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
Tín hiệu số
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 biến dạng.
− 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 khi truyền tải Trong quá trình truyền âm thanh nhưng sai sót một vài byte dữ liệu cũng khiến cho âm thanh bị lỗi.
− So với tín hiệu analog, hệ thống, quy trình xử lý tín hiệu digital phức tạp và tốn kém hơn rất nhiều.
Mặc dù tín hiệu Digital có nhược điểm không thể cắt nối hay ghi âm, nhưng nó vẫn đóng vai trò thiết yếu trong việc lưu trữ và xử lý thông tin So với tín hiệu Analog, Digital có khả năng truyền tải thông tin đi xa, khắc phục hạn chế của Analog Do đó, trong cuộc sống hiện đại, tín hiệu Digital vẫn là lựa chọn ưu tiên dù có thể được thay thế bằng tín hiệu Analog.
CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN
Cổng NOT
− Cổng NOT chỉ có một ngõ vào và một ngõ ra Cổng NOT dùng để thực hiện phép NOT hay phép phủ định trong đại số Boole Cổng NOT còn được gọi là cổng ĐẢO (Inverter).
Hình 1 2 Ký hiệu cổng NOT
Table 1 Bảng trạng thái cổng NOT
− Nhận xét: Ngõ vào và ngõ ra có mức logic trái ngược nhau.
Cổng AND
− Cổng AND dùng thực hiện hàm AND của 2 hay nhiều biến Cổng AND có số ngõ vào tuỳ thuộc vào số biến và có một ngõ ra Ngõ ra cổng là hàm AND của các biến ngõ vào.
Hình 1 3 Ký hiệu cổng AND
Table 2 Bảng trạng thái cổng AND
Các ngõ vào Ngõ ra
Ngõ ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả các ngõ vào lên cao. Khi có một ngõ vào bằng 0, ngõ ra bằng 0 bất chấp các ngõ vào còn lại.
Cổng OR
Cổng OR thực hiện phép toán OR logic trên nhiều biến vào (số lượng tùy ý) Cổng OR có một ngõ ra và một số ngõ vào tương ứng với số biến Giá trị ngõ ra của cổng OR là kết quả của phép toán OR logic trên các giá trị ngõ vào.
Hình 1 4 Ký hiệu cổng OR
Table 3 Bảng trạng thái cổng OR
Các ngõ vào Ngõ vào
Ngõ ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi tất cả các ngõ vào xuống thấp. Khi có một ngõ vào bằng 1, ngõ ra bằng 1 bất chấp các ngõ vào còn lại.
Cổng NAND
− Cổng NAND là kết hợp của cổng AND và cổng NOT Ngõ ra của cổng NAND là đảo với ngõ ra cổng AND.
Hình 1 5 Ký hiệu cổng NAND
Table 4 Bảng trạng thái cổng NAND
Các ngõ vào Ngõ ra
Ngõ ra cổng NAND = 1 khi có ít nhất 1 ngõ vào của nó bằng 0. Ngõ ra cổng NAND = 0 khi tất cả các ngõ vào của nó bằng 1.
Cổng NOR
− Cổng NOR là kết hợp của cổng OR và cổng NOT Ngõ ra của cổng NOR là đảo với ngõ ra cổng OR.
Hình 1 6 Ký hiệu cổng NOR
Table 5 Bảng trạng thái cổng NOR
Các ngõ vào Ngõ ra
Ngõ ra cổng NOR = 1 khi tất cả các ngõ vào của nó có giá trị 0.
Ngõ ra cổng NOR = 0 khi có ít nhất 1 ngõ vào của nó có giá trị 1
Cổng EX-OR
− Cổng EX-OR dùng để thực hiện hàm EX-OR Cổng EX-OR chỉ có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra.
Hình 1 7 Ký hiệu cổng EX-OR
Table 6 Bảng trạng thái cổng EX-OR
Các ngõ vào Ngõ ra
Ngõ ra của cổng EX-OR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic bằng nhau. Ngõ ra của cổng EX-OR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic khác nhau.
Cổng EX-NOR
Cổng EX-NOR là sự kết hợp giữa cổng EX-OR và cổng NOT, được sử dụng để thực hiện hàm EX-NOR Cổng EX-NOR có đặc điểm chỉ có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra, hoạt động theo bảng chân lý riêng.
Hình 1 8 Ký hiệu cổng EX-NOR
Table 7 Bảng trạng thái cổng EX-NOR
Các ngõ vào Ngõ ra
Ngõ ra của cổng EX-NOR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic khác nhau. Ngõ ra của cổng EX-NOR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic bằng nhau.
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 một yêu cầu cụ thể nào đó Bảng trạng thái có thể được sử dụng để xác định chức năng của một mạch tổ hợp được hiển thị bên dưới:
Hình 1 9 Mạch logic và bảng trạng thái
Đầu tiên, tạo bảng hiển thị mọi trạng thái có thể của ngõ vào A, B, C và thêm cột cho các ngõ ra trung gian (D và E) cũng như ngõ ra cuối cùng (Q) Tiếp theo, tính toán trạng thái ngõ ra trung gian và điền vào bảng (Hình 1) Những ngõ ra trung gian này trở thành ngõ vào cho cổng tiếp theo, dùng để xác định trạng thái logic của ngõ ra tiếp theo, tức ngõ ra cuối cùng (Q) trong ví dụ này.
− Bảng trạng thái hay bảng chân trị ở trên cho thấy trạng thái hay mức logic của các ngõ ra trung gian D và E cũng như ngõ ra cuối cùng Q tương ứng với mức logic ở các ngõ vào A, B, C.
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) để thực 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 cổngNAND.
Hình 1 12 Mạch logic ban đầu
− Chúng ta thấy rằng mạch này có 3 cổng khác nhau (NOR, AND và OR) để thi công mạch 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 thế mỗi 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 (được đánh dấu X ở hình trên) Điều này có thể được thực hiện vì khi hai cổng NOT mắc nối tiếp nhau thì trạng thái logic ở ngõ vào và ngõ ra là giống nhau Hình 1 14 dưới 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 cho mỗi IC) Rõ ràng, mạch này tốt hơn so với mạch ban đầu vì số lượng IC sử dụng ít hơn Điều này dẫn đến việc thi công mạch sẽ dễ dàng và tiết kiệm được chi phí hơn.
− Tất nhiên, mạch logic ở trên cũng có thể biến đổi về dạng mạch chỉ dùng một loại cổng 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 về dạng mạch chỉ dùng một loại cổng NAND hay cổng NOR Chính vì điều này mà cổng NAND và cổng NOR được gọi là hai cổng đa năng.
Ứng dụng của cổng logic
− Các ứng dụng của cổng logic chủ yếu được xác định dựa trên bảng trạng thái của chúng, tức là phương thức hoạt động của chúng Các cổng logic cơ bản được sử dụng 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 hợp chẳng hạn như mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch đa hợp, mạch giải đa hợp,…
CÁC LOẠI IC CƠ BẢN
IC 7400
− IC 7400 tên đầy đủ là: 74LS00 Quad 2-Input NAND Gate Đây là IC 4 cổng NAND
Table 8 Bảng trạng thái IC 7400
Hình 1 15 Sơ đồ bên trong IC 7400
Hình 1 16 IC 7400 trong thực tế
− Một số thông số kỹ thuật và tính năng của vi mạch 7400 bao gồm những điều sau đây:
Nguồn điện áp là 5 V Độ trễ lan truyền cho mỗi cổng sẽ là 10 ns
Tốc độ chuyển đổi tối đa là 25 MHz
Công suất sử dụng cho mỗi cổng là 10 mW
Cổng 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 báo trộm.
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.
IC 74LS90
− IC 74LS90 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số đếm lên và trong các mạch 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
Số chân Tên chân Mô tả
(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 1
3 Reset 2 (R0(2)) Chân Reset 2 (Reset về 0) – Tích cực mức 1
4 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 1
7 Reset 4 (R9(2)) Chân Reset 4 (Reset về 9) – Tích cực mức 1
IC 7447
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 điện năng ra quang năng, không như bóng đèn tìm phải chuyển điện năng ra dạng nhiệt, cho đốt nóng một sợi kim loại trong môi trường khan khí oxy và chờ khi sợi kim loại nóng lên mới phát ra sáng
− 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 nhịp rất 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.
− 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
LED
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 nhịp rất 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.
Cấu tạo của LED
Điốt LED cấu tạo từ mối nối bán dẫn PN, khi pha Indium vào Silicon tạo ra bán dẫn loại P có lỗ trống do thiếu electron, còn pha Phốt pho tạo bán dẫn loại N có electron tự do do thừa electron Sự kết hợp tạo nên vùng chuyển tiếp giữa vùng P và vùng N có hàng rào thế năng ngăn không cho dòng điện chảy Khi có hiệu điện thế ngược chiều đặt vào, dòng điện thuận sẽ không chảy, nhưng khi hiệu điện thế thuận chiều đặt vào, dòng điện thuận sẽ đi dễ dàng qua hàng rào thế năng, gây phát quang.
1 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 các nối hóa trị thiếu điện tử Còn chất bán dẫn loại N có điểu kiện dẫn điện là do các điện tử tự do (điện tử dư ra do phosphor có 5 điện tử hóa trị mà trong kết nối tinh thể chỉ cần có 4 ).
− Ngày nay người ta muốn dùng Led làm nguồn chiếu sáng mạnh để thay thế các đèn chiếu sáng cổ điển, vì Led có hiệu suất rất cao, an toàn, tuổi thọ dài, ít hao điện và rất dễ dùng Hình trên đây cho thấy hình dạng của các Led công suất lớn, hiện nó đã là nguồn sáng lạnh rất mạnh và trong một tương lai gần thôi nó sẽ thay thế các đèn chiếu sáng nóng như loại đèn sợi nung, loại đèn chiếu sáng ồn, gây nhiều nhiễu, như đèn ống huỳnh quang.
Khi mối nối PN được phân cực thuận, dòng điện kích thích sẽ tạo ra dao động các electron Các dao động này phát ra sóng điện từ trường, chính là các tia sáng LED bao gồm hai chân, chân âm cực (Cathode) được nối với cực âm của pin, và chân dương cực (Anode) được nối với cực dương của pin Khi dòng điện chạy qua LED, nó sẽ phát ra chùm tia sáng Để tăng cường cường độ sáng, vật liệu nhựa trong suốt được sử dụng như một thấu kính hội tụ.
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 là 150mA (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 dòng điện tử chảy ra từ dây đen và do dây màu đỏ nối vào cực dương của pin nên dòng điện 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 như diode, 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 Bạn biết cường độ dòng điện đang chảy qua vật đo.
Khi mắc một điốt LED với dây đen nối với chân Cathode và dây đỏ nối với chân Anode, điốt LED sẽ phát sáng Khi đọc kết quả trên vạch chia LV, bạn sẽ biết được điện áp có trên hai chân của điốt LED, còn khi đọc trên vạch chia LI, bạn sẽ biết được cường độ dòng điện đang chảy qua điốt LED.
− Đảo chiều 2 dây đo Led sẽ không sáng, vì nó bị phân cực ngược, khi mối nối bán dẫn PN bị phân cực ngược nó sẽ không cho dòng chảy qua.
CHƯƠNG 5 Thiết kế lắp ráp mạch đếm thuận
− 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 anôt chung (Common Anode); IC 7490 để tạo bộ đếm IC 7400 để tạo xung clock 1Hz (không yêu cầu độ chính xác cao).
− Sử dụng thành thạo đồng hồ đo Ổn định kỹ năng lắp ráp, đo, nhận dạng linh kiện 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
Thiết kế sơ đồ khối chức năng
Thực hiện từng khối với các IC đã cho
Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch
5.1 Thiết kế sơ đồ khối chức năng
− 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 5 khối 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 nguồn nuôi 1 chiều 5V, vì vậy ta cần có khối tạo nguồn nuôi DC 5V đưa đến tất cả các khối mạch còn lại.
Khối tạo xung nhịp có chức năng tạo ra xung nhịp có tần số chuẩn 1 Hz, tương ứng với chu kỳ 1 giây Các xung nhịp này tác động vào khối bộ đếm, mỗi xung nhịp làm bộ đếm tăng lên một đơn vị, tương ứng với 1 giây.
− Khối bộ đếm với chức năng đếm theo sự tác động của xung nhịp 1 Hz cho ra số đếm mã BCD.
− Khối giải mã hiển thị LED 7 thanh với chức năng nhận các số đếm mã BCD từ khối bộ đếm chuyển sang để giải mã thành các tín hiệu điều khiển khối LED 7 thanh
− Khối hiển thị gồm 2 LED 7 thanh để hiển thị 2 chữ số hàng đơn vị và hàng chục Đây là yêu cầu đặt ra cho thiết kế.
5.2 Thực hiện từng khối với các IC đã cho
− Có thể thiết kế với 1 biến áp, 1 điôt cầu chỉnh lưu, 1 tụ lọc và IC ổn áp 5V L7805 Tuy nhiên trong bài thực tập này không yêu cầu thiết kế khối nguồn này mà được phép lấy luôn nguồn 5V từ nguồn DC điều chỉnh được có sẵn.
5.2.2 Thiết kế khối tạo xung nhịp
− Có nhiều cách để tạo xung nhịp cho các mạch số, nhưng với yêu cầu đặt ra ở đây chỉ cần tạo xung nhịp có tần số vài Hz với độ ổn định không cần cao nên nhóm đã chọn sơ đồ mạch tạo xung nhịp cho ở Hình 1 23.
Mạch dao động đa hài astable được tạo thành từ hai cổng logic NAND mắc song song đầu vào như cổng NOT Tần số dao động phụ thuộc vào các giá trị của điện trở R1, R2 và tụ điện C1 Với các giá trị linh kiện đã chọn, mạch có thể tạo ra xung nhịp với tần số trong khoảng 1 đến 2 Hz.
Hình 1 23 Sơ đồ tạo xung nhịp đơn giản tần số 1 Hz
5.2.3 Thiết kế khối bộ đếm thời gian
− Với chức năng đếm thuận từ 00 đến 99 có thể đưa ra mạch đếm thời gian có sơ đồ khối như sau Hình 1 24
Hình 1 24 Sơ đồ khối bộ đếm thuận
Để thiết kế bộ đếm số đếm 10, có nhiều phương pháp thực hiện Trong đó, sử dụng IC đếm chuyên dụng là cách tiện lợi nhất Theo yêu cầu của bài thực tập, nhóm đã thiết kế các bộ đếm trong sơ đồ hình 3 bằng IC đếm 74LS90.
5.2.3.1 Cấu tạo và hoạt động của IC 74LS90
− Dưới đây là bảng mô tả hoạt động, các chân vào ra và sơ đồ bên trong IC74LS90 (Hình 1 25)
Hình 1 25 Bảng hoạt động, các chân vào ra và sơ đồ bên trong IC 74LS90.
− Bộ đếm 74LS90 là IC số họ TTL Đây là bộ đếm không đồng bộ gồm bộ đếm cơ số 2 và bộ đếm cơ số 5 bên trong Bộ đếm cơ số 2 có đầu vào xung nhịp là CP0 (chân số 14) và đầu ra là QA (chân số 12) Bộ đếm cơ số 5 có đầu vào xung nhịp là CP1 (chân số 1) và đầu ra là QB, QC, QD (tương ứng các chân số 9, 8 và 11) Với
