THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN, NGHỊCH ĐỒNG BỘ Kđ=16, SỬ DỤNG D-FF, HIỂN THỊ SỐ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH

Đồ án môn học: Kỹ thuật xung số THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN, NGHỊCH ĐỒNG BỘ Kđ=16, SỬ DỤNG D-FF, HIỂN THỊ SỐ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN, NGHỊCH ĐỒNG BỘ Kđ=16, SỬ DỤNG D-FF, HIỂN THỊ SỐ ĐẾM

TRÊN LED 7 THANH

Giáo viên hướng dẫn: ThS.Hà Thị Phương

Sinh viên thực hiện : Trần Thái Dương 2021608140

Hà Nội - 2023

MỤC LỤ

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH···5

DANH MỤC BẢNG BIỂU···6

LỜI NÓI ĐẦU···7

Chương 1 TỔNG QUAN···8

1.1 Tổng quan về bộ đếm nhị phân nghịch, đồng bộ···8

1.2 Mục đích nghiên cứu···12

1.3 Đối tượng nghiên cứu···12

1.4 Phạm vi nghiên cứu···12

1.5 Ý nghĩa thực tiễn···12

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ···13

2.1 Sơ đồ khối···13

2.2 Tính toán···14

2.3 Lựa chọn linh kiện···18

2.4 Thiết kế···28

Chương 3 CHẾ TẠO LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH···32

3.1.1 Liệt kê các linh kiện cần dùng···32

3.1.2 Mạch sau khi thiết kế hoàn chỉnh···32

Chương 4 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN···34

4.1 Đánh giá sản phẩm···34

4.2 Tính thực thế của sản phẩm···34

4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển···34

TÀI LIỆU THAM KHẢO···35

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 : Sơ đồ khối của bộ đếm 7

Hình 2 : Đồ hình trạng thái tổng quát của bộ đếm 7

Hình 3 : Sơ đồ khối bộ đếm 12

Hình 4 : IC 555 17

Hình 5 : Khối tạo xung – IC 555 18

Hình 6 : D-CD4013BE thực tế 19

Hình 7 : D-CD4013BE 19

Hình 8 : 74LS83 20

Hình 9 : IC 74LS83 21

Hình 10 : 74LS08 21

Hình 11 : IC 74LS08 22

Hình 12 : 74HC32 22

Hình 13 : IC 74HC32 23

Hình 14 : 74LS47 23

Hình 15 : IC 74LS47 24

Hình 16 : IC HEF4070BP 24

Hình 17 : IC HEF4070BP 25

Hình 18 : 7SEG 26

Hình 19 : Mặt trước của sản phẩm 29

Hình 20 Mặt sau của sản phẩm 29

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED1 15Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED2 15Bảng 2.3 Giá trị và chức năng của các linh kiện 16

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoahọc công nghệ nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng cónhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại vàvăn minh hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt nhữngthiết bị có các đặc điểm với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạt

và hoạt động ổn định Đó là những yếu tố cần thiết làm cho năng suất, hiệuquả trong công việc được tăng cao, hoạt động của con người được giảm bớt.Xuất phát từ thực tế, nên em chọn đề tài “Mạch đếm thuận, đồng bộ, nhị phânvới kđ=16 sử dụng D-FF ” được sử dụng để đếm thời gian, đếm sản phẩm,đèn giao thông, chia tần số và điều khiển các mạch khác……

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài báo cáo này, tuy nhiên chúng em vẫnkhông thể tránh sót mong quý thầy, cô và bạn đọc đóng góp ý kiến để đồ án

có thể hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin cảm ơn cô Hà Thị Phương đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp

đỡ em trong suốt quá trình làm bài tập lớn này để em được hoàn thành vớithời gian sớm nhất và hoàn chỉnh nhất

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về bộ đếm nhị phân nghịch, đồng bộ

Bộ đếm thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển và nóchỉ có một đầu vào Do đó, nếu xung đồng bộ (CLK) xuất hiện khác thời điểmxung đếm (Xđ) xuất hiện thì việc đếm xung không thực hiện được nên mạchđếm phải có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ

có một đầu vào

Hình 1: Sơ đồ khối của bộ đếm

Đồ hình trạng thái: Đồ hình là mô hình mô tả sự chuyển đổi các trạngthái trong hay chính là mô tả hoạt động của bộ đếm

Hình 2: Đồ hình trạng thái tổng quát của bộ đếm

Khi không có tín hiệu vào đếm ( Xđ´ ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu(i = i) khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp

Khi bộ đếm ở trạng thái nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm

sẽ trở về trạng thái ban đầu và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần

Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêmmạch giải mã

Phân loại:

Phân loại theo cách làm việc:

+ Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổitrạng thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm Mọi

sự chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông quatrạng thái trung gian Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ.+ Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter): là bộ đếm tồn tại ítnhất một cặp chuyển biến trạng thái Si = Sj mà trong đó các FF không thayđổi trạng thái đồng thời.Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF.Phân loại theo hệ số đếm

+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = 2n: Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sửdụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hoá tối

đa là 2n (Kđ = 2, 4, 8, 16 )

+ Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = 2n: Sử dụng n FF để mã hoá các trạng tháitrong cho bộ đếm, sẽ có ( 2n- Kđ) trạng thái không được sử dụng đến Do vậykhi thiết kế bộ đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái không sử dụng tức là cầnphải 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 đơngiản (Kđ = 3, 5, 6, 7, 10 )

Phân loại theo mã:

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong nàyđến trạng thái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hoá bởimột mã cụ thể Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá trạng tháitrong khác nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thựchiện khác nhau

- Mã nhị phân, Mã Gray

- Mã BCD, Mã Johnson

- Mã vòng

Phân loại theo hướng đếm:

+ Bộ đếm thuận (Up counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm(Xđ) thì trạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1 (Si = Si+1)

+ Bộ đếm nghịch (Down counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm(Xđ) thì trạng thái trong của bộ đếm giảm đi 1 (Si = Si-1)

Chú ý: Khái niệm thuận nghịch chỉ là tương đối chủ yếu là do vấn đề mãhoá 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: Kđ có thể thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển

+ Bộ đếm không có khả năng lập trình: Kđ cố định, không thay đổi được

1.1.1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thế kỉ của khoa học, của tri thức cùng với đó

là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và khoa học ứng dụng Kỹthuật điện tử cũng nằm trong số đó, nó đang phát triển rất nhanh và ứng dụngrộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội Con người đang chuyển dần từ điềukhiển bằng tay sang điều khiển tự động

Nền công nghiệp đã đạt được nhũng thành tựu nhờ ứng dụng của khoahọc kỹ thuật và công nghệ Máy móc đã thay thế con người trong nhiều côngviệc đặc biệt là công việc nặng nhọc

Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ với sự ra đời củahàng loạt các vi mạch Sự phát triển của kĩ thuật điện tử như ngày nay khiếncho nhu cầu tiếp xúc với lĩnh vực điện tử số không thể thiếu được

Để xây dựng một thiết bị hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm,thanh ghi, bộ nhớ, … trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệ thống Và

để hiểu rõ hơn về mạch đếm chúng tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế bộ đếm nhịphân, thuận, đồng bộ Kđ =16, sử dụng D-FF, hiển thị số đếm trên LED 7thanh” Hệ đếm nhị phân được cấu trúc bởi các trigger, các trạng thái ngõ rađược xác lập dưới dạng mã nhị phân biểu thị bằng trạng thái 0 và 1

Căn cứ vào sự tác động của xung đầu vào, người ta chia làm hai loại: bộđếm đồng bộ và bộ đếm không đồng bộ

 Bộ đếm đồng bộ là bộ đếm mà đầu vào xung nhịp của tất cả các flops riêng lẻ bên trong bộ đếm đều được đồng bộ hóa cùng một lúc bằngcùng một tín hiệu xung nhịp

flip- Bộ đếm không đồng bộ hay thường được gọi là bộ đếm gợn Đó là một

sự sắp xếp theo tầng của các flip-flop trong đó đầu ra của một flip-flop điềukhiển đầu ra xung nhịp của flip-flop sau Một bộ đếm gợn bao gồm một loạtcác flip-flop khen ngợi trong đó đầu ra của mỗi flip-flop được kết nối với đầuvào đồng hồ của flip-flop bậc cao tiếp theo

Trong một bộ đếm đồng bộ, tất cả các flip-flop được kích hoạt bởi cùngmột tín hiệu đồng hồ và các đầu ra của trạng thái thay đổi bộ đếm cùng mộtlúc, do đó không có độ trễ lan truyền vốn có giữa các đầu ra khác nhau Trong

bộ đếm không đồng bộ, ngược lại với bộ đếm đồng bộ, đầu vào đồng hồ củaflip-flop không được kích hoạt bởi cùng một tín hiệu đồng hồ; trong thực tế,đầu ra của một flip-flop ổ đĩa khác Điều này dẫn đến độ trễ thời gian tiếptheo giữa các đầu ra từ một lần lật này sang lần khác

Bởi vì tất cả các flip-flop được đồng hồ cùng một lúc, một bộ đếm đồng

bộ có cùng số lượng và loại flip-flop có thể hoạt động ở tần số xung nhịp caohơn nhiều so với bộ đếm không đồng bộ Vì tín hiệu đồng hồ được áp dụngđồng thời cho các đầu vào đồng hồ của tất cả các flip-flop, không có độ trễthời gian giữa các đầu ra khác nhau

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Quy trình thiết kế của mạch tổ hợp

- Phần mềm mô phỏng Proteus

- Phần mềm vẽ mạch in Altium

- 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

1.4 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, mạch in PCB, linh kiện điện tử căn

Chương 2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 2.1 Sơ đồ khối

Hình 3: Sơ đồ khối bộ đếm

Khối Nguồn:

Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch ở đây là nguồn ổn định 5V Nếu nguồnkhông 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 theoyêu cầu Tạo xung đồng bộ điều khiển có chu kỳ không đổi hoạt động củamạch

Khối điều khiển:

Thực hiện thao tác mã hóa Căn cứ vào yêu cầu, đặc điểm khác nhau của tínhiệu được mã hóa có các bộ mã hóa khác nhau: bộ mã hóa nhị phân, bộ mãhóa 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

2.3 Lựa chọn linh kiện

Bảng 2.1 Giá trị và chức năng của các linh kiện

Tên linh kiện Giá trị Chức năng

đếm

Hình 5: Khối tạo xung – IC 555

- Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi làchân chung

- Chân số 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh vàđược dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp Mạch so sánh ởđây dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc

- Chân số 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạngthái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 Mức 1 ở đây là mức cao,

nó tương đương với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đươngvới 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó trongkhoảng 0.35- 0.75V 20

- Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối massthì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức điện áp cao thì trạng tháingõ ra tùy theo mức điện áp trên chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch đểtạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc

- 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 này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người tathường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các

tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện ápkhác và cũng được dùng như một chân chốt

- Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử vàchịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóanày đóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R-

- Chân 5 - VCC là chân nguồn.

- Chân 12 – GND là chân ground

2.3.4 IC 74LS08

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 cảhai giá trị đầu vào là “1”

Hình 11: IC 74LS08

- Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13: Các cặp đầu vào

- Chân 3, 6, 8, 11: Các đầu ra

- Chân 7 GND là chân ground

- Chân 14 VCC là chân nguồn

2.3.5 IC 74HC32

74HC32 là một IC 4 cổng OR 2 đầu vào độc lập với đầu ra

Hình 12: 74HC32

Hình 13: IC 74HC32

- Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13: Các cặp đầu vào

- Chân 3, 6, 8, 11: Các đầu ra

- Chân 7 GND là chân ground

- Chân 14 VCC là chân nguồn

2.3.6 IC 74LS47

Hình 14: 74LS47

Hình 15: IC 74LS47

- Chân 16 cấp nguồn VCC 5V, nếu quá 5V thì IC này sẽ bị chết

- 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 vớiled 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 traled bảy đoạn, nếu ta cắm chân này xuống mass thì bộ giải mã sẽ sáng cùnglúc với bảy đoạn Chân này chỉ phục vụ để kiểm tra xem có led nào bị hỏnghay 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 mứcthấp thì toàn bộ led sẽ không sáng bất chấp trạng thái ngõ vào là mức gì

- Chân 5 (RBI) kết nối với mức cao

2.3.7 IC-HEF4070BP

Hình 16: IC HEF4070BP

Hình 17: IC HEF4070BP

Sơ đồ chân của:

2.3.8 7SEG

Hình 18: 7SEG

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 mànhình 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

2.4 Thiết kế

Sơ đồ thiết kế mạch logic trên phần mềm Proteus

Hình 2-19 Sơ đồ thiết kế mạch logic trên phần mềm Proteus

Mạch nguyên lý mô phỏng trên proteus

Hình 2-20 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

Sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Proteus

Hình 2-21 Sơ đồ mô phỏng

Hình 2-22 Sơ đồ đi dâ

CHẾ TẠO LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH

2.4.1 Liệt kê các linh kiện cần dùng

Bằng việc tham khảo các tài liệu ta cần các linh kiện sau: IC 555, 7SEG (2), IC 74LS08, IC 74HC32, IC 74LS47 (2), IC 74LS76 (2), IC 4070, nút nhấn, điện trở, tụ điện,…

Mạch sau khi thiết kế hoàn chỉnh

Hình 19: Mặt trước của sản phẩm

Hình 20 Mặt sau của sản phẩm

Chương 3 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 3.1 Đánh giá sản phẩm

Ưu điểm: mạch chạy đúng yêu cầu, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, chi phí phù hợp

Nhược điểm: bố trí mạch chưa khoa học, thiết kế chưa mang tính công nghiệp

3.2 Tính thực thế của sản phẩm

Đây là đề tài rất hay và được ứng dụng rất nhiều trong đời sống cũngnhư trong công nghiệp Nhằm tăng năng suất, hiệu quả trong công việc vàgiảm sức lao động của con người Mạch đếm được đưa vào sử dụng thay thếcon người trong công việc như đếm sản phẩm, đếm thời gian, đèn giao thông,chia tần số và điều khiển các mạch khác… Với đặc điểm tiện lợi, chính xáccao, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, mạch đếm nhanh chóng được biếtđến và được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực

3.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển

Hướng phát triển: Có thể thay thế các linh kiện, IC tạo xung, IC điềukhiển, IC giải mã… bằng các linh kiện khác trên thị trường mà vẫn đáp ứngđược nhu cầu của đề tài

Đề xuất cải tiến: thiết kế mạch phù hợp hơn, để mạch được thống nhất,không bị rối mắt vì phải câu dây nhiều