dùng flipflop thiết kế bộ đếm 8 bit có chức năng mr,load,updown, hiển thị led 7 đoạn

A B Cổng NOR có thể có 2 hoặc nhiều đầu vào Cổng NOR 2 đầu vào hoạt dộng theo bảng chân lý trên chỉ khi nào cả hai đầu vào ở mức thấp thì đầu ra mới ở mức cao còn lại tất cả các trờng hợ

Lời cảm ơn

Trải qua quá trình học tập, với đề tài “Dùng Flip Flop thích hợp thiết kế

bộ đếm 8 bit có các chân chức năng sau: MR, LOAD, up/ down, số đếm đợc hiển thị qua led 7 đoạn” Em hi vọng sau khi hoàn thành đồ án này nó sẽ giúp

em củng cố lại kiến thức mà em đã đợc học trong suốt thời gian học tập đồngthời biết cách vận dụng nó vào thực tế

Trong quá trình làm đồ án không chỉ có việc tham khảo tài liệu mà chúng

1

Trong những năm gần đây những tiến bộ khoa học kỹ thuật đã đóng góp rất nhiều vào thành công cho các lĩnh vực của đời sống xã hội Các ngành tự

động hoá, đo lờng, và điều khiển cũng đã có những tiến bộ vợt bậc về mặt công nghệ và giải pháp

Các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục đợc ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng nh trong

đời sống xã hội Việc gia công xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử hiện đại

đều dựa trên nguyên lý số vì các thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý số có những

u điểm hơn hẳn các thiết bị điện tử làm việc dựa trên cơ sở nguyên lý tơng tự Môn học kĩ thuật số đã hớng dẫn thiết mạch số, giải thích nguyên lý các

bộ biến đổi ADC, DAC, các bộ phân kênh và dồn kênh trong kỹ thuật truyền tin Bên cạnh đó với việc thiết kế đợc các mạch đếm lên, xuống, lên xuống, có ứng dụng rộng rãi trong thực tế nó giúp con ngời tự động hoá trong một số ngành công nghiệp

Trong nội dung đồ án dùng Flip Flop thích hợp thiết kế bộ đếm 8 bit có các chân chức năng sau: MR, LOAD, up/ down, số đếm đợc hiển thị qua led 7

đoạn FF-JK có mạch hiển thị số trên LED 7 đoạn Do trình độ và khả năng còn

hạn chế nên trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những sai xót, khiếm khuyết Rất mong đợc sự chỉ bảo của thầy cô giáo và đóng góp ý kiến của các bạn sinh viên để đồ án của chúng em đợc hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nam Định,1 tháng 11 năm 2010

Mục lục

Lời cảm ơn 1

Lời nói đầu 2

Chơng 1 : các cổng logic và mạch tổ hợp logic 1.1 Các cổng logic cơ bản 5

1.1.1 Cổng hoặc (OR gate) 5

1.1.2 Cổng và (AND gate) 7

1.1.3 Cổng đảo (NOT gate) 8

1.1.4 Cổng và đảo (NAND gate) 8

1.1.5 Cổng hoặc đảo (NOR gate) 9

1.1.6 Cổng hoặc loại trừ (EXOR gate) 10

1.1.7 Cổng hoặc loại trừ đảo (EXNOR gate) 11

1.2 Các mạch tổ hợp logic 11

1.2.1 Mạch mã hoá 11

1.2.2 Mạch giải mã 13

1.2.3 Các IC giải mã và mã hoá thông dụng 15

CHƯƠNG 2 : mạch FLIP-FLOP Và ứNG DụNG 2.1 Các fip-flop thông dụng 18

2.1.1 Flip-Flop RS 18

2.1.2 Flip-Flop JK 19

2.1.3 Flip-Flop T 20

2.1.4 Flip-Flop D 21

2.2 Mạch đếm 2.2.1 Khái niệm và phân loại 21

2.2.2 Mạch đếm không đồng bộ 22

2.2.3 Các IC đếm thông dụng 23

CHƯƠNG 3 : thiết kế mạch 8 BIT 3.1 Sơ đồ khối mạch 30

3.1.1 Khối nguồn 30

3.1.2 Khối tạo xung 34

3.1.3 Khối đếm 38

a, Bảng trạng thái b, Biểu thức logic c, Sơ đồ mạch 3.1.4 Khối giải mã 45

3.1.5 Khối hiện thị 49

3.2 Sơ đồ lắp giáp 50 Kết luận và kiến nghị

3

A B

Cæng OR hai ®Çu vµo Cæng OR bèn ®Çu vµo

A B

Cổng AND 2 đầu vào Cổng AND 3 đầu vào

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

A

DB DA

Ta có thể biểu diễn dạng sóng của cổng AND nh hình trên với A,B làdạng sóng đầu vào còn Y là dạng sóng đầu ra Chỉ khi nào 2 đầu vào A,B ở mứccao thì đầu ra Y mới ở mức cao

1.1.3) Cổng NOT(Cổng Đảo-Inverter gate)

d) Biểu diễn cổng NOT bằng mạch điện và mạch bán dẫn đơn giản

A B

Cổng NOR có thể có 2 hoặc nhiều đầu vào

Cổng NOR 2 đầu vào hoạt dộng theo bảng chân lý trên chỉ khi nào cả hai

đầu vào ở mức thấp thì đầu ra mới ở mức cao còn lại tất cả các trờng hợp còn lạithì đầu ra đều ở mức thấp

7

Q2 NPN

Rc Rb

Ur

Vcc Vcc

A

DB

DA C

Uv

B A

L1

d) Biểu diễn cổng NOR bằng một mạch điện và một mach bán dẫn đơn giản:

Cần chú ý tụ C trongmạch điện dùng đểchống 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 khinào 2 đầu vào ở mức thấp thì đầu ra mới ở mức cao còn lai các trờng hợp khácthì đầu ra đều ở mức thấp

Cổng EXOR hoạt động theo bảng chân lý trên

Y

B A

Y

A B

Q2 NPN

Rc Rb

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA C

Dạng sóng của cổng đợc thể hiện nh hình vẽ Qua đó ta thấy chỉ khi nào 2

đầu vào có mức lôgíc đối nhau thì đầu ra mới ở mức cao còn khi 2 đầu vào cócùng một mức lôgíc thì đầu ra ở mức thấp

Bảng chân lý của cổng EXNOR đợc xây dựng nh hình vẽ Khi cả hai đầuvào ở mức cao hoặc ở mức thấp thì đầu ra có mức cao , còn khi một trong hai đầuvào ở mức thấp hoặc ở mức cao thì đầu ra ở mức thấp

B1: Xác định thông số đờng dữ liệu ở đầu vào và n bít đầu ra Lập bảng trạng thái.

B2: Viết hàm quan hệ ở đầu ra với các biến đầu vào

2 Các bớc thực hiện thiết kế mạch giải mã

B1: Xác định số bit đầu vào và dữ liệu đầu ra, lập bảng trạng thái

U2 NOT

U3 NOT

U4 NOT

OR_3 U8

OR_3 U9 OR_3 U10

OR_3 U11

OR_3 U12

OR_3 U13

OR U14

Các tín hiệu đầu ra a,b,c,d,e,f,g đem đi kích thích led 7 đoạn ngoài ic giảimã74LS47 ra còn có ic 74ls247, 54ls47 với nguyên lý hoạt động nh 74LS47Bảng trạngthái của IC 74LS47

13

• Ch©n 4 BI/RBO_L (Blanking Input or Ripple-Blanking Output): xo¸ ngâvµo

• Ch©n 5 RBI_L (Ripple-Blanking Input): Xãa gän sãng ngâ v oà 7 ch©n

74LS47

A3 A2 A1 A0

test RBI

g f e d c b a RBO

- Ký hiÖu FF RS dïng cæng NAND 2 ®Çu vµo

+Víi: R, S lµ 2 ®Çu vµo (S: set, R: reset)

2 1

Q

Q

+ Khi không có xung CK đầu ra không chuyển trạng thái

+ Khi có CK đầu ra chuyển trạng thái

2.1.2 Flip-Flop JK

- FF JK khắc phục nhợc điểm trạng thái cấm của FF RS

- Từ FF RS ta thêm 2 cổng AND vào 2 đầu vào R, S đợc FF JK

- Sơ đồ cấu trúc của FF JK

S

QCK

R

T CK

Q Q

S J CP K R Q _ Q

S D CP

_ Q

SJCPKRQ_Q

b Bảng trạng thái:

2.2 Mạch đếm

2.2.1 Khái niệm và phân loại mạch đếm

a Khái niệm về mạch

- Đếm là việc sắp xếp các hệ thống số đếm theo một trình tự nhất định

- Mạch đếm là loại mạch điện sử dụng các FF ghép lại với nhau để thựchiện các thao tác đếm khi có tín hiệu xung ở đầu vào Nh vậy mạch đếm đã thựchiện thao tác nhờ tín hiệu xung ở đầu vào sau mỗi xung đầu vào thì đầu ra của bộ

đếm có thể tăng lên hoặc giảm đi 1 đơn vị hoặc thay đổi theo một trình tự logicnhất định

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

- Nếu có 2 FF ghép lại với nhau có 2 đầu ra Q1,Q2 nhớ đợc 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 lợng hiện có của nó

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

Số hàng = M+2 (M là số modul đêm cộng với 1 hàng để mạch quay lại vị trí mong muốn và cộng với 1 hàng cho các biến)

B3: Viết hàm (dựa vào bảng trạng tháI có thể dùng dạng hội hoặc dạng tuyển )

B4: Rút gọn hàm ( thờng sử dụng bìa karnaugh)

Thiết lập trạng thái cho các chân của Flip-Flop

B5: Vẽ mạch và thử mạch ( muốn chính xác hơn lên chạy lại trên phần mềm mô phỏng chẳng hạn nh Proteus )

2.2.3 Các IC đếm thông dụng

Để thực hiện các chu trình của mạch tự động báo giờ thì ta phải sử dụngcác IC đếm để thực hiện chia xung, đếm chu trình, điều khiển chu trình

Bộ đếm là mạch logic gồm một dãy các Flip – Flop ghép nối thích hợp để

có khả năng đếm các xung đa tới Kết quả đếm đợc chỉ thị và lu giữ ở đầu ra củacác Flip – Flop dới dạng một mã nhị phân nào đó

Một số IC đếm thông dụng nh : 74190, 749, 74192, 74193, 4520,7490,4029.4510,7490

*Khảo sát IC đếm 4029

- Sơ đồ chân :

19

3P3 13P2 12P1 4P0 1PL 15CP

5 CE 9B/D 10U/D

7 TC

6 Q0

11 Q1

14 Q2

2 Q3

CD4520

1CP0A

2 CP1A7MRA9CP0B

10 CP1B15MRB

6Q3A5Q2A4Q1A3Q0A14Q3B13Q2B12Q1B11Q0BGồm hai bộ đếm nhị phân riêng biệt

Chân MR: mắc dây preset của đếm L đến đếm H đến xoá về 0

Chân CP0: Xung vào tác động sờn lên (LH)

- Chân số 16 nối với nguồn cung cấp +5v

- Chân số 8 nối với mass

- Chân 5(cpu_count up clock pulse input): xung đa vào chân này thì ic sẽthực hiện việc đếm lên

- Chân 4(cpd_count down clock pulse input):xung đa vào chân này thì ic

sẽ thực hiện việc đếm xuống

- Chân 11(PL_arynchronous parallel load (active low) input):tích cực mứcthấp để điều khiển nạp số liệu đặt trớc vào IC.khi cho mức logic đặt tại chân là

mức thấp(=0) thì các giá trị đặt trớc ở các chân P0,P1,P2,P3 tơng ứng sẽ truyền

21

tới các đầu ra Q0,Q1,Q2,Q3.sau khi nạp phải chuyển mức logic tại chân lên mứccao(=1) thì mạch mới hoạt động đợc.

- Chân 14(MR_asynchronous master reset input):chân này để xoá nộidung đếm.khi mức lôgic tại chân=1logic(mức cao) thì bộ đếm bị xoá,để mạch đểmạch đếm đợc thì MR= 0 logic(mức thấp) và mức logic đặt tại chân 11 phải

=1logic(mức cao)

- Chân 15(P0),1(P1),10(P2),9(P3):là các đầu vào đặt trớc(hoặc gọi là các

đầu vào đặt trớc) dùng để đặt một số cho trớc vào bộ đếm.theo thứ tự từ P0 đến P3 thì P0 là bit có trọng số thấp nhất (2^0) và P3 là bit có trọng số cao nhất(2^3).

- Chân 2,3,6,7 là các đầu ra để chỉ kết quả đếm

- Chân 12((inal count down(borrow) uotput), chân 13(TCd_terminal count

up (carry) output ): là hai đầu ra, hai đầu ra này sẽ lật trạng thái khi bộ đếm đã

đếm tới giá trị giới hạn

Các đầu ra TCu,TCd có quan hệ logic với đầu vào / ra khác nhau nhsau:

Khi đếm ngợc thì chân 12 (TCu) luôn luôn =1 logic (vì up=1logic),còn

đầu ra chân 13 (TCd) chỉ nhảy từ giá trị 1 logic xuống 0 logic khi nội dung bộ

đếm giảm suống số 0 và không có xung đếm ở đầu vào DOWN

Khi đếm thuận thì ngợc lại thì mức logic tại chân 13 = 1 logic,đầu ra chân

12 chỉ nhảy từ giá trị 1 logic xuống 0 logic khi nội dung bộ đếm đã đạt tới giá trịcủa nó Nmax và không có xung ở đầu vào UP

+Cấu tạo bên trong của IC 74192:

Để tạo đợc một bộ nguồn hoàn chỉnh ta có sơ đồ khối :

25

Khối

đếm Khối

nguồn

Khối giải mã

Khối hiển thị Khối tạo xung

Bộ lọc

Mạch chỉnh l u

đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 phù hợp với tải

- Mạch chỉnh lu : Có nhiệm vụ biến đổi điện áp điện áp xoay chiều thành

điện áp một chiều nhấp nhô Ut ( điện áp một chiều có độ lớn thay đổi theo thờigian )

220V

12VAC AC

- ở 1/2 chu kỳ sau điện áp vào U2 có chiều âm trên , dơng dới làm

cho D1và D3 khoá , D2 và D4 dẫn có dòng qua tải :

IC ổn áp ba chân loại có điện áp ra cố định(không điều chỉnh đợc) có hai loại là

ổn áp dơng và ổn áp âm có nhiều họ IC ổn áp nhng ở đây ta chỉ xét đến họ78XX tơng ứng với IC ổn áp dơng, hai số sau chỉ điện áp ra cố định của nó,cóthể là 7805: ổn áp dơng có điện áp ngõ ra là 5v, 7812 :ổn áp dơng có điện áp ngõ

ra là 12v,…

Sau đây là một mạch ổn áp có điện áp ngõ ra cố định 5v sử dụng IC ổn áp 7805

IC ổn áp 7805 chịu đợc dòng ngõ ra đến 1A nên đảm bảo cung cấp đủdòng cho toàn mạch Tuy nhiên, ta cũng cần gắn tản nhiệt cho IC để nó hoạt

động ở điều kiện tốt nhất

a) Sơ đồ mạch nguồn :

- Tác dụng linh kiện:

+TR : máy biến áp biến đổi điện áp xoay chiều 220v thành xoay chiều 5v

cung cấp cho mạch điện

+ D1, D2, D3, D4 : cầu diode có tác dụng chỉnh lu điện áp xoay chiềuthành điện áp một chiều

+ Tụ C1,C2: tụ lọc , có tác dụng giảm bớt sự nhấp nhô của điện áp ra và tạo

ra điện bằng phẳng hơn Ngoài ra tụ C còn có tác dụng đẻ lọc nhiễu ( các sónghài bậc cao )

Điện áp 9VAC này tiếp tục đợc đa vào bộ chỉnh lu cầu D1 ->D4 để lấy ra

điện áp trên tải ta dùng một tụ lọc mắc song song với tải khi đó trong mạch xảy

ra quá trình phóng nạp của tụ dựa theo sự tăng giảm điện áp sau chỉnh lu , kếtquả là điện áp ra trên tụ có dạng tơng đối bằng phẳng Mặt khác các tụ điện còn

có tác dụng lọc các sóng hài bậc cao , các sóng hài bậc cao qua tụ C thoátxuống mass không đa ra tải do vậy dòng điện qua tải chỉ còn thành phần mộtchiều và một phần thành phần hài bậc thấp

Điện áp sau khi đợc lọc qua tụ C sẽ đợc ổn áp bởi bộ ổn áp dung IC

7805 , điện áp mà ta thu đợc có giá trị cố định là 5v

c) Tính toán chọn linh kiện:

* Tính toán máy biến áp

2

780 5 123 7805

Theo sơ đồ thiết kế mạch đếm thì dòng ra khoảng 0,43A Vậy em chọndòng ra của máy biến áp là 0,5 A và điện áp trên cuộn thứ cấp sẽ là 12V.

U

I U

 I1=

220

5 , 0

* 12

= 0,027ATính công suất biến áp :

=> d =

n

s

* 4

* 4

= 0,052(cm)

tính  2: S2 = I 2 j =02,05,5 = 0,02

=> d2 =

57 , 15

02 , 0

* 4

= 0,07 (cm)Cuộn sơ cấp : 1 = 0,0108; W1 = 3425 vòng

IC555 trigger

out reset

vcc dis th coutral

Gnd 1 2

4

3

5 6 7 8

3.1.2 Khối tạo xung

Xung là những dòng điện hay điện áp có thời gian tồn tại rất ngắn ví nh quá trìnhquá độ của mạch điện đầu ra của mạch tạo xung khống chế mạch logic hoạt

động theo tần số giao động, theo cạnh lên, xuống của xung tác động để điềuchỉnh thời gian hoạt động và thời gian sử lý của hệ thống thì ta can thiệp vàomạch này bằng cách thay đổi trị số của tụ điện của điện trở

Có nhiều mạch tạo xung với các dạng xung ra khác nhau có thể dùng TZT ,

có nhiều u điểm hơn nh :

+ Chu trình làm việc có thể thay đổi đợc

+ Khả năng cho dòng ra lớn , có khả năng cung cấp dòng ra lớn đến 200 mA+ Điện thế nguồn nuôi cho phép biến đổi rộng từ 4.5V-16V

Chân 4 : Chân đặt lại hay chân xoá (Reset) Nó có thể điều khiển xoá điện áp

đầu ra khi điện áp đặt vào chân này từ 0,7 V trở xuống.Vì vậy để có thể phát raxung ở đầu ra chân 4 phải đặt ở mức cao

Chân 5 : Chân điện áp điều khiển (Control Voltage) Ta có thể đa một điện

áp ngoài vào chân này để làm thay đổi việc định thời của mạch, nghĩa là làmthay đổi tần số dãy xung phát ra Khi không đợc sử dụng thì chân 5 nối xuốngmass thông qua một tụ khoảng 0,01F

T1 : TZT switch

T2 : Cổng đảo

SS1, SS2 : Là 2 IC OPAM khuếch đại

FF : Là Flip – Flop loại RS

Các điện trở R tạo thành một mạng phân áp

b, Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC555:

R 4

- Tác dụng linh kiện:

- C2 : tụ chống nhiễu cho IC

- C1 : tụ phóng nạp tạo dao động

- R1 , R2 : tạo đờng nạp cho tụ

- R2 , rCE : tạo đờng xả cho tụ

SS1

1

:

SS1

0

:

SS1

0

S

:

SS2

Qn =0 =>Q n = 1 -> chân 3 ở mức logic thấp -> hình thành xung âm

Q n = 1 -> T dẫn bão hoà -> UCE giảm -> tụ C1 xả điện +C1->R2-> rCE->massKhi 1/3EC < UC1<2/3EC

:

SS1

0

1 S : SS2

Qn =1 =>Q n = 0 -> qua cổng đảo -> điện áp chân 3 ở mức cao -> hình thành xung dơng

T khoá-> UCE tăng ->tụ C2 nạp trở lại -> quá trình lập lại nh trên

KL: cứ nh vậy đầu ra của chân 3 sẽ tạo ra xung vuông đối xứng

- Giản đồ xung mạch dao động đa hài dùng IC 555

c, tính toán chọn linh kiện :

= E c

3 1

 1 2

1 R R C

n  



=> exp t/C1R1R2 =

2 1

=> t1=ln 2 C1R1R2

2 ln

2 1

2 1 1 2

Mạch đếm đợc tạo thành từ sự kết hợp của các Flip-Flop

Mạch đếm bao giờ cũng có một đầu vào cho xung đếm,một đầu vào đặt lạiRESET,hoặc CLEAR(xoá) và nhiều đầu ra

Một chữ số nhị phân có 2 giá trị là 0 và 1.và đợc gọi là các bit,mỗi Flop có một đầu ra Q hoặc Q đảo, cũng có 2 trạng thái rõ rệt là 0 hoặc 1, cho nên

Flip-đầu ra Q hoặc Q đảo tơng ứng với 1 bit của số nhị phân

Nếu ghép nhiều Flip-Flop lại thì kết quả sẽ đợc số nhị phân có nhiều bit,sốbit bằng số Flip-Flop

Điều kiện cơ bản để hình thành một mạch đếm là phải hình thành đợc cáctrạng thái khác nhau mỗi khi có xung đếm đi vào

a) Khảo sát IC đếm 4029:

- Sơ đồ chân :