Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng DFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3, 6.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ ĐIỆN TỬ
-------------------------------------------

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC
KĨ THUẬT XUNG SỐ
ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ
Kđ = 8, sử dụng D-FF hiển thị kết quả đếm trên
LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3, 6.
Giáo viên hướng dẫn

Hà Thị Phương

:
Nhóm sinh viên thực
hiện:

Hà nội -2023


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học cơng nghệ,cuộc sống của con
người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại
phục vụ cơng cuộc cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước. Đặc biệt góp phần vào
sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp
xây dựng và phát triển đất nước. Những thiết bị điện,điện tử được phát triển mạnh
mẽ và được ứng dụng rỗng rãi trong đời sống cũng như sản suất. Từ những thời
gian đầu phát triển kĩ thuật số đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay
tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm. Những thành tựu của nó đã có
thể biến được những cái tưởng chừng như khơng thể thành những cái có thể, góp
phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người.

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn
kĩ thuật xung số chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trong
khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên nghành, chúng tôi đã “: Thiết kế mạch
đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng D-FF hiển thị kết quả đếm trên
LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3, 6 “ nhưng do thời gian, kiến thức và
kinh nghiệm của chúng em cịn có hạn nên sẽ khơng thể tránh khỏi những sai sót.
Chúng tôi rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cơ và các bạn
nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài.


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................2
MỤC LỤC................................................................................................................3
CHƯƠNG 1. Tổng quan về bộ đếm.....................................................................5
1.1. Giới thiệu đề tài..............................................................................................5
1.1.1. Lý do chọn đề tài..........................................................................................5
1.1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài...................................................................5
1.1.3. Đối tượng nghiên cứu...................................................................................6
1.1.4. Phạm vi nghiên cứu......................................................................................6
1.1.5. Ý nghĩa nghiên cứu.......................................................................................6
1.1.6. Phương pháp nghiên cứu..............................................................................6
1.2. Tổng quan về bộ đếm.....................................................................................6
1.2.1. Khái niệm......................................................................................................6
1.2.2. Đồ hình trạng thái.........................................................................................7
1.2.3. Phân loại.......................................................................................................8
CHƯƠNG 2. Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng
D-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3,
6.

9

2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống..............................................................................9
2.2. Các bước để thiết kế bộ đếm.......................................................................10
2.3. Tính tốn thiết kế khối tạo xung.................................................................11
2.4. Tính tốn thiết kế bộ đếm...........................................................................12
2.4.1. Đồ hình trạng thái.......................................................................................12
2.4.2. Xác định số FF............................................................................................12
2.4.3. Lập bảng mã hóa và bảng kích...................................................................12
2.4.4. Sơ đồ mơ phỏng mạch thực hiện................................................................14
2.4.5. Thiết kế trên phần mềm altium...................................................................15
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH....17


3.1. Lựa chọn linh kiện.......................................................................................17
3.2. Tiến hành chế tạo.........................................................................................18
3.2.1. Chọn mua link kiện.....................................................................................18
3.2.2. In mạch và nhúng mạch..............................................................................18
3.2.3. Khoan lỗ và hàn mạch................................................................................19
3.2.4. Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh..................................................................20
CHƯƠNG 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN...............................21
4.1. Đánh giá sản phẩm.......................................................................................21
4.1.1. Ưu điểm:.....................................................................................................21
4.1.2. Nhược điểm:...............................................................................................21
4.2. Tính thực thế của sản phẩm........................................................................21
4.3. Đề xuất cải tiến và hướng phát triển..........................................................21


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sơ đồ bộ đếm.............................................................................................8
Hình 1.2. Đồ hình trạng thái bộ đếm.........................................................................8

Hình 2.1. Sơ đồ tính tốn khối tạo xung dùng NE555............................................12
Hình 2.2. Đồ hình trạng thái của hệ thống..............................................................13
Hình 2.3. Sơ đồ mơ phỏng mạch trên proteus.........................................................16
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của mạch.......................................................................16
Hình 2.5. Đi dây trên altium....................................................................................17
Hình 2.6. Hình ảnh mơ phỏng 3D mạch trên altium...............................................17
Hình 3.1. Chọn mua linh kiện.................................................................................19
Hình 3.2. Hình ảnh mạch in....................................................................................19
Hình 3.3. Hình ảnh nhúng mạch..............................................................................20
Hình 3.4. Khoan lỗ và hàn mạch.............................................................................20
Hình 3.5. Mạch sau khi hồn thành.........................................................................21
Hình 3.6. Mạch hoạt động khi gặp số 3...................................................................21
Hình 3.7. Mạch hoạt động khi gặp số 6...................................................................21

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng mã hóa của hệ thống......................................................................13
Bảng 2.2.Bảng tối thiểu của D2..............................................................................14
Bảng 2.3. Bảng tối thiểu của D1.............................................................................14
Bảng 2.4. Bảng tối thiểu của D0.............................................................................15
Bảng 2.5. Bảng tối thiểu của Z................................................................................15
Bảng 3.1. Linh kiện sử dụng trong mạch................................................................18

-


CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐẾM

1.1. Giới thiệu đề tài

1.1.1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta đang sống trong thế kỉ của khoa học-kĩ thuật, của tri thức cùng với
nó là sự phát triển nhanh chóng,mạnh mẽ của cơng nghệ thông tin và khoa học ứng
dụng. Kĩ thuật số cũng nằm trong số đó,nó đang phát triển rất nhanh và ứng dụng
rộng rãi trong các lĩnh vực xã hội. Chúng ta đang chuyển dần từ điều khiển bằng
tay sang điều khiển tự động.
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 số như hiện nay khiến cho nhu cầu tiếp xúc
với điện tử số không thể thiếu được.
Để xây dựng một thiết bị số 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.Mạch đếm thuận
sử dụng JK-FF là một mạch đếm khá thơng dụng và cơ bản. Chính vì vậy chúng tôi
đã lựa chọn đề tài này để báo cáo.
1.1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu:
Tìm hiểu về mạch đếm và một số vấn đề liên quan
Hoàn thành thiết kế-thực nghiệm thực tế,mạch hoạt động ổn định với độ bền cao.
Nhiệm vụ:
Tìm hiểu kiến thức cơ bản về mạch đếm
Tìm hiểu các vi mạch đếm thơng dụng và mạch tạo xung sử dụng IC555
Mạch giải mã 7 thanh và hiển thị 7 thanh.
Thiết kế bộ đếm nhị phân,thuận,đồng bộ Kđ=10, sử dụng JK-FF và hiển thị kết quả
đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 2, 5


1.1.3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là thiết kế bộ đếm một mạch đếm thay đổi trạng thái đếm
khi có một xung đồng hồ đưa đến, mạch này có thể đếm từ 0 đến 9 rồi lại đếm
ngược trở lại, nó có chu trình đếm là 10.
1.1.4. Phạm vi nghiên cứu

Lý thuyết về mạch đếm
Mạch đếm sử dụng IC
1.1.5. Ý nghĩa nghiên cứu
Nắm vững,hiểu biết về mạch đếm
Nâng cao kĩ năng thực hành,lắp ráp và thiết kế mạch đếm.
1.1.6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
1.2. Tổng quan về bộ đếm
1.2.1. Khái niệm
Mạch đếm là một mạch dãy đơn giảm 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 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 1.1. Sơ đồ bộ đếm

1.2.2. 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.
Khi khơng có tín hiệu vào đếm ( ) mạch giữ nguyên 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 nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm sẽ trở

về trạng thái ban đầu và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duy nhất.

Hình 1.2. Đồ hình trạng thái bộ đếm


Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạch
giải mã.


1.2.3. 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 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 không 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 hoá 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 khơng được sử dụng đến. Do vậy khi thiết kế bộ
đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái không 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 hoá 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.

CHƯƠNG 2.

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN, NHỊ PHÂN,

ĐỒNG BỘ KĐ = 8, SỬ DỤNG D-FF HIỂN THỊ KẾT QUẢ ĐẾM
TRÊN LED 7 THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO KHI GẶP SỐ ĐẾM 3,
6.
2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống

Khối nguồn

K Khối tạo xung

Bộ đếm

Chú Thích:
: Dịng năng lượng
: Dịng tín hiệu

Khối giải mã

Khối hiển thị


Chức năng của từng khối:
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
- Khối tạo xung: Khối tạo xung có chức năng tạo ra xung nhịp để chuẩn
kích cho bộ đếm hoạt động ở sườn âm
- Khối bộ đếm: Tạo ra tín hiệu số nhị phân.
- Khối giải mã: Chuyển tín hiệu từ số nhị phân ở ngõ vào sang led 7
đoạn.
- Khối hiển thị: Hiển thị kết quả.
2.2. Các bước để thiết kế bộ đếm
Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:
Bước 1: Xác định các u 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 yêu cầu
khác để xây dựng đồ hình mô 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 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.


2.3. Tính tốn thiết kế khối tạo xung

Hình 2.3. Sơ đồ tính tốn khối tạo xung dùng NE555

Tạo xung vng theo cơng thức:
F=

1.4
⋅ C1
( R1+ 2 R 2)

Trong đó:
 F: tần số (Hz)
 C1: tụ điện phân cực nối giữa chân 1 và chân 2,6
 R1, R2: điện trở nối giữa chân 7 và 4,8
Dựa vào công thức trên ta có thể chọn các giá trị R1 , R 2 là 39 kΩ, giá trị tụ điện

C 1là 10uF.

- Mức thời gian cao (T1) là khoảng thời gian xung ở mức cao trong sóng đầu
ra.
 Thời gian cao T1 = ln2*(R1 + R2) *C1
= 0,693*(39KΩ +39KΩ) *10uF = 0,54(s)
( Chọn R1= 39kΩ, R2=39kΩ, C1= 10uF)
- Thời gian thấp (T2) là khoảng thời gian xung ở mức thấp (0V) trong sóng
đầu ra.
 Thời gian thấp T2 = ln2*R2*C1 = 0,693*10kΩ*10uF= 0,27(s)
- Khoảng thời gian (T) là tổng thời gian thấp và thời gian cao.
T = ln2*(R1 +2*R2) *C1 = 0.81(s)
- Tần số F = 1,44/(R1+2R2)*C1 = 1.23(Hz)


 Kết luận: Mạch dao động với tần số 1.23Hz với các giá trị R1,R2,C1 lần lượt là:
39KΩ, 39kΩ, 10uF.
2.4. Tính tốn thiết kế bộ đếm
u cầu bài tốn: Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng DFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3, 6.
2.4.1. Đồ hình trạng thái

000

001

010

011

111

110

101

100

Hình 2.4. Đồ hình trạng thái của hệ thống

2.4.2. Xác định số FF
Vì hệ đếm có Kđ = 8 nên phải sử dụng 3 FF.
Chọn 3 D-FF.
2.4.3. Lập bảng mã hóa và bảng kích
Bảng 2.1. Bảng mã hóa của hệ thống

Q2Q1Q0

Q2Q1Q0

D2

D1

D0

000

001

0

0

1

001

010

0

1

0

010

011

0

1

1

011

100

1

0

0

100

101

1

0

1

101

110

1

1

0

110

111

1

1

1

111

000

0

0

0

Tối thiểu các hàm kích sử dụng bìa Karnaugh:
Bảng 2.2. Bảng tối thiểu của D2

Z

1

1


Bảng 2.2.Bảng tối thiểu của D2

J1
Q0

0

1

00

0

0

01

0

1

11

1

0

10

1

1

Q2Q1

=>

D2¿ Q´ 2 Q1 Q´ 0 +Q2 Q´ 0+Q 2 Q´ 1

Bảng 2.3. Bảng tối thiểu của D1
Bảng 2.3. Bảng tối thiểu của D1

D1
Q0

0

1

00

0

1

01

1

0

11

1

0

10

0

1

Q2Q1

=>

D1=Q1 Q´ 0+ Q´ 1 Q0

Bảng 2.4. Bảng tối thiểu của D0

Bảng 2.4. Bảng tối thiểu của D0

D0
Q0

0

1


Q2Q1
00

1

0

01

1

0

11

1

0

10

1

0

=>

D0=Q´ 0

Bảng 2.8. Bảng tối thiểu hóa Z
Bảng 2.5. Bảng tối thiểu của Z

Z
Q0

Q2Q1

0

1

00
01
11

1
1

10
´ 0 +Q
´ 2 Q1 Q0
Z=Q2 Q1 Q

Từ các hàm D ở trên ta có phương trình CLK cho từng FF như sau:
CLK=CLK0=CLK1=CLK2.
2.4.4. Sơ đồ mô phỏng mạch thực hiện
Sơ đồ mô phỏng bộ đếm nhị phân, thuận , đồng bộ Kđ=8, sử
dung D-FF, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3,6 (Trên phần mềm
proteus)


Hình 2.5. Sơ đồ mơ phỏng mạch trên proteus

2.4.5. Thiết kế trên phần mềm altium
Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Vẽ sơ đồ nguyên lý của mạch bằng cách dựa vào sơ đồ mơ phỏng trong proteus:

Hình 2.6. Sơ đồ ngun lý của mạch

Thiết kế PCB
Sau khi chúng ta vẽ được sơ đồ nguyên lý thì đi chúng ta sẽ sắp xếp linh kiện sao
cho hợp lý và tiến hành đi dây:


Hình 2.7. Đi dây trên altium

Sau khi đi dây hồn tất chúng ta thu được kết quả như sau:

Hình 2.8. Hình ảnh mơ phỏng 3D mạch trên altium


CHƯƠNG 3.

CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU
CHỈNH

3.1. Lựa chọn linh kiện
Bảng 3.6. Linh kiện sử dụng trong mạch

Tên linh kiện

Giá trị

IC 74LS47

5V

IC 74LS73

2V- 15V

LED 7 thanh

2.2V

IC 74LS08

5V

IC 74LS32

5V

IC 74LS04

5V

IC NE555

2V- 18V

LED Red

5v

Tụ hóa 16V 10μFF
Tụ gốm 105

16V
50V

Điện trở 330R

330Ω

Điện trở 39kR

39kR

Jack nguồn 3.92V

Số lượng Chức năng
IC giải mã cho
1
LED 7SEG
2
Trigger JK-FF
Hiển thị giá trị số
1
đếm
Cổng logic
AND,điều khiển
3
tín hiệu mạch
đếm

Cổng logic
2
OR,điều khiển tín
hiệu mạch đếm
Cổng logic NOT,
1
điều khiển tín
hiệu mạch đếm
Tạo xung cho
1
mạch điều khiển
Hiện thị đầu ra
3
báo số đếm 1,4
và báo nguồn
1
Lọc nguồn
1
Chống nhiễu
Chống cháy cho
4
LED
2
Tạo tần s
Cổng nguồn cho
1
mạch


3.2. Tiến hành chế tạo

3.2.1. Chọn mua link kiện

Hình 3.9. Chọn mua linh kiện

3.2.2. In mạch và nhúng mạch

Hình 3.10. Hình ảnh mạch in