THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN, NGHỊCH, ĐỒNG BỘ Kđ=16, SỬ DỤNG DFF, HIỂN THỊ SỐ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH Bộ đếm nghịch:
Giới thiệu tổng quan
Tổng quan
Phép toán bitwise trong lập trình máy tính thực hiện thao tác trên từng bit của số nhị phân, được vi xử lý hỗ trợ trực tiếp nên rất nhanh chóng, hiệu quả Trên các vi xử lý cũ, phép toán bitwise thường nhanh hơn phép chia và nhân, thậm chí cả phép cộng Tuy vi xử lý hiện đại đã cải thiện tốc độ tính toán, phép toán bitwise vẫn tiết kiệm năng lượng hơn nhờ sử dụng ít tài nguyên hơn.
Bộ đếm nhị phân là mạch phần cứng gồm nhiều flip-flop nối tiếp, hoạt động đồng bộ hoặc không đồng bộ tùy thuộc cấu trúc kết nối.
Bộ đếm nhị phân gồm các mạch lật D nối tiếp Mỗi xung đồng hồ thay đổi trạng thái flip-flop, tạo ra số nhị phân dùng cho đồng hồ kỹ thuật số/bộ hẹn giờ Thiết kế phổ biến sử dụng cấu trúc không đồng bộ, đầu ra flip-flop này điều khiển flip-flop kế tiếp.
Cứ hai lần bật, ô tiếp theo trong dòng được bật Sự sắp xếp này cũng được gọi là bộ đếm
Mục đích nghiên cứu
Thiết kế mạch đếm nhị phân, nghịch, đồng bộ Kđ= 16 đáp ứng yêu cầu đề tài
Thiết kế mạch in PCB
Chế tạo thủ công mạch in PCB
Đối tượng nghiên cứu
Quy trình thiết kế của mạch tổ hợp
Phần mềm mô phỏng proteus
Phần mềm vẽ mạch in Altium 21
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.
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.
Ý nghĩa thực tiễn
Nắm bắt phương pháp thiết kế mạch đếm
Thực hành quy trình chế tạo mạch in PCB
Nâng cao kĩ năng khoan và hàn mạch điện tử
Hiểu rõ chức năng của Flip-Flop loại D và các IC
Tính toán, thiết kế, mô phỏng
Cơ sở lý thuyết và tính toán bộ đếm
Bộ đếm đồng bộ: Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ 𝑆 𝑖 →
Flip-flop D (D-FF) có một ngõ vào dữ liệu (data) và hoạt động theo nguyên tắc: ngõ ra sẽ bằng với ngõ vào dữ liệu tại mỗi cạnh xung clock (Ck) lên hoặc xuống Nối ngõ vào của flip-flop RS hay JK như hình sẽ tạo thành flip-flop D.
Hình 2.2 Dạng sóng minh họa cho hoạt động của D-FF
Bộ đếm nhị phân, nghịch, đồng bộ Kđ= 16:
‐ Với 𝐾 đ = 16 ta có: 𝑛 ≥ log 2 𝐾 đ= log 2 16 = log 2 2 4 => 𝑛 = 4 Sử dụng 4 FF loại D
Thiết kế mạch và lựa chọn các linh kiện
2.2.1 Thiết kế mạch trên phần mềm Altium designer
Hình 2.4 Mạch trên phần mềm Altium designer
Hình 2.5 Sơ đồ khối nguồn
LM7805 (hay 7805) là IC ổn áp dương 5V, thuộc dòng LM78xx, có khả năng cung cấp dòng ra 1.5A và tích hợp bảo vệ quá tải, quá nhiệt, với dòng tĩnh thấp, phù hợp nhiều ứng dụng điện tử IC này được đóng gói trong vỏ TO-220 và các loại khác.
‐ Thông số kỹ thuật của IC 7805:
Dòng điện đầu ra là 1,5 Ampe
Chức năng tắt ngắn mạch tức thì
Chức năng tắt quá nhiệt tức thì
Đáng tin cậy để sử dụng trong các thiết bị thương mại
Đầu ra 5V chính xác và cố định
Điện áp đầu vào tối đa là 35V DC
Dòng điện tĩnh thấp chỉ 8mA
Jack DC cấp nguồn vào 12VDC
2 tụ hóa phân cực 1000uF
Hình 2.7 Sơ đồ khối đếm
Package IC Dual D Flip Flop
Điện áp hoạt động: 2V đến 15V
Độ trễ lan truyền: 40nS
Điện áp đầu vào tương ứng mức logic cao tối thiểu: 2 V
Điện áp đầu vào tương ứng mức logic thấp tối đa: 0,8V
Nhiệt độ hoạt động: 0 đến 70°C
Dòng điện đầu ra tương ứng mức logic cao: 8mA
Có các package SO-14, SOT42 14 chân
IC 74HC08 ( IC chứa 4 cổng AND )
Là IC logic 4 cổng AND độc lập 2 đầu vào
Ứng dụng: So sánh trạng thái tín hiệu
IC 74HC32 ( IC chứa 4 cổng OR )
Điện áp cung cấp: 2V to 6V
Độ trễ tối đa khi truyền: 15ns /6V/50pf
Dải nhiệt độ hoạt động: -40 C ~ 125C
Ứng dụng: dùng trong các mạch inverter
Sơ đồ khối tạo xung
Hình 2.11 Sơ đồ khối tạo xung
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
‐ Với các linh kiện điện trở và tụ hóa: R1= 100K ; R2= 10K ; CuF
‐ Vậy xung được tạo ra có tần số 𝑓 = 1
Sơ đồ khối hiển thị
Hình 2.13 Sơ đồ khối hiển thị
Các linh kiện được sử dụng
LED 7 đoạn bao gồm 8 LED được kết nối song song để có thể thắp sáng hiển thị số “0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, A, b, C, d, E, F, …”
Mỗi đoạn Led được đánh dấu từ A tới G
Đoạn thứ tám gọi là “chấm thập phân” (Decimal Point) ký hiệu DP được sử dụng khi hiển thị số không phải là số nguyên
Hình 2.14 LED 7 thanh Anode chung
2.2.6 Khối giải mã Led 7 thanh
Các linh kiện sửa dụng
Hình 2.16 Sơ đồ chân IC 74LS47 Hình 2.15 Sơ đồ khối giải mã Led 7 thanh
Dải nhiệt độ hoạt động: -55 °C đến 125 °C
Dòng ra mức cao cực đại: IOH max = -50uA
Dòng ra mức thấp cực đại: IOL max = 3.2mA
Điện áp đầu vào ứng với mức cao : VIH > 2V
Điện áp đầu vào ứng với mức thấp : VIH < 0.8V
Điện áp đầu ra ứng với mức cao : VOH > 2.4V
Điện áp đầu ra ứng với mức thấp : VOH < 0.5V
IC 74LS83 ( IC cộng 4 bit)
Hình 2.17.Sơ đồ chân IC 74LS83
Hình 2.18 Sơ đồ logic bên trong IC 74LS83
Dải điện áp hoạt động: 4.5 ~ 5.5V
Dòng điện hoạt động: 39mA
Dòng điện qua OS: -20 ~ -100mA
Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70 độ C
Chu kỳ máy: 16ns ~ 24ns
3 cổng AND và 1 cổng OR
Vẽ mạch in trên phần mềm Altium
Hình 2.19 Mạch trên phần mềm Protues
Hình 2.20 Mạch in trên phần mềm Altium
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Quá trình thực hiện
- Bước 1: In mạch PCB ra sau khi đã vẽ trên phần mềm Altium 21
‐ Bước 2: Là mạch in Ta tiến hành dùng nhiệt độ cao để làm cho mực bám hết lên trên phíp đồng
Bước 3: Ngâm bản đồng đã in mực trong dung dịch ăn mòn (muối hoặc FeCl3) Phản ứng hóa học sẽ ăn mòn phần đồng chưa được mực che phủ, làm lộ rõ mạch in.
‐ Bước 4: Khoan mạch Sau khi loại bỏ được đồng thừa và lộ ra được đường điện ta tiến hành khoan chân linh kiện
Hình 3.4 Khoan mạch Hình 3.3 Ăn mòn đồng
‐ Bước 5: Lắp linh kiện và hàn Lắp linh kiện vào các vị trí như đã mô phỏng trên phần mềm và ta tiến hành hàn
Bước 6: Chạy thử và hoàn thiện
Hình 3.5 Lắp linh kiện và hàn
Hình 3.6 Chạy thử và hoàn thiện
Đánh giá kết quả và hoạt động nhóm
‐ Nhóm đã tìm hiều, thiết kế, chế tạo được mạch đếm nhị phân, nghịch, đồng bộ Kđ
‐ Mạch thực tế chạy đúng với yêu cầu đề tài
‐ Nhóm đã hiểu được cách sử dụng các phần mềm thiết kế và mô phỏng mạch điện tử như: Altium designer và Protues
3.2.2 Đánh giá hoạt động nhóm
‐ Tìm hiểu cơ sở lí thuyết đề tài ( Cả Nhóm)
‐ Thực hiện tính toán chọn linh kiện đề tài ( Cả Nhóm)
‐ Mô phỏng mạch trên phần mềm Protues ( Duy Quân, Minh Quân)
‐ Thiết kế mạch in trên phần mềm Altium ( Tiến Quang)
‐ Mua linh kiện thực hiện đề tài ( Tiến Quang)
‐ Thực hiện thi công hoàn thiện mạch ( Cả Nhóm)
‐ Viết báo cáo ( Duy Quân, Tiến Quang)
‐ Thiết kế Slide thuyết trình ( Minh Quân)
Đánh giá kết quả làm việc nhóm:
‐ Cả nhóm hoạt động sôi nổi trong quá trình thực hiện
‐ Hoàn thành nhiệm vụ được giao đúng hạn.