báo cáo thực tập cơ bản tín hiệu digital

1 Tín hiệu số digital signal Nói một cách đơn giản, khi ở trạng thái 0 OFF thiết bị ngừng hoạt động, còn ở trạngthái 1 ON là thời gian thiết bị hoạt động.Tín hiệu Digital là tín hiệu kh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO THỰC TẬP CƠ BẢN

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh Viên thực hiện: Trần Hoàng Kiên MSSV: 20193302

Lớp:CTTT Hệ thống nhúng và Iot_K64

Hà Nội, 4-2021

LỜI NÓI ĐẦU

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

CHƯƠNG 1 Tín hiệu số 8

1.1 Ưu và nhược điểm của tín hiệu Digital 8

1.1.1 Ưu điểm của tín hiệu Digital 8

1.1.2 Khuyết điểm của tín hiệu Digital 9

CHƯƠNG 2 CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN 10

2.9 Sự đa năng của cổng NAND và cổng NOR 17

2.9.1 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NAND 18

2.9.2 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NOR 18

3.3 IC 7447 25

CHƯƠNG 4 LED 28

4.1 Đặc tính của LED 28

4.2 Cấu tạo của LED 28

4.3 Kiểm tra LED 29

Hình 1 10 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NAND 17

Hình 1 11 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NOR 17

Hình 1 12 Mạch logic ban đầu 17

Hình 1 13 Thay thế mỗi cổng bằng các cổng NAND 18

Hình 1 14 Mạch logic sau khi đơn giản 18

Hình 1 15 Sơ đồ bên trong IC 7400 20

Hình 1 16 IC 7400 trong thực tế 20

Hình 1 17 IC 74LS90 trong thực tế 22

Hình 1 18 Sơ đồ bên trong IC 74LS90 22

Hình 1 19 Cấu tạo bên trong IC 74LS90 24

Hình 1 20 IC 7447 trong thực tế 24

Hình 1 21 Cấu tạo bên trong IC7447 25

Hình 1 22 Sơ đồ thiết kế khối chức năng cho mạch đồng hồ điện tử số 29

Hình 1 23 Sơ đồ tạo xung nhịp đơn giản tần số 1 Hz 31

Hình 1 24 Sơ đồ khối bộ đếm thuận 31

Hình 1 25 Bảng hoạt động, các chân vào ra và sơ đồ bên trong IC 74LS90 32

Hình 1 26 Sơ đồ nối chân IC 33

Hình 1 27 IC 74LS47 giải mã LED 7 thanh hiển thị các chữ số thập phân 33

Hình 1 28 Bảng mô tả hoạt động của 74LS47 34

Hình 1 29 LED 7 thanh loại Anốt chung 34

Hình 1 30 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 35

Hình 1 31 Sơ đồ chân các IC trong mạch lắp ráp 36

Hình 1 32 Bo mạch thí nghiệm để lắp ráp mạch 36

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Table 1 Bảng trạng thái cổng NOT 9

Table 2 Bảng trạng thái cổng AND 10

Table 3 Bảng trạng thái cổng OR 11

Table 4 Bảng trạng thái cổng NAND 12

Table 5 Bảng trạng thái cổng NOR 13

Table 6 Bảng trạng thái cổng EX-OR 14

Table 7 Bảng trạng thái cổng EX-NOR 15

Table 8 Bảng trạng thái IC 7400 20

Table 9 Sơ đồ chân IC 74LS90 22

Table 10 Sơ đồ chân IC7447 25

CHƯƠNG 1 Tín hiệu số

Tín hiệu Digital hay còn gọi là tín hiệu số là tín hiệu rời rạc không nối tiếp nhau theo

từng thời điểm Đây là tín hiệu được thể hiện bằng những con số cụ thể trong máy tínhgọi là nhị phân điện thế 0-1; thể hiện ở 2 mức cao và thấp trong đó mức điện thế cao là1 và mức điện thấp là 0 hay còn được hiểu với nghĩa là OFF – ON.

Hình 1 1 Tín hiệu số ( digital signal )

Nói một cách đơn giản, khi ở trạng thái 0 (OFF) thiết bị ngừng hoạt động, còn ở trạngthái 1 (ON) là thời gian thiết bị hoạt động.

Tín hiệu Digital là tín hiệu không có thật trong tự nhiên ,được con người tạo ra bằngcông nghệ nên có thể thay đổi điều chỉnh theo mục đích của mình Ví dụ: điều chỉnhâm thanh trong loa máy tính, điều chỉnh âm thanh ti vi; có thể tăng âm lượng lớn lênhoặc nhỏ đi trong máy nghe nhạc….; nói chung là không có sẵn mà phải nhờ tác độngcủa con người thông qua công nghệ.

Tín hiệu Digital được áp dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống chủ yếu là các thiếtbị điện tử viễn thông…

1.1 Ưu và nhược điểm của tín hiệu Digital

1.1.1 Ưu điểm của tín hiệu Digital

− Khi sử dụng tín hiệu Digital trong quá trình truyền tải sẽ giúp loại bỏ các tạp âm.− Việc sao chép các thông tin được thực hiện chất lượng hơn và không bị hạn chế.− Tín hiệu Digital không bị ảnh hưởng bởi điện áp và dao động nhiệt.

− Dù là các biến dạng tuyến tính hay không tuyến tính, digital vẫn không bị biếndạng.

− Tốc độ không làm ảnh hưởng hay gây méo dao động.1.1.2 Khuyết điểm của tín hiệu Digital

− Tín hiệu digital được biểu thị dưới dạng số 0-1 do vậy chúng dễ bị tổn thất khitruyền tải Trong quá trình truyền âm thanh nhưng sai sót một vài byte dữ liệu cũngkhiến cho âm thanh bị lỗi.

− So với tín hiệu analog, hệ thống, quy trình xử lý tín hiệu digital phức tạp và tốnkém hơn rất nhiều.

− Một điểm trừ nữa của tín hiệu Digital chính là không thể cắt nối hay ghi âm được.Mỗi tín hiệu đều có những ưu và nhược điểm riêng Trong cuộc sống chúng ta khôngthể không có tín hiệu digital để lưu trữ và xử lý thông tin Mặc dù ứng dụng này có thểđược thay thế bằng tín hiệu analog, tuy nhiên analog không thể truyền tải được thôngtin đi xa, do đó digital vẫn không thể thay thế.

CHƯƠNG 2 CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN

2.1 Cổng NOT

− Cổng NOT chỉ có một ngõ vào và một ngõ ra Cổng NOT dùng để thực hiện phépNOT hay phép phủ định trong đại số Boole Cổng NOT còn được gọi là cổng ĐẢO(Inverter).

2.2 Cổng AND

− Cổng AND dùng thực hiện hàm AND của 2 hay nhiều biến Cổng AND có sốngõ vào tuỳ thuộc vào số biến và có một ngõ ra Ngõ ra cổng là hàm ANDcủa các biến ngõ vào.

Q = A.B

2.3 Cổng OR

− Cổng OR dùng thực hiện hàm OR của 2 hay nhiều biến Cổng OR có số ngõvào tuỳ thuộc vào số biến và có một ngõ ra Ngõ ra cổng là hàm OR củacác biến ngõ vào.

Q = A + B

2.8 Sự kết hợp của các cổng logic

− Các cổng logic có thể kết hợp lại với nhau để tạo ra một mạch logic thực hiện mộtyêu cầu cụ thể nào đó Bảng trạng thái có thể được sử dụng để xác định chức năngcủa một mạch tổ hợp được hiển thị bên dưới:

Hình 1 9 Mạch logic và bảng trạng thái

− Đầu tiên, chúng ta tạo ra một bảng hiển thị tất cả các trạng thái có thể có ở các ngõvào A, B, C với các cột bổ sung cho mỗi ngõ ra trung gian (D và E) cũng như ngõra cuối cùng (Q) Sau đó, tính ra tất cả các trạng thái ngõ ra trung gian, điền vàobảng như bạn thấy trên Hình 1 9 Các ngõ ra trung gian này tạo thành các ngõ vàocho cổng tiếp theo để bạn có thể sử dụng chúng để xác định trạng thái logic củangõ ra tiếp theo, trong ví dụ này là ngõ ra cuối cùng (Q)

− Bảng trạng thái hay bảng chân trị ở trên cho thấy trạng thái hay mức logic của cácngõ ra trung gian D và E cũng như ngõ ra cuối cùng Q tương ứng với mức logic ởcác ngõ vào A, B, C.

2.9 Sự đa năng của cổng NAND và cổng NOR

− Tất cả các biểu thức logic đều có thể được xây dựng thông qua các cổng NOT,AND và OR Tuy nhiên, để thực hiện các biểu thức mà chỉ dùng một loại cổngNAND (hay cổng NOR), chúng ta sẽ biến đổi cổng NAND (hay cổng NOR) đểthực hiện các cổng logic cơ bản AND, OR, NOT tương đương như sau:

2.9.1 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NAND

Hình 1 10 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NAND

2.9.2 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NOR

Hình 1 11 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NOR

− Để minh họa cho vấn đề vừa trình bày ở trên, chúng ta xem ví dụ sau đây.− Biến đổi mạch logic bên dưới Hình 1 12 về dạng mạch chỉ dùng một loại cổng

NAND.

Hình 1 12 Mạch logic ban đầu

− Chúng ta thấy rằng mạch này có 3 cổng khác nhau (NOR, AND và OR) để thi côngmạch này thì cần phải có ba IC khác nhau cho mỗi loại cổng.

− Để thiết kế lại mạch logic này bằng cách sử dụng cổng NAND, chúng ta sẽ thay thếmỗi cổng bằng các cổng NAND tương đương của nó, như Hình 1 13 dưới đây.

Hình 1 13 Thay thế mỗi cổng bằng các cổng NAND

− Sau đó, chúng ta đơn giản mạch bằng cách xóa các cặp cổng NOT liền kề (đượcđánh dấu X ở hình trên) Điều này có thể được thực hiện vì khi hai cổng NOT mắcnối tiếp nhau thì trạng thái logic ở ngõ vào và ngõ ra là giống nhau Hình 1 14dưới đây cho thấy mạch logic sau khi đơn giản.

Hình 1 14 Mạch logic sau khi đơn giản

− Mạch logic cuối cùng có năm cổng NAND và chỉ dùng hai IC (với bốn cổng chomỗi IC) Rõ ràng, mạch này tốt hơn so với mạch ban đầu vì số lượng IC sử dụng íthơn Điều này dẫn đến việc thi công mạch sẽ dễ dàng và tiết kiệm được chi phíhơn.

− Tất nhiên, mạch logic ở trên cũng có thể biến đổi về dạng mạch chỉ dùng một loạicổng NOR Các bạn hãy suy nghĩ cách thực hiện nhé.

− Như vậy, chúng ta thấy rằng bất kỳ một mạch logic nào cũng có thể chuyển vềdạng mạch chỉ dùng một loại cổng NAND hay cổng NOR Chính vì điều này màcổng NAND và cổng NOR được gọi là hai cổng đa năng.

2.10 Ứng dụng của cổng logic

− Các ứng dụng của cổng logic chủ yếu được xác định dựa trên bảng trạng thái củachúng, tức là phương thức hoạt động của chúng Các cổng logic cơ bản được sửdụng trong nhiều mạch điện như khóa nút nhấn, kích hoạt báo trộm bằng ánh sáng,bộ điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống tưới nước tự động, v.v.

− Ngoài ra, cổng logic cũng chính là các phần tử cấu thành nên các mạch tổ hợpchẳng hạn như mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch đa hợp, mạch giải đa hợp,…

CHƯƠNG 3 CÁC LOẠI IC CƠ BẢN

Hình 1 15 Sơ đồ bên trong IC 7400

Hình 1 16 IC 7400 trong thực tế

− Sơ đồ chân IC 7400 :P1: Là A-input Gate-1P2: Là B-input Gate-1P3: Là Y-output Gate-1P4: Là A-input Gate-2P5: Là B-input Gate-2P6: Là Y-output Gate-2P7: Là GND terminalP8: Là Y-output Gate-3P9: Là B-input Gate-3P10: Là A-input Gate-3P11: Là Y-output Gate-4P12: Là B-input Gate-4P13: Là A-input Gate-4P14: Là Vcc (Positive Supply)

− Một số thông số kỹ thuật và tính năng của vi mạch 7400 bao gồm những điều sauđây:

Nguồn điện áp là 5 V

Độ trễ lan truyền cho mỗi cổng sẽ là 10 nsTốc độ chuyển đổi tối đa là 25 MHzCông suất sử dụng cho mỗi cổng là 10 mWCổng NAND - 4 2-i /p.

Đầu ra có thể được giao tiếp với TTL, NMOS, CMOS.Phạm vi điện áp hoạt động sẽ lớn

Điều kiện hoạt động rộng rãi

Không phù hợp với các thiết kế mới sử dụng 74LS00

− Một số ứng dụng của IC 7400 bao gồm những điều sau đây.

Các IC này được sử dụng để thiết kế một hệ thống như báo trộm hoặc báotrộm.

Chúng được sử dụng trong còi cảnh báo tủ đông.

Chúng được sử dụng trong báo động trộm được kích hoạt bằng ánh sáng.Chúng được sử dụng trong hệ thống tưới nước tự động.

3.2 IC 74LS90

− IC 74LS90 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số đếm lên và trong cácmạch chia tần số.

Hình 1 17 IC 74LS90 trong thực tế

Hình 1 18 Sơ đồ bên trong IC 74LS90

Table 9 Sơ đồ chân IC 74LS90

1 Clock input 2

(CLKA) Ngõ vào xung đồng hồ 2 (xung kích cạnh xuống)2 Reset 1 (R0(1)) Chân Reset 1 (Reset về 0) – Tích cực mức 13 Reset 2 (R0(2)) Chân Reset 2 (Reset về 0) – Tích cực mức 14 Not connected (NC) Không sử dụng

5 Supply voltage Chân cấp nguồn 5V (4.75V – 5.25V)6 Reset 3 (R9(1)) Chân Reset 3 (Reset về 9) – Tích cực mức 17 Reset 4 (R9(2)) Chân Reset 4 (Reset về 9) – Tích cực mức 18 Output 3 (QC) Ngõ ra 3

9 Output 2 (QB) Ngõ ra 2

CHƯƠNG 4 LED

Led (Light Emitter Diode) là một mối nối bán dẫn PN, khi bị kích thích bởi dòng điện

thì nó phát ra sáng Như vậy có thể xem Led là một linh kiện chuyển đổi trực tiếp điệnnăng ra quang năng, không như bóng đèn tìm phải chuyển điện năng ra dạng nhiệt, chođốt nóng một sợi kim loại trong môi trường khan khí oxy và chờ khi sợi kim loại nónglên mới phát ra sáng

4.1 Đặc tính của LED

− Có hiệu suất rất cao, vì nó chuyển thẳng điện năng ra quang năng

− Có quán tính nhỏ, nghĩa là tắt là tắt ngay và cho sáng là sáng ngay, nhấp nháy nhịprất nhanh.

− Có thể làm việc ở mức volt DC thấp và dòng nhỏ, chỉ vài Volt và vài mA.− Kích thước của điểm sáng có thể làm rất nhỏ, lại có nhiều màu.

4.2 Cấu tạo của LED

− Led được cấu tạo từ một mối nối bán dẫn PN, khi chất bán dẫn Silicon cho phaIndium (có 3 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một nối

thiếu điện tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng ta sẽ có chân bán dẫn loại P và khi chopha với Phosphor (có 5 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra1 hạt điện tử), chúng ta có chân bán dẫn loại N.

− Chất bản dẫn loại P tạo điều kiện dẫn điện bằng các lỗ trống (Hole), đó chính là cácnối hóa trị thiếu điện tử Còn chất bán dẫn loại N có điểu kiện dẫn điện là do cácđiện tử tự do (điện tử dư ra do phosphor có 5 điện tử hóa trị mà trong kết nối tinhthể chỉ cần có 4 ).

− Ngày nay người ta muốn dùng Led làm nguồn chiếu sáng mạnh để thay thế các đènchiếu sáng cổ điển, vì Led có hiệu suất rất cao, an toàn, tuổi thọ dài, ít hao điện vàrất dễ dùng Hình trên đây cho thấy hình dạng của các Led công suất lớn, hiện nóđã là nguồn sáng lạnh rất mạnh và trong một tương lai gần thôi nó sẽ thay thế cácđèn chiếu sáng nóng như loại đèn sợi nung, loại đèn chiếu sáng ồn, gây nhiềunhiễu, như đèn ống huỳnh quang.

−

− Khi mối nối PN được cho phân cực thuận với nguồn pin ngoài, một dòng điện kíchthích khi chảy qua mối nối bán dẫn PN sẽ tạo các dao động của các điện tử (Bạnxem hình) và các dao động này sẽ phát ra sóng điện từ trường đó chính là các tiasáng Tóm lại Led có 2 chân, gọi là chân âm cực hay Cathode ( do chân này chonối vào cực âm của pin) và chân dương cực hay Anode (do chân này cho nối vàocực dương của pin), khi chúng ta cho dòng điện chảy qua một Led nó sẽ phát rachùm tia sáng, và để có điềm sáng đủ mạch, chúng ta dùng vật liệu nhựa trong suốtlàm kính hội tụ.

4.3 Kiểm tra LED

− Khi dùng Ohm kế để kiểm tra Led Bạn nhớ các điểm sau:

− (1) Lấy thang đo Rx1 để có dòng chảy ra trên dây đo lớn, lúc này dòng ngắn mạch(chập 2 dây đo lại) , dòng chảy trên dây đo sẽ lớn nhật và thường ở thang Rx1 là150mA (con số này có ghi trên máy đo).

− (2) Do dây đo màu đỏ nối vào cực âm của pin (pin 3V trong máy đo), nên dòngđiện tử chảy ra từ dây đen và do dây màu đỏ nối vào cực dương của pin nên dòngđiện tử sẽ bị hút vào ở dây đỏ.

− (3) Khi đo Led (hay nói chung là khi Bạn đo các linh kiện có tính phi tuyến nhưdiode, transistor, IC) Bạn nên xem kết quả trên vạch chia LV, vạch LV cho Bạn biết

mức volt hiện có trên vật đo và khi đọc kết quả trên vạch chia LI, vạch LI cho Bạnbiết cường độ dòng điện đang chảy qua vật đo.

− Vậy với Led, khi dây đen đặt trên chân Cathode và dây đỏ trên chân Anode, Led sẽsáng Đọc kết quả trên vạch chia LV Bạn biết điện áp có trên 2 chân của Led và đọc trên vạch chia LI, Bạn biết cường độ dòng điện đang chảy qua Led.

− Đảo chiều 2 dây đo Led sẽ không sáng, vì nó bị phân cực ngược, khi mối nối bándẫn PN bị phân cực ngược nó sẽ không cho dòng chảy qua.

CHƯƠNG 5 Thiết kế lắp ráp mạch đếm thuận

MỤC ĐÍCH THỰC HÀNH

− Lắp ráp mạch đếm thuận hiển thị trên LED 7 thanh.

− Vận dụng thành thạo các vi mạch số: IC 7447 để giải mã LED 7 thanh anôtchung (Common Anode); IC 7490 để tạo bộ đếm IC 7400 để tạo xung clock1Hz (không yêu cầu độ chính xác cao).

− Sử dụng thành thạo đồng hồ đo Ổn định kỹ năng lắp ráp, đo, nhận dạng linhkiện rời rạc.

TRANG THIẾT BỊ CẦN THIẾT

− Panel thực hành vạn năng và các linh kiện cần thiết− Đồng hồ đo vạn năng (VOM), dụng cụ lắp ráp

NỘI DUNG THỰC HÀNH

− Các bước thực hiện:

Thiết kế sơ đồ khối chức năngThực hiện từng khối với các IC đã choThiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch

5.1 Thiết kế sơ đồ khối chức năng

5.1.1 Sơ đồ khối

− Căn cứ theo hoạt động của mạch đếm thuận hiển thị số trên LED 7 thanh,nhóm thực tập đã thiết kế sơ đồ khối chức năng cho mạch đồng hồ điện tử gồm 5khối được chỉ ra ở Hình 1 22.

Hình 1 22 Sơ đồ thiết kế khối chức năng cho mạch đồng hồ điện tử số

5.1.2 Mô tả chức năng từng khối

− Khối nguồn DC 5 V : Các vi mạch số họ TTL (74LSxxx) thường dùng nguồnnuôi 1 chiều 5V, vì vậy ta cần có khối tạo nguồn nuôi DC 5V đưa đến tất cảcác khối mạch còn lại.

− Khối tạo xung nhịp với chức năng tạo ra xung nhịp chuẩn tần số 1 Hz (chukỳ 1 giây) để tác động vào khối bộ đếm Như vậy, mỗi nhịp xung sẽ tác độnglàm bộ đếm tăng lên 1 đơn vị tương ứng với 1 giây.

− Khối bộ đếm với chức năng đếm theo sự tác động của xung nhịp 1 Hz cho rasố đếm mã BCD.

− Khối giải mã hiển thị LED 7 thanh với chức năng nhận các số đếm mã BCDtừ khối bộ đếm chuyển sang để giải mã thành các tín hiệu điều khiển khốiLED 7 thanh

− Khối hiển thị gồm 2 LED 7 thanh để hiển thị 2 chữ số hàng đơn vị và hàngchục Đây là yêu cầu đặt ra cho thiết kế.