Thiết kế mạch nhân hai số nhị phân 3 bit

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH NHÂN HAI SỐ NHỊ PHÂN BIT Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 19 Nguyễn Cơng Hồng 2018600055 Nguyễn Đình Khơi 2018600893 Nguyễn Thanh Khương 2018601151 Hà Nội -2021 Đồ án kĩ thuật xung số MỤC LỤC MỤC LỤC PHỤ LỤC HÌNH ẢNH PHỤ LỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT 1.1 Tổng quan 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi đề tài .5 1.5 Ý nghĩa thực tiễn Chương 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG 2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch: 2.2 Phân tích chức sơ đồ khối 2.2.1 Khối nguồn 2.2.2 Khối phím 2.2.3 Khối nhân 2.2.4 Khối hiển thị 13 Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG .14 3.1 Mạch nguyên lý 14 3.2 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm 17 1|Page Đồ án kĩ thuật xung số PHỤ LỤC HÌNH ẢNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 2.1-1: sơ đồ khối mạch .6 2.2-1: công tắc bit 6P 2.2-2: Sơ đồ kí hiệu bán tổng 2.2-3: sơ đồ logic bán tổng 2.2-4: Sơ đồ kí hiệu tổng đầy đủ 10 2.2-5: sơ đồ logic tổng đầy đủ .11 2.2-6: mạch điện .12 2.2-7: khối hiển thị LED 13 3.1-1: mạch nguyên lí đề tài .14 3.1-2: ví dụ mơ 16 3.2-1: sơ đồ dây mạch in .17 3.2-2: mơ hình 3D mạch 18 3.2-3: sơ đồ chân IC 74HC08 19 3.2-4: sơ đồ chân IC 74HC86 20 3.2-5: sơ đồ chân IC 74HC32 21 PHỤ LỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng 2.2-1: Thông số công tắc bit 2.2-2: trạng thái bán tổng 2.2-3: trạng thái tổng đầy đủ .10 2.2-4: thông số led hiển thị 13 3.1-1: tín hiệu trạng thái ban đầu 15 3.1-2: giá trị mô 16 3.2-1: số lượng linh kiện làm mạch 19 2|Page Đồ án kĩ thuật xung số LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, tiến khoa học kỹ thuật tiên tiến ngày ứng dụng rộng rãi vào sống ngày người Làm cho sống ngày thay đổi, văn minh đại Trong ngành điện tử đóng vai trị quan trọng tiên phong tạo hàng loạt thiết bị công ngiệp, dân dụng, y tế, quân với độ xác, tốc độ xử lý nhanh, gọn nhẹ Tầm quan trọng mức độ phổ biến điện tử phần lớn công lao kỹ thuật số Những thiết bị như: máy tính bỏ túi, đồng hồ, máy DVD, điện thoại di động, máy ảnh KTS, máy tính cá nhân đóng vai trị quan trọng sống Kỹ thuật số môn học khơng thể thiếu sinh viên ngành điện nói chung ngành điện tử nói riêng Để góp phần phát triển khoa học kỹ thuật nay, nhóm chúng em tìm hiểu sơ lược tư vấn nhiệt tình từ thầy hướng dẫn môn, chúng em lựa chọn đề tài “Thiết kế mạch nhân hai số nhị phân bit ” phạm vi môn học với mong muốn học hỏi thêm kiến thức Trước tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn trân trọng sâu sắc đến Cô Nguyễn Thị Thu Hà – người trực tiếp hướng dẫn thực hiện, nghiên cứu môn học, tạo điều kiện, tận tình hướng dẫn động viên chúng em suốt trình nghiên cứu Chúng em xin trân trọng cảm ơn đến tất q thầy khoa Điện –Điện tử nói chung chuyên ngành Cơ Điện Tử nói riêng trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, người trang bị cho chúng em kiến thức cần thiết chuyên ngành, quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình tạo điều kiện thuận lợi để chúng em học tập, nghiên cứu, thực hoàn thành tập lớn môn học “Kĩ thuật xung số” Chúng em xin chân thành cảm ơn! 3|Page Đồ án kĩ thuật xung số CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QT 1.1 Tổng quan Trong ngơn ngữ máy tính, phép toán thao tác bit (tiếng Anh: bitwise operation) thực nhiều chuỗi bit số nhị phân cấp độ bit riêng biệt Các phép toán thực nhanh, ưu tiên, hỗ trợ trực tiếp vi xử lý, dùng để điều khiển giá trị dùng cho so sánh tính tốn Đối với loại vi xử lý đời cũ, thường phép tốn thao tác bit nhanh phép chia đáng kể, nhanh phép nhân, nhanh phép cộng đáng kể Trong vi xử lý đại thường thực phép nhân phép cộng nhanh tương đương phép toán thao tác bit nhờ vào cấu trúc đường ống lệnh chúng dài nhờ vào lựa chọn thiết kế cấu trúc, phép toán thao tác bit thường sử dụng lượng sử dụng tài nguyên Phép tính nhân hệ nhị phân tương tự phương pháp làm hệ thập phân Hai số A B nhân với tích số cục bộ: tích số A với số B tính viết xuống hàng mới, hàng phải chuyển dịch vị trí sang bên trái cho số cuối bên phải đứng cột với vị trí số B dùng Tổng tích cục cho ta kết tích số cuối 1.2 Mục đích nghiên cứu  Thiết kế mạch logic tổ hợp đáp ứng yêu cầu đề tài  Mô mạch logic  Thiết kế mạch in PCB  Chế tạo thủ công mạch in PCB 4|Page Đồ án kĩ thuật xung số 1.3 Đối tượng nghiên cứu  Quy trình thiết kế mạch tổ hợp  Phần mềm mô Proteus  Phần mềm vẽ mạch in Altium18  Cấu tạo, cách hoạt động vi mạch tổ hợp  Các linh kiện điện tử  Quy trình chế tạo mạch in PCB thủ cơng  Kĩ khoan, hàn mạch điện tử 1.4 Phạm vi đề tài  Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử phạm vi kỹ thuật xung số  Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, mạch in PCB, linh kiện điện tử  Đảm bảo an toàn gia công việc hàn mạch 1.5 Ý nghĩa thực tiễn  Nắm bắt phương pháp thiết kế mạch tổ hợp  Thực hành quy trình chế tạo mạch in PCB  Nâng cao kĩ khoan hàn mạch điện tử  Hiểu rõ chức phương pháp nhân số bit 5|Page Đồ án kĩ thuật xung số CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG 2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch: Hình 2.1-1: sơ đồ khối mạch 2.2 Phân tích chức sơ đồ khối 2.2.1 Khối nguồn Sử dụng nguồn 5V DC để trì hệ thống 2.2.2 Khối phím Hình 2.2-1: cơng tắc bit 6P Khối phím cơng tắc bit: đưa tín hiệu bit tương ứng với chữ số hai số nhị phân bit A B 6|Page Đồ án kĩ thuật xung số Cấu hình tiếp điểm SPST Dịng điện định mức 100mA - 24 V DC Vật liệu tiếp điểm Đồng mạ nikel Số công tắc bit Kiểu chân Xuyên lỗ Kiểu tác động Trượt Nhiệt độ max +85°C Nhiệt độ -30°C Bảng 2.2-1: Thông số công tắc bit 2.2.3 Khối nhân  Cộng số nhị phân Ta có trường hợp cộng số nhị phân 0+0=0 ghi nhớ 0+1=1 ghi nhớ + = 10 ghi nhớ 1 + + = 11 ghi nhớ 1 + + + = 100 ghi nhớ 10 + + + + = 101 ghi nhớ 10 + + + + + = 110 ghi nhớ 11  Bộ bán tổng (Half adder) 7|Page Đồ án kĩ thuật xung số Hình 2.2-2: Sơ đồ kí hiệu bán tổng Bảng trạng thái: Ai Bi Si Ci 0 0 1 1 1 Bảng 2.2-2: trạng thái bán tổng Ai, Bi: chữ số cột i hai số A B Si : chữ số tổng cột thứ i Ci: số nhớ phép cộng cột thứ i Hàm số Si = Ai ⨁ Bi Ci = AiBi 8|Page Đồ án kĩ thuật xung số Hình 2.2-3: sơ đồ logic bán tổng  Bộ tổng đầy đủ (Full adder) Xét ví dụ sau Thực cộng số nhị phân bit A3A2A1A0 + B3B2B1B0 ta tiến hành sau A0 + B0 = S0 + C0 A1 + B1 + C0 = S1 + C1 A2 + B2 + C1 = S2 + C2 A3 + B3 + C3 = S3 + C3 C3 = S4 Như tiến hành cộng số nhị phân nhiều bit cộng bit A,B mạch cộng phải cộng thêm số nhớ từ phép cộng trước => người ta xây dựng mạch tổng đầy đủ sau: 9|Page Đồ án kĩ thuật xung số Hình 2.2-4: Sơ đồ kí hiệu tổng đầy đủ Bảng trạng thái Ai Bi Ci-1 Si Ci 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Bảng 2.2-3: trạng thái tổng đầy đủ Ai, Bi: chữ số cột i hai số A B Si : chữ số tổng cột thứ i Ci-1: số nhớ cột có trọng số nhỏ bên canh đưa đến Ci: số nhớ đưa đến cột có trọng số lớn bên cạnh Hàm số Si = Ai ⨁ Bi ⨁ Ci-1 10 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số Ci = BiCi-1 + Ai(Ai ⨁ Bi ) Hình 2.2-5: sơ đồ logic tổng đầy đủ  Mạch nhân số nhị phân Thực chất phép nhân phép cộng nhiều lần Trước tiên ta xét ví dụ nhân nhị phân sau Số nhân A 0111 = Số nhân B 1110 = 14 0000 0111 0111 0111 1100010 Tổng quát : cho dãy số nhị phân A B, phép nhân thực sau 11 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số Mạch điện chi tiết tốn nhân sử dụng cổng AND mạch cộng bán phần tồn phần: Hình 2.2-6: mạch điện 12 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số 2.2.4 Khối hiển thị Sử dung led hiển thị tương ứng bit ứng với S0 đến S5 Hình 2.2-7: khối hiển thị LED LED đơn đục, LED siêu sáng 5mm - bóng LED có đường kính bóng 5mm, sử dụng phổ biến điện tử trang trí Điện áp hoạt động mức 2,5 - 5V Dòng điện 10mA - 20mA Loại LED: LED đục, LED siêu sáng Màu LED xanh Bảng 2.2-4: thông số led hiển thị 13 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Mạch ngun lý Hình 3.1-1: mạch ngun lí đề tài 14 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số Ta gọi cổng logic từ trái qua phải theo số A2 A1 A0 B2 B1 B0 Các Led từ D1 ->D6 sáng tắt tương ứng với bit Ở trạng thái ban đầu, Led tắt Bảng 3.1-1: tín hiệu trạng thái ban đầu Bit logic Tín hiệu A2 A1 A0 B2 B1 B0 Trạng thái D1 D2 D3 D4 D5 D6 OFF OFF OFF L L L L L L OFF OFF OFF 0 0 0 0 0 Giá trị Giá trị A: Giá trị B: L: Mức logic thấp ON: Đèn sáng H: Mức logic cao OFF: Đèn tắt Tích AB: 15 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số Hình 3.1-2: ví dụ mơ Bit logic Trạng thái Tín hiệu A2 A1 A0 B2 B1 B0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 H L H H H L OFF ON ON ON ON OFF 22 20 22 21 0 24 23 22 21 Giá trị Giá trị A: Giá trị B: Tích AB: 30 Bảng 3.1-2: giá trị mô 16 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số 3.2 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm Vẽ mạch in Altinum 18 Hình 3.2-1: sơ đồ dây mạch in 17 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số Hình 3.2-2: mơ hình 3D mạch Bảng linh kiện cần dùng STT Linh kiện Số lượng Công tắc bit 6P LED đơn Green IC 74HC08 18 18 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số IC 74HC86 IC 74HC32 Trở R220Ω Bảng 3.2-1: số lượng linh kiện làm mạch a) Tổng quan IC 74HC08 Là IC logic cổng AND độc lập đầu vào sử dụng ứng dụng so sánh trạng thái tín hiệu Hình 3.2-3: sơ đồ chân IC 74HC08 VCC: Nguồn cấp GND: Nối đất Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13 : Các cặp đầu vào Chân 3, 6, 8, 11: Các đầu AND Tốc độ lan truyền: 7ns với mức LOW, 12ns với mức HIGH 19 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số Nguồn cấp: 2V đến 6V b) Tổng quan IC 74HC86 Là IC logic cổng XNOR độc lập đầu vào sử dụng ứng dụng so sánh trạng thái tín hiệu Hình 3.2-4: sơ đồ chân IC 74HC86 VCC: Nguồn cấp GND: Nối đất Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13 : Các cặp đầu vào Chân 3, 6, 8, 11: Các đầu XNOR c) Tổng quan IC 74HC32 Là IC logic cổng OR độc lập đầu vào sử dụng ứng dụng so sánh trạng thái tín hiệu 20 | P a g e Đồ án kĩ thuật xung số Hình 3.2-5: sơ đồ chân IC 74HC32 VCC: Nguồn cấp GND: Nối đất Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13 : Các cặp đầu vào Chân 3, 6, 8, 11: Các đầu OR Nguồn cấp: 2V đến 6V 21 | P a g e ... B2 + C1 = S2 + C2 A3 + B3 + C3 = S3 + C3 C3 = S4 Như tiến hành cộng số nhị phân nhiều bit cộng bit A,B mạch cộng phải cộng thêm số nhớ từ phép cộng trước => người ta xây dựng mạch tổng đầy đủ sau:...  Mạch nhân số nhị phân Thực chất phép nhân phép cộng nhiều lần Trước tiên ta xét ví dụ nhân nhị phân sau Số nhân A 0111 = Số nhân B 1110 = 14 0000 0111 0111 0111 1100010 Tổng quát : cho dãy số. .. nikel Số công tắc bit Kiểu chân Xuyên lỗ Kiểu tác động Trượt Nhiệt độ max +85°C Nhiệt độ -30 °C Bảng 2.2-1: Thông số công tắc bit 2.2 .3 Khối nhân  Cộng số nhị phân Ta có trường hợp cộng số nhị phân