Thiết kế, thi công mô hình thực hành điện tửsốđáp ứng tốt các bài thực hành điện tửsốcó trong chương trình đào tạo cao đẳng, đại học của trường

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU ĐỀ TÀI CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ Xác định thành phần thiết bị 1.1.1 Các cổng Logic: 1.1.2 Mạch tổ hợp: 1.1.3 Mạch đếm không đồng bộ: 1.1.4 Mạch đếm đồng bộ: 1.1.5 Mạch ghi dịch: 1.1.6 Mạch chuyển đổi qua lại số tương tự Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Sản phẩm Lab-Volt: 1.2.2 Sản phẩm hãng Feedback 1.2.3 Sản phẩm Đại học sư phạm kỹ thuật Vinh 11 1.2.4 Sản phẩm Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh 12 Kết luận 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT 14 Phần mềm Proteus 14 Các mạch chức 14 2.2.1 Mạch tạo dao động 14 2.2.2 Mạch thiết lập mức logic ngõ vào 16 2.2.3 Mạch hiển thị nhị phân: 18 2.2.4 Mạch hiển thị thập phân: 19 Các IC chức 22 2.3.1 Các cổng logic 22 2.3.2 Các IC chức mạch tổ hợp 30 2.3.3 Nhóm IC chức Flip-Flop mạch đếm 38 2.3.4 Mạch biến đổi ADC, DAC 52 2.3.5 Khối đồng hồ đo điện áp số: 57 2.3.6 Mạch cấp nguồn an toàn: 57 Kết luận 60 CHƯƠNG 3: THI CÔNG LẮP RÁP MẠCH 61 Sơ đồ khối mơ hình 61 Bảng vẽ mạch in bo mạch 62 Lắp ráp thiết bị 63 3.3.1 Các khối chức 63 3.3.2 Các IC chức 66 3.3.3 Mạch nguồn mạch thiết lập mức logic 72 Kết luận 75 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THIẾT BỊ VÀ TÀI LIỆU THỰC HÀNH 76 Giới thiệu mơ hình thiết bị 76 Qui trình lắp mạch thực nghiệm 77 Tài liệu hướng dẫn thực hành 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Bo Mạch điện tử số bản-1 Lab-Volt Hình 1-2: Bo mạch điện tử số -2 Lab-Volt Hình 1-3: Bo mạch điện tử số-1 Feedback Hình 1-4: Bo mạch điện tử số-2 Feedback 10 Hình 1-5: Bo mạch điện tử số Đại học sư phạm kỹ thuật Vinh 11 Hình 1-6: Bo mạch điện tử số Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh 12 Hình 2-1: Giao diện phần mềm mô Proteus phiên 8.1 14 Hình 2-2: Mạch dao động tạo xung vng dùng IC 555 15 Hình 2-3: Mạch thiết lập mức logic ngõ vào 17 Hình 2-4: Mạch hiển thị thập phân 19 Hình 2-5: Sơ đồ khối nguồn 58 Hình 2-6: Thư viện linh kiện Proteus 8.1 60 Hình 3-1: Sơ đồ khối thiết bị 61 Hình 3-2: Sơ đồ thiết kế mạch Proteus 8.1 62 Hình 3-3: Đấu nối giao tiếp dây nguồn, hộp cầu chì, cơng tắt nguồn 73 Hình 3-4: Đấu nối dây nguồn với bo mạch 73 Hình 3-5: Sơ đồ mạch in tổng thể thiết bị 74 Hình 4-1: Thiết bị thực hành Điện tử số 76 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Xuất phát từ yêu cầu thực tế: Việc tìm hiểu nghiên cứu điện tử số giảng viên, sinh viên ngành Điện-Điện tử ở Trường Đại học Thủ Dầu Một yêu cầu cần thiết khơng thể thiếu q trình đào tạo - Cung cấp cho sinh viên thiết bị thực hành thân thiện, dễ sử dụng mà lại đáp ứng đầy đủ nội dung học tập nghiên cứu học phần Điện tử số Giúp sinh viên nắm vững nội dung chuyên sâu điện tử số Từ đó, có thể thiết kế mạch điện tử số theo yêu cầu cũng có thể tiếp cận với kỹ thuật công nghệ đáp ứng yêu cầu nhà tuyển dụng - Giúp giảng viên có điều kiện nghiên cứu sâu hơn, nâng cao lực chuyên môn tiến tới làm chủ được công nghệ, tự tin giảng dạy - Đối với Khoa Điện-Điện tử, chúng ta có thể phát triển nhân kết Đề tài để làm thiết bị phục vụ việc giảng dạy học phần Điện tử số - Đối với Trường, khẳng định uy tín với xã hội thơng qua việc thiết kế thiết bị thực hành đội ngũ giảng viên Trường thực hạn chế đến mức thấp nhất hư hỏng mất mát vật liệu, linh kiện trình thực hành Xuất phát từ điều kiện khách quan đề tài “Thiết kế - Thi cơng mơ hình thực hành điện tử số” vô cùng cấp thiết hữu ích thời điểm Đề tài sau hồn thành mang lại lợi ích rất lớn cho sinh viên, giảng viên Khoa Điện-Điện tử cũng mang lại lợi ích không nhỏ cho Trường MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Thiết kế, thi cơng mơ hình thực hành Điện tử số đáp ứng tốt thực hành điện tử số có chương trình đào tạo cao đẳng, đại học Trường - Xây dựng tài liệu hướng dẫn thực hành kèm theo mô CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU a Cách tiếp cận: - Khảo sát, phân tích đề cương học phần Điện tử số Trường để xác định mạch thực hành cần thực mơ hình - Tìm hiểu sản phẩm cơng trình nghiên cứu liên quan: Tham khảo số mơ hình thực hành điện tử số của hãng nước số trường đại học nước - Thiết kế thi cơng mơ hình thiết bị với thực hành phù hợp với mơ hình u cầu học phần b Phương pháp nghiên cứu: - Tổng hợp lý thuyết, phân tích chọn giải pháp thực tối ưu - Thực nghiệm mơ mơ hình, đưa mơ hình hồn chỉnh - Thực hành thực tiễn rút kết kinh nghiệm để thiết kế thực hành kèm theo mơ hình hồn chỉnh ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Mạch cấp nguồn an toàn; - Mạch tạo dao động; - Mạch hiển thị led đoạn; - Mạch hiển thị nhị phân; - Nhóm IC chức cổng Logic; - Nhóm IC chức mạch tổ hợp; - Nhóm IC chức mạch tuần tự; - Nhóm IC chức mạch chuyển đổi AD, DA CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ Xác định thành phần thiết bị Theo đề cương chi tiết học phần Điện tử số Trường, mơ hình thiết bị thực hành điện tử số cần đáp ứng đủ nội dung thực hành sau: Các cổng Logic, mạch tổ hợp, mạch đếm không đồng bộ, mạch đếm đồng bộ, mạch ghi dịch, mạch biến đổi ADC, DAC 1.1.1 Các cổng Logic: - Khảo sát cổng NOT Khảo sát cổng OR, NOR - Khảo sát cổng AND, NAND Các mạch logic đại số Boole Các mạch bán phần, cộng đầy đủ 1.1.2 Mạch tổ hợp: - Mạch so sánh: số nhị phân bit, số nhị phân bit; - Mạch đa hợp: đường sang 1đường, 16 đường sang đường; Mạch giải đa hợp: đường sang 8, đường sang 16 đường 1.1.3 Mạch đếm không đồng bộ: - Mạch đếm lên dùng FF-JK; Mạch đếm xuống dùng FF-JK; Mạch đếm dùng IC 74LS90; Mạch đếm dùng IC 74LS93; Mạch đếm vòng Johnson dùng IC 4017; Mạch đếm dùng IC 4040; 1.1.4 Mạch đếm đồng bộ: - Mạch đếm lên dùng FF-JK; Mạch đếm dùng IC 74LS190; Mạch đếm dùng IC 74LS192; 1.1.5 Mạch ghi dịch: - Thanh ghi dịch dùng FF-D; Thanh ghi dùng IC 74LS164; Thanh ghi dùng IC 74LS194; 1.1.6 Mạch chuyển đổi qua lại số tương tự - Mạch ADC 0804; - Mạch ADC 0808; Mạch DAC 0808; - Mạch DAC 8000 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Sản phẩm Lab-Volt: Hình 1-1: Bo Mạch điện tử số bản-1 Lab-Volt Festo Didactic cung cấp cho sở giáo dục trường đại học thiết bị thí nghiệm, chương trình đào tạo, hệ thống học tập dựa máy tính, hệ thống học tập dựa web, đào tạo phần mềm mô mơ-đun chương trình giáo dục đa phương tiện mô-đun Lab-Volt thỏa thuận mua lại Didactic vào ngày 20 tháng năm 2014 Lab-Volt tiến hành kinh doanh Festo Didactic trước đây, sản phẩm Lab-Volt Festo Didactic cung cấp sẵn cho khách hàng thơng qua đại lý tồn cầu từ nguồn Các sản phẩm Lab-Volt gọi "LabVolt Series", đó có thiết bị thực hành điện tử số thiết kế bo mạch Các khối chức bo mạch điện tử số bản-1: - Phát xung; Tín hiệu vào; - Thanh ghi dịch 4-bit; - Mạch đếm không đồng bộ; - Mạch đếm đồng bộ; Mạch cộng 4-bit; Mạch so sánh 4-bit Hình 1-2: Bo mạch điện tử số -2 Lab-Volt Các khối chức bo mạch điện tử số bản-2: - Phát xung; Tín hiệu vào; - Mạch mã hóa giải mã BCD; - Mạch ghép kênh-phân kênh; Mạch giải mã hiển thị led đoạn; - Mạch kiểm tra chẵn lẻ Nhận xét sản phẩm: Giải pháp Lab-Volt sản phẩm tốt có độ tin cậy cao thông số kỹ thuật, bên cạnh đó tài liệu thực hành kèm theo thiết bị cũng thiết kế hoàn hảo Sản phẩm thực hai bo mạch cho phép thực thực hành sau: Thanh ghi dịch 4-bit, mạch đếm không đồng bộ, mạch đếm đồng bộ, mạch cộng 4-bit, mạch so sánh 4-bit, mạch mã hóa giải mã BCD, mạch ghép kênh-phân kênh, mạch giải mã hiển thị led đoạn, mạch kiểm tra chẵn lẻ Tuy nhiên, so với đề cương chương trình đươc phê duyệt Trường sản phẩm thiếu cổng logic mạch đếm dung IC chuyên dụng Ngồi ra, bo mạch chưa có nguồn cần phải trang bị thêm nguồn sử dụng 1.2.2 Sản phẩm hãng Feedback Hình 1-3: Bo mạch điện tử số-1 Feedback Feedback thiết kế sản xuất trang thiết bị giảng dạy kỹ thuật cho trường đại học, cao đẳng viện đào tạo từ năm 1958 Feedback cung cấp loạt thiết bị giáo dục, thiết kế để hỗ trợ giảng dạy nguyên tắc kỹ thuật điện ứng dụng Thương hiệu Feedback với hỗ trợ khách hàng tuyệt vời, chất lượng sản phẩm nói chung rất tốt Hình 1-4: Bo mạch điện tử số-2 Feedback Các chức có thể thực nghiệm mạch: - Các cổng TTL: AND, OR, NOT, XOR, NAND; Mã hóa; Hiển thị led bảy đoạn; Mạch cộng ban phần, cộng đầy đủ; Ghép kênh-phân kênh; Kiểm tra lỗi Bo mạch thiết bị thực hành điện tử số Feedback có chức thực nghiệm sau: - Các Flip-flop: RS, JK, D; Đơn ổn đa hài; 10  Sơ đồ mạch in:  Lắp ráp linh kiện, hàn nối hoàn chỉnh mạch: 67  Bảng thống kê linh kiện, vật liệu: STT Linh kiện, vật liệu Đơn vị Số lượng Ổ cắm đôi LED Green 3mm Biến trở 1k IC 4017 IC 4040 IC 74LS00 IC 74LS02 IC 74LS04 IC 74LS05 10 IC 74LS08 11 IC 74LS164 12 IC 74LS190 13 IC 74LS192 14 IC 74LS194 15 IC 74LS32 16 IC 74LS73 17 IC 74LS74 18 IC 74LS76 19 IC 74LS86 20 IC 74LS90 21 IC 74LS93 22 Đế IC 14 chân 22 23 Ổ cắm hàng 2X7 chân 44 24 Đế IC16 chân 11 25 Ổ cắm hàng 2X8 chân 22 68 Ghi - Mạch mã hóa, giải mã, so sánh mạch chuyển đổi AD, DA  Sơ đồ mạch in: 69  Lắp ráp linh kiện, hàn nối hoàn chỉnh mạch:  Bảng thống kê linh kiện, vật liệu: 70 STT Linh kiện, vật liệu Đơn vị Số lượng Ổ cắm đôi 18 Led đoạn Anode chung Led đoạn Cathode chung LED Green 3mm Điện trở 330 R 28 Điện trở 1k Điện trở 1,2k Điện trở 5k Tụ điên 101/100v 10 Tụ điên 103/100v 11 IC 741 12 IC 4040 13 IC 74LS1151 14 IC 74LS138 15 IC 74LS147 16 IC 74LS42 17 IC 74LS47 18 IC 74LS48 19 IC 74LS85 20 IC ADC 0804 21 IC ADC 0808 22 IC DAC 0800 23 IC DAC 0808 24 IC LM35 25 Ổ cắm hàng 1X5 chân 26 Ổ cắm hàng 2X3 chân 27 Ổ cắm hàng 2X4 chân 28 Ổ cắm hàng 2X8 chân 24 29 Ổ cắm hàng 2X10 chân 30 Ổ cắm hàng 2X14 chân 31 Đế cắm Led đoạn 32 Đế IC 16 chân 12 33 Đế IC 20 chân 34 Đế IC 28 chân 71 Ghi 3.3.3 Mạch nguồn mạch thiết lập mức logic  Sơ đồ mạch in:  Lắp ráp linh kiện, hàn nối hoàn chỉnh mạch:  Bảng thống kê linh kiện, vật liệu: STT Linh kiện, vật liệu Đơn vị Số lượng Mainboard Hộp bảo vệ Dây dẫn giao tiếp nguồn Công tắc nguồn Hộp cầu chì cầu chì bảo vệ Ổ cắm hàng 2X6 chân 12 Ổ cắm đôi Biến trở 10k Bộ nguồn Meanwell RQ-65B 10 Khóa đóng-mở 11 LED Green 3mm 12 Điện trở 1k, 0,25W 13 Ổ cắm hàng 1X8 chân 72 Ghi Hình 3-3: Đấu nối giao tiếp dây nguồn, hộp cầu chì, cơng tắt nguồn Hình 3-4: Đấu nối dây nguồn với bo mạch 73 Hình 3-5: Sơ đồ mạch in tổng thể thiết bị 74 Kết luận Sau q trình thiết kế thi cơng, mơ hình thiết bị thực hành điện tử số hoàn chỉnh đúng yêu cầu, đáp ứng yêu cầu nội dung đưa mà sản phẩm đáp ứng tốt mặt kỹ thuật mỹ thuật Trong chương 4, tác giả xin giới thiệu mơ hình thiết bị khái qt thực hành kèm theo mơ hình 75 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THIẾT BỊ VÀ TÀI LIỆU THỰC HÀNH Giới thiệu mô hình thiết bị Thiết bị thực hành điện tử số gồm nhóm chính: Nhóm khối chức năng, nhóm IC chức nhóm mạch nguồn mạch thiết lập mức logic Hình 4-1: Thiết bị thực hành Điện tử số 76 - Nhóm khối chức năng:  Mạch tạo dao động;  Mạch hiển thị nhị phân;  Mạch hiển thị thập phân;  Đồng hồ đo điện áp - Nhóm IC chức  Các IC chức cổng Logic;  Các IC mạch đếm mạch ghi dịch;  Các IC mã hóa, giải mã so sánh;  Các IC chức mạch chuyển đổi AD, DA - Mạch nguồn mạch thiết lập mức logic  Mạch nguồn cung cấp mức điện áp cụ thể: ± V; ± 12 V; nguồn DC thay đổi từ: -12 V ÷ +12 V Tùy yêu cầu thực hành cụ thể mạch thực hành ta cung cấp nguồn cho đúng  Mạch thiết lập mức logic cung cấp mức điện áp 0V 5V cho ngõ vào cac mạch thực hành, tùy thuộc vị trí cơng tắc Qui trình lắp mạch thực nghiệm Để đảm bảo an toàn điện cho người sử dụng thiết bị, qui trình lắp ráp vận hành thực nghiệm khuyến nghị sau: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Cấp nguồn cho thiết bị, bật công tắt vị trí OFF Cắm dây nguồn cho nhóm IC chức thực hành Dựa vào sơ đồ mạch thí nghiệm, nối dây cho linh kiện Kiểm tra lại mạch trước bật công tắt nguồn ON Chuyển khóa cách mức logic để khảo sát ghi nhận kết Khi cần lắp thêm hay thay đổi cấu trúc mạch điện cần bật cơng tắt vị trí OFF trước lắp mạch (thực lại từ bước 1) Tài liệu hướng dẫn thực hành Tài liệu hướng dẫn thực hành Điện tử số kèm theo mơ hình thiết kế gồm thực hành từ đến nâng cao theo thứ tự nội dung đề cương học phần Điện tử số áp dụng Trường Nội dung cụ thể sau: - Bài 1: Các cổng logic - đại số Boole 77 - Bài 2: Mạch tổ hợp - Bài 3: Mạch đếm nhị phân không đồng - Bài 4: Mạch đếm lên không đồng dùng IC chuyên dùng - Bài 5: Mạch đếm nhị phân đồng - Bài 6: Thanh ghi dịch - Bài 7: Mạch chuyển đổi Số - Tương tự Tương tự - Số Mỗi thực hành trình bày đầy đủ nội dung: Mục tiêu thí nghiệm, đồ dùng trang thiết bị kèm theo, sơ đồ mạch thực nghiệm, yêu cầu khảo sát bảng kết đạt thu sinh viên tập thực tế cho sinh viên Khi thực hành, sinh viên thao tác lắp ráp mạch thực nghiệm linh kiện điện tử thực Để hoàn thành thực hành sinh viên phải thực nhiệm vận dụng kiến thức lý thuyết học để kiểm chứng kết Bộ tài liệu hướng dẫn thực hành tổng hợp thực hành, bố trí cách có hệ thống khoa học, giúp sinh viên hiểu rõ nội dung kiến thức Điên tử số từ đến nâng cao Vì khn khổ báo cáo bị giới hạn nên giới thiệu sơ lược, thực hành chi tiết chúng tơi xin trình bày ở Tài liệu hướng dẫn thực hành kèm theo 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài: “Thiết kế - Thi cơng mơ hình thực hành điện tử số” thực đầy đủ mục tiêu ban đầu đề ra, thể cụ thể sau: - Đầu tiên, khảo sát phân tích đề cương học phần Điện tử số Trường để xác định mạch thực hành cần thực mơ hình Bên cạnh, tham khảo số mơ hình thực hành điện tử số của hãng nước số trường đại học nước để tham tìm ưu điểm riêng sản phẩm Từ đó, đưa sơ thảo mơ hình sản phẩm bố trí bo mạch nhất, có nguồn sử dụng độc lập cấp điện áp vào 220 Vac có đủ mạch chức phục vụ mạch thực hành:  Các cổng Logic  Mạch tổ hợp  Mạch đếm không đồng  Mạch đếm đồng  Mạch ghi dịch  Mạch chuyển đổi qua lại số tương tự - Tiếp theo, sử dụng Proteus 8.1 để mô hoạt động mạch chức năng, nhóm IC phục vụ thực hành, vẽ mạch in mô hình Đây lựa chọn tối ưu giúp chúng tơi tiết kiệm nhất điều kiện kinh phí có hạn, giúp đảm bảo mạch hoạt động tốt theo yêu cầu kỹ thuật trước thi công mạch thực - Sau đó, thiết kế thi cơng hồn chỉnh đúng mơ hình thiết bị thực hành điện tử số Kết sản phẩm đáp ứng yêu cầu nội dung đưa mà đáp ứng tốt mặt kỹ thuật mỹ thuật - Cuối cùng, viết tài liệu thực hành kèm theo mơ hình, giúp cho sinh viên có thực hành điện tử số bố trí cách có hệ thống từ đến nâng cao Đề tài: “Thiết kế - Thi công mơ hình thực hành điện tử số” thiết kế theo đề cương học phần Điện tử số chương trình đào tạo ngành Điện –Điện tử Trường hồn chỉnh Sản phẩm khơng đáp ứng u cầu kỹ thuật ban đầu mà cịn có tính thẫm mỹ cao Hơn nữa, tài liệu hướng dẫn thực hành kèm theo mơ hình giúp cho sinh viên có thực hành điện tử số bố trí cách có hệ thống khoa học Từ kết đạt trên, chúng kiến nghị cho triển khai ứng dụng sản phẩm đề tài vào chương trình giảng dạy học phần Điện tử số Trường Ngồi ra, mơ hình thực hành Điện tử số hồn tồn thương mại hóa Cung cấp cho trường cao đẳng đại học có đào tạo ngành kỹ thuật điện- điện tử từ đó mang lại lợi ích kinh tế khơng nhỏ cho đơn vị sử dụng kết đề tài 79 Mặc dù, rất cố gắng để thực nhiệm vụ đề tài đạt kết tốt Tuy nhiên, thời gian khả có hạn nên không tránh khỏi sơ sót, rất mong đóng góp ý kiến người để sản phẩm ngày hoàn thiện Chân thành cảm ơn 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Như Anh - 2016, Kỹ Thuật Số, Nhà Xuất Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [2] Trần Thị Thúy Hà - 2006, Điện tử số, Nhà Xuất Học Viện Bưu Chính Viễn Thông [3] Nguyễn Trung Lập - 2010, Kỹ thuật số, Đại Học Cần Thơ [4] Nguyễn Thúy Vân - 1996, Kỹ thuật số, Nhà Xuất Khoa Học Kỹ Thuật [5] Charles H Roth - 1992, Fundamentals of logic design, Prentice Hall [6] Ronald J Tocci and Neal Widmer-1997, Digital Systems Printciples and Applications Prentice Hall [7] http://www.feedback-instruments.com/ [8] http://engin.swarthmore.edu/ [9] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/12636/ONSEMI/ [10] http://www.electroschematics.com/wp-content/uploads/2011/04/HEF4017B-datasheet.pdf 81