Thiết kế mạch điều khiển đèn LED sáng lan tắt dần với chiều dài L = 10 sử dụng DFF ‒ Đầu vào: xung đồng bộ CLK ‒ Đầu ra: 10 đèn LED Mạch không có đầu vào nào ngoài xung đồng bộ và có đầu ra là 10 đèn LED. Như vậy, ta chọn mạch ghi dịch có đầu vào nối tiếp và đầu ra song song và có chiều dài là 10 bit. Bộ ghi nối tiếp có thể dịch phải, dịch trái và cho ra song song hoặc ra nối tiếp. Đây là sơ đồ chỉ có lối vào nối tiếp, còn lối cả ra song song và ra nối tiếp. Khi cho một xung kim âm tác động vào lối vào xoá, các lối ra Q của cả 10 trigơ trong bộ ghi đều ở trạng thái 0. Muốn ghi ta phải đưa các bit thông tin nối tiếp về thời gian truyền lần lượt vào lối vào nối tiếp theo sự điều khiển đồng bộ của các xung nhịp. Cứ sau mỗi xung nhịp trạng thái của trigơ lại được xác lập theo thông tin lối vào D của nó. Lối ra của trigơ trước lại được nối với vào lối vào D của trigơ sau nên sau mỗi lần có xung nhịp tác động trigơ sau lại nhận giá trị của trigơ đứng trước nó.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Mạch ghi dịch
Thanh ghi, hay còn gọi là bộ ghi dịch, là thành phần thiết yếu trong CPU và các hệ vi xử lý, có khả năng ghi giữ và dịch thông tin sang phải hoặc sang trái Bộ ghi dịch được cấu tạo từ một dãy phần tử nhớ đơn bit (trigơ) mắc liên tiếp, kết hợp với một số cửa logic cơ bản Để ghi và truyền một từ nhị phân n bit, cần n phần tử nhớ (n trigơ) Trong các bộ ghi dịch, thường sử dụng các trigơ đồng bộ như trigơ RST, trigơ JK và trigơ D.
D hoặc các trigơ khác nhưng mắc theo kiểu trigơ D để tạo thành các bộ ghi
- Ghi song song: Các bit của từ nhị phân được ghi đồng thời cùng một lúc vào bộ ghi
- Ghi nối tiếp: Các bit của từ nhị phân được đưa vào bộ ghi một cách tuần tự theo thứ tự của từ nhị phân
Trong đề tài này sẽ đề cập đến mạch ghi vào nối tiếp, ra song song
1.1.3 Mạch ghi vào nối tiếp ra song song dịch phải
Bộ ghi nối tiếp có thể dịch phải, dịch trái và cho ra song song hoặc ra nối tiếp.
Sơ đồ mạch ghi dịch 4 bit chỉ có lối vào nối tiếp, với lối ra song song và nối tiếp Khi nhận xung kim âm tại lối vào xoá, tất cả các lối ra Q của 4 trigơ trong bộ ghi sẽ chuyển về trạng thái 0 Để thực hiện ghi, cần cung cấp các bit thông tin theo dạng nối tiếp trong khoảng thời gian nhất định.
Trong hệ thống truyền dữ liệu, 8 tín hiệu được đưa vào một cách tuần tự, được điều khiển bởi các xung nhịp đồng bộ Sau mỗi xung nhịp, trạng thái của tri-gơ được xác lập dựa trên thông tin từ lối vào D Như trong sơ đồ hình 3.16, lối ra của tri-gơ trước được kết nối với lối vào D của tri-gơ sau, cho phép tri-gơ sau nhận giá trị từ tri-gơ đứng trước sau mỗi xung nhịp Giả sử có 4 bit dữ liệu D1, D2, D3, D4 được truyền liên tiếp vào bộ ghi, trong đó bit D4 được truyền trước nhất Quá trình ghi thông tin sẽ diễn ra theo trình tự này.
Bảng 1.1 – Bảng trạng thái thanh ghi dịch 4 bit
Sau 4 xung nhịp thì thông tin được nạp xong, muốn đưa dữ liệu ra ở các lối ra song song ta đặt mức 1 ở lối ‘Điều khiển ra”, lối ra của các cửa AND ở lối ra song song sẽ được xác lập theo trạng thái Q 1 , Q2, Q3, Q4 của các trigơ trong bộ ghi Trong cách điều khiển dữ liệu ra song song này thông tin trong bộ ghi vẫn được duy trì Để điều khiển dữ liệu ra nối tiếp, ta phải tác động một nhóm 4 xung nhịp ở lối vào CLK (điều khiển ghi) Sau 4 xung nhịp tác động 4 bit dữ liệu lần lượt được đưa ra khỏi bộ ghi Như vậy, quá trình điều khiển ghi nối tiếp 4 bit mới cũng là quá trình đưa 4 bit dữ liệu cũ ra khỏi bộ ghi qua lối ra nối tiếp
Cơ sở lựa chọn đề tài
Các loại flip-flop (FF) có khả năng lưu trữ 1 bit và chỉ truyền bit đó tới ngõ ra khi có xung đồng bộ Khi kết nối nhiều FF nối tiếp, chúng có thể nhớ được nhiều bit, với ngõ ra hoạt động theo xung nhịp Người dùng có thể lấy ngõ ra từ từng tầng FF (ngõ ra song song) hoặc từ tầng cuối (ngõ ra nối tiếp) Nhờ khả năng ghi lại và dịch chuyển dữ liệu, mạch này được gọi là mạch ghi dịch, và nó có nhiều ứng dụng quan trọng trong máy tính, nổi bật nhất là lưu trữ và truyền dữ liệu.
Ứng dụng trong thực tiễn
Thanh ghi dịch là thành phần thiết yếu trong lưu trữ và tính toán số học cũng như logic Chúng được sử dụng rộng rãi trong các bộ vi xử lý và máy tính, đồng thời cũng xuất hiện trong vi điều khiển 8051, thực hiện nhiều chức năng quan trọng như trong phép chia.
Một số ứng dụng của mạch ghi dịch:
‒ Lưu trữ và dịch chuyển dữ liệu
‒ Tạo kí tự hay tạo dạng song điều khiển
‒ Chuyển đổi dữ liệu nối tiếp sang song song và ngược lại
1.3.1 Phạm vi nghiên cứu Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số
Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh kiện điện tử cơ bản… Đảm bảo an toàn lao động
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Tính toán hệ thống
‒ Đầu vào: xung đồng bộ CLK
Mạch này không có đầu vào nào ngoài xung đồng bộ và đầu ra của nó là 10 đèn LED Do đó, chúng ta chọn mạch ghi dịch với đầu vào nối tiếp và đầu ra song song, có chiều dài 10 bit.
Lựa chọn thiết kế mô hình hệ thống
Bộ ghi nối tiếp có khả năng dịch phải, dịch trái và có thể xuất ra dữ liệu theo dạng song song hoặc nối tiếp Sơ đồ này chỉ có lối vào nối tiếp, nhưng lại có cả lối ra song song và nối tiếp Khi một xung kim âm tác động vào lối vào xoá, tất cả các lối ra Q của 10 trigơ trong bộ ghi đều ở trạng thái 0 Để ghi dữ liệu, cần đưa các bit thông tin nối tiếp vào lối vào nối tiếp theo sự điều khiển của các xung nhịp Sau mỗi xung nhịp, trạng thái của trigơ được xác lập dựa trên thông tin từ lối vào D của nó Lối ra của trigơ trước được kết nối với lối vào D của trigơ sau, vì vậy sau mỗi xung nhịp, trigơ sau nhận giá trị từ trigơ đứng trước.
Bảng 2.1 – Trạng thái thang ghi dịch 10 bit
Giả sử ta có 10 bit số liệu D 1 D2D3 … D9D10 được truyền liên tiếp tới lối vào của bộ ghi
Sau 10 xung nhịp thì thông tin được nạp xong, muốn đưa dữ liệu ra ở các lối ra song song ta đặt mức 1 ở lối ‘Điều khiển ra”, lối ra của các cửa AND ở lối ra song song sẽ được xác lập theo trạng thái của các trigơ trong bộ ghi Trong cách điều khiển dữ liệu ra song song này thông tin trong bộ ghi vẫn được duy trì Sau 10 xung nhịp tác động (đèn sáng dần), ta đảo trạng thái lối vào của mạch ghi dịch (đèn tắt dần).
Lựa chọn linh kiện điện tử
2.3.1 IC thanh ghi dịch 74HC164
IC 74HC164 gồm 8 flip flops loại D, một cổng AND và 2 cổng NOT
Dữ liệu đầu vào nối tiếp được nhập tại chân A hoặc chân B, vì chúng được ANDED hợp lý Một trong hai đầu vào có thể hoạt động như một kích hoạt mức CAO cho đầu vào dữ liệu trên chân còn lại Nếu chỉ cần một đầu vào duy nhất, các chân có thể được nối lại hoặc đầu vào không sử dụng có thể được giữ ở mức CAO.
Dữ liệu được chuyển vào Q0 từ các chân đầu vào nối tiếp khi chân CP chuyển từ THẤP đến CAO Trong cùng một cạnh CP, dữ liệu cũng được chuyển từ mỗi Qn sang Qn + 1 Để đáp ứng các yêu cầu về thời gian thiết lập và giữ, dữ liệu nối tiếp trên các chân DSA và DSB cần phải ổn định trước và sau cạnh tăng của CP.
Khi chân Master Reset (MR) ở mức thấp, tất cả các Qn sẽ được đặt ở mức thấp, và hành động này không phụ thuộc vào điều kiện đầu vào nối tiếp hoặc chân đồng hồ Để khôi phục, MR cần phải được đặt ở mức cao trước khi có xung cạnh CP dương tiếp theo.
Hình 2.1 – Sơ đồ khối của IC 74HC164
Hình 2.2 – Trạng thái IC 74HC164
Sơ đồ chân IC 74HC164
Số chân Tên chân Mô tả
1 DSA Đầu vào dữ liệu nối tiếp
2 DSB Đầu vào dữ liệu nối tiếp
8 CP Xung đồng hồ – Cạnh dương được kích hoạt
9 MR’ Master Reset - Không đồng bộ
Bảng 2.2 Sơ đồ chân của IC 74HC164
Hình 2.3 Sơ đồ chân IC 74HC164
‒ Dòng điện cung cấp: 10mA - 15mA
‒ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V
‒ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V
‒ Công suất lớn nhất là: 600mW
‒ Nhiệt độ hoạt động: 0 – 70Oc
Hình 2.5 Sơ đồ chân IC NE555
LM7805, hay còn gọi là 7805, là một IC điều chỉnh điện áp dương với đầu ra 5V, thuộc dòng ổn áp dương LM78xx và được sản xuất trong các gói như TO-220 IC này được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thương mại và giáo dục, cũng như được ưa chuộng bởi những người đam mê điện tử và thợ mày mò nhờ giá thành rẻ, dễ sử dụng và không cần nhiều linh kiện bên ngoài Với nhiều tính năng tích hợp như dòng điện đầu ra 1.5A, chức năng bảo vệ quá tải và quá nhiệt, cùng dòng điện tĩnh thấp, LM7805 là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng điện tử.
Hình 2.6 – IC ổn áp LM7805
‒ Điện áp đầu vào tối thiểu: 7.3V
‒ Điện áp đầu vào tối đa: 15V
‒ Nhiệt độ hoạt động: - 40 đến +125 độ C
Hình 2.7 Sơ đồ chân IC LM7805
2.3.4 Đèn LED Đèn LED: dùng để hiện tín hiệu đầu ra
‒ Dòng điện tiêu thụ: 10-20mA
Tụ điện có tác dụng chính là lưu trữ và giải phóng năng lượng, chia tách tín hiệu, lọc nhiễu và ổn định điện áp
Dùng làm đầu cấp nguồn cho bo mạch
‒ Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp.
‒ Mắc điện trở thành cầu phân áp.
‒ Phân cực cho bóng bán dẫn.
‒ Tham gia vào các mạch tạo dao động RC.
THỰC HÀNH
Mô phỏng mạch
Với đầu vào sử dụng pin 9V, ta cần hạ áp xuống 5V để các linh kiện trong mạch hoạt động tốt
Sử dụng IC NE555 để tạo xung điều khiển cho mạch ghi dịch
Hình 3.2 – Mạch tạo xung điều khiển
Hình 3.3 – Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Trạng thái đèn LED sáng dần
Hình 3.4 - Trạng thái đèn LED sáng dần
Trạng thái đèn LED tắt dần
Hình 3.5 – Trạng thái đèn LED tắt dần
Từ kết quả mô phỏng có thể thấy mạch đã thực hiện đúng
23 Hình 3.6 – Mô phỏng mạch 2D trên phần mềm Altium Designer
24 Hình 3.7 - Mô phỏng mạch 3D trên phần mềm Altium Designer
Chế tạo mạch
Bước 1: In file mạch PCB và cắt tấm phíp đồng
Hình 3.8 – In file mạch và cắt tấm phíp đồng Bước 2: Dùng bàn là là mạch để mực in bám vào tầm phíp đồng
Hình 3.10 Mạch sau khi được ủi bằng bàn là và dùng bút lông tô lại phần mực bị mất
Bước 3: Ngâm mạch trong dung dịch Na2S2O8 cho đến khi mạch bị ăn mòn hoàn toàn, sau đó thả mạch vào nước và dùng giấy giáp để chà sạch lớp mực in Cuối cùng, phủ một lớp keo thông lỏng lên mạch nhằm ngăn chặn quá trình oxy hóa lớp đồng.
27 Hình 3.11 – Tiến hành ăn mòn mạch
Hình 3.12 – Mạch sau khi ăn mòn
Bước 4: Dùng máy khoan, khoan lỗ chân linh kiện trên mạch
Bước 5: Dùng máy hàn hàn các chân linh kiện vào mạch
Hình 3.13 – Mạch hoàn thiện Đánh giá:
‒ Mạch chạy đúng theo thiết kế
‒ Có thể tăng giảm thời gian bằng biến trở