Bài tập lớn môn học kỹ thuật xung số chủ đề thiết kế mạch điều khiển đèn led sáng lan tắt dần với chiều dài l = 10 sử dụng jk ff

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
----------

BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC
KỸ TḤT XUNG SỐ

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Đặng Cẩm Thạch
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Nhật

2019606608

Phạm Bá Trung

2019606156

Nguyễn Văn Long

2019606023

Hà Nội- 2022

1


(BM01)
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN
I.

Thơng tin chung

1.

Tên lớp: 20212FE6021001 Khóa:14
Họ và tên sinh viên:

Nguyễn Văn Nhật

2019606608

Phạm Bá Trung

2019606156

Nguyễn Văn Long

2019606023

Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10
sử dụng JK-FF
2. Hoạt động của sinh viên:
-

Hoạt động/Nội dung l: Lập kế hoạch làm việc
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2
-

Hoạt động/Nội dung 2: Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả thi
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

-

Hoạt động/Nội dung 3: Tính tốn thiết kế, xây dựng và phân tích mơ hình
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

-

Hoạt động/Nội dung 4: Vẽ mạch và mô phỏng.
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

-

Hoạt động/Nội dung 5: Chế tạo và lắp ráp
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

-

Hoạt động/Nội dung 6: Thử nghiệm và hiệu chỉnh
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

-

Hoạt động/Nội dung 7: Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2; L1.3

-

Hoạt động/Nội dung 8: Báo cáo
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: L1.2;
L1.3
3. Sản phẩm nghiên cứu: Bản thuyết minh, sản phẩm thực tế.
Đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 18/05/2022 đến ngày15/06 /2022)
4. Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên và những sinh
viên khác.


II.

Học liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo trình Kỹ thuật điện tử, giáo trình Kỹ thuật xung, giáo trình

Điện tử số…
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án (nếu có):
Điện thoại, máy tính, zalo, facebook, email…..


KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN
Tên lớp: 20212FE6021001
Họ và tên:

Khóa: 14

Nguyễn Văn Nhật

2019606608

Phạm Bá Trung

2019606156

Nguyễn Văn Long

2019606023

Tên đề tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử
dụng JK-FF
Tuần
18/05/2022

Nội dung công việc

Phương pháp thực

Ghi

hiện

chú

Lập kế hoạch làm việc: Xây dựng được tiến Phát vấn, hỏi đáp,
độ. Định hướng nghiên cứu.

truyền đạt

25/05/2022

Vẽ mạch và mô phỏng.

Vẽ, mô phỏng

01/06/2022

Chế tạo và lắp ráp: Mua linh kiện, làm Chuẩn bị dụng cụ,
mạch in và hàn mạch.

linh

kiện,

ngâm

mạch, hàn mạch
08/06/2022

Thử nghiệm và hiệu chỉnh

Đo và chạy mạch

15/06/2022

Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo

Viết, soạn thảo

Báo cáo

Thuyết trình

Ngày ……. tháng ….. năm …..
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN
(Ký, ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ẢNH....................................................................................................3
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................................4
CHƯƠNG1. TỔNG QUAN BỘ ĐẾM.................................................................................6
1.1. Khái niệm và phân loại..................................................................................................6
1.1.1 Khái niệm.................................................................................................................6
1.1.2 Đồ hình trạng thái:...................................................................................................6
1.1.3 Phân loại:..................................................................................................................7
1.2. Lý do chọn đề tài...........................................................................................................9
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài....................................................................................9
1.3.1 Mục tiêu:..................................................................................................................9
1.3.2 Nhiệm vụ..................................................................................................................9
1.4. Đối tượng nghiên cứu....................................................................................................9
1.5. Phạm vi nghiên cứu.......................................................................................................9
1.6. Ý nghĩa nghiên cứu......................................................................................................10
1.7. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................................10
CHƯƠNG2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH..........................................11
2.1. Thiết kế bộ đếm...........................................................................................................11
2.2. Tính tốn......................................................................................................................12
2.3. Mơ phỏng.....................................................................................................................20
2.4. Thiết kế mạch..............................................................................................................20
CHƯƠNG3. LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM.....................................................................23
3.1. Các linh kiện chính trong mạch...................................................................................23

3.1.1 Khối tạo xung – IC 555..........................................................................................24
3.1.2 Khối Trigger JK – IC 74LS73................................................................................25
3.2. Lắp ráp.........................................................................................................................26
3.3. Thử nghiệm và hiệu chỉnh...........................................................................................27
CHƯƠNG4. ĐÁNH GIÁ...................................................................................................28
4.1. Đánh giá sản phẩm......................................................................................................28
1


4.2. Tính thực thế của sản phẩm.........................................................................................28
4.3. Đề xuất cải tiến và hướng phát triển............................................................................28

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Bộ Đếm.............................................................................................................6
Hình 2: Đồ Hình Mơ Tả Hoạt Động Của Bộ Đếm........................................................7
Hình 3: Sơ Đồ Mạch Đếm...........................................................................................11
Hình 4: Đồ Hình Trạng Thái.......................................................................................12
Hình 5: Sơ Đồ Logic....................................................................................................12
Hình 6: Đồ Hình Trạng Thái Và Mã Hóa Mạch 10bit................................................12
Hình 7: Đồ Hình Trạng Thái Và Mã Hóa Mạch 4bit..................................................13
Hình 8: Sơ Đồ Logic 4 Bit...........................................................................................16
Hình 9: Sơ Đồ Logic 10 Bit.........................................................................................19
Hình 10: Mạch Mơ Phỏng Trên Proteus......................................................................20
Hình 11: Mạch Nguyên Lý..........................................................................................21
Hình 12: Mạch In 2d....................................................................................................21
Hình 13: Mạch In 3d....................................................................................................22
Hình 14: Khối Tạo Xung.............................................................................................24

Hình 15: Sơ Đồ Chân Ic 74ls73..................................................................................25
Hình 16: Mạch In Hồn Thiện.....................................................................................26
Hình 17: Mạch In Sau Khi Hiệu Chỉnh.......................................................................27
Hình 18: Mạch Chạy Đáp Ứng Yêu Cầu Đề Tài.........................................................27

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Chuyển Đổi Trạng Thái Và Các Đầu Vào Kích 4 Bit..........................................14
Bảng 2: Karnough J1..........................................................................................................14
Bảng 3: Karnough K1.........................................................................................................14
Bảng 4: Karnough J2..........................................................................................................14
Bảng 5: Karnough K2.........................................................................................................15
Bảng 6: Karnough J3..........................................................................................................15
Bảng 7: Karnough K3.........................................................................................................15
Bảng 8: Karnough J4..........................................................................................................15
Bảng 9: Karnough K4.........................................................................................................16
Bảng 10: Bảng Chuyển Đổi Trạng Thái 10 Bit..................................................................17
Bảng 11: Bảng Giá Trị Các Đầu Vào Kích 10bit...............................................................18
Bảng 12: Bảng Liệt Kê Linh Kiện, Giá Trị Linh Kiện Và Chức Năng..............................23

4


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, công nghệ điện tử đã đang và
sẽ phát triển ngày càng rộng rãi, đặc biệt là trong kĩ thuật số. Mạch số được ứng dụng
nhiều trong kỹ thuật cũng như đời sống của xã hội. Các ứng dụng của mạch số như đèn
giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm… Mục đích của tập đồ án

này là thiết kế được mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều dài L=10 sử dụng
JK-FF
Đồ án hồn thành giúp em có được nhiều kiến thức hơn về môn học và giúp em
được tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn đặc biệt là
làm việc nhóm. Q trình thực hiện đồ án này thật sự bổ ích cho bản thân em về nhiều
mặt. Vì kiến thức và khả năng còn hạn chế, kinh nghiệm còn yếu nên khơng tránh khỏi
những sai sót, rất mong sự đóng góp của thầy cơ và các bạn.

5


CHƯƠNG1. TỔNG QUAN BỘ ĐẾM
1.1. Khái niệm và phân loại
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, chúng được sử dụng để
đếm thời gian, chia tần số, điều khiển các loại mạch khác.
1.1.1 Khái niệm
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 thoe 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.

Hình 1: Bộ đếm

1.1.2 Đồ hình trạng thái:

Đồ hình là mơ hình mơ tả sự chuyển đổi các trạng thái trong hay chính là mơ tả hoạt
động của bộ đếm.

6


Hình 2: Đồ hình mơ tả hoạt động của bộ đếm
Khi khơng có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch giữ ngun trạng thái ban đầu (i i) khi
có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp(i

i+1).

Khi bộ đếm ở trạng thái SKđ-1 nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm sẽ trở về
trạng thái ban đầu S0 và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duy nhất.
Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạch giải
mã.
1.1.3 Phân loại:
Có nhiều cách 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 S i sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạng
thái trung gian.
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.
Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF.

- Phân loại theo hệ số đếm.
+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ=2n: Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sử dụng n FF
7


để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hố tối đa.

8


(Kđ = 2, 4, 8, 16...)
+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ≠2n: Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho
bộ đếm, sẽ có (2n- 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:
+ 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 hoá 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.
9


1.2. Lý do chọn đề tài
Chúng ta đang sống trong thế kỉ của khoa học, của tri thức cùng với đó là sự phát
triển mạnh mẽ của cơng nghệ thơng tin và khoa học ứng dụng. Kỹ thuật điện tử cũng nằm
trong số đó, nó đang phát triển rất nhanh và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã
hội. Con người đang chuyển dần từ điều khiển bằng tay sang điều khiển tự động.
Nền công nghiệp đã đạt được nhũng thành tựu nhờ ứng dụng của khoa học kỹ thuật
và cơng nghệ. Máy móc đã thay thế con người trong nhiều công việc đặc biệt là công việc
nặng nhọc.
Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của hàng loạt các vi
mạch. Sự phát triển của kĩ thuật điện tử như ngày nay khiến cho nhu cầu tiếp xúc với lĩnh
vực điện tử số không thể thiếu được.
Để xây dựng một thiết bị hồn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm, thanh ghi, bộ
nhớ, … trong đó mạch đếm là thơng số cơ bản của hệ thống. Và để hiểu rõ hơn về mạch
đếm chúng tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế được mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với
chiều dài L=10 sử dụng JK-FF”.

1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.3.1 Mục tiêu:
+ Tìm hiểu về mạch đếm và một số vẫn đề liên quan.
+ Hoàn thành thiết kế-mạch hoạt động ổn định với độ bền cao.
1.3.2 Nhiệm vụ:
+ Tìm hiểu kiến thức cơ bản về mạch đếm.
+ Tìm hiểu các vi mạch đếm thơng dụng.
+ Thiết kế mạch đếm.
1.4. Đối tượng nghiên cứu
+ Mạch đếm và thiết bị mạch đếm.
1.5. Phạm vi nghiên cứu
+ Lý thuyết về mạch đếm.
1


+ Mạch đếm dùng IC
1.6. Ý nghĩa nghiên cứu
+ Nắm vững, hiểu biết về mạch đếm.
+ Nâng cao kĩ năng về thực hành lắp ráp, đo đạc và thiết kế mạch đếm.
1.7. Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp nghiên cứu đề tài đồ án:
+ Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết.
+ Phương pháp tham khảo tài liệu.
+ Phương pháp thực nghiệm.
+ Phương pháp phân tích đánh giá kết quả.

1


CHƯƠNG2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ PHỎNG MẠCH

2.1. Thiết kế bộ đếm
Khối nguồn

Khối tạo xung

Khối đếm

Khối led hiển thị

Hình 3: Sơ đồ mạch đếm
Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:
Bước 1:
+ Xác định các yêu cầu của bài tốn
+ 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 u 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 trongcủa 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 vòng 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.
1


2.2. Tính tốn
Với khối nguồn ta lựa chọn sử dụng nguồn một chiều từ 5-9 V từ sạc điện thoại hay
pin dự phòng, 10 LED màu xanh lá mạ hiển thị sáng tắt dần và khối tạo xung 555 đã có
cơng thức là : F=

1,44
(R1+2*R2)*C1

Nên phần tính tốn ta chú tâm vào khối đếm
+Flip-flop sử dụng
Là JK-FF là phần tử có hai đầu vào điều khiển và hai đầu ra đầu vào J đóng vai trị
thiết lập, đầu K đóng vai trị xóa
JK=00 FF giữ ngun trạng thái cũ
JK=01 FF ln chuyển đến trạng thái 0
Hình 4: Đồ hình trạng thái

JK=10 FF luôn chuyển đến trạng thái 1
JK=11 FF đảo trạng thái
Phương trình đặc trưng:
Qn+1 = J̅𝑄̅𝑛̅ + 𝐾̅Qn
+ Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng

Hình 5: Sơ đồ logic

Với mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều dài L=10, tồn tại 20 trạng thái.
Do đó số phần tử nhớ cần sử dụng là:
1
2

Mã Johnson n= Kđ= 10
Cần sử dụng 10 phần tử nhớ
+ Đồ hình trạng thái:

Hình 6: Đồ hình trạng thái và mã hóa mạch 10bit
1


Mạch đếm vịng có thể lập số flip-flop khơng hạn chế và để thuận tiện tính tốn thì
ta xét với 4bit với 8 trạng thái sáng tắt của LED. Ở trường hợp này cần dùng 4 FF.

Hình 7: Đồ hình trạng thái và mã hóa mạch 4bit
+ Lập bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị các đầu vào kích 4bit xếp theo mã gray
Q4

Q3

Q2

Q1

Q’4

Q’3

Q’2

Q’1

J4K4

J3K3

J2K2

J1K1

0

0

0

0

1

0

0

0

1X

0X

0X

0X

0

0

0

1

0

0

0

0

0X

0X

0X

X1

0

0

1

1

0

0

0

1

0X

0X

X1

X0

0

0

1

0

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

0

1

1

0

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

0

1

1

1

0

0

1

1

0X

X1

X0

X0

0

1

0

1

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

0

1

0

0

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

1

1

0

0

1

1

1

0

X0

X0

1X

0X

1

1

0

1

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

1

1

1

1

0

1

1

1

X1

X0

X0

X0

1

1

1

0

1

1

1

1

X0

X0

X0

1X

1

0

1

0

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

1

0

1

1

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

1


1

0

0

1

X

X

X

X

XX

XX

XX

XX

1

0

0

0

1

1

0

0

X0

1X

0X

0X

Bảng 1: Chuyển đổi trạng thái và các đầu vào kích 4 bit
Dùng bảng Karnough để rút gọn và xác định phương trình đầu vào kích.
Ta có:
Q2 Q1

J1
00
01
11
10

Q4 Q3



0
X
0
0

X
X
X
X
Bảng 2: Karnough J1

0
0
0
X

X
X
X
X

X
X
X
X

X
X
X
X

Q2 Q1
00
01
11

10

Q4 Q3

X
X
X
X

1
X
X
X
Bảng 3: Karnough K1

K1= 𝑄̅ 2
Q2 Q1

J2
Q4 Q3



X
X
1
X

J1= Q2

K1



X
X
X
X

00
01
11
10

0
X
1
0

0
X
X
X
Bảng 4: Karnough J2

J2= Q3

1

Q2 Q1

K2
00
01
11
10

Q4 Q3



X
X
X
X

X
X
X
X
Bảng 5: Karnough K2

0
X
X
1

0
X

X
X
Bảng 6: Karnough J3

X
X
X
X

X
1
0
X

X
X
0
X

0
X
X
X

X
X
X
X

J3= Q4

Q2 Q1

K3
00
01
11
10

Q4 Q3

X
X
0
X

X
X
X
X
Bảng 7: Karnough K3

K3= 𝑄̅ 4
Q2 Q1

J4
Q4 Q3



0

X
X
X

Q2 Q1
00
01
11
10

Q4 Q3



X
X
0
X

K2= 𝑄̅ 3

J3



1
0
0
X

00
01
11
10

1
X
X
X

0
0
X
X
Bảng 8: Karnough J4

J4= 𝑄̅ 1
1