ C xả điện thông qua
transistor. Khi transistor ngắt, tụ được nạp thông qua điện trở và tụ bên ngoài.
Chân số 8: “Vcc” là chân cấp nguồn. Nguồn cung cấp trong khoảng từ 5V
đến 18V.

Tần số được tính như sau:
Trong đó:
C3 là tụ nối với chân số 5.
R1 là chân biến trở và R2 là chân giữa chân 7.

20


III.3. Lắp ráp linh kiện

Hình 16: Thực hiện lắp ráp linh kiện
III.4. Thử nghiệm hệ thống

Hình 17: Kết quả chạy thử nghiệm

21

Hình 18: Kết quả chạy thử nghiệm

Hình 19: Kết quả chạy thử nghiệm
III.5. Đánh giá hệ thống
 Ưu điểm:
 Mạch hoạt động đúng yêu cầu đề ra.
 Nhược điểm:

22


- Mạch gia công chưa đủ thẩm mĩ cao, một số đường đi dây trên mạch bị
đứt do kĩ thuật in kém, phải đi thêm dây đồng.
III.6. Đề xuất và hướng phát triển
- Đề xuất: thiết kế gia công mạch mang tính thẩm mĩ, cơng nghiệp hơn
nhằm gia tăng chất lượng sản phẩm.
- Hướng phát triển: ứng dụng vào các công việc thực tiễn như đếm sản
phẩm, đếm thời gian, chia tần số và điều khiển mạch khác với đặc điểm thuận
lợi, độ chính xác cao và linh hoạt giúp thay thế sức người.

23