báo cáo thực hành môn thiết kế mạch điện tử

Trên đây tôi xin giới thiệu về phần mềm vẽ mạch in Orcad , các tính năng và các bước thiết kế một mạch điện trên nó . Ở đây tôi xin trình bầy cách thiết kế một mạch đếm sử dụng IC giải mã 74ls47 , IC đếm 74ls90 , hiển thị qua led 7 thanh bằng phần mềm Orcad 9.2

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoahọc kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện

tử ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ cùng với

sự phát triển của rất nhiều các phần mềm thuộc các ngành khác nhau thì các phần mềm điện tử cũng phát triển rất nhanh.chẳng hạnnhư : phần mềm orcad , phần mềm proteus , phần mềm multisim , phần mềm altium designer ….các phần mềm này dùng để mô

phỏng và thiết kế mạch điện chúng được thiết kế sẵn các bộ thư viện linh kiện và chân cắm và một số thiết bị đo lường trong mô phỏng cho nên có rất nhiều sự lựa chọn để thiết kế ra một mạch điện và tùy vào thiết kế mà ta có thể sử dụng vào các thư viện để lấy linh kiện và chân cắm cho phù hợp

Trên đây tôi xin giới thiệu về phần mềm vẽ mạch in Orcad , các tính năng và các bước thiết kế một mạch điện trên nó Ở đây tôi xin trình bầy cách thiết kế một mạch đếm sử dụng IC giải mã

74ls47 , IC đếm 74ls90 , hiển thị qua led 7 thanh bằng phần mềm Orcad 9.2

Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới cô Dương Thị Hằng đã tận tình chỉ dẫn, giúp chúng em hoàn thành tốt đề tài này

Đề tài này hoàn thành không những giúp em có được thêm nhiều kiến thức hơn về môn học mà còn giúp em được tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn,linh hoạt hơn và đặc biệt

là sự quan trọng của phương pháp làm việc theo nhóm.Quá trình thực hiện đề tài là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt

I / Giới thiệu về phần mềm vẽ mạch in Orcad 9.2

Phần mềm Orcad 9.2 là phần mềm điện tử chuyên dụng rất mạnh

và dễ sử dụng với giao diện rất thân thiện với nhiều người ,đặc biệt là sinh viên của ngành điện tử Với phần mềm này chúng ta

có thể vẽ sơ đồ mạch nguyên lý với Capture CIS , chạy mô phỏng với Pspice , đặc biệt là chức năng vẽ mạch in rất mạnh với Layout plus cung với một thư viện linh kiện và chân cắm khổng lồ hầu hết các nhà sản xuất linh kiện điện tử cung cấp cho phiên bản 9.2

Mạch đếm số này gồm 4 khối chính : khối tạo xung vuông , khối đếm , khối giải mã va khối hiển thị Mạch điên này hiển thị từ 00 đến 99 cho nên tôi sử dụng 2 led 7 thanh, 2 IC đếm 74ls90 , 2 IC giải mã 74ls47, IC NE555 để tạo ra xung vuông cung cấp cho IC đếm va một số linh kiện khác như điện trở, tụ điện , biến trở

II/ Giới thiệu các khối mạch điện, nhiệm vụ của các linh kiện dùng trong mạch điện

1/ khối tao xung vuông sử dụng IC Ne555

a)Giới thiệu về IC Ne555.

Vi mạch định thì LM555 là mạch tích hợp Analog- digital Do có ngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số Vi mạch định thì LM555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định thì, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như Transistor, SCR, Triac…

b) Hình dáng và sơ đồ chân

Chân 1: Nối mass

Chân 2: Trigger Input ( ngõ vào xung nảy)

Chân 3: Output ( ngõ ra)

Chân 4: Reset (đặt lại)

Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển)

Chân 6: Threshold (thềm- ngưỡng)

Chân 7: Discharge ( xả điện)

Chân 8: Nối Vcc

c) Cấu trúc và nguyên lý

Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện các chức năng như hình 2.2 gồm có:

Cầu phân áp gồm 3 điện trở 5knối từ nguồn +Vcc xuống Mass cho

ra hai điện áp chuẩn 1/3Vcc và 2/3Vcc

Op-Amp(1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In- nhận điện áp chuẩn 2/3Vcc, còn ngõ In+ thì nối ra ngoài chân 6 Tuỳ thuộc điện

áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc Op-Amp(1) có điện áp

ra ở mức High( cao) hay mức Low( thấp) để làm tín hiệu R

(Reset), điều khiển Flip-Flop

Op-Amp(2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ In+ nhận điện áp chuẩn 1/3Vcc, còn ngõ In- thì nối ra ngoài chân 2 Tuỳ thuộc điện

áp của chân 2 so với điện áp chẩn 1/3Vcc Op-Amp(2) có điện áp ra

ở mức High hay mức Low để làm tín hiệu S (Set), điều khiển

Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân của Flip-Flop, nên khi ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (0V), và ngược lại,khi ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (Vcc).

Transistor T1 có chân E nối vào điện áp chuẩn khoảng 1,4V, là loại transistor NPN Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V, thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng tới mạch Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hoà đồng thời làm mạch Output cũng dẫn bão hoà và ngõ

ra mức thấp Chân 4 gọi là chân Reset có nghĩa là nó reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác Do đó , chân Reset dùng đểkết thúc xung ra sớm khi cần thiết Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vcc để tránh bị Reset do nhiễu

Transistor T2 là transistor có cực C để hở, nối ra chân 7 Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra của F/F, nên khi ở mức cao thì T2 bão hoà và cực C của T2 coi như nối mass Lúc đó, ngõ ra chân

3 cũng ở mức thấp Khi ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn , cực C của T2 để hở, lúc đó, ngõ ra ở chân 3 có mức điện áp cao Theo

nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ thuộc

có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra chân 4

d) Giao tiếp với tải

IC 555 có thể giao tiếp với nhiều loại tải khác nhau và tuỳ trường hợp mỗi loại tải có thể mắc theo hai cách

Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện áp thấp Lúc đó, IC 555 sẽ

nhận dòng điện tải theo chiều từ nguồn qua tải rồi vào IC Dòng điện tải trường hợp này gọi là nhận

Tải được cấp điện khi ngõ ra có điện ấp cao Lúc đó, IC 555 sẽ cấpdòng điện cho tải theo chiều từ nguồn qua IC rồi ra tải Dòng điện trong trường hợp này gọi là nguồn

2/ khối đếm ( IC 74ls90 )

a/ Giới thiệu về 74ls90

Khối này làm nhiệm vụ đếm mã nhị phân chia 10 mã hóa ra BCD

Cứ mỗi 1 xung vào thì nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra 4 chân.Khi đếm đến 10 tự nó sẽ reset và quay trở về ban đầu

b/ hình dáng và sơ đồ chân của IC 74ls90

Chân 1 : nối tắt với chân 12

Chân 2,3 : làm nhiệm vụ reset bộ đếm

Chân 14 : chân để lấy xung vào.

Khi chân 12 nối với chân 1 ta sẽ thu được bảng trạng thái của bộ đếm 4 bit modul 10 như sau :

3/ Khối giải mã ( IC 74ls47 )

74LS47 IC giải mã led 7 đoạn, có nghĩa đầu vào của Ic là mã BCD

và đầu ra là mã điều khiển led 7 đoạn 74LS47 dùng để giải mã led

7 đoạn anode chung Còn 74LS247 để giải mã led 7 đoạn cathode chung

a/hình dạng và sơ đồ chân cua IC 74ls47

+ Chân 1, 2, 6, 7: Chân dử liệu BCD vào dữ liệu này được lấy từ

IC đếm

+ Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân ra tác động mức thấp (0)

và được nối với LED 7

+ Chân 8: Chân nối GND

+ Chân 16: Chân nối Vcc = 5V

+ Chân 4: Chân này không cần biết theo datasheet thì cho nó lên Vcc

+ Chân 5: Ngõ vào xoá dợn sóng RBI được để không hay nối lên cao khi không được dùng để xoá số 0( số 0 ở trước số có nghĩa hay

số 0 thừa bên trái dấu chấm thập phân)

+Chân 3: Chân này cũng thế cho nó lên Vcc = 5V

* Bảng chân lý các giá trị IO của 74LS47

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 7vạch

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!

4/Khối hiển thị ( led 7 thanh ).làm nhiệm vụ hiển thị các số từ 0 đến 9

Hình dáng và sơ đồ chân

4 3

1 3

1 2

1 0 9

1 2 9

1 1

2 6

4 3

1 3

1 1 9

III / Nguyên lý hoạt động của mạch đếm từ 00 đến 99

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

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 đènled 7 đoạn thì các đoạn a,b,c,d,e,f,g của đèn sẽ sáng hay tắt tùy vàongõ ra tương ứng của 74LS47 la L hay H nên nó phải dùng LED

anod chung

Ngõ vào xóa RBI được để 0 hay nối lên mức 1 dùng để xóa số 0

(số 0 thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi

RBI vá các ngõ vào A,B,C,D ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa 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

Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0-15đèn led hiển thị các số như ở hình bên dưới

Chú ý: Khi mã số nhị phân vào là 1111=(15)10 thì led tắt

IC 555 có tác dụng tạo ra các xung đếm lien tục cấp cho U2 để đếm đếm nhanh hay châm ta có thể điều chỉnh tần số đếm trên con

IC 555 bằng biến trở R4

Khi có xung đếm vào chân 14 của U2 thì U2 bắt đầu đếm với số lượng xung vào nó Xung đầu vào la 0 cho đến 9, thì U2 giải mã BCD từ 0 đến 9 đồng thời cấp cho U4 mã hóa LED7T Trên hàng đơn vị sẽ chạy từ 0 đến 9 Khi hết chu kỳ thì U2 tụ động reset và xuất một xung ra chân số 13 của U2 và U2 lại đếm laih từ đầu như trên

Khi quá trình bắt đầu thì U3 chưa nhận đươc xung nào thì vị trí của LED hàng chục là số 0, khi chân 13 của U2 dược dưa lên 1 thì chân số 14 của U3 nhận dược một xung và U3 dếm như U2 Quá trình cứ như vậy Khi U2 hết chu kì thì lại cấp cho U1 1 xung Cứ như thế nó sẽ đếm từ 00 đến 99

IV / Các thao tác cơ bản để vẽ một mạch điện bằng phần mềm Orcad 9.2

1/ Vào chương trình vẽ mạch nguyên lý

Chọn Start  programOrcad 9.2 Capture CIS

Sau khi cửa sổ Orcad Capture CIS xuất hiện chúng ta chọn File

 New  project

Hộp thoại New project xuất hiện ta làm như sau:

Tại mục name ta đặt tên cho mạch cần thiết kế Và tại mục

Location ta chọn nơi để lưu mạch cần thiết kế.ỏ đây tôi đăt tên cho mạch là “ mạch đếm từ 00 đến 99” và lưu tại ổ” E /bài tập lớn môn Orcad” Sau đó chọn OK

Hộp thoại Orcad Capture xuất hiện đây là màn hình để ta vẽ

mạch

Tiếp theo ta sử dụng các công cụ trên thanh công cụ để vẽ mạch Thanh này ở bên phải màn hình.

Tại mục Libraries ta bôi đen toàn bộ để chọn thư viện chứa các linh kiện.tại mục part ta viết tên linh kiện và nhấp OK và di chuyển

ra màn hình vá nhấp chuôt trái là dược Ở đây tôi chọn linh kiện Ne555.ta cú tiếp tục như vậy cho đến khi lấy hết các linh kiện thì thôi Để lấy điện trở thí tại Part ta viết R và nhấp OK là được.để chọn biến trở tai mục Part ta chọn resistor var

Tiếp theo ta lấy IC 74ls90 cũng tương tự như vậy Tại mục Part

ta viết 74LS90 và nhấp OK là được

Tiếp tục ta lấy linh kiện 74ls47 như hình vẽ dưới

Tiếp tục ta lấy linh kiện led 7 thanh nhưng trong thư viện của Orcad 9.2 không có led 7 thanh nên ta phải tạo mới.để tạo mới linh kiện ta vào file  new library tại hộp thoại add to project chọn new project và nhấp OK

Khi cửa sổ Newpart Propreties xuất hiện, tại mục name, gõ tên linh kiện muốn tạo (ví dụ LED 7 thanh) và nhấp OK

Cửa sổ ORCAD Capture xuất hiện, dùng các công cụ trên thanh công cụ

bên phải để vẽ linh kiện trong khu vực tạo linh kiện, điều chỉnh độ rộng của đường bao này bằng cách chọn đường bao sau đó giữ và nhấp chuột tới kích thước tùy ý.

Sử dụng công cụ Place Pin để vẽ chân linh kiện, khi cửa sổ place pin xuất hiện , mục Name nhập tên linh kiện , mục Number để đánh số chân, mục

Shape để chọn dạng chân, mục Type chọn kiểu chân, chọn xong các mục

này thì nhấp OK Khi đó sẽ xuất hiện chân linh kiện di chuyển theo con trỏ

chuột , để đặt chân vào vị chí nào thì nhấp chuột trái vào vị trí đó, chuyển

sang vị trí tiếp theo số thứ tự chân sẽ tự động tăng thêm một ( chỉnh sửa tên

và số thứ tự chân bằng cách nháy đúp chuột trái vào chân đó).

Để tạo được linh kiện ta phải sử dụng các công cụ trên trong đó

để chọn chân linh kiện

dùng để viết văn bản

dùng để vẽ khung hình chữ nhật

Khi hoàn thành ta lưu lại

Cuối cùng ta lấy tụ điện như hình dưới đây

Ta được các linh kiện sắp xếp như hình dưới.

4 8

5 2

4 5 3

1 3

1 2

1 1

1 0 9

4 5 3

1 3

1 2

1 1

1 0 9

5 2

4 3

1 3

1 1 9

4 3

1 3

1 1 9

V / thiêt kế mạch in trong orcad 9.2

Bây giời ta bắt đầu vẽ mạch in cho mạch điện:

TRước tiên ta kiểm tra lỗi cho mạch nguyên lý như sau :

Tại khung này trên thanh công cụ chọn sau đó làm các bước nhưsau :chon OK là được

Sau đó ta chọn biểu tượng trên thanh công cụ và nhấp chọn layout và nhấp chọn OK là được

Bây giời ta vào chương trình vẽ mạch in.ta thực hiện các bướ sau :

Tiếp theo ta chọn File  New

Hộp thoại load template file ta nhấp chọn file có tên DEFAULT.TCH và chọn open

Hộp thoại load netlist source xuất hiện nhấp chọn mạch cần thiết

kế mạch in file này có đuôi là MNL ta vừa tạo ở bước trước

Sau khi tìm được file có đuôi MNL ta chon nó và nhấp Open  Save để lưu file.

Khi đó xất hiện hộp thoại như ở bên dưới nó yêu cầu ta chọn châncho IC 7490 ta nhấp chọn link existing footprint to

component……để lấy chân cho IC 7490

Để lấy chân cho IC 7490 thì tại mục libraries cúa hộp thoại

Footprint ta chọn DIP100B

Và ở mục footprint ta chọn như ở hình dưới để chọn chân cho 7490, IC 7490 có 14 chân nên ta chọn cái có 14 chân và nhấp OK là được

Bây giờ ta phải tạo chân cho led 7 đoạn vì trong thư viên của phần mềm không có Để làm được viêc này ta nhấp chọn create or

dặt và nhấp OK ở đây tôi đặt tên là LED 7T

Tại name of footprint đặt tên linh kiện cần tạo la LED 7T, chọn

hệ đơn vị English và nhấn OK

Nhấp chuột vào biểu tượng chữ T trên thanh công cụ, sau đó xóa

đi những chữ không cân thiết bằng cách nhấp chuột vào đó rồi

nhấn phím delete.

Để chọn thuộc tính cho text bằng cach kéo chuột bôi đen nó, sau

đó bấm chuột phải và chọn properties Chọn layer la SSTOP.

Nhấn ctrl + G để chọn khoảng cách giữa các mắt lưới.

Lấy khoảng cách giữa các chân linh kiện là 100mils, chọn

khoảng cách giữa các mắt lưới là 100mils để đặt chân linh kiện cho thích hợp( đơn vị là mils ), sau khi chon xong nhấp chuột vào biểu tương pin trên thanh công cụ để thao tác với các chân linh kiện nhấn Ctrl+V để tạo mộ chân mới và dặt vào vị trí thích hợp.

Có thể chỉnh sửa kích thước hình dáng các PAD (chân linh kiện) bằng cách nhấp chuột vào chân linh kiện và nhấn Shift+T:

Nhấp chuột vào lớp cần chỉnh sửa, nhấp chuột phải chọn

properties và diền các giá trị vào ô Pad Width va Pad height

thích hợp

Sau khi chọn xong ta được các chân linh kiện như sau.

Để cho dẹp ta vẽ them đường bao cho linh kiện bằng cách nhấp

chuột vao biểu tượng Obstacle tool trên thanh công cụ thương chon thuocj tính đường bao này nằm o lớp SSTOOP

Sau khi làm xong ta đươc sơ đồ chân led 7t như hình dưới

Để hoàn tất công việc ta lưu chân linh kiện vừa tạo vào môt thư

viện của mình băng cách chọn Save As

Sau khi cửa sổ Save Footprint As hiện ra Tại mục Name of

Footprint, dặt tên là LED 7T tại mục Name Of Library, ta chọn

tên thư viện cần lưu VD thư viện layout Sau đó bấm OK để kết thúc

Với các linh kiện khác bạn cũng tạo tương tự và cũng chọn Name of library là “thư viện layout” cuối cùng ta dươc một thư viện do chính mình tạo

TIếp theo ta chọn chân cho IC 7447 như bên dưới

Bây giờ ta lấy chân cho ic Ne555 IC 555 có 8 chân và được lấy như hình bên dưới