Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 41 Cứ tiếp tục như thế, khi đến xung thứ 9 tác động thì chỉ có IC 74138 (III) mới được phép hoạt động, các IC còn lại ở trạng thái cấm. Và tại thời điểm này chỉ có ngõ ra đầu tiên của IC 74138 (III) ở mức logic [0], cho phép cột đèn ứng với nó được phép hoạt động. Như vậy, mức logic [0] được chuyển từ IC 74138 (II) sang IC 74138 (III) một cách liên tục và như vậy việc quét cột cũng được thực hiện liên tục. Khi xung thứ 32 tác động thì mức logic [0] được dòch đến ngõ ra cuối cùng của bộ quét cột, cho phép cột đèn ứng với ngõ ra này hoạt động. Và khi xung thứ 33 tiếp theo tác động, IC 74138 (I) lại quay về trạng thái đầu tiên, chỉ cho phép IC đầu tiên trong bộ quét cột hoạt động (IC 74138 (II)). Lúc này các đường đòa chỉ đặt vào IC 74138 (II) đều ở mức logic [0] nên ngõ ra đầu tiên của bộ quét cột cũng ở mức logic [0] và mạch điện lại trở về trạng thái đầu tiên giống như khi vừa cấp điện. Như vậy, mạch giải mã đòa chỉ dùng IC 74138 trên đã hoạt động đúng như yêu cầu khi thiết kế là tại mỗi thời điểm nhất đònh chỉ có một tín hiệu cho phép duy nhất và tín hiệu này được dòch chuyển theo vòng mỗi khi có xung điện tác động. Dòch chuyển theo vòng: tín hiệu cho phép được di chuyển từ ngõ ra đầu tiên đến ngõ ra cuối cùng, sau đó lại quay về ngõ ra đầu tiên và bắt đầu chu kỳ di chuyển mới. Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 42 CHƯƠNG 4: BỘ CHỐT DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÀU Để chuyển đổi màu trên bảng đèn được dễ dàng thì việc sử dụng bộ chốt dữ liệu là cần thiết. Có nhiều cách để chốt dữ liệu như dùng D Flip-Flop, các IC chốt chuyên dùng (74373, 74563, 74573, 74241,…), các bộ đệm dữ liệu với chân điều khiển (74125, 74126,…). Tuy nhiên, việc sử dụng các IC chuyên dùng thì luôn luôn dễ dàng và hiệu quả hơn so với cách ráp các IC rời lại với nhau để được một mạch tổ hợp có chức năng tương tự . Ngoài ra, các IC chuyên dùng còn giúp làm giảm giá thành của mạch, giảm độ phức tạp của mạch in giúp mạch dễ dàng đạt các tiêu chuẩn yêu cầu về kỹ thuật… Phần sau đây sẽ đưa ra hai mạch chốt dữ liệu sử dụng các IC chuyên dùng. 1. Mạch chốt dữ liệu dùng IC 74241: * Sơ đồ nguyên lý của mạch: * Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch: Như đã giới thiệu từ trước, IC 74241 gồm 8 bộ chốt dữ liệu với ngõ ra 3 trạng thái. 8 bộ chốt này được chia làm hai nhóm, mỗi nhóm có một chân điều khiển riêng biệt để điều khiển việc xuất dữ liệu của nó. Mức logic cho phép của hai chân này đảo nhau. Dựa vào sơ đồ nguyên lý ta nhận thấy các ngõ vào của hai nhóm trong IC 74241 được nối chung lại với nhau, hai chân điều khiển của hai nhóm cũng được nối chung lại. Điều này có nghóa là dữ liệu từ IC 74138 đưa đến (tín hiệu quét cột) được cung cấp BỘ CHỐT DỮ LIỆU DÙNG IC 74241 VCC 74241(II) 1A1 2 1 A 2 Đến Cathode LED xanh Đến Cathode LED đỏ Đến Cathode LED xanh Đến Cathode LED đỏ Tín hiệu điều khiển từ EPROM đưa đến Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 43 đồng thời cho cả hai nhóm chốt dữ liệu, và chỉ nhóm nào có chân điều khiển ở mức logic phù hợp với mức logic của tín hiệu điều khiển màu từ EPROM gởi đến mới được phép xuất dữ liệu. Theo cách kết nối như trên thì tại một thời điểm nhất đònh thì chỉ có duy nhất một nhóm được phép truyền dữ liệu, nhóm còn lại sẽ có các ngõ ra ở trạng thái tổng trở cao. Khi tín hiệu điều khiển màu từ EPROM gởi đến ở mức logic thấp thì nhóm chốt dữ liệu thứ nhất sẽ được phép hoạt động (truyền dữ liệu), nhóm thứ hai sẽ bò cấm (ngõ ra ở trạng thái tổng trở cao bất chấp trạng thái ở ngõ vào). Tín hiệu từ bộ quét cột đưa đến sẽ qua bộ chốt thứ nhất để đến Cathode của LED xanh, cho phép các LED này sáng. Ngược lại, khi tín hiệu điều khiển màu ở mức logic cao thì nhóm thứ nhất sẽ bò cấm, chỉ có nhóm thứ hai là được phép hoạt động. Tín hiệu quét cột từ 74138 sẽ qua nhóm này để đi đến Cathode của LED đỏ, cho phép các LED này sáng. Như vậy, bộ chốt dữ liệu dùng IC 74241 trên đã thực hiện được nhiệm vụ đổi màu cho bảng đèn một cách dễ dàng. Tuy nhiên, do IC 74241 có sơ đồ chân phức tạp (các ngõ vào và ngõ ra của IC nằm xen kẽ nhau ở cả hai hàng chân) nên sẽ gây khó khăn cho việc thiết kế mạch in (cho mạch điện của đồ án này). Vì vậy đồ án này sẽ sử dụng IC 74573 để làm bộ chốt dữ liệu và điều khiển màu (IC 74573 có sơ đồ chân phù hợp cho việc thiết kế mạch in hơn IC 74241: các ngõ vào và ngõ ra của IC nằm ở hai hàng chân riêng biệt). Sau đây là sơ đồ nguyên lý của mạch chốt dữ liệu và điều khiển màu dùng IC 74573. 2. Mạch chốt dữ liệu dùng IC 74573: * Sơ đồ nguyên lý của mạch: Tín hiệu điều khiển màu từ EPROM đưa đến Đến Cathode LED xanh Đến Cathode LED đỏ Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 44 * Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch: Các đường dữ liệu ngõ vào của hai IC chốt được mắc song song với nhau và nối đến các ngõ ra của IC 74138 (các IC quét cột). Chân điều khiển xuất dữ liệu (CE) được nối với mạch điều khiển màu. Giữa hai chân CE của hai IC này được nối qua một cổng NOT nên khi một IC được phép xuất dữ liệu thì ngõ ra của IC còn lại sẽ ở trạng thái tổng trở cao (high Z), trạng thái này sẽ không gây ảnh hưởng gì đến các phần khác của mạch. Theo nguyên lý của mạch điện trên thì ngõ ra của mỗi IC chốt sẽ được nối đến Cathode của hai LED có màu khác nhau. Việc kết nối này được quy đònh như sau: khi tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển màu gởi đến ở mức logic [0] thì IC chốt nối với Cathode của LED xanh (IC 74573(I)) được phép xuất dữ liệu, IC còn lại (74573 (II)) có ngõ ra ở trạng thái tổng trở cao. Ngược lại, khi tín hiệu điều khiển màu ở mức logic [1] thì ngõ ra của IC 74573 (I) sẽ ở trạng thái tổng trở cao còn IC 74573 (II) thì được phép xuất dữ liệu và khi đó trên bảng đèn, LED đỏ sẽ được phép sáng. Tóm lại, khi tín hiệu điều khiển màu ở mức logic [0] thì bảng đèn sẽ hiển thò chữ màu xanh và khi tín hiệu này ở mức logic [1] thì bảng đèn sẽ hiển thò chữ màu đỏ. Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 45 CHƯƠNG 5 : BỘ ĐỆM DỮ LIỆU Bộ đệm dữ liệu rất thường được sử dụng trong các mạch điện tử, chẳng hạn như bộ đệm dữ liệu ở ngõ ra của EPROM. Tác dụng của bộ đệm là để cách li các mạch điện ở ngõ vào và ngõ ra của nó, ngoài ra bộ đệm cũng có thể làm tăng dòng điện ở ngõ ra. Có nhiều loại IC đệm chuyên dùng thuộc cả hai họ TTL và CMOS như: 7406, 7407, 7416, 7417,… (họ TTL), 4049, 4050,… (họ CMOS). Ngoài ra các IC cổng cũng có thể dùng làm bộ đệm được. Trong đề tài này, bộ đệm cột đi liền ngay sau bộ chốt dữ liệu là IC 74573 thuộc họ TTL do đó nếu sử dụng các IC đệm thuộc họ CMOS (4049, 4050) thì phải tính đến việc giao tiếp giữa TTL-CMOS. Vì mức logic [1] ở ngõ ra họ TTL thấp hơn mức logic [1] ở ngõ vào họ CMOS nên để IC họ CMOS làm việc ổn đònh thì phải mắc thêm các điện trở hồi tiếp như sau: Do bảng đèn có đến 60 cột (30 cột LED xanh, 30 cột LED đỏ) nên nếu dùng IC họ CMOS làm bộ đệm cột thì phải ráp thêm 60 điện trở hồi tiếp R F ở mỗi cột. Đây là một việc làm tốn nhiều thời gian, công sức và không cần thiết vì trong thực tế cũng có nhiều IC đệm chuyên dùng thuộc họ TTL (như đã giới thiệu ở trên). Các IC đệm chuyên dùng thuộc họ TTL như: 7406, 7407, 7416, 7417 đều có ngõ ra cực thu để hở (Open Collector). Ngõ ra cực thu để hở có dạng như sau (hình 1): Để IC cực thu để hở hoạt động được bình thường thì thường phải mắc thêm điện trở kéo lên như hình 2. Điện trở kéo lên này có tác dụng đònh điện áp ở ngõ ra, tạo đường dẫn cho Transistor bên trong IC. Do đó, tùy từng loại IC mà ta có giá trò điện trở kéo lên khác nhau. Giá trò điện trở kéo lên này được chọn tùy thuộc vào các yếu tố sau: công suất của IC, số tầng mắc song song các IC, hệ số fan-out. Giá trò điện trở kéo lên này cũng phải đủ lớn để không làm quá dòng qua Transistor bên trong IC (dòng chảy R F VCC VCC hình 2 Output R kéo lên Output hình 1 Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 46 vào IC khi ngõ ra ở mức logic thấp: I OL ) và cũng phải đủ bé để không làm chậm đi tốc độ làm việc của IC. Nếu sử dụng IC loại cực thu để hở để thúc tải trực tiếp thì có thể mắc mạch điện như sau: Do tải ở mạch này là bảng đèn (ma trận LED 5x7: một ma trận LED thì gồm có 5 cột và 7 hàng) nên nếu dùng IC đệm để kéo tải trực tiếp như ở hình 3 thì tại mỗi ngõ ra của một cổng đệm sẽ phải nối song song với 7 LED, thông thường thì một IC có 6 cổng đệm, như vậy tổng tất cả các LED mắc song song vào IC là 7x6 = 42 LED. Mạch quang báo này sử dụng phương pháp quét để hiển thò nên dòng điện tức thời qua mỗi LED có thể lên đến hàng trăm mA (trong một số trường hợp có thể lên đến đơn vò Ampe). Như thế tại một thời điểm tức thời nếu có 7 LED cùng sáng thì dòng điện qua IC đã lên đến vài Ampe. Nếu gặp trường hợp cả 8 cột LED đều sáng (trường hợp này xảy ra khi bảng đèn hiển thò hình ảnh) thì dòng điện có giá trò lớn (vài Ampe) sẽ chảy qua IC trong một khoảng thời gian dài và sẽ dẫn đến việc chết IC. Nếu dùng cách mắc thêm điện trở kéo lên như hình 2 thì phải ráp thêm 60 điện trở kéo lên, việc làm này cũng phức tạp tương tự như khi dùng IC đệm họ CMOS. Chúng ta còn một trường hợp khả thi nữa là dùng IC cổng để làm bộ đệm. Do sau bộ đệm còn có thêm một phần thúc công suất nữa nên không cần thiết dòng ra phải lớn. Bộ đệm này chỉ có nhiệm vụ cách li giữa bộ chốt dữ liệu và phần thúc công suất. Như vậy việc dùng IC cổng trong trường hợp này là phù hợp nhất. IC 7404 được chọn vì: trong một IC có đến 6 cổng NOT (số lượng cổng nhiều nhất so với các loại IC cổng khác), ngõ ra không phải là loại cực thu để hở, thuộc họ TTL nên không phải quan tâm đến việc giao tiếp giữa TTL-CMOS. Sau đây là vài sơ đồ điển hình cho việc sử dụng bộ đệm dùng IC 7404. VCC hình 3 tải 7404 7404 7404 DÙNG ĐỆM NGÕ RA EPROM 2764 A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2 CE 20 OE 22 PGM 27 VPP 1 O0 11 O1 12 O2 13 O3 15 O4 16 O5 17 O6 18 O7 19 Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 47 Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 48 CHƯƠNG 6: BỘ THÚC CÔNG SUẤT I. GIỚI THIỆU BỘ THÚC CÔNG SUẤT: Để bảng đèn hiển thò được rõ ràng một câu văn bản, một hình ảnh, một ký hiệu… thì bắt buộc các LED trong bảng phải sáng đủ mạnh, việc này được thực hiện một cách dễ dàng khi dùng các Transistor hoạt động ở lớp D (chế độ Switching, tắt-bão hòa, đóng -cắt). Ngoài ra, ta cũng có thể dùng các IC chuyên dùng để thúc công suất như:7416, 7417… (thuộc họ TTL) hoặc 4049, 4050…( họ CMOS). Các IC này ngày nay đã được chế tạo với dòng ngõ ra có thể lên đến hàng chục mA (có thể lên đến 50 mA), bảo đảm kéo nổi hầu hết các tải trong các mạch điện tử số. Tuy nhiên, nếu dùng các IC để thúc công suất thì ta sẽ có dòng ngõ ra cố đònh, khi muốn dùng tải có công suất lớn hơn thì ta khó sửa đổi lại mạch thúc công suất được. Và một điều nữa là theo tính toán, dòng điện ở một cột LED có thể lên đến gần 100mA, giá trò này cao hơn nhiều so với dòng ngõ ra cực đại của các IC thúc nên ở mạch điện thuộc đồ án này thì không thể dùng các IC để thúc trực tiếp tải được. Còn nhiều cách khác nữa để thúc tải như dùng SCR, triac, op-to, Solid State Relay… Các cách này thường được dùng cho các tải có công suất lớn như các bảng đèn ở quảng trường. Do tải ở đây là bảng đèn có công suất không lớn lắm nên ta chỉ cần dùng các Transistor công suất trung bình là đủ để thúc sáng nó. Bảng đèn cần được thúc bởi hai bộ thúc hàng và cột khác nhau mới sáng được nên ở đây cũng đưa ra hai bộ thúc hàng và thúc cột dùng Transistor. 1. Bộ thúc công suất hàng dùng Transistor: Dữ liệu từ ngõ ra EPROM muốn hiển thò được thì phải ở mức logic [1] (do đề tài này quy đònh), sau khi qua cổng đệm 7404 sẽ bò đảo lại thành mức logic[0]. Với mức logic này, để bộ thúc công suất hoạt động (Transistor dẫn bão hòa) thì phải dùng Transistor loại pnp, mạch được ráp như sau: Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch: khi cực B của Transistor ở mức logic[0] thì mối nối BE được phân cực thuận làm Transistor dẫn, lúc này áp rơi trên CE sẽ giảm (điện áp trên chân C là V C sẽ tăng về hướng V CC ) làm BC cũng được phân cực VCC pnp 7404 R B R C Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 49 thuận luôn. Do BE, BC đều phân cực thuận nên Transistor sẽ dẫn bão hòa và có dòng đủ mạnh để cung cấp cho LED. Khi dữ liệu ở ngõ ra của EPROM ở mức logic[0] (không hiển thò trên bảng đèn) thì sau khi qua cổng NOT (7404), dữ liệu này sẽ được chuyển thành mức logic[1] làm BE, BC không được phân cực thuận nữa nên Transistor sẽ tắt, ngưng cung cấp dòng cho LED. Như vậy Transistor sẽ dẫn bão hòa khi dữ liệu ở ngõ ra EPROM ở mức logic[1], tắt khi dữ liệu này ở mức logic[0]. 2. Bộ thúc công suất cột: Do bộ quét cột đưa tín hiệu điều khiển cho phép ở mức logic[0], sau khi qua bộ đệm 7404 sẽ trở thành mức logic[1], vì vậy Transistor loại npn được sử dụng để làm bộ thúc công suất cột, mạch được ráp như sau: Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch: khi tín hiệu cho phép gởi đến (ở mức logic[0]), qua IC 7404 sẽ trở thành mức logic[1], phân cực thuận BE của Transistor làm Transistor này dẫn. Lúc này, tương tự trường hợp trên, áp rơi trên CE giảm làm BC cũng được phân cực thuận nên Transistor sẽ chuyển đến trạng thái dẫn bão hòa, cung cấp dòng cho LED. Khi tín hiệu cho phép ở mức logic[1], BE sẽ không được phân cực thuận nữa làm Transistor tắt, ngưng cấp dòng cho LED. Trong đồ án, mạch thúc công suất ngang và dọc được kết nối lại với nhau như sau: Giải thích nguyên lý hoạt động: theo hình trên, LED chỉ được phép sáng khi cà hai Transistor cùng dẫn. Để thỏa mãn yêu cầu này thì dữ liệu từ EPROM gởi ra phải ở mức logic[1], đồng thời tín hiệu từ bộ quét cột cũng phải ở mức logic[0]. Lúc này, dựa vào hai cách lý giải ở trên cho bộ thúc công suất hàng và cột, cả hai Transistor đều dẫn bão hòa nên có dòng cung cấp cho LED. npn 7404 R B VCC npn 7404 pnp 7404 R B R B R C Đồ án tốt nghiệp Gvhd: Nguyễn Phương Quang Svth: Vương Kiến Hưng 50 II. TÍNH TOÁN CHO BỘ THÚC CÔNG SUẤT: IC 7404 có áp ngõ ra ở mức cao 2,7V (chọn = 5V). Do mạch quét cột gồm 32 cột, tại mỗi thời điểm chỉ có một cột được phép hiển thò nên thời gian hoạt động của mỗi cột chỉ chiếm 1/3 33% thời gian quét hết 32 cột. Do đó dòng điện trung bình qua mỗi LED cũng chỉ chiếm cỡ 33% so với dòng điện tức thời qua nó. Chọn dòng điện trung bình qua LED là I tb = 10 mA khi đó dòng điện tức thời qua nó là: I tt = = 333 mA = I cbh chọn bh = 25 (chung cho T 1 và T 2 ) Điều kiện để Transistor bão hòa: bh *I B I cbh I BH = I BC = = 13,3 mA do sụt áp trên LED đỏ (1,8V~2V) nhỏ hơn sụt áp trên LED xanh (3V) nên để an toàn và đơn giản, ta chỉ tính toán đối với LED đỏ. Tính R E : ta có I cbh *R E = 5V – (0,2V + 2V + 0,2V) R E = = 7,8 chọn R E = 6,8 với R E = 6,8 I cbh = I tt = 382 mA VCC T2 7404 T1 7404 R BH R BC R E 0V 4V bh I cbh 25 333 3% 10mA 6,8 2,6V 333mA 2,6V . màu (IC 74573 có sơ đồ chân phù hợp cho việc thiết kế mạch in hơn IC 74241: các ngõ vào và ngõ ra của IC nằm ở hai hàng chân riêng biệt). Sau đây là sơ đồ nguyên lý của mạch chốt dữ liệu và điều. phức tạp của mạch in giúp mạch dễ dàng đạt các tiêu chuẩn yêu cầu về kỹ thuật… Phần sau đây sẽ đưa ra hai mạch chốt dữ liệu sử dụng các IC chuyên dùng. 1. Mạch chốt dữ liệu dùng IC 74241: *. phép IC đầu tiên trong bộ quét cột hoạt động (IC 74138 (II)). Lúc này các đường đòa chỉ đặt vào IC 74138 (II) đều ở mức logic [0] nên ngõ ra đầu tiên của bộ quét cột cũng ở mức logic [0] và mạch