NHÂN HAI SỐ NHỊ PHÂN 3BIT 1.3 Đối tượng nghiên cứu Quy trình thiết kế của mạch tổ hợp. Phần mềm mô phỏng Proteus. Phần mềm vẽ mạch in Altium18. Cấu tạo, cách hoạt động của các vi mạch tổ hợp. Các linh kiện điện tử cơ bản. Quy trình chế tạo mạch in PCB thủ công. Kĩ năng khoan hàn mạch điện tử. 1.4 Phạm vi đề tài Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số. Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay. Mạch in PCB, linh kiện điện tử căn bản. Đảm bảo an toàn khi gia công cũng như việc hàn mạch. 1.5 Ý nghĩa thực tiễn Nắm bắt phương pháp thiết kế mạch tổ hợp. Thực hành quy trình chế tạo mạch in PCB. Nâng cao kĩ năng khoan và hàn mạch điện tử. Hiểu rõ chức năng của phương pháp nhân 2 số nhị phân 3 bit.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH NHÂN HAI SỐ NHỊ PHÂN BIT Giáo viên hướng dẫn : Hà Thị Phương Sinh viên thực : Nguyễn Tá Trường MSV: 2021605004 Nguyễn Công Vĩnh MSV: 2021606129 Mã lớp học phần : 20231FE6021.002 Khóa : 16 Hà Nội - 2023 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số trở nên quên thuộc với nhiều người, phát triển nghành kỹ thuật số có ảnh hưởng lớn đến nghành kinh tế tồn cầu có người nêu lên ý tưởng gọi kinh tế thời đại “nền kinh tế kỹ thuật số”, “số hóa” gần vượt khỏi ranh giới thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu điểm xử lí số độ tin cậy truyền dẫn, tính đa thích nghi kinh tế nhiều phần mềm khác nhau, tính tiện lợi điều khiển khai thác mạng Số hóa xu hướng phát triển tất yếu nhiều linh vực kỹ thuật kinh tế khác Không lĩnh vực thông tin liên lạc tin học Ngày nay, kỹ thuật số thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển tự động, Phát truyền hình, Y tế, Nông nghiệp đồ dùng sinh hoạt gia đình Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng linh kiện bán dẫn phần vào giảm bớt giá thành sản phẩm làm linh kiện rời Ứng dụng môn kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xung số ngày nhiều Nó thâm nhập nhanh chóng vào lĩnh vực điện tử thông dụng chuyên nghiệp Kỹ thuật xung số môn học thiếu sinh viên ngành điện nói chung ngành điện tử nói riêng Trong đồ án chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế mạch nhân hai số nhị phân bit” với mục tiêu giúp tính tốn cách xác nhanh Ngồi cịn giúp hiểu nguyên lí hoạt động số mạch and mạch full adder IC hữu dụng thực tế Phương pháp nghiên cứu: Trên phương pháp nghiên cứu phân tích chức linh kiện, vi mạch áp dụng kiến thức với đạo giáo viên hướng dẫn với kiến thức học lớp kiến thức bên ngồi để xây dựng nên mạch có chức hoạt động nhân hai số nhị phân bit với tài nguyên yêu cầu MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………… ……….2 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan .5 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng nghiên cứu .6 1.4 Phạm vi đề tài 1.5 Ý nghĩa thực tiễn .6 CHƯƠNG 2.TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG .7 2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch .7 2.2 Phân tích chức sơ đồ khối .7 2.2.1 Khối nguồn .7 2.2.2 Khối phím 2.2.3 Khối nhân 2.3 Mô mạch proteus .12 2.4 Mô mạch phần mềm Altium 12 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 13 3.1Các linh kiện cần dùng .13 3.1.1 IC cộng 74LS83 13 3.1.2 IC 74HC08 15 3.2Chế tạo, lắp ráp mạch .16 CHƯƠNG KẾTLUẬN 18 4.1 Đánh giá sản phẩm 18 4.2 Tính thực tế sản phẩm 18 4.3 Đề xuất cải tiến hướng phát triển .18 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch Hình 2.2: Sơ đồ kí hiệu bán tổng Hình 2.3: Sơ đồ logic bán tổng .9 Hình 2.4: Sơ đồ bán tổng đầy đủ 10 Hình 2.5: Tổng quát nhân số nhị phân bit 11 Hình 2.6: Mạch nhân số nhị phân bit 11 Hình 2.7: Mạch mơ 12 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý 12 Hình 2.9: Mặt sau 12 Hình 2.10: Mạch in 3D 12 Hình 3.1 Hình ảnh thực tế IC cộng 74LS83 13 Hình 3.2: Sơ đồ chân IC 74LS83 13 Hình 3.3: Sơ đồ logic bên 14 Hình 3.4: Sơ đồ chân IC 74HC08 .15 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Trong ngơn ngữ máy tính, phép toán thao tác bit thực nhiều chuỗi bit số nhị phân cấp độ bit riêng biệt Các phép toán thực nhanh, ưu tiên, hỗ trợ trực tiếp vi xử lý, dùng để điều khiển giá trị dùng cho so sánh tính toán Đối với loại vi xử lý đời cũ, thường phép tốn thao tác bit nhanh phép chia đáng kể, nhanh phép nhân, nhanh phép cộng đáng kể Trong vi xử lý đại thường thực phép nhân phép cộng nhanh tương đương phép toán thao tác bit nhờ vào cấu trúc đường ống lệnh chúng dài nhờ vào lựa chọn thiết kế cấu trúc, phép tốn thao tác bit thường sử dụng lượng sử dụng tài ngun Phép tính nhân hệ nhị phân tương tự phương pháp làm hệ thập phân Hai số A B nhân với tích số cục bộ: tích số A với số B tính viết xuống hàng mới, hàng phải chuyển dịch vị trí sang bên trái cho số cuối bên phải đứng cột với vị trí số B dùng Tổng tích cục cho ta kết tích số cuối 1.2 Mục đích nghiên cứu - Thiết kê mạch logic tổ hợp đáp ứng yêu cầu đề tài - Mô mạch logic - Thiết kế mạch in PCB - Chế tạo thủ công mạch in PCB 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Quy trình thiết kế mạch tổ hợp - Phần mềm mô Proteus - Phần mềm vẽ mạch in Altium18 - Cấu tạo, cách hoạt động vi mạch tổ hợp - Các linh kiện điện tử - Quy trình chế tạo mạch in PCB thủ công - Kĩ khoan hàn mạch điện tử 1.4 Phạm vi đề tài - Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử phạm vi kỹ thuật xung số - Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay Mạch in PCB, linh kiện điện tử - Đảm bảo an toàn gia công việc hàn mạch 1.5 Ý nghĩa thực tiễn - Nắm bắt phương pháp thiết kế mạch tổ hợp - Thực hành quy trình chế tạo mạch in PCB - Nâng cao kĩ khoan hàn mạch điện tử - Hiểu rõ chức phương pháp nhân số nhị phân bit CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG Hình 2.1: Sơ đồ khối mạch 2.1 Sơ đồ khối tổng quát mạch 2.2 Phân tích chức sơ đồ khối 2.2.1 Khối nguồn - Sử dụng nguồn 5V để trì hệ thống 2.2.2 Khối phím - Khối phím cơng tắc bit: đưa tín hiệu bit tương ứng với chữ số hai số nhị phân bit A B - Thông số cơng tắc bit: Cấu hình tiếp điểm Dịng điện định mức Vật liệu tiếp điểm Số công tắc bit SPST 100mA – 24V DC Đồng mạ nikel Kiểu chân Kiểu tác động Nhiệt độ max Nhiệt độ Xuyên lỗ Trượt +85oC -30oC 2.2.3 Khối nhân 2.2.3.1 Cộng số nhị phân Ta có trường hợp cộng số nhị phân: 0+0=0 ghi nhớ 0+1=1 ghi nhớ + = 10 ghi nhớ 1 + + = 11 ghi nhớ 1 + + + = 100 ghi nhớ 10 + + + + = 110 ghi nhớ 11 - Bộ bán tổng (Half adder) Hình 2.2: Sơ đồ kí hiệu bán tổng + Bảng trạng thái: Ai Bi 0 1 1 Ai, Bi : chữ số cột i hai số A B Si 1 Ci 0 Si : Chữ số tổng cột thứ i + Dựa vào cách tối thiểu hóa hàm bìa Karnaugh ta được: Hàm số Si = Ai ⊕ Bi ; Ci = AiBi Hình 2.3: Sơ đồ logic bán tổng - Bộ cộng toàn phần (Full Adder) Khi cộng hai số nhị phân nhiều bit ta tiến hành cộng bit LSB để có tổng S0 số nhờ C0 Sau thực cộng bit kề với số nhớ C0 để có S1 C1 Cứ bit cuối cùng, số nhớ sau MSB tổng số Ví dụ: Thực cộng hai số nhị phân bit A3A2A1A0 + B3B2B1B0 ta tiến hành sau: A0 + B0 = S0 + C0 A1 + B1 + C0 = S1 + C1 A2 + B2 + C1 = S2 + C2 A3 + B3 + C2 = S3 + C3 C3 = S4 Như tiến hành cộng số nhị phân nhiều bit ngồi cộng bit A, B mạch cộng cịn phải cộng thêm số nhớ từ phép cộng => người ta xây dựng mạch cộng toàn phần sau: Hình 2.4: Sơ đồ bán tổng đầy đủ - Bảng trạng thái: Ai Bi Ci-1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 + Tối thiểu hóa hàm theo bìa Karnaugh ta Hàm Si: Ci-1 AiBi 00 01 11 10 1 1 10 Si 1 0 Ci 0 1 1 ´ ( BC ´ + B C´ ) + A( B´ C+ ´ BC ) ´ + A ´ B C´ + ABC + A B ´ C´ = A Ta Si = A´ BC ´ ) =A⊕B⊕C = A´ ( B⊕ C ) + A ( B⊕C Hàm Ci: Ci AiBi 00 01 11 10 Hàm Ci = AB + BC + AC 1 * Sử dụng mạch cộng toàn phần cộng số nhị phân nhiều bit: 2.2.3.2 Mạch nhân số nhị phân Phép nhân phổ biến tính tốn, có lẽ ngang với phép cộng Thực chất phép nhân phép cộng nhiều lần - Tổng quát: cho dãy số nhị phân A B, phép nhân thực sau: Hình 2.5: Tổng quát nhân số nhị phân bit 11 - Mạch điện chi tiết toán nhân sử dụng cổng AND mạch cộng tồn phần hình vẽ: Hình 2.6: Mạch nhân số nhị phân bit 12 2.3 Mô mạch proteus Hình 2.7: Mạch mơ 2.4 Mơ mạch phần mềm Altium 13 - Mạch in 2D mơ phần mềm Altium Hình 2.8: Mặt sau Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý Hình 2.10: Mạch in 3D - Mạch in 3D mô phần mềm Altium: 14 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 3.1 Các linh kiện cần dùng - IC 74HC08 + IC cộng 74LS83 - Header chân - LED đơn - công tắc gạt bit - điện trở 220 ôm + trở 10k ôm 3.1.1 IC cộng 74LS83 Hình 3.11 Hình ảnh thực tế IC cộng 74LS83 15 3.1.1.1 Cấu hình chân IC 74LS83 Hình 3.12: Sơ đồ chân IC 74LS83 3.1.1.2 Chi tiết sơ đồ chân IC có tổng cộng 16 chân Chân số 12 sử dụng để cấp nguồn +5V cho IC tương ứng với GND nguồn cấp Giả sử có hai số bit A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1 với A1 B1 Bit có trọng số thấp (LSB) chuỗi số A4 B4 làm Bit có trọng số lớn (MSB) chuỗi số Chân # 1,3,8,10 chân đầu vào sử dụng để cấp liệu bit cho A4 A3 A2 A1 chuỗi số nhị phân thứ Chân # 16,4,7,11 chân đầu vào sử dụng cấp liệu bit B4 B3 B2 B1 thuộc chuỗi số nhị phân thứ Chân # 13 chân đầu vào sử dụng cho bit carry-in Chân # 15,2,6,9 chân đầu sử dụng để đưa kết phép cộng hai số nhị phân bit S4 S3 S2 S1 Chân # 14 chân đầu kết bit carry phép cộng 16 3.1.1.3 Sơ đồ logic bên Hình 3.13: Sơ đồ logic bên 3.1.2 IC 74HC08 17 3.1.2.1 Cấu tạo 18 Cấu tạo bên ic số 74HC08 có bốn cổng logic AND, cổng có ngõ vào ngõ IC 74HC08 sản xuất theo cơng 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 AND Bạn nhìn thấy sơ đồ cổng AND N1 … N4 dây độc lập có phụ thuộc vào cổng Hình 3.14: Sơ đồ chân IC 74HC08 - Hoạt động dựa vào bảng trạng thái bên dưới: Input A 0 1 B 1 3.1.2.2 Output X 1 Thông số kĩ thuật Datasheet Chân Số cổng AND IC Điện áp hoạt động 74HC08 14 2V – 6V DC 19 Dòng ngõ Nhiệt độ hoạt động Mức logic 5.2mA -40oC – 125oC 3.2 Chế tạo, lắp ráp mạch - Các bước chế tạo mạch Bước 1: Vẽ mạch phần mềm Altium Bước 2: In mạch giấy decal chuyên dụng Bước 3: Cắt fit đồng kích thước mạch sử dụng bàn để in mạch lên fit đồng 20