thiết kế một mạch giải mã cho led 7 đoạn sử dụng các cổng lôgic

Giới hạn đồ án - chỉ sử dụng các cổng logic - mạch tơng thíc với cả led 7 đoạn dùng Anode chung và catoth chung - mạch có các công tắc để thay đổi loại led - có mạch đếm dùng BCD sử

FĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

KHOA ĐIậ́N-ĐIậ́N TỬ

đồ án kỹ thuật số

Tờn đờ̀ tài:

Thiết kế một mạch giải mó cho led 7 đoạn

Với yờu cầu sau :

-Chỉ sử dụng cỏc cổng lụgic.

-Mạch tương thớch với cả led 7 đoạn loại anode va catoth chung.

-Cú cỏc cụng tắc để thay đổi loại led.

-Cú mạch đếm BCD dựng IC để test mạch giải mó đó thiết kế.

-Nếu nhập sai mạch sẽ bỏo động.

Giáo viờn hướng dõ̃n:

Sinh viờn thực hiợ̀n :

Lớp :

Khoa :

NhËn xÐt cña gi¸o viªn híng dÉn

- -

Nam §Þnh, Ngµy th¸ng n¨m 2010

SV thùc hiÖn: 2 Líp:

NhËn xÐt cña gi¸o viªn ph¶n biÖn

- -

Nam §Þnh, Ngµy th¸ng n¨m 2010

M C L CỤC LỤC ỤC LỤC

Lời mở đầu 6

Chơng 1: Giới thiệu chung 8

1.1 Giới thiệu 8

1.2 Giới hạn đồ án 8

1.3 Mục đích nghiên cứu 8

Chơng 2 Giới thiệu các linh kiện 10

2.1 Mạch lôgic 10

2.2 Các Cụ̉ng lụgic 10

2.2.1 Cổng OR ( Cổng hoặc – ORGATE ) 10

2.2.2 Cổng NOT ( Cổng đảo – NOTGATE ) 12

2.2.3 Cổng AND (Cổng và - AND GATE) 13

2.2.4 Cổng và đảo (NAND gate) 15

2.2.6 Cổng hoặc loại trừ (EXOR gate) 16

2.2.7 Cổng hoặc loại trừ đảo (EXNOR gate) 17

2.2.8 Cổng đệm (BUFFER gate) 17

2.3 Giới thiệu led 7 đoạn 18

2.4 Giới thiợ̀u chung về IC 20

2.4.1 IC tạo xung vuụng 20

2.4 2 IC đờ́m ( IC 74LS90 ) 22

2.4.3 IC giải mó (IC 74LS47) 24

2.4.4 IC ổn áp 26

Chơng 3 Xây dựng mạch 29

3.1 Mạch Nguồn 29

3.1.1 Khái niợ̀m vờ̀ mạch nguụ̀n cung cṍp 29

3.1.2 Mạch chỉnh lưu cõ̀u 29

3.1.3 Máy biến áp 31

3.1.4 Cầu nắn 32

3 2 Xây dựng mạch 32

3.2.1 Sơ đồ khối 32

3.2.2 Khối nguồn 33

3.2.3 Thiêt kế mạch giải mã 35

3.2.5 Mạch kiểm tra va báo động 52

SV thực hiện: 4 Lớp:

3.2.6 Mạch ho n chàn ch ỉnh 57

3.2.7 Sơ đồ mạch đã thiết kế 59

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

Lêi më ®Çu

Trong thế kỷ XX nhân loại có những bước phát triển vượt bậc về khoahọc kỹ thuật và đóng góp không nhỏ vào sự phát triển đó là sự ra đời của cácthiết bị bán dẫn Các IC đó đã giải quyết được nhiều khó khăn trong lĩnh vựccông nghệ và đã mở ra một kỷ nguyên mới của công nghệ , kỷ nguyên “kĩthuật số”

Bước sang thế kỷ XXI xã hội ngày càng phát triển con người ngày càngcó nhu cầu cao trong đời sống Đòi hỏi đời sống phục vụ con người ngày càngcó nhu cầu cao trong cuộc sống đòi hỏi các phương tiện phục vụ đời sống conngười ngày càng phát triển mà cũng vì thế lĩnh vực kỹ thuật số ngày càng pháttriển với những ưu điểm vượt trội như các linh kiện nhỏ gọn Tính tương thích,cao giá thành rẻ Nên các thiết bị sử dụng kỹ thuật số đã và đang được xã hộiđón nhận và sử dụng đặc biệt trong những nghành công nghệ đòi hỏi kỹ thuậtcao Trong lĩnh quân sự và công nghệ thông tin đang dần đưa con người vàocuộc sống mới “cuộc sống số”

Chính vì thế mà môn học “kỹ thuật số” đang được giảng dạy trong cáctrường ĐH-CĐ, các trung tâm dạy nghề được coi là môn học có vai trò hết sứcquan trọng giúp cho các sinh viên có thể tự tin bước vào cuộc sống mới “cuộcsông số”

Môn học kỹ thuật số là một môn khoa học nó đã giúp cho các sinh viêncó được những kiến thức cơ bản nhất về kỹ thuật số Về những phần tử bándẫn những con IC, giúp cho sinh viên hiểu và nắm giữ được những nguyên lý

cơ bản của thiết bị số qua đó có thể thiết kế, sửa chữa được những thiết bị sốđơn giản Giúp sinh viên có năng lực và tự tin bước vào cuộc sống

SV thùc hiÖn: 6 Líp:

Là sinh viên khoa Điện-Điện Tử trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật NamĐịnh đang được theo học môn học kỹ thuật số với kiến thức đã được học emđang thực hiện đề tài:

“ Thiết kế một mạch giải mã cho led 7 đoạn chỉ sử dụng các cổng

lôgic” Với sự hướng dẫn của giáo viên Phạm Văn Phi

Do khả năng và kiến thức về môn học còn hạn chế nên trong quá trìnhthực hiện em đã gặp nhiều khó khăn nhưng với nhưng với lòng quyết tâm và sựgiúp đỡ của thầy cô giáo và các bạn em đã hoàn thành được đề tài của mìnhsong chắc vẫn còn nhiều thiếu sót Rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy

cô giáo và các bạn để bài viết em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Nam Định , ngày tháng năm2010

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Ngọc Long

Chơng 1: Giới thiệu chung

1.1 Giới thiệu

Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong lĩnhvực điện tử đã góp phần nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ sức lao độngchân tay cho con ngời và góp phần nâng cao đời sống vật chất cũng nh tinh thầncho con ngời

Để đáp ứng đợc yêu cầu điều khiển quạt bàn và hiển thị hẹn giờ thì có nhiềuphơng pháp thực hiện, nghiên cứu khảo sát vi điều khiển 8051 nhóm thực hiệnthấy rằng: ứng dụng vi điều khiển 8051 vào việc điều khiển quạt bàn là phơngpháp tối u nhất Xuất phát từ nhu cầu phục vụ đời sống con ngời ngày càng tốthơn, đợc sự đồng ý của khoa Điện- Điện tử trờng Đại học S Phạm Kỹ Thuật

Nam Định Nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế mạch giải mã led

7 doạn”.

1.2 Giới hạn đồ án

- chỉ sử dụng các cổng logic

- mạch tơng thíc với cả led 7 đoạn dùng Anode chung và catoth chung

- mạch có các công tắc để thay đổi loại led

- có mạch đếm dùng BCD sử dụng IC để test mạch giải mã dã thiết kế

- nếu nhập sai mạch sẽ bao động

1.3 Mục đích nghiên cứu

đề tài“Thiết kế mạch giải mã led 7 đoạn” nhằm giúp những ngời thực hiện

đề tài nắm bắt đợc những vấn đề sau:

- Thông qua việc thực hiện đề tài giúp cho những ngời thực hiện đồ ánmôn học ôn lại những kiến thức đã học và lĩnh hội thêm đợc những kiến thứcmới từ giáo viên hớng dẫn, từ các bạn sinh viên và cũng là khoảng thời gian đểrèn luyện tay nghề từ đó hiểu rõ hơn cách hoạt động của các công logic

- Qua quá trình thực hiện đề tài đã tạo điều kiện cho những ngời thựchiện đồ án môn học có những ý tởng mới và giải quyết các vấn đề phát sinh mộtcách có hiệu quả

- giúp cho những ngời thực hiện đề tài biết vận dụng việc tính toán mạch

điện giữa lý thuyết và thực tế, sao cho mạch hoạt động ổn định, kết cấu đơngiản và chi phí thấp

SV thực hiện: 8 Lớp:

Do những điều kiện khách quan cũng nh chủ quan của những ngời làm đồ án

mà sản phẩm làm ra có thể cha có tính thực tiễn cao nhng nếu đợc nghiên cứu đisâu hơn thì có thể ứng dụng vào trong các ứng dụng thực tế

Chơng 2 Giới thiệu các linh kiện

2.1 Mạch lôgic

dạng số nhị phân 0 và 1, tổ hợp các cổng này phục vụ thuật toán của đề tài đa

ra Phơng pháp đơn giản ở đây là dùng đại số Boolean và cách rút gọn nhanhchóng bằng bìa Karnaugh

+Ký hiệu: 2 biến: :

U5A

+Bảng chân lý:

AB

A

U

 ý nghÜa: Cæng OR lµ cæng logic cã ®Çu ra ë møc thÊp TÊt c¶ c¸c ®Çu vµo cïng ë møc thÊp

-Dạng xung:

*Định nghĩa:Cổng not là cổng logic cơ bản thực hiện phép tính phủ định

bieens số đầu vào

- ý nghĩa: Coi A là một công tắc: A=1 Công tắc kín A=0 Công tắ hở

Y là đèn: Y=1 đèn sáng Y=0 đèn tắt

C2 1uF

S6

- Dạng xung:

SV thùc hiÖn: 12 Líp:

ABY

YA

u

2.2.3 Cæng AND (Cæng vµ - AND GATE)

*§Þnh nghÜa: Cæng AND lµ cæng logic c¬ b¶n thùc hiÖn thuËt to¸n logic tÝchc¸c biÕn sè ë ®Çu vµo

A

- Cổng NAND là cổng logic tổ hợp, nó thực hiện thuật toán logic phủ

định tích các biến số ở đầu vào

b Ký hiệu:

SV thực hiện: 14 Lớp:

A B C

Y

ABY

A

2.2.6 Cæng hoặc loại trừ (EXOR gate)

d Biờ̉u diễn sự hoạt đụ̣ng của cụ̉ng EXOR bằng mụ̣t mạch đơn giản

Y B

A

e Dạng sóng của cụ̉ng EXOR

Dạng sóng của cụ̉ng được thờ̉ hiợ̀n như hình vẽ Qua đó ta thṍy chỉ khinào 2 đõ̀u vào có mức lụgíc đụ́i nhau thì đõ̀u ra mới ở mức cao còn khi 2 đõ̀uvào có cùng mụ̣t mức lụgíc thì đõ̀u ra ở mức thṍp

2.2.7 Cổng hoặc loại trừ đảo (EXNOR gate)

a Định nghĩa:

- Cổng EXNOR là cổng logic tổ hợp, nó thực hiện thuật toán logic phủ

định tích loại trừ các dấu các biến số ở đầu vào

- Khi cả 2 đầu vào ở mức cao hoặc mức thấp thì đầu ra ở mức cao, còn

khi 1 trong 2 đầu vào ở mức thấp hoặc ở mức cao thì đầu ra ở mức thấp

- Cổng đệm dùng trong trờng hợp khi ta cần một dòng điện thúc cho tải

t-ơng đối lớn, trị số của nó vợt qua khả năng tải dòng của IC logic thì ta cần phảilắp thêm một cổng đệm làm trung gian

b Ký hiệu:

c Bảng trạng thái:

Cổng đệm hoạt động theo bảng chân lý trên, khi đầu vào = 1 thì đầu ra = 1 và

khi đầu vào = 0 thì Y = 0

2.3 Giới thiệu led 7 đoạn

LED 7 thanh là một loại đèn hiển thị Trong thực tế, LED 7 thanh dùng làmcơ cấu quan sát hiển thị các con số trong hệ thập phân.Trong một số trờng hợp

đặc biệt có thể dùng để hiển thị các hệ HEX và các kí tự Cấu tạo của LED 7thanh bao gồm 8 LED phát quang đợc gọi là các thanh, lần lợt là a, b, c, d, e, f,

g, dp ( dấu chấm) LED 7 thanh có 2 loai là Anodechung và Cathode chung.LED 7 thanh còn đợc phân biệt bởi mằu sắc và kích cỡ của các đoạn hiển thị

f b

g

e c

d dp

*Các dạng các LED 7 thanh

+ Dạng anode chung

(đầu vào tác động mức thấp)+ Dạng cathode chung

(đầu vào tác động mức cao)

anode hoặc cathode lại với nhau và đợc sắp xếp theo hình số 8 các đầu còn lại

đợc đa ra ngoài làm các đầu vào

các chân a, b, c, d, e, f, g, dp điều khiển sao cho:

SV thực hiện: 18 Lớp:

+ Nếu = 0 thì các thanh tối: Nếu = 1 thì các thanh sáng

- Mạch giải mã bao giờ cũng đợc đặt sau mạch đếm nhị phân và đặt trớckhối hiển thị

- Các đầu vào là mã nhị phân 4bit có 6 tổ hợp (1010 -> 1111) không đợc

sử dụng nhng ta cần phải nhớ để tối thiểu hoá hàm Boolean tín hiệu ra của bộ giải mã là các bit: a, b, c, d, e, f, g dùng để kích thích LED 7 thanh hoạt động

2.4 Giới thiệu chung vờ̀ IC

2.4.1 IC tạo xung vuụng

Đờ̉ các IC sụ́ hoạt đụ̣ng được thì viợ̀c cṍp xung Clock ở đõ̀u vào cũng làmụ̣t yếu tụ́ khụng thờ̉ thiếu Trong thực tế người ta đó sử dụng rṍt nhiều mạchtạo xung vuụng với nhiều linh kiợ̀n khác nhau như mạch tạo xung vuụng dùngTransistor, dùng các cụ̉ng logic cơ bản, dùng IC555 ,….nhưng mạch tạo xungvuụng dùng IC 555 có nhiều ưu điờ̉m hơn nờn nó được dùng rṍt nhiều trong cácmạch điợ̀n

*Khảo sát IC 555 :

- Sơ đồ chõn của IC 555 :

- Tác dụng các chõn của IC 555 :

Chõn 1 : Nụ́i mas

Chõn 2 : Chõn nảy hay đõ̀u vào kích khởi (trigger),dùng đờ̉ đặt xung kíchthích bờn ngoài khi mạch làm viợ̀c ở chế đụ̣ đa hài đơn ụ̉n

Chõn 3 : Là đõ̀u ra của IC

Chân 4 : Chân đặt lại hay chân xoá (Reset) Nó có thể điều khiển xoáđiện áp đầu ra khi điện áp đặt vào chân này từ 0,7 V trở xuống.Vì vậy để cóthể phát ra xung ở đầu ra chân 4 phải đặt ở mức cao.

Chân 5 : Chân điện áp điều khiển (Control Voltage) Ta có thể đưa mộtđiện áp ngoài vào chân này để làm thay đổi việc định thời của mạch, nghĩa làlàm thay đổi tần số dãy xung phát ra Khi không được sử dụng thì chân 5 nốixuống mass thông qua một tụ khoảng 0,01F

Chân 6 : Là chân thềm (Thres hold)

Chân 7 : Là chân xả (Discharrge)

FF : Là Flip – Flop loại RS

- Sơ đồ cấu trúc IC 555 :

SV thùc hiÖn: 20 Líp:

74LS90 6MS1

7MS2 2MR1 3MR2

14 CP0

1 CP1

11 Q3 8 Q2 9 Q1 12 Q0

R

O

1 2 T

1

2 R

+

S

R Q_Q

Sơ đồ mạch điện dùng IC 555

Như vậy cấu trúc của IC 555 bao gồm FF RS và 2 IC OPAM, 1TZT, 1cổng đảo, 3 điện trở có trị số bằng nhau tích hợp lại

2.4 2 IC đếm ( IC 74LS90 )

9 của hệ thập phân.Tức là mạch thực hiện 10 lần đếm đối với IC đếm 74ls90 khi đã đếm đến 9 thì nó sẽ tự động trở về 0 để đếm lại từ đầu các chân dữ liệu

ra của là chân 12 : Q0 , 9:Q1 , 8:Q2 , Q3:11

Chân 2 và chân 3 là 2 chân reset

Chân 6 và chân 7 là 2 chân cấp nguồn

Chân 1 và chân 14 là 2 chân cấp xung

-Sơ đồ chân và chức năng của IC 74LS90

SV thùc hiÖn: 22 Líp:

-Sơ đồ cấu trúc IC 74LS90

-Các thụng sụ́ của IC 74LS90

-IC 74LS90 hoạt động theo bảng trạng thái sau :

-Thành lập dạng sóng :

2.4.3 IC giải mã (IC 74LS47)

- IC 74LS47 chuyển đổi mã BCD thành khuông dạng phù hợp với theo hệ 10bằng LED 7 thanh có A chung Khi đầu vào LAMP TEST thấp tất cả các đầu rađều thấp Khi đầu vào RB OUTPUT thấp tất cả các đầu ra đều cao Khi các đầuvào D, C, B ,A, là thấp (số 0 hệ 10) và RB INPUT thấp tất cả các đầu ra đều cao

SV thùc hiÖn: Líp:

Số xung vào

Số nhị phân ra số thập

Điều này cho phép xoá bỏ tất cả các trạng thái 0 không mong muốn theo trongmột dãy các digit.

- Sơ đồ chân :

- Chức năng các chân :

Chân 16: Vcc nối +5V

Chân 8: GND nối Mass

Chân 7,6,1,2 Các chân đầu vào mã nhị phân BDC

Chân 13,12,11,10,9,15,14 là 7 chân đầu ra tích cực mức thấp tương ứngvới các thanh a,b,c,d,e,f,g của Led 7 đoạn

Chân 3 LT_L ( Lamp Test input): Kiểm tra Led

Chân 4 BI/RBO_L (Blanking Input or Ripple-Blanking Output): Xóa ngâ vào Chân 5 RBI_L (Ripple-Blanking Input): Xóa gợn sóng ngã vào

- Sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 74ls47:

2.4.4 IC ổn áp

Mạch điện chỉ sử dụng nguồn 5V DC với yêu cầu nguồn ổn định nên tachọn IC ổn áp họ 78xx 78xx là dòng IC dùng để ổn định điện áp dơng đầu ravới điều kiện đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V Tuỳ loại IC 78xx mà nó ổn

áp đầu ra là bao nhiêu, giá trị điện áp mà nó ổn áp là giá trị ghi xx của mỗi IC

Q 1

2

3

4 5 0

Dz

Vr

Q Dz

R

R R

Q4

Q5 1

2

3

4 Uv

Ur

Mạch ổn áp dùng IC ổn áp đơn giản và hiệu quả nên đợc sử dụng rất rộng rãi

và ngời ta đã sản xuất các loại IC họ LM78xx để thuận tiện trong việc sử dụng

Ch¬ng 3. X©y dùng m¹ch

3.1 Mạch Nguồn

3.1.1 Khái niệm về mạch nguồn cung cấp

Nhiệm vụ của mạch cung cấp nguồn là tạo ra năng lượng cần thiết để cungcấp cho các thiết bị làm việc

Thông thường nguồn năng lượng do bộ nguồn tạo ra là nguồn một chiều lấytừ nguồn xoay chiều hoặc từ pin acquy

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh

Sơ đồ khối mạch ổn áp

tải

- Mạch chỉnh lưu:có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay thành điện áp mộtchiều

3.1.2 Mạch chỉnh lưu cầu

Mạch chỉnh lưu cầu

SV thùc hiÖn: 28 Líp:

R

1

Biếnáp

MạchChỉnhlưu

bộ

lọc

ỔnÁpDòng

Đồ thị mạch chỉnh lưu cầu

*Nguyên lý làm việc

Ta có là điện áp trung bingf trên tải được xác định

0

U U

m U tdt m

điện áp ngược đặt lên diode thấp hơn

3.1.3 Máy biến áp

Máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi nguồn diện áp AC 220V xuống nguồn

điện áp AC với mức biên độ thấp hơn tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cụ thể Máybiến áp có thể dùng loại lõi sắt từ hoặc loại lõi sắt ferit, thông thờng với loạibiến áp nguồn âm tần ta thờng sử dụng loại biến áp có lõi là sắt từ Hình vẽ cấutạo và ký hiệu của biến áp nguồn âm tần đợc mô tả nh trên hình vẽ:

Hình dáng máy biến áp cảm ứng

Phần sơ cấp và phần thứ cấp của biến áp có quan hệ về hiệu điện thế theocông thức sau:

Với Us là điện áp đặt vào cuộn thứ cấp, Up điện áp đặt vào cuộn sơ cấp,

Ns là số vòng của cuộn thứ cấp, Np là số vòng của cuộn sơ cấp

Mối quan hệ giữa dòng điện đầu vào- ra và số vòng dây của biến áp tuântheo công thức sau:

lợng sẽ đợc truyền tải từ sơ cấp sang thứ cấp còn lại 15% năng lợng sẽ bị tiêután dới dạng nhiệt

SV thực hiện: 30 Lớp: