Đồ án môn học(kĩ thuật số)

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy vũ văn chiến đã tận tình chỉ dạy hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu và tạo điều kiện chúng em sửa sai và hoàn chỉnh kiến thức của mình trong suốt thời gian qua. Sự chỉ dạy và những ý kiến của thầy mở đường cho chúng em nhanh chóng khắc phục được những khúc mắc khó khăn và sớm tìm ra được những phương án giải quyết hiệu quả trong quá trình thực hiện đề tài. Chúng em xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện Điện tử trường ĐHSP KT Hưng Yên đã hết lòng dạy dỗ chúng em trong thời gian qua. Xin cảm ơn các bạn sinh viên cùng khoá đã tận tình ủng hộ, giúp đỡ để chúng tôi hoàn thành tốt đề tài này.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, tháng 2 năm 2012

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật đang ngày càng phát triển rất mạnh mẽ, các công nghệmới thuộc các lĩnh vực khác nhau cũng nhờ đó đã ra đời nhằm đáp ứng nhu cầucủa xã hội và kỹ thuật số cũng nằm trong số đó Hịên nay kỹ thuật số đã đợcgiảng dạy rộng rãi ở các trờng Đại Học Cao Đẳng trong cả nớc , nhằm đáp ứng vềnhu cầu điều khiển, đo lờng điều chỉnh của dây truyền công nghiệp

Trong quá trình học ở trờng Đại học S Phạm Kỹ Thuật Hng Yên, nhằm nângcao kĩ năng thực hành chúng em đợc các thầy cô trong khoa điện - điện tử giao

hiển thị ra led 7 thanh”

Dới sự giúp đỡ của các thầy trong khoa và các bạn đặc biệt là sự giúp đỡ tậntình của thầy Vũ Văn Chiến, sau 1 thời gian chúng em đã hoàn thành đề tài.Trong quá trình làm không tránh khỏi những sai sót nên chúng em mong nhận đ-

ợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em đợchoàn thiện hơn

Qua đây chúng em xin đợc gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Vũ Văn Chiến

đã tận tình chỉ bảo cho chúng em, để có thể hoàn thành đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

: Nguyễn xuõn Đụng

Bựi Tiến Đụng Lưu Quang Đoàn

LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy vũ

văn chiến đã tận tình chỉ dạy hướng dẫn, đóng

góp nhiều ý kiến quý báu và tạo điều kiện chúng

em sửa sai và hoàn chỉnh kiến thức của mình trongsuốt thời gian qua Sự chỉ dạy và những ý kiến củathầy mở đường cho chúng em nhanh chóng khắcphục được những khúc mắc khó khăn và sớm tìm

ra được những phương án giải quyết hiệu quảtrong quá trình thực hiện đề tài

Chúng em xin cảm ơn quý thầy cô trongkhoa Điện - Điện tử trường ĐHSP KT Hưng Yên

đã hết lòng dạy dỗ chúng em trong thời gian qua

Xin cảm ơn các bạn sinh viên cùng khoá đãtận tình ủng hộ, giúp đỡ để chúng tôi hoàn thànhtốt đề tài này

Hưng Yên, tháng 1 năm 2011

MỤC LỤC

NHẬN XẫT CỦA GIÁO VIấN HƯỚNG DẪN 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

1.4.1 Cổng AND 7

1.4.2 Cổng OR 7

1.4.3 Cổng NOT 8

1.4.4 Cổng NAND 9

1.4.5 Cổng NOR 9

1.5 Triger 10 1.5.1 Khái niệm: 10

1.5.2 Phân loại 11

1.5.3 Cấu trúc của trigơ JK( FF-JK ) 12

1.6 Bộ đếm 15 1.6.1 Các bớc thiết kế bộ đếm 16

1.6.2 Đặc điểm và phân loại bộ đếm 17

1.7 Giải mã 23 1.7.1 LED 7 thanh 23

PHẦN II : 30

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM VÀ HIỂN THỊ SỐ XE TRONG GARA ễTễ 30

2.1 Sơ đồ khối 30 2.2 Nguyên lý hoạt động của các khối 30 2.2.2 Khối cảm biến: 31

2.2.3 Khối đếm: 32

2.2.4 Khối giải mã và hiển thị 32

2.2.5 Khối xử lý tín hiệu và điều khiển 33

TỔNG KẾT 36

PHẦN I : CƠ SỞ Lí THYẾT

1.1 Khái niệm về tín hiệu số

Về cơ bản có hai cách biểu diễn giá trị của đại lợng, đó là tơngtự( analog) và số( digital)

Biểu diễn dới dạng tơng tự : trong cách biểu diễn dạng tơng tự đựoc biểudiện bằng hiệu điện thế, cờng độ dòng điện, hay số đo chuyển động t-

ơng quan với giá trị của đại lợng đó

Ví dụ : đồng hồ đo vận tốc trong xe ôtô, kim đo lệch phải tơng ứng với tốc

độ hiện tại của xe và độ lệch này phải thay đổi tức thì khi vân tốc xe tănghay giảm

Các đại lơng tơng tự có một đặc điểm rất quan trọng đó là đại lơng tơng tự

có thể thay đổi theo một khoảng giá trị liên tục

Biểu diễn dới dạng số : trong cách biểu diêc dạng số đại lợng đợc biểu diệnbằng các kí tự số (0 và1)

ví dụ nh đồng hồ hiện số, hiển thị thời gian trong ngày nh giờ phút giây dớidạng số thập phân.Tuy thời gian trong ngày thay đổi liên tục nhng số hiện của

đồng hồ số lại thay đổi từng bớc, mỗi bớc là một phút hay một giây

Nói cách khác các đại lợng số có đặc điểm à giá trị của nó thay đổi theo từngbớc rời rạc

Nh vây ta thấy có sự khác biệt cơ bản giữa đại lợng tơng tự và đại lợng số, đó

Số ≡ rời rạc

Vì tính rời rạc trong biểu diện số nên khi đọc giá trị của đại lợng sô không hề

có sự mơ hồ

* u, nhợc điểm của kỹ thuật số so với kỹ thuật tơng tự:

-Ưu điểm: Do sử dụng chuyển mach nên nhìn chung các thiết bị sốdễ thiết kếhơn

Thông tin đợc lu trữ dễ dàng

Tính chính xác và độ tin cậy cao hơn

Có thể lập trình để điều khiển hệ thống số

It ảnh hởng bởi nhiễu

-Nhợc điểm: mặc dù có nhiều u điểm nhng bên cạnh đó vẫn có 1 số hạn chế

Do hầu hết các đại lợng vật lý đều có bản chất là tơng tự nên muóon tận dụng

đợc hệ thống kỹ thuật số thì chúng ta phỉa thực hiện các bớc sau:

Biến dổi đầu vào dạng tơng tự thành dạng số( A/D)

Xử lý tín hiệu số

Biến đổi đầu ra từ dạng số dang tơng tự( D/A)

Một hệ thống để tận dụng cả u điểm của kỹ thuật số và kỹ thuật tơng tự thì

ng-ời ta dùng cả 2 hệ thống Trong hệ thống nh vậy việc quan trọng là ta phải xác

định đợc phần nào nên dùng kỹ thuật số và phần nào dùng tơng tự

1.2 Trạng thái nhị phân và mức logic

Trong hệ thống kỹ thuật số thông tin đợc xử lý đều đựơc biểu diễn dới dạngnhị phân Bất kỳ thiết bị nào chỉ có 2 trạng thái

hoạt động đều có thể biểu diễn dới dạng nhị phân

Ví dụ công tắc chỉ có 2 trạng tháI hoạt động là đóng hoặc mở Ta có thể quy ớc

mở là 0 và đóng là 1 Với quy ớc này ta có thể biểu diễn số nhị phân bất kỳ.Trong thiết bị điện tử số thông tin nhị phân đợc biểu diễn bằng hiệu điệnthế( hay dòng điện) tại đầu vào hay đầu ra của mạch Thông thờng số nhị phân

0 và 1 đợc biểu diễn bằng 2 mức điện thế danh định Ví dụ 0V có thể biểu diễnbằng 0 và +5V có thể biểu diễn bằng số nhị phân 1

Trên thực tế các IC số các số 0 hoặc 1 đợc biẻu diễn bằng 1 khoảng điện thếquy định nào đó VD: 0V – 0.8V biểu thị nhị phân 0

3V -5V biểu thị nhị phận 1

1.3 Các hệ thống số đếm

Để biểu diễn các số đo, đại lợng vật lý ta cần các hệ thống số đếm TRong một

hệ thống số đếm bất kỳ một con số đựơc biểu diễn dới dạng một dãy chữ sốliên tiếp Nh vậy ứng với mỗ tập hợp các chữ số dùng để biểu diễn các con sốchúng ta sẽ đợc một hệ thống đếm khác nhau Ngời ta gọi cơ số của hệ đếm là

số chữ số khác nhau dùng để biểu diện các con số trong hệ đếm đó

Trong kỹ thụât số có bốn hệ thống số đếm quan trọng là:

+ Hệ thống thập phân (decimal); còn đợc foi là hệ cơ số 1.,nó sử dung 10 chữ

số để biểu diễn các con số, đó là các chữ số 0,1,2….9

+ Hệ nhị phân( binary): còn đợc gọi là hệ cơ số 2 nó sử dụng 2 chữ số đểbiểu diễn tất cả các con số đó là 2 số 0 và1

+ Hệ bát phân (octal): còn đựoc gọi là hệ cơ số 8 nó sử dụng 8 chữ số để biểndiễn tất cả các con số, 8 chữ số đó là 0,1,2…7

+Hệ thập lục phân (hexa): còn đợc gọi là hệ cơ số 16 nó sử dụng 16 ký tự đểbiểu diện tất cẩ các con sô 16 kí tự đó là 0, 1,2…9,A,B,C,D,E,F

1.4 Các phép toán logic và cổng locgic.

0101

0001

0111

d) giản đồ thời gian

x y0

1

10

d )Giản đồ thời gian

ABK1

- Trigơ được cấu thành từ một nhóm các cổng logic, mặc dù các cổng logic tự

nó không có khả năng lưu trữ nhưng có thể nối nhiều cổng với nhau theo cách

thức cho phép lưu giữ thông tin Mỗi sự sắp sếp cổng khác nhau sẽ cho ra cáctrigơ khác nhau Trigơ có nhiều đầu vào điều khiển và chỉ có hai đầu ra luôn

Sơ đồ khối tổng quát của một trigơ là các đầu vào:

- Dưới tác động của tín hiệu điều khiển ở lối vào trigơ có thể chuyển về 1trong 2 trạng thái cân bằng và tồn tại ở trạng thái đó cho đến khi có tín hiệuđiều khiển tiếp theo làm thay đổi nó

này gọi là trạng thái thiết lập (set)

này gọi là trạng thái tái thiết lập( Reset)

+ các ký hiệu về mức tích cực tín hiệu:

Tích cực ở mức thấp(Low)Tích cực ở mức cao(High)Tích cực ở sườn dương của xung nhịp Tích cực ở sườn âm của xung nhịp

1.5.2 Ph©n lo¹i.

- Phân loại theo chức năng làm việc của các đầu vào điều khiển:

- Trigơ một đầu vào ( trigơ D, trigơ T)

- Trigơ hai đầu vào ( trigơ RS, trigơ JK)

- Phân loại theo cách làm việc:

1.5.3 CÊu tróc cña trig¬ JK( FF-JK )

a Ký hiệu của trigơ JK:

b Cấu trúc mạch:

này phù hợp với logic.

+ Trường hợp 3: J = 1và K = 0 ta có A=0 vì cả 3 ngõ vào đều bằng 1, B

- Như vậy trường hợp 4 này không làm ổn định trạng thái ngõ ra hiện tượngnày gọi là hiện tượng chạy đua.

→ Cách khắc phục hiện tượng này là điều chỉnh thời gian tồn tại xung hoặc sửdụng FF chủ tớ

e Dạng súng ngừ vào, ra.

1.6 Bộ đếm

- Bộ đếm là một dóy tuần hoàn cú một đầu vào đếm và một đầu ra

- Mạch cú số trạng thỏi trong bằng chớnh hệ số đếm ( ký hiệu là Kđ) dưới tỏcdụng của tớn hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển từ trạng thỏi trong này đến mộttrạng thỏi trong khỏc theo một thứ tự nhất định, cứ sau Kđ tớn hiệu vào đếm,mạch trở về trạng thỏi xuất phỏt ban đầu

Sơ đồ khối của bộ đếm được mụ tả ở hỡnh sau:

- Đồ hỡnh trạng thỏi tổng quỏt của bộ đếm:

sau:

Khi khụng cú tớn hiệu vào đếm (Xđ) mạch giữ nguyờn trạng thỏi cũ ( i đến i ),

lại quay về trạng thỏi xuất phỏt ban đầu

Tớn hiệu ra của bộ đếm chỉ xuất hiện ( y = 1) duy nhất trong trường hợp bộ

Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế nh : hệ số đếm (Kđ) và một

số các yêu cầu khác để xây dung đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm

* Bớc 2: Xác định số FF của bộ đếm, mã hoá các trạng thái trong của bộ đếmtheo mã đã cho

Trớc tiên phải xác định đợc n là số FF cần thiết mã hoá cho Kđ trạng thái

Đối với mã nhị phân và mã Gray : n = log2 Kđ

đầu vào kích cho các FF và phơng trình của hàm ra

vào kích cho các FF và phơng trình hàm ra

Đếm là một thao tác rất quan trọng, đợc sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, từcác thiết bị đo chỉ thị số đến các máy tính điện tử số Bất kỳ hệ thống số hiện

Bộ đếm đồng bộ có đặc điểm là xung Clock đều đợc đa đồng thời đến các FF

Bộ đếm dị bộ thì xung Clock chỉ đợc đa vào FF đầu tiên, còn các FF tiếp theothì lấy tín hiệu tại đầu ra của FF phía trớc thay cho xung Clock

+ Căn cứ vào hệ số đếm ngời ta phân chia thành các loại:

- Bộ đếm nhị phân

- Bộ đếm thập phân

- Bộ đếm Modul bất kỳ

Nếu gọi n là số ký số trong mã nhị phân (tơng ứng với số FF có trong bộ đếm)

tr-ờng hợp đặc biệt của bộ đếm N phân

N là dung lợng của bộ đếm hoặc có thể nói là độ dài đếm của bộ đếm, hoặc hệ

- Đặc điểm: xung CLK không đợc đa đồng thời vào các trigơ mà chỉ đợc

đa vào và làm chuyển trạng thái của trigơ đầu tiên, lối ra của trigơ trớc làmchuyển trạng thái của trigơ liền sau nó

-Phân loại: trong đếm nhị phân không đồng bộ có các loại sau:

• Đếm tiến (Up counter):

+Xung nhịp tác động vào trigơ có trọng số nhỏ nhất và tác động bởi

- Sơ đồ:

Hình 1.2

- Giải thích:

Ta thấy bộ đếm ngợc chỉ khác bộ đếm thuận ở chỗ lối ra Q(đảo) của trigơ trớc

đợc nối vào CLK của trigơ sau nên trigơ sau sẽ chuyển trạng thái khi trigơ trớc

*Đếm tiến:khi cho lối vào đIều khiển tiến lùi U/D=1 lối ra Q của trigơ trớc nối

với CLK của trigơ tiếp theo Sơ đồ tơng đơng nh hình 1.1

*Đếm lùi: khi cho lối vào điều khiển U/D=0 lối ra Q(đảo) của trigơ trớc nối với

CLK của trigơ tiếp theo Sơ đồ nh hình 1.2

Ưu nhợc điểm của bộ đếm không đồng bộ:

- Ưu điểm: đơn giản do đòi hỏi ít linh kiện

- Nhợc điểm :Tác động chậm vì thời gian trễ khá lớn do mỗi trigơ hoạt

động nhờ sự chuyển trạng thái tại đầu ra của trigơ trớc nó

• Bộ đếm nhị phân đồng bộ (đếm song song)

- Khái niệm: là bộ đếm mà xung nhịp đợc kích đồng thời vào tất cả các trigơ

- Sơ đồ:

Hình 1.4

- Nguyên lí làm việc:

+ Điều kiện cho các trigơ JK hoạt động

- Đầu vào J = K = 1

- Xung CLK phải lật trạng thái từ 1 về 0

- Đầu vào Reset = 1

thái cũ

+ Nh vậy trigơ JK chỉ lật trạng thái khi trigơ JK ở cấp thấp hơn nó lật trạng thái

từ 1 về 0 các xung CLK đợc đa vào song song các trigơ JK Cho nên bộ đếm sẽ

đếm tuần tự

+ Xét tăng dung lợng bộ đếm:

Khi cần đếm số lợng xung lớn hơn 15, ngời ta không kéo dài thêm trigơvào sau trigơ số 4 mà ghép từng nhóm 4 trigơ Việc ghép liên tiếp các bộ đếm 4bit phảI dùng tín hiệu nhớ E và CE, các tín hiệu này đợc tạo bằng các mạchlogic phụ

+ Ưu nhợc điểm của bộ đếm đồng bộ so với bộ đếm không đồng bộ:

Trong một bộ đếm đồng bộ mọi trigơ sẽ thay đổi trạng thái đồng thời,nghĩa là chúng đợc đồng bộ hoá theo theo mức tích cực của xung nhịp Do đókhông giống nh bộ đếm không đồng bộ, những khoảng trễ do truyền sẽ không

đợc cộng lại với nhau mà nó chỉ bao gồm thời gian trễ của một trigơ cộng vớithời gian dành cho các mức logic mới truyền qua một cổng AND.

Thời gian trễ là nh nhau bất kể bộ đếm có bao nhiêu trigơ Nói chung làthời gian trễ bé hơn nhiều so với bộ đếm không đồng bộ Do đó, bộ đếm đồng

bộ có thể hoạt động ở tần số cao hơn, dĩ nhiên mạch điện của bộ đếm không

đồng bộ phức tạp hơn

* Bộ đếm thập phân mã BCD:

cùng CLK qua một cổng AND vào reset Cổng AND giúp ta xoá bộ đếm về 0tại thời điểm bất kỳ

+Bộ đếm BCD không đồng bộ đếm lùi chỉ cần nối Q(đảo) với CLK

+Bộ đếm BCD đồng bộ thì xung CLK đợc đa đồng thời vào các trigơ (tơng tự

bộ đếm nhị phân)

1.7 Giải mã.

bộ biến đổi mã , chúng biến đổi từ các mã nhị phân BCD sang mã nhị phân haymã 7 đoạn Để xác định bộ giả mã chúng có thể áp dụng phơng pháp thiết kếlogic cơ bản Hiện nay ngời ta không dùng phơng pháp trên mà thờng dùng các

vi mạch giải mã có sẵn trên thị trờng

- Mã nhị phân BCD đợc chuyển sang thập phân và hiển thị các số thập phânbằng 7 đoạn tơng ứng với mỗi tổ hợp xác định Các thanh sáng hiển thị cho tamột chữ số ở hệ 10

- Các đoạn a , b , c , d , e , f , g có thể là :Đèn LED mắc anôt chung hoặc katôtchung đợc nối qua các điện trở giới hạn dòng tới đầu ra phù hợp của bộ giảimã

- Trong thực tế ngời ta đã chế tạo sẵncác vi mạch để giảI mã nhị phân ra mã 7

đọan nh :

Các vi mạch 7448 , 74LS48 , 7449 , 74LS49 là các IC giảI mã 7 đoạn có lối ratác động ở mức cao , ta có thể ding chung để giải mã từ mã BCD ra thập phânQuy luật hiển thị các chữ số thập phân của các vi mạch này về cơ bản là giốngnhau nh bảng chân lý sau, chỉ khác đôi chút là số 6 không dùng thanh a và số 9không dùng thanh d

Các vi mạch giải mã 7 đoạn 7447A, 74L47, 74S47 là các vi mạch 16 chân, số 6 và số 9 chỉ có 5 thanh sáng giống nh 7448, 7449 Vi mạch có lối ra tác

động thấp ( mức 0 ) nên đèn chỉ thị 7 đoạn có anốt chung

1.7.1 LED 7 thanh.

- LED 7 thanh là phần tử hiển thị thông dụng, để hiển thị các phần tử số từ 0

đến 9 trong một số hệ thập phân Nó gồm 7 thanh xếp thành hình số 8, mỗithanh là một diode ( LED ) phát quang hoặc hiển thị tinh thể lỏng Điode thòng

đợc cấu tạo từ các chấ Ga , As , P …nó cũng có tính chất chỉnh lu nh diode

diode sáng Điện áp ngỡng thay đổi từ 1,5 đến 5 v tuỳ theo từng loại có màusắc khác nhau

5.2 Bé gi¶i m· hiÓn thÞ ch÷ sè (LED 7 thanh )

`ThiÕt kÕ bé gi¶i m· hiÓn thÞ cho LED 7 thanh víi tÝn hiÖu ®Çu vµo lµ m· BCD(8421)

a

b

c

d e f

g

1.8 C¸c linh kiÖn liên quan

M¹ch gåm IC 7447 ,IC 74192 ,IC 7408 ,IC 7404 ,IC 7414, IC7486, IC7432Chøc n¨ng c¸c IC

74192 vừa có khả năng đếm tiến vừa có khả năng đếm lùi Vì thế ta có thể sửdụng vào mạch đếm số xe trong gara.

Bằng việc kích tín hiệu vào chân count up (4) và count down(5) ta có thể thiếtlập cho IC thực hiện đếm tiến hoặc lùi

Trong mạch ta sử dụng 2 IC 74192: 1 IC thực hiện đếm số xe vào, một số xethực hiện đếm số x era

- IC 7447 : là IC giải mã , có nhiệm vụ chuyển đổi từ mã nhị phân đầu vàothành một tín hiệu logic duy nhất ở một đầu ra nào đó tơng ứng với mã nhịphân tác động

Sơ đồ chân:

Trong mạch ta sử dụng 2 IC 7447 để giải mã và hiển thị ra 2 led 7 thanh

cảm biến đa vào điều khiển động cơ và đếm số xe

Sơ đồ chân:

vào chân set cho trigger JK để đóng mở cửa gara và thực hiện đếm