Luận văn ứng dụng vi mạch số lập trình

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH LỜI MỞ ĐẦU Với tiến không ngừng khoa học kỹ thuật, đặc biệt ngành điện tử ứng dụng nhiều công nghiệp Trong lónh vực điều khiển, từ công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đem đến kỹ thuật điều khiển đại có nhiều ưu điểm so với việc sử dụng mạch điều khiển lắp ráp từ linh kiện rời kích thước mạch nhỏ, gọn, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy công suất tiêu thụ thấp Ngày lónh vực điều khiển ứng dụng rộng rãi thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ngày người máy giặt, đồng hồ điện tử nhằm giúp cho đời sống ngày đại tiện lợi Đề tài ứng dụng vi mạch số lập trình phong phú đa dạng, có nhiều loại hình khác dựa vào công dụng độ phức tạp Do tài liệu tham khảo tiếng việt hạn chế, trình độ có hạn kinh nghiệm thực tiễn non kém, nên đề tài chắn nhiều thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân tình, quý báu quý thầy cô bạn sinh viên Tháng năm 1999 Trương Phước Toàn MỤC LỤC Trang PHẦN I LÝ THUYẾT CHƯƠNGI GIỚI THIỆU CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN I/ CỔNG LOGIC VÀ (AND) ,HOẶC (OR) ,KHÔNG (NOT) 1/ Cổng logic VÀ .2 2/ Cổng logic HOẶC 3/ Cổng logic KHÔNG II/ CỔNG LOGIC KHÔNG-VÀ (NAND) ,KHÔNG-HOẶC (NOR) 1/ Cổng NAND 2/ Coång NOR .4 III/ COÅNG LOGIC EXOR ,EXNOR .5 1/Coång EXOR 2/Coång EXNOR .5 IV/ BIẾN ĐỔI CÁC HÀM QUAN HỆ RA HÀM LOGIC NAND, NOR CHƯƠNG II MẠCH LOGIC TỔ HP I/ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MẠCH TỔ HP II/ PHƯƠNG PHÁP BIỂU THỊ VÀ PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG LOGIC III/ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ LOGIC MẠCH TỔ HP 1/ Phân tích yêu caàu .9 2/ Lập bảng thaät .9 3/ Tiến hành đơn giản hóa 11 CHƯƠNG III 12 GIỚI THIỆU VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH 1/ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH 12 2/ CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA CÁC HỌ VI MẠCH LẬP TRÌNH 16 3/ CÁC PHẦN MÈM HỔ TR CỦA PLD 40 4/ GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SYNARYO 44 PHAÀN II THI 48 PHAÀN III KẾT LUẬN 60 COÂNG PHẦN I LÝ THUYẾT Trang CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN I/ HÀM LOGIC VÀ (AND) , HOẶC (OR) ,KHÔNG (NOT) 1/ Cổng logic Gọi A biến số nhị phân có mức logic 1, Y biến số nhị phân tùy thuộc vào A: Y= f(A) Trong trường hợp có hai khả xảy ra: - Y = A, A= Y = hay A= Y = - Y = A A= Y = hay A= Y = Khi Y tùy thuộc vào hai biến số nhị phân A, B  Y = f(A,B) Vì biến số A,B hay nên A B tạo tổ hợp khác là: A 0 1 B 1 A ØMaï ch Y B Bảng liệt kê tất tổ hợp khả dó biến số hàm số tương ứng gọi bảng thật Khi có hay nhiều biến số (A,B ,C) số lượng hàm số khả dó tăng nhanh Mạch điện tử thực quan hệ logic : Y = f(A ) hay Y = f(A,B) gọi mạch logic, biến số A,B ngỏ vào hàm sốY ngỏ Một mạch logic diễn tả quan hệ ngỏ vào ngỏ nghóa thực hàm logic, có hàm số logic có nhiêu mạch logic Lưu ý biểu diễn mối quan hệ toán học ta gọi hàm số logic biểu diễn mối quan hệ mạch tín hiệu ta gọi cổng logic 2/ Cổng logic VÀ (AND) Hàm logic VÀ định nghóa theo bảng thật sau: Bảng thật: Trang A 0 1 B 1 Y 0 A Y=A.B B Ký hiệu toán học hàm số VA.Ø cổng VÀ (AND) Y = A.B Kí hiệu 3/ Cổng logic HOẶC (OR) Hàm số HOẶC hai biến số A,B định nghóa bảng thật sau: Bảng thật: A 0 1 B 1 Y 1 A B Y Kí hiệu cổng HOẶC Ngỏ Y có biến số 1, trường hợp hai biến số Ký hiệu toán học cổng HOẶC là: Y = A+B 4/ Cổng logic KHÔNG (NOT) Hàm VÀ hàm HOẶC tác động lên hai hay nhiều biến số hàm KHÔNG xem tác động lên biến số Bảng thật : A Y A Y Y=A Kí hiệu cổng NOT Hàm KHÔNG có tác động phủ định hay đảo Sở dó có đồng hóa ta liên hệ vớisố nhị phân có hai trạng thái hay Do phủ định là1 Trang II/ CỔNG LOGIC KHÔNG -VÀ (NAND) , KHÔNG-HOẶC (NOR) 1/ Cổng logic NAND Xét trường hợp có hai biến số A,B ngỏ cổng VÀ Y = A.B nên ngỏ cổng KHÔNG đảo Y: Y = A.B Về hoạt động cổng NAND từ tổ hợp A,B ta lập bảng trạng thái lấy đảo để có Y đảo Tuy nhiên trực tiếp cách lập bảng thật sau: Bảng thật : A 0 1 B 1 Y 1 A B & Y Kí hiệu cổng NAND 2/ Cổng NOR Xét trường hợp hai ngỏ vào A,B Ngỏ cổng NOR : Y = A+B nên ngỏ cổng đảo : Y = A+B Bảng thật : A 0 1 B 1 Y 0 A Y B Kí hiệu cổng NOR III/ HÀM LOGIC EXOR VÀ EXNOR 1/ Cổng logic EXOR Hàm HOẶC gọi HOẶC bao gồm không giải toán cộng nhị phân Lý hai biến số Y = thay Mặc dù HOẶC có ý nghóa thực tế nên dùng, người ta phải định nghóa cổng logic khác HOẶC LOẠI TRỪ (EXOR) cổng có ý nghóa loại trường hợp A,B đồng thời Y = Trang Ký hiệu : Y = A B Bảng thaät: A 0 1 B 1 Y 1 A Y B Kí hiệu cổng EXOR 2/ Cổng EXNOR Hàm EXNOR thực cách thêm cổng NOT sau cổng EXOR, hoạt động logic EXNOR đảo so với EXOR Ký hiệu : Y = A  B Bảng thật: 0 1 B 1 Y 0 A B Y Trang IV/ BIẾN ĐỔI CÁC HÀM QUAN HỆ RA HÀM LOGIC NAND , NOR Mối liên hệ ba cổng AND, OR, NOT thay cổng NAND mà biến thành cổng NOR với chức logic, việc làm thường áp dụng thực mạch logic Trong thực tế toàn sơ đồ kết hợp loại cổng sẻ giảm số lượng vi mạch cần thiết Quá trình biến đổi dựa nguyên tắc trình bày sau: + Cổng NOT thay cổng NAND cổng NOR - Dựa vào bảng thật cổng NAND suy trường hợp A,B đồng thời 0, Y = A =1, B =1 Y = Sơ đồ minh họa : A=B Y Tương tự dựa vào bảng thật cổng NOR suy : A = 0, B =  Y = A= 1, B=  Y = Sơ đồ minh họa : A=B Y + Cổng AND đïc thay cổng NAND cổng NOR Tương tự trường hợp trên, dựa vào bảng thật: - Ngõ cổng AND Y= A+B cổng NAND Y' = A+B  đảo Y' = Y Sơ đồ minh họa: A B Y - Ngỏ cổng NOR Y = A.B Ta coù Y = A B = A + B Sơ đồ minh họa : Trang A Y B + Cổng OR đïc thay cổng NAND cổng NOR Biểu thức cổng OR Y = A.B,  Y’ = A + B = A.B Sơ đồ minh họa : A Y B - Biểu thức cổng NOR Y’ = A.B  Y’ = A.B = Y Sơ đồ minh họa : A B Y Trang 10 Màn hình soạn thảo sơ đồ mạch logic Trên hình có chứa sơ đồ tên ”donghoso”.Bên phải hình có đề mục lệnh nhằm mục đích kiểm tra, đơn giản thiết lập sơ đồ logic vi mạch Trang 53 PHẦN II THI CÔNG Trang 54 I/ PHẦN CỨNG Ứng dụng vi mạch số lập trình phổ biến sản phẩm công nghiệp sản phẩm sinh hoạt gia đình như: máy giặt, bếp điện tự động,… trình độ hạn chế nên em áp dụng ứng dụng nhỏ vi mạch số lập trình thi công mạch đồng hồ hiển thị số để thấy rõ ưu điểm PLD Sau em xin trình bày sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in sơ đồ bố trí linh kiện mạch dồng hồ số Sơ đồ nguyên lý Trang 55 Sơ đồ bố trí linh kiện Trang 56 Sơ đồ mạch in Trang 57 Giới thiệu vi mạch lập trình công ty lattice Vi mạch iSP LSI 1016 vi mạch sử dụng để lập trình mạch đồng hồ hiển thị số: 1 1 44 433 3 3 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 42 41 41 IspLSI 1016 PLCC44 Vi mạch iSP LSI 1016 vi mạch có cấu tạo từ cổng logic lập trình với mật độ tích hợp khoảng 2.000 cổng: Thời gian trì hoãn Tpd = 7,5 ns Tần số hoạt động fmax = 125MHz Vi mạch có 44 chân với kiểu vỏ PLCC Vi mạch có 32 ngõ vào/ra dùng với nhiều ứng dụng khác board Trang 58 Chức chân IC isp LSI 1016 Số thứ tự chân 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Chức GND IN3 I/O 24 I/O 25 I/O 26 I/O 27 I/O 28 I/O 29 I/O 30 I/O 31 YO Vcc (5V) IspEN/NC SDI/INO I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Số thứ tự chân 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 Chức GND SOD/ IN I/O I/O I/O 10 I/O 11 I/O 12 I/O 13 I/O 14 I/O 15 Y2/ SCLK Vcc Y1/ RESET IN2/ MODE I/O 18 I/O 17 I/O 16 I/O 19 I/O 20 I/O 21 I/O 22 I/O 23 Nguyên lý hoạt động mạch Mạch điện gồm có IC 4060 kết hợp với thạch anh 4MHz, điện trở R2,R3 tụ C8,C9 tạo thành mạch dao động cung cấp hai tín hiệu 500ms 1ms cho vi mạch lập trình để thực chức đếm, giải mã, hiển thị led đoạn phương pháp quét Mạch đồng hồ số có led: led hiển thị led hiển thị phút IC74240 có chức đệm đảo kết hợp với điện trở R5 R12 làm mạch đệm để hiển thị Bốn BJT có chức điều khiển quét Hai nút nhấn S1 S2 dùng để điều chỉnh phút Ưu điểm mạch điện là: Có linh kiện board mạch điện đơn giản thuận lợi việc kiểm tra có cố hư hỏng - Công suất tiêu thụ mạch giảm đáng kể dùng phương pháp quét led - - Khuyết điểm: Chưa tận dụng hết khả hoạt động vi mạch sử dụng có 13 đường vào Trang 59 Do vi mạch lập trình khan thị trường nên giá thành cao II/ PHẦN MỀM - Sơ đồ mạch logic mạch đồng hồ số Trang 60 Trang 61 Trang 62 module giai ma title ‘giai ma’ ‘’inputs a,b,c,d pin 1,2,3,4; ‘’outputs aa,bb,cc,dd,ee,ff,gg pin 5,6,7,8,9,10,11istype’com’; equations aa= !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&! b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b& d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&! c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # d&!c&!b& bb = !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&! b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b& d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&! c&!b&!a # !d&!c&!b&!a ; cc = !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&! b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b& d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&! c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # d&!c&!b& dd = !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&! b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b& d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&! c&!b&!a # !d&!c&!b&!a ; ee = !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&! b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b& d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&! c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # d&!c&!b& ff = !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&! b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b& d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&! c&!b&!a # !d&!c&!b&!a ; gg = !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&! b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b& d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&! c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # !d&!c&!b&!a # d&!c&!b& end Trang 63 module count title ‘dem mode 4’ ‘’constants c,x,p = c , c , p ; ‘’inputs takt , up ,dn ,r , 19 pin 1, 2, 3, 4, ; ‘’outputs q0 ,q1 ,q2 ,q3 pin 6, 7, 8, istype ‘reg’ ; equations (q0 c , q1 c , q2 c , q3 c ) =takt ; ‘’ count up count down load reset q0 := ( ( ( up # dn )$q0 # 19 )&!r; q1 := ( ( ( up&q0) # (dn $! q0) )$q1 &! 19 )&!r ; q2 := ( ( (up&q0&q1) # (dn $!q0$!q1) )$q2 &!19 )&!r; q3 := ( ( (up&q0&q1&q2) # (dn $!q0$!q1$!q2) )$q3 #! 19 )&!r; end Trang 64 PHAÀN III KẾT LUẬN Trang 65 Kết luận Qua tuần nhận đề tài, kiến thức tài liệu có hạn chế em cố gắng hoàn thành tập luận văn thời hạn đề Qua thực tế kiểm nghiệm, Em có nhận xét ưu khuyết điểm đề tài Ưu điểm mạch là: - Mạch điện đơn giản (chỉ với IC số mạch), dễ thực hiện, dễ kiểm tra linh kiện gặp cố - Vi mạch lập trình ứng dụng vào nhiều công việc khác cách lập trình cho vi mạch - Công cụ để lập trình đơn giản, dễ thực - Làm giảm đáng kể số lượng IC board - Hoạt động vi mạch đảm bảo độ tin cậy, xác Khuyết điểm: Do vi mạch lập trình thị trường khan nên giá thành cao Hướng phát triển đề tài Để thấy rõ ưu điểm vi mạch lập trình, với đề tài thực ứng dụng thiết thực yêu cầu thực tế thi công mạch điện có nhiều chức vừa hiển thị giờ, có chuông báo hẹn trước, điều khiển đóng ngắt thiết bị từ xa Một lần em xin cảm ơn thầy TRẦN VĂN TRỌNG tận tình hướng dẫn cho em Xin cảm ơn q thầy cô khoa dạy dỗ em bạn khóa giúp đỡ em thời gian qua Trang 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Giáo trình vi mạch số lập trình tác giả: Trần Văn Trọng - Cơ sở kó thuật điện tử số Thọ dịch Thầy Vũ Đức - Tra cứu vi mạch số TTL CMOS - Vi mạch số tập Phương - Programmable Logic Designer' s Guide Nguyễn Hữu Roger C Alford Trang 67 ... phương pháp đại số CHƯƠNG III VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH I/ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI MẠCH SỐ LẬP TRÌNH Trước thời kỳ vi mạch số lập trình (Programmable Logic Device) đời, thiết kế logic số truyền thống... cấp công cụ hỗ trợ để lập trình Họ vi mạch PROM (Progammable Read Only Memory) PROM gọi nhớ đọc lập trình Đây họ vi mạch sử dụng vi mạch số lập trình theo quan điểm vi mạch số Cấu trúc PROM đơn... họ vi mạch đại diện cho họ vi mạch số lập trình Ngoài công ty chế tạo PAL có chọn lựa vi? ??c ký hiệu số vi mạch Điều cung cấp cho người sử dụng thông tin cần thiết có liên quan đến ứng dụng vi mạch