đồ án môn kỹ thuật số mạch đồng hồ số dùng vi mạch họ cmos

Cuối cùng thì em cũng đã hoàn thành, và đạt được những kết quả như mong đợi.Đặc biệt, sau khi kết thúc đồ án môn học này em có thêm được nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực về kỹ thuật số ,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

Giảng viên hướng dẫn : Ths.Võ thị Bích Ngọc Sinh viên thực hiện 1 : Trần Đình Hướng Sinh viên thực hiện 2 : Nguyễn Hoàng Nhân

MSSV : 2187900453 MSSV : 2187900520 Lớp: 21DDTA1

Tp.HCM, ngày … tháng … năm …

VIỆN KỸ THUẬT HUTECH

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI

Ngày giao đề tài: ……./…… /……… Ngày nộp báo cáo: ……./…… /………

Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ tên các thành viên)TP HCM, ngày … tháng … năm ……….

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

1

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ

THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC & ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN

7 Giảng viên hướng dẫn: 8 Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài (sĩ số trong nhóm……):

(1) MSSV: ……… Lớp: (2) MSSV: ……… Lớp: (3) MSSV: ……… Lớp:

Kết quả thực hiện của sinhviên (Giảng viên hướng dẫn

2 Tuần 1 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

3 Tuần 2 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

4 Tuần 3 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

5 Tuần 4 (Ghi rõ nội dung thực

6 Tuần 5 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

7 Tuần 6 (Ghi rõ nội dung thực

8 Tuần 7 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

2

TuầnNgàyNội dung thực hiện

Kết quả thực hiện của sinhviên (Giảng viên hướng dẫn

9 Tuần 8 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

10 Tuần 9 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

11 Tuần 10 (Ghi rõ nội dung thựchiện)

12 Đánh giá kết quả báo cáo: (Nộidung báo cáo ; Sản phẩm thực hiện; Thái độ ; Kỹ năng; ….)

Cách tính điểm:

Điểm đánh giá quá trình thực hiện đồ án = 0.5 x Tính chủ động, tích cực, sáng tạo +

0.5 x Đáp ứng mục tiêu đề ra

Tổng điểm kết thúc học phần = Điểm đánh giá quá trình thực hiện đồ án x 40% + Điểm

chấm báo cáo GVHD x 30% + Điểm chấm báo cáo GVPB x 30% Lưu ý: Tổng điểm tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án; Điểm báo cáo bảo vệ đồ án môn học; Điểm quá trình (Ghi theo thang điểm 10), giảng viên chuyển điểm vào bảng điểm Viện đã giao.

Ghi chú: Điểm số nếu có sai sót, GV gạch bỏ rồi ghi lại điểm mới kế bên và ký nháy vào phần điểm chỉnh sửa.

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên các thành viên)

TP HCM, ngày … tháng … năm ……….

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Giảng viên hướng dẫn (ký tên và ghi rõ họ tên)

4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN CHẤM ĐỒ ÁN

Giáo viên phản biện đồ án : ………

………

Giáo viên hướng dẫn : ThS.Võ Thị Bích Ngọc Họ và tên sinh viên : Trần Đình Hướng ,Nguyễn Hoàng Nhân

Điểm đánh giá : Xếp loại :

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022

Giảng viên phản biện

(ký tên và ghi rõ họ tên)

5

LỜI CẢM ƠN

e&f

Sau một thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài "Thiết kế mạch ĐỒNG HỒ SỐ DÙNG VI MẠCH HỌ CMOS " Cuối cùng thì em cũng đã hoàn thành, và đạt được những kết quả như mong đợi.

Đặc biệt, sau khi kết thúc đồ án môn học này em có thêm được nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực về kỹ thuật số , biết cách sử dụng phần mềm vẽ mạch, thiết kế mạch Nắm được quy trình làm ra một board mạch hoàn chỉnh Rèn luyện thêm tay nghề.

Và để em có thể đạt được những thành quả trên, không thể thiếu sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của cô Võ Thị Bích Ngọc Em xin chân thành cảm ơn thầy sâu sắc, vì thời gian qua đã hỗ trợ em hoàn thành môn đồ án này.

Trong quá trình làm đồ án, do lượng kiến thức và thời gian có hạn nên cũng còn nhiều thiếu xót, mong cô cho em những đóng góp chân thành nhất để cải thiện và rút kinh nghiệm Em xin chân thành cảm ơn!

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Trần Đình Hướng

Nguyễn Hoàng Nhân

6

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN……… 8

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU LINH KIỆN QUAN TRỌNG , LÝ THUYẾT LIÊN QUAN…… 9

2.1 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ……… 9

2.2 LÝ THUYẾT VỀ LINH KIỆN ……… 9

3.2.7 Nguyên lí hoạt động của mạch……… 37

CHƯƠNG 4 : THI CÔNG ……… 37

4.1 Chuẩn bị sơ đồ nguyên lí được vẽ trên protus………… 38

4.2 Công cụ chuẩn bị làm mạch , quá trình thi công và cân ……… 39

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……… 40

7

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

-Đặt vấn đề và xây dựng giải pháp :

-Đời sống xã hội ngày càng tiến bộ , do đó con người luôn tìm tồi và phát triển những thiết bị công nghệ , điện tử để phục vụ cho đời sống hàng ngày , điện tử nói riêng và công nghệ nói chung nó đã rất phát triển và đã xâm nhập vào đời sống chúng ta tất cả về mọi mặt Trong mọi lĩnh vực như sản xuất đều có sự xuát hiện của chúng , trong đó đồng hồ dùng ic số là một ví dụ điển hình.

- Việc gia công xử lí tín hiệu số trong các thiết bị điện tử hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số

-Với những kiến thức mà em đã được dạy từu thầy cô và sự tìm tòi cố gắng tham khảo ý kiến của các bạn trong lớp , em đã đúc kết lại và vận dụng vào việc thiết kế và thi công đồng hồ dùng ic số.

-Với sự hướng dẫn tận tình của cô Võ Thị Bích Ngọc em đã hoàn thành bài báo cáo đồ án này Tuy đã cố gắng hết sức tìm hiểu , phân tích thiết kế và thi công mạch nhưng không thể tránh những sai sót Em mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy cô Em xin chân thành cảm ơn.

8

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU LINH KIỆN QUAN TRỌNG VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

2.1 ) LINH KIỆN ĐIỆN TỬ:

Trong mạch “Đồng Hồ Dùng Ic số 7490,7447 Và Thạch Anh “gồm có những linh kiện

10

Hình trên đây mô tả cấu trúc bên trong của 4518 gồm 2 nhóm chia 10 và mỗi nhóm chia 10 được tạo bởi 4 Trigger D (loại J-K) để có thể chia 2 cho mỗi Trigger và mạ ch Modul 10 để hạn chế giới hạn chia của 4518 trong khoảng từ 0 đến 9 tương đương với 0000 – 1001 thì sẽ bị Reset về 0.

Hình bên đây mô tả các trạng thái các Ngõ ra của 4520 và 4518 phụ thuộc và giá trị Chuỗi Xung Clock được đưa vào IC:

Xung Clock tác động liên tục với điều kiện Chân Enable = 1 và Reset = 0 thì kết quả rat hay đổi tuần tự theo số Xung Clock tác động vào Nếu Xung Reset = 1 thì IC sẽ bị xóa đồng loạt về 0.

IC 4518 và 4520 được sử dụng phổ biến nhất để chia Tần số (hoặc đếm Xung) như mạch tối giản dưới đây (được gọi là mạch đếm không đồng bộ):

Cách sử dụng IC CD4518:

Trong đó, Ngõ vào đầu tiên Clock Input được đếm bằng sườn Xung lên (chuyển từmức thấp lên mức cao) tức là Clock Input được đưa vào chân Clock và chân

Enable được nối lên dương nguồn còn tất cả các mạch đếm tiếp theo đều đếm bằng sườn Xung xuống (chuyển từ mức cao xuống mức thấp) tức là Xung đếm ở Ngõ ra cuối cùng của tầng trước sẽ được đưa vào chân Enable của tầng sau và các chân Clock của các tầng đếm sau đều được nối xuống âm nguồn.

Mạch đếm nói trên được mô phỏng lại như dưới đây và có thêm Mạch giải mã chỉ thị giá trị của Bộ đếm cũng như có các Led chỉ thị Trạng thái Logic các Ngõ ra của IC 4518

2.2.2) Giới thiệu về IC 4511 :

Sơ đồ chân của CD4511 bao gồm tổng cộng 16 chân Trong đó, sử dụng 7 chân đầu ra từ a-f để kết nối với màn hình led 7 đoạn Ngoài ra, còn có 4 chân đầu vào được sử dụng để kết nối với các đầu vào được mã hóa BCD Các chân còn lại bao gồm chân cấp nguồn và chân kiểm tra CD4511 này có 4 đầu vào BCD, 3 đầu vào điều khiển và 7 đầu ra Bảng chi tiết về tên và mô tả của từng chân được liệt kê dưới đây:

A - Đầu vào BCD A

11

B - Đầu vào BCD B ~LT - Đầu vào kiểm tra đèn ~BL - Đầu vào điều chỉnh độ sáng

LE / ~Strobe - Đầu vào Latch Enable hoặc Strobe C - Đầu vào BCD C

D - Đầu vào BCD D Vss - Nối đất của mạch a - Đầu ra cho LED 7 đoạn a b - Đầu ra cho LED 7 đoạn b c - Đầu ra cho LED 7 đoạn c d - Đầu ra cho LED 7 đoạn d e - Đầu ra cho LED 7 đoạn e f - Đầu ra cho LED 7 đoạn f g - Đầu ra cho LED 7 đoạn g Vdd - Chân cấp điện áp dương

Chú ý: Ký hiệu "~" trước một số chân chỉ ra rằng chân đó là đầu vào hoặc đầu ra có hoạt động ngược (active low).

-Giới thiệu về IC CD 4511:

12

Hình: 2.2.2.1

CD4511 là một loại IC (vi mạch tích hợp) được sử dụng để điều khiển màn hình LED 7 đoạn Dưới đây là các thông số kỹ thuật và đặc trưng của CD4511:

Số chân: 16

Điện áp hoạt động: 2V - 6V Dòng tiêu thụ tối đa: 6mA Các chân đầu vào BCD: A, B, C, D Đầu ra LED 7 đoạn: a, b, c, d, e, f, g

Đầu vào điều khiển: LE (Latch Enable) / Strobe, BL (Blanking), LT (Lamp Test)

Chế độ hoạt động: mã BCD vào, chuyển đổi và điều khiển đèn LED 7 đoạn Điện trở đầu ra tối đa: 40 ohm

Dòng điện đầu ra tối đa: 25mA

Cách sử dụng CD4511:

Để có thể sử dụng bộ giải mã BCD thành 7 đoạn trong chip, trước tiên bạn cần kết nối chân VDD với cực nguồn dương và chân GND với cực nguồn âm.

Bạn có thể sử dụng điện áp nguồn từ 3V đến 15V Mặc dù, một số phiên bản của chip 4511 hỗ trợ lên đến 20V Kiểm tra bảng dữ liệu của phiên bản chip của bạn để biết các giá trị chính xác.

Các chân D0, D1, D2, D3 là các đầu vào BCD mà qua đó bạn cung cấp số bạn muốn hiển thị trên màn hình ở định dạng nhị phân.

Các chân từ a đến g là các chân đầu ra mà bạn kết nối với màn hình 7 đoạn của mình.

Chân LT (Kiểm tra đèn) ở đó để kiểm tra xem tất cả các phân đoạn của màn hình có hoạt động không Đặt THẤP để kiểm tra các phân đoạn Đặt CAO cho hoạt động bình thường.

13

Chân BL (Kiểm tra trống) tắt tất cả các phân đoạn khi THẤP Bạn có thể sử dụng nó để kiểm soát độ sáng của màn hình bằng điều chế độ rộng xung (PWM) Đặt thành CAO để hoạt động bình thường.

Chân LE (Latch Enable) , còn được gọi là store , được sử dụng để lưu trữ giá trị hiện tại Khi ở mức CAO, dữ liệu cuối cùng được hiển thị bất kể những thay đổi đối với đầu vào BCD Đặt chân này ở mức THẤP để hoạt động bình thường.

Hình: 2.2.2.2

14

* Quá trình hoạt động của IC 4511 thông qua Bảng sự thật như dưới đây:

Nhìn trên bảng chân lý trên ta thấy với 4 đầu vào sau khi giải mã nó cho ra 15 giá trị của mã LED 7 vạch và hiện thị được lên LED 7 vạch.

Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng chân lý, trong đó đối với các ngõ ra H là tắt và L là sáng, nghĩa là nếu 74LS47 thúc đèn led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay tắt tuỳ vào ngõ ra tương ứng của 74LS47 là L hay H nên do đó ta phải dùng LED anot chung

+ IC CD4511 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 là sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anode chung, trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10 đến 15 không được dùng tới.).

+ Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bình thường Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái ngõ ra + Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số 0 thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở

15

mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xoá dạng sóng RBO xuống mức thấp.

+ Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng 2.2.3) Giới thiệu về IC 4060 :

IC 4060 là một chip CMOS có bộ đếm nhị phân không đồng bộ với 14 tầng Flip-Flop và bộ dao động IC này có thể được sử dụng để thiết kế mạch hẹn giờ với thời gian thay đổi được hoặc để tạo ra các tín hiệu có tần số khác nhau Nó có thể được sử dụng để tạo ra độ trễ thời gian có thể lựa chọn hoặc để tạo ra các tín hiệu có tần số khác nhau Điều này là do nó có một module dao động tích hợp chỉ yêu cầu một vài linh kiện điện tử thụ động

Hình: 2.2.3.1

* Sơ đồ chân CD4060 :

16

Tên chân Số chân Loại Mô tả

- Bộ đếm ripple nhị phân là một mạch được tạo thành từ các flip-flop nối tiếp nhau Đầu ra của một flip flop được kết nối với đầu vào CLK của đầu tiếp theo Đầu vào CLK của flip flop bên trái là đầu vào bộ đếm.

CD4060 có 14 flip flop ngón nối tiếp nhau Điều này có nghĩa là nó có thể đếm đến 16383 (giá trị lớn nhất của 14 bit).

17

- Nó cũng được tích hợp bộ dao động giúp tạo xung nhịp để tự động tăng bộ đếm Điều này làm cho CD4060 trở thành một mạch hẹn giờ có thể được sử dụng để chọn giữa các độ trễ thời gian (hoặc tần số) khác nhau, tùy thuộc vào đầu ra Q mà bạn sử dụng Ví dụ, nếu bạn chọn các giá trị cho điện trở và tụ điện để bộ dao động tạo ra xung đồng hồ là 1 Hz, có nghĩa là nó sẽ tăng bộ đếm mỗi giây Vì vậy, đối với độ trễ 8 giây, bạn có thể sử dụng đầu ra Q3 Hoặc đối với độ trễ 2 giờ 16 phút (8192 giây), bạn có thể sử dụng đầu ra Q13.

* Các đặc điểm của IC đếm nhị phân CD4060 :

Đầu vào xung Schmitt trigger cho phép thời gian tăng và giảm không giới hạn Hoạt động hoàn toàn tĩnh với đầu vào và đầu ra được đệm

Phạm vi đếm: 0 đến 16383 (giá trị thập phân) Tần số xung clock tối đa là 30MHz với VDD = 10V Hoạt động tốc độ trung bình: 8MHz với VDD = 10V Chân và chức năng tương thích với IC họ TTL Độ trễ truyền reset: 25ns với nguồn cấp 5V

Tần số tối thiểu của bộ dao động RC: 690kHz với VDD = 10V

* Nguyên lý hoạt động :

IC CD4060 có một mô-đun dao động tích hợp Vì IC này là một bộ đếm nhị phân, do đó mỗi khi xung đồng hồ chuyển từ mức cao xuống mức thấp (xung đồng hồ tác động cạnh xuống) thì giá trị của bộ đếm sẽ tăng thêm 1 Chân Reset của IC phải luôn được nối đất hoặc kết nối với cực âm của nguồn cung cấp Nếu chân Reset này được tích cực mức cao thì bộ đếm sẽ bị reset, các ngõ ra của IC sẽ bằng 0 hay nói cách khác bộ đếm sẽ hoạt động lại từ đầu Ảnh hưởng của mức logic tại chân Reset và xung đồng hồ được hiển thị trong bảng bên dưới, trong đó X là trạng thái không quan tâm (don’t care).

Xung đồng hồ tác

2.2.4) Giới thiệu về Diode :

-Là một linh kiện bán dẫn chỉ cho dòng 1 chiều đi qua

-Nguyên lí làm việc trong mạch : chống cắm ngược cực với chỉ cho dòng 1 chiều đi qua.

Hình 2.2.4.1 : Sơ đồ chân và cấu tạo của diode

Tần số dao động tạo ra bởi bộ dao động được tính theo công thức: f (Hz) = 1/( 2,3 * Ct * Rt)

Hình 2.2 : Thông số của diode 1N4007

2.2.5) Giới thiệu về IC CD4071

IC cổng OR CD4071 là một loại chip CMOS bao gồm 4 cổng OR Mỗi cổng OR bao gồm 2 đầu vào và có 4 cổng logic được tích hợp trên IC Vì vậy, nó thường được gọi là cổng OR hai đầu vào Quad.

CD4071 là một IC CMOS (MOS bổ sung) nguyên khối, được thiết kế với hai bóng bán dẫn kênh p và kênh N ở chế độ nâng cao Hai bóng bán dẫn này có công suất dòng nguồn và dòng chìm tương tự nhau Mạch tích hợp này bao gồm các đầu ra được đệm để mở rộng các đặc tính truyền bằng cách cung cấp mức tăng rất cao Từ xả tĩnh, tất cả các đầu vào có thể được bảo vệ thông qua các đi ốt hướng tới VDD & VSS.

IC CD4071 cổng OR này chủ yếu được sử dụng công nghệ bóng bán dẫn MOS

hoặc CMOS bổ sung Nó hỗ trợ đạt được phạm vi cung cấp điện hoạt động rộng, sử dụng ít điện năng hơn và biên độ tiếng ồn tối đa IC này được sản xuất bên trong các gói gốm DIL/DIP kín 14 đầu chì phù hợp trong các ứng dụng tiêu thụ

Chân – 2, 6, 9, 13 (B1 đến B4): Đầu vào B của 4 cổng OR

Các chân – 3, 4, 10, 11 (Q1 đến Q4): Đây là các chân đầu ra của 4 cổng logic OR

Pin-7 (GND): Đây là chân GND (0V)

Chân – 14 (VDD): Đây là chân có điện áp cấp nguồn nằm trong khoảng từ

2.2.6) Giới thiêu về thạch anh :

Thạch anh là dạng tinh thể của silicon dioxide, SiO2 Thạch anh được sử dụng làm bộ cộng hưởng hiệu suất cao trong các bộ lọc và bộ dao động điện tử.

21

Hình: 2.2.6.1

- Các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định tần số của bộ dao động là: Sự biến đổi về nhiệt độ, sự biến đổi trong tải, cũng như thay đổi điện áp nguồn một chiều.

- Để đạt được mức độ ổn định dao động cao, thạch anh được sử dụng làm thiết bị xác định tần số để tạo ra một loại mạch dao động khác được gọi chung là Quartz Crystal Oscillator (XO).

- Thiết bị áp-điện có thể xem như là bộ chuyển đổi (transducer) khi nó chuyển đổi loại năng lượng này thành loại năng lượng khác (điện thành cơ hoặc cơ thành điện) Hiệu ứng áp-điện tạo ra các rung động cơ học hoặc dao động có thể được sử dụng để thay thế mạch LC trong các bộ dao động trước đó.

- Tinh thể thạch anh sử dụng trong Quartz Crystal Oscillator là một mảnh rất nhỏ, mỏng với hai bề mặt song song bọc kim loại để nối điện Kích thước vật lý và độ dày của mảnh tinh thể thạch anh được kiểm soát chặt chẽ vì nó ảnh hưởng đến tần số cuối cùng hoặc cơ bản của dao động.

- Sau khi cắt và định hình, tinh thể không thể được sử dụng ở bất kỳ tần số nào khác Nói cách khác, kích thước và hình dạng của nó xác định tần số dao động cơ bản của nó Ký hiệu thạch anh :

Thông số kỹ thuật :

22