Nhóm 3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH NHÂN HAI SỐ NHỊ PHÂN 3 BIT

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

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH NHÂN HAI SỐ
NHỊ PHÂN 3 BIT
Giáo viên hướng dẫn

: Hà Thị Phương

Sinh viên thực hiện

:

Nguyễn Tá Trường

MSV: 2021605004

Nguyễn Cơng Vĩnh

MSV: 2021606129

Mã lớp học phần

: 20231FE6021.002

Khóa

: 16

Hà Nội - 2023


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 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, Nơng nghiệp... và ngay cả
trong các đồ dùng sinh hoạt gia đình. Với sự phát triển không 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 thông dụng và chuyên nghiệp. Kỹ thuật xung số là một môn học không
thể thiếu của sinh viên ngành điện nói chung và ngành điện tử nói riêng. Trong
đồ án này chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế mạch nhân hai số nhị
phân 3 bit” với mục tiêu là giúp chúng ta tính tốn một cách chính xác và nhanh
nhất. Ngồi ra cịn giúp chúng ta hiểu được nguyên lí hoạt động của một số
mạch and và mạch full adder và các IC hữu dụng trong thực tế.
Phương pháp nghiên cứu: Trên phương pháp nghiên cứu và phân tích các chức
năng của linh kiện, vi mạch và áp dụng các kiến thức cùng với sự chỉ đạo của
giáo viên hướng dẫn cùng với các kiến thức được học trên lớp cũng như kiến

thức bên ngoài để xây dựng nên một mạch có chức năng hoạt động nhân hai số
nhị phân 3 bit và đúng với tài nguyên yêu cầu.

2


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU…………………………………………………………..……….2
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN..................................................................................5
1.1 Tổng quan.................................................................................................5
1.2 Mục đích nghiên cứu................................................................................5
1.3 Đối tượng nghiên cứu...............................................................................6
1.4 Phạm vi đề tài...........................................................................................6
1.5 Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................6
CHƯƠNG 2.TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG.........................................7
2.1 Sơ đồ khối tổng quát của mạch.................................................................7
2.2

Phân tích chức năng sơ đồ khối...............................................................7

2.2.1 Khối nguồn.........................................................................................7
2.2.2 Khối phím...........................................................................................7
2.2.3 Khối nhân...........................................................................................7
2.3

Mơ phỏng mạch trên proteus.................................................................12

2.4

Mô phỏng mạch trên phần mềm Altium................................................12

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH ....13
3.1Các linh kiện cần dùng...............................................................................13
3.1.1 IC cộng 74LS83................................................................................13
3.1.2 IC 74HC08........................................................................................15
3.2Chế tạo, lắp ráp mạch.................................................................................16
CHƯƠNG 4 .KẾTLUẬN....................................................................................18
4.1 Đánh giá sản phẩm..................................................................................18
4.2 Tính thực tế của sản phẩm......................................................................18
4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển.......................................................18
3


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Sơ đồ khối của mạch.............................................................................7
Hình 2.2: Sơ đồ kí hiệu bộ bán tổng......................................................................8
Hình 2.3: Sơ đồ logic bộ bán tổng.........................................................................9
Hình 2.4: Sơ đồ bộ bán tổng đầy đủ....................................................................10
Hình 2.5: Tổng quát nhân 2 số nhị phân 3 bit.....................................................11
Hình 2.6: Mạch nhân 2 số nhị phân 3 bit............................................................11
Hình 2.7: Mạch mơ phỏng...................................................................................12
Hình 2.8: Sơ đồ ngun lý...................................................................................12
Hình 2.9: Mặt sau................................................................................................12
Hình 2.10: Mạch in 3D........................................................................................12
Hình 3.1 Hình ảnh thực tế IC cộng 74LS83........................................................13
Hình 3.2: Sơ đồ chân IC 74LS83........................................................................13
Hình 3.3: Sơ đồ logic bên trong..........................................................................14
Hình 3.4: Sơ đồ chân IC 74HC08.......................................................................15

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan
Trong ngơn ngữ máy tính, các phép toán trên thao tác bit được thực hiện
trên 1 hoặc nhiều chuỗi bit hoặc số nhị phân tại cấp độ của từng bit riêng biệt.
Các phép toán này được thực hiện nhanh, ưu tiên, được hỗ trợ trực tiếp bởi vi xử
lý, và được dùng để điều khiển các giá trị dùng cho so sánh và tính tốn.
Đối với các loại vi xử lý đời cũ, thường thì các phép toán trên thao tác bit
nhanh hơn phép chia đáng kể, đôi khi nhanh hơn phép nhân, và đôi khi nhanh
hơn phép cộng đáng kể. Trong khi các vi xử lý hiện đại thường thực hiện phép
nhân và phép cộng nhanh tương đương các phép toán trên thao tác bit nhờ vào
cấu trúc đường ống lệnh của chúng dài hơn và cũng nhờ vào các lựa chọn trong
thiết kế cấu trúc, các phép toán trên thao tác bit thường sử dụng ít năng lượng
hơn vì sử dụng ít tài nguyên hơn.
Phép tính nhân trong hệ nhị phân cũng tương tự như phương pháp làm
trong hệ thập phân. Hai số A và B được nhân với nhau bởi những tích số cục bộ:
tích của mỗi con số ở A với từng con số ở B được tính và viết xuống một hàng
mới, mỗi hàng mới phải chuyển dịch vị trí sang bên trái cho con số cuối cùng ở
bên phải đứng cùng cột với vị trí của con số ở trong B đang dùng. Tổng của các
tích cục bộ này cho ta kết quả tích số cuối cùng.
1.2 Mục đích nghiên cứu
- Thiết kê 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.

5

1.3 Đối tượng nghiên cứu
- Quy trình thiết kế của mạch tổ hợp.
- Phần mềm mô phỏng Proteus.
- Phần mềm vẽ mạch in Altium18.
- 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.
1.4 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 tồn khi gia cơng cũng như việc hàn mạch.
1.5 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.
- Hiểu rõ chức năng của phương pháp nhân 2 số nhị phân 3 bit.

6


CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG

Hình 2.1: Sơ đồ khối của mạch

2.1 Sơ đồ khối tổng quát của mạch
2.2 Phân tích chức năng sơ đồ khối
2.2.1 Khối nguồn
- Sử dụng nguồn 5V để duy trì hệ thống.

2.2.2 Khối phím
- Khối phím cơng tắc bit: đưa ra các tín hiệu bit 0 và 1 tương ứng với từng chữ
số trong hai số nhị phân 3 bit A và B
- Thơng số cơng tắc bit:
Cấu hình tiếp điểm
Dịng điện định mức
Vật liệu tiếp điểm
Số công tắc bit

SPST
100mA – 24V DC
Đồng mạ nikel
6
7


Kiểu chân
Kiểu tác động
Nhiệt độ max
Nhiệt độ min

Xuyên lỗ
Trượt
+85oC
-30oC

2.2.3 Khối nhân
2.2.3.1

Cộng số nhị phân

Ta có trường hợp cộng các số nhị phân:
0+0=0

ghi 0 nhớ 0

0+1=1

ghi 1 nhớ 0

1 + 1 = 10

ghi 0 nhớ 1

1 + 1 + 1 = 11

ghi 1 nhớ 1

1 + 1 + 1 + 1 = 100 ghi 0 nhớ 10
1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 110 ghi 0 nhớ 11
- Bộ bán tổng (Half adder)

Hình 2.2: Sơ đồ kí hiệu bộ bán tổng

+ Bảng trạng thái:
Ai
Bi
0
0
0

1
1
0
1
1
Ai, Bi : chữ số ở cột i của hai số A và B

Si
0
1
1
0
8

Ci
0
0
0
1


Si : Chữ số của tổng ở cột thứ i
+ Dựa vào cách tối thiểu hóa hàm bằng bìa Karnaugh ta được:
Hàm số Si = Ai ⊕ Bi ; Ci = AiBi

Hình 2.3: Sơ đồ logic bộ bán tổng

- Bộ cộng toàn phần (Full Adder)
Khi cộng hai số nhị phân nhiều bit ta tiến hành cộng 2 bit LSB để có tổng
S0 và số nhờ C0. Sau đó thực hiện cộng 2 bit kề cùng với số nhớ C0 để có S1 và

C1. Cứ như vậy cho đến bit cuối cùng, số nhớ sau cùng chính là MSB của tổng
số.
Ví dụ: Thực hiện cộng hai số nhị phân 4 bit A3A2A1A0 + B3B2B1B0 ta tiến hành
như sau:
A0 + B0 = S0 + C0
A1 + B1 + C0 = S1 + C1
9


A2 + B2 + C1 = S2 + C2
A3 + B3 + C2 = S3 + C3
C3 = S4
Như vậy khi tiến hành cộng 2 số nhị phân nhiều bit ngồi cộng các bit A, B
mạch cộng cịn phải cộng thêm số nhớ từ phép cộng đó => người ta xây dựng
mạch cộng tồn phần như sau:

Hình 2.4: Sơ đồ bộ bán tổng đầy
đủ
- Bảng trạng thái:
Ai
Bi
Ci-1
0
0
0
0
0
1
0
1

0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
+ Tối thiểu hóa hàm theo bìa Karnaugh ta được
Hàm Si:
Ci-1
AiBi
00
01
11
10

0

1
1

1
1
1
10

Si
0
1
1
0
1
0
0
1

Ci
0
0
0
1
0
1
1
1


´ ( BC
´ + B C´ ) + A( B´ C+
´ BC )
´ + A

´ B C´ + ABC + A B
´ C´ = A
Ta được Si = A´ BC
´ ) =A⊕B⊕C
= A´ ( B⊕ C ) + A ( B⊕C

Hàm Ci:
Ci AiBi

0

1

00
01
11
1
10
Hàm Ci = AB + BC + AC

1
1
1

* Sử dụng mạch cộng toàn phần cộng 2 số nhị phân nhiều bit:
2.2.3.2

Mạch nhân 2 số nhị phân

Phép nhân rất phổ biến trong tính tốn, có lẽ ngang với phép cộng. Thực

chất của phép nhân là phép cộng nhiều lần.
- Tổng quát: cho 2 dãy số nhị phân A và B, phép nhân được thực hiện như sau:

Hình 2.5: Tổng quát nhân 2 số nhị phân 3 bit

11


- Mạch điện chi tiết của bài toán nhân này có thể sử dụng cổng AND và các
mạch cộng tồn phần như hình vẽ:

Hình 2.6: Mạch nhân 2 số nhị phân 3 bit

12


2.3 Mơ phỏng mạch trên proteus

Hình 2.7: Mạch mơ phỏng

2.4 Mô phỏng mạch trên phần mềm Altium

13


- Mạch in 2D mơ phỏng trên phần mềm Altium

Hình 2.8: Mặt sau

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.10: Mạch in 3D

- Mạch in 3D mô phỏng trên phần mềm Altium:

14


CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ
HIỆU CHỈNH
3.1 Các linh kiện cần dùng
- 3 IC 74HC08 + 2 IC cộng 74LS83
- 1 Header 2 chân
- 6 LED đơn
- 1 công tắc gạt 6 bit
- 6 điện trở 220 ôm + 1 trở thanh 10k ôm
3.1.1 IC cộng 74LS83

Hình 3.11 Hình ảnh thực tế IC cộng 74LS83

15


3.1.1.1

Cấu hình chân IC 74LS83

Hình 3.12: Sơ đồ chân IC 74LS83

3.1.1.2











Chi tiết sơ đồ chân

IC này có tổng cộng 16 chân.
Chân số 5 và 12 được sử dụng để cấp nguồn +5V cho IC tương ứng với
GND của nguồn cấp.
Giả sử có hai số 4 bit là A4 A3 A2 A1 và B4 B3 B2 B1 với A1 và B1 là
Bit có trọng số thấp nhất (LSB) trong chuỗi số. A4 và B4 làm Bit có trọng số lớn
nhất (MSB) trong chuỗi số.
Chân # 1,3,8,10 là chân đầu vào được sử dụng để cấp dữ liệu bit cho A4
A3 A2 A1 của chuỗi 4 số nhị phân thứ 1.
Chân # 16,4,7,11 là các chân đầu vào được sử dụng cấp dữ liệu bit B4 B3
B2 B1 thuộc chuỗi 4 số nhị phân thứ 2.
Chân # 13 là một chân đầu vào được sử dụng cho bit carry-in.
Chân # 15,2,6,9 là các chân đầu ra được sử dụng để đưa kết quả phép
cộng hai số nhị phân 4 bit trên là S4 S3 S2 S1.
Chân # 14 là chân đầu ra kết quả bit carry của phép cộng.

16

3.1.1.3

Sơ đồ logic bên trong

Hình 3.13: Sơ đồ logic bên trong

3.1.2 IC 74HC08

17


3.1.2.1

Cấu tạo

18


Cấu tạo bên trong ic số 74HC08 có bốn cổng logic AND, mỗi cổng có 2
ngõ vào và 1 ngõ ra. IC 74HC08 được sản xuất theo công nghệ Cmos, là một
mạch tích hợp được xây dựng từ các Mosfet và một số điện trở phụ trợ. IC hoạt
động tốt nhất ở điện áp 5V.Các hoạt động của IC này là rất đơn giản để hiểu nếu
chúng ta hiểu được hoạt động của cổng AND.
Bạn có thể nhìn thấy trong sơ đồ trên các cổng AND N1 … .N4 được dây độc
lập và có sự phụ thuộc vào các cổng.

Hình 3.14: Sơ đồ chân IC 74HC08

- Hoạt động dựa vào bảng trạng thái bên dưới:
Input

A
0
0
1
1

B
0
1
0
1
3.1.2.2

Output
X
0
1
1
1

Thông số kĩ thuật

Datasheet
Chân
Số cổng AND trong IC
Điện áp hoạt động

74HC08
14
4

2V – 6V DC
19


Dòng ngõ ra
Nhiệt độ hoạt động
Mức logic

5.2mA
-40oC – 125oC
1 hoặc 1

3.2 Chế tạo, lắp ráp mạch
- Các bước chế tạo mạch
Bước 1: Vẽ mạch trên phần mềm Altium.

Bước 2: In mạch trên giấy decal

chuyên dụng.

Bước 3: Cắt fit đồng đúng kích thước mạch và sử dụng bàn là để in mạch lên fit
đồng.

20