BTl xung số nhóm 10 HauiThiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7

Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7 Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau: Bước 1: Xác định các yêu cầu của bài toán Phân tích yêu cầu đầu bài tìm ra số trạng thái trong Bước 2: Lập đồ hình trạng thái Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế như: hệ số đếm và một số các yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm. Bước 3: Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa các trạng thái trong của bộ đếm theo mã đã cho. Số phần tử nhớ được xác định như sau: Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ Mã vòng n = Kđ Mã Johnson n=12 Kđ Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra: Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng ra để xác định phương trình kích cho các FF và phương trình hàm ra. Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực hiện. Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra sơ đồ mạch thực hiện.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ ĐIỆN TỬ - -

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

KĨ THUẬT XUNG SỐ

ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ

Kđ = 10, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7

thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7

Giáo viên hướng dẫn: Hà Thị Phương

Sinh viên thực hiện: Lương Văn Huy

Đào Quang HòaNguyễn Văn Được

Hà Nội - 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ,cuộc sống của conngười đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiệnđại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Đặc biệt gópphần vào sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏtrong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước Những thiết bị điện,điện tửđược phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rỗng rãi trong đời sống cũng nhưsản suất Từ những thời gian đầu phát triển kĩ thuật số đã cho thấy sự ưu việtcủa nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng nhưkhông thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất vàtinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn

kĩ thuật xung số chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo

trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên nghành, chúng tôi đã “Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7 “ nhưng do thời

gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng em còn có hạn nên sẽ không thểtránh khỏi những sai sót Chúng tôi rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ýkiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 7

1.1 Giới thiệu đề tài 7

1.1.1 Lý do chọn đề tài 7

1.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 7

1.1.3 Đối tượng nghiên cứu 8

1.1.4 Phạm vi nghiên cứu 8

1.1.5 Ý nghĩa nghiên cứu 8

1.1.6 Phương pháp nghiên cứu 8

1.2 Tổng quan về bộ đếm 8

1.2.1 Khái niệm 8

1.2.2 Đồ hình trạng thái 9

1.2.3 Phân loại 10

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM NGHỊCH, NHỊ PHÂN, ĐỒNG BỘ KĐ = 10, SỬ DỤNG JK-FF HIỂN THỊ KẾT QUẢ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO KHI GẶP SỐ ĐẾM 4, 7 12 2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 12

2.2 Các bước để thiết kế bộ đếm 13

2.3 Tính toán thiết kế hệ thống 14

2.3.1 Tính toán thiết kế khối tạo xung 14

2.3.2 Tính toán thiết kế bộ đếm 15

2.4 Đồ hình trạng thái 15

2.4.1 Xác định số FF 15

2.4.2 Lập bảng mã hóa và bảng kích 16

2.4.3 Sơ đồ mô phỏng mạch thực hiện 20

2.4.4 Thiết kế trên phần mềm altium 22

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 24 3.1 Lựa chọn linh kiện 24

3.2 Tiến hành chế tạo 25

3.2.1 Chọn mua linh kiện 25

3.2.2 In mạch và nhúng mạch 25

3.2.3 Khoan lỗ và hàn 26

3.2.4 Thử nghiệm và đánh giá 26

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 27

4.1 Đánh giá sản phẩm 27

4.1.1 Ưu điểm: 27

4.1.2 Nhược điểm: 27

4.2 Tính thực thế của sản phẩm 27

4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển 27

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối bộ đếm 9

Hình 1.2 Đồ hình trạng thái bộ đếm 9

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 12

Hình 2.2 Sơ đồ khối tạo xung dùng NE555 14

Hình 2.3 Đồ hình trạng thái của hệ thống 15

Hình 2.4 Mô phỏng trên proteus 21

Hình 2.5 Mô phỏng trên proteus khi đầu ra bằng 4 21

Hình 2.6 Mô phỏng trên proteus khi đầu ra bằng 7 22

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch trên altium 22

Hình 2.8 Đi dây trên altium 23

Hình 2.9 Hình ảnh mô phỏng 3D trên Altium 23

Hình 3.1 Chọn mua linh kiện phù hợp 25

Hình 3.2 In mạch và nhúng mạch in 25

Hình 3.3 Khoan lỗ và căn chỉnh linh kiện phù hợp 26

Hình 3.4 Thành phẩm 26

Hình 3.5 Đèn led báo đầu ra khi gặp 7 và 4 27

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng mã hóa hệ thống 16

Bảng 2.2 Bảng tối thiểu hóa của J1 17

Bảng 2.3 Bảng tối thiểu hóa của K1 17

Bảng 2.4 Bảng tối thiểu hóa của J2 18

Bảng 2.5 Bảng tối thiểu hóa của K2 18

Bảng 2.6 Bảng tối thiểu hóa của J3 19

Bảng 2.7.Bảng tối thiểu hóa của K3 19

Bảng 2.8 Bảng tối thiểu hóa của Z 20

Bảng 3.1 Linh kiện cần dùng trong hệ thống 24

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu đề tài

1.1.1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thế kỉ của khoa học-kĩ thuật, của tri thức cùng với

nó là sự phát triển nhanh chóng,mạnh mẽ của công nghệ thông tin và khoahọc ứng dụng Kĩ thuật số cũng nằm trong số đó,nó đang phát triển rất nhanh

và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xã hội Chúng ta đang chuyển dần từđiều khiển bằng tay sang điều khiển tự động

Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của hàng loạtcác vi mạch Sự phát triển của kĩ thuật số như hiện nay khiến cho nhu cầu tiếpxúc với điện tử số không thể thiếu được

Để xây dựng một thiết bị số hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm,thanh ghi, bộ nhớ trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệ thống.Mạch đếm thuận sử dụng JK-FF là một mạch đếm khá thông dụng và cơ bản.Chính vì vậy chúng tôi đã lựa chọn đề tài này để báo cáo

1.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu:

Tìm hiểu về mạch đếm và một số vấn đề liên quan

Hoàn thành thiết kế-thực nghiệm thực tế,mạch hoạt động ổn định với độ bền cao

Nhiệm vụ:

Tìm hiểu kiến thức cơ bản về mạch đếm

Tìm hiểu các vi mạch đếm thông dụng và mạch tạo xung sử dụng IC555Mạch giải mã 7 thanh và hiển thị 7 thanh

Thiết kế bộ đếm nhị phân, nghịch, đồng bộ Kđ=10, sử dụng JK-FF và hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7.

1.1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là thiết kế bộ đếm một mạch đếm thay đổi trạng thái đếm khi có một xung đồng hồ đưa đến, mạch này có thể đếm từ 9 đến 0,

Nâng cao kĩ năng thực hành,lắp ráp và thiết kế mạch đếm

1.1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

1.2 Tổng quan về bộ đếm

1.2.1 Khái niệm

Mạch đếm là một mạch dãy đơn giảm được xây dựng từ các phần tử nhớ vàcác phần tử tổ hợp, mạch đếm là thành phần cơ bản của các hệ thống số Bộđếm là một mạch dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm và một đầu ra, mạch có

số trạng thái trong chính hệ số đếm (Kđ)

Dưới tác động của tín hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển từ trạng thái trong nàyđến một trạng thái trong khác thoe một thứ tự nhất định Cứ sau Kđ lần tínhiệu vào đếm, mạch sẽ trở về trạng thái xuất phát ban đầu

Bộ đếm thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển và nó chỉ cómột đầu vào Do đó, nếu xung đồng bộ (CLK) xuất hiện khác thời điểm xung

đếm (Xđ) xuất hiện thì việc đếm xung không thực hiện được nên mạch đếmphải có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ cómột đầu vào.

về trạng thái ban đầu và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duynhất

Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạchgiải mã

1.2.3 Phân loại

Có nhiều cách phân loại bộ đếm:

* Phân loại theo cách làm việc:

Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổi trạngthái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm Mọi sựchuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạngthái trung gian (Si Sj) Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ

Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter): là bộ đếm tồn tại ít nhất mộtcặp chuyển biến trạng thái Si Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạng tháiđồng thời (Si Si’ Si’’ Sj) Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF

* Phân loại theo hệ s:

Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sử dụng n FF

để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hoá tối đa là (Kđ

= 2, 4, 8, 16 )

Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho

bộ đếm, sẽ có ( - Kđ) trạng thái không được sử dụng đến Do vậy khi thiết kế

bộ đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái không sử dụng tức là cần phải cóbiện pháp làm cho bộ đếm thoát khỏi các trạng thái đó một cách hợp lý để trở

về chu trình đúng mà vẫn phải đảm bảo bộ đếm được thiết kế là đơn giản (Kđ

= 3, 5, 6, 7, 10 )

* Phân loại theo mã:

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đếntrạng thái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hoá bởi một

mã cụ thể Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá trạng thái trongkhác nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiệnkhác nhau

Mã nhị phân, Mã Gray

Mã BCD, Mã Johnson

Mã vòng

* Phân loại theo hướng đếm:

Bộ đếm thuận (Up counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) thìtrạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1 (Si Si+1)

Bộ đếm nghịch (Down counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ)thì trạng thái trong của bộ đếm giảm đi 1 (Si Si-1)

Chú ý: Khái niệm thuận nghịch chỉ là tương đối chủ yếu là do vấn đề mã hoácác trạng thái trong của bộ đếm Bộ đếm thuận nghịch: là bộ đếm vừa có khảnăng đếm thuận vừa có khả năng đếm nghịch

* Phân loại theo khả năng lập trình:

Bộ đếm có khả năng lập trình: Kđ có thể thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điềukhiển

Bộ đếm không có khả năng lập trình: Kđ cố định, không thay đổi được

Khối nguồn

PHÂN, ĐỒNG BỘ KĐ = 10, SỬ DỤNG JK-FF HIỂN THỊ KẾT QUẢ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO

- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

- Khối tạo xung: Khối tạo xung có chức năng tạo ra xung nhịp đểchuẩn kích cho bộ đếm hoạt động ở sườn âm

- Khối bộ đếm: Tạo ra tín hiệu số nhị phân

- Khối giải mã: Chuyển tín hiệu từ số nhị phân ở ngõ vào sang led 7đoạn

- Khối hiển thị: Hiển thị kết quả

K Khối tạo xung Bộ đếm Khối giải mã Khối hiển thị

2.2 Các bước để thiết kế bộ đếm

Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:

Bước 1: Xác định các yêu cầu của bài toán

Phân tích yêu cầu đầu bài tìm ra số trạng thái trong

Số phần tử nhớ được xác định như sau:

Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ

Mã vòng n = Kđ

Mã Johnson n=1/2 Kđ

Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra:

Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng ra để xác định phương trình kích cho các FF và phương trình hàm ra

Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực hiện

Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra

sơ đồ mạch thực hiện

2.3 Tính toán thiết kế hệ thống

2.3.1 Tính toán thiết kế khối tạo xung

Hình 2.4 Sơ đồ khối tạo xung dùng NE555

Tạo xung vuông theo công thức:

(R1+2 R2)⋅C1

Trong đó:

 F: tần số (Hz)

 C1: tụ điện phân cực nối giữa chân 1 và chân 2,6

 R1, R2: điện trở nối giữa chân 7 và 4,8

Dựa vào công thức trên ta có thể chọn các giá trị R1, R2 là 39 kΩ, giá trị tụ điện C1là 10uF

- Mức thời gian cao (T1) là khoảng thời gian xung ở mức cao trong sóng đầu ra

 Thời gian cao T1 = ln2*(R1 + R2) *C1

= 0,693*(39KΩ +39KΩ) *10uF = 0,54(s)

( Chọn R1= 39kΩ, R2=39kΩ, C1= 10uF)

- Thời gian thấp (T2) là khoảng thời gian xung ở mức thấp (0V) trong sóng đầu ra.

 Thời gian thấp T2 = ln2*R2*C1 = 0,693*10kΩ*10uF= 0,27(s)

- Khoảng thời gian (T) là tổng thời gian thấp và thời gian cao

Yêu cầu bài toán: Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ =

10, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4, 7

Bảng 2.2 Bảng tối thiểu hóa của J1

01

11

10

11

10

01

1110

11

10

01

11

10

00

10 X X

Z=Q2Q´1Q´0+Q2Q1Q0

Từ các hàm JK ở trên ta có phương trình CLK cho từng FF như sau:CLK=CLK0=CLK1=CLK2.

Từ bảng kích nhận thấy J0=K0=1 (Vì tất cả các giá trị đều =1&X)

2.4.3 Sơ đồ mô phỏng mạch thực hiện

Sơ đồ mô phỏng bộ đếm nhị phân, nghịch , đồng bộ

Kđ=10, sử dung jk-FF, có đầu ra báo khi gặp số đếm 4,7 (Trên phần mềm proteus)

Hình 2.6 Mô phỏng trên proteus

Khi gặp đầu ra 4

Hình 2.7 Mô phỏng trên proteus khi đầu ra bằng 4

Khi gặp đầu ra 7

Hình 2.8 Mô phỏng trên proteus khi đầu ra bằng 7

2.4.4 Thiết kế trên phần mềm altium

Thiết kế sơ đồ nguyên lý:

Vẽ sơ đồ nguyên lý của mạch bằng cách dựa vào sơ đồ mô phỏng trong proteus:

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch trên altium

Thiết kế PCB

Sau khi chúng ta vẽ được sơ đồ nguyên lý thì đi chúng ta sẽ sắp xếp linh kiện sao cho hợp lý và tiến hành đi dây:

Hình 2.10 Đi dây trên altium

Sau khi đi dây hoàn tất chúng ta thu được kết quả như sau:

Hình 2.11 Hình ảnh mô phỏng 3D trên Altium

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ

HIỆU CHỈNH

3.1 Lựa chọn linh kiện

Bảng 3.9 Linh kiện cần dùng trong hệ thống

Cổng logic OR,điều khiển tín hiệu mạch đếm

Cổng logic NOT, điều khiển tín hiệu mạch đếm

3.2 Tiến hành chế tạo

3.2.1 Chọn mua linh kiện

Hình 3.12 Chọn mua linh kiện phù hợp

3.2.2 In mạch và nhúng mạch

Hình 3.13 In mạch và nhúng mạch in

Hình 3.16 Đèn led báo đầu ra khi gặp 7 và 4

Khi thử nghiệm ta thấy mạch chạy đúng yêu cầu đặt ra

4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển

Hướng phát triển: Có thể thay thế các linh kiện, IC tạo xung, IC điều khiển, IC giải mã… bằng các linh kiện khác trên thị trường mà vẫn đáp ứng được nhu cầu của đề tài

Đề xuất cải tiến: thiết kế mạch phù hợp hơn, để mạch được thống nhất, không bị rối mắt vì phải câu dây nhiều