Thiết kế mạch đếm 4 bit không đồng bộ sử dụng trigơ JK.

1 Tổng quan. Nói đến bài toán đếm cúng ta nghĩ ngay đến việc là đếm xung các IC số, sẽ đếm sườn lên hay sườn xuống của xung đầu vào cần đếm. Đếm ở đây là đếm xung vuông) mỗi giá trị sườn lên hay sườn xuống của xung được đưa vào IC đếm và được giải mã nhờ IC giải mã sau đó mã hóa và hiển thị ra LED 7 thanh. Mạch đếm từ 0099 gồm 4 khối chính : Khối tạo dao động (sử dụng IC555) Khối đếm nhị phân 4 bit. (sử dụng IC74LS76). Khối giải mã BCD (sử dụng IC74LS47). Khối hiển thị kết quả.(sử dụng LED 7 đoạn). Trong bài tập chúng em sử dụng led đơn để hiển thị mà không sử dụng Led 7 đoạn vì vậy mạch không sử dụng IC giải mã 74ls47 2 Các linh kiện sử dụng trong mạch. 1. IC NE555 (1con) 1.1 Tổng Quát NE555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác.Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất .Sau đây là bảng thông số của NE555 có trên thị trường : + Điện áp đầu vào : 2 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555..) + Dòng điện cung cấp : 6mA 15mA + Điện áp logic ở mức cao : 0.5 15V + Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 0.06V + Công suất lớn nhất là : 600mW

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG

Khoa Điện Tử Viễn Thông



Môn : Thiết kế mạch logic & analog Giảng viên: Trần Thị Xuân

Thai Nguyên 12-2011

Thiết kế mạch đếm 4 bit không đồng bộ

sử dụng trigơ JK.

Giáo viên hướng dẫn: Trần Thị Xuân

Bộ môn: Điện tử viễn thông.

Các thành viên trong nhóm:

1 Phạm Văn Tâm

2 Vương Sỹ Tấn

3 Nguyễn Thanh Hà

4 Hoàng Văn Hiệp

5 Nguyễn Quang Huy

6 Nguyễn Văn Dinh

Lớp N03-DTVTK8B

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các linh kiện bán dẫn đã phần nào giảm bớt được giá thành sản phẩm bằng các linh kiện rời Ứng dụng môn kỹ thuật số vào thiết kế các bộ phận thiết thực hằng ngày giúp chúng ta hiểu được môn kỹ thuật số làm gì và được ứng dụng vào đâu.

Mạch đếm cũng được ứng dụng và phục vụ rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta

Sau đây nhóm chúng em xin thiết kế một mạch đếm 4 bit không đồng bộ dùng trigỏ JK Đây là mạch đếm rất thông dụng trong kỹ thuật số là cơ sở để thiết kế các bộ đếm khác.

Trong đề tài còn nhiều thiếu sót, rất mong được sự góp ý của cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn.!.

Nhóm thực hiện!

Thái Nguyên, tháng 12, năm 2011.

I./ LÝ THUYẾT CƠ BẢN.

1- Tổng quan.

Nói đến bài toán đếm cúng ta nghĩ ngay đến việc là đếm xung các IC số, sẽ đếm sườn lên hay sườn xuống của xung đầu vào cần đếm Đếm ở đây là đếmxung vuông) mỗi giá trị sườn lên hay sườn xuống của xung được đưa vào ICđếm và được giải mã nhờ IC giải mã sau đó mã hóa và hiển thị ra LED 7 thanh

Mạch đếm từ 00-99 gồm 4 khối chính :

- Khối tạo dao động (sử dụng IC555)

- Khối đếm nhị phân 4 bit (sử dụng IC74LS76)

- Khối giải mã BCD (sử dụng IC74LS47)

- Khối hiển thị kết quả.(sử dụng LED 7 đoạn)

NE555 là một loại linh kiện khá

là phổ biến bây giờ với việc dễ

dàng tạo được xung vuông và có

thể thay đổi tần số tùy thích, với

sơ đồ mạch đơn giản,điều chế

được độ rộng xung Nó được

ứng dụng hầu hết vào các mạch

tạo xung đóng cắt hay là những

mạch dao động khác.Đây là linh

kiện của hãng CMOS sản

xuất Sau đây là bảng thông số

của NE555 có trên thị trường :

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V

( Tùy từng loại của 555 :

LM555, NE555, NE7555 )

+ Dòng điện cung cấp : 6mA

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

1.3 Sơ Đồ các Chân

IC NE555 N gồm có 8 chân

cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung

+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và

được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng

thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tươngứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng

mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35

->0.75V)

+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối

masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC

trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người

ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các

tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện

áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu

điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC

555 dùng như 1 tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho

IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555 nhé thấp nhất là con NE7555)

Tm = 0.7 * (R1 + R2) x C1

Tm : Thời gian điện mức cao

Ts = 0.7 * R2 * C1

Ts : Thời gian điện mức thấp

Từ các công thức trên ta có thể tạo ra xung có độ rộng Tm và Ts bất kỳ Xung được tạo ra có: T = Tm + Ts và f = 1/T

2 IC74LS76(JK-FF)

- Số lượng: 2 con

2.1 Tổng quan về Flip flop

FF là mạch có khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích hợp của ngõ vào, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu trong mạch và xuất dữ liệu ra khi cần

Có nhiều loại flip flop khác nhau, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứngdụng Các mạch FF thường được kí hiệu như sau

Hình 2.1 Ký hiệu FF

Nếu các ngõ vào sẽ quyết định ngõ ra là cái gì thì ngõ đồng hồ ck lại chỉ ra rằngkhi nào mới có sự thay đổi đó Chân Ck có thể tác động mức thấp hay mức caotuỳ vào cấu trúc bên trong của từng IC FF, do đó với một IC FF cố định thì chỉ

có một kiểu tác động và chỉ một mà thối, ví dụ với IC 74112 chỉ có một cáchtác động là xung Ck tác động theo cạnh xuống

Các loại FF

Hình 2.2 Kí hiệu khối của 4 loại FF nảy bởi cạnh lên Ck

2.2 JK-FF

FF JK bổ sung thêm trạng thái cho FF RS ( tránh trạng thái cấm)

Hình 2.3 Dạng sóng minh hoạ cho FF JK Nhận thấy đầu vào J, K điều khiển trạng thái ngõ ra theo đúng như cách mà S

R đã làm trừ 1 điểm là khi J = K = 1 thì trạng thái cấm được chuyển thành trạngthái ngược lại ( với J = K = 0 ) Nó còn gọi là chế độ lật của hoạt động

Từ dạng sóng có thể thấy rằng ngõ ra FF không bị ảnh hưởng bởi sườn xuống của xung ck các đầu vào J K cũng không có tác động trừ khi xảy ra tác động lêncủa Ck

Còn cấu tạo bên trong của FF JK kích bằng cạnh sườn sẽ như sau :

Hình 2.3 Cấu trúc mạch của FF JK

-74LS76 là 1 IC chứa 2 FF JK trong cùng một vỏ, ngõ đồng hồ clock (kí hiệu

là CP: Clock Pulse)tác động cạnh xuống; nó đều có cả 2 ngõ vào trực tiếp là Preset (kí hiệu chân là SD) và Clear (kí hiệu chân là CD), trong cấu tạo mạch như hình dưới, chúng đều được đưa vào tầng nand đầu

Hình 2.4 Kí hiệu khối và cấu tạo bên trong của 74LS76

Bảng trạng thái hoạt động của 74LS76

- Ký hiệu: R

- Cách đọc trị số điện trở 4 vòng màu: Giá trị điện trở thường được thể hiện qua các vạch màu trên thân điện trở, mỗi màu đại diện cho một số Màu đen:

số 0, màu nâu: số 1, màu đỏ: số 2, màu cam: số 3, màu vàng: số 4, màu lục:

số 5, màu lam số 6, màu tím số 7, màu xám: số 8, màu trắng: số 9

- Nhìn trên thân điện trở, tìm bên có vạch màu nằm sát ngoài cùng nhất, vạch màu đó và vạch màu thứ hai, kế nó được dùng để xác định trị số của màu

- Vạch thứ ba là vạch để xác định nhân tử lũy thừa: 10(giá trị của màu) Giátrị của điện trở được tính bằng cách lấy trị số nhân với nhân tử lũy

thừa

Giá trị điện trở = trị số x nhân tử lũy thừa)

- Phần cuối cùng: (không cần quan tâm nhiều)làvạch màu nằm tách biệt với

ba vạch màutrước, thường có màu hoàng kim hoặc màubạc, dùng để xác định sai số của giá trị điệntrở, hoàng kim là 5%, bạc là 10%

hư và hoạt động sai Ngoài ra người ta còn gọi tên tụ điện theo vật liệu làm tụ,

ví dụ: tụ gốm, tụ giấy, tụ hóa

-Hình dạng: tụ điện có khá nhiều hình dạng khác nhau

Kí hiệu: được kí hiệu là C

Đơn vị của tụ điện

- Đơn vị của tụ điện là Fara, 1 Fara có trị số rất lớn và trong thực tế người ta thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như

+ P(Pico Fara) 1 Pico = 1/1000.000.000.000 Fara (viết gọn là 1pF)

+ N(Nano Fara) 1 Nano = 1/1000.000.000 Fara (viết gọn là 1nF)

+ MicroFarra 1 Micro = 1/1000.000 Fara (viết gọn là 1µF)

=> 1µF = 1000nF = 1.000.000 Pf

Cách đọc giá trị của tụ điện:

- Đọc trực tiếp trên thân điện trở, ví dụ 100µF (100 micro Fara)

Nếu là số dạng 103J, 223K, 471J vv thì đơn vị là pico, hai số đầu giữ nguyên ,

số thứ 3 tương ứng số lượng số 0 thêm vào sau( chữ J hoặc K ở cuối kà ký hiệu cho sai số)

-Ví dụ 1:103J sẽ là 10000 pF (thêm vào 3 số 0 sau số 10) = 10 nF

6 Led đơn.(8 con)

-LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa

là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồngngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại pghép với một khối bán dẫn loại n

-Chức năng : hiển thị số nhị phân Led sáng=1, led tắt=0

7 Ngoài ra còn có board đồng, dây nối và trong bài tập chúng em sử dụng led đơn để giảm chi phí Nếu sủ dụng led 7 đoạn để hiển thị thì cần sử dụng thêm các linh kiện :

Đèn LED 7 đoạn(1 con)

Led 7 đoạn là một linh kiện hiển thị mã 7 đoạn chuyên dụng, nó hiển thị 16giá trị tương úng với mã BCDLed 7 đoạn có 2 loại: loại chung anot và loại chung catot.Led 7 đoạn cũng có rất nhiều màu sắc khác nhau.Trong đề tài này có sử dụng 2 led 7 đoạn chung anot để hiển thị số

.IC 74LS47

- Mạch giải mã được sủ dụng phổ biến nhất là dùng để hiển thị kết quả ở dạng

chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị và nhiều loại mã số khác nhau lên có nhiều mạch giải mã khác nhau

Ví dụ: giải mã 3 đường ra 8 đường, giải mã BCD ra thập phân

IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sang led

7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp( tùy vào loại đèn led là anod chung hoặc catot chung) để làm các đèn sáng lên 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 vào các đèn led 7 đoạn loại anod chung

a_hình dạng và kích thước chân ngoài thực tế:

*Sơ đồ chân của IC74LS47.

Đây là IC giải mã từ BCD sang LED 7 đọa n với 4 chân đầu vào và 7 chân đầu

ra với chức năng của các chân như sau:

- Chân 1,2,6,7: Chân dữ liệu BCD vào dữ liệu này được lấy từ IC đếm.-Chân :9,10, 11,12,13,14,15: Các chân ra tác động ở mức thấp 0 và đượcnối với LED 7 thanh

-Chân 8 :là chân nối đất GND

-Chân 16: Chân nối nguồn 5V

-Chân 4: Chân này được nối lên Vcc

-Chân 5: Ngõ vào xóa dợn sóng RBI được để không hay nối lên cao khi không được dùng để xóa số 0 (số 0 trước số có nghĩa hay số 0 thừa bên trái dấuchấm thập phân)

-Chân 3: Chân này cũng được nối lên nguồn Vcc

b_Sơ đồ logic của 74LS47.

c_Bảng trạng thái của IC74LS47

*Nguyên lý hoạt động:

Nhìn bảng chân lý trên ta thấy với 4 đầu vào sau khi giải mã nó cho ra 15 giá trịcủa 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 đèn led 7 đoạn thì các đoạn a,b,c,d,e,f,g của đèn sẽ sáng hay tắt tùy vào ngõ 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 phíasau 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 ơ mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa 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

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

II Các bước thực hiện mạch

1.Vẽ mô phỏng trên proteus

2 Sau khi mạch đã chạy trên mô phỏng ta thực hiện vẽ mạch in tren proteus hoặc orcard

3 Sau đó là mạch in lên board đồng rồi ngâm dung dịch và khoan lỗ hàn linh kiện và test thử mạch

III Nguyên lý hoạt động của mạch

Mạch đếm lên

-Hình dưới đây trình bày một mạch đếm gồm 4 FF T mắc nối tiếp Các ngõ vào T (hay J=K) của cả 4 tầng FF đều để trống hay nối lên +Vcc Xung cần đếm được đưa vào ngõ ck tác động cạnh xuống của tầng FF đầu tiên (nó có thể là một chuỗi xung vuông có chu kì không cố định)

-Các ngõ ra Q lần lượt được nối tới ngõ vào đếm ck của tầng sau nó (nếu có) Chúng được đặt tên là Q0 (LSB), Q1, Q2, Q3 (MSB)

Hình 3.1 Bộ đếm nhị phân 4 bit không đồng bộ cơ bản

Hình 3.2 Giản đồ thời gian xung của ngõ vào và các ngõ ra bộ đếm :

- Mạch đếm thường hoạt động ở trạng thái ban đầu là 0000 do đó một xung tác động mức thấp sẽ được áp vào ngõ Cl của các tầng FF để đặt trạng thái ngõ ra

là 0000

- Khi xung đếm ck tác động cạnh xuống đầu tiên thì Q0 lật trạng thái tức là

Q0 = 1 Ở cạnh xuống thứ 2 của xung ck, Q0 lại lật trạng thái một lần nữa, tức là

Q0 = 0 Như vậy cứ sau mỗi lần tác động của ck Q0 lại lật trạng thái một lần, sau

2 lần ck tác động, Q0 lặp lại trạng thái ban đầu, do đó nếu xung ck có chu kì là

T và tần số là f thì xung ngõ ra Q0 sẽ có chu kì là 2T và tần số còn 1/2f Như vậyxung đếm ck đã được chia đôi tần số sau 1 tầng FF

- Do Q0 lại trở thành ngõ vào xung đếm của FF thứ 2 (FF B) nên tương tự tần như vậy fQ1 bằng một nửa fQ0 Với 4 tầng FF thì

fQ3 = 1/2fQ2 = 1/4fQ1 = 1/8fQ0 = 1/16f

-Như vậy với 4 FF ta có 16 trạng thái logic ngõ ra từ 0000(010) ở xung đếm đầu tiên đến 1111 (1510) ở xung đếm thứ 16, tức là trị thập phân ra bằng số xung đếm vào và vì vậy đây là mạch đếm nhị phân 4 bit (có 4 tầng FF, tần số được chia đổi sau mỗi tầng)

Bảng sự thật của mạch đếm nhị phân 4 bit như sau :

Sốxung vào

Mã số ra sau khi cóxung vào

Trị thậpphân ra

Q3 Q2 Q1 Q0Xoá

123456789101112131415

1617

0000000011111111

00

0000111100001111

00

0011001100110011

00

0101010101010101

01

0123456789101112131415

01

Nhìn vào giản đồ xung và bảng trạng thái hoạt động của mạch đếm này ta thấy rằng không phải lúc nào các trạng thái logic các ngõ ra đều thay đổi theo nhịp xung đếm ck đầu vào nên ở đây chỉ là mạch đếm không đồng bộ.

Mạch đếm xuống

Ở trước là mạch đếm lên lần lượt chia 2 tần số, số hệ 10 ra tương ứng là từ 0 đến 15 Cũng có khi cần mạch đếm xuống từ 15 xuống 0 chẳng hạn, cách nối mạch sẽ như thế nào?

Hình dưới trình bày cấu trúc mạch đếm xuống nhị phân 4 bit Ngõ ra Q lần lượtcủa tầng trước sẽ được nối đến ngõ vào ck của tầng sau đó Xung đếm ck vẫn tác động ở mức thấp

Hình 3.3 Mạch đếm xuống 4 bit không đồng bộ

Các ngõ ra và cách thức xoá mạch, đưa xung vào giống như ở trước Ngõ ra Qcủa tầng FF đầu dổi trạng thái ở đổi cạnh xuống của xung vào các ngõ ra khác đổi trạng thái ở cạnh xuống của ngõ ra Q', tức là cạnh lên của ngõ ra Q0 của FF

kề trước Dạng sóng ở ngõ vào và các ngõ ra cùng với mức logic sau mỗi xung vào và kết quả số đếm được trình bày như hình dưới đây Để ý rằng sau xung

ck đầu tiên thì mạch se đếm ngay lên số đếm cao nhất là 15 rồi dần dần xuống

14, … cho tới 0 tổng cộng sau 15 xung ck và tới xung ck thứ 16 mạch sẽ tự động xoá về 15 để đếm xuống trở lại

Hình dưới đây trình bày cả 2 dạng sóng của mạch đếm lên và xuống bạn có thể

so sánh chúng để thấy rõ hơn nguyên lí của sự đếm lên và đếm xuống

hình 3.4 So sánh dạng sóng đếm lên và đếm xuống

Hãy nối dây 4 FF T để tạo ra mạch đếm lên, mạch đếm xuống chia 16, có ngõ

ck tác động mức cao.

Thay FF T bằng FF JK và thiết kế tương tự

Thêm một bước nữa là cũng với từng ấy FF ta sẽ thiết kế mạch để có thể đếm lên đếm xuống đều được

Nhận thấy mạch đếm lên hay xuống là do nối từ ngõ ra Q của tầng trước tới ngõ vào ck của tầng sau do đó ở đây sẽ phải dùng một cổng OR cho 2 ngõ vào Việc đếm lên xuống được quyết định bởi một ngõ điều khiển chọn chế độ lên hay xuống Cấu trúc của mạch sẽ được thiết kế như sau :

Hình 3.5 Mạch đếm lên hay xuống

IV Sản phẩm trên hình ảnh 3D

Nhận xét của giáo viên:

………

………

………

………

………

………

……… ……… :

………

………

………

………

………

………

………

Do trình độ và thời gian nghiên cứu tìm hiểu còn hạn hẹp, nên bài báo cáo của chúng em còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn để bài bài báo cáo đạt chất lượng tốt hơn! Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên 12/2011