Thiết kế mạch trừ hai số nhị phân 4 bit hiển thị trên 2 led 7 thanh, có trừ âm dương (có file proteus và altium)

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

ĐỒ ÁN MƠN HỌC

KĨ THUẬT XUNG SỐ
ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ MẠCH TRỪ 2 SỐ NHỊ PHÂN 4
BIT HIỂN THỊ KẾT QUẢ TRÊN LED 7 THANH

Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

Đặng Cẩm Thạch
Trịnh Đình Văn
Nguyễn Quốc Việt
Vũ Đại Việt

Hà Nội 2022

2019601547
2019601329
2019600738


MỤC LỤC

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU

4


LỜI NÓI 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 lỹ 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.
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, Nơng nghiệp... và ngay cả tong các
dụng cụ 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 chun nghiệp. Trong đố án này, nhóm chúng em lựa chọn đề tài: Thiết
kế mạch trừ 2 số nhị phân 4 bit hiển thị trên led 7 thanh.

5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu chung đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật,
những tiến bộ của khoa học kĩ thuật tiên tiến ngày càng được ứng dụng rộng rãi
vào cuộc sống hằng ngày của con người. Làm cho cuộc sống của chúng ta ngày
một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.
Trong đó ngành điện tử đóng vai trị quan trọng và tiên phong tạo ra hàng
loạt những thiết bị trong công nghiệp, dân dụng, y tế, quân sự … với tốc độ xử lí
nhanh, độ chính xác cao, gọn nhẹ.
Một mạch kỹ thuật sô được sử dụng để thực hiện trừ các số được gọi là bộ
trừ trong lĩnh vực điện điện tử. Thông thường, trong lĩnh vực điện tử, kỹ thuật số
các số được biểu thị ở dạng nhị phân trong đó 0 đại diện cho mức logic thấp và 1
đại diện cho mức logic cao.
Để thực hiện các chức năng phức tạp trong kỹ thuật số, các số 0 và 1 đơn
giản này được xử lý bằng các phép toán học là cộng, trừ, nhân và chia. Bây giờ
chúng ta đang xét việc trừ các số nhị phân và mạch được sử dụng để thực hiện
chức năng này được gọi là một bộ trừ.
1.1.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là mạch trừ hai số nhị phân 4 bit hiển thị kết quả trên
led 7 thanh.
Đầu vào là hai số nhị phân 4 bit, giá trị của các bit được điều khiển thông
qua các switch. Kết quả đầu ra được hiển thị trên led 7 thanh và 1 đèn led báo
giá trị âm hay dương của phép trừ.
1.1.2. Nội dung nghiên cứu
Tính tốn, thiết kế sản phẩm mạch trừ hai số nhị phân 4 bit hiển thị kết quả
trên led 7 thanh.
Chế tạo sản phẩm mạch in, chạy thử nghiệm sản phẩm mạch trừ hai số nhị
phân 4 bit hiển thị kết quả trên led 7 thanh. Đánh giá sản phẩm và đề xuất hướng
cải tiến và hướng phát triển sản phẩm.

6


1.1.3. Mục đích nghiên cứu
Chế tạo mạch đếm sản phẩm là chạy một cách chính xác,
ổn

định,gọn

nhẹ,dễ

lắp đặt, dễ sữa và rẻ tiền.
1.1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hệ thống được ứng dụng trong việc:
•
•
•
•

Thực hiện các phép tính.
Bộ đếm nhị phân và digital.
Các dự án thiết kế logic kỹ thuật số.
Báo thức và đồng hồ kĩ thuật số.

1.2. Tổng quan về mạch logic
1.2.1. Khái niệm cơ bản
Mạch logic là mạch gồm các phần tử logic AND, OR, NOR, NOT, NAND,
XOR, XNOR để thực hiện các yêu cầu của bài toán đưa ra. Một mạch logic dù
đơn giản hay phức tạp thì kết quả đầu ra của mạch cũng chỉ nhận một trong hai
mức logic là “1” hoặc “0”.

Biến logic là đại lượng được biểu diễn được biểu diễn bằng kí hiệu nào đó
chỉ lấy giá trị “1” hoặc “0”.
Hàm logic: biểu diễn nhóm các biến logic liên hệ với nhau thơng qua các
phép tốn logic, một hàm logic chỉ nhận giá trị là “1” hoặc là “0”.
1.2.2. Các bước thiết kế mạch
Các bước thiết kế mạch logic:
• Lập bảng chân lí.
• Xây dựng phương trình logic theo chuẩn tắc tuyển hoặc chuẩn tắc
hội.
• Sử dụng bảng karnaugh hoặc các phương pháp đại số để tối thiểu
hóa hàm logic.
• Mơ phỏng mạch trên phần mềm mơ phỏng như Proteus,…
• Lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch.

7


CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Tính tốn hệ thống
2.1.1. Mạch trừ bán phần
Mạch trừ bán phần là mạch trừ 2 số nhị phân 1 bit A và B xuất ra hiệu H và
bit nhớ C.
• Bảng chân lí:

Ai
0
0
1
1

Bi

Hi

0
0
1
1
0
1
1
0
Bảng 2-1. Bảng chân lí mạch trừ bán phần.

Ci
0
1
0
0

• Phương Trình:

H i= Á i B i+ A i B́ i= A i ⨁Bi
Ci = Á i Bi

(2.1)
(2.2)

• Sơ đồ mạch bán trừ bán phần:

Hình 2-1. Sơ đồ mạch trừ bán phần.

2.1.2. Mạch trừ toàn phần
Mạch trừ toàn phần hay cịn gọi là mạch trừ có nhớ là mạch cho phép thực
hiện trừ 3 bit nhị phân A, B và Ci (là bit nhớ của phép tính trước).
8


• Bảng chân lí:

Ai

Bi
0
0
0
0
1
1
1
1

Ci−1

Hi

Ci

0
0

0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Bảng 2-2. Bảng chân lí mạch trừ tồn phần.

0
1
1
1
0
0

0
1

• Phương trình:

H i= Á i B́ i C i−1+ Á i Bi Ći−1 +A i B́ i Ći −1 + Ai B i C i−1

(2.3)

́ )
⟺ H i= Á i ( Bi ⨁C i−1 ) + Ai ( Bi ⨁C
i−1

(2.4)

⟺ H i= Ai ⨁ Bi ⨁Ci−1
(2.5)

Ci = Á i B́ i Ci−1 + Á i B i Ći−1+ Á i Bi C i−1+ A i Bi Ci−1
⟺Ci= Á i ( B́ i Ci−1 +Bi Ći−1 ) +( Á i+ A i)B i C i−1
⟺Ci= Á i ( Bi ⨁C i−1 ) +Bi Ci−1

(2.6)
(2.7)
(2.8)

• Sơ đồ mạch trừ tồn phần:

9

Hình 2-2. Sơ đồ mạch trừ tồn phần.
Ưu điểm của bộ cộng trừ tồn phần là có thể kết hợp xếp tầng hai hoặc nhiều bộ
trừ toàn phần, nên chúng ta có thể thực hiện phép số các số có nhiều bit.
2.2. Mơ phỏng và thiết kế
2.2.1. Mơ phỏng proteus
• Mơ phỏng bộ trừ bán phần:

Hình 2-3. Mơ phỏng mạch trừ bán phần.

• Mơ phỏng bộ trừ tồn phần:

10


Hình 2-4. Mơ phỏng mạch trừ tồn phần.

• Mơ phỏng mạch trừ hai số nhị phân 4 bit sử dụng các cổng logic

11


Hình 2-5. Mơ phỏng mạch trừ hai số nhị phân 4 bit sử dụng IC tíc hợp

• Mơ phỏng mạch trừ 2 số nhị phân 4 bit sử dụng ic tích hợp:
12


Hình 2-6. Mơ phỏng mạch trừ 2 số nhị phân 4 bit.

13


2.2.2. Vẽ mạch in

Hình 2-7. Sơ đồ mạch ngun lí trên phần mềm altium.

14


Hình 2-8. Mạch in 2D trên phần mềm altium.

Hình 2-9. Mạch in 3D trên phần mềm Altium.
15


CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG

3.1. Chọn linh kiện
Tên linh kiện
Số lượng
IC 7483
3
IC CD4077
1
IC 7404
1
IC 7408
1
IC 7432

1
IC 7447
2
Led 7 thanh
2
Led đơn
1
Điện trở
11
Swich
2
DC in
1
Bảng 3-1. Các linh kiện được sử dụng
3.1.1. IC 7483

Hình 3-1. IC 7483
Một vi mạch được tích hợp thực hiện phép logic cộng full 4 bit bên
trong. Chúng ta chỉ cần cấp 2 số 4 bit ở đầu vào và nguồn cấp, không cần nối
mạch như sơ đồ trên và nó giúp giảm bớt tác vụ để thiết kế mạch cộng full 4 bit.

16


Hình 3-2. Sơ đồ chân IC 7483
Thơng số kĩ thuật IC 7483
Điện áp hoạt động danh nghĩa
5V
Điện áp hoạt động tối đa
5,5V

Độ trễ truyền đầu ra
16ns
Điện áp thấp đầu vào tối đa
0,8V
Điện áp cao đầu vào tối thiểu
2V
Bảng 3-2. Thông số kĩ thuật IC 7483.
3.1.2. IC CD4077

Hình 3-3. IC CD4077
Cấu tạo bên trong ic số CD4077 có 4 cổng logic XNOR, mỗi cổng có 2 ngõ
vào và 1 ngõ ra.

17


Hình 3-4. Sơ đồ chân IC CD4077
Thơng số kĩ thuật IC CD4077
Điện áp hoạt động IC
Từ +4,75V đến +5,25V
Dòng điện tối đa ở đầu ra
8mA
Dãy bảo vệ ESD tối đa cho IC
3,5kV
Thời gian tăng và giảm phổ biến cho IC
15nS
Nhiệt độ hoạt động
0°C đến 70°C
Bảng 3-3. Thông số kĩ thuật IC 4077
3.1.3. IC 7404

Hình 3-5. IC 7404
IC 7404 có sáu cổng NOT. Các cổng NOT này thực hiện chức năng đảo
ngược tín hiệu.

18


Hình 3-6. Sơ đồ chân IC 7404

Thơng số kĩ thuật IC 7404
Điện áp hoạt động
3V đến 15V
Dòng điện
10mA
Nhiệt độ hoạt động
-40°C đến 85°C
Bảng 3-4. Thông số kĩ thuật IC 7404
3.1.4. IC 7408

Hình 3-7. IC 7408
IC 7408 có bốn cổng AND , mỗi cổng có hai đầu vào.

19


Hình 3-8. Sơ đồ chân IC 7408

Thơng số kĩ thuật IC 7408
Dải điện áp hoạt động

+4,75V đến +5,25V
Điện áp hoạt động được đề xuất
+5V
Điện áp nguồn tối đa
7V
Dòng điện tối đa ở đầu ra
8mA
Thời gian tăng điển hình
18ns
Thời gian giảm điển hình
18ns
Nhiệt độ hoạt động
0 ° C đến 70 ° C
Nhiệt độ bảo quản
-65 ° C đến 150 ° C
Bảng 3-5. Thơng số kĩ thuật IC 7408
3.1.5. IC 7432

Hình 3-9. IC 7432
20