THIẾT KẾ MẠCH CỘNG NHỊ PHÂN 4 BIT HIỂN THỊ TRÊN LED 7 THANH (CỘNG ĐƯỢC ĐẾN 30)Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử, việc thiết kế mạch điện tử ngày càng trở nên quan trọng hơn trong đời sống hàng ngày của chúng ta. Đồngthời, việc nắm vững kiến thức về lý thuyết số học và hệ thống số học là rất cần thiết để có thể thiết kế và lập trình các mạch điện tử.Trong đồ án này, chúng tôi đã tạo ra một mạch cộng đơn giản và tiện lợi để tính toán các số nhị phân bốn bit. Quá trình thiết kế mạch điện tử là một quá trình phức tạp và đòi hỏi sự chú ý đến từng chi tiết nhỏ, từ lý thuyết đến ứng dụng. Chúngtôi hy vọng rằng đồ án này sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng quan về quy trình thiết kế mạch điện tử và giúp bạn phát triển kỹ năng của mình trong việc thiết kế các mạch điện tử đơn giản và hiệu quả.mô phỏng mạch cộng trên phần mềm proteus
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC KĨ THUẬT XUNG SỐ ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ MẠCH CỘNG HAI SỐ NHỊ PHÂN BIT HIỂN THỊ TRÊN LED THANH Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung đề tài 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu 1.1.2 Nội dung nghiên cứu 1.1.3 Mục đích nghiên cứu 1.1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.2 Tổng quan mạch Logic 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Các bước thiết kế mạch CHƯƠNG TÌNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG 11 2.1 Tính toán hệ thống 11 2.1.1 Mạch cộng bán phần 11 2.1.2 Mạch cộng toàn phần 12 2.2 Mô thiết kế 13 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 16 3.1 Chọn linh kiện 16 3.1.1 IC 7483 16 3.1.2 IC CD4063 17 3.1.3 IC 74LS47 17 3.1.4 IC 7408 18 3.1.5 IC 7432 19 3.1.6 Led 20 3.1.7 Điện trở 21 3.1.8 Công tắc bit số 22 3.2 Thiết kế mạch phần mềm altium 22 TỔNG KẾT 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2-1 Sơ đồ mạch cộng bán phần 12 Hình 2-2 Sơ đồ mạch cộng tồn phần 13 Hình 2-3 Mô mạch cộng bán phần 13 Hình 2-4 Mơ mạch cộng toàn phần 14 Hình 2-5 Mơ mạch cộng bit 15 Hình 3-1 IC 7483 16 Hình 3-2 IC CD4063 17 Hình 3-3 IC 74LS47 17 Hình 3-4 IC 7408 18 Hình 3-5 IC 7432 19 Hình 3-6 Điện trở 21 Hình 3-7 Cơng tắc bit số 22 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Bảng chân lí mạch cộng bán phần 11 Bảng 2-2 Bảng chân lí mạch cộng toàn phần 12 LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển không ngừng công nghệ điện tử, việc thiết kế mạch điện tử ngày trở nên quan trọng đời sống hàng ngày Đồng thời, việc nắm vững kiến thức lý thuyết số học hệ thống số học cần thiết để thiết kế lập trình mạch điện tử Trong đồ án này, tạo mạch cộng đơn giản tiện lợi để tính tốn số nhị phân bốn bit Quá trình thiết kế mạch điện tử q trình phức tạp địi hỏi ý đến chi tiết nhỏ, từ lý thuyết đến ứng dụng Chúng hy vọng đồ án cung cấp cho bạn nhìn tổng quan quy trình thiết kế mạch điện tử giúp bạn phát triển kỹ việc thiết kế mạch điện tử đơn giản hiệu CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung đề tài Đề tài thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit chủ đề quan trọng lĩnh vực điện tử máy tính Mục đích đề tài thiết kế xây dựng mạch điện tử đơn giản hiệu để tính tốn tổng hai số nhị phân bốn bit Quá trình thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit bao gồm việc nghiên cứu áp dụng phương pháp kỹ thuật để tối ưu hóa hiệu suất độ tin cậy mạch Để thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit, sử dụng phương pháp lý thuyết kỹ thuật thực tiễn để tạo mạch đơn giản dễ sử dụng Mạch điện tử sử dụng cổng logic để thực phép tính cộng hai số nhị phân bốn bit Đồng thời, sử dụng phần mềm mô để kiểm tra xác minh tính đắn mạch thiết kế Để đạt mục tiêu đề tài, nghiên cứu kỹ lưỡng thực bước thiết kế mạch điện tử, từ đặc tả yêu cầu đến thiết kế cấu trúc, lựa chọn linh kiện mô mạch Chúng hy vọng kết đề tài giúp cải thiện hiệu suất độ tin cậy thiết bị điện tử máy tính, đồng thời cung cấp cho nhà thiết kế mạch điện tử sinh viên kiến thức thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu mạch cộng hai số nhị phân bit có kết hiển thị led Mạch cộng bit bao gồm thành phần cổng logic AND, OR, XOR, cổng logic NOT, … linh kiện khác 1.1.2 Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu đề tài thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bit • Tìm hiểu hệ thống cộng truyền thống hệ thống cộng bù hai • Thiết kế mạch cộng bit khối logic cổng AND, OR, XOR, NOT, cổng đảo • Phân tích đánh giá hiệu suất mạch cộng bit • Kiểm tra tính đắn mạch thơng qua mơ thực nghiệm • Nghiên cứu đánh giá ứng dụng mạch cộng bit việc xử lý số liệu tính tốn • Đề xuất cải tiến để cải thiện hiệu suất mạch • So sánh với mạch cộng bit khác đánh giá ưu nhược điểm loại mạch • Đánh giá tiện lợi tính thực tiễn mạch cộng bit ứng dụng thực tế • Đưa kết luận đề xuất hướng phát triển cho đề tài 1.1.3 Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bit để hiểu áp dụng khái niệm hệ thống logic số học, thiết kế mạch điện tử lập trình nhúng Một mạch cộng số nhị phân sử dụng nhiều ứng dụng khác hệ thống điều khiển tự động, thiết bị đo lường, viễn thông, máy tính v.v Nghiên cứu thiết kế mạch cộng số nhị phân bit có vai trị quan trọng để hiểu cách thức hoạt động mạch logic, từ giúp tối ưu hóa hoạt động hệ thống liên quan nâng cao hiệu suất chúng Ngoài ra, việc nghiên cứu thiết kế mạch cộng số nhị phân bit bước việc học tập phát triển mạch tốn học mạch kiến trúc lớn hơn, đóng góp vào phát triển công nghệ điện tử đại 1.1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a, Ý nghĩa khoa học • Thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bit phần lý thuyết toán học hệ thống điện tử kỹ thuật số • Đề tài liên quan đến việc tìm giải pháp thiết kế mạch cộng số học hiệu xác, đặc biệt trường hợp số nhập vào có độ dài nhị phân cố định b, Ý nghĩa thực tiễn: • Thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bit cần thiết ứng dụng kỹ thuật số máy tính, viễn thơng, điện tử tiêu dùng nhiều lĩnh vực khác • Trong máy tính, việc cộng hai số nhị phân thực hàng ngày để tính tốn chương trình liệu Thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bit giúp tăng tốc độ tính tốn giảm chi phí sản xuất mạch tích hợp • Trong viễn thơng, tín hiệu kỹ thuật số nhị phân sử dụng để truyền and nhận thông tin Mạch cộng hai số nhị phân bit đóng vai trị quan trọng việc thực phép tính tốn liệu truyền nhận cách nhanh chóng hiệu 1.2 Tổng quan mạch Logic 1.2.1 Khái niệm Mạch logic phận vi mạch điện tử sử dụng để điều khiển xử lý tín hiệu điện Nó thường xây dựng từ cổng logic (AND, OR, NOT, XOR ) thành phần logic khác nhớ, đếm, giải mã, mã hóa, Mạch logic sử dụng để thực hoạt động số học, logic kiểm tra điều kiện thiết bị điện tử máy tính, điện thoại, hệ thống điều khiển tự động, thiết bị khác 1.2.2 Các bước thiết kế mạch Để thiết kế mạch logic, làm theo bước sau: Xác định yêu cầu chức mạch logic: Trước hết, cần biết mạch logic thiết kế để làm có chức Điều giúp xác định đầu vào đầu cần thiết Vẽ sơ đồ logic: Tiếp theo, vẽ sơ đồ logic biểu đồ dịng tín hiệu để miêu tả hoạt động mạch logic Xác định bảng chân trị: Dựa sơ đồ logic, xác định bảng chân trị, tức bảng liệt kê tất trường hợp đầu vào xảy đầu mạch logic tương ứng với trường hợp Thiết kế hệ thống hàm logic: Dựa bảng chân trị, xây dựng hệ thống hàm logic cách sử dụng phép toán logic AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR, XNOR, Vẽ sơ đồ logic kết hợp: Sử dụng hệ thống hàm logic để vẽ sơ đồ logic kết hợp, biểu diễn mạch logic hình thức sơ đồ logic kết hợp Thiết kế mạch logic: Với sơ đồ logic kết hợp bảng chân trị hướng dẫn, thiết kế mạch logic sử dụng cổng logic chế độc lập để thực hàm logic mạch Kiểm tra mạch logic: Cuối cùng, kiểm tra mạch logic để đảm bảo hoạt động xác đáp ứng yêu cầu chức đề CHƯƠNG TÌNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Tính tốn hệ thống 2.1.1 Mạch cộng bán phần Mạch cộng bán phần mạch điện tử sử dụng để thực phép cộng hai nhiều số nhị phân Mạch sử dụng cộng bán phần để tính tốn kết Mỗi cộng bán phần mạch cộng bán phần bao gồm cộng hai số nhớ (hay cịn gọi half-adder) để thực phép cộng khơng có nhớ hai bit hai số, cộng có nhớ (hay cịn gọi full-adder) để thực phép cộng có nhớ bit hai số bit nhớ từ phép cộng trước Mạch cộng bán phần mạch phổ biến quan trọng thiết kế mạch điện tử, sử dụng rộng rãi ứng dụng tính tốn xử lý tín hiệu a, Bảng chân lí Ai Bi Si Ci 0 0 1 1 1 Bảng 2-1 Bảng chân lí mạch cộng bán phần b, Phương trình Si = A̅i Bi + Ai B̅i = Ai ⨁Bi Ci = A i B i c, Sơ đồ mạch cộng bán phần (2.1) (2.2) Hình 2-1 Sơ đồ mạch cộng bán phần 2.1.2 Mạch cộng toàn phần Mạch cộng toàn phần (hay gọi mạch cộng số) loại mạch điện tử sử dụng để thực phép cộng số nhị phân giá trị logic Một mạch cộng toàn phần bao gồm nhiều module cộng nhỏ (hay gọi cộng nhỏ) kết nối với để thực phép cộng Mỗi cộng nhỏ thực việc cộng hai bít đầu vào trả giá trị kết cộng hai bít Bằng cách kết nối nhiều cộng nhỏ với nhau, mạch cộng tồn phần tính tốn số nguyên dương lớn giá trị logic phức tạp Mạch cộng toàn phần sử dụng rộng rãi thiết bị điện tử, hệ thống máy tính mạch logic số a, Bảng chân lí 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 Bảng chân lí mạch cộng tồn phần b, Phương trình ̅𝑖 𝐶𝑖−1 + 𝐴̅𝑖 𝐵𝑖 ̅̅̅̅̅̅ ̅𝑖 ̅̅̅̅̅̅ 𝑆𝑖 = 𝐴̅𝑖 𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 𝐶𝑖−1 ̅𝑖 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 ̅̅̅̅̅̅ 𝐶𝑖 = 𝐴̅𝑖 𝐵𝑖 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 𝐶𝑖−1 Rút gọn: ̅𝑖 𝐶𝑖−1 + 𝐴̅𝑖 𝐵𝑖 ̅̅̅̅̅̅ ̅𝑖 ̅̅̅̅̅̅ 𝑆𝑖 = 𝐴̅𝑖 𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 𝐶𝑖−1 ̅𝑖 𝐶𝑖−1 + 𝐵𝑖 ̅̅̅̅̅̅ ̅𝑖 ̅̅̅̅̅̅ = 𝐴̅𝑖 (𝐵 𝐶𝑖−1 ) + 𝐴𝑖 (𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐵𝑖 𝐶𝑖−1 ) ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ = 𝐴̅𝑖 (𝐵𝑖 ⨁ 𝐶𝑖−1 ) + 𝐴𝑖 (𝐵 𝑖 ⨁ 𝐶𝑖−1 ) = 𝐴𝑖 ⨁ 𝐵𝑖 ⨁ 𝐶𝑖−1 ̅𝑖 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 ̅̅̅̅̅̅ 𝐶𝑖 = 𝐴̅𝑖 𝐵𝑖 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 𝐶𝑖−1 ̅𝑖 ) + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 ( ̅̅̅̅̅̅ = 𝐶𝑖−1 (𝐴̅𝑖 𝐵𝑖 + 𝐴𝑖 𝐵 𝐶𝑖−1 + 𝐶𝑖−1 ) = 𝐶𝑖−1 (𝐴𝑖 ⨁ 𝐵𝑖 ) + 𝐴𝑖 𝐵𝑖 c, Sơ đồ mạch cộng tồn phần Hình 2-2 Sơ đồ mạch cộng tồn phần 2.2 Mơ thiết kế Hình 2-3 Mơ mạch cộng bán phần Hình 2-4 Mơ mạch cộng tồn phần Hình 2-5 Mơ mạch cộng bit CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 3.1 Chọn linh kiện 3.1.1 IC 7483 Hình 3-1 IC 7483 IC 7483 đếm bán dẫn 4-bit, sản xuất nhiều nhà sản xuất IC khác Nó sử dụng để đếm tín hiệu đầu vào xuất số đếm tương ứng Nó sử dụng phần mạch đếm tần số, mạch đồng hóa tín hiệu, mạch đo lường thời gian ứng dụng khác IC 7483 có bốn đầu vào đơn vị (A0, B0, A1 B1) bốn đầu đếm (C0, C1, C2 C3) Nó hoạt động cách đếm tín hiệu đầu vào tương tự xuất số đếm bình thường Để bắt đầu đếm, người dùng cần phải cung cấp tín hiệu cộng vào đầu vào carry-in (CI) tín hiệu clear để bắt đầu lại đếm từ đầu IC 7483 hoạt động với điện áp nguồn từ 4,75V đến 15V đóng gói vỏ IC gầm chân (DIP) Nó có đặc tính nhiễu thấp, tốc độ đáp ứng nhanh tiêu thụ điện thấp 3.1.2 IC CD4063 Hình 3-2 IC CD4063 CD4063 thuộc dịng chip tích hợp CD4000 Dòng IC hoạt động linh hoạt tiêu thụ điện thấp so với dòng 4000 chuẩn TTL Tuy nhiên, tốc độ xử lý chậm với IC chuẩn TTL, giới hạn ứng dụng thiết kế yêu cầu tốc độ xử lý chậm CD4063 so sánh giá trị nhị phân bit xác định xem số lớn hơn, nhỏ hay số thứ hai Đối với số dài 4-bit, nhiều linh kiện CD4063 kết hợp để thực so sánh Nó so sánh chuẩn CMOS digital sử dụng mạch logic CPU cho nhiều ứng dụng khác 3.1.3 IC 74LS47 Hình 3-3 IC 74LS47 IC 74LS47 giải mã BCD-7 đoạn 7-segment Nó có đầu vào BCD đầu đoạn, ứng với hiển thị số từ đến chữ A đến F IC thiết kế để sử dụng với mạch điều khiển đa dạng máy tính, đồng hồ kỹ thuật số, đồng hồ đo ứng dụng điện tử khác 74LS47 sử dụng kỹ thuật TTL để hoạt động với điện áp cấp độ logic 4,75V - 5,25V dễ dàng tích hợp vào hệ thống điện tử 3.1.4 IC 7408 Hình 3-4 IC 7408 IC 7408 (IC 74LS08) biết đến vi mạch tích hợp với cổng AND hai đầu vào bit 7408 dòng IC thuộc họ IC 74XXYY Cổng AND mạch tín hiệu sử dụng để chuyển đổi trạng thái logic Trong cổng AND có dạng tín hiệu logic sử dụng Đầu tiên, dạng tín hiệu mức cao, có điện áp khoảng từ 3-5V dạng thứ dạng tín hiệu mức thấp tương đương với mức điện áp – 2,6V Một cổng AND cần sử dụng chân đầu vào chân cho đầu Đầu hoạt động trạng thái mức cao mức thấp, để đầu mức cao buộc trạng thái đầu vào phải mức cao IC 7408 cấu tạo với cổng AND, cơng sử dụng riêng biệt mà không gây ảnh hưởng tới cổng khác 74LS08 cần sử dụng nguồn nhất, đầu IC ln tương thích với thiết bị TTL vi điều khiển khác IC 7408 với kích thước nhỏ gọn tốc độ xử lý nhanh nên có độ tin cậy cao Một số cổng logic khác dòng như: 74LS73, 74LS00, 74LS02, 74LS04, 74LS138 Thông số kỹ thuật IC 7408: Dải điện áp hoạt động 4,75 – 5,25V Điện áp khuyến nghị cho IC 5V lên tối đa 7V IC cho phép dòng điện lớn 8mA đầu Thời gian tăng giảm điển hình: 18ns Nhiệt độ hoạt động: ° C đến 70 ° C Nhiệt độ bảo quản: -65 ° C đến 150 ° C Tiêu thụ điện 3.1.5 IC 7432 Hình 3-5 IC 7432 Cấu tạo bên ic số 74HC32 có bốn cổng logic OR, cổng có ngõ vào ngõ IC 74HC32 sản xuất theo công nghệ Cmos, mạch tích hợp xây dựng từ Mosfet số điện trở phụ trợ IC hoạt động tốt điện áp 5V.Các hoạt động IC đơn giản để hiểu hiểu hoạt động cổng =OR Thông số kĩ thuật: Số chân : 14 Số cổng OR ic : Điện áp hoạt động : 2V – 6V DC Dòng ngõ : 5.2 mA Nhiệt độ hoạt động : -40°C - 125°C 3.1.6 Led led đoạn thiết kế để hiển thị số số ký hiệu khác Sự phát xạ photon xảy mà tiếp giáp diode bị lệch phía trước nguồn điện áp bên ngồi cho phép dịng điện chạy qua gọi q trình phát quang Chân Pin chung hiển thị thường sử dụng để xác định loại hình LED loại Có loại LED sử dụng Cathode chung (CC) Anode chung (CA) ▪ Cathode chung (CC): Trong hình Cathode chung tất cực Cathode đèn LED nối chung với với mức logic “0” nối Mass (Ground) Các chân lại chân Anode nối với tín hiệu logic mức cao (HIGHT) hay mức logic thơng qua điện trở giới hạn dịng điện để đưa điện áp vào phân cực Anode từ a đến G để hiển thị tùy ý ▪ Anode chung (CA): Trong hình hiển thị Anode chung, tất kết nối Anode LED nối với mức logic “1”, phân đoạn LED riêng lẻ sáng cách áp dụng cho tín hiệu logic “0” mức thấp “LOW” thông qua điện trở giới hạn dòng điện để giúp phù hợp với cực Cathode với đoạn LED cụ thể từ a đến g