Môn thiết kế hệ thống số 1 đề tài 24 thiết kế bộ trừ số tự nhiên 1 chữ số

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ MÔN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ ĐỀ TÀI 24: THIẾT KẾ BỘ TRỪ SỐ TỰ NHIÊN CHỮ SỐ Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Nhật Tân Mã mơn: 402061 Nhóm: 17 Thành viên nhóm 07 thực : Họ Tên Mã số sinh viên Nhiệm vụ Trần Thị Huỳnh Như 42000260 Thiết kế mạch mô Proteus Trương Huỳnh Lộc 42100233 Thiết kế mạch mô Proteus Nguyễn Huy Long 42001050 Tìm nội dung lý thuyết Thượng Trần Bảo Long 42100402 Tìm nội dung lý thuyết Nguyễn Trọng Nhân 42101234 Báo cáo tổng hợp THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Thiết kế trừ số tự nhiên chữ số với INPUT nhập DIP switch, input 1: bits input 2: 4bits Ta sử dụng led đoạn để hiển thị input 1, input kết phép tính Và có trường hợp hiển thị kết quả, kết âm số bé trừ số lớn ngược lại, cho kết dương số lớn trừ số bé Ta thực thiết kế trừ mô mạch phần mềm Proteus THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ LỜI CẢM ƠN Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cảm ơn thầy truyền đạt kiến thức cần thiết, giảng dạy tận tình đồng hành chúng em suốt buổi học môn Thiết kế hệ thống số này, học kỳ năm học 2022-2023 Nội dung báo cáo có nhiều thiếu sót, mong nhận góp ý từ thầy để chúng em hồn thiện Chúc thầy gia đình nhiều sức khỏe Chúng em xin chân thành cảm ơn ! THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ PHẦN XÁC NHẬN VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN Phần xác nhận GV hướng dẫn Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm (kí ghi họ tên) Phần đánh giá GV chấm Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm (kí ghi họ tên) THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ MỤC LỤC NỘI DUNG BÁO CÁO I Giới thiệu linh kiện mạch thiết kế trừ Tìm hiểu IC 74LS14 Tìm hiểu IC 74LS47 Tìm hiểu IC 74LS48 11 Tìm hiểu IC 74LS283 14 Tìm hiểu DIP SWITCH_4 16 Tìm hiểu LED đoạn 17 II Thiết kế mạch nguyên lý trừ số tự nhiên chữ số mô phần mềm Proteus 19 Kết mô Proteus 19  Số lớn trừ số bé 20  Số bé trừ số lớn 21  Số trừ số bị trừ 22 Các bước thiết kế mạch trừ số tự nhiên chữ số 23 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ NỘI DUNG BÁO CÁO I Giới thiệu linh kiện mạch thiết kế trừ Tìm hiểu IC 74LS14 a) IC 74LS14 - IC 74LS14 sử dụng Schmitt trigger đảo Nó kèm với sáu trigger sử dụng dễ dàng Mạch Schmitt trigger đơn có kích thước lớn IC có kích thước nhỏ có nhiều dạng package - IC 74LS14 sử dụng nguồn điện cho tất trigger sử dụng để kết nối với thiết bị dựa TTL - Các mạch dễ dàng vận hành mơi trường kích hoạt dễ dàng với ramp đầu vào thấp b) Sơ đồ chân Sơ đồ chân mạch tích hợp tương tự 74LS04 Tuy nhiên, khác biệt chức chức Schmitt trigger THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ Mô tả Chân 1A Chân1 Chân chân đầu vào cho Schmitt trigger 1Y Chân2 Chân chân đầu Schmitt trigger 2A Chân3 Chân chân đầu vào cho Schmitt trigger thứ hai 2Y Chân4 Chân chân đầu Schmitt trigger thứ hai 3A Chân5 Chân chân đầu vào cho Schmitt trigger thứ ba 3Y Chân6 Chân chân đầu Schmitt trigger thứ ba GND Chân7 Chân chân nối đất chung 4Y Chân8 Chân chân đầu Schmitt trigger thứ tư 4A Chân9 Chân chân đầu vào cho Schmitt trigger thứ tư 5Y Chân10 Chân 10 chân đầu Schmitt trigger thứ năm 5A Chân11 Chân 11 chân đầu vào cho Schmitt trigger thứ năm 6Y Chân12 Chân 12 chân đầu Schmitt trigger thứ sáu 6A Chân13 Chân 13 chân đầu vào cho Schmitt trigger thứ sáu VCC Chân14 Chân VCC chân cấp nguồn c) Thông số kỹ thuật - Nó hoạt động 5V điện áp tăng lên tối đa Volt THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ - Thiết bị có điện áp trễ hai cấp, điện áp trễ thấp:0,25V điện áp trễ cao:3,4V - Dòng tối đa cho IC 8.0mA Tối thiểu -0.4Ma - Thời gian tăng giảm IC 12 ns Tìm hiểu IC 74LS47 a) IC 74LS47 - IC 74ls47 IC giải mã giành riêng cho LED đoạn anode chung - IC 74ls47 chuyển đổi từ mã BCD sang mã LED đoạn anode chung - Ứng dụng ta cần thị số LED đoạn mạch số mà không cần dùng vi điều khiển, muốn tiết kiệm chân cho vi điều khiển b) Sơ đồ chân THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ Số chân Tên chân Mô tả B Đầu vào BCD IC C Đầu vào BCD IC Displaytest/Lamptest Kiểm tra hiển thị LED Blank input Tắt LED hiển thị Store Lưu trữ nhấp nháy mã BCD D Đầu vào BCD IC A Đầu vào BCD IC GND Chân nối mass e Đầu vào LED đoạn 10 d Đầu vào LED đoạn 11 c Đầu vào LED đoạn 12 b Đầu vào LED đoạn 13 a Đầu vào LED đoạn 14 g Đầu vào LED đoạn 15 f Đầu vào LED đoạn 16 VCC Cấp nguồn THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ c) Nguyên lý hoạt động Thường sử dụng chế độ hoạt động - Sáng bình thường đủ trạng thái từ ÷ (thường dùng nhất) Chân BI/RBO phải bỏ trống nối lên mức cao, chân RBI phải bỏ trống nối lên mức cao, chân LT phải bỏ trống nối lên mức cao - Chân BI/RBO nối xuống mức thấp tất các đoạn LED không sáng bất chấp trạng thái ngõ vào lại - Bỏ trạng thái số (khi giá trị BCD ngõ vào tất đoạn LED đoạn tắt) Chân RBI mức thấp chân BI/RBO phải bỏ trống (và đóng vai trị ngõ ra) - Chân BI/RBO phải bỏ trống nối lên mức cao chân LT phải nối xuống mức thấp Tất LED đoạn sáng, bất chấp ngõ vào BCD Dùng để Kiểm tra đoạn LED đoạn (còn sáng hay chết)  Bảng chân lí: D INPUT C B OUTPUT d e A a b c 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 f g 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 10 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ Tìm hiểu IC 74LS283 a) IC 74LS283 Bộ cộng đầy đủ nhị phân bit 74LS283 thực phép cộng hai từ nhị phân bit Tổng đầu cung cấp cho bit kết mang (C4) thu từ bit thứ tư Các cộng có tính xem trước nội đầy đủ tất bốn bit tạo thuật ngữ thực mười nano giây IC 74LS283 có dải điện áp làm việc rộng, nhiều điều kiện làm việc giao tiếp trực tiếp với thành phần CMOS, NMOS TTL IC 74LS283 có kích thước nhỏ tốc độ nhanh nhiều nên đáng tin cậy loại thiết bị b) Sơ đồ chân 14 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ Số chân Tên chân Chức Σ2 Chân đầu tổng Σ2 B2 Chân đầu vào toán hạn B2 A2 Chân đầu vào toán hạng A2 Σ1 Chân đầu tổng Σ1 A1 Chân đầu vào toán hạng A1 B1 Chân đầu vào toán hạng B1 C0 Đầu vào C0 GND Chân nối đất C4 Chân đầu vào toán hạng C4 10 Σ4 Chân đầu tổng Σ4 11 B4 Chân đầu vào toán hạng B4 12 A4 Chân đầu vào toán hạng A4 13 Σ3 Chân đầu tổng Σ3 14 A3 Chân đầu vào toán hạng A3 15 B3 Chân đầu vào toán hạng B3 16 Vcc dùng để cấp nguồn cho IC giúp hoạt động 15 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ c) Thông số kỹ thuật VCC (Tối thiểu): 4,75V VCC (Tối đa): 5,25V Loại đầu vào: TTL Loại đầu ra: CMOS Full-carry nhìn phía trước bốn bit Các hệ thống đạt hiệu suất nhìn trước phần với tính kinh tế Ripple carry Cơng suất tiêu thụ điển hình cộng bit: 95 mW Tìm hiểu DIP SWITCH_4 Mô tả: - Công Tắc Bit 4P (4 Số) Màu Đỏ công tắc gạt trạng thái ON OFF, Thông số kỹ thuật: - Công Tắc Bit 4P (4 Số) Màu Đỏ - Chân cắm xuyên lỗ 2.54mm - Cơng tắc SPST - Diện áp/dịng điện: 50Vdc @ 100mA - Mỗi chân đánh số - Chân mạ thiếc - Số chân: 16 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ Tìm hiểu LED đoạn a) LED đoạn gì? - Led đoạn thiết bị hiển thị điện tử để hiển thị số Khi đoạn chiếu sáng phần chữ số hiển thị Led đoạn sủ dụng rộng rãi tỏng đồng hồ số, máy tính - LED đoạn có 10 chân, chân nối với LED (A, B, C, D, E, F, G, DP) - Tùy vào loại LED đoạn, hai chân đánh dấu COM dương chung âm chung LED b) Cấu tạo - LED đoạn bao gồm LED kết nối song song để thắp sáng hiển thị số “0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, A, b, C, d, E, F, …” - Mỗi đoạn Led đánh dấu từ A tới G - Đoạn thứ tám gọi “chấm thập phân” (Decimal Point) ký hiệu DP sử dụng hiển thị số số nguyên - Nguyên tắc chung : muốn LED sáng LED phải phân cực thuận.Do muốn tạo chữ số ta cần cho LED vị trí tương ứng sáng lên c) Phân loại Dựa vào cực nối, phân loại LED đoạn sau: 17 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ - Loại dương chung (Common Anode): cực dương (anode) tất LED nối với cực âm (cathode) đứng riêng lẻ - Loại âm chung (Common Cathode): cực âm (cathode) tất LED nối với cực dương (anode) đứng riêng lẻ 18 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ d) Phương pháp điều khiển - Kết nối chân điều khiển LED trực tiếp với PORT vi điều khiển - Dùng quét Led - Vẫn sử dụng quét LED dùng IC chốt liệu để tiết kiệm chân điều khiển LED đoạn II Thiết kế mạch nguyên lý trừ số tự nhiên chữ số mô phần mềm Proteus Kết mô Proteus Một số hình ảnh thể kết phép tính trừ mơ Proteus số trường hợp cụ thể sau: 19 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ  Số lớn trừ số bé 20 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ  Số bé trừ số lớn 21 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ  Số trừ số bị trừ 22 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ Các bước thiết kế mạch trừ số tự nhiên chữ số BƯỚC 1: Sử dụng DIP switch dạng bit để cung cấp tín hiệu bit cho hai số số bị trừ số trừ, sau sử dụng IC 7447 7-seg-LED để thị số thập phân tương ứng hình sau: Theo hình ảnh mơ ta nhận thấy bật cơng tắc (ON) tín hiệu thấp (0) thơng qua chân 1, 2, 3, DIP switch nối đất Các chân 8, 7, 6, tín hiệu bit nhị phân đầu ra, chân MSB IC 7447 có nhiệm vụ giúp LED đoạn thể dạng số thập phân Đầu IC nối với LED đoạn, đầu vào bit nhị phân cung cấp DIP swicth theo thứ tự chân D, C, B, A với D MSB Vì chân phải nối vào D Nhìn vào DWS1 hình dựa vào vng xanh xám ta thấy tính hiệu chân 8,7,6,5 0010 tương ứng số hệ thập phân Vậy ta cung cấp tín hiệu bit số tự nhiên chữ số để thực bước tính tốn dựa thay đổi công tắc on hay off DIP switch 23 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ BƯỚC 2: Sử dụng IC 7483 với chân đầu vào A3,A2,A1,A0 (A3 MSB) cung cấp DIP switch số bị trừ, chân đầu vào khác B3,B2,B1,B0 (B3 MSB) cung cấp DIP switch số trừ Nhưng bit nhị phân số trừ ta phải bù -1 trước cung cấp cho IC 7483 Hình mơ sau: ICLS283 có chức cộng hai số nhị phân bit cộng thêm bit nhị phân (C0) Đầu S3 (MSB),S2,S1,S0 thể kết việc cộng hai số nhị phân ngõ vào Nhưng kết tổng hai số nhị phân lớn số 15 tương ứng thập phân khơng hiển thị có bit ngõ ra, kết thay dạng nhị phân k với k=m-(16-n), m n hai số tự nhiên tương ứng hai số nhị phân ngõ vào IC Ngõ C4 mang tín hiệu cao có việc xảy 24 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ  Trường hợp 1: tổng hai số khơng lớn 1111, theo hình mơ phổng có nghĩa số trừ lớn số bị trừ số trừ bù-1 trước cung cấp cho IC Dựa vào tính chất tổng số nhị phân 1111 bù-1 với nhau, sau IC cộng, ta có kết ngõ số bù -1 hiệu số trừ số bị trừ Việc lại ta cần bù-1 kết thêm dấu – phía trước để đạt kết cuối Ta xét ví dụ sau: VD1: Số bị trừ: 310 = 00112 ; Số trừ: 410 = 01002 Số trừ bù trừ trước cung cấp cho IC: 10112 (= 1110 ) IC thực việc tổng số bị trừ số trừ bù -1, ta có kết là: 11102 Bù -1 kết thêm dấu trừ ta kết cuối cùng: 0001 (-1)  Trường hợp 2: tổng hai số nhị phân lớn 1111 có nghĩa số bị trừ lớn số trừ kết cuối số dương Khi kết đầu IC74LS283 k với k=m-(16-n), suy hiệu số bị trừ số trừ k+1, ta xét ví dụ sau: VD2: Số bị trừ: 710 = 01112 (m=7) ; Số trừ 410 = 01002 Số trừ bù trừ trước cung cấp cho IC: k=m-(16-n) => k=7-(16-11)=2 Ta thấy: 7-4=3=k+1 = k+1 kết cuối ta cần nhận 25 10112 (= 1110 ) (n=11) THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ BƯỚC 3: Nối chân đầu S3,S2,S1,S0 IC 7483 với đầu vào thứ cổng XNOR, chân đầu vào lại XNOR nối với ngõ C4 IC 7483 Như nói bước ngõ C4 mang tính hiệu cao tổng hai số nhị phân lớn 1111 có nghĩa trường hợp bước xảy C4 mức 1, trường hợp xảy C4 mức *Khi ngõ vào thứ XNOR mức 1( C4 mức chuyền vào) ngõ chắn copy ngõ vào thứ nhất, giúp mong muốn trường hợp xảy giữ nguyên dạng nhị phân đầu IC, để sau cộng thêm *Khi ngõ vào thứ XNOR mức 0( C4 mức chuyền vào) ngõ đảo ngõ vào, giúp mong muốn trường hợp xảy đầu IC phải bù1, để sau thêm dấu trừ 26 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ BƯỚC 4: Nối bit đầu XNOR vào chân A3(MSB),A2,A1,A0 IC7483, chân B3,B2,B1,B0 IC nối đất Chân C0 IC nối với chân C4 IC7483 trước Như nói bước IC74LS283 có chức cộng hai số nhị phân bit cộng thêm bit nhị phân C0 Ta lợi dụng tính cộng thêm bit nhị phân C0 IC 7483 Vậy trường hợp xảy tổng hai số nhị phân lớn 1111 chân C4 IC7483 cũ mức truyền vào chân C0 IC mới, mục đích trường hợp k phải cần cộng thêm 1, IC 7483 đảm nhận việc Ngõ IC kết cuối ta cần tìm trường hợp Còn trường hợp C4 IC cũ mức truyền vào C0 IC mới, IC cộng chân C0 mức đồng nghĩa với việc không cộng thêm gì, mục đích ta muốn trường hợp 27 THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ BƯỚC 5: Nối đầu IC7483 kit LED đoạn bước thiết kế LED đoạn thể dấu trừ (-) trường hợp xảy Hình mơ thiết kế sau: 28