BTl xung số nhóm 10 HauiThiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7

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 nghịch, nhị phân, đồng bộ
Kđ = 10, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7
thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7
Giáo viên hướng dẫn:

Hà Thị Phương

Sinh viên thực hiện:

Lương Văn Huy
Đào Quang Hòa
Nguyễn Văn Được

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 nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JK-FF hiển thị kết
quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7 “ 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 tơi 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.

2


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU.................................................................................................2
MỤC LỤC

3

DANH MỤC HÌNH ẢNH...............................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.............................................7
1.1. Giới thiệu đề tài.......................................................................................7
1.1.1. Lý do chọn đề tài...................................................................................7
1.1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài...........................................................7
1.1.3. Đối tượng nghiên cứu............................................................................8
1.1.4. Phạm vi nghiên cứu...............................................................................8
1.1.5. Ý nghĩa nghiên cứu...............................................................................8

1.1.6. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................8
1.2. Tổng quan về bộ đếm..............................................................................8
1.2.1. Khái niệm..............................................................................................8
1.2.2. Đồ hình trạng thái..................................................................................9
1.2.3. Phân loại..............................................................................................10
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM NGHỊCH, NHỊ PHÂN,
ĐỒNG BỘ KĐ = 10, SỬ DỤNG JK-FF HIỂN THỊ KẾT QUẢ ĐẾM
TRÊN LED 7 THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO KHI GẶP SỐ ĐẾM 4, 7
12
2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống.....................................................................12
2.2. Các bước để thiết kế bộ đếm................................................................13
3


2.3. Tính tốn thiết kế hệ thống..................................................................14
2.3.1. Tính tốn thiết kế khối tạo xung.........................................................14
2.3.2. Tính tốn thiết kế bộ đếm....................................................................15
2.4. Đồ hình trạng thái.................................................................................15
2.4.1. Xác định số FF....................................................................................15
2.4.2. Lập bảng mã hóa và bảng kích............................................................16
2.4.3. Sơ đồ mơ phỏng mạch thực hiện.........................................................20
2.4.4. Thiết kế trên phần mềm altium...........................................................22
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU
CHỈNH

24

3.1. Lựa chọn linh kiện.................................................................................24
3.2. Tiến hành chế tạo..................................................................................25
3.2.1. Chọn mua linh kiện.............................................................................25

3.2.2. In mạch và nhúng mạch......................................................................25
3.2.3. Khoan lỗ và hàn..................................................................................26
3.2.4. Thử nghiệm và đánh giá......................................................................26
CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN................................................27
4.1. Đánh giá sản phẩm................................................................................27
4.1.1. Ưu điểm:..............................................................................................27
4.1.2. Nhược điểm:........................................................................................27
4.2. Tính thực thế của sản phẩm.................................................................27
4.3. Đề xuất cải tiến và hướng phát triển...................................................27

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sơ đồ khối bộ đếm....................................................................9
Hình 1.2. Đồ hình trạng thái bộ đếm.........................................................9
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống........................................................12
Hình 2.2. Sơ đồ khối tạo xung dùng NE555...........................................14
Hình 2.3. Đồ hình trạng thái của hệ thống..............................................15
Hình 2.4. Mơ phỏng trên proteus............................................................21
Hình 2.5. Mơ phỏng trên proteus khi đầu ra bằng 4...............................21
Hình 2.6 Mơ phỏng trên proteus khi đầu ra bằng 7................................22
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý mạch trên altium..........................................22
Hình 2.8. Đi dây trên altium....................................................................23
Hình 2.9. Hình ảnh mơ phỏng 3D trên Altium.......................................23
Hình 3.1. Chọn mua linh kiện phù hợp...................................................25
Hình 3.2. In mạch và nhúng mạch in......................................................25
Hình 3.3. Khoan lỗ và căn chỉnh linh kiện phù hợp................................26
Hình 3.4. Thành phẩm.............................................................................26
Hình 3.5. Đèn led báo đầu ra khi gặp 7 và 4...........................................27

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng mã hóa hệ thống............................................................16
Bảng 2.2. Bảng tối thiểu hóa của J1........................................................17
Bảng 2.3. Bảng tối thiểu hóa của K1......................................................17
Bảng 2.4. Bảng tối thiểu hóa của J2........................................................18
Bảng 2.5. Bảng tối thiểu hóa của K2......................................................18
Bảng 2.6. Bảng tối thiểu hóa của J3........................................................19
Bảng 2.7.Bảng tối thiểu hóa của K3.......................................................19
Bảng 2.8. Bảng tối thiểu hóa của Z.........................................................20
Bảng 3.1. Linh kiện cần dùng trong hệ thống.........................................24

6


CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

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 tơi 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 thông dụng và mạch tạo xung sử dụng IC555
Mạch giải mã 7 thanh và hiển thị 7 thanh.

7


Thiết kế bộ đếm nhị phân, nghịch, 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 4, 7.
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 9 đến 0,
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
8


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 khối bộ đếm

1.2.2. Đồ hình trạng thái

Hình 1.2. Đồ hình trạng thái bộ đếm

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.
Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạch
giải mã.
9


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.
10


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, không thay đổi được.

11


CHƯƠNG 2.

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM NGHỊCH, NHỊ

PHÂN, ĐỒNG BỘ KĐ = 10, SỬ DỤNG JK-FF HIỂN THỊ
KẾT QUẢ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO
KHI GẶP SỐ ĐẾM 4, 7
2.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống
Khối nguồn

K Khối tạo xung

Bộ đếm

Khối giải mã

Khối hiển thị

Hình 2.3. Sơ đồ tổng quan hệ thống

Chú Thích:
: Dịng năng lượng
: Dịng tín hiệu
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.
12

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.

13


2.3. Tính tốn thiết kế hệ thống
2.3.1. Tính tốn thiết kế khối tạo xung

Hình 2.4. Sơ đồ khối tạo xung dùng NE555

Tạo xung vuông theo công 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 cơng 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)

14


- 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.
2.3.2. Tính tốn thiết kế bộ đếm

u cầu bài toán: Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ =
10, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi
gặp số đếm 4, 7
2.4. Đồ hình trạng thái
0000

0001

0010

0011

0100

1001

1000

0111

0110

0101

Hình 2.5. Đồ hình trạng thái của hệ thống

2.4.1. Xác định số FF
Vì hệ đếm có Kđ = 10 nên phải sử dụng 4 FF.
Chọn JK-FF.

15


2.4.2. Lập bảng mã hóa và bảng kích
Bảng 2.1. Bảng mã hóa hệ thống

Q3Q2Q1Q0

Q3Q2Q1Q0

J3K3

J2K2

J1K1

J0K0

0000

1001

1X

0X

0X

1X

1001

1000

X0

0X

0X

X1

1000

0111

X1

1X

1X

1X

0111

0111

0X

X0

X0

X1

0110

0101

0X

X0

X1

1X

0101

0100

0X

X0

0X

X1

0100

0011

0X

X1

1X

1X

0011

0010

0X

0X

X0

X1

0010

0001

0X

0X

X1

1X

0001

0000

0X

0X

0X

X1

Tối thiểu các hàm kích sử dụng bìa Karnaugh:

16

Z

1

1


Bảng 2.2. Bảng tối thiểu hóa của J1

J1

Q1Q0

0

0

1

1

0

1

1

0

X

X

X

X

X

X

X

X

Q3Q2
00
01

1

11

X

10

1
=>

X

J1¿ Q2 Q´ 0+Q 3 Q´ 0

Bảng 2.3. Bảng tối thiểu hóa của K1

K1
Q1Q0 00 01 11 10

Q3Q2
00

X

X

1

01

X

X

1

11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

=>

K1=Q0

Bảng 2.4. Bảng tối thiểu hóa của J2

J2
17


Q1Q0

00 01 11 10

Q3Q2
00
01

X

X

X

X

11

X

X

X

X

10

1

X

X

=>

´0
J2=Q3 Q

Bảng 2.5. Bảng tối thiểu hóa của K2

K2
0

0

1

1

0

1

1

0

00

X

X

X

X

01

1

11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

Q1Q0
Q3Q2

=>

K2=Q´ 1 Q´ 0

Bảng 2.6. Bảng tối thiểu hóa của J3

J3

Q1Q0

0

0

1

1

0

1

1

0

Q3Q2
18


00

1

01
11

X

X

X

X

10

X

X

X

X

=>

J3=Q´ 2 Q´ 1 Q´ 0

Bảng 2.7.Bảng tối thiểu hóa của K3

K3
0

0

1

1

0

1

1

0

00

X

X

X

X

01

X

X

X

X

11

X

X

X

X

10

1

X

X

Q1Q0
Q3Q2

=>

K3=Q´ 1 Q´ 0

Bảng 2.8. Bảng tối thiểu hóa của Z

Z

Q1Q0

0

0

1

1

0

1

1

0

Q3Q2
00
01

1

11

X
19

1
X

X

X


10

X

X

´ 1Q
´ 0 +Q2 Q1 Q0
Z=Q2 Q

Từ các hàm JK ở trên ta có phương trình CLK cho từng FF như sau:
CLK=CLK0=CLK1=CLK2.
Từ bảng kích nhận thấy J0=K0=1 (Vì tất cả các giá trị đều =1&X).
2.4.3. Sơ đồ mô phỏng mạch thực hiện
Sơ đồ mô phỏng bộ đếm nhị phân, nghịch , đồng bộ
Kđ=10, sử dung jk-FF, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4,7 (Trên
phần mềm proteus)

Hình 2.6. Mơ phỏng trên proteus

Khi gặp đầu ra 4

20