Đồ án môn học: Kỹ thuật xung số Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 2, 5.
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Kỹ thuật điện tử ứng dụng linh kiện bán dẫn tích cực như điốt, transistor, mạch tích hợp vào thiết kế các vi điều khiển, thiết bị, mạch và hệ thống điện tử Ngoài ra, kỹ thuật điện tử cũng thiết kế các linh kiện điện thụ động chủ yếu trên bảng mạch in.
Kỹ thuật điện tử nói chung và mạch điện tử nói riêng đang ngày càng phát triển trong đời sống và các ngành kỹ thuật Ngày nay, hầu hết các thiết bị liên quan đến điện tử và mạch điện tử Điều đó cho thấy tầm quan trong của điện tử trong đời sống của chúng ta.
Trong pham vi môn học “Kỹ thuật xung số”, nhằm ứng dụng kiến thức của môn học, cũng như nhận thấy sự phát triển của mạch điện tử trong đời sống, nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ
K đ = 10, sử dụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 2, 5” Nội dung chính của đề tài nhằm thiết kế bộ đếm có thể đếm thuận theo mục đích của người dùng Đó là một vài giới thiệu chung về điện tử nói chung và đề tài của chúng em nói riêng, các vấn đề chi tiết sẽ được nhóm chúng em trình bày ở các mục sau.
Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục đích: Tìm hiểu và thiết kế mạch đếm nhị phân, thuận, đồng bộ và hiển thị số đếm trên led 7 thanh
Tìm hiểu lý thuyết mạch đếm
Tìm hiểu một số vi mạch đếm thông dụng
Một vài ứng dụng của mạch đếm
Thiết kế mạch đếm theo yêu cầu
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu:
Dựa vào kiến thức đã học, tìm hiểu qua internet, sách vở, bạn bè và thầy cô.
Tìm hiểu các mạch đếm phổ biến để học hỏi cách thiết kế.
Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán để xây dựng phù hợp với đề tài.
Sử dụng các phần mềm mô phỏng, hỗ trợ thiết kế mạch như: proteus,altium designer
Mạch đếm
Mạch đếm là một mạch logic mà tín hiệu ra phụ thuộc vào tín hiệu vào và trạng thái của mạch (mạch dãy) được xây dựng từ các phần tử nhớ và các phần tử tổ hợp.
Các mạch đếm là thành phần cơ bản của các hệ thống số chúng được sử dụng để đếm thời gian, bộ chia tần số, điều khiển các mạch khác Dưới tác động của tín hiệu vào mạch sẽ chuyển từ trạng thái này đến một trạng thái khác, và sau 𝐾 đ lần tín hiệu vào, mạch sẽ trở về trạng thái ban đầu.
1.4.2 Đồ hình trạng thái Đồ hình trạng thái mô tả các trạng thái biến đổi của mạch theo sự tác động của đầu vào.
Hình 1.2 Đồ hình trạng thái tổng quát của hệ thống
Khi không có tín hiệu vào mạch giữ nguyên trạng thái, khi có tín hiệu mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp.
Phân loại theo cách làm việc:
Bộ đếm đồng bộ: bộ đếm mà sự chuyển đổi trạng thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm (tác động đồng thời tới các phần tử nhớ) Mọi sự chuyển đổi không qua trạng thái trung gian: 𝑆 𝑖 → 𝑆 𝑗
Bộ đếm không đồng bộ: là bộ đếm tồn tại cặp chuyển biến trạng thái trung gian, các phần tử nhớ không thay đổi trạng thái đồng thời: S i → S ' i → S ' ' i → S j
Phân loại theo hệ số đếm:
Bộ đếm có hệ số K đ =2 n : bộ đếm sử dụng n FF và khả năng mã hóa tối đa là 2 n
Bộ đếm có hệ số K đ ≠2 n : bộ đếm sử dụng n FF và khả năng mã hóa tối đa khác 2 n
Quá trình đếm là thay đổi từ trạng thái này đến trạng thái khác và trong mỗi trạng thái được mã hóa bởi một mã cụ thể Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hóa cụ thể: mã nhị phân, mã gray, mã BCD, mã Johnson…
Phân loại theo hướng đếm:
Bộ đếm thuận: khi có tín hiệu vào bộ đếm sẽ tăng lên 1 giá trị trạng thái
Bộ đếm nghịch: khi có tín hiệu vào bộ đếm sẽ giảm đi 1 giá trị trạng thái
Bộ đếm thuận nghịch: bộ đếm vừa có khả năng đếm thuận vừa có khả năng đếm nghịch Ở trong phạm vi bài báo cáo này, chúng em lựa chọn mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10.
1.4.4 Ứng dụng của mạch đếm
Mạch đếm đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt hữu ích trong việc nâng cao năng suất sản xuất Ví dụ điển hình là ứng dụng đếm sản phẩm bằng cách kết hợp mạch đếm với các loại cảm biến phù hợp, góp phần tăng hiệu quả và chính xác trong quá trình sản xuất.
Ngoài ra mạch đếm còn ứng dụng đếm thời gian trong đời sống hay còn gọi là đồng hồ điện tử, hoặc trong các bộ hẹn giờ sử dụng trong thể thao.
Hình 1.3 Ứng dụng đếm sản phẩm của mạch đếm
Hình 1.4 Ứng dụng đồng hồ thời gian của mạch đếm
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI, TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾT SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
Phần tử JK – FF
Định nghĩa: JK-FF là phần tử có hai đầu vào chức năng J, K và hai đầu ra. Đầu vào J đóng vai trong thiết lập, đầu vào K đóng vai trò xóa.
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
JK = 11 FF đảo trạng thái
Sơ đồ logic của JK-FF:
Sơ đồ logic của phần tử JK-FF cho ta phương trình đặc trưng của hệ:
Q n+ 1 = ´ K Q n + J Q ´ n Để hiểu rõ hơn về nguyên tắc của phần tử JK-FF ta có bảng trạng thái:
Hình 2.5.Sơ đồ khối mạch JK-FF
Hình 2.6 Sơ đồ logic của JK-FF
Bảng 2.1 Bảng trạng thái của JK-FF
Từ bảng trạng thái ta có thể lập được bảng Karnaugh thể hiện sự thay đổi trạng thái của JK-FF:
Bảng 2.2 Bảng karnaugh biến đổi từ bảng trạng thái của JK - FF
Thông qua bảng Karnaugh xây dựng bảng kích (bảng kích giúp xây dựng lên mạch đếm):
Bảng 2.3 Bảng kích của JK – FF
Từ bảng kích ta có đồ hình
Hình 2.7 Đồ hình trạng thái của JK-FF
1 1 X 0 trạng thái của JK-FF:
Thiết kế hệ mạch đếm
2.2.1 Xác định các bước tổng quát
Bài toán thiết kế mạch đếm là biết chức năng của hệ, thiết kế sơ đồ thực hiện chức năng đó, bao gồm các bước:
Bước 1: Phân tích yêu cầu đầu bài và tìm ra số trạng thái
Bước 2: Lập đồ hình trạng thái – căn cứ vào yêu cầu đặt ra
Bước 3: Xác định số phần tử nhớ sử dụng, mã hóa các trạng thái của bộ đếm theo mã đã cho (với hệ nhị phân: n = 𝐾 đ )
Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra (dựa vào bảng trạng thái) Bước 5: Vẽ sơ đồ thực hiện
2.2.2 Xây dựng tính toán cụ thể
Bước 1: Phân tích yêu cầu đầu bài và tìm ra số trạng thái
Yêu cầu bài toán: Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JK-FF
Số trạng thái mạch đếm thuận: 𝐾 đ = 10 trạng thái
Bước 2: Lập đồ hình trạng thái – căn cứ vào yêu cầu đặt ra
Hình 2.8 Đồ hình trạng thái của mạch đếm thuận Kđ
Bước 3: Xác định số phần tử nhớ JK-FF cần sử dụng
Số phần tử JK-FF cần sử dụng là 4
Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra (dựa vào bảng trạng thái)
Dựa vào đồ hình trạng thái xây dựng ở bước 2 và bảng kích đối với phần tử JK-FF mà ta xây dựng ở mục trên, ta có bảng biến đổi trạng thái và hàm kích trong mạch đếm này như sau:
12 → 13 1100 XXXX XX XX XX XX
13 → 14 1101 XXXX XX XX XX XX
15 →0 1111 XXXX XX XX XX XX
14 → 15 1110 XXXX XX XX XX XX
1 0 → 11 1010 XXXX XX XX XX XX
11 →12 1011 XXXX XX XX XX XX
Bảng 2.4 Bảng kích của các FF Để xác định được hàm ra, ta cần rút gọn các biến thông qua bảng karnaugh: Bảng xác định 𝐽3:
Từ bảng Karnaugh ta xác định được J 3 =Q 2 Q 1 Q 0
Bảng 2.6 Bảng karnaugh rút gọn K 3
Từ bảng Karnaugh ta xác định được K 3 =Q 0
Bảng 2.5 Bảng karuaugh rút gọn J 3
Từ bảng Karnaugh ta xác định được J 2 =Q 1 Q 0
Từ bảng Karnaugh ta xác định được K 2 =Q 1 Q 0
Bảng 2.7 Bảng karnaugh rút gọn J 2
Bảng 2.8 Bảng karnaugh rút gọn K 2
Bảng 2.9 Bảng karnaugh rút gọn J 1
Từ bảng Karnaugh ta xác định được J 1 = ´ Q 1 Q 0
Bảng 2.10 Bảng karnaugh rút gọn K 1
Từ bảng Karnaugh ta xác định được K 1 =Q 0
Từ bảng Karnaugh ta xác định được J 0 = 1
Bảng 2.12 Bảng karnaugh rút gọn K 0
Từ bảng Karnaugh ta xác định được K 0 =1
Như vậy sau khi xác định xong các hàm ra, ta có:
Hình 2.9 Mạch logic bộ đếm
Mạch logic LED đơn
Tại thời điểm mạch đếm trả về giá trị 010 ( Q 0 = 0, Q 1 =1, Q 2 =0) ta có mạch
Hình 2.10 Mạch logic đèn led đơn tại K đ = 2
Tại thời điểm mạch đếm trả về giá trị 101 ( Q 0 =1, Q 1 =0, Q 2 =1) ta có mạch logic được thiết lập:
Hình 2.11 Mạch logic đèn led đơn tại K đ = 5
Trong đề tài này chúng em sử dụng 2 đèn để trả về giá trị tại K đ =2 và K đ =5.
Mạch tạo xung và bộ giải mã led 7 thanh
2.4.1 Mạch tạo xung Để tạo ra xung clock cấp cho hệ thống cần có mạch tạo xung, ở đây chúng em sử dụng IC555 để tạo xung với chu kì mong muốn.
Hình 2.12 Mạch tạo dao động sử dụng IC555 Đầu vào điện áp 3-15V, đầu ra là xung vuông có dạng:
𝑇 ℎ và 𝑇 𝑙 có thể điều chỉnh thông qua công thức:
𝑇 𝑙 = 0.693𝑅2𝐶 Tổng chu kì dao động: 𝑇 = 𝑇 ℎ + 𝑇 𝑙 = 0.693(𝑅 1 + 2𝑅 2 )𝐶
2.4.2 Bộ giải mã led 7 thanh
Led 7 đoạn là thiết bị hiển thị ánh sáng, đầu ra hiển thị thông tin dưới dạng hình ảnh hoặc văn bản hoặc số thập phân Dựa vào tên gọi, chúng ta cũng có thể biết được nó cấu tạo từ 7 đèn LED nhỏ hợp thành Led 7 thanh thường có loại Anot (cực dương) chung hoặc Katot (cực âm) chung Nó được sử dụng rộng rãi trong đồng hồ kỹ thuật số, máy tính cơ bản, đồng hồ đo điện tử và các thiết bị điện tử khác hiển thị thông tin số.
Hình 2.13 Dạng xung đầu ra của mạch dao động
Hình 2.14 Cấu tạo led 7 đoạn
Bộ giải mã led được sử dụng để chuyển đổi số nhị phân từ đầu ra của mạch đếm sang hệ số thập phân.
Mô phỏng trên proteus
2.5.1 Giới thiệu về phần mềm proteus
Phần mềm proteus là phần mềm chuyên dụng trong việc mô phỏng các loại
Hình 2.15 Sơ đồ khối giải mã led 7 đoạn mạch, vi điều khiển Phần mềm được sử dụng phổ biến trong trường học và các công ty.
Bài nghiên cứu này chúng em đã lựa chọn phần mềm proteus để thực hiện mô phỏng do nó có nhiều ưu điểm như sau:
Dễ dàng chỉnh sữa các đặc tính của linh kiện trên sơ đồ nguyên lý.
Hỗ trợ kiểm tra lỗi thiết kế trên sơ đồ nguyên lý có thể xem và lưu lại phần báo lỗi.
Phần mềm chạy mô phỏng và phân tích các tính chất của một mạch điện một cách chính xác.
2.5.2 Kết quả mô phỏng Để mô phỏng trên phần mềm, trước hết ta xây dựng và kết nối các linh kiện theo sơ đồ nguyên lí đã xây dựng
Hình 2.16 Phần mềm proteus mô phỏng mạch
Hình 2.17 Sơ đồ các khối mô phỏng trên proteus
Các khối được xây dựng:
3 Khối mạch hiển thị led đơn
4 Khối hiển thị led 7 đoạn
Kết quả mô phỏng trển proteus:
Hình 2.18 Kết quả mô phỏng mạch đếm trên proteus Đánh giá kết quả mô phỏng:
Đèn led đơn sáng tại vị trí 2 và 5, tắt ở các trường hợp còn lại
Hiển thị kết quả bộ đếm trên led 7 thanh
Mạch tạo xung có tần số gần với giá trị 1.2 Hz
CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH
Vẽ mạch bằng Altium designer
Sau khi chọn xong các thiết bị, linh kiện điện tử ta tiến hành chế tạo mạch thực tế Để làm mạch trước hết cần thiết kế mạch nguyên lí và vẽ mạch PCB trên một số phần mềm chuyên dụng như: Altium Designer, Eagle, Autocad electrical…Altium là một phần mềm thiết kế PCB được nhiều công ty Việt Nam và trên thế giới tin dùng.
Hình 3.19 Phần mềm thiết kế mạch in Altium designer Ưu điểm:
Có bộ công cụ chuyên dụng dành cho vẽ Schematic và PCB mạnh và thông minh.
Có chế độ 3D khi vẽ mạch PCB giúp trực quan hơn.
Cộng đồng hỗ trợ lớn, bộ thư viện đầy đủ.
Phần mềm nặng, máy yếu khó sử dụng.
Tính năng mô phỏng ít được hỗ trợ.
Hình 3.20.Sơ đồ mạch Schematic trong Altium
Sau khi mạch nguyên lý đã được mô phỏng thành công trong Proteus để chứng minh hoạt động chính xác theo yêu cầu đề bài, mạch nguyên lý này được tiếp tục sử dụng trong phần mềm Altium Designer Mạch nguyên lý được thiết kế với mục đích hỗ trợ việc đi dây khi thiết kế mạch PCB.
Tiếp theo mạch PCB sẽ được thiết kế:
Hình 3.21 Mạch PCB trong Altium designer
Bước tiếp theo, xuất file PDF để in mạch:
Hình 3.22 Mạch PCB trong file PDF
Tiến hành làm mạch in
Thông qua mạch in đã được thiết kế trên phần mềm Altium designer, mạch in được phủ đồng và loại bỏ lớp đồng dư thừa bằng dung dịch FeCl3, đồng thời đục lỗ cho các chân linh kiện và hàn các linh kiện vào:
Hình 3.23 Mạch sau khi hàn linh kiện
Hình 3.25 Kết quả chạy mạch đếm
Đánh giá kết quả
Kết quả đạt được, theo nhóm tự đánh giá:
So với kết quả đạt được ở phần mô phỏng kết quả đạt được chính xác.
Led đơn đã sáng tại vị trí đếm mong muốn 𝐾 đ = 2, 𝐾 đ
Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, cùng với đó các thiết bị sử dụng mạch điện tử đang ngày càng phổ biến và đóng vai trò không thể thiếu trong đời sống Qua bài báo cáo chúng em đã đạt được nhiều kết quả, tích lũy được các kiến thức về điện tử Chúng em đã biết cách phân tích và thiết kế một mạch điện tử, cách lựa chọn các linh kiện và hiểu hơn về các linh kiện điện tử Không chỉ vậy trong quá trình thiết kế mạch cũng gặp không ít khó khăn, việc thiết kế mạch in cũng giúp nhóm có những kinh nghiệm trong thực tế.
Từ những kết quả đạt được có thể giúp chúng em áp dụng các kiến thức đó vào thực tế cũng như các môn học tiếp theo Đề xuất phương hướng phát triển của bài báo cáo trong thời gian tới của chúng em là tiếp tục hoàn thiện sản phẩm trong việc thiết kế mạch in ở vấn đề tối ưu hóa và thành thạo hơn sử dụng phần mềm thiết kế và kỹ năng chế tạo mạch in.
Trong quá trình nghiên cứu và viết bài báo cáo, ngoài việc tham khảo tài liệu và nguồn kiến thức vô hạn trên Internet thì còn nhận được sự hướng dẫn tận tình của cô ThS Hà Thị Phương Bên cạnh đó, do kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót, một lần nữa nhóm rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và người đọc để bài báo cáo và sản phẩm của chúng em được hoàn thiện hơn trong thời gian tới.
