Giáo trình thí nghiệm kỹ thuật số 5 IUH

BÀI 5: THIẾT KÉ VÀ LÁP RÁP CÁC MẠCH SÓ Ủ NG DỤNG > MỤC TIÊU Bài thỉ nghiêm giúp cho sinh viên củng cố kiến thức kỹ sau: - Trình bày phương pháp phân tích, tổng hợp thiết kế mạch điều khiến số - Phân tích, kiểm tra sửa chữa đượcT hư hỏng mạch điều khiển số ứng dụng - Thực đọc hiểu, phân tích sơ đồ bảo trì thiết bị điều khiến số cơng nghiệp - Phân tích thực phương pháp thiết kế loại mạch số, từ áp dụng vào việc thiết kế cảc mạch điều khiển số ứng dụng công nghiệp > Một vài lưu ý thiết kế mạch số - Khi thiết kế mạch số, lưu ý hạn chế tối đa linh kiện có thế, việc tiết kiệm thời gian chi phí thiết kế - Đối với mạch thiết kế cống logic, việc sử dụng loại cổng IC họ logic cần thiết Diều giúp cho việc thiết kế dễ dàng, đồng thời làm tăng tính ổn định hệ thống đặc biệt dùng cổng NAND IC thuộc họ CMOS • Các hình sau trình bày cách tạo cổng NOT, AND, OR từ cổng NAND {định lí De Morgan)' Hình 5.1 Tạo cổng Logic cổng NA ND • Sau chuyển đổi thành cổng NAND, ta thực rút gọn cống cho mạch trở nên đon giản Sau ví dụ chuyển đổi cổng rút gọn mạch logic với biểu thức ngõ ra: X = A.B + C.D Hình 5.2 Quá trình chuyển đổi cổng rút gọn mạch Logic - Vì ngõ vào mạch điều khiển số có thổ ngõ cảm biến, mạch tạo xung clock hay ngõ mạch điều khiển khác, nên tưong thích mức logic phần tử mạch quan trọng Do ta cần lựa chọn phương thức thiết bị giao tiếp thích hợp > Một mạch điều khiển số bao gồm khối bản: Hình 5.3 Sơ đồ khối cúư mạch điều khiến số • Khối ngõ vào: tín hiệu xung, tín hiệu cảm biến, công tắc nút nhấn ngõ mạch tạo xung (clock), Các tín hiệu cảm biến thơng thường tín hiệu điện áp dạng số, dạng tuyến tính thường kết hợp với chuyến đối ADC để tạo thành tín hiệu thích hợp • Khối điều khiến: mạch điều khiển thiết kế theo yêu cầu ứng dụng mạch, bao gồm đếm, giải mã - mã hóa, chuyển đối A/D - D/A điều khiến logic khác Trong nhiều ứng dụng, mạch điều khiển thông thường kết hợp cúa điều khiên cổng logic Sự kết hợp tạo mạch diều khiên từ dơn gián dến phức tạp, có khả dáp ứng dược yêu cầu điều khiên nhiều ứng dụng thực tế • Khối ngõ ra: bao gồm mạch công suất, mạch diều khiên tải lái ngõ dộng cơ, bóng den, relay, Khi sử dụng khối tái ngõ mạch điều khiển cần ý vồ vấn de tương thích mức điện áp (mức logic nằm khoảng giá trị cho phép) Do dó, chúng la cần ý dưa phương pháp giao tiếp bảo vệ thích hợp, dám bảo tải ngõ hoạt động tốt không ảnh hưởng tới điều khiến thiết bị khác • Tín hiệu xung (dock): Tín hiệu xung clock (CK) thường dược cung cấp cho số như: mạch đếm, mạch chứa phần tử nhớ (flip-flop), Dối với tín hiệu xung ta cần ý đến vấn dề tần số biên độ de giao tiếp đáp ứng tốt với mạch diện khiên số Một số mạch tạo xung thông dụng tác giả trình bày phần 5.1 MỘT SÔ MẠCH TẠO XUNG THÔNG DỤNG 5.1.1 Mạch dao động đa hài Đây mạch dao động tạo xung mà khơng cần kích hoạt từ tín hiệu khác, tần số dao động phụ thuộc vào phần tử mạch • Mạch sử dụng IC NE555: T = O,693.(R1 +2R2).C Hình 5.4 Mạch tạo xung sứ dụng NE555 Bảng 5.1 Bảng giá trị chu kì mạch tạo xung sử dụng NE555 Mạch sử dụng cơng logic: Chu kì T = ti + Í2 ti = 0,693 (R1+R2).C t2 = 0,693 R2C Giới hạn R-C R] > KQ R| + R2 < 6,6 MQ c> 500 pF Hình 5.5 Mạch tạo xung sử dụng cống logic (mạch dao động Shmitt-trỉgger) Bảng 5.2 Bảng giá trị tần số mạch tạo xung sử dụng cổng logic Loại IC • 7414 74LS14 74HC14 Tan sơ ~ 0,8/RC ~ 0,8/RC « 1,2/RC Giới hạn R R < 500 Ó R Các mạch điều khiển số tổng hợp: Vài thiết kế mạch số điển hình ứng dụng rộng rãi thực tế tác giả trình bày phần sau 5.3 THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP CÁC MẠCH ÚNG DỤNG 5.3.1 Thiết kế mạch điều khiển đèn LED Ở khảo sát mạch đếm vòng đổ tạo ứng dụng mạch đèn sáng đuổi 10 LED (dùng IC 4017) sáng lan 16 LED (dùng IC 74LS164), mạch thường sử dụng nhiều ứng dụng đèn quảng cáo Sau đây, phát triển thêm số mạch điều khiển đèn với nhiều hiệu ứng khác để tạo nhiều ứng dụng đèn quảng cáo với hiệu ứng đa dạng 5.3.1.1 Thiết kế mạch điều khiến 20 đèn sảng đuổi tù' Trái qua Phai • Yêu cầu: Sử dụng IC số linh kiện khác để thiết kế mạch điều khiển 20 LED đơn sáng đuổi từ Trái qua Phải trình lặp lại liên tục • Thiết kế: - Ý tưởng thiết kế đặt dựa hoạt động mạch đếm vòng sử dụng IC 4017 Các ngõ IC kết nối với LED đơn, ngõ vào xung đếm (Clock) tạo khối dao động sử dụng IC NE555 Hoạt động nối tiếp IC tạo chuyển mạch dùng Flip Flop D, cổng Logfc Transistor tạo thành hiệu ứng chạy đuổi 20 LED đơn - Sơ đồ khối: Hình 5.15 Sơ đồ khối mạch điều khiến 20 đèn sảng đuổi từ Trải qua Phải • Thực hành: Sinh viên thực theo trình tự sau: - Giải thích chi tiết hoạt động mạch: phân tích rõ chức khối riêng biệt giải thích vai trị linh kiện khối Nêu ý tưởng thiết kế ngun lí hoạt động mạch, từ bổ sung ý tưởng thiết kế khác - Thực lắp ráp theo sơ đồ mạch trôn nhận xét kết - Xác định Qx lập biểu thức tính khoảng thời gian định thời - Xác định khoảng thời gian định thời lớn mạch có the thực - Báo cáo kết thực 5.3.3 Thiết kế mạch đồng hồ số • Yêu cầu: Thiết kế mạch đồng hồ hiển thị Giờ/Phúl/Giây LED đoạn, mạch bao gồm phím chỉnh phút chỉnh • Thiết kế: - Theo yêu cầu trên, ta sử dụng đếm BCD kết hợp với giải mã BCD sang mã LED doạn Điểm thiết kế mạch cho dếm giây phút đếm từ 00—>59, đếm từ 00—>23 với thời gian chậm lần đếm l(s) Lưu ý cách kết nối xung Clock(CK) chân CP IC 4051 - Đối với đếm Giây/Chục giây: trạng thái đếm Giây 0—>9 thực đếm Mod-10 trạng thái Chục giây 0—>5, ta dùng trạng thái thứ (0110) làm tín hiệu RESET hai đếm 00 (lúc chân TC\ = đưa vào chân CE\ cho phép đếm Phút đếm lên có xung CK), q trình đếm tiếp diễn liên tục Sơ đồ thiết kế sau: Hình 5.32 Sơ đồ mạch đếm 59 phút - Thực thiết kế tương tự cho dếm Phút/Chục phút - Đối với đếm Giờ/Chục trạng thái đếm 00—>23 nên ta tạo tín hiệu RESET hai đếm từ trạng thái (0010) đếm chục trạng thái (0100) theo sơ đồ sau: • Hình 5.33 Sơ đồ mạch đếm 23 - Theo yêu cầu mạch thời gian chậm (delay) lần đếm (s) nên ta phải thiết kế tạo xung CK với Chu kỳ T=l(s) Ở ta sử dụng thạch anh đếm nhị phân 4060 tạo tín hiệu xung clock đồng thời kết hợp chia tần số (D FlipFlop) đề tạo xung có tần số 1Hz Hình 5.34 Sơ đồ mạch tạo xung 1Hz GIỜ 00^23 PHÚT 00—>59 Hình 5.35 Sơ đồ khói mạch đồng hồ số GIẢY 00—>59 12V GIỜ PHỨT GIẢY Hình 5.36 Sơ đồ chi tiết mạch đồng hồ sổ • Thực hành: Sinh viên thực theo trình tự sau: - Giải thích chi tiết hoạt động mạch: phân tích rõ chức khối riêng biệt giải thích vai trị linh kiện khối Nêu ý tưởng thiết kế nguyên lí hoạt động mạch, từ bổ sung ý tưởng thiết kế khác - Thực lắp ráp theo sơ đồ mạch nhận xét kết - Xác định tần số xung clock tạo xung sử dụng IC4060 - Thực thay đối đếm Giờ/Chục từ 00 —>12 - Giải thích hoạt dộng chỉnh phút/giờ sử dụng chốt, không dùng chốt tượng xảy ra? Sinh viên đưa thêm phương án khác để khắc phục tượng - Báo cáo kết thực • Phụ chú: Bộ chỉnh Phút (chỉnh Giờ) sử dụng mạch chốt cổng NAND sau: Vcc Hình 5.37 Sơ đồ khối mạch chối sử dụng cổng NAND 5.3.4 Thiết kế mạch đếm xe ra-vào • Yêu cầu: Thiết kế mạch điều khiển đếm số lượng xe ra/vào bãi đậu xe số lượng xe giới hạn 100 hiển thị LED 7D đặt bàn điều khiển nhân viên giữ xe Thiết kế: - Từ yêu cầu trên, ta SC thiết kế đếm lên đếm xuống số BCD kết hợp giải mã hiển thị số BCD —► LED 7D - Quá trình đếm lên đếm xuống tùy thuộc vào ngõ cảm biến đặt cửa ra/vào Khối chuyển mạch (sử dụng D-FF) nhận tín hiệu cảm biến phát tín hiệu điều khiển qui định đếm lên hay đếm xuống - Khi số lượng xe đến giới hạn cho phép nghĩa đếm đạt đến số tối đa băng tạo xung (Stop) dừng đếm đồng thời phát tín hiệu đầy xe, Full LED sáng báo hiệu cho nhân viên giữ xe Ngược lại chưa đầy xe đèn báo Empty LED sáng Full LED tắt - Sơ đồ khối: Hình 5.38 Sơ đồ khối mạch đếm xe vào - Điểm thiết kế quan trọng mạch khối phát xe Vào/Ra, kết hợp cống Logic phần tử nhớ D Flip Flop Quá trình thực sau: (trường hợp xe chưa đầy, ngõ hồi tiếp cùa cổng NOR=0) - Khi phát có xe ra: Q\=o (chọn chế độ đếm xuống) ngõ NOR=0 > ngõ NAND1=1 kết hợp chân SET=1 —> ngõ vào cổng AND 1=1 tạo tín hiệu CK làm đếm giảm xuống - Khi phát có xe vào: Q=o (Ọ\=l: chọn chế độ đếm lên) ngõ NOR=0 —> ngõ NAND2=1 kết họp chân CLR=1 —> ngõ vào cống AND2=1 tạo tín hiệu CK làm đếm tăng lên + Trường họp đầy xe, ngõ cổng NOR=1: khóa cổng AND —> khơng • Thực hành: Sinh viên thực theo trình tự sau: - Giải thích chi tiết hoạt động mạch: phân tích rõ chức khối riêng biệt giải thích vai trị linh kiện khối Nêu ý tưởng thiết kế nguyên lí hoạt động mạch, từ bổ sung ý tưởng thiết kế khác - Thực lắp ráp theo sơ đồ mạch nhận xét kết - Báo cáo kết thực TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1]Bộ môn điện tử - Đại học Thanh Hoa Bắc Kinh (2007), Cơ sở kỹ thuật Điện tử sổ, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [2]Dương Minh Trí (1998), Sơ đồ chân Linh kiện bán dẫn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Tp.HCM [3]Nguyễn Hữu Phương (2001), Mạch sẩ, Nhà xuất Thống kê, Tp.HCM [4]Trần Thị Thúy Hà, Đỗ Mạnh Hà (2009), Giáo trình Điện tử so, Nhà xuất Thông tin Truyền thông, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [1]John, F Wakerly (1990), Digital design principles, Prentice-Hall International, Inc., New Jersey [2]Richard, F Tinder (1991), Digital engineering design, Prentice-Hall International, Inc., New Jersey [3]Ronald, J Tocci (1991), Digital systems, Prentice-Hall International, Inc., New Jersey Giáo trình THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT số ThS Trương Năng Toàn (chủ biển'), Bùi Thư Cao, Nguyễn Thanh Hải NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP Hồ CHÍ MINH 12 Nguyễn Văn Bảo - p - Q Gò vấp - TPHCM ĐT: (08) 3994 0390 - 816 ; Fax: (08) 3994 0650 Email: nhaxuatban@hui.edu.vn Chịu trách nhiệm xuất bản: GĐ TRAN VĂN THẮNG TBT NGUYỄN TIEN NAM VIỆT HỒNG Biễn tập: THẢO ĐIỀN Sửa in: QUỐC HÙNG Trình bày bìa: ĐT.GT.001-15(N) ĐHCN.HCM-15 ISBN: 978-604-920-028-1 In 300 khổ 20 X 28 cm theo Quyết định xuất số: 07/QĐ-ĐHCNTPHCM ngày 07/5/2015 với số xác nhận ĐKXB 968-2015/CXBIPH/01-12/ĐHCNTPHCM ngày 21/4/2015 In Xưởng in NXB Đại học Công nghiệp TPHCM, nộp lưu chiểu tháng 5/2015 ii TV ĐHCN TP.HCM 100288246 Giá: 50 OOOđ ... vào phần tử mạch • Mạch sử dụng IC NE 555 : T = O,693.(R1 +2R2).C Hình 5. 4 Mạch tạo xung sứ dụng NE 555 Bảng 5. 1 Bảng giá trị chu kì mạch tạo xung sử dụng NE 555 Mạch sử dụng cơng logic: Chu kì T... x7 5V' 5V' Vcc 5V 5V Vcc I I I I ITT 5V 5V' 5V Vcc Vcc 4017 5V 4017 4017 lỉhrn; iậ.MẲệ Ấlí Hình 5. 20 Sơ đồ mạch 16 đèn sáng LAN từ Trải-Phải, độ sáng giảm dần • Thực hành: Sinh viên thực theo trình. .. sử dụng IC NE 555 : XTAL = 32,768 KHz t= 1,1.RC Hình 5. 7 Mạch tạo xung đơn ơn sử dụng NE 555 • Mạch sử dụng cổng logic: t = 0,7.RC Hình 5. 8 Mạch tạo xung đơn ôn sử dụng công logic 5. 2 CÁC BƯỚC THIÉT