án kỹ thuật số doc

Thiết kế mạch đồng hồ số CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. Nội dung: Thông qua cơ sở lý thuyết để thiết kế mạch đồng hồ số, ứng dụng lý thuyết mạch đồng hồ số để lắp mạch thực tế. Giới thiệu những IC trong mạch. 2. Mục đích: Đồng hồ số là một vật dụng thiết yếu trong cuộc sống, thông qua việc thiết kế mạch đồng hồ số ta có thể ứng dụng những kiến thức đã học trong môn kỹ thuật số vào thực tế đồng thời hiểu rõ hơn về môn kỹ thuật số. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 1. Flip Flop: 1.1 Khái niệm: Flip Flop(viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo bảng trạng thái cho trước. FF bao gồm: - Chân nhận xung đồng hồ, xung nhịp, xung clock (Ck). - Hai ngõ ra dữ liệu (data) là Q và Q . - Có 1 hoặc 2 ngõ chức năng quy định hoạt động của FF: S, R, D, J, K. - Ngoài ra FF còn có hai chân: Clr (clear) và chân Pre (Preset). Khi tác động vào chân Clr sẽ xoá FF làm Q = 0, Q = 1. Khi tác động vào chân Pre sẽ đặt FF làm Q = 1, Q = 0. 1.2 Hoạt động của FF: S J CP K R Q _ Q JK- FF Hình 2.1: Ký hiệu của FF. Khi nhận một xong clock tại chân Ck, FF sẽ thay đổi trạng thái một lần. Trạng thái mới sẽ tuỳ thuộc vào mức logic của các chân chức năng, và tuỳ thuộc theo bảng sự thật của mỗi loại FF. 1.3 Phân loại FF: Theo chức năng: có 4 loại: SK- FF, D- FF, T- FF, JK- FF. 1 Thiết kế mạch đồng hồ số Theo trạng thái tác động của xung clock: có 5 loại: - FF tác đọng mức 0. - FF tác động mức 1. - FF tác động cạnh lên. - FF tác động cạnh xuống. - FF tác động chủ - tớ. 2. Hệ chuyển mã: Mạch chuyển mã là mạch thực hiện chức năng chuyển từ một loại mã này thành loại mã khác tương ứng. Ví dụ: Chuyển từ ,mã nhị phân sang mã BCD, v.v… 2.1 Số BCD: ( Binary Code Decimal). Được tạo nên khi ta mã hoá mỗi đecac của một số thập phân dưới dạng một số nhị phân 4 bit. 18 BCD → 0001 1000 * Lưu ý: các phép cộng và trừ số BCD được thực hiện giống như số nhị phân. Tuy nhiên nếu phép tính có nhớ thì sau khi được kết quả ta phải hiệu đính bằng cách trừ cho 10(D) hay cộng 6(D). Thông thường sau mỗi lệnh cộng hoặc trừ số BCD ta kèm theo lệnh hiệu đính. 2.2 Hệ chuyển từ mã nhị phân sang mã BCD: * Bảng 2.2: Bảng trạng thái: Nhị phân BCD X4 X3 X2 X1 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 . . . . . . . . . 1 0 0 1 0 1 0 0 1 2 Thiết kế mạch đồng hồ số 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 3. Hệ mã hoá và giải mã: 3.1 Hệ mã hoá: Mạch mã hóa (ENCODER) là mạch có nhiệm vụ biến đổi những ký hiệu quen thuộc với con người sang những ký hiệu không quen thuộc với con người. Mã hoá thập phân thành nhị phân: Mã hóa thập phân thành nhị phân Hình 2.3: Sơ đồ khối mã hóa thập phân thành nhị phân. * Bảng 2.4: Bảng trạng thái: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B A 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 1 2 3 4 5 0 6 7 8 9 A B C D ( LSB) ( MSB) Thiết kế mạch đồng hồ số 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 * Phương trình logic: A = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 B = 2 + 3 + 6 + 7 C = 4 + 5 + 6 + 7 D = 8 + 9 * Sơ đồ mạch logic: 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Thiết kế mạch đồng hồ số Hình 2.5: Sơ đồ mạch logic mã hóa thập phân thành nhị phân. 3.2. Hệ giải mã: Mạch giải mã (DECODER) là mạch làm nhiệm vụ biến đổi những ký hiệu không quen thuộc với con người sang những ký hiệu quen thuộc với con người. Ví dụ: giải mã 4 đường sang 10 đường, giải mã BCD sang thập phân… Xây dựng hệ giải mã cho led 7 đoạn anode chung. Giải mã led 7 đoạn. Hình 2.6: Sơ đồ khối giải mã led 7 đoạn. *Bảng 2.7: Bảng trạng thái: Input Output Số hiển thị D B C A a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 5 A B C D D A B C a b c d e f g Thiết kế mạch đồng hồ số 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 4 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 5 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 6 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 9 1 0 1 0 X X X X X X X X 1 0 1 1 X X X X X X X X 1 1 0 0 X X X X X X X X 1 1 0 1 X X X X X X X X 1 1 1 0 X X X X X X X X 1 1 1 1 X X X X X X X X * Phương trình logic: a DC BA CA= + ( )b CBA CB A C B A= + = ⊕ c CB A= ( )d C BA CBA CBA C BA C B A= + + = + ⊕ e CB A= + f BA CB DCA= + + g DC B CBA= + Trên thực tế ta thường sử dụng IC 7447. 4. Hệ tuần tự: ( hệ đếm). 4.1 Khái niệm: Hệ đếm là các chữ số tối thiểu để biểu diễn mọi số trong hệ đếm Ta có thể chia hệ đếm thành hai loại là: - Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF. - Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần tử đếm. Để thành lập một hệ đếm ta sử dụng JK- FF. Nếu có nFF thì thành lập được hệ đếm có dung lượng tối đa là 2 n . VD: 2FF thành lập hệ đếm 4. 3FF thành lập hệ dếm 8. 4FF thành lập hệ đếm 16. Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song. * Xét hệ đếm nối tiếp 3bit: 6 Q1 Q2 Q3 1 1 1 Thiết kế mạch đồng hồ số J CP K R Q _ Q J CP K R Q _ QJ CP K R Q _ Q Hình 2.8: Sơ đồ hệ đếm nối tiếp với 3bit. 4.2 Hệ đếm bất kỳ: Gọi: N là số trạng thái của 1 hệ đếm bất kỳ n là số bit đếm. Ta có: 1 2 2 n n N − < < . VD: thành lập hệ đếm 6_ đếm lên. Ta có: 2 3 2 6 2< < => sử dụng 3FF. J CP K R QN Q J CP K R QN QJ CP K R QN Q Hình 2.9: Sơ đồ hệ đếm bất kỳ sử dụng 3FF. * Bảng 2.10: Bảng trạng thái: Số 3 Q 2 Q 1 Q 0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 1 1 0 4.3 Ghép các hệ đếm: 7 CK 1 1 1 Q1 Q2 Q3 Xoá bit nhớ về 000 Thiết kế mạch đồng hồ số Nếu có hai hệ đếm N & M, ta có thể ghép nối tiếp thành hệ đếm có hung lượng N*M thạng thái. * Nguyên tắc ghép: - Đặt xung clock vào bộ đếm M. - Lấy tín hiệu từ bit có trọng số cao nhất của bộ đếm Mlàm xung clock cho bộ đếm N. VD: Hệ đếm 10 ghép với hệ đếm 6 thành hệ đếm 60. Hình 2.11: Sơ đồ hệ đếm 60 được ghép bởi hệ đếm 10 và hệ đếm 6. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH 1. Sơ đồ khối: K hoái taïo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch đồng hồ số. * Nhiệm vụ các khối: Khối tạo xung: tạo xung vuông với tần số 1Hz. Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lý đưa ra tín hiệu mã hoá BCD. Khối giải mã: giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị. Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu sau giải mã. 2. Khối tạo xung: Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống. Đặc biệt là đối với bộ đếm, nó quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm. 8 4 A 3 A 2 A 1 A Đếm 10 3 B 2 B 1 B Đếm 6 MSB LSB CK CK Khối tạo xung Mạch đếm giây Mạch giải mã BCD Khối hiển thị Thiết kế mạch đồng hồ số Có rất nhiều mạch dùng tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ quan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 555. Đây là vi mạch định thời chuyên dùng, có thể mắc thành mạch đơn ổn hay phi ổn. 2.1 IC NE555: 2.1.1 Đại cương: Vi mạch định thời 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 thời 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 thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như: Transistor, SCR, Triac… 2.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân: Hình 3.2: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 555. 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. 2.1.3 Sơ đồ cấu trúc bên trong: 9 Thiết kế mạch đồng hồ số Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 555. * Nguyên lý hoat động: Bên trong vi mạch IC555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở, thực hiện các chức năng sau: - Cầu phân áp gồm 3 điện trở 1 2 3 5R R R k= = = Ω nối từ Vcc xuống mass, cho ra hai mức điện áp chuẩn 1/3Vcc và 2/3Vcc. - So sánh COMP1: là mach khuếch đại so sánh có 1/ 3 in V Vcc + = nối ra chân 6, in V − nối qua chân 2. Tuỳ thuộc vào điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3Vcc mà so sánh 1 có điện áp mức cao hay mức thấp để tín hiệu S điều khiển Flip Flop( FF ) hoạt động. - So sánh COMP2: là mạch khuếch đại so sánh có in V + nối ra chân 6, 2 / 3 in V Vcc − = . Tuỳ thuộc vào điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà so sánh 2 cho ra mức điện áp cao hay thấp để tín hiệu R điều khiển FF hoạt động. - Mạch FF là loại mạch lưỡng ổn kích một bên khi chân S có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm ngõ ra Q lên mức cao, Q = 0. Khi S đang ở mức cao xuống mức thấp thì FF không đổi trạng thái. o Khi: S = 1 ⇒ Q = 1 → Q = 0 S = 1 → 0 ⇒ FF không đổi trạng thái. - Khi R có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm Q = 1, Q = 0. Khi R đang ở mức cao xuống mức thấp thì R không đổi trạng thái. - Mạch khuếch đại đảo nhằm khuếch đại dòng điện cung cấp cho tải, có ngõ vào là Q của FF, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 có điện áp thấp ≈ 0V và ngược lại. Transistor T là transistor có cực C để hở, nối ra chân 7. Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của FF, nên khi Q ở mức cao thì T 2 bão hoà và cực C của T 2 coi như nối mass. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp .Khi Q ở mức 10 [...]... mức 1 dùng để xoá số 0 (số o thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xoá dợn sóng RBO xuống mức thấp Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng Đồ án môn Kỹ thuật số 16 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Thiết kế mạch đồng hồ số Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit... thái IC giải mã 74LS47 Đồ án môn Kỹ thuật số 15 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Thiết kế mạch đồng hồ số Hình 3.11: Sơ đồ logic của IC 74LS47 * Nguyên lý hoạt động: IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 là sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anode chung, trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10 đến 15 không được... Mạch đếm phút dùng IC74LS90 Đồ án môn Kỹ thuật số Mạch đếm giây dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 Hiển thị led 7 đoạn 17 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Mạch đếm giờ dùng IC74LS90 Thiết kế mạch đồng hồ số Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 Hiển thị led 7 đoạn Hình 4.1: Sơ đồ khối của mạch đồng hồ số 2 Sơ đồ nguyên lý: Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của đồng hồ số 3 Nguyên lý hoạt động: Xung... lên cao và ngõ vào LT giữ ở mức thấp các ngõ ra đều sáng Chân 4: Gồm ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên cao cho hoạt động giải mã bình thường Khi nối BI ở mức thấp, các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái của các ngõ vào 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 6, 7: Chân... đến 23 và tại thời điểm sang 24 là lúc cả hai IC được reset Vì số nhị phân tương ứng của 2 là Q3Q2Q1Q0 = 0010, của 4 là Q3Q2Q1Q0 = 0100 nên ngõ ra Q1 của IC đếm giờ ( đếm hàng chục) và ngõ ra Q2 của IC đếm giờ (đếm hàng đơn vị) được đưa vào IC7408 để thực hiện reset về 0 Vậy ta có trạng thái tiếp theo sẽ là 00:00:00 Đồ án môn Kỹ thuật số 18 ... loại đèn led là anod chung hay catod chung) để làm các đèn cần thiết sáng nên các số hoặc ký tự IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loại anod chung 4.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân: 14 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Thiết kế mạch đồng hồ số Hình 3.9: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 74LS47 Chân 1, 2: Chân dử... thập phân từ 0 đến 15 đèn led hiển thị lên các số như ở hình bên dưới Chú ý là khi mã số nhị phân vào là 1111= 15 10 thì đèn led tắt Hình 3.12: Các hiển thị của IC 74LS47 5 Khối hiển thị: Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 74LS47 có mức tích cực là mức 0 ( mức thấp) Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn náo sáng ta nối đầu cathode của đoạn đó xuống mức thấp... OP_AMP 2 có: Vin > Vin => S = 1 => Q = 1, Q = 0 → V0 = 1 : led sáng Transistor Q2 có U B = 0 làm Q2 tắt, tụ C tiếp tục được nạp điện, tụ ap điện qua R1 và R2 với hằng số thời gian là: Tnạp = ( R1 + R2 ).C Khi điện áp Vc tăng > 1/3Vcc, thì: + − OP_AMP 1 có: Vin R = 0 + − OP_AMP 2 có: Vin S = 0 => Q = 1, Q = 0 → V0 = 1 : led sáng, FF không thay đổi trạng thái Khi điện áp trên Vc tăng > 2/3Vcc,... = 0, Q = 1 → V0 = 0 : led tắt 11 Thiết kế mạch đồng hồ số Do Q = 1 nên Q2 dẫn bão hoà làm chân 7 ≈ 0V, làm tụ C không được nạp mà xả điện qua R2 , qua tiếp giáp CE của Q2 và xuống mass Tụ xả với hằng số thời gian là: Txả = R2 C Khi Vc < 2/3Vcc: R = 0, S = 0 : giữ nguyên trạng thái Khi Vc < 1/3Vcc: R = 0, S = 1: => Q = 1, Q = 0 → V0 = 1 : led sáng Khi Q = 0 , Q2 tắt, chấm dứt thời gian xả điện của tụ... B điều khiển đầu ra QB , QC , QD Đầu vào A, B tích cực ở sườn âm 12 Thiết kế mạch đồng hồ số Để tạo thành bộ đếm 10 ta nối đầu ra QA vào chân B để tạo xung kích cho bộ đếm 5 QA , QB , QC , QD là các đầu ra 3.1.2 Sơ đồ logic và bảng trạng thái: * Bảng 3.6: Bảng trạng thái của IC 7490 13 Thiết kế mạch đồng hồ số Hình 3.7: Sơ đồ cổng logic IC7490 Hình 3.8: Sơ dồ đầu ra QA , QB , QC , QD 4 Khối giải . đều sáng. Đồ án môn Kỹ thuật số 16 Trường CĐ CNTT Hữu nghị Việt-Hàn Thiết kế mạch đồng hồ số Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0 đến 15 đèn led hiển thị lên các số. mạch. 2. Mục đích: Đồng hồ số là một vật dụng thiết yếu trong cuộc sống, thông qua việc thiết kế mạch đồng hồ số ta có thể ứng dụng những kiến thức đã học trong môn kỹ thuật số vào thực tế đồng thời. thái ngõ ra. Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số o thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa). Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào