thiết kế mạch chuyển đổi adc với yêu cầu đầu vào là tín hiệu tương tự đầu ra là 4 bit dữ liệu ,hiển thị dưới dạng led 7 thanh

Đồ án: thiết kế mạch chuyển đổi ADC với yêu cầu đầu vào là tín hiệu tương tự đầu ra là 4 bit dữ liệu ,hiển thị dưới dạng LED 7 thanh... Mạch tương tự và tín hiệu tương tự Analog circuit

Đồ án: thiết kế mạch chuyển đổi ADC với yêu cầu đầu vào là tín hiệu tương tự đầu ra là 4 bit

dữ liệu ,hiển thị dưới dạng LED 7 thanh

Mục Lục:

Nội Dung

Lời Mở Đầu 2

PHẦN I : Các kiến thức cơ bản về kĩ thuật xung số 3

Chương I: Hệ thống số đếm 3

Tổng quan về logic số 3

Hàmlogic 9

Chương II: Các cổng logic và mạch tổ hợp 14

Các cổng logic 14

Thiết kế mạch logic 17

Chương III: FipFop và ứng dụng 23

FipFop 23

Mạch đếm 30

Chương IV: Chuyển đổi ADC và DAC 41

Mạch chuyển đổi DAC 41

Mạch chuyển đổi ADC 44

Chương V: Mạch tạo xung 50

PHẦN II : ĐỒ ÁN KĨ THUẬT SỐ MACH CHUYEN DOI ADC

Lời mở đầu

Từ khi ra đời cho tới nay kĩ thuật số đã được ứng dụng rất nhiều vào thực tế

từ tivi số ,máy ảnh số ,camera số ,điện thoại số,truyền hình số và rất nhiều cáclĩnh vực khác

Kĩ thuật số có những ưu điểm như dễ xử lí,lưu trữ ,ít bị méo tín hiệu khitruyền,thiết bị đơn giản do vậy nó ngày càng được sử dụng phổ biến.Tuy vậy sốlại có các ưu điểm như không hiển thị được dưới các thiết bị đo tương tự ,phảidùng thiết bị số chuyên dụng,hơn nữa trong thực tế các tín hiệu thường là tínhiệu tương tự.Tuy nhiên với các ưu điểm của mình thì kĩ thuật số đã ngày càngthay thế được kĩ thuật tương tự

Trải qua quá trình học tập, nghiên cứu em đã chọn đề bài : “ thiết kế mạchchuyển đổi ADC với yêu cầu đầu vào là tín hiệu tương tự đầu ra là 4 bit dữliệu ,hiển thị dưới dạng LED 7 thanh” làm đồ án Em hy vọng sau khi hoànthành đồ án này nó sẽ giúp em củng cố lại những kiến thức mà em tích luỹ đượctrong suốt thời gian học tập, và với ước mong nó sẽ là một điểm tựa cơ bản (vềkiến thức) cho em sau khi ra trường

Trong quá trình làm đồ án do khả năng còn hạn chế và thời gian cón hạn chế,hơn nữa đây là một lĩnh vực còn mới đối với chúng em nên mặc dù em đã cốgắng hết sức nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót về nội dung vàphương pháp trình bày em rất mong được sư chỉ bảo,hướng dẫn của các thầy côcùng các bạn đẻ bài tập của em được hoàn thiện hơn

Chương I : Hệ thống số và đếm

I Tỗng quan về logic số

I.1 Mạch tương tự và tín hiệu tương tự (Analog circuit)

a.Mạch tương tự (Analog )

*Định nghĩa : Mạch tương tự là mạch xử lý các tín hiệu tương tự

-Tín hiệu tương tự : Là những tín hiệu có biên độ biến đổi liên tục theo thời gian được xác định theo quan hệ của hàm số bất kì

-Đặc điểm : Mạch tương tự có khả năng chống nhiễu và độ ỗn định kém , phân tích và thiết kế

phức tạp

b Mạch số và tín hiệu số

*Định nghĩa :Là các mạch điện xử lý tín hiệu số là mạch logic số

-Tín hiệu số : là tín hiệu chỉ có 2 mức logic phân biệt Trong kỹ thuật số 2 mức logic đó đươc gọi là mức cao(H) và mức thấp (L) , còn gọi là mức “1” và mức “0”

*Đặc điễm: -Tín hiệu số chỉ đươc phát sinh bởi các mạch thích hợp Gián đoạn về thời gian và biên độ Sự chuyển tiếp từ mức thấp lên mức cao xảy ra nhanh chóng

-Khả năng chống nhiễu tốt

-Thiết kế, phân tích mạch đơn gian dễ làm

-Thuận lợi cho mạch lưu chữ thông tin

1.2 Các hệ thống đếm (Number systems)

1.2.1.Hệ thống số thập phân(Decimal System)

- Sử dụng mười chữ số từ 0 đến 9 ghép lại với nhau tạo thành số đếm, sốsau lớn hơn số trước một đơn vị Mỗi chữ số có mặt trong số thập phân gọi làmột bit tính từ phải sang trái, bit đầu tiên được gọi là hàng đơn vị , bit 2 hàngchục, bit 3 hàng trăm, bit 4 hàng nghìn

Ví Dụ:

D

168

8 60 100

10 8 10 6 10 1

2 1

1 2 2 2

0 1

2 1

1 10 10 10

*Định nghĩa:Hệ thống số thập lục phân là hệ thống số sử dụng 16 kí tựtrong đó 10 kí tự đầu là số từ 0  9 ,6 kí tự sau là chữ A,B,C,D,E,F ghép vớinhau tạo thành số đếm.

16 5 16 2 16 2

I.1.3.Chuyển đổi giữa các hệ thống số đếm

1.Chuyển từ số thập phân sang số nhị phân

*Cách làm:Muốn chuyển từ số thập phân sang số nhị phân người ta lấy sốthập phân cần chuyển đổi chia liên tiếp cho 2 để tìm số dư Số dư đầu tiên củaphép chia là bít có nghĩa nhỏ nhất của số nhị phân số dư cuối cùng của phépchia khi kết quả bằng 0 là bít có nghĩa lớn nhất của số nhị phân cần tìm

2.Chuyển từ số nhị phân sang số thập phân

*Cách làm:Muốn chuyển từ số nhị phân sang số thập phân ta khai triển côngthức tổng quát của số nhị phân với cơ số bằng 2 kết quả tìm được là số thậpphân cần chuyển đổi

1

2 1

1 2 2 2

3.Chuyển từ số thập phân sang thập lục phân

*Cách làm:Muốn chuyển từ số thập phân sang thập lục phân ta lấy số thậpphân cần chuyển đổi chia lien tiếp cho 16 để tìm số dư.Số dư đầu tiên của phépchia là bit có trọng số nhỏ nhất, số dư cuối cùng của phép chia là bít có trọng sốlớn nhất của số thập lục phân cần tìm

4 Chuyển đổi từ số thập lục phân sang hệ thập phân

*Cách làm: Muốn chuyển từ hệ thập lục phân sang hệ thập phân ta sử dụngcông thức khai triển tổng quát số thập lục phân với cơ số bằng 16, kết quả tìmđược chính là số thập phân cần chuyển đổi

0 1

2 1

1 16 16 16

Ví Dụ:

D H

D H

69 5 64 16 5 16 4 45

? 45

0 1

5.Chuyển đổi từ số thập lục phân sang số nhị phân

*Cách làm:Muốn chuyển từ số thập lục phân sang số nhị phân ta tính từ tráIqua phảI của số thập lục phân mỗi bít của số thập lục phân tương đương với 4bít của số nhị phân có vị trí tương ứng

6 Chuyển từ nhị phân sang thập lục phân

*Cách làm: Muốn chuyển từ nhị phân sang thập lục phân ta tính từ phải quatráI cứ 4 bít của số nhị phân tương đương với 1 bít của số thập lục phân Những

số cuối cùng nằm về phía bên tráI nếu thiếu số lượng bít ta có thể thêm “0” vàophía bên trước

I.2 Các loại mã thông dụng

1 Khái niệm:mã số là tập hợp của những hệ thống số đếm theo một qui

luật nhất định dùng để biểu diễn các thông tin theo qui luật đó Mã số là phươngtiện giao tiếp cơ bản của hệ thống thông tin

+ BCD gói: là các mã số mà BCD thể hiện được nằm trong 10 kí tự của hệ

số đếm thập phân Các mã lớn hơn 10 cần biểu diễn ở dạng BCD ta dùng nhiều

tổ hợp BCD ghép lại với nhau

- Qui ước: Mã BCD là những mã số thuộc 10 kí tự cơ bản của số thập phân

b Mã thập lục phân(Hexa)

- Cách thành lập: được thành lập trên cơ sở hệ thống số đếm thập lục phân

- Dạng thể hiện của nó giống thập lục phân: gồm 16 kí tự để biểu diễn 1 mã

P80

\96

p112

149

A65

Q81

a97

q113

B66

R82

b98

r114

351

C67

S83

c99

s115

452

D68

T84

d100

t116

553

E69

U85

e101

u117

F70

V86

f102

v118

856

H72

X88

h104

x120

957

I73

Y89

I105

y121

:58

J74

Z90

j106

z122

;59

K75

[91

k107

{123

<

60

L76

\92

l108

l124

M77

]93

m109

}125

>

62

N78

^94

n110

~126

?63

O79

95

-o111

<DEL>127

Bảng 1.3: bảng mã ASCII

d.Mã GRAY (Mã vòng )

-Là loại mã số được viết theo qui luật vòng tròn 2 mã liên tiếp nhau chỉ sai khác 1 bit

e.Mã thừa 3(EXCESS - 3)

- Mã thừa 3 là loại mã số sử dụng với số thập phân cộng thêm 3 sau đó chuyển sang dạng BCD không gói

3.Chuyển đổi giữa các loại mã

*Chuyển đổi từ mã BCD sang mã Hexa: Tính từ phải qua trái mỗi tổ hợp 4 bit của mã BCD được một bit của mã Hexa

*Chuyển đổi từ mã thừa 3 sang mã thập phân:Lấy mã thừa 3 chuyển sang BCD sang số thập phân trừ 3 đơn vị đươc kết quả

I.3.Đại số Boolean

1.Các định lí cơ bản của đại số Boolean

a.Cơ sở đại số Boolean

- Đại số Boolean là các phép tính đại số dựa trên phép tính nhị phân với 2 giá trị cơ bản là “0” và “1”

- Một biến A bất kì nhận 2 giá trị A=0 hoặc A=1

+Nếu cho A=0 phủ định của A:A  1

A

A

A A

A

A A

0

0 1

A

A A

A

A

A

2.Các tính chất của đại số Boolean

.

(A B C AB C

4.Các định lí cơ bản của đại số Boolean

) ( ) (

.

7

) ).(

( ) ).(

).(

.(

6

) _ ).(

(

.

5

) ).(

.(

4

) ).(

.(

3

) (

.

2

) (

.

1

C B A C B B

A

B A B A

A

A B A

A

C A B A C B C A B

A

C A B A C B C A B

A

B A C A C A B

A

B A C A C A B

A

A B A B

A

B A B A

A

A B A

2 các dạng biểu diễn hàm logic

a biểu diễn dưới dạng tuyển chuẩn( tổng các tích)

- Đây là dạng biểu diễn cơ bản của hàm logic, nó được biểu diễn trạng tháilogic đầu ra ở mức cao toàn bộ hàm số là tổng nhiều thành phần.Mỗi thành phần

là 1 tổ hợp trạng thái ở đầu vào tương ứng với các ở dạng tích

Ví Dụ:Y A.B.C A.B.C A.B.C A.B.C

Y  1  1  1  1

-Để xác định được dạng này phải dựa vào yêu cầu và các điều khiện của bàitoán

b Biểu diễn dưới dạng hội chuẩn( tích các tổng)

-Là 1 hàm quan hệ của tín hiệu ra với tổ hợp tín hiệu vào là các tích củanhiều thành phần, mỗi thành phần chứa tổ hợp các biến dưới dạng 1 tổng

c.Biểu diễn dạng bảng trạng thái

- Là 1 cách biểu diễn trực quan mối quan hệ hàm logic giữa tín hiệu ra vàtín hiệu vào Bảng trạng thái thực chất là 1 ma trận hàng cột, trong đó số cộtbằng tổng số các biến của bài toán, số hàng bằng(2n+1) Trong đó n: là số cácbiến đầu vàohàng trên cùng của bảng trạng thái ghi tên các biến vào ra dwoisdạng chữ Các hàm tiếp theo về phía bên trái của bảng trạng thái ghi tổ hợp giátrị các biến đầu vào dưới dạng số nhị phân theo thứ tự tăng dần từ trên xuống.Các hàm còn lại thuộc cột bên phải tương ứng với đầu ra ghi giá trị logic củabiến đầu ra Tương ứng với tổ hợp trạng thái biến đầu vào

Ví Dụ: 3 công tắc A, B, C 3 biến đầu vào

+ Bên trong các ô được ghi: 3 cách

Giá trị logic của biến đầu ra tương ứng với tổ hợp trạng tháI đầu vào có tọa

độ chiếu đến ô đó

Ghi giá trị nhị phân tương ứng tọa độ tổ hợp các biến đầu vào

Ghi giá trị thập phân tương ứng với tọa độ tổ hợp các biến đầu vào

AB

I.5 các phương pháp tối giản hàm logic

1 Khái quát chung

- Trong quá trình thiết kế mạch điện logic các hàm số mà ta xây dựng banđầu đều là các hàm số chưa tối giản vì vậy khi xây dựng mạch theo các hàm nàymạch điện thường phức tạp có những cổng, những phép biến đổi không cầnthiết

- Để mạch điện là tối ưu và ngắn gọn nhất trước khi vẽ mạch người ta tìmcách tối giản hàm logic Trong thực tế có nhiều phương pháp khác nhau để tốigiản hàm logic nhưng chủ yếu sử dụng 2 phương pháp: sử dụng đại số Boolean

và dùng bìa karnough

2.Phương pháp đại số Boolean tối giản hàm logic

- Nội dung phương pháp: sử dụng các tính chất và các phép biến đổi cơ bảncủa đại số Boolean để biến đổi hàm logic sao cho hàm số là ngắn gọn nhất

A.B.(C C) A.C.(BB)

A.B A.C

2 Phương pháp bìa Karnough tối giản hàm logic

- Nội dung phương pháp:

+ Xây dung bìa Karnough đối với hàm số cần đơn giản

+ Ghép các ô trong bìa Karnough liền kề nhau có giá trị =1.Số lượng ô ghép phải lớn nhất và tỉ lệ với 2n

Ví Dụ: 2 ô = 21 1 biến bỏ đi

4 ô = 22 2 biến bỏ đi

8 ô = 23 3 biến bỏ đi

16 ô = 24 4 biến bỏ đi

+ Trong số các ô ghép với nhau biến nào có giá trị thay đổi biến đó bỏ đi

Cứ 2n ô ghép với nhau thì bỏ được n biến

+ 1 ô có thể được ghép nhiều lần với các ô khác nhưng trong mỗi lần ghépphảI có 1 ô mới

+ Có thể ghép các ô ở cạnh, ở mép với nhau, ở 4 góc với nhau hoặc các ôđối xứng nhau

-Ví dụ:

D C B A D C B A D C B A D C B A

D C B A D C B A D C B A D C B A D C B A D C B A Y

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

D

C

Y     

Chương II: Một số cổng lôgic và mạch tổ hợp

II.1.Một số cổng logic

1.Cổng OR(Cổng hoặc - ORGATE)

*Định nghĩa: Cổng OR là cổng logic cơ bản thực hiện thuật toán logic tổng các tín hiệu đầu vào(tổng các biến số ở đầu vào)

-Hàm quan hệ:

+Tổng quát: Y=A+B+….+N

2 biến: Y=A+B

3 biến:Y=A+B+C

Trong đó:A,B,N là các biến đầu vào

Y là biến đầu vào

+Kí hiệu: 2 biến:

U5A

+Bảng chân lí:

Y A

S3 S6

2.Cổng AND (Cổng và - AND GATE)

*Định nghĩa: Cổng AND là cổng logic cơ bản thực hiện thuật toán logic tích cácbiến số ở đầu vào

Y

A B C

Y

A B Y

A

U

 Đèn Y chỉ sáng  cả 2 công tắc A,B cùng kín , Có 1 công tắc hở đèn tắt



Cổng AND là cổng logic có đầu ra ở mức cao  tất cả đầu vào cùng ở mức cao

- Dạng xung:

3.Cổng NOT( Cổng đảo – NOTGATE)

*Định nghĩa:Cổng NOT là cổng logic cơ bản thực hiện phép tính logic phủ định biến số đầu vào

A B

C2 1uF

Hãy thiết kế mạch logic:

a.Dùng toàn cổng NAND 2 đầu vào

b.Dùng toàn cổng NOR 2 đầu vào

Giải

Ta có: 3 biến đầu vào: A,B,C

1 biến đầu ra: Y

Lập hàm: Y A.B.C A.B.C  A.B.C A.B.C A.C  A.C

Biến đổi hàm: Y A.C  A.C

A Y

YA

u

a.Dùng toàn cổng NAND 2 đầu vào:

C A C A C A C

U1C U1B

U1A

b.Dùng toàn cổng NOR 2 đầu vào:

C A C A C

U3D

U3C

U3B U3A

2 Thiết kế mạch logic biết biểu thức logic

a.Công thức (Các bước thiết kế)

- Bước 1: Từ biểu thức logic đã cho ban đầu xác định các biến đầu ra ,đầu vào, chọn các mức logic cho các biến đó

- Bước 2:Thiết lập bảng trạng thái biểu diễn mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra

- Bước 3:Từ bảng trạng thái xây dựng hàm logic dạng đầy đủ dưới dạng tổng các tích tương ứng với ngõ ra có trạng thái bằng 1

- Bước 4:Đơn giản hàm bằng các phương pháp đã học

- Bước 5:Biến đổi hàm logic và vẽ mạch theo yêu càu của đề bài

- Bước 6: Kiểm tra lại bài

b Ví dụ: Cho biểu thức logic Y A.BB.C.DA.C.D Hãy thiết kế mạch logic ding toàn cổng NAND 2 đầu vào

U6D

U6C U6B

U6A

U5D

U5C

U5B U5A

U2D U2C

3.Thiết kế mạch theo yêu cầu.

a.Các bước thực hiện:

*Bước 1: Dựa vào các yêu cầu của bài toán xác định số lượng biến đầu vào,đầu ra, đặt tên và chọn mức logic cho các biến đầu vào đặt tên cho các biến đầu ra

*Bước2: Xây dung bảng trạng thái dựa trên yêu cầu của đề bài, diễn tả hoạtđộng của các biến đầu vào và đầu ra

*Bước3: Xác định hàm logic đầy đủ thể hiện mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra dưới dạng tổng các tích

*Bứơc4: Đơn giản hàm logic bằng các phương pháp đã học

*Bước5: Biến đổi hàm logic vừa rút gọn và vẽ mạch theo yêu cầu

*Bước6: Kiểm tra lại mạch

Hãy thiết kế mạch logic thưc hiện hoạt động trên dùng:

1 Toàn cổng NAMD 2 đầu vào

2 Toàn cổng NOR 2 đầu vào

2.Dùng toàn cổng NOR 2 đầu vào:

Biến đổi hàm ta có: Y A.BB.CABBC

Vẽ mạch:

U9D U9C

U9B U9A

U4D U4C

Chương III: Flip-Flop và ứng dụng

III.1 Fip-Flop

1 Khái niệm chung về Flip-Flop

- Flip-Flop hay còn gọi là lật hay phần tử nhớ có khả năng nhớ được 1 trong 2 trạng thái 0 hoặc 1 ở đầu ra

- Một Fip-Flop điển hình bao giờ cũng có 2 đầu ra Q và Q luôn luôn có giá trị logic ngược nhau

- Kí hiệu điển hình của Flip-Flop là 1 hình chữ nhật có các đầu vào và 2 đầu ra

- Đầu vào đồng bộ là các đầu vào tác động đồng thời với xung CK thường có các tên gọi: S,R,J,K,T,D

- Các đầu vào không đồng bộ là đầu vào tác động độc lập với xung CK thường

có các tên gọi: S,R,Pr,CL

- CK: Là đầu vào tác động liên tục của xung đồng hồ

- Các đầu vào đồng bộ và không đồng bộ tác động ở mức logic :

Mức cao:

Mức thấp:

- Đầu vào CK tác động vào sườn của xung:

+ Tác động vào sườn lên:

+ Tác động vào sườn xuống:

CK: clock

CLK: clock

CP: clock pulse

Đầu vào không đông bộ

Đầu vào xung CK

Đầu vào đồng bộ

- Phân loại FF: Dựa vào kí hiệu các đầu vào đồng bộ người ta chia FF ra thành 5loại:

2 đầu ra :Q, Q

2 đầu vào: S , S

1 0 0

S 1 ,  1   0 

Q  1 QQ

 Giữ nguyên trạng tháI trước đó

* Nhận xét: Với FFRS dùng 2 cổng NAND có 1 trạng thái là cấm, trạng thái đó

là trạng thái mà cả 2 đầu ra Q và Q bằng nhau Để FF hoạt động được ta phảitìm cách loại bỏ trạng thái này

- Đưa thêm một cổng đảo ở phía trước:

Q R R

R

Q

Q S

S

S

Q

.

.

R

S 0 ,    1 

Q  1 QQ

0

1 1

0 1 0

Q

 CK: Được gọi là tín hiệu diều khiển hay xung đồng hồ đo được đồng thời các xung đầu vào R&S

U7B

U7A

U1B U1A

b.Flip-Flip dùng cổng NOR

U2B U2A

Ta có:

Q R R

R

Q

Q S S

Q Q

- FF MS thực chất là 2 tầng của FF RS ghép lại với nhau mỗi tầng hoạt động theo một sườn của xung CK Tầng thứ nhất chuyển trạng thái ở sườn lên, tầng thứ 2 chuyển trạng tháI ở sườn xuống của xung CK

U10D U10C

U10B U10A

U1D U1C

U1B

U8A U1A

- Nếu ta có một FF thì có một đầu ra Q nó sẽ nhớ được 2 trạng thái 0&1

- Nếu có 2 FF ghép lại với nhau có 2 đầu ra Q1, Q2 nhớ được 4 trạng thái :

00, 01, 10, 11  2 2

- Nếu có n FF ghép lại với nhau  2n trạng thái Đó chính là trạng thái nhớcủa bộ đếm nếu bộ đếm thực hiên đếm hết dung lượng hiện có của nó

 Bộ đếm Module M  MOD M

- Nếu dung lượng của bộ đếm nhỏ hơn dung lượng hịên có của FF mà các

FF có thể thực hiện được gọi là Module N  MOD N

b.Mạch đếm lên không đồng bộ: MODM

* Thiết kế mạch đếm lên :MOD16 dùng FFJK.MOD16  16 trạng thái:

R Q_

U16B S

J CP K R Q _

U16A S

J CP K R Q _

U6B S

MOD16  16 trạng thái  24 Chọn 4 FFJK Sau mỗi CK đếm giảm 1 đơn

0

1Q

CK