Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 1 PHẦN I: MỞ ĐẦU I. LỜI GIỚI THIỆU: Ngày nay, trước khi bước vào một hiệu sách, bạn có thể biết được hiệu sách đó bán các loại sách gì, có loại sách mà mình cần mua không… nhờ vào bảng đèn quang báo rất bắt mắt đặt trước cửa hiệu. Hoặc khi vào sân bay bạn biết được giờ giấc các chuyến bay, các thông báo ngắn của phi trường, … cũng nhờ vào quang báo. Đôi khi đi ngoài đường ở thành phố lúc về đêm, bạn sẽ thấy được các bảng quang báo lớn hơn với các hình ảnh cử động được như li Coca Cola đang sủi bọt, các logo sản phẩm xuất hiện dần dần theo nhiều kiểu (tràn từ dưới lên, từ trên xuống, lan dần từ trái qua phải, từ phải qua trái, …) Như vậy quang báo ngày nay đã được đưa vào sử dụng ở rất nhiều lónh vực khác nhau như: giới thiệu sản phẩm, thông báo tin tức (thay cho các bản tin bằng giấy)… Với ứng dụng rộng rãi như vậy, ta hãy thử tìm hiểu xem một mạch quang báo gồm những gì, nguyên lý hoạt động của nó ra sao,… qua đề tài “Thiết kế và thi công mạch quang báo dùng EPROM”. II. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Như đã giới thiệu ở trên, quang báo có thể hiển thò được các hình ảnh cử động chứ không gói gọn trong việc hiển thò các chữ. Tuy nhiên, do điều kiện có hạn nên đề tài chỉ giới hạn ở việc hiển thò các chữ chạy, chớp tắt với màu của chữ được thay đổi theo ý của người viết chương trình. Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 2 PHẦN II: GIỚI THIỆU VỀ MẠCH QUANG BÁO VÀ CÁC IC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN MẠCH CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU MẠCH QUANG BÁO Có nhiều cách để làm một mạch quang báo: dùng IC rời, dùng EPROM, dùng vi xử lý hoặc dùng máy vi tính để điều khiển mạch. Nếu dùng IC rời thì ta sử dụng các IC giải đa hợp (Demultiplexer) kết hợp với các Diode để làm thành mạch ROM (kiểu ROM này được gọi là Made Home). Chương trình cho loại ROM này được tạo ra bằng cách sắp xếp vò trí các Diode trong ma trận, mỗi khi cần thay đổi chương trình thì phải thay đổi lại vò trí các Diode này (thay đổi về phần cứng). Dung lượng bộ nhớ kiểu này thay đổi theo kích thước mạch, kích thước càng lớn thì dung lượng càng lớn (vì khi tăng dung lượng thì phải thêm IC giải đa hợp, thêm các Diode nên kích thước của mạch tăng lên). Nếu muốn đủ bộ nhớ để chạy một mạch quang báo bình thường thì kích thước mạch phải rất lớn nên giá thành sẽ lên cao, độ phức tạp tăng lên. Do đó, dạng ROM này không đáp ứng được yêu cầu của mạch quang báo này. Khi thay các IC rời ở trên bằng EPROM thì kích thước mạch và giá thành sẽ giảm đáng kể. Kích thước của EPROM hầu như không tăng theo dung lượng bộ nhớ của nó. Ngoài ra, khi muốn thay đổi chương trình hiển thò thì ta chỉ việc viết chương trình mới (thay đổi về phần mềm) nạp vào EPROM hoặc thay EPROM cũ bằng một EPROM mới có chứa chương trình cần thay đổi. Việc thay đổi chương trình kiểu này thực hiện đơn giản hơn rất nhiều so với cách dùng IC rời ở trên. Đặc biệt, khi có yêu cầu hiển thò hình ảnh thì việc sử dụng EPROM để điều khiển là hợp lý nhất, nó đơn giản hơn nhiều so với việc dùng vi xử lý hoặc máy vi tính để điều khiển. Điều này được giải thích như sau: do vi xử lý và máy vi tính muốn giao tiếp với bên ngoài đều phải thông qua chương trình và các IC ngoại vi còn EPROM thì giao tiếp trực tiếp và không cần chương trình điều khiển nó. Vì phải dùng chương trình nên tín hiệu điều khiển đưa ra ngoài tuần tự, không được liên tục như EPROM nên khi muốn hiển thò hình ảnh thì sẽ gặp nhiều khó khăn (do hiển thò hình ảnh thì cần quét cả hàng lẫn cột, và vì tín hiệu điều khiển xuất hiện tuần tự nên sẽ khó đồng bộ giữa quét hàng và cột, từ đó sẽ gây khó khăn cho việc hiển thò hình ảnh trên bảng đèn). Khi vi xử lý tham gia vào thì mạch quang báo sẽ có được nhiều chức năng hơn, tiện lợi hơn nhưng cũng đắt tiền hơn. Với kit vi xử lý điều khiển quang báo ta có thể thay đổi chương trình hiển thò một cách dễ dàng bằng cách nhập chương trình mới vào RAM (thay đổi chương trình ngay trên kit, không cần phải tháo IC nhớ ra đem nạp chương trình như EPROM). Do vi xử lý có nhiều chức năng nên việc đổi màu cho bảng đèn cũng được thực hiện một cách dễ dàng. Tuy nhiên, khi sử dụng vi xử lý để làm mạch quang báo thì giá thành của mạch lại tăng lên nhiều so với khi sử dụng EPROM vì kit vi xử lý cần phải có EPROM lưu chương trình điều khiển cho vi xử lý, các IC ngoại vi (giao tiếp bàn phím, hiển thò,…), các RAM để nhớ chương trình, các phím nhập dữ liệu (do có phím nên kích thước mạch tăng lên nhiều)… Ngoài ra, do vi xử lý phải Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 3 gởi dữ liệu ra IC ngoại vi (thường là 8255A) rồi mới điều khiển việc hiển thò trên bảng đèn nên khi cần hiển thò hình ảnh thì cách dùng vi xử lý sẽ phức tạp hơn nhiều so với khi dùng EPROM (như đã giải thích ở trên). Ngoài ra, mạch quang báo còn có thể được điều khiển bằng máy vi tính. Tuy nhiên, khi dùng máy tính để điều khiển quang báo thì rất đắt tiền, chiếm diện tích lớn mà chất lượng hiển thò cũng không hơn so với khi dùng EPROM. Qua các phương án được nêu ra ở trên thì cách sử dụng EPROM được chọn vì đáp ứng được yêu cầu của một mạch quang báo bình thường, giá thành lại rẻ hơn và mạch điện đơn giản hơn so với khi dùng kit vi xử lý hoặc dùng máy vi tính, việc thay đổi chương trình cũng dễ dàng hơn nhiều so với việc can thiệp vào phần cứng như cách dùng các IC rời. Dưới đây là sơ đồ khối của một mạch quang báo dùng EPROM với màu của chữ thay đổi được tuỳ theo chương trình nạp vào EPROM. Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 4 SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH QUANG BÁO DÙNG EPROM DAO ĐỘNG - TẠO ĐỊA CHỈ GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ GIẢI MÃ HIỂN THỊ (EPROM) ĐIỀU KHIỂN MÀU CHỐT DỮ LIỆU (I) CHỐT DỮ LIỆU (II) ĐỆM NGÕ RA (HÀNG) THÚC CÔNG SUẤT (HÀNG) ĐỆM NGÕ RA CỘT (I) ĐỆM NGÕ RA CỘT (II) THÚC CÔNG SUẤT CỘT (I) THÚC CÔNG SUẤTCỘT (II) BẢNG ĐÈN (MA TRẬN LED) NGUỒN Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 5 * CHỨC NĂNG CÁC KHỐI - Dao động – tạo đòa chỉ: tạo ra xung vuông đưa vào bộ đếm để tạo đòa chỉ cho bộ giải mã hiển thò (EPROM) đồng thời đưa các xung điều khiển đến bộ giải mã đòa chỉ. - Giải mã đòa chỉ: nhận xung điều khiển từ bộ dao động – tạo đòa chỉ, từ đó đưa ra tín hiệu cho phép cột LED nào trên bảng đèn (ma trận LED) được phép sáng. Tại mỗi thời điểm chỉ đưa ra một xung cho phép duy nhất và chỉ có một cột LED tương ứng với vò trí xung đó được phép sáng. Tín hiệu cho phép này được đưa đến hai bộ chốt dữ liệu. - Các bộ chốt dữ liệu (I), (II): nhận dữ liệu ở ngõ vào từ bộ giải mã đòa chỉ, nhận tín hiệu cho phép từ bộ giải mã màu. Hai bộ chốt này có ngõ vào điều khiển đảo nhau nên tại mỗi thời điểm chỉ có một bộ chốt được phép xuất dữ liệu. Quy đònh: bộ chốt (I) ứng với các cột LED xanh, bộ chốt (II) ứng với các cột LED đỏ. - Các bộ đệm ngõ ra (cột, hàng): cách li tải và các mạch ở trước nó. Bộ đệm cũng có tác dụng làm tăng dòng điện ở ngõ ra. - Các bộ thúc công suất (cột, hàng): khuếch đại dòng điện, bảo đảm cung cấp đủ dòng điện cho các mạch ở phía sau nó và không làm quá dòng của các mạch phía trước nó. - Giải mã hiển thò (EPROM): nhận đòa chỉ từ bộ dao động – tạo đòa chỉ, đưa dữ liệu ra để hiển thò trên bảng đèn đồng thời đưa tín hiệu điều khiển đến bộ điều khiển màu. - Bộ điều khiển màu: nhận tín hiệu từ EPROM và từ đó đưa ra tín hiệu cho phép bộ chốt nào làm việc, bộ chốt nào ngưng làm việc. - Bảng đèn (ma trận LED): nhận đồng thời hai tín hiệu từ các bộ thúc hàng và cột để từ đó cho phép LED nào trên bảng được phép sáng, LED nào không được phép sáng. - Khối nguồn: bảo đảm cung cấp đủ dòng cho toàn bộ mạch nhưng bản thân nó không bò quá dòng. Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 6 CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU CÁC IC SỐ LIÊN QUAN ĐẾN MẠCH ĐIỆN I. IC 4060: IC 4060 là một bộ đếm/bộ chia (Counter/Divider) nhò phân không đồng bộ với 14 tầng Flip-Flop. Mạch dao động của nó gồm 3 chân được nối ra ngoài là: RS, R TC , C TC ; tất cả các ngõ ra (10 ngõ ra từ O 3 ~O 9 , O 11 ~O 13 ) đều được đệm sẵn từ bên trong trước khi đưa ra ngoài. Quan trọng hơn hết là chân Master Reset (MR) dùng để cấm mạch dao động làm việc và reset mạch đếm. Khi chân MR ở mức logic cao, nó sẽ reset mạch đếm làm tất cả các ngõ ra của bộ đếm đều ở mức logic thấp, việc reset này hoàn toàn độc lập với các ngõ vào khác (bất chấp trạng thái logic ở các ngõ vào còn lại). IC 4060 có sơ đồ chân và sơ đồ chức năng như sau: SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA IC 4060 SƠ ĐỒ CHÂN IC 4060 Chức năng các chân như sau: V DD , V SS : cung cấp nguồn cho IC (ở mạch này V DD được nối đến +5V, V SS nối đến 0V). MR: master reset, dùng khóa mạch dao động bên trong IC và reset các bộ đếm. Khi chân này tác động thì tất cả các ngõ ra của IC đều bò kéo về mức logic thấp. RS: clock input/oscillator pin, chân này có hai chức năng: khi dùng mạch dao động từ bên ngoài IC thì nó có nhiệm vụ nhận xung, khi dùng mạch dao động bên trong IC thì nó là một thành phần của mạch dao động (kết hợp với các chân R TC , C TC ). 14 – STAGE BINARY COUNTER O 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 8 O 9 O 11 O 12 O 13 CP C D R TC C TC RS MR 7 5 4 6 14 13 15 1 2 3 11 12 10 9 16 1 2 3 4 5 6 7 8 15 14 13 12 11 9 10 V DD V SS O 11 O 5 O 13 O 12 O 4 O 6 O 3 O 9 O 7 O 8 MR RS R TC C TC 4060 Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 7 R TC : oscillator pin, chân tạo dao động (kết hợp với các chân khác). Khi dùng mạch dao động R-C thì một đầu điện trở được nối với chân này. C TC : external capacitor connection, chân tạo dao động (kết hợp với các chân khác). Khi IC 4060 dao động với mạch R-C (dùng dao động bên trong IC) thì chân này được nối với một đầu của tụ điện. O 3 - O 9 , O 11 - O 13 : counter outputs, các ngõ ra của IC. Các ngõ ra này không liên tục mà bò nhảy cấp hai lần: ngõ ra đầu tiên của nó là O 3 chứ không phải O 0 (nhảy bỏ 3 tầng Flip-Flop đầu tiên, không đưa các tầng này ra ngoài), ngõ ra từ O 9 rồi đến O 11 (không có chân O 10 ). Sơ đồ mô tả hoạt động bên trong của 4060 được vẽ như sau: Do xung Ck khi lấy ra ở ngõ ra đầu tiên (O 3 ) của IC 4060 thì đã được chia qua 3 tầng Flip-Flop một cách tự động nên giản đồ thời gian ở đây chỉ vẽ bắt đầu khi có xung Ck thứ 3 tác động vào IC. Giản đồ thời gian của IC 4060 như sau: CP FF4 FF10 FF12 FF14 O C D FF1 MR O 3 O 9 O 11 O 13 C TC 3 RS Ck MR O 3 O 4 O 12 O 13 Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 8 Cấu trúc các phần tử trong mạch dao động của 4060 cho phép thiết kế mạch dao động hoặc làm việc với tụ-điện trở (mạch dao động R-C) hoặc làm việc với thạch anh. Ngoài ra, ta cũng có thể thay thế mạch dao động bên trong bằng một tín hiệu xung đồng hồ từ bên ngoài đưa vào chân RS, khi dùng xung Ck từ bên ngoài thì bộ đếm sẽ hoạt động khi có cạnh xuống của xung tác động. * Mạch dao động của 4060 khi dùng tụ-điện trở được ráp như sau: Giải thích nguyên lý hoạt động: đây là loại mạch dao động của CMOS. Mạch chỉ dao động được khi chân MR ở mức cao (chỉ đúng với hình vẽ này, ở cacù hình trên thì chân MR tác động ở mức cao). Nếu chân MR ở mức thấp thì ngõ ra của cổng NAND sẽ bò khóa chết ở mức logic [1] nên mạch không dao động được. Khi chân MR ở mức logic [1] thì cổng NAND sẽ hoạt động như một cổng NOT. Ta nhận thấy trạng thái logic tại điểm 2 và 3 luôn luôn ngược nhau (ngõ vào và ra của cổng NOT). Tần số dao động của mạch này phụ thuộc vào trò số của tụ và điện trở. Bây giờ, giả sử ngõ vào 1 ở mức logic [0] thì ngõ ra 2 của cổng NAND (đồng thời là ngõ vào của cổng NOT) ở mức logic [1], ngõ ra 3 của cổng NOT sẽ ở mức logic [0]. Lúc này tụ C t sẽ nạp điện qua R t theo đường như sau: dòng điện từ cực dương của nguồn ngõ ra cổng NAND R t C t vào cổng NOT cực âm của nguồn. Khi tụ C t nạp đến giá trò > V T một chút (V T : điện thế mà tại đó trạng thái logic chuyển từ thấp lên cao) thì ngõ vào của cổng NAND sẽ chuyển lên mức logic [1], ngõ ra của nó sẽ thành mức logic [0] và làm cho ngõ ra của cổng NOT trở thành mức logic [1]. Do có sự thay đổi mức logic tại hai điểm 2 và 3 nên tụ C t sẽ xả điện (cũng qua điện trở R t ). Khi C t xả thì điện thế tại ngõ vào cổng NAND (V 1 ) giảm dần, khi V 1 giảm đến giá trò V T một chút thì ngõ ra cổng NAND sẽ chuyển lên trạng thái logic [1] và ngõ ra cổng NOT sẽ về lại mức logic [0]. Lúc này trạng thái logic tại các điểm 1, 2, 3 lại trở về trạng thái ban đầu và tụ C t lại tiếp tục nạp điện, bắt đầu lại quá trình nạp-xả kế tiếp. Và cứ như thế tiếp tục mãi mãi, ta sẽ có được mạch dao động tạo xung vuông với tần số phụ thuộc giá trò R t , C t và được tính theo công thức sau: f = với : Ct 100pF 10KΩ ≤ Rt ≤ 1MΩ C t R t . . 3 , 2 1 MR\ RC Rt Ct 1 2 3 Rt << R R.C << Rt.Ct Với Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 9 * Mạch dao động 4060 dùng thạch anh được ráp như sau: Mạch này có tần số dao động là tần số riêng của thạch anh, điện trở R 2 dùng giới hạn dòng điện qua IC. Tụ biến dung C 1 dùng lọc bớt tần số cộng hưởng hưởng của thạch anh (do thạch anh vừa có dao động cộng hưởng nối tiếp, vừa có cộng hưởng song song) II. IC 4040 là bộ đếm nhò phân không đồng bộ gồm 12 tầng Flip-Flop, cả 12 ngõ ra này (O 0 ~O 11 ) đều đã được đệm trước khi đưa ra ngoài. Chân MR (Master Reset) tác động ở mức cao, khi MR tác động thì toàn bộ các ngõ ra của IC bò kéo xuống mức thấp bất chấp trạng thái của chân CP lúc đó. IC 4040 thường được dùng làm bộ chia tần số, được sử dụng trong các mạch làm trễ hoặc để điều khiển sự hoạt động của các bộ đếm khác. IC 4040 có sơ đồ chân và sơ đồ cấu tạo bên trong như sau: SƠ ĐỒ NỘI BỘ CỦA IC 4040 SƠ ĐỒ CHÂN IC 4040 16 1 2 3 4 5 6 7 8 15 14 13 12 11 9 10 V DD V SS O 11 O 6 O 4 O 5 O 3 O 2 O 1 O 10 O 9 O 7 O 8 MR CP \ O 0 4040 10 C D MR CP \ T O 0 O 1 O 2 O 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 8 O 9 O 10 O 11 11 9 7 6 5 3 2 4 13 12 14 15 1 12 – STAGE COUNTER Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 10 Chức năng các chân của IC 4060 như sau: V DD , V SS : hai chân cấp nguồn của IC. V DD nối với nguồn dương, V SS nối với nguồn âm. Ở mạch này V DD được nối đến +5V, V SS được nối với mass (0V). CP: clock input, chân nhận xung của IC. Để IC hoạt động được thì phải có xung đưa vào nó (vì bộ đếm thực chất là các bộ chia tần số nên bắt buộc phải có tần số ngõ vào mới lấy được tần số cần chia ở ngõ ra). IC 4040 hoạt động với cạnh xuống của xung tác động: khi xung đưa vào IC chuyển từ trạng thái logic cao về trạng thái logic thấp thì bộ đếm sẽ đếm lên một xung (hoặc tần số ở ngõ ra được chia đôi thêm một lần nữa). MR: master reset input, chân này dùng để reset IC, tác động ở mức cao. Khi chân MR được đưa lên mức logic cao thì IC 4040 bò reset làm toàn bộ các ngõ ra của nó bò kéo xuống mức logic thấp. O 0 ~ O 11 : parallel outputs, các ngõ ra song song của IC. Không như IC 4060, các ngõ ra của IC 4040 được lấy ra một cách liên tục (không nhảy cấp), điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho người thiết kế mạch khi sử dụng nó. IC 4040 có sơ đồ mô tả hoạt động bên trong như sau: IC 4040 có giản đồ thời gian như sau: CP FF2 FF12 O C D FF1 MR O 0 O 1 O 11 CP O SƠ ĐỒ MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG BÊN TRONG CỦA IC 4040 Ck MR O 0 O 1 O 10 O 11 . Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 2 PHẦN II: GIỚI THIỆU VỀ MẠCH QUANG BÁO VÀ CÁC IC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN MẠCH CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU MẠCH QUANG BÁO Có nhiều cách để làm một mạch quang. dàng. Tuy nhiên, khi sử dụng vi xử lý để làm mạch quang báo thì giá thành của mạch lại tăng lên nhiều so với khi sử dụng EPROM vì kit vi xử lý cần phải có EPROM lưu chương trình điều khiển cho. Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 8 Cấu trúc các phần tử trong mạch dao động của 4060 cho phép thiết kế mạch dao động hoặc làm việc với tụ-điện trở (mạch dao động R-C) hoặc làm việc