đồ án thiết kế đồng hồ số hiển thị giờ phút giây trên led 7 thanh

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.. * Cách làm:Muốn chuyển từ số thập ph

Lời mở đầu Ngày nay chúng ta đang sống trong một thế kỉ có công nghệ phát triểnmạnh mẽ Việc ứng dụng kĩ thuật số vào lĩnh vực Điện- Điện Tử đã mở ra mộtthời kì mới - thời kì công nghệ số với nhiều sản phẩm nh: máy ảnh số, đầu số,truyền hình số, camera số và trong nhiều lĩnh vực khác.

Từ khi công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kĩthuật điều khiển hiện đại có nhiều u điểm hơn so với việc lắp ráp bằng các linhkiện rời nh: kích thớc nhỏ, giá thành hạ, làm việc tin cậy, công suất tiêu thụnhỏ Ngày nay lĩnh vực điều khiển đã đợc ứng dụng nhiều trong các thiết bị, sảnphẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày làm cho đời sống của chúng tangày càng hiện đại và tiện nghi hơn

Trải qua quá trình học tập và nghiên cứu môn học kĩ thuật số em đã chọn đềtài “Thiết kế đồng hồ số hiển thị giờ, phút, giây” làm đồ án Em hi vọngrằng sau khi hoàn thành đồ án này nó sẽ giúp em củng cố lại kiến thức mà em đãtích lũy đợc trong suốt thời gian học tập và với ớc mong nó sẽ là một điểm tựa cơbản (về kiến thức) cho em sau khi ra trờng

Trong quá trình làm đồ án em đã đợc sự hớng dẫn tận tình của thầy CAO

VĂN THế Mặc dù đã cố gắng hết sức nhng do khả năng còn hạn chế, hơn nữa

đây còn là một lĩnh vực mới đối với em, nên không tránh khỏi những thiếu sót vềnội dung và phơng pháp trình bày.Em rất mong đợc sự chỉ bảo hớng dẫn củathầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn để đề tài của em hoàn thiện hơn

- Đặc điểm : Mạch tơng 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 2mức logic đó đơc gọi là mức cao (H) và mức thấp (L) , còn gọi là mức “1” và mức “0”

* Đặc điễm:

-Tín hiệu số chỉ đợc 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 lu chữ thông tin

I.2 Các hệ thống đếm (Number systems)

I.2.1.Các hệ thống đếm (Number systems)

1.Hệ thống số thập phân(Decimal System)

- Sử dụng mời chữ số từ 0 đến 9 ghép lại với nhau tạo thành số đếm, số saulớn hơn số trớc một đơn vị Mỗi chữ số có mặt trong số thập phân gọi là một bíttính từ phải sang trái, bít đầu tiên đợc gọi là hàng đơn vị ,bít 2 hàng chục, bít 3hàng trăm, bít 4 hàng nghìn

10.810.610.1

2 1





0 1

2 1





* 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 đến 9 và 6 kí tự sau là A,B,C,D,E,F ghép vớinhau tạo thành số đếm.

16 5 16 2 16 2

- Tổng quát: X a 2 1 a 1 2n 2 a1 20

n

n n

2 1





* Cách làm:Muốn chuyển từ số thập phân sang thập lục phân ta lấy số thậpphân chia liên tiếp cho 16,số d trong mỗi lần chia là các chữ số của số ở hệ thậplục phân tơng ứng ghi theo trật tự ngợc lại.

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 chỉviệc tính tổng tất cả các tích của các chữ số trong hệ thập lục phân với trọng số t-

ơng ứng của nó

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 từtrái qua phải của số thập lục phân mỗi bít của số thập lục phân tơng đơng với 4bít của số nhị phân có vị trí tơng ứng

6 Chuyển từ nhị phân sang thập lục phân

* Cách làm: Muốn chuyển từ nhị phân sang thập lục phân ta tính từ phảiqua trái cứ 4 bít của số nhị phân tơng đơng với 1 bít của số thập lục phân Những

số cuối cùng nằm về phía bên trái nếu thiếu số lợng bít ta có thể thêm “0” vàophía bên trớc

I.3 Các loại mã thông dụng

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

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

a.Mã BCD:

- Cách thành lập:đợc thành lập dựa trên cở sở 4 bít của số nhị phânghép lại với nhau

- Quy ớc: Mã BCD là những mã số thuộc 10 kí tự cơ bản của số thậpphân

d.Mã GRAY (Mã vòng )

-Là loại mã số đợc 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 4bit của mã BCD đợc một bit của mã Hexa

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

I.4.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 2giá 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

Kết luận: Phủ định 2 lần bằng chính nó

1 1 1

0 0 1

1 1 1

1 0 1

0

.

1

0 0

.

1

0

1 1

A A

A

A A

A

A A

A A

A

A A

A

A A

2.Các tính chất của đại số Boolean

* Phép hoán vị :

B A C A C B C B A

A B C A C B C B A

A ) (   

-Phủ định của một tích bằng tổng các phủ dịnh thành phần

)

(A B C A B C

* Một số đẳng thức tiện dụng :

) ( ) (

10

9

8

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 A

2 các dạng biểu diễn hàm logic

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

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

-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 dới 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 vào hàng trên cùng của bảng trạng thái ghi tên các biến vào ra dới dạngchữ Các hàm tiếp theo về phía bên trái của bảng trạng thái ghi tổ hợp giá trị cácbiến đầu vào dới dạng số nhị phân theo thứ tự tăng dần từ trên xuống Các hàmcòn lại thuộc cột bên phải tơng ứng với đầu ra ghi giá trị logic của biến đầu ra.Tơng ứng với tổ hợp trạng thái biến đầu vào

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

Bảng 1-1-2 Bảng trạng thái điểu kiển bóng đèn sáng tối

d.Biểu diễn bằng bìa Karnough

+ Bìa karnough là 1 ma trận hình chữ nhật chứa các ô bên trong nó Số ôcủa ma trận= 2n(n: số các biến đầu vào)

+ Xung quanh ma trận tơng ứng với vị trí hàng cột Ngời ta ghi tên cácbiến có thể ghi ở dạng chữ hoặc số (dạng mã GRAY)

+ Bên trong các ô đợc ghi: 3 cách

Giá trị logic của biến đầu ra tơng ứng với tổ hợp trạng thái đầu vào có tọa

độ chiếu đến ô đó

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

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

Bảng 1-1-3 Biểu diễn trạng thái bóng đèn bằng bìa Karnough

3 các phơng pháp tối giản hàm logic

a Khái quát chung

- Trong quá trình thiết kế mạch điện logic các hàm số mà ta xây dựng ban

đầu đều là các hàm số cha tối giản vì vậy khi xây dựng mạch theo các hàm nàymạch điện thờng phức tạp có những cổng, những phép biến đổi không cần thiết

- Để mạch điện là tối u và ngắn gọn nhất trớc khi vẽ mạch ngời ta tìm cáchtối giản hàm logic Trong thực tế có nhiều phơng pháp khác nhau để tối giảnhàm logic nhng chủ yếu sử dụng 2 phơng pháp: sử dụng đại số Boolean và dùngbìa karnough

b.Phơng pháp đại số Boolean tối giản hàm logic

- Nội dung phơng 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

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

+ Ghép các ô trong bìa Karnough liền kề nhau có giá trị =1.Số lợng 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 đợc n biến

+ 1 ô có thể đợc ghép nhiều lần với các ô khác nhng 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 ô

đối 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

.

.

1 Cổng Đảo (Inverter gate)

a Định nghĩa: Cổng đảo còn gọi là cổng not Nó thực hiện thuật toàn lôgíc phủ định biến số ở đầu vào tức là Y =

b Kí hiệu : cổng NOT chỉ có một đầu vào và một đầu ra

Y A

2.Cổng hoặc (OR gate).

a Định nghĩa :Cổng hoặc là cổng lôgic cơ bản nó thực hiện phép tính tổng các biến số ở đầu vào: Y = A+ B + + N

Với : A,B N là các biến số ở đầu vào

Y là hàm số hay kết quả đầu ra

b Kí hiệu :Cổng OR hai đầu vào và cổng OR 3 đầu vào đợc biểu diễn nh hình vẽ:

Y

A B C Y

d Biểu diễn cổng OR bằng một mạch điện thay thế đơn giản:

Các đầu vào Đầu ra

e D¹ng xung cña cæng OR:

AB

Cæng AND 2 ®Çu vµo Cæng AND 3 ®Çu vµo

A B

d Biểu diễn cổng and bằng mạch điện, bán dẫn đơn giản :

Biểu diễn bằng mạch điện đơn giản và Biểu dễn bằng mạch bán dẫn đơn giản

e.Dạng xung của cổng AND:

Ta có thể biểu diễn dạng sóng của cổng and nh hình trên với A,B là dạng sóng

đầu vào còn Y là dạng sóng đầu ra Chỉ khi nào 2 đầu vào A,B ở mức cao thì đầu

ra Y mới ở mức cao

4.Cổng Và Đảo(NAND gate):

a Định nghĩa :Cổng nand là một cổng lôgíc cơ bản nó thực hiện thuật toán

phủ định tích lôgíc các biến số đầu vào tức là : Y=

Rc Rb

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA

Y = A B

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA

e Dạng xung của cổng NAND :

5 Cổng Hoặc Đảo(NOR gate)

a Định nghĩa :Cổng NOR là một cổng lôgic cơ bản nó thực hiện thuật toán phủ định tổng lôgic các biến số ở đầu vào : Y=

b Kí hiệu :

Y

A B

Cổng NOR có thể có 2 hoặc nhiều đầu vào

Rc Rb

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA

Cần chú ý tụ C trong mạch điện dùng để chống ngắn mạch nguồn 220v AC đầu vào khi các công tắc A,B đều ở trạng thái đóng.

Mạch bán dẫn thể hiện sự hoạt động của cổng NOR nh hình vẽ :

chỉ khi nào 2 đầu vào ở mức thấp thì đầu ra mới ở mức cao còn lai các trờng hợp khác thì đầu ra đều ở mức thấp

e Dạng xung của cổng NOR:

6 Cổng Hoặc loại trừ( EXOR gate)

a Định nghĩa :Cổng EXOR là một loại cổng lôgíc mà nó có khả năng thực hiện thuật toán cộng lôgíc khác dấu các biến số ở đầu vào : tức là Y= A B

b Kí hiệu:

Y

A B

Cổng EXOR hoạt động theo bảng chân lý trên

d Biểu diễn sự hoạt động của cổng EXOR bằng một mạch lôgíc đơn giản:

C

B A

e Dạng xung của cổng EXOR:

7 Cổng loại trừ EXNOR (EXNOR GATE):

a Định nghĩa : Cổng EXNOR là 1 loại cổng lôgíc nó có khả năng thực hiện thuật toán phủ định tích lôgíc loại trừ của biến số đầu vào :

c Bảng chân lý :

Bảng chân lý của cổng loại trừ EXNOR đợc xây dựng nh hình vẽ Khi cả hai

đầu vào ở mức cao hoặc ở mức thấp thì đầu ra có mức cao , còn khi một trong hai đầu vào ở mức thấp hoặc ở mức cao thì đầu ra ở mức thấp

Y B

A

e Dạng xung của cổng loại trừ EXNOR:

8 Cổng đệm (Buffer gate).

a Định nghĩa :Cổng đệm có tác dụng cho tín hiệu đi qua mà không hề làm

thay đổi dạng sóng của tín hiệu truyền qua nó : Y=A

Cổng đệm dùng trong trờng hợp khi ta cần một dòng điện thúc cho tải tơng đối lớn tri số của nó vợt quá khả năng tải dòng của IC lôgíc thì ta cần phải lắp thêm một cổng đệm nằm trung gian giữa ic lôgic và tải

b Kí hiệu:

YA

c Bảng chân lý :

Bảng 1-2-8.Bảng chân lý cổng đệm

Cổng đệm hoạt động theo bảng chân lý trên khi đầu vào bằng 1 thì đầu ra bằng 1

và khi đầu vào bằng 0 thì đầu ra cũng bằng 0

R3 R2

e Dạng xung của cổng đệm :

Dạng sóng của A và Y luôn luôn đồng pha với nhau

III Giới thiệu về các IC sử dụng trong mạch

III 1.IC 4520

Có rất nhiều loại mạch đếm nhng trong mạch thiết đồng hồ số hiển thị

giờ ,phút ,giây này em chỉ xét mạch đếm đồng bộ Modul 16(đếm lên)

Cụ thể ta xét IC 4520:

IC HEF 4520B gồm hai mạch đếm nhị phân đồng bộ bên trong 4 bit Mạch đếm

có một ngõ vào Clock tác động mức cao (CP0) và một ngõ vào Clock tác động mức thấp (CP1 ), các ngõ ra đợc đệm từ tất cả 4 bit (O0O3) và một ngõ vào master reset không đồng bộ tác động mức cao (MR) Bộ đếm tiến triển hoặc theomỗi cạnh lên CP nếu CP1= H hoặc theo cạnh xuống của ngõ vào CP1nếu CP0=L

CP0 hoặc CP1 có thể dùng nh ngõ vào clock cho mạch đếm và ngõ vào còn lại

có thể dùng nh ngõ vào cho phép clock vào Mức cao tại MR làm Reset bộ đếm (O0O3=L) độc lập với CP0, CP1

Hoạt động Schmitt-trigger ở ngõ vào clock tạo ra khả năng chụi đựng cao đối vớiclock có thời gian lên / xuống chậm hơn

a sơ đồ chân IC HEF 4520B

12

3456

1213

Hình 1-3-1.Cơ đồ chân IC 4520

HEF 4520BP: 16 lead DIL, plastic

HEF 4520BD: 16 lead DIL, ceramic

HEF 4520BT: 16 lead mini-pack, plastic

8 7 6 5 4 3 2 1

1B 0B

CP

A 1A

0A

CP CP

O O

C D FF

T O

3 o

0

1

CP CP MR

Bảng 1-3-2.Bảng thông số IC 74LS247

c Sơ đồ cấu trúc bên trong IC 74LS247

Hình 1-3-3.Sơ đồ logic IC 74LS247

d.Bảng chân lý

Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng sự thật, trong đú đối với cỏc ngừ

ra H là tắt và L là sỏng, nghĩa là nếu 74LS247 thỳc đốn led 7 đoạn thỡ cỏc đoạn

a, b, c, d, e, f, g của đốn sẽ sỏng hay tắt tuỳ vào ngừ ra tương ứng của 74LS247

là L hay H

Ch©n 2: tringer input( ngâ vµo xung n¶y)

Ch©n 3: Output (ngâ ra)

7Dis

8Vcc

IC 555

2

3

4

5 6 7

Rb

Ra 1k

S

R Q_+

O2 + O1

để làm tín hiệu R(reset) điều khiển Flip-Flop

3.OP-AMP (2) là mạch khuyếch đại so sánh ngõ IB nhận điện áp chuẩn 1/3Vcc còn ngõ In- thì nối ra ngoài chân Tuỳ thuộc vào điện áp chân 2 so với

điện áp chuẩn 1/3Vcc mà OP-AMP (2) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (set) điều khiển F/F

4.Mạch F/F là loại mạch lỡng ổn kích một bên> Khi chân set (S) có điẹn áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái F/F làm ngõ Q lên mức cao và ngõ xuống mức thấp Khi ngõ set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không

đổi trạng thái Khi chân reset(R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ ra lên mức cao và ngõ Q xuống thấp khi ngõ reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng

5.Mạch OUTPUT là mạch khuyếch đại ngõ ra để tăng độ khuyếch đại dòng cấp cho tải Đây là mạch khuyếch đại đẩo có ngõ vào là chân của F/Fnên khi ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (≈0) và ngựơc lại khi

ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao(≈Vcc)

6 Transitor T1 có chân E nối vào mọt điện áp chuẩn khoảng 1,4V và là loại TZT

PNP nên khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4 V thì T1ngng dẫn nên T1 không có ảnh hởng đến hoạt động của mạch, khi chân 4

có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hoà đồng thời làm

xuống thấp Nếu không cần chức năng reset thì nối chân

4 lên dơng nguồn để tránh mạch bị reset do nhiễu

7.Transitor T2 là TZT có cực C để hở nối ra chân 7 , cực B của T2 đợc nối với ngõ ra của F/F nên khi ở mức cao thì T2 dẫn bão hoà khi ở mức thấp thì T2 khoá

đoạn)

Mạch hiển thị giây(led 7

đoạn)

Mạch hiểnthị giờ(led 7

đoạn)

Mạchgiảimã

BCD

Mạchgiảimã BCD

Mạchgiảimã

BCD

Mạch đếmphút

Mạch

đếm giờ

Mạch

đếmgiây