BTL Xung số Haui Nhóm 17 Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh.

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN
KỸ THUẬT XUNG SỐ
Tên đề tài: Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ
Kđ=16, sử dụng JK-FF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh.
Giảng viên hướng dẫn: Hà Thị Phương
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Ngọc Dũng – 2021603513
Triệu Ngọc Trung – 2021604795
Ngô Thiện Tùng – 2021605157

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP

Cộng hồ xã hội chủ nghĩa Việt Nam

HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC
KỸ THUẬT XUNG SỐ

Họ và tên sinh viên :
Nguyễn Ngọc Dũng

Mã sinh viên: 2021603513

Triệu Ngọc Trung

Mã sinh viên: 2021604795

Ngơ Thiện Tùng

Mã sinh viên: 2021605157

Lớp: 20231FE6021002

Khố: 16

Giảng viên hướng dẫn: Hà Thị Phương
Tên đề tài: Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử
dụng JK-FF hiển thị số đếm trên LED 7 thanh.
NỘI DUNG THỰC HIỆN
Nội dung cần thực hiện

CĐR

1

Lập kế hoạch làm việc

L1.3

2

Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả thi L1.2; L1.3

3

Tính tốn thiết kế, xây dựng và phân tích mơ
hình

L1.2; L1.3

4

Chế tạo và lắp ráp

L1.2; L1.3

5

Thử nghiệm và hiệu chỉnh

L1.2; L1.3

6

Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo

L1.2; L1.3

7

Báo cáo

L1.2; L1.3

TT

2


I. Yêu cầu thực hiện:
1. Phần thuyết minh:
* Trình bày đầy đủ các nội dung đồ án, bao gồm:
Chương 1. Tổng quan (Nêu cơ sở lựa chọn đề tài đồ án, ứng dụng trong thực
tiễn …);
Chương 2. Tính tốn, thiết kế mô phỏng;
Chương 3. Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh;
Phụ lục (nếu có)
* Quyển báo cáo được trình bày từ 10 đến 15 trang giấy A4 với các định dạng
theo quyết định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019:
2. Sản phẩm của đồ án mơn
TT Tên sản phẩm
1

Mơ hình (mạch điện)

2

Quyển báo cáo

3

Slide thuyết minh đồ án

Định dạng

Số lượng
01

Theo quyết định
815/QĐ-ĐHCN

01
01

3. Phạm vi lựa chọn 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, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh
kiện điện tử cơ bản…
- Đảm bảo an toàn lao động.
Ngày giao: 21/11/2023

Ngày hoàn thành: 23/12/2023
Hà Nội, ngày 24 tháng 12 năm 2023

Trưởng bộ môn

Giảng viên hướng dẫn

Hà Thị Phương
3

MỤC LỤC
Phần 1. Tổng quan ....................................................................................... 7
1.1.

Mục đích nghiên cứu .................................................................... 8

1.2.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................................ 8

1.3.

Phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 8

1.4.

Ứng dụng ...................................................................................... 8

1.5.

Ý nghĩa đồ án ............................................................................... 9

Phần 2. Tính tốn, thiết kế, mơ phỏng....................................................... 10
2.1. Tính tốn ......................................................................................... 10
2.2. Thiết kế ........................................................................................... 13
2.2.1. Khối tạo xung ......................................................................... 13
2.2.2. Khối đếm ................................................................................ 16
2.2.3. Khối giải mã ........................................................................... 18
2.2.4. Khối hiển thị ........................................................................... 20
2.3. Mô phỏng ...................................................................................... 21

Phần 3. Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm, hiệu chỉnh ..................................... 21
3.1. Chế tạo ............................................................................................ 21
3.1.1. Vẽ mạch in ............................................................................... 21
3.1.2. Chuẩn bị linh kiện .................................................................... 22
3.2. Lắp ráp ............................................................................................ 23
3.3. Thử nghiệm, hiệu chỉnh .................................................................. 23

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. Đồ hình trạng thái......................................................................... 10
Hình 2. Sơ đồ khối .................................................................................... 13
Hình 3. Sơ đồ chân IC555 ......................................................................... 14
Hình 4. Mạch nguyên lý IC555 ................................................................. 14
Hình 5. Sơ đồ chân IC7476 ....................................................................... 16
Hình 6. Mạch nguyên lý IC7476 ............................................................... 17
Hình 7. Sơ đồ chân IC7447 ....................................................................... 18
Hình 8. Sơ đồ chân led 7 thanh ................................................................. 20
Hình 9. Cấu tạo led 7 thanh anode chung.................................................. 20
Hình 10. Mơ phỏng mạch trên proteus...................................................... 21
Hình 11. Mạch in vẽ trên Altium Design .................................................. 22
Hình 12. Mạch đếm thuận nghịch, đồng bộ kđ =16 ................................... 23

5


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Bảng kích JK-FF .......................................................................... 10
Bảng 2. Bảng chuyển đổi trạng thái .......................................................... 13

Bảng 3. Giải mã NBCD sang 7 mã vạch sử dụng cho LED 7 thanh......... 19
Bảng 4. Danh sách linh kiện...................................................................... 22
Bảng 5. Thử nghiệm và hiệu chỉnh ........................................................... 23

6


Phần 1. Tổng quan
Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ các thiết bị điện tử đang và
sẽ được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các
lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội, việc xử lý tín hiệu trong
các thiết bị điện tử hiện đại đều dựa trên nguyên lý số số .Bởi vậy việc hiểu sâu
sắc về điện tử số là điều không thể thiếu đối với kỹ sư cơ điện tử. Hiện nay nhu
cầu hiểu biết về kỹ thuật số số không phải chỉ riêng đối với các kỹ sư điện tử mà
cịn đối với tất cả ai u thích mơn học này.
Bởi vậy thông qua việc làm đồ án sẽ giúp cho mỗi sinh viên có cái nhìn sâu
hơn về môn kỹ thuật xung số này và qua đây giúp học sinh sinh viên đánh giá
được khả năng tích lũy kiến thức về môn này ngày đồng thời biết cách vận dụng
môn học vào thực tế.
Từ những điều đã được thấy đó và khả năng của chúng em, chúng em muốn
làm một điều gì nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc chân
tay mà cho phép tăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo
được độ chính xác cao. Nên chúng em quyết định lựa chọn đề tài: “Thiết kế bộ
đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng bộ Kđ=16, sử dụng JK-FF hiển thị số đếm trên
LED 7 thanh”
Qua bài thiết kế mạch chúng em đạt được trang bị thêm kiến thức về chun
mơn cũng như về thực tế thế để tích lũy thêm kinh nghiệm cho sau này.

7

1.1.

Mục đích nghiên cứu

 Nắm chắc được nguyên lý làm việc của các thành phần điện tử cơ bản.
 Biết cách kết hợp các thành phần điện tử khác nhau tạo ra một mạch đếm
đạt được các yêu cầu của đồ án.
 Biết cách sử dụng một số phần mềm mô phỏng mạch phổ biến để mô phỏng
được bộ đếm sản phẩm trước khi đi vào chế tạo.
 Nắm được quy trình chế tạo mơ hình thực một mạch đếm sản phẩm.
 Hiểu được cấu tạo, cách thức hoạt động của bộ đếm sản phẩm.
1.2.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

 Bộ đếm sản phẩm sử dụng trong công nghiệp và cách chế tạo một bộ đếm
sản phẩm đơn giản.
 Các phần tử logic và phần tử nhớ cơ bản (JK-FF), bộ IC giải mã hiển thị số
trên LED 7 thanh.
 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thu thập dữ liệu; Phương pháp phân
tích; Phương pháp thử nghiệm và chọn lọc.
1.3.

Phạm vi nghiên cứu

 Nội dung lý thuyết: Kiến thức được áp dụng trong suốt bài tập lớn thuộc
phạm vi học phần Kỹ thuật xung số, khoa điện tử trường Đại học Công
nghiệp Hà Nội.
 Sản phẩm bài tập lớn sử dụng phần mềm Proteus 8 Professional và Altium

Design để phục vụ mô phỏng và chế tạo.
 Đồ án cùng với sản phẩm được nghiên cứu và hoàn thiện để phục vụ việc
đánh giá chất lượng sinh viên và cho mục đích tham khảo trong phạm vi
trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội.
 Các thiết bị được sử dụng trong q tình làm đồ án: Máy tính và một số
dụng cụ điện khác.
1.4.

Ứng dụng

Sản phẩm bộ đếm sản phẩm có thể được sử dụng trong các dây
chuyền sản xuất tự động và bán tự động để đếm sản phẩm trên băng
chuyền, làm thiết bị hỗ trợ việc đóng gói. Ngồi ra bộ đếm sản phẩm còn
được sử dụng trong đời sống như việc đếm xe ra vào trong bãi đỗ xe, đếm
số lượng hành khách qua cửa,… Bộ đếm sản phẩm giúp việc kiếm kê số
lượng sản phẩm chính xác và nhanh chóng hơn, thay thế sức lao động con
người, nâng cao năng suất trong sản xuất.

8


1.5.

Ý nghĩa đồ án

Đồ án giúp sinh viên bước đầu hiểu rõ hơn về mơ hình bộ đếm được
sử dụng trong thực tế. Biết được cách thức hoạt động của những linh kiện
điện tử trong hệ thống đếm. Bên cạnh đó bài tập lớn cũng tạo điều kiện cho
sinh viên tự tìm tịi, nghiên cứu và hồn thiện một sản phẩm, rèn luyện kỹ
năng làm việc nhóm, sử dụng các phần mềm mô phỏng thành thạo. Đây là

cơ sở nền tảng để phát triển các sản phẩm lớn hơn trong tương lai.

9


Phần 2. Tính tốn, thiết kế, mơ phỏng
2.1. Tính tốn
Ta có:
𝑘đ = 16 = 24
 Số phần tử nhớ cần sử dụng là 4
Đồ hình trạng thái:

Hình 1. Đồ hình trạng thái

Bảng kích:
𝑘𝑘

𝑘𝑘+1

𝑘𝑘

0

0

0x

0

1

1x

1

0

X1

1

1

X0

Bảng 1. Bảng kích JK-FF

10


Giả sử gọi tín hiệu điều khiển là R ta quy ước như sau:
 R = 0 đếm thuận
 R = 1 đếm nghịch

Bảng chuyển đổi trạng thái
Tn
R

S

0

S0

0000

0

S1

0

Tn+1

Q4Q3Q2Q1 Q4Q3Q2Q1

J4K4

J3K3

J2K2

J1K1

0001

0x

0x

0x

1x

0001

0010

0x

0x

1x

X1

S2

0010

0011

0x

0x

x0

1x

0

S3

0011

0100

0x

1x

x1

x1

0

S4

0100

0101

0x

x0

0x

1x

0

S5

0101

0110

0x

x0

1x

x1

0

S6

1001

0111

0x

x0

x0

1x

0

S7

0111

1000

1x

x1

x1

x1

0

S8

1000

1001

x0

0x

0x

1x

0

S9

1001

1010

x0

0x

1x

x1

0

S10

1010

1011

x0

0x

x0

1x

0

S11

1011

1100

x0

1x

x1

x1

11


0

S12

1100

1101

x0

x0

0x

1x

0

S13

1101

1110

x0

x0

x0

x1

0

S14

1110

1111

x0

x0

x0

1x

0

S15

1111

0000

x1

x1

x1

x1

1

S15

0000

1111

1x

1x

1x

1x

1

S14

0001

0000

0x

0x

0x

1x

1

S13

0010

0001

0x

0x

x1

1x

1

S12

0011

0010

0x

0x

x0

x1

1

S11

0100

0011

0x

x1

1x

1x

1

S10

1001

0100

x1

1x

0x

x1

1

S9

0110

1001

1x

x1

x1

1x

1

S8

0111

0110

0x

x0

x0

x1

1

S7

1000

0111

x1

1x

1x

1x

1

S6

1001

1000

x0

0x

0x

x1

1

S5

1010

1001

x0

0x

x1

1x

1

S4

1011

1010

x0

0x

x0

x1

1

S3

1100

1011

x0

x1

1x

1x

1

S2

1101

1100

x0

x0

0x

x1

12


1

S1

1110

1101

x0

x0

x1

x1

1

S0

1111

1110

x0

x0

x0

x1

Bảng 2. Bảng chuyển đổi trạng thái

Các phương trình đầu vào kích:
𝑘1 = 𝑘1 = 1
𝑘2 = 𝑘1 = 𝑘 × 𝑘1 + 𝑘1 × 𝑘 = 𝑘1 ⊕ 𝑘
𝑘3 = 𝑘1 = 𝑘 × 𝑘1 × 𝑘2 + 𝑘2 × 𝑘1 × 𝑘 = 𝑘2 × (𝑘2 ⊕ 𝑘)
𝑘4 = 𝑘1 = 𝑘 × 𝑘1 × 𝑘2 × 𝑘3 + 𝑘3 × 𝑘2 × 𝑘1 × 𝑘 = 𝑘3 × (𝑘3 ⊕ 𝑘)
2.2. Thiết kế

Khối

tạo
xung

Khối

Khối

Khối

đếm

giải mã

hiển thị

Hình 2. Sơ đồ khối
2.2.1. Khối tạo xung
- Linh kiện cần dùng: IC 555

13


Hình 3. Sơ đồ chân IC555
a. Chức năng
Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống đặc biệt là đối
với bộ đếm nó quy định các trạng thái ngõ ra.
Có rất nhiều mạch tạo dao động nhưng do sự thông dụng chúng em đã
quan tâm đến mạch dao động sử dụng IC 555 đây làm tim mạch định thời
chuyên dùng có thể mắc thành mạch phi ổn hay đơn ổn.
b. Nguyên lý hoạt động

Hình 4. Mạch nguyên lý IC555

14


Ở trên mạch H đang ở mức 1 và gần bằng Vcc; L là mức 0. Sử dụng FF
– RS.


Khi S = [1] thì Q = [1] và = 𝑘̅= [ 0].



Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = 𝑘̅ = [0].



Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].



Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì 𝑄̅= [1], lúc này Transistor
sẽ mở dẫn, cực C sẽ được nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp
ở chân 6 không vượt quá ngưỡng 𝑘2. Do lối ra của OP – AMP 2 lúc này đang ở
mức 0, FF sẽ khơng được reset.



Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua 𝑘𝑘, 𝑘𝑘,, với thời hằng (𝑘𝑘 +𝑘𝑘)×C.

Tụ C nạp điện áp từ 0V → ⅓ Vcc:



Lúc này V+1(V+ 𝑘𝑘1) > V-1. Do đó 𝑘𝑘1 (ngõ ra của 𝑘𝑘1) có mức logic 1(H).



V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc) . Do đó 𝑘𝑘2 = 0(L).
R = 0, S = 1 → Q = 1 ̅𝑘 = 0.



Q = 1 →Ngõ ra = 1.



𝑄̅= 0 → Transistor hồi tiếp lúc này không dẫn.



(OA viết tắt: OP – AMP)
Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp ⅓ Vcc → ⅔ Vcc:


Lúc này, V+1 < V-1. Do đó 𝑘𝑘1= 0.




V+2 < V-2. Do đó 𝑘𝑘2= 0.
R = 0, S = 0 –> Q, 𝑄̅ sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=1, 𝑄̅=0).



Transistor lúc này vẫn không dẫn.
Tụ C nạp qua ngưỡng ⅔ Vcc:



Lúc này, V+1 < V-1. Do đó 𝑘𝑘1= 0.



V+2 > V-2. Do đó 𝑘𝑘2= 1.



R = 1, S = 0 → Q=0, 𝑘̅= 1.
𝑄̅ = 1 → Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !



Tụ C xả qua Rb. Với thời hằng Rb.C.



Điện áp trên tụ C giảm xuống do do lúc này tụ C đang trong quá trình xả, làm
cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới ⅔ Vcc.



15


Tụ C tiếp tục xả từ điện áp ⅔ Vcc – ⅓ Vcc


Lúc này, V+1 < V-1. Do đó 𝑘𝑘1= 0.

V+2 < V-2. Do đó 𝑘𝑘2 = 0.
R = 0, S = 0 → Q, 𝑄̅sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=0, 𝑄̅=1).




Transistor vẫn đang dẫn.
Tụ C xả qua ngưỡng ⅓ Vcc:



Lúc này V+1 > V-1. Do đó 𝑘𝑘1= 1.



V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc) . Do đó 𝑘𝑘2 = 0.
R = 0, S = 1 → Q = 1, 𝑄̅= 0.






Q = 1 → Ngõ ra = 1.
𝑄̅= 0 → Transistor không dẫn → chân 7 ở mức thấp và tụ C lại được nạp điện
với điện áp ban đầu là ⅓ Vcc.
2.2.2. Khối đếm
- Linh kiện cần dùng: IC7476

Hình 5. Sơ đồ chân IC7476

16


a. Chức năng
Mạch đếm là loại mạch điện sử dụng các FF ghép lại với nhau để thực hiện
các thao tác đến khi có tín hiệu xung đầu vào như vậy mạch đến lần thực hiện
thao tác nghiệp tín hiệu xung ở đầu vào sau mỗi xung đầu vào thì đầu ra có bộ
đếm có thể tăng lên hoặc giảm 1 đơn vị hoặc thay đổi theo một trình tự logic nhất
định.
b. Nguyên lý hoạt động

Hình 6. Mạch nguyên lý IC7476
JK-FF là một loại của Flip Flop có hai đầu vào chức năng J,K và hai đầu ra.
Đầu vào J đóng vai trị thiết lập, đầu vào K đóng vai trị xóa theo quy tắc:
- JK = 00 : FF Giữ nguyên trạng thái cũ
- JK = 01 : FF luôn chuyển đến trạng thái 0
- JK = 10 : FF luôn chuyển đến trạng thái 1
- JK = 11 : FF đảo trạng thái hiện tại

17

2.2.3. Khối giải mã
- Linh kiện cần dùng: IC7447

Hình 7. Sơ đồ chân IC7447
a. Chức năng
Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hóa tức
là nếu có một mã số tác động vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có một ngõ ra
được tác động ,mã ngõ vào thường ít hơn mã ngõ ra.
Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thị
LED 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ.
b. Nguyên lý hoạt động

18


BCD
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011

1100
1101
1110
1111

a
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0

b
1
1
1
1
1
0

0
1
1
1
0
0
1
0
0
0

c
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0

d

1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0

e
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0

0
0
1
0

f
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0

g
0
0
1
1
1
1

1
0
1
1
0
1
1
1
1
0

Hiển thị
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Bảng 3. Giải mã NBCD sang 7 mã vạch sử dụng cho LED 7 thanh
- Nhìn bảng chân lý trên ta thấy với 4 đầu vào sau khi giải mã nó cho ra
15 giá trị của LED 7 đoạn và hiển thị lên được LED 7 đoạn.
- Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng chân lý, trong đó đối với
các ngõ ra 0 là tắt và 1 là sáng . Nghĩa là nếu 74LS47 thúc đèn led 7 đoạn
thì các đoạn a,b,c,d,e,f,g của đèn sẽ sáng hay tắt tùy vào ngõ ra tương
ứng của 74LS47 là 1 hay 0.

-

Ngõ vào xóa RBI được để 0 hay nối lên mức 1 dùng để xóa số 0 (số 0
thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa). Khi RBI và các
ngõ vào A,B,C,D ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều
tắt và ngõ vào xóa dạng sóng RBO xuống mức thấp.

- Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng.
- Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0-15 đèn
led hiển thị các số như ở hình bên dưới

19


2.2.4. Khối hiển thị
- Linh kiện sử dụng: Led 7 thanh anode chung

Hình 8. Sơ đồ chân led 7 thanh
a. Chức năng
Hệ thống hiển thị là một hệ thống điều khiển logic nhằm làm hiển thị các ký
tự hoặc hình ảnh mong muốn (chữ cái ,chữ số..... ) 1 hệ thống hiển thị bao gồm
các phần tử hiển thị và vi mạch điều khiển chúng .
Trong các thiết bị để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó người ta sử dụng
với thông số chỉ ra các dãy số đơn thuần theo yêu cầu của đề bài hiển thị ra LED
7 thanh.
b. Nguyên lý hoạt động
Tất cả các chân anode được nối với nhau với logic là 1. Mỗi phân đoạn được
chiếu sáng bằng cách sử dụng điện trở tín hiệu logic 0 (hay low) vào các cực
cathode (từ a đến g).

Hình 9. Cấu tạo led 7 thanh anode chung

20