Báo cáo Bài tập lớn Kĩ thuật số : Thiết kế mạch đo tần số

Trường đại học công nghiệp Hà Nội
Khoa Điện

Bài tập lớn :Kĩ thuật số

Đề tài 3:Thiết kế mạch đo tần số
-Mô tả :dùng để đo và hiển thị tần số xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều
-Khuyến khích :Cho phép chọn các chế độ đo khác nhau(Hz,kHz,MHz…)

Giáo viên hướng dẫn :Nguyễn Thu Hà
Sinh viên thực hiện
Lớp

: Trần Thanh Dũng
:Điện 4-K5


Lời nói đầu
* Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển.khoa học công nghệ
được ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống.Đặc biệt trong công
nghệ điện tử(kĩ thuật số) và đang được ứng dụng nhiều vào trong công nghiệp
và đời sống.Bộ đo tần số hiển thị bằng Led 7 thanh cũng là một trong các sản
phẩm của môn kĩ thuật số.
* Sau một thời gian và học tập em đã tìm hiểu về đề tài:
Thiết kế bộ đo tần số:
Mô tả :Mạch dùng để đo và hiển thị tần số hiển thị tần số xung vuông bằng
led 7 thanh ở 3 chế dộ Hz,Khz,Mhz
*Do kiến thức còn hạn chế mà bài tập lớn còn nhiều thiết xót em mong được sự
đóng góp của các thầy cô giáo trong khoa điện.Đặc biệ ,em xin chân thành cảm
ơn cô :Nguyễn Thu Hà đã giúp em hoàn thành bài tập lớn này!

Phần 1: Tìm hiểu chung về mạch logic tổ
hợp, mạch dãy, mạch dao động.
I.

Mạch logic tổ hợp
1.

2.

3.

Đặc điểm cơ bản và phương pháp thiết kế của mạch
- Đặc điểm: mạch tổ hợp là mạch mà trị số ổn định của tín hiệu đầu ra
ở thời điểm bất kì chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu
vào ở thời điểm đó.
- Phương pháp thiết kế:
+ Phân tích yêu cầu
+ Kê bảng chân lí
+Tiến hành tối thiểu hóa
+ Vẽ sơ đồ logic
Bộ mã hóa
Mã hóa là dung văn tự, kí hiệu hay mã để biểu thị một đối tượng xác
định.
Bộ mã hóa là mạch điện thực hiện thao tác mã hóa.
Các bộ mã hóa:
- Bộ mã hóa nhị phân
Là mạch điện dung n bit để mã hóa N=2n tín hiệụ
- Bộ mã hóa nhị - thập phân
Là mạch điện chuyển mã hệ thập phân bao gồm 10 chữ số 0,1,2…..9

thành mã hệ nhị phân. Đầu vào là 10 chữ số, đầu ra là nhóm mã số
nhị phân,.
- Bộ mã hóa ưu tiên
Bộ mã hóa ưu tiên có thể có nhiều tín hiệu đồng thời đưa đến,
nhưng mạch chỉ tiến hành mã hóa tín hiệu đầu vào nào có cấp ưu
tiên cao nhất ở thời điểm xét.
Bộ giải mã
Giải mã là quá trình phiên dịch hàm ý đã gán cho từ mã
Bộ giải mã là mạch điện thực hiện giải mã từ mã thành tín hiệu đầu ra,
biểu thị tin tức vốn có.
- Bộ giải mã nhị phân
Thực hiện phiên dịch các từ mã nhị phân thành tín hiệu đầu ra
Nếu từ mã đầu vào có n bit thì sẽ có 2 n tín hiệu đầu ra tương ứng
với mỗi từ mã.
-

Bộ giải mã (BCD)- thập phân


-

Là bộ giải mã thực hiện chuyển đổi từ mã BCD thành 10 tín hiệu đầu
ra tương ứng 10 chữ số của hệ thập phân.
Bộ giải mã của hiển thị kí tự
• Hai loại hiển thị số:
+ linh kiện hiển thị bán dẫn
+ đèn hiển thị số 7 thanh chân không
•

4.

5.

6.
7.

II.

Bộ giải mã hiển thị

Bộ so sánh
- Bộ so sánh bằng nhau:
• Bộ so sánh bằng nhau 1 bit
• Bộ so sánh bằng nhau 4 bit
- Bộ so sánh
Bộ cộng
- Bộ cộng nửa
Là mạch điện thực hiện phép cộng nửa, tức là phép cộng hai số 1 bit.
- Bộ cộng đủ
- Bộ cộng có nhớ nối tiếp
Bộ chọn kênh
Rom
- Bộ nhớ cố định chỉ đọc(ROM)
- Bộ nhớ chỉ đọc có thể ghi trình tự (PROM)
- Bộ nhớ chỉ đọc có thể viết lại

Mạch dãy
1.

2.

Đại cương về mạch dãy
a. Đặc điểm
- Một mạch điện được gọi là mạch dãy nếu trạng thái đầu ra ổn định
ở thời điểm xét bất kì không vhir phụ thuộc vào trạng thái đầu vào
thời điểm đó mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái bản thân mạch
điện ở thời điểm trước.
b. Phương pháp phân tích chức năng logic mạch dãy.
- Viết phương trình
- Tìm phương trình trạng thái
- Tính toán
- Vẽ bảng trạng thái
Bộ đếm
- Bộ đếm đồng bộ:
+ bộ đếm nhị phân đồng bộ: cấu trúc bằng Flip Flop T
+ bộ đếm thập phân đồng bộ


3.

4.
5.
III.

+ bộ đếm N phân đồng bộ
- Bộ đếm dị bộ:
+ bộ đếm nhị phân dị bộ
+bộ đếm thập phân dị bộ
- Bộ đếm IC cỡ trung
Bộ nhớ

- Bộ nhớ cơ bản: là mạch điện có chức năng tiếp nhận tín hiệu nhị
phân mã hóa và xóa tín hiệu đã nhớ trước
- Bộ ghi dịch
Bộ tạo xung tuần tự
Bộ nhớ RAM và dụng cụ ghép điện tích CCD

Mạch dao động

1. Bộ phát xung
- Bộ dao động đa hài cơ bản cổng NAND TTL
- Bộ dao động đa hài vòng RC
- Bộ dao đọng đa hài thạch anh
- Bộ dao động đa hài CMOS
2. Trigơ smit
- Trigo smit có thể biến đổi dạng xung, biến đổi vô cùng châm chạp ở
đầu vào thành dạng xung vuông thỏa mãn yêu cầu mạch số ở đầu
ra.
- Có ứng dụng rộng trong các mạch phát xung và tạo dạng xung.
3. Mạch đa hài đợi
- Mạch đa hài đợi CMOS
- Đa hài đợi họ TTL
4. IC định thời họ CMOS

Phần 2: Thiết kế mạch đo tần số đơn giản
I.

Các linh kiện sử dụng
 LED bảy thanh hiển thị 4 số

IC giải mã BCD : 74LS47

IC đếm xung tiến hoặc lùi 10 : 74LS190
IC 555
 Điện trở







Tụ điện
Clock
NAND
Sw-rot -3

II.Chức năng của các linh kiện:
1.74ls190
ở trong bài toán này là của chúng ta là bài toán đếm tiến nên chúng ta phải sử
dụng IC đếm tiến Bài toán này biến dt dùng IC đếm : 74LS190

74LS190 là IC dòng TTL dùng để đếm lên và đếm xuống chia 10 hay gọi là vi
mạch thuận nghịch thập phân (MOD10). Khi có xung vào chân đếm của 74LS190
thì tùy vào điều kiện mà chúng ta cấu hình đếm lên hay đếm xuống thì IC này cứ
mỗi sườn lên của xung đầu vào thì nó giải mã ra mã BCD. Nếu mà đếm lên thì
nó sẽ đếm và giải mã kiểu này : Xung vào thứ 1 nó giải mã BCD ra (0001) tức là
số 1, tương tự như vậy thì xung thứ 2 nó giải mã BCD ra (1000) tức là số 2 cứ
thế cho đến xung thứ 9 và BCD là số 0.
Hình dạng sơ đồ chân của 74LS1190:

II.

Chức năng của từng chân như sau:
+ Vcc là chân cấp nguồn 5V
+ GND là chân cấp nguồn đất
+ Q0 đến Q3 là đầu ra của bộ đếm mã BCD
+ CP là ngõ vào cấp xung Clock cho mạch đếm
+ CE là ngõ cho vào tích cực luôn đặt ở mức logic 0
+ U/D : Chân cấu hình cho đếm lên hay đếm xuông.. Nếu đếm
lên thì mức 0 và đếm lùi là 1
+ PL là ngõ đầu vào thiết lập trạng thái đầu cho mạch đếm : PL
= 0 ; Qi = Ai ( i=0,1,2,3)
+ A0 đến A3 là các đầu vào dữ liệu
+ TC và RC là hai ngõ ra dùng để kết nối liên tầng giữa
hai con 74LS190
Để IC này đếm đúng và chạy đúng thì các pác cần chú
ý đặt mức logic đúng cho các chân đầu vào. Mọi thông
tin chi tiết hơn các pác có thể tham khảo trực tiếp


datasheet của nó.

Tìm hiểu về các linh kiện

2.IC 555
Ic 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo
được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn
giản,điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các
mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh
kiện của hãng CMOS sản xuất .

1.
2.

IC 555

3.
4.
5.
6.
7.

Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường :

8.

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555,
NE7555..)
+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V
+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V
+ Công suất lớn nhất là : 600mW
9.

* Các chức năng của 555:


10.

+ Là thiết bị tạo xung chính xác

+ Máy phát xung
+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)
+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)
Sơ đồ chân IC555:

11.
12. sơ đồ chân IC555

13.
14.

+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là
chân chung.
+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và
được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở
đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó
tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với
0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ
(0.35 ->0.75V) .
+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối
masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng
thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo
được dao động thường hay nối chân này lên VCC.
+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong
IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối
GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu
người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF
đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.

+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện
áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu
điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa
này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C


lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động .
+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng
cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp
từ 2V -->18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555)
15.
16.
17.

Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động:

18.
19.

-Cấu tạo:

20.

cấu tạo bên trong IC 555
22.
Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy cấu trúc của 555 gồm : 2 con OPAM, 3
con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):
- 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp
- Transistor để xả điện.

- Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần.
Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương
của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện
áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở
chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset.
21.

23.

24.
25.

-Nguyên tắc hoạt động:


26.

Nguyên lý hoạt động
28.
Ở trên mạch trên ta bít là H là ỏ mức cao và nó gần bằng Vcc và L là mức
thấp và nó bằng 0V. Sử dụng pác FF - RS
Khi S = [1] thì Q = [1] và = Q- = [ 0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và =Q- = [0].
Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].
Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì Q-= [1], transisitor mở
dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6
không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.
Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C.
* Tụ C nạp từ điện Áp 0V -> Vcc/3:
- Lúc này V+1(V+ của Opamp1) > V-1. Do đó O1 (ngõ ra của Opamp1) có

mức logic 1(H).
- V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) . Do đó O2 = 0(L).
- R = 0, S = 1 --> Q = 1, /Q (Q đảo) = 0.
- Q = 1 --> Ngõ ra = 1.
- /Q = 0 --> Transistor hồi tiếp không dẫn.
* Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 < V-2. Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 0 --> Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=1, /Q=0).
- Transistor vẫn ko dẫn !
* Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 > V-2. Do đó O2 = 1.
27.

29.


- R = 1, S = 0 --> Q=0, /Q = 1.
- Q = 0 --> Ngõ ra đảo trạng thái = 0.
- /Q = 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 tụ C xả, làm cho điện áp tụ C
nhảy xuống dưới 2Vcc/3.
* Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 --> Vcc/3:
- Lúc này, V+1 < V-1. Do đó O1 = 0.
- V+2 < V-2. Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 0 --> Q, /Q sẽ giứ trạng thái trước đó (Q=0, /Q=1).
- Transistor vẫn dẫn !
* Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3:

- Lúc này V+1 > V-1. Do đó O1 = 1.
- V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) . Do đó O2 = 0.
- R = 0, S = 1 --> Q = 1, /Q (Q đảo) = 0.
- Q = 1 --> Ngõ ra = 1.
- /Q = 0 --> Transistor không dẫn -> chân 7 không = 0V nữa và
tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3.
Nói tóm lại các bạn cứ nên hiểu là :
Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao
động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3. (Xem dường đặc tính tụ điện phóng
nạp ở trên)
- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp
ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là
(Ra+Rb)C.
- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở
thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3. Xả điện với thời hằng là Rb.C.
- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện.
30.
31.

Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung của 555:


32.

Điều chế độ rộng xung
34.
Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung.
+ Tần số của tín hiệu đầu ra là :
36. f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))
33.

35.

37.

+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f
+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì :
38.

t1 = ln2 .(R1 + R2).C
39.

+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì :
40. t2 = ln2.R2.C
41.

42.
43.
44.

NHư vậy trên là công thức tổng quát của 555. Tôi lấy 1 ví dụ nhỏ là : để tạo
được xung dao động là f = 1.5Hz . Đầu tiên tôi cứ chọn hai giá trị đặc trưng
là R1 và C2 sau đó ta tính được R1. Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C
= 10nF, R1 =33k --> R2 = 33k (Tính toán theo công thức)
3.led 7 thanh hiển thị 4 số
Các chân của led 7 thanh được đấu vào mạch giải mã theo thư tự
Qa –a,Qb-b,Qc-c,Qd-d,Qe-e………Qg-g.của ic74ls47


Sơ đồ chân và chức năng các chân.

-

Chức năng các chân:

+ Chân 1 : ( GROUND ) Nối mass.
+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.
+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra.
+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.
+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao động.
+ Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh. (đầu kích mức cao).
+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) đầu phóng điện cho tụ trong mạch định thời.
+ Chân 8 : ( Vcc ) Nối với nguồn dương


Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0], = [1], transistor mở dẫn,
cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6
không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.


3. Tìm hiểu IC giải mã 7 đoạn 74LS47.
Vi mạch TTL 74LS47 là một bộ điều khiển - hiển thị được dùng phổ biến. Vi mạch này có các đầu ra
đảo do đó sử dụng với LED Anode chung.
Vi mạch giải mã 7 đoạn 74LS47 là loại IC có 16 chân dùng để giải mã từ mã BCD sang mă 7
đoạn để hiển thị được trên led 7 đoạn.

Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Chức năng của các chân IC 74LS47 :
+ Chân số 8 là chân nối đất (0V).

+ Chân số 16 là chân nguồn cung cấp (VCC).
+ Chân 1, 2 ,6, 7 là các chân tín hiệu vào BCD.
+ Chân 9, 10 ,11, 12, 13, 14, 15 là các chân đầu ra.
+ Chân 3,4,5 là các chân kiểm tra IC.
Chân LT (Lamp Test) được dùng để kiểm tra tình trạng hoạt động (sống hay chết) của các
vạch; trong khi chân RB (Ripper Blanking) được dùng để tắt tất cả các vạch khi yêu cầu ở trạng thái
không hiển thị số.


Nguyên lý hoạt động.

Bảng trạng thái của IC 74LS47
IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt và mức 0 là sáng tương ứng với các
thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại Anode chung, trạng thái ngõ ra tương ứng với các số thập
phân (các số từ 10 đến 15 không dùng tới).
Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bình thường. Nếu nối lên
mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái các ngõ ra.
Ngõ vào xoá RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số
vào xóa RBO xuống mức thấp.
Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng.

4.led 7 thanh hiển thị 4 số
Các chân của led 7 thanh được đấu vào mạch giải mã theo thư tự
Qa –a,Qb-b,Qc-c,Qd-d,Qe-e………Qg-g.của ic74ls47



5.xung clok
Dùng để cấp xung cho đầu vào của mạch.trong bài này xung clock dùng để tạo ra một tần số làm giá
trị cần đo cho mạch

6.buttun(nút ấn)

Được sử dụng để đóng cắt trong mạch
Số nút ấn được sử dụng trong mạch là 2

7.công tắc chuyển mạch sw rot 3
Công tắc này có 3 chân được sử dụng để lựa chọn kênh đo tần số cho mạch đo.