Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số

Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
PHẦN 1: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ
Mục đích, yêu cầu thiết kế:
Mục đích:
- Để nắm vững nguyên tắc thiết kế bộ đếm có sử dụng các Flip Flop đã tích hợp
sẵn trong các vi mạch, nguyên lý tạo xung Clock sử dụng cổng NAND, phương
pháp tối thiểu hóa các hàm Logic bằng bảng Kacno.
- Để phân biệt bộ đếm đồng bộ và không đồng bộ, sự khác nhau giữa bộ đếm
đồng bộ và không đồng bộ.
- Để làm quen với các Vi mạch số được sử dụng phổ biến trong thực tế.
Yêu cầu:
Thiết kế bộ đếm nối tiếp Mod – 10 gồm 4 JK - FF và 1 cổng NAND (có 2 đầu
vào).
I. Phân tích yêu cầu thiết kế, xây dựng sơ đồ khối và chức năng từng khối:
Bộ đếm nối tiếp là bộ đếm không đồng bộ. Bộ đếm với MOD = 10 nên ta sử
dụng 4 Flip Flop. Với 4 Flip Flop ta có thể đếm được 2^4 = 16 trạng thái, mà mạch
đếm chỉ có 10 trạng thái do đó còn 6 trạng thái thừa ta có thể tận dụng các trạng
thái này để tối thiểu hóa các biến đầu vào.
Mạch đếm không đồng bộ là mạch đếm mà xung Clock chỉ được đưa vào Flip
Flop đầu tiên, còn các chân Clock của các Flip Flop sau được lấy từ đầu ra của các
Flip Flop trước.
Vậy yêu cầu của đề bài sẽ là thiết kế mạch đếm không đồng bộ MOD = 10 Sử
dụng 4 Flip Flop JK và một cổng NAND. Mạch gồm 3 khối là khối tạo xung
Clock, khối thực hiện đếm và khối hiển thị.
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
1
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
1. Sơ đồ khối:
Sơ đồ khối chức năng cho mạch đếm
2. Chức năng từng khối:
*Khối nguồn DC 5V: các vi mạch số họ TTL (74LSxxx) thường dùng nguồn

nuôi 1 chiều 5V, vì vậy ta cần có khối tạo nguồn nuôi DC 5V đưa đến tất cả các
khối mạch khác còn lại.
* Khối tạo xung nhịp với chức năng tạo ra xung nhịp chuẩn để kích cho bộ đếm
hoạt động ở sườn âm.
* Khối bộ đếm sử dụng 1 trigơ JK để tạo ra bộ đếm MOD 16
* Khối giải mã hiển thị LED 7 thanh với chức năng nhận các số đếm mã BCD
từ khối bộ đếm chuyển sang để giải mã thành các tín hiệu điều khiển khối LED 7
thanh.
* Khối hiển thị là LED 7 thanh để hiển thị chữ số.
II. Xác định sự phối hợp giữa các khối và chọn linh kiện thực hiện các khối
chức năng:
1. Thiết kế khối nguồn:
Có thể thiết kế với 1 biến áp, 1 điốt cầu chỉnh lưu, 1 tụ lọc và 1 IC ổn áp 5V –
78LS05. Tuy nhiên trong bài thực tập này không yêu cầu thiết kế khối nguồn này
mà được phép lấy luôn từ nguồn 5V, từ nguồn DC điều chỉnh có sẵn.
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
2
Khối tạo
xung nhịp
Khối nguồn DC 5V
Khối bộ
đếm
Khối giải
mã LED
7 thanh
Khối hiển
thị
~220V
Xung Clock Mã 7 thanhMã BCD
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số

2. Thiết kế khối tạo xung nhịp:
Có nhiều cách để tạo xung nhịp cho mạch số, nhưng với yêu cầu đặt ra thì chỉ
cần tạo xung nhịp có tần số vài Hz với độ ổn định không cần cao nên ta sử dụng sơ
đồ:
Sơ đồ tạo xung nhịp đơn giản tần số 1Hz
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
3
Clock
C1
100uF
+
U2B
U1B
R2
4.7k
R1
4.7k
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
IC7400
Sơ đồ chân:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
4
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
3) Thiết kế khối đồng bộ đếm không đồng bộ Mod – 10:
Mạch bao gồm 4 trigơ JK và 1 cổng NAND 2 đầu vào mắc như hình vẽ trên.
Nguyên lý hoạt động của mạch:
J
1
= K
1

= J
2
= K
2
= J
3
= K
3
= J
4
= K
4
= 1
CLK kích cho trigơ 1
Q
1
kích cho trigơ 2
Q
2
kích cho trigơ 3
Q
3
kích cho trigơ 4
Giả sử trạng thái ban đầu của bộ đếm = 0:
Q
4
Q
3
Q
2

Q
1
= 0000
- Khi CLK 1 tích cực, Q
1
chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q
2
, Q
3
và Q
4
giữ
nguyên giá trị 0:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0001
- Khi CLK 2 tích cực, Q
1
chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q
2
chuyển từ 0 lên 1,
sườn dương -> Q
3
giữ nguyên giá trị 0 -> Q

4
, giữ nguyên giá trị 0:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0010
- Khi CLK 3 tích cực, Q
1
chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q
2
= 1, Q
3
giữ
nguyên giá trị 0, Q
4
giữ nguyên giá trị 0:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0011

- Khi CLK 4 tích cực, Q
1
chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q
2
chuyển từ 1 về 0,
sườn âm -> Q
3
chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q
4
giữ nguyên giá trị 0:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0100
- Khi CLK 5 tích cực, Q
1
chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q
2
= 0, Q
3
giữ
nguyên giá trị 1, Q
4
giữ nguyên giá trị 0:
Q

4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0101
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
5
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
- Khi CLK 6 tích cực, Q
1
chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q
2
chuyển từ 0 lên 1,
sườn dương -> Q
3
giữ nguyên giá trị 1, Q
4
giữ nguyên giá trị 0:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0110

- Khi CLK 7 tích cực, Q
1
chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q
2
= 1, Q
3
giữ
nguyên giá trị 1, Q
4
giữ nguyên giá trị 0:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0111
- Khi CLK 8 tích cực, Q
1
chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q
2
chuyển từ 1 về 0,
sườn âm -> Q
3
chuyển từ 1 về 0, sườn âm Q
4
chuyển từ 0 lên 1:
Q

4
Q
3
Q
2
Q
1
= 1000
- Khi CLK 9 tích cực, Q
1
chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q
2
= 0, Q
3
giữ
nguyên giá trị 0, Q
4
giữ nguyên giá trị 1:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 1001
- Khi CLK 10 tích cực, Q
1
chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q

2
chuyển từ 0 lên 1,
sườn dương -> Q
3
giữ nguyên giá trị 0, Q
4
giữ nguyên giá trị 1 khi đó đầu ra cổng
NAND có mức logic 0 -> tích cực cổng xóa CLR vì cậy các trigơ xóa Q về 0. Do
đó ở trạng thái này:
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
= 0000
Như vậy, với trọng số các bit là Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
thì đồ hình chuyển trạng thái của
mạch là:
S
0

S
1
S
2
S
3
S
4
S
5
S
6
S
7
S
8
S
9
Bộ đếm trên có MOD = 10
Bảng trạng thái:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
6
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
t t’ FF - 4 FF - 3 FF - 2 FF - 1
Q
4
Q
3
Q
2

Q
1
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
J4 K4 J3 K3 J2 K2 J1 K1
0 0 0 0 0 0 0 1 0 X 0 X 0 X 1 X
0 0 0 1 0 0 1 0 0 X 0 X 1 X X 1
0 0 1 0 0 0 1 1 0 X 0 X X 0 1 X
0 0 1 1 0 1 0 0 0 X 1 X X 1 X 1
0 1 0 0 0 1 0 1 0 X X 0 0 X 1 X
0 1 0 1 0 1 1 0 0 X X 0 1 X X 1
0 1 1 0 0 1 1 1 0 X X 0 X 0 1 X
0 1 1 1 1 0 0 0 1 X X 1 X 1 X 1
1 0 0 0 1 0 0 1 X 0 0 X 0 X 1 X
1 0 0 1 0 0 0 0 X 1 0 X 0 X X 1
Thực hiện tối thiểu hóa bằng bảng KacNo:
Từ bảng trạng thái ta thấy ngay được J1 = K1 = 1
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
7
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Q2Q1
Q4Q3
00 01 11 10
00 0 1 1 X

01 0 X X X
11 X X X X
10 0 0 X X
Q2Q1
Q4Q3
00 01 11 10
00 X X 1 0
01 X X 1 0
11 X X X X
10 X X X X
J 2= Q’4.Q1 K2 = Q1
Q2Q1
Q4Q3
00 01 11 10
00 0 0 1 0
01 X X X X
11 X X X X
10 0 0 X X
J3 = Q2.Q1
Q2Q1
Q4Q3
00 01 11 10
00 0 0 0 0
01 1 0
11 X X X X
10 X X X X
J4 = Q3.Q2.Q1
K3 = Q2.Q1
K4 = Q1
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin

Q2Q1
Q4Q3
00 01 11 10
00 X X X X
01 0 0 1 0
11 X X X X
10 X X X X
Q2Q1
Q4Q3
00 01 11 10
00 X X X X
01 X X 1 X
11 X X X X
10 0 1 X X
8
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Vậy ta có J1 = K1 = 1
J 2 = Q’4.Q1
K2 = Q1
J3 = Q2.Q1
K3 = Q2.Q1
J4 = Q3.Q2.Q1
K4 = Q1
Với JK kích sườn âm ta sử dụng IC 7476. Sơ đồ chân như sau:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
9
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Bảng chức năng:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
10

Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
IC 7476 chứa 2 trigơ JK, vì vậy ta sử dụng 2 IC 7476 để thiết kế mạch đếm chia
5.
4) Mạch giải mã:
Sử dụng IC 7447:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
11
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Chức năng của IC 7447 là bộ giả mã và kích thích hiển thị
A, B, C, D là các đầu vào, trong đó D có trọng số lớn nhất
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
12
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
5) Khối hiển thị sử dụng đền LED 7 thanh:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
13
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Do đầu ra của IC 7447 tích cực ở mức thấp nên ta sử dụng LED 7 thanh chung
Anot
- Cấu tạo của đèn LED 7 thanh:
Chân 3 và chân 8 thông nhau
III. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
14
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
IV. Dạng tín hiệu đã quan sát:
Dạng sóng ra của bộ đếm MOD – 10 như hình dưới đây:
PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ
Nhiệm vụ thiết kế
MẠCH TẠO XUNG VUÔNG MỘT CỰC TÍNH

Mục đích và yêu cầu:
Mục đích:
Tạo ra dãy xung vuông một cực tính
Yêu cầu:
Điện áp vào 220V/50Hz
Tần số 100Hz < f < KHz
Biên độ xung ra là 9V
I. Phân tích yêu cầu thiết kế:
Tín hiệu xung là tín hiệu biến thiên không liên tục (rời rạc) theo thời gian. Có 2
loại sung chính là xung vuông và xung tam giác với các thông số đặc trưng:
U
m
: Biên độ của xung
t
x
: Độ rộng của xung
T: Chu kỳ của xung (f = 1/T: tần số của xung)
Trong kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xung đóng vai trò quan trọng và có ứng dụng
khá rộng rãi. Các mạch tạo xung được ứng dụng trong các mạch điều khiển, đặc
biệt là mạch điều khiển báo động, mạch định thời, mạch dò. Trong thực tế đa số
các mạch tạo xung đều tích hợp trong IC.
Mạch tạo xung một cực tính là mạch chỉ tạo xung vuông dương.Từ điện áp
220V/50Hz ta cho qua biến áp để hạ áp điện áp xoay chiều, sau đó cho đi qua bộ
chỉnh lưu để chỉnh lưu điện áp xoay chiều, sau đó cho qua bộ lọc phẳng để tạo ra
điện áp một chiều. Điện áp một chiều này sau đó được đưa qua mạch dao động đa
hài tạo ra xung vuông có tần số và biên độ theo ý muốn.
Yêu cầu của bài toán:
Thiết kế mạch tạo xung vuông một cực tính với:
Biên độ xung 9V
Tần số xung thay đổi trong phạm vi từ 100Hz đến 1KHz

Điện áp cung cấp từ mạng là 220V/50Hz
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
15
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
II. Thiết kế mạch tạo xung vuông một cực tính:
1. Sơ đồ khối:
Sơ đồ kối tạo xung vuông
1.1 Khối hạ áp:
Có cấu tạo là 2 cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên các lá thép mỏng cách
điện: cuộn thứ nhất gọi là cuộn sơ cấp có số vòng dây là N1; cuộn thứ 2 là cuộn
thứ cấp có số vòng dây là N2. Khối hạ áp có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều.
Hệ số biến đổi điện áp:
U
1
/U
2
= N
1
/N
2
Sơ đồ biến áp xoay chiều:
1.2 Khối chỉnh lưu:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
16
Hạ áp Chỉnh lưu
Lọc phẳng
Dao động
220V
U1 N1 N2 U2
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số

Khối này chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Khối chỉnh lưu
cả chu kỳ điện áp, tạo thành điện áp một chiều.
Sơ đồ mạch chỉnh lưu:
Sơ đồ dạng tín hiệu sau chỉnh lưu:
1.3 Khối lọc phẳng:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
17
Uac
Udc
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Chức năng là lọc các thành phần xoay chiêu còn tồn tại trong mạch sau khi đi
qua bộ chỉnh lưu cầu và các thành phần cao tần.
Các phần tử được dùng là các tụ có điện dung lớn, thường chọn tụ 1000µF hoặc
2200µF để lọc thành phần nhấp nhô xoay chiều và tụ 104 để lọc thành phần cao
tần.
Sơ đồ mạch lọc:
Sơ đồ dạng tín hiệu sau khi qua bộ lọc:
1.4 Khối tạo dao động:
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
18
+
U
0
Dạng điện áp sau chỉnh lưu
Dạng điện áp sau khi qua bộ lọc
0
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Mạch này có chức năng tạo ra chuỗi xung vuông một cực tính.
Sơ đồ mạch:
Hoạt động của mạch dao động tạo xung vuông:

Khi cấp nguồn điện sẽ có một transistor tắt. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp
dương C
2
B
1
và C
1
B
2
sẽ làm cho transistor dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa,
transistor dẫn điện yếu hơn tiến dần đến cấm hoàn toàn.
Giả sử ban đầu transister T
1
thông, khi đó tụ C
1
được nạp điện từ R
C2
qua C
1
làm
dòng I
B1
tăng cao dẫn đến T
1
tiến dần đến báo hòa. Khi T
1
bão hòa, dòng I
C1
tăng
cao và U

C1
= U
CE1 sat
~ 0,2V, tụ C
2
phóng điện từ +C
2
qua T
1
và R
1
về -C
2
, điện áp
âm trên tụ C
2
được đưa vào cực bazơ của transistor T
2
làm cho T
2
tắt.
Thời gian cấm của tụ C
2
chính là thời gian phóng điện tụ C
2
được đưa tới R
1
,
sau khi tụ xả hết điện thì cực bazơ của T
2

được phân cực nhờ điện trở R
1
làm cho
T
2
dẫn bão hòa khi đó U
C2
= U
CE2 sat
~ 0,2V. Do đó dẫn tới tụ C
1
phóng điện, tụ
phóng điện từ +C
1
qua T
2
và R
1
về -C
1
đưa và cực bazơ của T
1
làm cho T
1
tắt, khi
đó tụ C
2
được nạp điện từ +E
CC
qua R

C1
, +C
2
qua bazơ T
2
xuống đất làm cho dòng
I
B2
tăng lên cao và T
2
bão hòa nhanh.
Thời gian cấm của tụ C
1
chính là thời gian phóng điện của tụ C
1
được đưa tới
R
2, sau khi tụ
xả hết điện thì cực bazơ của T
1
được phân cực nhờ điện trở R
2
làm cho T
2
dẫn bão hòa như trạng thái giả thiết ban đầu, hiện tượng này được lặp đi lặp lại
tuần hoàn tự dao động.
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
19
Ura
Ura

Uvào
0
0
T2
1
T1
C1
C2
+
R31
R21
R1
Rc1
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Đặc tuyến truyền đạt:

Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
20
U
v
U
ra
max
U
r
U
ngắt
U
ra
min

U
đóng
Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số
Khoa Công nghệ điện tử - Thông tin
21