THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ ỨNG DỤNG IC74LS90

Đỗ Minh Thắng
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc
ứng dụng các linh kiện bán dẫn đã phần nào giảm bớt được giá thành sản
phẩm bằng các linh kiện rời. Ứng dụng môn kỹ thuật số vào thiết kế các bộ
phận thiết thực hằng ngày giúp chúng ta hiểu được môn kỹ thuật số làm gì
và được ứng dụng vào đâu.
Đồng hồ là một thiết bị rất cần thiết mà hầu như bất cứ ai cũng phải
dùng tới nó. Một chiếc đồng hồ cơ, xem giờ bằng cách nhìn vào kim chỉ ở
vạch chia thời gian sẽ gây khó khăn cho người mới bắt đầu sử dụng. Nhưng
đối với đồng hồ số, thời gian được hiển thị rõ ràng bằng các chữ số sẽ dễ
dàng sử dụng hơn.
Bởi vậy, sau đây em xin thiết kế một mạch đồng hồ số dùng
IC74LS90_ IC rất thông dụng trong kỹ thuật số.
Trong đề tài cũng còn nhiều thiếu sót rất mong sự góp ý của quý thầy
cô và các bạn để được hoàn thiện hơn !.
1
Đỗ Minh Thắng
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN







2
Đỗ Minh Thắng

3
Đỗ Minh Thắng

Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
I. Flip Flop:
1.1 Khái niệm:
Flip Flop được cấu tạo từ các cổng logic, có thể nói FF là tổ hợp các
cổng logic hoạt động theo một quy luật định trước.
FF bao gồm:
4
Đỗ Minh Thắng
- Chân nhận xung đồng hồ, xung nhịp, xung clock (Ck).
- Hai ngõ ra dữ liệu (data) là Q và
Q
.
- Có 1 hoặc 2 ngõ chức năng quy định hoạt động của FF: S, R, D, J, K.
- Ngoài ra FF còn có hai chân: Clr ( clear) và chân Pre ( Preset). Khi tác
động vào chân Clr sẽ xoá FF làm Q = 0,
Q
= 1. Khi tác động vào chân
Pre sẽ đặt FF làm Q = 1,
Q
= 0.
1.2 Hoạt động của FF:
S
J
CP
K
R

Q
_
Q
JK- FF
Khi nhận một xong clock tại chân Ck, FF sẽ thay đổi trạng thái một
lần. Trạng thái mới sẽ tuỳ thuộc vào mức logiccủa các chân chức năng, và
tuỳ thuộc theo bảng sự thật của mỗi loại FF.
1.3 Phân loại FF:
Theo chức năng: có 4 loại: SK- FF, D- FF, T- FF, JK- FF.
Theo trạng thái tác động của xung clock: có 5 loại:
- FF tác đọng mức 0.
5
Đỗ Minh Thắng
- FF tác động mức 1.
- FF tác động cạnh lên.
- FF tác động cạnh xuống.
- FF tác động chủ - tớ.
II. Hệ chuyển mã:
2.1 Số BCD: ( Binary Code Decimal).
Được tạo nên khi ta mã hoá mỗi đecac của một số thập phân dưới
dạng một số nhị phân 4 bit.
18
BCD
→
0001 1000
* Lưu ý: các phép cộng và trừ số BCD được thực hiện giống như số nhị
phân. Tuy nhiên nếu phép tính có nhớ thì sau khi được kết quả ta phải hiệu
đính bằng cách trừ cho 10(D) hay cộng 6(D).
Thông thừờng sau mỗi lệnh cộng hoặc trừ số BCD ta kèm theo lệnh
hiệu đính.

2.2 Hệ chuyển từ mã nhị phân sang mã BCD:
6
Đỗ Minh Thắng
* Bảng sự thật:
Nhị phân BCD
X4 X3 X2 X1 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 0 1 0
0 0 1 1 0 0 0 1 1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1 0 0 1 0 1 0 0 1
1 0 1 0 1 0 0 0 0
1 0 1 1 1 0 0 0 1
1 1 0 0 1 0 0 1 0
1 1 0 1 1 0 0 1 1
1 1 1 0 1 0 1 0 0
1 1 1 1 1 0 1 0 1
III. Hệ mã hoá và giải mã:
3.1 Hệ mã hoá:
Mã hoá thập phân thành nhị phân:
7

Đỗ Minh Thắng
* Bảng sự thật:
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B A
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1
8
1
2
3
4
5
0
6
7
8
9
A
B
C
D
( LSB)
( MSB)

Đỗ Minh Thắng
* Phương trình logic:
D = 8 + 9
C = 4 + 5 + 6 + 7
B = 2 + 3 + 6 + 7
A = 1 + 3 + 5 + 7 + 9
* Sơ đồ mạch logic:

9
1 2 3 4 5 6 7 8 9
A
B
C
D
Đỗ Minh Thắng
3.2. Hệ giải mã:
Xây dựng hệ giải mã cho led 7 đoạn anode chung.
Giải
mã
led
7 đoạn.
* Bảng sự thật:
Input Output
D C B A a b c d e f g
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1
0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0
0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0
10
D

A
B
C
a
b
c
d
e
f
g
Đỗ Minh Thắng
0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0
0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0
0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0
0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0
1 0 1 0 X X X X X X X
1 0 1 1 X X X X X X X
1 1 0 0 X X X X X X X
1 1 0 1 X X X X X X X
1 1 1 0 X X X X X X X
1 1 1 1 X X X X X X X
* Phương trình logic:
a DCBA CA= +
( )b CBA CBA C B A= + = ⊕
c CBA=
( )d CBA CBA CBA CBA C B A= + + = + ⊕

e CB A= +

f BA CB DCA= + +
g DCB CBA= +
Thực tế thường sử dụng IC 7447.
11
Đỗ Minh Thắng
IV. Hệ tuần tự: ( hệ đếm).
4.1 Khái niệm:
Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF.
Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần tử đếm.
Để thành lập một hệ đếm ta sử dụng JK- FF. Nếu có nFF thì thành lập
được hệ đếm có dung lượng tối đa là
2
n
.
VD: 2FF thành lập hệ đếm 4.
3FF thành lập hệ dếm 8.
4FF thành lập hệ đếm 16.
Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song.
* Xét hệ đếm nối tiếp 3bit:
J
CP
K
R
Q
_
Q
J
CP
K
R

Q
_
QJ
CP
K
R
Q
_
Q
4.2 Hệ đếm bất kỳ:
12
Q1 Q2 Q3
CK
1 1 1
Đỗ Minh Thắng
Gọi: N là số trạng thái của 1 hệ đếm bất kỳ
n là số bit đếm.
Ta có:
1
2 2
n n
N
−
< <
.
VD: thành lập hệ đếm 6_ đếm lên.
Ta có:
2 3
2 6 2< <
=> sử dụng 3FF.

J
CP
K
R
QN
Q
J
CP
K
R
QN
QJ
CP
K
R
QN
Q
* Bảng trạng thái:
Số
3
Q
2
Q
1
Q
0 0 0 0
1 0 0 1
2 0 1 0
3 0 1 1
4 1 0 0

5 1 0 1
13
1 1 1
Q1 Q2
Q3
Xoá bit nhớ về
000
Đỗ Minh Thắng
1 1 0
4.3 Ghép các hệ đếm:
Nếu có hai hệ đếm N & M, ta có thể ghép nối tiếp thành hệ đếm có
hung lượng N*M thạng thái.
* Nguyên tắc ghép:
- Đặt xung clock vào bộ đếm M.
- Lấy tín hiệu từ bit có trọng số cao nhất của bộ đếm Mlàm xung clock
cho bộ đếm N.
VD: Hệ đếm 10 ghép với hệ đếm 6 thành hệ đếm 60.
14
4
A
3
A
2
A
1
A
Đếm 10
3
B
2

B
1
B
Đếm 6
MSB
LSB
CK
CK
Đỗ Minh Thắng
Chương II: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH
I. Sơ đồ khối:
K hoái taïo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị
15
Khối tạo
xung dùng
IC555
Mạch đếm
giây dùng
IC74LS90
Mạch giải mã
BCD dùng
IC74LS47
Hiển thị
led 7
đoạn
Mạch đếm
phút dùng
IC74LS90
Mạch giải mã
BCD dùng

IC74LS47
Hiển thị
led 7
đoạn
Đỗ Minh Thắng
* Nhiệm vụ các khối:
Khối tạo xung: tạo xung vuông với tần số 1Hz.
Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lý đưa ra tín hiệu mã
hoá BCD.
Khối giải mã: giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị.
Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu sau giải mã.
II. Khối tạo xung dùng IC NE555:
Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống. Đặc biệt là
đối với bộ đếm, nó quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm.
16
Mạch đếm
giờ dùng
IC74LS90
Mạch giải mã
BCD dùng
IC74LS47
Hiển thị
led 7
đoạn
Đỗ Minh Thắng
Có rất nhiều mạch dùng tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ
quan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 555.
Đây là vi mạch định thời chuyên dùng, có thể mắc thành mạch đơn ổn
hay phi ổn.
2.1 IC NE555:

2.1.1 Đại cương:
Vi mạch định thời LM555 là mạch tích hợp Analog- digital. Do có
ngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số. Vi mạch định thời
LM555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực
điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện
nhiều chức năng như: định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều
khiển các linh kiện bán dẫn công suất như: Transistor, SCR, Triac…
2.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân:
Chân 1: Nối mass.
17
Đỗ Minh Thắng
Chân 2: Trigger Input ( ngõ vào xung nảy).
Chân 3: Output ( ngõ ra).
Chân 4: Reset (đặt lại).
Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển).
Chân 6: Threshold (thềm- ngưỡng).
Chân 7: Discharge ( xả điện).
Chân 8: Nối Vcc.
2.1.3 Sơ đồ cấu trúc bên trong:
* Nguyên lý hoat động:
Bên trong vi mạch IC555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở, thực
hiện các chức năng sau:
- Cầu phân áp gồm 3 điện trở
1 2 3
5R R R k= = = Ω
nối từ Vcc xuống mass,
cho ra hai mức điện áp chuẩn 1/3Vcc và 2/3Vcc.
18
Đỗ Minh Thắng
- So sánh COMP1: là mach khuếch đại so sánh có

1/ 3
in
V Vcc
+
=
nối ra
chân 6,
in
V
−
nối qua chân 2. Tuỳ thuộc vào điện áp chân 2 so với điện
áp chuẩn 1/3Vcc mà so sánh 1 có điện áp mức cao hay mức thấp để
tín hiệu S điều khiển Flip Flop( FF ) hoạt động.
- So sánh COMP2: là mạch khuếch đại so sánh có
in
V
+
nối ra chân 6,
2 / 3
in
V Vcc
−
=
. Tuỳ thuộc vào điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn
2/3Vcc mà so sánh 2 cho ra mức điện áp cao hay thấp để tín hiệu R
điều khiển FF hoạt động.
- Mạch FF là loại mạch lưỡng ổn kích một bên khi chân S có điện áp
cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm ngõ ra Q lên mức
cao,
Q

= 0. Khi S đang ở mức cao xuống mức thấp thì FF không đổi
trạng thái.
o Khi: S = 1
⇒
Q = 1
→

Q
= 0
S = 1
→
0
⇒
FF không đổi trạng thái.
- Khi R có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm
Q
=
1, Q = 0. Khi R đang ở mức cao xuống mức thấp thì R không đổi
trạng thái.
19
Đỗ Minh Thắng
- Mạch khuếch đại đảo nhằm khuếch đại dòng điện cung cấp cho tải, có
ngõ vào là
Q
của FF, nên khi
Q
ở mức cao thì ngõ ra chân 3 có điện
áp thấp
≈
0V và ngược lại.

Transistor T là transistor có cực C để hở, nối ra chân 7. Do cực B được
phân cực bởi mức điện áp ra
Q
của FF, nên khi
Q
ở mức cao thì T
2
bão hoà
và cực C của T
2
coi như nối mass. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp
.Khi
Q
ở mức thấp thì T
2
ngưng dẫn , cực C của T
2
để hở, lúc đó, ngõ ra ở
chân 3 có mức điện áp cao. Theo nguyên lý trên, cực C của T
2
ra chân 7 có
thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra
chân 4.
2.2 Mạch tạo xung:
2.2.1 Sơ đồ mạch:
20
Đỗ Minh Thắng
2.2.2 Nguyên lý hoạt động:
Khi mới cấp nguốn Vcc, tụ bắt đầu nạp từ 0V lên:
OP_AMP 1 có:

in in
V V
+ −
<
=> R = 0
OP_AMP 2 có:
in in
V V
+ −
>
=> S = 1
=> Q = 1,
0Q =

0
1V→ =
: led sáng.
Transistor
2
Q
có
0
B
U =
làm
2
Q
tắt, tụ C tiếp tục được nạp điện, tụ ap
điện qua
1

R
và
2
R
với hằng số thời gian là:
Tnạp = (
1 2
R R+
).C
Khi điện áp Vc tăng > 1/3Vcc, thì:
OP_AMP 1 có:
in in
V V
+ −
<
=> R = 0
21
Out
0
V
Đỗ Minh Thắng
OP_AMP 2 có:
in in
V V
+ −
<
=> S = 0
=> Q = 1,
0Q =

0
1V→ =
: led sáng, FF không thay đổi trạng thái.
Khi điện áp trên Vc tăng > 2/3Vcc, thì:
OP_AMP 1 có:
in in
V V
+ −
>
=> R = 1
OP_AMP 2 có:
in in
V V
+ −
<
=>S = 0
=> Q = 0,
1Q =

0
0V→ =
: led tắt.
Do
Q
= 1 nên
2
Q
dẫn bão hoà làm chân 7
≈
0V, làm tụ C không được

nạp mà xả điện qua
2
R
, qua tiếp giáp CE của
2
Q
và xuống mass.
Tụ xả với hằng số thời gian là:
Txả =
2
.R C
Khi Vc < 2/3Vcc: R = 0, S = 0 : giữ nguyên trạng thái.
Khi Vc < 1/3Vcc: R = 0, S = 1: => Q = 1,
0Q =

0
1V→ =
: led sáng.
Khi
0Q =
,
2
Q
tắt, chấm dứt thời gian xả điện của tụ C. Như vậy, mạch
trở lại trạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện trở lại. Hiện tượng này diễn ra
liên tục và tuần hoàn.
III. Khối đếm:
3.1 IC 74LS90:
3.1.1 Hình dạng:
22

Đỗ Minh Thắng
Bốn chân thiết lập:
1
R
(1),
1
R
(2),
9
R
(1),
9
R
(2).
Khi đặt
1
R
(1) =
1
R
(2) = H ( ở mức cao) thì bộ đếm được xoá về 0 và
các đầu ra ở mức thấp.
9
R
(1),
9
R
(2) là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra:
1
A D

Q Q= =
,
0
B C
Q Q= =
.
NC chân bỏ trống.
IC 7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5:
- Bộ chia 2 do Input A điều khiển đầu ra
A
Q
.
- Bộ chia 5 do Input B điều khiển đầu ra
B
Q
,
C
Q
,
D
Q
.
Đầu vào A, B tích cực ở sườn âm.
Để tạo thành bộ đếm 10 ta nối đầu ra
A
Q
vào chân B để tạo xung kích
cho bộ đếm 5.
23
Đỗ Minh Thắng

A
Q
,
B
Q
,
C
Q
,
D
Q
là các đầu ra.
3.1.2 Sơ đồ logic và bảng trạng thái:
Hình: Sơ đồ cổng logic IC7490
24
Đỗ Minh Thắng
Hình: Bảng trạng thái của IC 7490.
Hình: Sơ dồ đầu ra
A
Q
,
B
Q
,
C
Q
,
D
Q
.

IV. Khối giải mã:
4.1 IC 74LS47:
4.1.1 Đại cương:
25