BTL xung số Haui Nhom 13 Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK – FF

Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng JK – FF 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 trongcủa 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 CƠ KHÍ – Ô TÔ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội, tháng 12 năm 2023

TRƯỜNG CƠ KHÍ – Ô TÔ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội, tháng 12 năm 2023

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, công nghệ điện tử đã đang

và sẽ phát triển ngày càng rộng rãi, đặc biệt là trong kĩ thuật số Mạch số được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật cũng như đời sống của xã hội Các ứng dụng của mạch số như đèn giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm… Mục đích của tập đồ án này là thiết kế được mạch điều khiển LED sáng lan tắt dần với chiều dài L=10 sử dụng JK-FF

Đồ án hoàn thành giúp em có được nhiều kiến thức hơn về môn học và giúp

em được tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn đặc biệt là làm việc nhóm Quá trình thực hiện đồ án này thật sự bổ ích cho bản thân

em về nhiều mặt Vì kiến thức và khả năng còn hạn chế, kinh nghiệm còn yếu nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong sự đóng góp của thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC BẢNG BIỂU V

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐẾM 6

1.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Đồ hình trạng Thái: 6

1.1.3 Phân loại 7

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH 9

2.1 THIẾT KẾ BỘ ĐẾM 9

2.2 TÍNH TOÁN 10

2.3 MÔ PHỎNG 17

2.4 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 18

2.4.1 Các linh kiện chính trong mạch 18

2.4.2 Khối tạo xung - IC555 19

2.4.3 Khối Trigger JK – IC 74LS73 21

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 22 3.1 THIẾT KẾ MẠCH IN 22

3.2 CHẾ TẠO, LẮP RÁP 22

3.3 THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 23

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN 24

4.1 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 24

4.2 TÍNH THỰC THẾ CỦA SẢN PHẨM 24

4.3 ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bộ đếm 6

Hình 1.2: Đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm 6

Hình 2.1: Sơ đồ mạch đếm 9

Hình 2.2: Đồ hình trạng thái 10

Hình 2.3: Sơ đồ logic 10

Hình 2.4: Đồ hình trạng thái và mã hóa mạch 10 bit 11

Hình 2.5: Đồ hình trạng thái và mã hóa mạch 4 bit 11

Hình 2.6: Sơ đồ logic 4 bit 14

Hình 2.7: Sơ đồ logic mạch 10 bit 17

Hình 2.8: Mạch mô phỏng trên Proteus 17

Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguyên lý 18

Hình 2.10: Khối tạo xung – IC555 19

Hình 2.11: Khối Trigger JK – IC 74LS73 21

Hình 3.1: Mạch in 2D 22

Hình 3.2: Mạch in 3D 22

Hình 3.3: Chuẩn bị làm mạch 22

Hình 3.4: Mạch in hoàn thiện 23

Hình 3.5: Mạch chạy đáp ứng yêu cầu đề bài 23

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Chuyển đổi trạng thái và các đầu vào kích 4 bit 12

Bảng 2-2: Karnough J1 12

Bảng 2-3: Karnough K1 12

Bảng 2-4: Karnough J2 13

Bảng 2-5: Karnough K2 13

Bảng 2-6: Karnough J3 13

Bảng 2-7: Karnough K3 13

Bảng 2-8: Karnough J4 14

Bảng 2-9: Karnough K4 14

Bảng 2-10: Bảng chuyển đổi trạng thái 10 bit 15

Bảng 2-11: Bảng giá trị các đầu vào kích 10 bit 16

Bảng 2-12: Bảng linh kiện sử dụng trong mạch 19

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐẾM

1.1 Khái niệm, phân loại

Mạch đếm là một mạch dãy đơn giản được xây dựng từ các phần tử nhớ và các phần tử tổ hợp Mạch đếm là thành phần cơ bản của các hệ thống số, chúng được sử dụng để đếm

Bộ đếm thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển và nó chỉ có một 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 đếm phải có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ có một đầu vào

Khi không có tín hiệu vào đếm (𝑋đ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i i) khi

có tín hiệu vào đếm (𝑋đ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp(i →i+1)

Khi bộ đếm ở trạng thái SKđ-1 nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm sẽ trở vềtrạng thái ban đầu 𝑆0 và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duy nhất

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

1.1.3 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 trạng thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm Mọi sự chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạng thái trung gian

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 một cặp chuyển biến trạng thái Si→Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái đồng thời

Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF

- Phân loại theo hệ số đếm

(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 đến trạng 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 trong khác nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiện khác 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) thì trạng 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 hoá các trạng thái trong của bộ đếm

+ Bộ đếm thuận nghịch: là bộ đếm vừa có khả năng đếm thuận vừa có khả năng đếm nghịch

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

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

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH

2.1 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

JK=00 FF giữ nguyên trạng thái cũ

JK=01 FF luôn chuyển đến trạng thái 0

JK=10 FF luôn chuyển đến trạng thái 1

Hình 2.4: Đồ hình trạng thái và mã hóa mạch 10 bit

Hình 2.5: Đồ hình trạng thái và mã hóa mạch 4 bit

Vậy với 4bit thì mạch đếm vòng dùng JK-FF có các phương trình kích sau:

+ Lập bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị các đầu vào kích 10bit xếp theo mã johnson

FF

4

JK-

FF

3

JK-

FF

2

JK-

FF

9

JK-

FF

8

JK-

FF

7

JK-

Hình 2.7: Sơ đồ logic mạch 10 bit

Hình 2.8: Mạch mô phỏng trên Proteus

2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Nhóm chúng em thiết kế mạch trên phần mềm Altium Designer

2.4.1 Các linh kiện chính trong mạch

STT Tên linh

kiện

Số lượng Thông số kỹ thuật

Chức năng

1 IC LM555 1

Nguồn điện áp đầu vào 2 – 18V Dòng điện tiêu thụ: 6 – 15mA Điện áp logic đầu ra ở mức cao: 0.5 – 15V Điện áp logic đầu ra ở mức thấp: 0.03 –0.06V

Tạo xung cho mạch điều khiển

2 IC74LS73 5

IC gói JK Flip Flop kép Điện áp hoạt động: 5V Điện áp đầu vào mức cao: 2 V Điện áp đầu vào mức thấp: 0,8 V

Điều khiển các led

Điện áp đầu vào 3V Màu sắc: Vàng Đường kính: 5mm

Hiển thị Hình 2.9: Sơ đồ mạch nguyên lý

4 Biến trở 1

Sai số: 10%

Công suất: 2W Giá trị: 10K

Điều chỉnh tốc độ nháy của led

5 Điện trở 13

Loại 4 vòng màu Sai số 5%

Giá trị 1K

Bảo vệ linh kiện trong mạch

6 Điện trở 3

Loại 4 vòng màu Sai số 5%

Giá trị 10K

Thiết kế mạch tạo xung

Điện dung: 100uF Điện áp: 50V Nhiệt độ hoạt động: -55°C — 125°C

Thiết kế mạch tạo xung

7 Transistor

Loại bóng bán dẫn: NPN Dòng điện tối đa: 150mA Điện áp cực đại: 50V Điện áp cực đại cực phát (VEBO): 5V

Điều khiển LED

8 Nút nhấn 1 Số chấn của nút nhấn 4 chân

Kích thước: 6x6x4.3MM

Reset mạch Bảng 2-12: Bảng linh kiện sử dụng trong mạch

2.4.2 Khối tạo xung - IC555

- Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung

- Chân số 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp Mạch so sánh ở đây dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc

- Chân số 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 Mức 1 ở đây là mức cao, nó tương đương với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng

mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó trong khoảng 0.35-0.75V

- Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass thì ngõ

ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức điện áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức điện áp trên chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc

- Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này

có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu

và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác

và cũng được dùng như một chân chốt Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra

- Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R-C lúc IC 555 dùng như một tầng dao động

- Chân số 8(Vcc) là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V-18V

- Tần số được tính như sau: 𝐹 = 1,44

(𝑅1+2𝑅 2 )𝐶1

2.4.3 Khối Trigger JK – IC 74LS73

• Chân 4 (VCC) đây là chân cấp nguồn 5V để cho IC hoạt động nếu lớn quá

IC có thể bị chết hoặc nhỏ quá thì Ic sẽ không làm việc

• Chân 11(GND) là chân nối mass để tạo dòng điện Nếu chân này không nối mass hoặc để hở thì IC sẽ không làm việc và khi đó dẫn tới mạch sẽ không hoạt động

• Chân 3,14,7,10 (chân J1, K1, J2, K2) là các chân tín hiệu vào IC Các chân này sẽ luôn thay đổi trạng thái và khi kết hợp với xung clock nó sẽ cho ra ngõ Q

• Chân 1,5 (chân CLK) là chân xung clock của Trigger, ở đây nó sẽ tích cực

ở sườn xuống của xung nghĩa là nó sẽ làm việc trong khoảng thời gian xung từ mức cao chuyển xuống mức thấp, còn khi ta cấp mức cao hoặc mức thấp thì nó sẽ không làm việc

• Chân 4 (VCC) đây là chân cấp nguồn 5V để cho IC hoạt động nếu lớn quá

IC có thể bị chết hoặc nhỏ quá thì Ic sẽ không làm việc Chân 11(GND) là chân nối mass để tạo dòng điện Nếu chân này không nối mass hoặc để hở thì IC sẽ không làm việc và khi đó dẫn tới mạch sẽ không hoạt động

• Chân 3,14,7,10 (chân J1, K1, J2, K2) là các chân tín hiệu vào IC Các chân này sẽ luôn thay đổi trạng thái và khi kết hợp với xung clock nó sẽ cho ra ngõ Q

• Chân 1,5 (chân CLK) là chân xung clock của Trigger, ở đây nó sẽ tích cực

ở sườn xuống của xung nghĩa là nó sẽ làm việc trong khoảng thời gian

Hình 2.11: Khối Trigger JK – IC 74LS73

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ

Sau mua linh kiện, làm mạch in và hàn mạch, nhóm đã hoàn thiện mạch

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN

4.1 Đánh giá sản phẩm

Ưu điểm: mạch chạy đúng yêu cầu, gọn nhẹ linh hoạt, chi phí phù hợp

Nhược điểm: bố trí mạch chưa khoa học, thiết kế chưa mang tính công nghiệp Mạch tuy đã hoạt động nhưng vẫn chưa ổn định

4.2 Tính thực thế của sản phẩm

Đây là đề tài rất hay và được ứng dụng rất nhiều trong đời sống cũng như trong công nghiệp Nhằm tăng năng suất, hiệu quả trong công việc và giảm sức lao động của con người Mạch đếm được đưa vào sử dụng thay thế con người trong công việc như đếm sản phẩm, đếm thời gian, đèn giao thông, chia tần số và điều khiển các mạch khác… Với đặc điểm tiện lợi, chính xác cao, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, mạch đếm nhanh chóng được biết đến và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực

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

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Thị Thu Hà, Lê Văn Thái, Nguyễn Ngọc Anh, Giáo trình Điện tử số, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2013

[2] Nguyễn Ngọc Anh, Nguyễn Thị Thu Hà, Lê Văn Thái, Giáo trình Thực hành

kỹ thuật xung - số, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2014