THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN, NGHỊCH ĐỒNG BỘ Kđ=16, SỬ DỤNG D-FF, HIỂN THỊ SỐ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.77 MB, 33 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

BỘ CÔNG THƯƠNG

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI</b>

<b>KHOA CƠ KHÍ</b>

<b>ĐỒ ÁN MƠN KỸ THUẬT XUNG SỐ</b>

<b>TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN, NGHỊCHĐỒNG BỘ Kđ=16, SỬ DỤNG D-FF, HIỂN THỊ SỐ ĐẾM</b>

<b>TRÊN LED 7 THANH</b>

Giáo viên hướng dẫn: ThS.Hà Thị Phương

Sinh viên thực hiện : Trần Thái Dương 2021608140

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>Chương 3 CHẾ TẠO LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH···32</b>

3.1.1 Liệt kê các linh kiện cần dùng···32

3.1.2 Mạch sau khi thiết kế hoàn chỉnh···32

<b>Chương 4 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN···34</b>

4.1 Đánh giá sản phẩm···34

4.2 Tính thực thế của sản phẩm···34

4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển···34

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Hình 1 : Sơ đồ khối của bộ đếm...7

Hình 2 : Đồ hình trạng thái tổng quát của bộ đếm...7

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Bảng 2.1 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED1...15Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED2...15Bảng 2.3 Giá trị và chức năng của các linh kiện...16

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoahọc cơng nghệ nói chung và ngành cơng nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng cónhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại vàvăn minh hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt nhữngthiết bị có các đặc điểm với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạtvà hoạt động ổn định . Đó là những yếu tố cần thiết làm cho năng suất, hiệuquả trong công việc được tăng cao, hoạt động của con người được giảm bớt.Xuất phát từ thực tế, nên em chọn đề tài “Mạch đếm thuận, đồng bộ, nhị phânvới kđ=16 sử dụng D-FF ” được sử dụng để đếm thời gian, đếm sản phẩm,đèn giao thông, chia tần số và điều khiển các mạch khác……

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài báo cáo này, tuy nhiên chúng em vẫnkhơng thể tránh sót mong q thầy, cơ và bạn đọc đóng góp ý kiến để đồ áncó thể hồn thiện hơn.

Cuối cùng em xin cảm ơn cô Hà Thị Phương đã nhiệt tình hướng dẫn và giúpđỡ em trong suốt quá trình làm bài tập lớn này để em được hoàn thành vớithời gian sớm nhất và hoàn chỉnh nhất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về bộ đếm nhị phân nghịch, đồng bộ1.1.1Khái niệm</b>

Mạch đếm là một mạch dãy đơn giảm được xây dựng từ các phần tử nhớvà 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, mạchcó 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 nóchỉ có một đầu vào. Do đó, nếu xung đồng bộ (CLK) xuất hiện khác thời điểmxung đếm (Xđ) xuất hiện thì việc đếm xung khơng thực hiện được nên mạchđếm phải có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉcó một đầu vào.

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

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<i><small>Hình 2: Đồ hình trạng thái tổng qt của bộ đếm</small></i>

Khi khơng có tín hiệu vào đếm ( <i><small>Xđ</small></i><small>´</small> ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu(i = i) khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp

Phân loại theo cách làm việc:

+ Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổitrạng thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm. Mọisự chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông quatrạng 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 ítnhất một cặp chuyển biến trạng thái Si = Sj mà trong đó các FF khơng thayđổi 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 = <small>2</small><i><sup>n</sup></i>: Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sửdụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hố tốiđa là <small>2</small><i><small>n</small></i>. (Kđ = 2, 4, 8, 16...)

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = <small>2</small><i><sup>n</sup></i>: Sử dụng n FF để mã hoá các trạng tháitrong cho bộ đếm, sẽ có ( <small>2</small><i><sup>n</sup></i>- Kđ) trạng thái khơng được sử dụng đến. Do vậykhi thiết kế bộ đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái không sử dụng tức là cầnphải có biện pháp làm cho bộ đếm thốt khỏi các trạng thái đó một cách hợplý để trở về chu trình đúng mà vẫn phải đảm bảo bộ đếm được thiết kế là đơngiản. (Kđ = 3, 5, 6, 7, 10...)

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong nàyđến trạng thái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hoá bởimột mã cụ thể. Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá trạng tháitrong khác nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thựchiện khác nhau.

- Mã nhị phân, Mã Gray- Mã BCD, Mã Johnson- Mã vòng...

<b>Phân loại theo hướng đếm:</b>

+ 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 mãhoá 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.

<b>Phân loại theo khả năng lập trình:</b>

+ 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.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Chúng ta đang sống trong thế kỉ của khoa học, của tri thức cùng với đólà sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và khoa học ứng dụng. Kỹthuật điện tử cũng nằm trong số đó, nó đang phát triển rất nhanh và ứng dụngrộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội. Con người đang chuyển dần từ điềukhiển bằng tay sang điều khiển tự động.

Nền công nghiệp đã đạt được nhũng thành tựu nhờ ứng dụng của khoahọc kỹ thuật và công nghệ. Máy móc đã thay thế con người trong nhiều cơngviệc đặc biệt là công việc nặng nhọc.

Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ với sự ra đời củahàng loạt các vi mạch. Sự phát triển của kĩ thuật điện tử như ngày nay khiếncho nhu cầu tiếp xúc với lĩnh vực điện tử số không thể thiếu được.

Để xây dựng một thiết bị hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm,thanh ghi, bộ nhớ, … trong đó mạch đếm là thơng số cơ bản của hệ thống. Vàđể hiểu rõ hơn về mạch đếm chúng tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế bộ đếm nhịphân, thuận, đồng bộ Kđ =16, sử dụng D-FF, hiển thị số đếm trên LED 7thanh”. Hệ đếm nhị phân được cấu trúc bởi các trigger, các trạng thái ngõ rađược xác lập dưới dạng mã nhị phân biểu thị bằng trạng thái 0 và 1

Căn cứ vào sự tác động của xung đầu vào, người ta chia làm hai loại: bộđếm đồng bộ và bộ đếm không đồng bộ

 Bộ đếm đồng bộ là bộ đếm mà đầu vào xung nhịp của tất cả các flops riêng lẻ bên trong bộ đếm đều được đồng bộ hóa cùng một lúc bằngcùng một tín hiệu xung nhịp.

flip- Bộ đếm không đồng bộ hay thường được gọi là bộ đếm gợn. Đó là mộtsự sắp xếp theo tầng của các flip-flop trong đó đầu ra của một flip-flop điềukhiển đầu ra xung nhịp của flip-flop sau. Một bộ đếm gợn bao gồm một loạtcác flip-flop khen ngợi trong đó đầu ra của mỗi flip-flop được kết nối với đầuvào đồng hồ của flip-flop bậc cao tiếp theo.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Trong một bộ đếm đồng bộ, tất cả các flip-flop được kích hoạt bởi cùngmột tín hiệu đồng hồ và các đầu ra của trạng thái thay đổi bộ đếm cùng mộtlúc, do đó khơng có độ trễ lan truyền vốn có giữa các đầu ra khác nhau. Trongbộ đếm không đồng bộ, ngược lại với bộ đếm đồng bộ, đầu vào đồng hồ củaflip-flop khơng được kích hoạt bởi cùng một tín hiệu đồng hồ; trong thực tế,đầu ra của một flip-flop ổ đĩa khác. Điều này dẫn đến độ trễ thời gian tiếptheo giữa các đầu ra từ một lần lật này sang lần khác.

Bởi vì tất cả các flip-flop được đồng hồ cùng một lúc, một bộ đếm đồngbộ có cùng số lượng và loại flip-flop có thể hoạt động ở tần số xung nhịp caohơn nhiều so với bộ đếm khơng đồng bộ. Vì tín hiệu đồng hồ được áp dụngđồng thời cho các đầu vào đồng hồ của tất cả các flip-flop, khơng có độ trễthời gian giữa các đầu ra khác nhau.

<b>1.3 Đối tượng nghiên cứu</b>

- Quy trình thiết kế của mạch tổ hợp.- Phần mềm mô phỏng Proteus.- Phần mềm vẽ mạch in Altium.

- 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 cơng.- Kĩ năng khoan, hàn mạch điện tử.

<b>1.4 Phạm vi nghiên cứu</b>

- 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

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

- Đảm bảo an toàn lao động.

<b>1.5 Ý nghĩa thực tiễn</b>

- 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.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b>Chương 2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ2.1 Sơ đồ khối</b>

<b>Khối Nguồn:</b>

Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch ở đây là nguồn ổn định 5V. Nếu nguồnkhông ổn định sẽ dẫn tới hoạt động mạch bị gián đoạn.

Biến đổi tín hiệu điện một chiều thành tín hiệu điện có xung và tần số theoyêu cầu. Tạo xung đồng bộ điều khiển có chu kỳ khơng đổi hoạt động củamạch.

<b>Khối điều khiển:</b>

Thực hiện thao tác mã hóa. Căn cứ vào yêu cầu, đặc điểm khác nhau của tínhiệu được mã hóa có các bộ mã hóa khác nhau: bộ mã hóa nhị phân, bộ mãhóa thập phân.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>Tên linh kiện Giá trịChức năng</b>

đếm

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

- Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi làchân chung.

- Chân số 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh vàđược dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp. Mạch so sánh ởđây dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc.

- Chân số 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạngthái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. Mức 1 ở đây là mức cao,nó tương đương với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đươngvới 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó trongkhoảng 0.35- 0.75V 20

- Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối massthì ngõ ra ở mức thấp. Cịn khi chân 4 nối vào mức điện áp cao thì trạng tháingõ ra tùy theo mức điện áp trên chân 2 và chân 6. Nhưng mà trong mạch đểtạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc.

- Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn trong IC555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngồi cho nối GND.Chân này có thể khơng nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người tathường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF cáctụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

- Chân số 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện ápkhác và cũng được dùng như một chân chốt.

- Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử vàchịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóanày đóng lại, ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R-C lúc IC 555 dùng như một tầng dao động.

- Chân số 8(Vcc) là chân cung cấp áp và dịng cho IC hoạt động. Khơng cóchân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V-18V.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Sơ đồ chân:

74LS83 là một full adder nhị phân 4 bit tốc độ cao. Nó chấp nhận hai từ nhị phân 4 bit (A1 – A4, B1 – B4) và một đầu vào mang (C0). Nó tạo ra các đầu ra sum nhị phân (R1 – R4) và đầu ra mang (C4) từ bit quan trọng nhất.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

- Chân 16 cấp nguồn VCC 5V, nếu quá 5V thì IC này sẽ bị chết. - Chân 8 là chân nối GND (mass).

- Các chân 1,2,6,7 là các chân tín hiệu vào ứng với A, B, C, D.

- Các chân 15,14,13,12,11,10,9 là các chân ra, các chân này sẽ được nối vớiled bảy thanh và được nối như hình trong mạch ngun lí.

- Chân thứ 3 LT (Lamp Test) như tên gọi của nó, chân 3 này là chân kiểm traled bảy đoạn, nếu ta cắm chân này xuống mass thì bộ giải mã sẽ sáng cùnglúc với bảy đoạn. Chân này chỉ phục vụ để kiểm tra xem có led nào bị hỏnghay khơng và trong thực tế khơng sử dụng nó.

- Chân 4 (BI/RB0) luôn luôn được kết nối với mức cao, nếu kết nối với mứcthấp thì tồn bộ led sẽ khơng sáng bất chấp trạng thái ngõ vào là mức gì. - Chân 5 (RBI) kết nối với mức cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

<i><small>Hình 17: ICHEF4070BP</small></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Màn hình 7 phân đoạn là một trong những loại màn hình phổ biến đượcsử dụng trong nhiều loại ứng dụng và thiết bị nhúng khác nhau. Những mànhình này có 8 đèn LED bên trong để hiển thị số và bảng chữ cái.

- Chân 1-e : Điều khiển đèn LED phía dưới bên trái của màn hình 7 đoạn- Chân 2-d : Điều khiển đèn LED dưới cùng của màn hình 7 đoạn

- Chân 3, 8-com : Đã kết nối với Ground/Vcc dựa trên loại màn hình- Chân 4-c : Điều khiển đèn LED phía dưới bên phải của màn hình 7 đoạn- Chân 5-DP : Điều khiển đèn LED dấu thập phân của màn hình 7 đoạn- Chân 6-b : Điều khiển đèn LED trên cùng bên phải của màn hình 7 đoạn- Chân 7-a : Điều khiển đèn LED trên cùng của màn hình 7 đoạn

- Chân 9-f : Điều khiển đèn LED trên cùng bên trái của màn hình 7 đoạn- Chân 10-g : Điều khiển đèn LED giữa của màn hình 7 đoạn

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<b>2.4 Thiết kế</b>

Sơ đồ thiết kế mạch logic trên phần mềm Proteus

<i><small>Hình 2-19 Sơ đồ thiết kế mạch logic trên phần mềm Proteus</small></i>

Mạch ngun lý mơ phỏng trên proteus

Sơ đồ mơ phỏng trên phần mềm Proteus

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<i><small>Hình 2-21 Sơ đồ mơ phỏng</small></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<small>CHẾ TẠO LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH </small>

Bằng việc tham khảo các tài liệu ta cần các linh kiện sau: IC 555, 7SEG (2), IC 74LS08, IC 74HC32, IC 74LS47 (2), IC 74LS76 (2), IC 4070, nút nhấn, điện trở, tụ điện,…

Mạch sau khi thiết kế hồn chỉnh

<i><small>Hình 19: Mặt trước của sản phẩm</small></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<b>Chương 3 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN3.1 Đánh giá sản phẩm </b>

Ưu điểm: mạch chạy đúng yêu cầu, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, chi phí phù hợp.

Nhược điểm: bố trí mạch chưa khoa học, thiết kế chưa mang tính cơng nghiệp.

Đây là đề tài rất hay và được ứng dụng rất nhiều trong đời sống cũngnhư trong công nghiệp. Nhằm tăng năng suất, hiệu quả trong công việc vàgiảm sức lao động của con người. Mạch đếm được đưa vào sử dụng thay thếcon người trong công việc như đếm sản phẩm, đếm thời gian, đèn giao thông,chia tần số và điều khiển các mạch khác… Với đặc điểm tiện lợi, chính xáccao, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, mạch đếm nhanh chóng được biếtđến và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực.

<b>3.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển </b>

Hướng phát triển: Có thể thay thế các linh kiện, IC tạo xung, IC điềukhiển, IC giải mã… bằng các linh kiện khác trên thị trường mà vẫn đáp ứngđược nhu cầu của đề tài.

Đề xuất cải tiến: thiết kế mạch phù hợp hơn, để mạch được thống nhất,không bị rối mắt vì phải câu dây nhiều.

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

<i>[1].Nguyễn Thị Thu Hà-Lê Văn Thái-Nguyễn Ngọc Anh, (2013), Giáo trình</i>

<i>Điện tử số, Hà Nội, NXB Khoa học và Kỹ thuật..</i>

<i>[2].Trần Đình Thơng -Nguyễn Thị Thu Hà,(2016),Giáo trình Mạch điện tử,</i>

Hà Nội, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

</div>