HAUI-ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4, SỬ DỤNG JKFF

1

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
HỒNG MINH THIỆN

---------------------------------------

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN- NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI
KĐ=4, SỬ DỤNG JK-FF

NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

CBHD: ThS. Vũ Thị Hoàng Yến
Sinh viên: Hoàng Minh Thiện
Mã số sinh viên: 2019607903

Hà Nội- Năm 2020
MỤC LỤC


2

MỤC LỤC HÌNH ẢNH


3

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

4
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa
học cơng nghệ nói chung và ngành cơng nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng có
nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và
văn minh hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những
thiết bị có các đặc điểm với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạt
và hoạt động ổn định . Đó là những yếu tố cần thiết làm cho năng suất, hiệu
quả 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- NGHỊCH,
ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4 SỬ DỤNG JK-FF ” được sử dụng để
đếm thời gian,đếm sản phẩm, đèn giao thông, chia tần số và điều khiển các
mạch khác……
Đồ án điện tử cơ bản gồm có 4 chương:
CHƯƠNG 1: Tổng quan-Cơ sở lý thuyết.
CHƯƠNG 2: Thiết kế bộ đếm, thiết kế mơ phỏng, tính tốn.
CHƯƠNG 3: Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh.
CHƯƠNG 4: Kết quả-Kết luận.
Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài báo cáo này, tuy nhiên vẫn khơng thể tránh
sót mong q Thầy, cơ và bạn đọc đóng góp ý kiến để đồ án có thể hồn thiện
hơn.
Cuối cùng em xin cảm ơn ThS. Vũ Thị Hoàng Yến đã nhiệt tình hướng dẫn và
giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án này để em được hoàn thành với
thời gian sớm nhất và hoàn chỉnh nhất.


5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN- CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khái niệm:
Mạch đếm là một mạch dãy đơn giảm được xây dựng từ các phần tử nhớ và
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, mạch
có 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 nó chỉ có
một đầu vào. Do đó, nếu xung đồng bộ (CLK) xuất hiện khác thời điểm xung
đếm (Xđ) xuất hiện thì việc đếm xung khơng thực hiện được nên mạch đếm
phải có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ có
một đầu vào.

Hình 1. 1. Sơ đồ khối của bộ đếm.


6
Đồ hình trạng thái:
Đồ hình là mơ hình mơ tả sự chuyển đổi các trạng thái trong hay chính là mơ
tả hoạt động của bộ đếm.

Hình 1. 2. Đồ hình trạng thái tổng qt của bộ đếm.

Khi khơng có tín hiệu vào đếm ( ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i  i)
khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp( i i+1).
Khi bộ đếm ở trạng thái nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm sẽ trở
về trạng thái ban đầu và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duy
nhất.
Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạch

giải mã.
Phân loại:
Có nhiều cách phân loại bộ đếm:
Phân loại theo cách làm việc:
+ Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổi trạng
thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm. Mọi sự
chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạng
thái trung gian .(SiSj)


7
Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ.
+ Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter): là bộ đếm tồn tại ít nhất
một cặp chuyển biến trạng thái Si  Sj mà trong đó các FF khơng thay đổi
trạng thái đồng thời. (Si  Si’ Si’’ Sj)
Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF.
Phân loại theo hệ số đếm.
+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sử dụng n
FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hoá tối đa là .
(Kđ = 2, 4, 8, 16...
+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong
cho bộ đếm, sẽ có ( - Kđ) trạng thái khơng được sử dụng đến. Do vậy khi thiết
kế bộ đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái không sử dụng tức là cần phải có
biện pháp làm cho bộ đếm thốt khỏi các trạng thái đó một cách hợp lý để trở
về chu trình đúng mà vẫn phải đảm bảo bộ đếm được thiết kế là đơn giản. (Kđ
= 3, 5, 6, 7, 10...)
Phân loại theo mã:
Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đến
trạng thái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hoá bởi một
mã cụ thể. Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá trạng thái trong

khác nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiện
khác nhau.
-Mã nhị phân, Mã Gray
-Mã BCD, Mã Johnson
-Mã vòng...
Phân loại theo hướng đếm:
+ 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)


8
Chú ý: Khái niệm thuận nghịch chỉ là tương đối chủ yếu là do vấn đề mã hoá
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.
Phân loại theo khả năng lập trình:
+ 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.

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐẾM,THIẾT KẾ MƠ PHỎNG, TÍNH
TỐN
Sơ đồ khối:


9

Hình 2. 1. Sơ đồ khối của mạch đếm.

Thiết kế bộ đếm:
Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:
- Bước 1: Xác định các yêu cầu của bài tốn
Phân tích u cầu đầu bài tìm ra số trạng thái trong.
- Bước 2: Lập đồ hình trạng thái
Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế như: hệ số đếm và một số
các yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mơ tả hoạt động của bộ đếm.
- Bước 3: Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa các trạng thái trong
của
bộ đếm theo mã đã cho.
Số phần tử nhớ được xác định như sau:
+Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ
+Mã vòng n = Kđ
+Mã Johnson n = 1/2 Kđ
- Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra:
Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng ra để xác định phương trình
kích cho các FF và phương trình hàm ra.
- Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực hiện


10
Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra
sơ đồ mạch thực hiện.
Thiết kế mơ phỏng:
Để có một bộ đếm có thể làm việc ở cả hai chức năng: thuận và nghịch người
ta sử dụng thêm một tín hiệu điều khiển.
Giả sử gọi tín hiệu điều khiển là R, ta quy ước như sau:
R = 0 đếm thuận
R = 1 đếm nghịch
Khi đó phương trình đầu vào kích của bất kỳ một FF nào cũng sẽ là:

Ji = Jith . + Jing.R
Ki = Kith. + King.R
Tính tốn:
Bộ đếm thuận nghịch đồng bộ mã nhị phân với Kđ = 4.
Kđ = 4, có 4 trạng thái, do đó cần sử dụng hai phần tử nhớ JK-FF.
Đồ hình trạng thái của bộ đếm thuận nghịch Kđ = 4 được minh hoạ ở hình
2.2.

Hình 2. 2. Đồ hình trạng thái của bộ đếm thuận nghịch Kđ=4.

Bảng 2. 1. Bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị đầu vào kích.


11

S
R

AB

AB

0

S0

00

01

0X

1X

0

S1

01

10

1X

X1

0

S2

10

11

X0

1X

0

S3

11

00

X1

X1

1

S3

00

11

1X

1X

1

S2

01

00

0X

X1

1

S1

10

01

X1

1X

1

S0

11

10

X0

X1

Phương trình các đầu vào kích:
== 1

== R

B

Sơ đồ logic:

Hình 2. 3. Sơ đồ logic.
Thử nghiệm mô phỏng trên phần mềm Proteus và phần mềm Altium.


12

Hình 2. 4. Mạch ngun lí mơ phỏng trên phần mềm Proteus.

Hình 2. 5. Giản đồ xung ở đầu ra dạng sóng trên phần mềm Proteus.


13

Hình 2. 6. Mạch ngun lí mơ phỏng trên phần mềm Altium.

Hình 2. 7. Mạch in 2D mơ phỏng trên phần mềm Altium.


14

Hình 2. 8. Mạch in 3D mơ phỏng trên phần mềm Altium.

Hình 2. 9. Mạch sau khi hồn thành thiết kế.
YÊU CẦU KĨ THUẬT:









Kích thước BOARD mạch là : 106.68mm x 34.544mm.
Thiết kế mạch in 1 lớp BOTTOM.
Khoảng cách Clearance là: 0.3mm.
Độ rộng đường GND là: 0.8mm.
Độ rộng đường VCC là: 0.7mm.
Độ rộng đường NET là: 0.5mm.
Phủ đồng cho GND.


15

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH


16
1.Liệt kê các linh kiện cần dùng
IC 555, 7SEG, IC 74LS86, IC 74LS73, IC 74LS47,nút nhấn…..
2.Trình bày giá trị, chức năng linh kiện, cách lắp linh kiện
Bảng 3. 1. Bảng liệt kê linh kiện, giá trị linh kiện và chức năng.
Tên linh kiện
IC 555
7SEG

IC 74LS86

Giá trị
2V-18V

IC 74LS73
IC 74LS47

5v
5v

5v

Chức năng
Tạo xung cho mạch điều khiển
Hiển thị giá trị đếm
Cổng logic XOR, điều khiển tín hiệu
mạch đếm.
Trigger JK-FF
IC giải mã cho led 7seg

3.NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG
3.3.1. Khối tạo xung – IC 555:
IC 555 là một Ic tạo xung rất đa năng, Tạo xung vuông rất đơn giản.
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 một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp. Mạch so sánh ở đây
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. Trạng

thái 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 đương
với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này khơng được 0V mà nó trong
khoảng 0.35-0.75V
Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối mass thì
ngõ ra ở mức thấp. Cịn khi chân 4 nối vào mức điện áp cao thì trạng thái ngõ
ra tùy theo mức điện áp trên chân 2 và chân 6. Nhưng mà trong mạch để tạo
được dao động thường hay nối chân này lên Vcc.


17
Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn trong IC
555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngồi 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 một chân chốt.
Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử và chịu
điều khiển bởi 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 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 có
chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V-18V.
Tần số được tính như sau:

F=
C2 là tụ nối với chân số 5
R2 là chân giữa chân 7 và chân R1 là biến trở.
3.3.2. Khối Trigger JK – IC 74LS73:

Chân 4 (VCC) đây là chân cấp nguồn 5V để cho IC hoạt động nếu lớn quá IC
có thể bị chết hoặc nhỏ q thì Ic sẽ khơng làm việc
Chân 11(GND) là chân nối mass để tạo dòng điện. Nếu chân này khơng nối
mass hoặc để hở thì IC sẽ khơng làm việc và khi đó dẫn tới mạch sẽ khơng
hoạt động.
Chân 3,14,7,10 (chân J1,K1,J2,K2) là các chân tín hiệu vào IC. Các chân này
sẽ luôn thay đổi trạng thái và khi kết hợp với xung clock nó sẽ cho ra ngõ Q.
Chân 1,5 (chân CLK) là chân xung clock của Trigger, ở đây nó sẽ tích cực ở
sườn xuống của xung nghĩa là nó sẽ làm việc trong khoảng thời gian xung từ
mức cao chuyển xuống mức thấp, cịn khi ta cấp mức cao hoặc mức thấp thì
nó sẽ không làm việc.


18
Chân 2,6 (chân CLR) là chân Clear có nhiệm vụ xóa trạng thái về 0. Ở đây nó
tích cực ở mức thấp nếu ta nối nó xuống mass thì nó sẽ hoạt động cịn nếu nối
lên mức cao nó sẽ không hoạt động.
Chân 9,12 (Q1,Q2) là chân ra ở trạng thái bình thường của Trigger JK
Chân 8,13 (chân đảo) chân ra ở trạng thái đảo so với chân 9,12
3.3.3. Khối giải mã – IC 74LS47
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 với led
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 tra
led bảy đoạn, nếu ta cắm chân này xuống mass thì bộ giải mã sẽ sáng cùng lúc
với bảy đoạn. Chân này chỉ phục vụ để kiểm tra xem có led nào bị hỏng hay
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 mức

thấp thì tồn bộ led sẽ khơng sáng bất chấp trạng thái ngõ vào là mức gì.
Chân 5 (RBI) kết nối với mức cao.
3.3.4: Khối điều khiển – IC 74LS86:
Là cổng logic XOR, có hai đầu vào và một đầu ra.Khi hai mức logic đầu vào
bằng nhau thì các đầu ra bằng “0” và ngược lại, khi hai mức logic đầu vào
khác nhau thì các đầu ra của chúng bằng “1”.
Chân 1 của IC 74LS86 nối với mức điện áp cao và được nối thêm một nút
nhấn để điều khiển trạng thái đếm thuận hay nghịch.
Chân 2 của IC 74LS86 được nối với chân 12 (Q2) của Trigger JK-FF.
Chân 3 của IC 74LS86 được nối với chân 7 ( J1) của Trigger JK-FF.
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ-KẾT LUẬN
4.1. Đánh giá sản phẩm:


19
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.
4.2. Tính thực tế của sản phẩm:
Đây là đề tài rất hay và được ứng dụng rất nhiều trong đời sống cũng như
trong công nghiệp.Nhằm tăng năng suất, hiệu quả trong công việc và giảm
sức lao động của con người, MẠCH ĐẾM được đưa vào sử dụng thay thế con
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 xác
cao, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt; MẠCH ĐẾM nhanh chóng được
biết đến và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực.
4.3. Đề xuất cải tiến và hướng phát triển:
Hướng phát triển:Có thể thay thế các linh kiện, IC tạo xung, IC điều khiển, IC
giải mã… bằng các linh kiện khác trên thị trường mà vẫn đáp ứng được 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.

TÀI LIỆU THAM KHẢO


20
1.

Nguyễn Thị Thu Hà-Lê Văn Thái-Nguyễn Ngọc Anh, (2013), Giáo

trình Điện tử số, Hà Nội, NXB Khoa học và Kỹ thuật..
2.

Trần Đình Thơng -Nguyễn Thị Thu Hà,(2016),Giáo trình Mạch điện

tử, Hà Nội, NXB Khoa học và Kỹ thuật.