Khóa luận ngành điện tử: Thiết kế đồng hồ số

Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đờitrạng thái là 1 và 0 cho nên sự sắp xếp các đầu ra này cho phép ta biểu diễn kết quả dưới dạng một số hệ hai có số bit bằng số FF dùng trong mạch

Trang 1

Đại Học Quốc Gia Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc

…… oOo……

KHOA ĐIỆN BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên:

Lớp:

Ngành:

Khoá:

1.Đầu đề luận văn: .

2.Cơ sở ban đầu:

3.Nội dung các phần thuyết minh:

4.Các bảng vẽ đồ thị:

5.Cán bộ hướng dẫn:

6.Ngày giao nhiệm vụ:

7.Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Ngày… tháng… năm 2000 Chủ nhiệm bộ môn

Nguyễn Tấn Đời

Trang 2

Luận văn tót nghiệp GVHD: Nguyễn Tấn Đời

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày… tháng…… năm 2000

Ký tên

Nguyễn Tấn Đời

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT

Ngày… tháng…… năm 2000

Ký tên

Trang 4

Lời cảm ơn!

Đề tài thiết kế đồng hồ số là đề tài khá phổ biến, có nhiều ứng dụng trong thực tế Trước khi vào nội dung của luận văn, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy, Cô trong khoa điện và các bạn sinh viên.

Đặt biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Đời đã tận tình

giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành tốt luận văn này.

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Nhơn

Trang 5

SVTH: Nguyễn Thành Nhơn Trang 5

Trang 6

Mục lục

Trang PHẦN MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề 1

II Mục đích nghiên cứu 1

III Giới hạn vấn đề 1

IV Phân tích công trình liên hệ 1

V Thể thức nghiên cứu 2

PHẦN NỘI DUNG A LÝ THUYẾT THIẾT KẾ 3

Chương I: Các mạch cơ bản 3

I Các mạch logic 3

II Các mạch Flip - Flop 5

III Các mạch đếm 8

Chương II: Giao tiếp giữa TTL và CMOS 11

I Mục đích giao tiếp 11

II Giao tiếp giữa TTL và CMOS 11

III Giao tiếp giữa CMOS và TTL 14

Chương III: Bộ nhớ bán dẫn 15

B THIẾT KẾ 23

I Thiết kế khối dao động và chia xung 23

II Thiết kế khối đa hợp và chọn kênh 27

III Thiết kế bộ giải mã ngày tháng - giờ phút 30

IV Thiết kế bộ đếm ngày 31

V Thiết kế khối khiển chuông 32

VI Thiết kế khối hiển thị 32

VII Thiết kế khối chọn và chốt dữ liệu 34

VIII Thiết kế khối dao động điều chỉnh 37

IX Thiết kế khối nguồn 39

Trang 7

C THI CÔNG 41

PHẦN MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

II Mục đích nghiên cứu

III Giới hạn vấn đề

IV Phân tích công trình liên hệ

V Thể thức nghiên cứu

Trang 8

PHẦN NỘI DUNG

A Lý thuyết thiết kế

B Thiết kế

C Thi công

Trang 9

PHẦN KẾT LUẬN

Trang 10

Tài liệu tham khảo

1 Cơ sở kỷ thuật điện tử số

Bộ môn điện tử – Đại Học Thanh Hoa - Bắc Kinh 1996

2 Sổ tay tra cứu vi mạch CMOS

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 1993

3 Sổ tay tra cứu vi mạch số TTL

Technical Information center Motorola Inc 1986

4 Giáo trình vi mạch số 1,2,3

Nguyễn Hữu Phương

5 Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn

Trang 11

KẾT LUẬN

Qua thời gian thực hiện luận văn em đã thực hiện và đạt được những kết quả sau:

+ Phân tích và thiết kế các khối trong mạch

+ Khảo sát các IC thông dụng có trên thị trường

+ Tay nghề được nâng cao

+ Có khả năng thiết kế các khối rời để hoàn thành mạch

Tuy nhiên do thời gian có hạn em chưa thực hiện được những ý tưởng sau:

+ Mạch báo thứ bằng led 7 đọan.

+ Kết nối thêm phần báo nhiệt độ.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Đời và thầy, cô đã nhiệt tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập và làm luận văn.

Sinh viên thực hiện:

NguyễnThành Nhơn.

I Đặt vấn đề:

Ngày nay, các ngành khoa học phát triển như vũ bão đã làm tính ưu việt của nó ngày càng hoàn thiện hơn.

Ngành điện tử là một ngành điển hình, đặt biệt là công nghệ tích hợp vi mạch nhớ Nó đã trở thành một lĩnh vực khoa học, mà ứng dụng của nó không thể thiếu trong dân dụng cũng như trong công nghiệp, nó còn là nền tảng cho các ngành khoa học khác.

Cuộc sống con người ngày càng được nâng cao, trình độ dân trí ngày càng phát triển thì nhu cầu về sử dụng các hệ thống báo hiệu tự động là

Trang 12

không thể thiếu cho những công việc cần thiết đối với con người, đối với những công dân của thế kỷ 21 Chúng ta là những công dân, kỹ sư của những nhà máy, xí nghiệp, thì việc tuân thủ giờ giấc là một yêu cầu nghiêm ngặt

Do đó, cần có hệ thống báo giờ để giúp mọi người nắm bắt được giờ giấc kịp thời mà không ảnh hưởng đến công việc.

Có rất nhiều báo giờ đã và đang được lắp đăët, từ những loại thô sơ dến những loại hiện đại Từ những đồng hồ cơ khí, bán cơ khí sau cùng là đồng hồ điện tử Chỉ riêng đồng hồ điện tử cũng có rất nhiều loại Và theo em loại đồng hồ báo thức đơn giản và phổ biến nhất là:”Mạch báo giờ dùng EPROM”.

II Mục đích nghiên cứu

+ Ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn.

+ Tìm hiểu sâu hơn những kiến thức đã được học.

+ Bổ sung những kiến thức còn thiếu.

+ Để hoàn thành chương trình học.

III Giới hạn vấn đề

Do thời gian và kiến thức có hạn nên việc thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu xót trong việc thiết kế và thi công Em chỉ thực hiện dược các ý tưởng sau: Báo giờ, ngày, thứ và báo chuông theo giờ đặt sẵn Có thể ý tưởng của em không phải là tối ưu nhất Rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn.

IV Phân tích công trình liên hệ

Thông qua việc tham khảo đề tài"thiết kế và thi công đồng hồ báo giờ"cuả Vũ Lê Đức Trí và Đoàn Nam Sơn Đề tài này chỉ thiết kế phần báo giờ.

A LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

Chương I:

CÁC MẠCH CƠ BẢN

I.CÁC MẠCH LOGIC

1 Cổng AND

Dùng để thực hiện phép nhân logic

Kí hiệu: Bảng trạng thái

B

Y

Trang 13

A B Y 0

0 1 1

0 1 0 1

0 0 0 1

Nhận xét: ngõ ra của cổng logic AND chỉ lên mức 1 khi các ngõ vào

là 1

+ A,B: ngõ vào tín hiệu logic + 0: mức logic thấp

+ 1: mức logic cao + Y: đáp ứng ngõ ra

2 Cổng NOT

Dùng để thực hiện phép đảo

0 1

1 0 Tín hiệu giữa ngõ ra và ngõ vào luôn ngược mức logic nhau

3 Cổng NAND

Dùng thực hiện phép đảo của phép nhân logic

0 0

0 1

1 1

Y

BAA

B

Y

Trang 14

1 1

0 1

1 0

Nhận xét: Ngõ ra của cổng NAND ở mức logic 1 khi tất cả các đầu

vào là 0.

4 Cổng OR

Dùng thực hiện chức năng cộng logic

Kí hiệu: Bảng trạng thái.

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 1 Nhận xét: Ngõ ra cổng OR ở mức logic 1 khi ngõ vào có ít nhất một

ngõ ở 1

5 Cổng NOR

Dùng thực hiện phép đảo cổng OR

0 0 1 1

0 1 0 1

1 0 0 0

Nhận xét : ngõ ra cổng NOR sẽ ở mức 1 khi tất cả các đầu vào là 0

6 Cổng EX-OR

Dùng tạo ra tín hiệu mức 0 khi các đầu vào cùng trạng thái.

0 0

0 1

Y

Trang 15

1 1

0 1

1 0

Tóm lại:

Trên đây người viết giới thiệu 6 loại cồng logic :AND, NOT, NAND,

OR, NOR, EX-OR Nhưng thực tế chỉ cần 4 cổng AND, OR, EX-OR, NOT thì có thể có được các cổng còn lại Hiện nay các cổng logic được tích hợp trong các IC Một số IC thông dụng chứa các cổng thông dụng là:

4 AND 2 ngõ vào: 7408, 4081

4 NAND 2 ngõ vào:7400, 4071

4 NOR 2 ngõ vào: 7402, 4001

4 EX-OR 2 ngõ vào:74136, 4030

Flip - Flop là các phần tử cơ bản để tạo thành các mạch đếm, các thanh ghi, các bộ nhớ… là phần tử thường có 2 đầu ra và nhiều đầu vào.

Là một dạng FF rất phổ biến gồm 2 phần và có 2 khối điều khiển riêng nhưng lại có quan hệ với nhau FF chủ thực hiện chức năng logic cơ bản của

S

R QN Q

Trang 16

hệ Flip-Flop tớ thực hiện chức năng nhớ trạng thái của hệ sau khi hoàn thành việc ghi thông tin.

Dưới sự điều khiển của xung clock Cp, việc ghi thông tin vào Flip-Flop chủ tớ được thực hiện qua 4 bước:

+ Bước 1: cách ly giữa 2 Flip-Flop chủ và tớ.

+ Bước 2: ghi thông tin vào Flip-Flop chủ.

+ Bước 3: cách ly giữa đầu vào và Flip-Flop chủ.

+ Bước 4: chuyển thông tin từ Flip-Flop chủ đến tớ.

Là một FF vạn năng có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật số Trong FF này ngoài 2 đầu vào kích thích trực tiếp Sd và Rd, còn có 2 đầu vào điều khiển đồng bộ JK đầu vào xung clock Cp.

Về cấu tạo: Flip-Flop JK phức tạp hơn FF RS và FF RST, nhưng chúng

có khả năng hoạt động lớn hơn bởi vì cáclý do sau:

Vẫn điều khiển trực tiếp qua Sd, Rd.

Các đầu vào J, K không có đặc tính như S và R Tuy nhiên khi J - K = 1 thì mạch hoạt động như một Flip - Flop T (nghĩa là Q vẫn được xác định trong khi FF RS, RST thì bị cấm).

Chú ý: khi Flip - Flop nẫy bằng xung clock ta cần chú ý: Flip - Flop tác

động bằng mức điện thế hay bằng cạnh (sườn).

Một số IC chứa Flip - Flop JK:

SJCPK

RQNQ

Cp

Q Q\ X2'

X1

Trang 17

+ 7470: FF JK nẩy bằng cạnh lên, với Preset và xoá, có cửa and ở ngõ vào.

+ 7472: FF JK chủ tớ nẩy ở mức cao với Preset và xoá, có cửa and

ở ngõ vào.

+ 7473: FF JK với xoá, nẩy ở mức cao, (74LS73 nẩy ở cạnh xuống).

+ 74112: hai FF JK với xoá, Preset, nẩy bằng cạnh xuống.

+ 4027: chưá 2FF độc lập, Set, Reset nẩy ở cạnh lên.

5 Flip - Flop D:

0 1

1 0 Đầu ra của Flip-Flop D lặp lại trạng thái đầu vào D ở thời điểm trước đó.

Ta có thể chế tạo FF D từ FF JK, RS…

Các IC chứa Flip-Flop D: 7474,74174,74175…

6 Flip - Flop T:

Là Flip-Flop có hai đầu ra Q, Q\ và đầu vào dữ liệu T.

0 1

Qn Qn

T = 1: đầu ra nẩy liên tục theo xung clock

T = 0: đầu ra giữ vị trí cũ không đổi.

III.Mạch đếm

Mở đầu:

Mạch đếm hạch đếm xung là một hệ lôgic dãy được tạo thành từ sự kết hợp của các Flip - Flop Mạch có một đầu vào cho xung đếm và nhiều đầu ra Các đầu ra này thường là các đầu ra Q cho các FF Vì Q chỉ có thể có hai

D

CP QN Q

T Cp

Q Q

Trang 18

trạng thái là 1 và 0 cho nên sự sắp xếp các đầu ra này cho phép ta biểu diễn kết quả dưới dạng một số hệ hai có số bit bằng số FF dùng trong mạch đếm.

Điều kiện cơ bản để một mạch được gọi là mạch đếm là nó có các trạng thái khác nhau, tối đa của mạch cũng bị giới hạn Số xung tối đa đếm được gọi là dung lượng của mạch đếm.

Mạch đếm nhị phân:

Là loại mạch đếm trong đó có trạng thái của mạch được trình bày dưới dạng số nhị phân Một mạch đếm nhị phân sử dụng n Flip-Flop sẽ có dung lượng là 2n.

Mạch đếm BCD:

Thường dùng 4 FF nhưng chỉ cho mười trạng thái khác nhau để biểu diễn các số hệ 10 từ 0 đến 9.

Mạch đếm modul M:

Là mạch đếm có dung lượng là M, với M là số nguyên dương bất kỳ

Vì vậy mạch đếm loại này có rất nhiều dạng khác nhau tuỳ theo sáng kiến của nhà thiết kế nhằm thoả mãn nhu cầu sử dụng.

Mạch đếm modul M thường dùng cổng logic với Flip-Flop và các kiểu hồi tiếp đặc biệt để có thể trình bày kết quả dưới dạng số hệ hai tự nhiên hay dưới dạng mã nào đó.

Về chức năng của mạch đếm, người ta phân biệt:

Các mạch đếm lên (up counters) hay còn gọi là mạch đếm cộng,

mạch đếm thuận.

Các mạch đếm xuống: (down counters) hay còn gọi là mạch đếm trừ,

mạch đếm nghịch.

Các mạch đếm lên - xuống (up - down counters) hay còn gọi là mạch

đếm hỗn hợp, mạch đếm thuận nghịch.

Xung đếm

Trang 19

Về phương pháp đưa xung clock vào mạch đếm, người ta phân ra:

Phương pháp đồng bộ:

Phương pháp này xung clock được đưa đến các Flip Flop cùng một lúc.

Phương pháp không đồng bộ:

Phương pháp này xung clock được đưa đến một FF, rồi các FF còn lại kích thích lẫn nhau.

Tốc độ tác động của mạch đếm là tham số quan trọng và được xác định bởi hai tham số khác là:

Tần số cực đại của dãy xung mà bộ đếm có thể đếm được.

Khoảng thời gian thiết lập của mạch đếm: tức là khoảng thời gian từ khi đưa xung đếm vào mạch cho tới khi thiết lập xong trạng thái trong bộ đếm tương ứng với khung đầu vào.

Các Flip-Flop thường dùng trong mạch đếm là loại RST và JK dưới dạng rời hay tích hợp.

Mạch ghi:

Mỗi Flip-Flop có hai trạng thái ổn định (hai trạng thái bền) và ta có thể kích thích Flip-Flop để có được một trong hai trạng thái như ý muốn Sau khi kích thích Flip-Flop sẽ giữ hai trạng thái này cho đến khi nó buộc bị thay đổi

Vì có đặc tính như vậy nên ta bảo rằng Flip-Flop là mạch có tính nhớ được hay mạch nhớ.

Như vậy, nếu dùng nhiều Flip-Flop ta có thể ghi vào đó một hay nhiều dữ liệu đã được mã hoá dưới dạng một chuỗi các số hệ nhị phân là 0 và 1 Các FF dùng vào công việc như thế tạo thành một loại mạch là mạch ghi mà trong nhiều trường hợp còn gọi là thanh ghi (register).

Thông thường các FF không nằm cô lập mà chúng được nối lại với nhau theo một cách nào đó để có thể truyền từng phần dữ liệu cho nhau Dưới hình thức này ta có thanh ghi dịch (shift register).

Thanh ghi dịch là một phần tử quan trọng trong các thiết bị số từ máy

đo cho đến máy tính Ngoài nhiệm vụ ghi nhớ dữ liệu, chúng còn thực hiện một số chức năng khác nhau.

Có hai phương pháp đưa dữ liệu vào mạch là: nối tiếp (serial) và song song (parallel) tạo thành các mạch ghi nối tiếp và mạch ghi song song.

Thanh ghi được tích hợp trong các IC sau:

+ 74164 ↔ 4034 : thanh ghi độc lập 8 bit.

Trang 20

+ 74165 ↔ 4021 : thanh ghi dịch 8 bit.

+ 74166 ↔ 4014 : thanh ghi dịch 8 bit.

+ 74194 ↔ 40194 :thanh ghi dịch 4 bit.

+ 74195 ↔ 40195 :thanh ghi dịch 4 bit.

Trang 21

Chương II:

GIAO TIẾP GIỮA TTL VÀ CMOS

I MỤC ĐÍCH GIAO TIẾP:

Trong khi một ngõ TTL có thể thúc trực tiếp nhiều ngõ TTL, một ngõ

ra CMOS có thể thúc trực tiếp nhiều ngõ CMOS: thì đôi khi ta phải dùng hỗn tạp IC TTL và Cmo8 trong cùng một mạch hay vì hệ thống vì lẽ không có IC cùng loại, lúc đó vấn đề giao tiếp giữa hai loại họ IC được đặt ra mà lý do là điện thế ra, vào và khả năng dòng ra vào của hai mạch logic khác nhau.

Sau đây là bảng giá trị dòng điện và điện áp cho việc giao tiếp CMOS và TTL:

II GIAO TIẾP GIỮA TTL VÀ CMOS.

Khi ngõ ra của cửa TTL ở mức cao (logic 1) dòng điện từ Vcc chạy qua transitor tải hay điện trở kéo lên để vào mạch CMOS Dòng điện tải (vào mạch CMOS) phải nhỏ hơn dòng điện nguồn của mạch TTL ở mức logic 1 để không hạ thấp mức điện thế ra của mạch TTL xuống dưới mức điện thế vào ở trạng thái 1 của mạch CMOS Vì dòng điện vào trạng thái 1 của mạch CMOS Chỉ bằng ở 10pA nên không có vấn đề gì Mạch TTL có 3 kiểu mạch ra: điện trở kéo lên, cực thu để hở và kéo đèn tích cực Do đó xét 3 trường hợp:

Điện trở kéo lên: trường hợp mạch ngõ ra có điện trở kéo lên như hình

1 ta có thể mắc trực tiếp vào CMOS.

Trang 22

Cực thu để hở: (hình 2): với mạch TTL có ngõ ra kiểu này ta phải mắc thêm điện trở kéo lên để giao tiếp với CMOS Không nên sử dụng hỗn tạp mạch CMOS, TTL làm tải mà chỉ toàn CMOS thôi.

Ngõ ra kéo lên tích cực (hình 3) đây là kiểu ra phổ biến nhất của TTL Điện thế ra tối thiểu ở mức cao 2,4 V là dòng điện tải 100 µ A Khi tải là cuửa CMOS điệ nthế ra ở logic 1 của mạch TTL là:

V0 = Vcc - VBE - VD - RB

Điện thế này dưới 4V khiến CMOS không hoạt động đúng nên phải dùng điện trở kéo lên Rx bên ngoài mạch TTL (hình 4).

Cách chọn điện trở kéo lên:

Trị số tối thiểu của điện trở kéo lên Rx cho bởi:

Rx (min) =

VOL (max): điện thế tối đa ra ở mức logic 0 của TTL.

IOL: dòng điện nhận của TTL ở mức Logic 0.

N: số mạch CMOS mắc vào ngõ ra của TTL.

H ì n h 1

T T L

+V 5V

NPN 1k

H ì n h 2

+V 5V

CMOS 1k

I o

H ì n h 3

+V 5V

TTL

CMOS

Hình 4

+V 5V

Trang 23

IIL: dòng điện vào ở logic 0 của một CMOS.

Rx nhỏ hơn Rx (min) ở trên sẽ tạo dòng điện vượt khả năng nhận dòng của TTL ở logic 0 Trị tối đa của Rx là:

Rx (max):

VIH (min): điện thế vào tối thiểu ở logic 1 cửa CMOS.

ICEX: dòng điện sẽ thu phát của transitor ra của TTL.

IIH: dòng điện vào mức logic 1 của CMOS.

Rx (max): tùy thuộc chủ yếu vào dòng điện nghịch ICEX vì dòng điện ngõ vào của CMOS rất nhỏ (hình 5).

Với một cửa CMOS.

*Trường hợp TTL thúc CMOS với Vpp lớn 5 V

Khi CMOS hoạt động ở điện thế VDD cao hơn 5V vẫn có thể dùng điện kéo lên nhưng chỉ với TTL loại CMOS thu để hở và chịu điện thế cao (hình 6): như 7406 (sáu đảo); 7407 (sáu thúc); 7426 ( 4 nand 2 ngõ vào).

Cách khác là dùng một transitor đệm (hình 7) Mạch đệm không được giảm tốc độ giao hoán tối đa của hệ thống (bằng cách thêm tụ 47 µ p) và phải đảm bảo độ miễn nhiễu tốt bằng cách mắc thêm điện trở R2.

4051 Hình 9

+

Hình 10

40107 hay 740906

TTL CMOS

Vdd=5-18V

+V 5V

3.3k

Vdd=5 - 18 V

CMOS TTL

Hì n h 7 + V

Hìn h 8

CM OS TTL

Vd d =5 -1 8 V

+V 1k

Trang 24

III GIAO TIẾP GIỮA CMOS - TTL

Ngõ ra cửa CMOS ở mức logic 1 rất gần Vpp Và ở mức logic 0 rất gần mass Nên về điện thế cmoss có thể giao tiếp trực tiếp với TTL Còn về dòng thì khi CMOS ở trạng thái cao nó có thể cung cấp ít nhất 200 µ A Trong lúc yêu cầu dòng của TTL chỉ 40 µ A nhưng ở trạng thái thấp CMOS chỉ có thể nhận tối đa 0,78 mA trong lúc yêu cầu dòng của TTL là 1,6 mA Kết quả là CMOS không thể thúc trực tiếp một ngõ TTL loại 74 hay tương đương.

Nếu CMOS hoạt động ở VDD 5V có thể thúc trực tiếp một ngõ 74LS, hay hai ngõ 74L các đệm CMOS như 4049 (đảo), 4050 (không đảo) có thể thúc trực tiếp hai ngõ 74 hoặc 8 ngõ 74L hay 40 ngõ 74 LS khi chọn điện trở kéo lên thích hợp Một giải pháp thô sơ là dùng nhiều cửa CMOS mắc song song để thúc một ngõ TTL.

Khi CMOS hoạt động ở điện thế lớn hơn 5V ta có nhiều giải pháp Trước tiên vẫn có thể dùng 4049/4050 Chỉ cần nối ngõ cấp điện lên 5V Lúc bây giờ điện thế ra giao hoán giữa 0 và +0,5 V có thể thúc hai ngõ 74 hoặc 8 ngõ 74LS Ngoài ra có thể dùng 40107 hoặc 740906 hoạt động cùng điện thế với CMOS và một MOS đệm (hình 9) Và một cách nữa là dùng transitor làm tầng đệm (hình 10).

Chương III:

Bộ nhớ bán dẫn

Đối vơi các thiết bị số, khả năng chứa đựng được dữ liệu là một yêu cầu quan trọng Chẳng hạn trong máy tính chỉ phép toán phải được lưu trữ ngay trong máy Còn trong các thiết bị điều khiển số thì lệnh điều kiện phải

Hình 10

40107 hay 740906

TTL CMOS

Vdd=5-18V

+V 5V

3.3k

Trang 25

được lưu trữ để thực hiện dần theo một trình tự nào đó Vì vậy, bộ nhớ là một phần không thể thiếu của các thiết bị số.

Thông thường thông tin hay dữ liệu được tạo thành từ một đơn vị cơ bản gọi tắt là từ (word) Từ một chiều dài nhất định tuỳ theo loại máy, chẳng hạn 16 bit, 32 bit, 64 bit Từ là một thành phần cơ bản nhất Các bộ phận cơ bản của thiết bị thướng được truyền đi hay nhân vào nguyên một từ hay nhiều từ chứ không nhân vài bit của từ Tuy nhiên, vì từ được tạo thành từ nhiều bit nên đơn vị cơ bản của bộ nhớ chính là đơn vị nhớ lưu trữ được 1 bit.

Khi so sánh các bộ nhớ người ta thường chú ý đến các thông số kỹ thuật sau:

thông tin hay dữ liệu có thể lưu trữ được trong bộ nhớ Để xác định được dung lượng người ta dùng đơn vị là số bit, hoặc kilôbit, hoặc megabit, dung lượng liên quan trực tiếp đến giá thành Giá thành này được đánh giá theo tiêu chuẩn: chi phí/bit.

+ Thời gian thâm nhập: (access time): thời gian này gồm có hai phần:

Thứ nhất là thời gian cần thiết để xác định vị trí của từ (thời gian tìm từ) trong bộ nhớ Và thứ hai là phần thời gian cần thiết để lấy từ ra khỏi bộ nhớ thời gian thâm nhập là thông số quan trọng của bộ nhớ, nếu nó kéo dài thì nó làm giảm khả năng làm việc của thiết bị.

Các thuật ngữ của bộ nhớ.

 Memory cell: là một ô nhớ dùng để lưu trữ một bit dữ liệu (0

hoặc 1) thường là 1 FF.

 Memory word: là một ô nhớ có thể lưu trữ nhiều bit dữ liệu: có

thể là 8, 16, 32 bit.

 Byte: là một thuật ngữ đặc biệt dùng để chỉ một dữ liệu 8 bit.

 Capacity: là dung lượng của bộ nhớ dùng để xác địng xem có

bao nhiêu bit có thể lưu trữ trong một bộ nhớ đặc biệt hoặc cả hệ thống nhớ.

 Address: là con số để phân biệt ô nhớ này với ô nhớ khác Mỗi

một byte dữ liệu lưu trong ô nhớ đều có một điạ chỉ duy nhất, mà điạ chỉ này dùng hệ thống số nhị phân để biểu diển.

 Read operation: là quá trình đọc dữ liệu hay lấy dữ liệu ra từ

bộ nhớ.

Trang 26

 Write operation: là quá trình ghi dữ liệu hay cất dữ liệu vào bộ

nhớ.

 Access time: là thời gian truy xuất, được tính từ lúc bộ nhớ nhận

điạ chỉ cho đến khi dữ liệu xuất hiện ở ngõ ra.

nào cũng có thể truy xuất dễ dàng và thời gian truy xuất cho tất cả các ô nhớ là như nhau.

các ứng dụng cần tỷ lệ đọc dữ liệu rất cao.

 Statie Memory: bộ nhớ tĩnh là loại bộ nhớ mà dữ liệu được lưu

vẫn còn khi cấp điện mà không cần gi lại dữ liệu.

 Dynamie Memory: bộ nhớ động là loại bộ nhớ mà dữ liệu sẽ

mất ngay cả khi còn cấp điện trừ khi phải ghi lại dữ liệu vào bộ nhớ, quá trình này gọi là quá trình làm tươi bộ nhớ.

 Hoạt động của bộ nhớ:

Nhận điạ chỉ để lựa chọn đúng ô nhớ cần truy xuất.

Nhận tín hiệu điều khiển để thực hiện việc truy xuất dữ liệu: có nghĩa là nhận dữ liệu vào hay gởi dữ liệu ra.

Nhận dữ liệu để lưu trữ vào ô nhớ khi thực hiện chức năng ghi.

Gởi dữ liệu ra khi thực hiện chức năng đọc.

Kiểm tra tín hiệu cho phép để biết bộ nhớ này được phép truy xuất hay không.

Với các hoạt động như trên, do đó bộ nhớ bao gồm các đường tín hiệu được trình bày ở hình vẽ sau đây, cho bộ nhớ có dung lượng 32 x 4bit.

A4 I3 I2 I1 I0A3

A2 32x4bitA1

A0 O3 O2 O1 O1

Address Input

Trang 27

Thật ra để tiết kiệm, người ta dùng ngã ra chung cho I/O.

Do kích thước của từ dữ liệu là 4 bit nên có 4 ngõ dữ liệu vào I3, I2, I1,

I0 và 4 ngõ dữ liệu ra O3, O2, O1, O0 Khi dữ liệu vào bộ nhớ thì dữ liệu được đưa đến ngõ vào I3, I2, I1, I0 Khi muốn đọc dữ liệu thì bộ nhớ từ dữ liệu sẽ xuất hiện tại các ngõ O3, O2, O1, O0 Các ngõ dữ liệu vào, ra được tích hợp lại để giảm bớt kích thước của bộ nhơ.ù

 Các ngõ vào địa chỉ:

Địa chỉ của bộ nhớ sử dụng hệ thống nhị phân Với bộ nhớ này chỉ có

32 ô nhớ sẽ dùng 5 bit địa chỉ A4, A3, A2, A1, A0 Sẽ cho 32 trạng thái khác nhau tương ứng với 32 ô nhớ khác nhau.

Ngõ vào read/write dùng để xác định chế độ đọc dữ liệu ra hoặc ghi dữ vào của bộ nhớ Nhiều bộ nhớ chia làm hai ngõ vào riêng biệt, một cho hoạt động đọc, một cho hoạt động ghi, khi sử dụng cùng một ngõ vào R/W thì đọc dữ liệu ra khi chân R/W = 1 và ghi dữ liệu vào khi chân R/W = 0.

Ngõ vào cho phép ( Memory Enabel): trong một hệ thống nhớ sẽ dùng nhiều bộ nhớ, để truy xuất dữ liệu từ bộ nhớ nào thì chỉ có bộ nhớ đó được phép, còn các bộ nhớ khác không được phép để tránh sự truy cập sai về dữ liệu.

Bộ nhớ RAM (Random Access Memory).

Ram là bộ nhớ có thể đọc, viết được và có khả năng truy xuất ngẫu nhiên rất thuận lợi trong việc thay đổi chương trình Nhưng khuyết điểm của Ram là không lưu trữ được dữ liệu khi nguồn cung cấp bị gián đoạn Bộ nhớ này chỉ thích hợp trong các trường hợp chương trình cần thay đổi thường xuyên, có thể nạp xuất trong mạch một cách dễ dàng Thường nó làm nhiệm vụ tính toán, lý luận, sắp xếp chứ không thể lưu trữ thông tin lâu dài.

Ram tĩnh ( Statie Ram - Sram).

Trang 28

Do cấu trúc tế bào nhớ trong Ram tĩnh là cá Flip - Flop nên dữ liệu khi nạp vào Ram luôn ở trạng thái ởn định Dữ liệu này vẫn tồn tại trong Ram nếu không bị mất điện.

RAM động (Danamic Ram - Dram).

Ram động có cấu tạo tế bào nhớ giống như một điện dung bẩm sinh, mà tụ điện luôn bị mất điện theo thời gian, nên để dữ liệu trong Ram tồn tại liên tục, người ta phải liên tục nạp lại dữ liệu cho Ram Hiện tượng này gọi là làm tươii Ram.

SRAM: thời gian truy xuất nhanh hơn nhưng dung lượng sẽ hơn DRAM.

Bộ nhớ ROM (Read Only Memory).

ROM là bộ nhớ chỉ đọc chứ không thể viết dữ liệu mới vào bất cứ khi nào ta muốn Nghĩa là bộ nhớ này được thiêt kế để lưu trữ các dữ liệu cố định Đối với bộ nhớ ROM, dữ liệu trong Rom gắn liền với qúa trình chế tạo ROM Quá trình đưa dữ liệu vào ROM gọi là lập trình cho ROM, nhiều ROM chỉ cho phép lập trình một lần, các ROM sau này cho phép lập trình nhiều lần, trước khi nạp dữ liệu mới phải xoá dữ liệu cũ.

Các loại ROM:

đây là loại ROM chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng vì chỉ lập trình được một lần duy nhất và chương trình được cài sẵn trong quá trình chế tạo,

ví dụ như: TMS 47256, TMS 47C256…

thể xoá và nạp lại Ví dụ như: TMS47P256, TMS.47186…

người dùng, có thể xoá và lập trình lại nhiều lần.

Để xoá dữ liệu trong ROM phải dùng ánh sáng tia cực tím.

Để lập trình cho PROM phải dùng mạch nạp EPROM Ho EPROM có hệ số là 27xxx và nhiều mã khác.

SRAM DRAM

Truy xuất Chờ truy xuất Truy xuất Chờ truy xuất

Trang 29

EPROM có 2 điểm bất tiện

Phải lấy EPROM ra khỏi Socket để xoá và lập trình lại khi muốn thay đổi chương trình.

Khi muốn thay đổi dữ liệu của một bộ nhớ thì phải xoá dữ liệu của ô nhớ đó, nhưng khi dùng ánh sáng tia cực tím thì tất cả dữ liệu trong EPROM

bị xoá sạch và phải nạp lại toàn bộ dữ liệu Chính vì thế mà các nhà chế tạo đã cải tiến EPROM thành EEPROM để có thể xoá và lập trình các ô nhớ một cách độc lập.

Họ EEPROM có mã số là 28xxx.

EPROM 2716 có dung lượng 2 Kbyte

EPROM 2716 có 11 đường địa chỉ và 8 đường dữ liệu nên dung lượng của 2716 là 2048 byte dữ liệu hay 2 Kbyte Có 2 ngõ vào cung cấp nguồn Vec và Vpp, ngõ vào Vcc luôn nối với nguồn + 5V, ngõ vào Vpp được nối tới +5V khi EPROM đang làm việc ở chế độ đọc dữ liệu và nối tới 25V khi lập trình cho EPROM (Vpp thay đổi tuỳ theo từng loại EPROM).

EPROM 2716 có thời gian truy xuất là 150ns Hai ngõ vào điều khiển.

OE\: được dùng để điều khiển bộ đệm (outputbuffer) để cho phép dữ

liệu của EPROM xuất ra ngoài hay không.

CE\: là ngõ vào cho phép có 2 chức năng:

Khi hoạt động bình thường CE\ là tín hiệu cho phép, để đọc dữ liệu từ EPRom, CE\ phải ở mức thấp để mạch điện bên trong lựa chọn dữ liệu và

A10CE\

D7D6D5D4D3

D0D1D2D3D4D5D6D7

Trang 30

chuyển nó đến out put buffer kết hợp với tín hiệu cho phép OE ở mức thấp thì dữ liệu mới xuất ở các ngõ ra D0 - D7.

Khi CE\: ở mức cao thì EPROM ở trạng thái chờ (standby) Công suất tiêu tán ở trạng thái EPRom đọc dữ liệu 525mw và ở trạng thái chờ là 132mw nên CE\ được gọi là ngõ vào điều khiển công suất.

Ngõ vào OE\ được xem là ngõ cho phép đọc dữ liệu

EPROM 2732:

EPROM 2732 có dung lượng 4 Kbyte.

Bảng trạng thái làm việc của EPROM 2732

EPROM 2764 có dung lượng 8 Kbyte

Bảng trạng thái làm việc

VccPRM\

NCA8A9A11OE\

A10CE\

D7D6D5D4D3

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12

Trang 31

Program VIL x VIL Vpp " Dm

Các EPROM có dung lượng lớn khác như 27128, 27256…

Giản đồ truy xuất ROM

Trang 32

B THIẾT KẾ

Sơ đồ khối:

Khối nguồn

Khối dao động

và chia xung

Khối điều khiển

Khối giải mã giờ

Khối đệm

Bộ nhớ giờ

Khối giải mã ngày Bộ nhớ ngày Khối chọn

Khối điều chỉnh Bộ đếm ngày

Hiển thị thứ

Trang 33

I THIẾT KẾ KHỐI DAO ĐỘNG VÀ CHIA XUNG.

1 Mục đích thiết kế khối dao động và chia xung:

Đối với các thiết bị điện nói chung và các thiết bị số nói riêng Bộ dao động đóng vai trò hết sức quang trọng để tạo xung điều khiển các thiết bị họat động.Tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật ma có các mạch dao động tương ứng Đối với những hệ thống không cần sự chính xác qúa cao và tần số thấp có thể sử dụng những linh kiện rời như: R,L,C, BTT để tạo mạch dao động hoặc là sử dụng IC 555…Đối với những hệ thống cần sự chính xác cao như máy tính ,hệ thống điều khiển, đồng hồ…,không thể sử dụng những mạch dao động trên vì độ chính xác không cao, độ sai số của linh kiện lớn, tần số không đáp ứng được Do đó phải sử dụngnhững mạch có độ chính xác cao hơn, mà thông dụng hiện nay làsử dụng mạch dao động thạch anh.

2 Các mạch dao động căn bản:

 Dao động dịch pha:

+Tần số dao động: fo=2nRC1 6+Điều kiện dao động:  Av ≥ 29

 Dao động cầu viên(wien):

Tần số dao động: fo= 2 nRC

1

A

Điều kiện dao động: 1 + RTR >3

 Dao động cộng hưởng LC:

Tần số dao động: fo=2n1LC

 Dao động Colpilts:

Tần số dao động: fo=21n LC2

 Dao động Hartley:

Tần số dao động: fo=21 21LC

Trang 34

 Dao động vùng trở âm:

Tần số dao động: fo = 1 n 1 _( Rb LC + R /) r 2 I

 Dao động thạch anh:

Tần số dao động fo: được ấn định sẳn.

Ngày nay thạch anh rất phổ dụng nhất là trong các mạch đòi hỏi độ chính xác cao.

Do yêu cầu của đề tài đòi hỏi phải có sự chính xác cao nên người viết chọn bộ dao động ở đây là thạch anh để làm xung chuẩn.

 Sơ lược đặc tính cơ bản của thạch anh.

Cắt tinh thể thạch anh theo một phương vị góc xác định, chúng ta được các iếng thạch anh (dạng tròn,vuông,dài,thanh…).Sau đó mạ lên hai mặt thạch anh lớp kim loại và gắn lên các điên cực để tạo thành các bộ dao động thạch anh.

Thạch anh có đặc tính là khi chịu kích thích bởi một điện trường thì bị biến dạn Ngược lại khi thạch anh chịu kích thích cơ học thì lại phát ra điện trường,đó là hiệu ứng điện áp.Vậy nếu kích thích thạch anh bằng nguồn điện thạch anh dao động và lại phát ra điện trường Biên độ điện áp chỉ ra đủ lớn đối với tần số cộng hưởng riêng của hệ.

3 Mạch dao động tạo xung 1 phút sử dụng thạch anh 32768 Hz:

Thạch anh 32768 Hz sau khi được chia 15tần FF sẽ cho ra tần số 1Hz để tạo được xung 1 phút phải qua 6 tầng Flip-Flop nữa kết hợp với cổng logic để được xung 1 phút (1/ 60 Hz).

*Sợ đồ mạch:

K QN Q 4040

CP MR Q0 Q2 Q4 Q6 Q8 Q10 4060

10 11 9 6 3 4 13 14 1

100K

Trang 35

*Nhược điểm:

Phải sử dụng cổng logic để tạo tín hiệu xung 1 phút.

4 Mạch tạo xung 1 phút sử dụng thạch anh 1M:

Thạch anh 1MHz sau khi được chia 20 tần FF sẽ cho ra tần số 1Hz để tạo được xung 1 phút phải thêm 6 tần ff nữa kết hợp với cổng logic

Khó khăn trong việc tạo tín hiệu Reset bộ điếm.

5 Mạch dao động tạo xung 1 phút sử dụng mạch dao động của đồng hồ treo tường:

10 9 RES

RES

Xung 1 phút

Trang 36

Mạch dao động của đồng hồ treo tường tạo ra dao động tần số 1Hz vói biên độ và dòng điện thấp Do đó để kích qua mạch chia phút phải qua cần phải qua Tranzitor đệm.

• Sơ đồ mạch:

+V 5V

NPN

4040

CP MR Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 330

X u n g r a

+V 5V

Gnd Trg Out Rst CtlThrDis Vcc

100uF 378k

Trang 37

II THIẾT KẾ KHỐI ĐA HỢP VÀ CHỌN KÊNH

Do từ 7 ngã ra của bộ nhớ mà phải hiển thị 4 led 7 đọan Do đó tại mỗi thời điểm 1 led được nhận đúng dữ liệu của mình Nên nhiệm vụ của khối này nhằm xác định dữ liệu cho từng led.

1 Khối đa hợp, chọn kênh sử dụng IC giải mã:

a Sử dụng IC 4556:

Ở đây IC 4556 được sử dụng cho khối giải mã, chọn kênh 4556 là IC giải mã 4 đường ra mức thấp thuộc họ CMOS, gồm có 2 phần giống nhau Mỗi phần có 2 đường chia chỉ vào (Ao và A1), một chân Enable Input tác động ở mức thấp (E) và 4 ngã ra ở mức thấp (Oo_ O3) khi chân (E) ở nữa cao thì Oo đến O3cũng là cao.

4556 A1 A0

E Q0 Q1

Q2 Q3 1/2

Trang 38

Bảng trạng thái họat động:

L: Low (mức thấp) H: High (mức cao) X: Thấp hoặc cao hoặc không xác định

b Sử dụng IC 74138

IC 74138 là IC giải mã 3 đường sang 8 đường, ra mức thấp

Sơ đồ chân Sơ đồ logic

Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0

Trang 39

Bảng trạng thái họat động E1 E2 E3 C B A Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

Sơ đồ mạch:

IC 74154 là IC giải mã 4 đường sang 16 đường tươg tự như 74138 nhưng đường ra gấp đôi.

Đến Transistor T4 Đến Transistor T3

Đến Transistor T1 Đến Transistor T2

Từ Q5 của 4060

Từ Q4 của 4060

+V 5V

74LS138 A2 A1 A0 E3 E2 E1

Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0

Trang 40

III THIẾT KẾ BỘ GIẢI MÃ NGÀY THÁNG-GIỜ PHÚT

1 Mạch giải mã giờ phút:

Có rất nhiều IC giải mã địa chỉ tùy thuộc vào dung lượng bộ nhớ và địa chỉ để truy xuất bộ nhớ mà ta chọn IC giải mã thích hợp.

Do đề tài thi công mạch báo (ngày-tháng),giờ phút Nên số ô nhớ phút là 1440 ô nhớ Nên cần 11 đường địa chỉ để giải mã,IC 4040B là bộ điếm nhị phân 12 tầng FF có ngõ vào xung tác động cạnh xuống, Master Reset(MR) tác động ở mức cao và có 12 tầng đếm ngõ ra (00_011) nên chọn IC 4040 làm bộ nhớ giờ phút.

• Sơ đồ chân của IC 4040.

• Hàm Reset cho bộ nhớ ngày:

Có nhiều cách để Reset bộ nhớ ngày khi thực hiện hết chu kỳ 24 giờ mà chưa hết ô nhớ.

Có thể dùng chân Q7 của ROM nhớ giờ để đưa xung về MR của 4040 giải mã địa chỉ (Do chỉ sử dụng 7 ngõ ra để thúc led 7 đoạn: 00_06 ).Tuy nhiên nếu sử dụng Q7 để Reset thì ảnh hưởng đến việc đặt chuông cho những giờ quy định Do đó, không chọn kiểu thiết kế này.

Chia số thập phân 1440 ra số nhị phân :

Vdd Q10 Q9 Q7 Q8

MR

Cp Q0

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	791,6 KB