Nhom2 Thiết kế mạch cộng hai số nhị phân 4 bít, hiển thị kết quả trên LED 7 thanh

Thiết kế mạch cộng hai số nhị phân 4 bít, hiển thị kết quả trên LED 7 thanh Mạch cộng là mạch tổ hợp kỹ thuật số được sử dụng để cộng hai số. Mạch cộng gồm một bit tổng (ký hiệu là S) và một bit nhớ (ký hiệu là C) làm đầu ra. Thông thường mạch cộng thực hiện chức năng cộng hai số nhị phân nhưng cũng có thể được thực hiện các phép cộng cho mã BCD. Ngoài ra, mạch cộng có thể được sử dụng cho rất nhiều ứng dụng khác trong điện tử kỹ thuật số như giải mã địa chỉ , phép tính chỉ số bảng, v.v ...

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ – Ơ TƠ BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KỸ THUẬT XUNG SỐ Giáo viên hướng dẫn: Hà Thị Phương Sinh viên thực hiện: HÀ NỘI 2023 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung .4 1.1.1 Phân tích đề tài 1.1.2 Đối tượng nghiên cứu .4 1.1.3 Nội dung nghiên cứu 1.1.4 Mục đích nghiên cứu 1.1.5 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.2 Tổng quan mạch Logic .6 1.2.1 Khái niệm mạch Logic .6 1.2.2 Các bước thiết kế mạch 1.3 Mạch cộng 1.3.1 Khái niệm mạch cộng 1.3.2 Phân loại mạch cộng 1.3.3 Phương pháp cộng .9 CHƯƠNG II CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 11 2.1 Các loại IC sử dụng 11 2.1.1 IC 74LS83 11 2.1.2 IC 74LS85 13 2.1.3 IC 74LS247 .16 2.1.4 IC74LS32 19 2.1.5 IC 74LS08 21 2.1.6 IC 74LS04 23 2.2 Phần tử tạo tín hiệu (Công tắc DIP SW_4 ) 25 2.3 Phần tử hiển thị ( Led đoạn Anode chung ) .26 2.4 Điện trở 28 CHƯƠNG III MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG 29 3.1 Phân tích đề tài .29 3.2 Giải vấn đề 29 3.2.1 Giải mã hàng dơn vị lên LED 29 3.2.2 Giải mã hàng chục lên LED 33 3.2.3 Hiển thị LED đoạn .34 3.3 Thiết kế mạch phần mềm Proteus 35 3.4 Thiết kế mạch phần mềm Altium 36 3.5 Thiết kế mạch thực tế 37 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN .38 4.1 Đánh Giá sản phẩm .38 4.2 Đề xuất phương hướng cải tiến phát triển .38 4.3 Kết 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ mạch cộng bán phần Hình Sơ đồ mạch cộng toàn phần Hình Sơ đồ khối mạch cộng bit .10 Hình Sơ đồ khối chip cộng bit 4008 dựa phép cộng song song 11 Hình Ảnh thực tế IC 74LS83 .12 Hình 2 Sơ đồ chân IC 74LS83 12 Hình Sơ đồ mạch logic IC 74LS83 .13 Hình Ảnh thực tế IC 74LS85 .14 Hình Sơ đồ chân IC 74LS85 15 Hình Sơ đồ mạch logic IC 74LS85 .16 Hình Ảnh thực tế IC 74LS247 17 Hình Sơ đồ chân IC 74LS247 17 Hình Sơ đò mạch logic IC 74LS247 18 Hình 10 Ảnh thực tế IC 74LS32 20 Hình 11 Sơ đồ chân IC 74LS32 20 Hình 12 Ảnh thực tế IC 74LS08 22 Hình 13 Sơ đồ chân IC 74LS08 22 Hình 14 Ảnh thực tế IC 74LS04 24 Hình 15 Sơ đồ chân IC74LS04 .24 Hình 16 Ảnh thực tế công tắc DIP SW-4 25 Hình 17 Ảnh thực tế LED 27 Hình 18 Sơ đồ chân led 28 Hình 19 Điện trở 29 Hinh Mạch chuyển đổi hai số nhị phân bit sang mã BCD 30 Hinh Hiển thị LED 34 Hinh 3 Thiết kế mạch phần mềm Proteus 35 Hinh Thiết kế mạch phần mềm Altium .36 Hinh Sơ đồ mạch điện 37 Hinh Mạch sau hoàn thiện 37 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Bảng chân lý mạch cộng bán phần .8 Bảng Bảng chân lý mạch cộng toàn phần Bảng Bảng chức cụ thể IC 74LS247 19 Bảng 1Bảng mã tương đương loại mã .31 Bảng Bảng trạng thái 32 Bảng 3 Bìa Karnaugh tối thiểu cho tín hiệu Y 33 Bảng Bảng trạng thái 33 Bảng Bìa Karnaugh tối thiểu cho tín hiệu Y1 Y2 34 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 Q trình thiết kế mạch điện tử trình phức tạp đòi 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 I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Phân tích 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 1.1.2 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 1.1.3 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 thông qua mô 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 1.1.4 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 thơng, 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 cơng nghệ điện tử đại 1.1.5 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa 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 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 u cầu chức đề 1.3 Mạch cộng 1.3.1 Khái niệm mạch cộng Mạch cộng mạch tổ hợp kỹ thuật số sử dụng để cộng hai số Mạch cộng gồm bit tổng (ký hiệu S) bit nhớ (ký hiệu C) làm đầu Thông thường mạch cộng thực chức cộng hai số nhị phân thực phép cộng cho mã BCD Ngoài ra, mạch cộng sử dụng cho nhiều ứng dụng khác điện tử kỹ thuật số giải mã địa , phép tính số bảng, v.v 1.3.2 Phân loại mạch cộng a Mạch cộng bán phần Một mạch bán cộng mạch luận lý thực việc cộng số A B xuất tổng S số dư phép tính C Vào Ra A B S 𝑪𝟎 0 0 1 1 1 Bảng 1 Bảng chân lý mạch cộng bán phần Hình 1 Sơ đồ mạch cộng bán phần b Mạch cộng toàn phần Một mạch cộng toàn phần mạch cho phép thực cộng 3bit nhị phân A, B Cin (số dư phép tính trước) xuất số, tổng S số dư Cout Vào Ra A B 𝑪𝒊 S 𝑪𝑶 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 Bảng Bảng chân lý mạch cộng tồn phần Hình Sơ đồ mạch cộng tồn phần 1.3.3 Phương pháp cộng Có thể tạo mạch logic sử dụng nhiều phép toàn cộng cho N bit số Có phương pháp phương pháp nối tiếp phép cộng bán song song a Phương pháp nối tiếp - PC, Máy tính xách tay máy tính thơng minh khác cổng NOT bên - Trong điện tử kỹ thuật số hệ thống kỹ thuật số mạng sử dụng cổng để đảo ngược trạng thái logic 2.2 Phần tử tạo tín hiệu (Cơng tắc DIP SW_4 )  Giới thiệu sơ bộ: Trong lĩnh vực điện tử, từ viết tắt DIP áp dụng cho loại cơng tắc viết tắt “gói nội tuyến kép” Cơng tắc gói nội tuyến kép, cơng tắc DIP , thực chất tập hợp công tắc điện tử thủ công nhỏ thiết kế để đóng gói với mạch khác Thuật ngữ cơng tắc DIP đề cập đến cơng tắc riêng lẻ thiết bị nhiều công tắc cho tồn thiết bị Tóm lại, vai trị cơng tắc DIP cho phép người dùng điều khiển dòng điện xung quanh bảng mạch in (PCB) , thẻ mở rộng thiết bị ngoại vi / thiết bị điện tử khác, thay đổi chế độ hoạt động thiết bị Hình 16 Ảnh thực tế công tắc DIP SW-4 25  Sử dụng: Bộ chuyển mạch DIP ngày sử dụng rộng rãi so với trước đây, phần lớn xu hướng giảm quy mơ chi phí giảm cho giải pháp tương đương khác Tuy nhiên, chúng phổ biến loạt ứng dụng công nghiệp mạch thử nghiệm Điều công tắc DIP thủ công cung cấp tùy chọn hiệu chi phí để điều khiển thiết bị tùy chọn dễ dàng để nối dây vào mơ hình thiết kế mạch PCB bảng mạch bánh mì có Bộ chuyển mạch DIP cung cấp cách nhanh chóng thuận tiện để xem cài đặt chọn cách vật lý mà không cần phải bật nguồn hệ thống trước tiên giảm đáng kể nhu cầu chi tiêu thêm cho phần cứng bổ sung để thực nhiều tác vụ đầu  Hoạt động: Cơng tắc DIP lắp bề mặt tiêu chuẩn bán dạng loạt công tắc điện hai đầu cuối (bật / tắt 1/0) , lắp ráp vỏ khối nhựa chịu nhiệt Chúng thường gọi chung chung 'jumper', mặt kỹ thuật chúng thực sự thay cho jumper truyền thống - nhiên, chức tổng thể chúng giống Phần “kép dòng” từ viết tắt đề cập đến việc bố trí chân tiếp xúc bên công tắc DIP, cắm trực tiếp vào PCB breadboard - chúng xếp thành hai hàng song song mặt khối công tắc DIP, kép dịng Nhìn chung, có gấp đơi số lượng chân tiếp xúc làm cơng tắc mô- đun định 2.3 Phần tử hiển thị ( Led đoạn Anode chung )  Giới thiệu sơ : 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 26 Hình 17 Ảnh thực tế LED 27 Hình 18 Sơ đồ chân led  Nguyên lý hoạt động : Muốn LED sáng LED phải phân cực thuận.Do muốn tạo chữ số ta cần cho LED vị trí tương ứng sáng lên Bảng mơ tả cách tạo chữ số để hiển thị lên LED đoạn 2.4 Điện trở Điện trở (Resistor) linh kiện điện tử thụ động với tiếp điểm nối Chức dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dịng điện chảy mạch Dùng để chia điện áp, kích hoạt linh kiện điện tử chủ động transistor, tiếp điểm cuối đường truyền điện đồng thời có nhiều ứng dụng khác 28 Hình 19 Điện trở CHƯƠNG III MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG 3.1 Phân tích đề tài Số nhị phân bit có giá trị lớn 15 nên cộng số nhị phân bit giá trị lớn 30 Vì vậy, ta sử dụng LED đoạn để hiển thị kết tương ứng với hàng đơn vị, hàng chục  Từ phân tích tơi chia thành khối mạch sau: - Khối cộng số nhị phân bit - Khối xử lý đổi số nhị phân (kết phép cộng số nhị phân bit) sang BCD (hàng chục, hàng đơn vị) - Khối giải mã lên LED đoạn 3.2 Giải vấn đề 3.2.1 Giải mã hàng dơn vị lên LED  Chuyển đổi mã nhị phân đầu vào thành mã BCD: Đầu tiên ta so sánh số nhị phân bit đầu vào IC so sánh lớn 9, ta tiến hành cộng thêm vào giá trị nhị phân để trở thành mã BCD có giá trị khoảng đến 29 Cộng mã BCD vừa chuyển đổi ta thu kết đến 18 Để chuyển kết thành dạng BCD để giải mã lên LED đoạn ta hiệu chỉnh mạch cộng nhị phân Hinh Mạch chuyển đổi hai số nhị phân bit sang mã BCD 30 Bảng 1Bảng mã tương đương loại mã  Nhận thấy rằng: Khi giá trị đến mã nhị phân BCD hoàn toàn giống  Khi giá trị > để có mã BCD ta phải tiến hành cộng thêm cho mã nhị phân Để giải vấn đề hiệu chỉnh trước tiên ta thực mạch phát kết trung gian mạch cộng số nhị phân bit Mạch nhận kết trung gian phép cộng số nhị phân bit cho ngõ Y (A, B, C, D, E):  Y=1 kết qủa >  Y=0 kết