1. Tên đề tài: Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ =16, sử dụng JKFF, hiển thị số đếm trên LED 7 thanh 2. Hoạt động của sinh viên (xác định các hoạt động chính của sinh viên trong quá trình thực hiện Đồ án để hình thành tri thức, kỹ năng đáp ứng mục tiêuchuẩn đầu ra nào của học phần). . Sản phẩm nghiên cứu (xác định cụ thể sản phẩm của chủ đề nghiên cứu cần đạt được) Nội dung mô tả xác định yêu cầu bài toán Nội dung thể hiện việc xây dựng sơ đồ khối chức năng và nhiệm vụ các khối Nội dung thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch điện Mạch in đã thiết kế, lắp ráp, hiệu chỉnh và hoàn thiện
TỔNG QUAN
Đồ hình trạng thái
Đồ hình là mô hình mô tả sự chuyển đổi các trạng thái trong hay chính là mô tả hoạt động của bộ đếm
Hình 1.2 Đồ hình trạng thái tổng quát của bộ đếm
Khi không có tín hiệu vào đếm ( 𝑋̅̅̅̅̅ đ ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (𝑖 𝑖) khi có tín hiệu vào đếm (𝑋 đ ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp( 𝑖 𝑖 + 1)
Khi bộ đếm ở trạng thái 𝑆 𝐾 đ −1 nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm sẽ trở về trạng thái ban đầu 𝑆 0 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.
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 𝑆 𝑖 sang trạng thái mới 𝑆 𝑗 ) đều không thông qua trạng thái trung gian (𝑆 𝑖 𝑆 𝑗 )
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 𝑆 𝑖 𝑆 𝑗 mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái đồng thời (𝑆 𝑖 𝑆 𝑖 ′ 𝑆 𝑖 ′′ 𝑆 𝑗 )
Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF
- Phân loại theo hệ số đếm
+ Bộ đếm có hệ số đếm: 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 2 𝑛 (𝐾 đ = 2, 4, 8, 16
+ Bộ đếm có hệ số đếm 𝐾 đ = 2 𝑛 : Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm, sẽ có 2 𝑛 − 𝐾 đ 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 có biện 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 (𝐾 đ = 3, 5, 6, 7, 10, …)
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
- Phân loại theo hướng đếm:
+ Bộ đếm thuận (Up counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (𝑋 đ ) thì trạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1.(𝑆 𝑖 𝑆 𝑖+1 )
+ Bộ đếm nghịch (Down counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (𝑋 đ ) thì trạng thái trong của bộ đếm giảm đi 1.(𝑆 𝑖 𝑆 𝑖−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
- Phân loại theo khả năng lập trình:
+ Bộ đếm có khả năng lập trình : 𝐾 đ có thể thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển
+ Bộ đếm không có khả năng lập trình : 𝐾 đ cố định, không thay đổi được
THIẾT KẾ BỘ ĐẾM
Sơ đồ khối
Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch đếm
Khối Nguồn: Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch ở đây là nguồn ổn định 5V Nếu nguồn không ổn định sẽ dẫn tới hoạt động mạch bị gián đoạn
Khối tạo xung: Biến đổi tín hiệu điện một chiều thành tín hiệu điện có xung và tần số theo yêu cầu Tạo xung đồng bộ điều khiển có chu kỳ không đổi hoạt động của mạch
Khối điều khiển: Thực hiện thao tác mã hóa Căn cứ vào yêu cầu, đặc điểm khác nhau của tín hiệu được mã hóa có các bộ mã hóa khác nhau: bộ mã hóa nhị phân, bộ mã hóa thập phân
Khối giải mã: Chuyển mã nhận được từ khối điều khiển có dạng mã BCD thành một dạng mã có thể biểu diễn được
Khối hiển thị: Nhận xung giải mã và hiển thị kết quả
2.2 Các bước thực hiện 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 ≥ log 2 𝐾 đ
- 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
Bộ đếm thuận đồng bộ, 𝐾 đ = 16, có 16 trạng thái, nên cần 4 phần tử nhớ JK - FF Đồ hình trạng thái của bộ đếm thuận 𝐾 đ = 16:
Hình 2.2 Đồ hình trạng thái của bộ đếm Bảng 2.1 Bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị đầu vào kích
- Phương trình các đầu vào kích:
Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED1
Bảng 2.3 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED2
Thiết kế bộ đếm
Bộ đếm thuận đồng bộ, 𝐾 đ = 16, có 16 trạng thái, nên cần 4 phần tử nhớ JK - FF Đồ hình trạng thái của bộ đếm thuận 𝐾 đ = 16:
Hình 2.2 Đồ hình trạng thái của bộ đếm Bảng 2.1 Bảng chuyển đổi trạng thái và giá trị đầu vào kích
- Phương trình các đầu vào kích:
Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED1
Bảng 2.3 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED2
THỰC HÀNH
Mô phỏng trên Proteus
NE555, 7408 (3), 7432(2), 7483, 7447(2), 7473 (4), LED7 anot (2), điện trở, tụ điện
IC 555 là một Ic tạo xung rất đa năng, Tạo xung vuông rất đơn giản
Chân số 1(GND): chân chung nối GND
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
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
Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp
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 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) tự nạp xả điện cho một mạch R-C lúc IC 555
Chân số 8(Vcc) là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động
Chân 1, 5 là chân đầu vào Nó dùng để cung cấp xung nhịp cho flip flop
Chân 2, 6 là chân xóa đầu vào của flip flop
Chân 3, 10 là chân đầu vào của flip flop
Chân 4 được sử dụng làm chân nguồn Nó được sử dụng để cấp nguồn cho vi mạch để làm cho nó hoạt động
Chân 7, 14 là chân đầu vào khác của flip flop
Chân 8, 13 là chân đầu ra đảo của flip flop
Chân 9, 12là chân đầu ra của flip flop
Chân 11 là chân ground Nó được sử dụng để tạo ground chung với nguồn điện và các thiết bị khác nếu có
Chân 16 cấp nguồn VCC 5V, nếu quá 5V thì IC này sẽ bị cháy
Chân 8 là chân nối GND (mass)
Các chân 1, 2, 6, 7 là các chân tín hiệu vào ứng với A,B,C,D
Các chân 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9 là các chân ra, các chân này sẽ được nối với led bảy thanh và được nối như hình trong mạch nguyên lí
Chân thứ 3 LT (Lamp Test) như tên gọi của nó, chân 3 này là chân kiểm tra led bảy đoạn, nếu ta cắm chân này xuống mass thì bộ giải mã sẽ sáng cùng lúc với bảy đoạn Chân này chỉ phục vụ để kiểm tra xem có led nào bị hỏng hay không và trong thực tế không sử dụng nó
Chân 4 (BI/RB0) luôn luôn được kết nối với mức cao, nếu kết nối với mức thấp thì toàn bộ led sẽ không sáng bất chấp trạng thái ngõ vào là mức gì
Chân 5 (RBI) kết nối với mức cao
IC7483 là một full adder nhị phân 4 bit tốc độ cao Nó chấp nhận hai từ nhị phân
4 bit (A1 – A4, B1 – B4) và một đầu vào mang (C0) Nó tạo ra các đầu ra sum nhị phân (R1 – R4) và đầu ra mang (C4) từ bit quan trọng nhất
Chân 1, 3, 8, 10 là chân đầu vào cho mạch Adder (bốn chân cho bốn giai đoạn) Chân 2, 6, 9, 15, là chân đầu ra cho mạch Adder (bốn chân cho bốn giai đoạn)
Chân 4, 7, 11, 16 là chân đầu vào thứ hai cho mạch Adder (bốn chân cho bốn giai đoạn)
Chân 5 – VCC là chân nguồn
Chân 12 – GND là chân ground b IC 7408
Cổng AND có 2 đầu vào và 1 đầu ra Mỗi giá trị này có thể có giá trị “0” hoặc
“1” và giá trị đầu ra phụ thuộc vào 2 giá trị đầu vào Đầu ra chỉ là “1” khi cả hai giá trị đầu vào là “1”
Chân 1, 2; 4, 5; 9, 10; 12, 13: Các cặp đầu vào
Chân 7 GND là chân ground
Chân 14 VCC là chân nguồn c IC 7432
IC7432 là một IC 4 cổng OR 2 đầu vào độc lập với đầu ra
Chân 1 ,2; 4, 5; 9, 10; 12, 13: Các cặp đầu vào
Chân 7 GND là chân ground
Chân 14 VCC là chân nguồn
Nhận xung giải mã và hiển thị kết quả
Màn hình 7 phân đoạn là một trong những loại màn hình phổ biến được sử dụng trong nhiều loại ứng dụng và thiết bị nhúng khác nhau Những màn hình này có 8 đèn LED bên trong để hiển thị số và bảng chữ cái
Chân 1 – e: Điều khiển đèn LED phía dưới bên trái của màn hình 7 đoạn
Chân 2 – d: Điều khiển đèn LED dưới cùng của màn hình 7 đoạn
Chân 3, 8 – com: Đã kết nối với Ground/Vcc dựa trên loại màn hình
Chân 4 – c: Điều khiển đèn LED phía dưới bên phải của màn hình 7 đoạn
Chân 5 – DP: Điều khiển đèn LED dấu thập phân của màn hình 7 đoạn
Chân 6 – b: Điều khiển đèn LED trên cùng bên phải của màn hình 7 đoạn
Chân 7 – a: Điều khiển đèn LED trên cùng của màn hình 7 đoạn
Chân 9 – f: Điều khiển đèn LED trên cùng bên trái của màn hình 7 đoạn
Chân 10 – g: Điều khiển đèn LED giữa của màn hình 7 đoạn
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lí toàn mạch trên Proteus
Hình 3.9 Chạy mô phỏng mạch đếm
- Mạch hoạt động đúng theo thiết kế
Hình 3.10 Sơ đồ mạch in
Hình 3.11 Mạch in bố trí linh kiện 2D
Hình 3.12 Mạch in bố trí linh kiện 3D
3.2 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh
Bước 1: Chuẩn bị phíp đồng
Bước 2: Dùng bàn là là mạch để mực in bám vào tầm phíp đồng
Bước 3: Ngâm mạch trong dung dịch FeCl3, sau khi mạch đã bị ăn mòn hết, thả mạch vào nước, dung giấy giáp chà sạch lớp mực in trên mạch Phủ 1 lớp keo thông lỏng lên mạch để tránh oxy hoá lớp đồng
Hình 3.15 Tiến hành ăn mòn mạch
Bước 4: Dùng máy khoan, khoan lỗ chân linh kiện trên mạch
Hình 3.16 Khoan lỗ chân linh kiện
Bước 5: Dùng máy hàn hàn các chân linh kiện vào mạch
Hình 3.17 Hàn chân linh kiện
Hình 3.18 Mạch hoàn thiện Đánh giá kết quả:
‒ Mạch chạy đúng theo thiết kế