Báo cáo thực tập môn kỹ thuật số, Đề Tài Tạo Bộ Đếm Đồng Hồ

Do mỗi Trigeer là một đơn vị nhớ vì vậy khi mắc nối tiếp n trigeer ta có số lượng trạng thái khác nhau là 2 Nười ta sử dụng các trạng thái trong khác nhau đú đểmó hoỏ cho các xung đếm đư

BÁO CÁO THỰC TẬP MễN KỸ THUẬT SỐ

Đề Tài: Tạo Bộ Đếm Đồng Hồ

I.Nội dung và mục đích :

1.Nội dung:

Chúng ta thiết kế mạch có khả năng hiển thị giờ, phút,

giây Để thực hiện được điều này ta cần có các linh kiện sau: IC 74LS00, IC

74LDS90, IC 74LS47,bộ hiển thị là cỏc đốn LED 7 thanh dùng Anode chung và bản mạch Project Board

2.Mục đích :

Nâng cao kỹ thuật thực hành lắp ráp mạch, phát triển klĩ năng phân tích mạch

Sử dụng thành thạo IC và hiểu được công dụng của IC như: IC giải mã 74LS47, IC đếm 74LS90, IC 74LS00 và các LED

II.Sơ đồ khối và chức năng của các khối:

Sơ đồ khối của mạch như sau:

Hình 1: Sơ đồ khối của mạch

1 Bộ tạo xung:

Bộ tạo xung thực chất là IC 74LS00 IC này được cấu tạo nên từ 4 cổng

Logic NAND Các cổng Logic này được bố trí bên trong IC và được sắp xếp

theo 3 chân liền nhau thành một cổng là: (1,2,3); (4,5,6); (8,9,10); (11,12,13)

Trong đó đầu vào của các cổng NAND là các chân như:

+ Cổng NAND 1: chân 1, 2

+ Cổng NAND 2: chân 4,5

+ Cổng NAND 3: chân 9,10

+ Cổng NAND 4: chân 12,13

Còn đầu ra của các cổng NAND là cỏc chân : 3,6,8 và 11

Sau đây là sơ đồ cấu tạo của IC 74LS00:

BỘ

TẠO

XUNG

BỘ ĐẾM

BỘ GIẢI MÃ

14 13 12 11 10 9 8

1

4

9

1 2

1 2 3 4 5 6 7 Hình 2: Sơ đồ cấu tạo của IC74LS00

Chúng ta có thể thấy được sự bố trí của cỏc chõn bên trong của IC này, và chúng ta có sơ đồ nguyên lý của các mạch tạo xung như sau:

Hình 3: Sơ đồ nguyờn lớ của mạch tạo xung

Ta có bảng chân lý của cổng NAND là:

Theo sơ đồ ngyờn lớ trờn ta phải sử dụng 2 cổng Logic NAND Trong mạch thực tế chúng ta thấy IC 74LS00 sẽ được sử dụng như sau:

+ Chân 14 là chân dương nguồn , chân 7 là chõn õm nguồn

+ Chân số 1 được đấu nối với chân số 2 của IC , đây là 2 đầu vào của cổng NAND thứ nhất có tác dụng làm cổng NAND từ 2 đầu vào thành cổng NAND 1 đầu vào và đầu ra

cổng NAND một đầu vào và 1 đầu ra

+ Trên sơ đồ của mạch đầu ra của cổng NAND thứ nhất là đầu vào của công cổng NAND thứ 2, do vậy trên mạch thực tế chúng ta sẽ phải đấu nối chân

số 3 là đầu ra của cổng NAND thứ nhất với chân 4 hoặc chân số 5 là đầu vào

của cổng NAND thứ 2 Ở chân số 6 của IC là đầu ra của cổng NAND thứ 2sẽ được đấu nối với chân số 14 của bộ đếm dùng IC 74LS90 thứ nhất để lấy xung kích CLK và bộ đếm giúp bộ đếm có thể hoạt động được

+ Đồng thời các linh kiện được mắc kèm theo các bộ tạo xung là 2 điện trở có giá trị là 4,7 K và 1 tụ điện có giá trị 100àF được mắc như sau trong mạch thực tế:

- Điện trở 4.7K thứ nhất sẽ được mắc vào chân số 1 và chân số 5 của IC 74LS00

- Điện trở 4.7K thứ 2 sẽ được mắc một đầu vào chân số 6 của IC và đầu còn lại thì được mắc vào âm nguồn <nối đất>

- Tụ điện 100àF sẽ được mắc chân dương vào chân số 1 của IC 74LS00

và chõn õm vào chân số 6 của IC này

2 Bộ đếm:

Trong mạch thực tế để có thể thiết kế bộ đếm thì chúng ta cần sử dụng tất cả các là 6 IC đếm 74LS90 Mỗi IC 74LS90 này là một bộ đếm độc lập Theo lý thuyết thì bộ đếm thực chất là một chuỗi các Trigeer mắc độc lập với nhau cộng them các phân hệ tổ hợp khi cần thiết Do mỗi Trigeer là một đơn vị nhớ vì vậy khi mắc nối tiếp n trigeer ta có số lượng trạng thái khác nhau là 2

Nười ta sử dụng các trạng thái trong khác nhau đú đểmó hoỏ cho các xung đếm được ở đầu vào.Trong mạch chúng ta có thể thấy được sơ đồ bố trí chân và chức năng cỏc chõn của IC 74LS90 như sau:

Hình 4 : Sơ đồ chân của IC 74LS90

Theo sơ đồ trên chúng ta có thể thấy được chức năng của cỏc chõn IC 74LS90 như sau:

- Chân CKA, CKB : đây là cỏc chõn đưa các xung điều khiển CLK ( tương ứng với chân số 1 và chân số 14)

- R01, R02, R91,R92: đây là cỏc chõn tạo nên tín hiệu reset(tương ứng cỏc chõn 2,3,6 và chân số 7)

- QA, QB, QC, QD là cỏc chõn tín hiệu ra theo thứ tự có trọng số giẩm dần

Ở đây chúng ta thấy IC 74LS90 là một bộ đếm thập phân Thực chất IC này gồm 2 bộ đếm : Một là bộ đếm có cơ số 2 và một bộ đếm cơ số 5 , trong đó:

- Bộ đếm cơ số 2 có đầu vào là CKA ( chân số 14) và đầu ra là QA( chân

số 12)

-Bộ đếm cơ số 5 có đầu vào là chân CKB ( chân số 1) và đầu ra là QB,QC,

QD ( các chõn số 11,9,và chân số 8)

Để IC này có thể làm việc bình thường ở chế độ đếm cơ số 10 thì chúng

ta phải thực hiện đấu nối đầu ra của bộ đếm 2 với đầu vào của bộ đếm 5 , tức là phải đấu nối chân số 1 với chân số 12 Lúc này ta sẽ có một bộ đếm cơ số 10

với đầu vào là chân số 14(CKB) và đầu ra là QA, QB,QC, QD và chúng ta cũng cần phải biết rằng IC 74LS90 được kích thích bởi sườn âm của xung kick vào

Chân số 2 và chân số 3 của IC là 2 chân reset, khi cả 2 cùng ở mức logic cao thì IC sẽ được reset về trạng thái ban đầu

Hai chân số 6 và chân số 7 của IC có tác dụng ghim đầu ra của IC luôn ở mức giá trị cao nhất của bộ đếm 10, tương ứng QA, QB, QC, QD nhận giá trị

cố định tương ứng là 1001( tương ứng với số 9)

Chân số 5 của IC 74LS90 sẽ được cấp dương

nguồn.Trong mạch chúng ta thấy các cặp IC 74LS90 sẽ được đấu nối từ chân số 11 của IC 74LS90 trước với chân số 14 của IC 74LS90 sau Vậy trên mạch sẽ tạo thành 3 cặp IC Khi ta thực hiện đấu nối như thế này thì mạch sẽ hoạt động như sau:

Vì mỗi IC 74LS90 là một bộ đếm cơ số 10 tức là với cặp IC thứ nhất thì khi

IC 74LS90 số 1 đếm hết 10 trạng thái xung kích vào từ So-S9 tức là từ 0000->1001 thì ngay lập tức lúc này IC thứ nhất sẽ được đảo trạng thái ban đầu còn IC thứ 2 sẽ tiến hành đếm them một trạng thái Trong mạch có 3 cặp IC 74LS90 sẽ tượng trưng cho 3 mạch đếm xung của giờ- phỳt- giõy Đối với hai cặp IC tượng trưng cho phút

và giõy thỡ mạch sẽ đếm 60 trạng thái tương ứng là mạch đếm xung sẽ đếm từ 0-59 sao đó sẽ nhận được lệnh reset để trở về trạng thái ban đầu Còn đối với cặp IC tượng trưng cho bộ đếm xung của giờ thì mạch chỉ tiến hành đến 24 trạng thái tượng trưng cho 24h trong ngày, bộ đếm sẽ tiến hành đếm từ 0-23 Trong mạch các cặp IC cũng được đấu nối với nhau để lấy xung kick Khi một cặp IC này đếm hết số trạng thái cần đếm thì cặp IC tiếp sau đó sẽ tiến hành đếm tăng lên một trạng thái

Chúng ta có bảng trạng thái cỏc chõn Reset của IC 74LS90 như sau:

Ta biết rằng thực chất IC74LS90 là cấu tạo của các Trigeer mắc nối tiếp với nhau hay nói cách khác là các Trigeer này thực chất là các Flip-Flop Chúng có khả năng nhớ trạng thái trong khi chúng đang cấp nguồn và chúng chỉ chuyển đổi trạng thái khi có xung kich CLK kick vào

Ta biết các Trigeer chia làm nhiều loại và được phân theo các phương thức khác nhau Ta có thể lấy ví dụ khi xét Flip-Flop J-K hay trigeer JK tích cực ở mức thấp và kích bằng sườn âm của xung kích

Hình 5 : Trigeer J-K

Đối với Trigeer này thỡ chỳng chỉ chuyển đổi trạng thái khi có sườn âm của 1 xung kick thích vào, giả sử khi chỳng cú 1 xung CLK chuẩn kich vào Treeger J-K để Trigeer này chuyển đổi trạng thái Vậy chúng ta có bảng chuyển đổi trạng thái của Treeger này như sau:

Qua bảng trạng thái chúng ta có thể thấy thực chất treeger J-K được thiết

kế là nhằm khắc phục nhược điểm của Trigeer R-S khi đầu vào đều bằng một

Ở đây J có vai trò như S còn K có vai trò như R

J

K

Q

Q CLK

Để có thể tạo nên mạch đếm hoàn chỉnh thì chúng ta phải mắc nhiều Trigeer với nhau để tạo nên một bộ đếm Hiện nay có 2 loại bộ đếm chính, là bộ đếm đồng bộ và bộ đếm không đồng bộ

Xét bộ đếm không đồng bộ: là các bộ đếm mà Trigeer thường dùng để

mó hoỏ trạng thái trong của bộ đếm Xung nhịp Ck không được đưa đồng thời đến các phần tử nhớ, nó chỉ được đưa đến phần tử nhớ thứ nhất sau đó chúng sẽ

tự kich lẫn nhau Ta có sơ đồ mạch như sau:

Hình 6 : Bộ đếm không đồng bộ

Chúng ta có thể thấy qua các mạch trờn cỏc đầu vào như

J1K1,J2K2,J3K3,J4K4 đều bằng 1, cũn cỏc đầu ra như Q1, Q2, Q3, Q4 là các đầu vào xung kích của các Trigeer tiếp theo Từ đó chúng ta có thể thấy rằng khi đầu vào xung kích CLK chỉ kích vào Trigeer đầu tiên , sau đó trigeer này sẽ kich sang các Trigeer khác Vậy chúng ta có giản đồ xung như sau:

Vì đây là bọ đếm 4 bit nên chúng ta có thể mó hoỏ được số trạng thái là

16 trạng thái , mạch đếm này sẽ bắt đầu đếm từ 0000( tương ứng với số 0) cho đến 1111( tương ứng với số 15) khi đó mạch đồng thời nhận được bit 1 ở các đầu ra Q1,Q2, Q3, Q4 tương đương với việc toàn mạch sẽ được Reset trở về mức 0000 hay nói cách khác là mạch lật trạng thái để trở về trạng thái ban đầu Vậy sơ đồ hình dạng của mạch sẽ như sau:

S1->S2->S3->S4->S5->S6->S7->S8->S9->S10->S11

Từ đó chúng ta có thể phân tích nguyên lý hoạt động của mạch đếm nhị phân 4bit như sau :

Đầu vào xung CK1 của Trigeer Q1 sẽ được đấu nối trực tiếp với với xung kich CLK ở đầu vào, cũn cỏc đầu ra Q1, Q2, Q3 sẽ được đấu nối với các đầu vào kích CK2, CK3, CK4 của các Trigeer tiếp theo Vậy chúng ta có thể thấy khi xung CLK ở đầu kích thích vào Trigeer Q1 sẽ làm cho Trigeer này chuyển đổi trạng thái và đầu ra của Trigeer này tương đương xung vào kích thích của

Trigeer tiếp theo Đầu ra của trigeer tiếp theo là Q2, Q3, Q4 biểu diễn một con

số dưới dạng mã nhị phân 4 bit, với bít D là bit có trọng số nhỏ nhất MSB , giả

sử khi ở trạng thái ban đầu chưa có xung kích , cỏc bit số có trạng thái như sau: Q4Q3Q2Q1=0000 Khi có xung kích CLK kích vào Trigeer đầu tiên thì mạch sẽ hoạt động , lúc này Trigeer đầu tiên sẽ lật trạng thái tương đương với cả việc bit Q1 sẽ chuyển từ trạng thái 0 sang trạng thái 1 , lúc này cỏc bit trên sẽ có trạng thái là 0001 ( tương đương với số 1) Sau đó xung CLK sẽ tiếp tục kick vào Trigeer đầu tiên làm Trigeer này sẽ lất trạng thái về 0 đồng thời bit Q2 sẽ thực hiện đảo trạng thái sang 1vì đầu ra Q1của của Trigeer thứ nhất là xung CLK của Trigeer tiếp theo Quá trình cứ thế tiếp tục cho đến xung CLK thứ 16 được kích vào lúc này toàn mạch đang ở trạng thái 1111 sẽ đảo về trạng thái ban đầu là

0000 Ta có thể thấy qua bảng trạng thái toàn mạch như sau:

TT

CLK

Chú

ban đàu

TT toàn mạch

Nhận Xét: Qua phân tích trên chúng ta có thể thấy rằng bộ đếm không đồng bộ

có cấu tạo đơn giản nhất trong các bộ đếm nhị phân , dễ chế tạo tuy nhiên chúng

có nhược điểm là có thời gian trễ trong khi thực hiện lật trạng thái nờn cỏc trạng thái sẽ không lật đồng thời với nhau giữa các trigeer

*Bộ đếm đồng bộ:

đếm không đồng bộ Trong các bộ đếm được tích hợp trong các IC ngày nay hầu hết người ta sử dụng bộ đếm đồng bộ vỡ chỳng không có thời gian trễ khi lật

trạng thái nờn cỏ Trigeer có thể đồng thời đảo trạng thái khi có xung kích thích

vào hay nói cách khác bộ đếm đồng bộ là bộ đếm mà các Trigeer dùng để mó

hoỏ cỏc trạng thái trong của bộ đếm các trạng thái này sẽ thay đổi cùng một lúc mỗi khi có xung vào kích thích ở đầu vào vì nhờ có xung nhịp Ck được đưa tới đồng thời các phần tử nhớ

Chúng ta xét bộ đếm đồng bộ 3 bit sử dụng 3 trigeer J-K:

Hình 7: bộ đếm đồng bộ Qua sơ đồ trên chúng ta có thể rằng đầu vào của mạch là xung Ck , đầu ra

là Q1, Q2 và Q3 Mạch sử dụng 3 phần tử nhớ loại JK-FF

8 trạng thái trong Các trạng thái này được kí hiệu là S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7 Từ đó chúng ta có bảng m

J

1

K

4

Q 3

Q 2

J

8

K

11

Q 5

Q 6

J

1

K

4

Q 3

Q 2 CLK

12

S7 1 1 1

Nguyờn lí làm việc của mạch này tương tự như nguyờn lớ làm việc của mạch đếm không đồng bộ, song chúng khac nhau ở chỗ đó là xung CLK được kich vào đồng thời tất cả các Trigeer , còn đầu ra của Trigeer này sẽ là đầu vào của Trigeer tiếp theo Vậy chúng ta có thể hiểu nguyờn lớ làm việc của mạch này như sau:

Khi đầu vào của Trigeer thứ nhất là J1K1 luôn bằng một đồng thời có xung kích CLK vào chân Ck của các Trigeer , thì lúc này Trigeer thứ nhất sẽ đảo trạng thái

cụ thể là Q1 sẽ đảo trạng thái 0 sang trạng thái 1, lúc này các Trigeer còn lại vì chưa

có dữ liệu vào nờn chỳng vẫn đang ở trạng thái ban đầu Sau đó sẽ có một xung kích CLK tiếp theo sẽ làm cho Q1 lật trạng thái trở về trạng thái 0 , còn Trigeer tiếp theo thì lúc này đầu ra của Trigeer thứ nhất đó cú dữ liệu đưa đến đầu vào của nó đồng thời lại có xung CLK kích vào cho nên Trigeer này tiến hành lật trạng thái từ 0 lên trạng thái 1 Cứ như vậy cho đến khi có xung kich thứ 8 thì toàn mạch sẽ đồng thời lật trạng thái trở về trạng thái thiết lập ban đầu tức là lúc này tất cả Q3Q2Q1 sẽ có trạng thái là 000( trạng thái ban đầu) Vậy chúng ta có giản đồ như sau:

3 Bộ giải mã:

Bộ giải mã thực chất là các IC 74LS47 , các IC này dùng để giải mã cho

bộ hiển thị là cỏc đốn LED dùng Anode chung Các IC 74LS47 nhận tín hiệu

mó hoỏ từ các IC 74LS90 Đối với IC 74LS47 chúng ta có thể thấy rõ chức

năng chung cũng như chức năng của cỏc chân của IC 74LS47 qua sơ đồ sau:

1 2 3 4 5 6 7

IC 74LS47

14 13 12 11 10 9 8

Qua sơ đồ tren chúng ta có thể thấy được rằng IC giải mã 74LS47 có tất

cả 4 đầu vào là A, B, C, D dùng để lấy dữ liệu mó hoá , cụ thể cỏc chõn của IC giải mã cú cỏc chõn tương ứng với các đầu vào là: chân 1 là chân B, chân 2 là chân C, chân 6 là chân D cũn chõn 7 là chân A Cỏc chõn này sẽ được nối sang chân cùng tên của IC 74LS90, cụ thể cách đấu nối như sau: Chân B ( chân số 1) của IC 74LS47 sẽ được nối vào chân B( chân số 9) của IC 74LS90 Chân C ( chân số 2) của IC 74LS47 sẽ được đấu nối với chân C( chân số 8) của IC 74LS90 Chân D (chân số 6 ) của IC 74LS47 được nối với chân D (chân số 11) của IC 74LS90 và đầu vào cuối cùng là chân A( chân số 7 ) của IC 74LS47 sẽ được đấu nối vào chân A (chân số 12) của IC 74LS90 Từ đó chúng ta có thể thấy được rằng đầu ra A, B, C, D của IC 74LS90 là mạch đếm được đấu nối với mạch giải mã của IC 74LS47

Đầu ra của IC giải mã 74LS47 có tất cả là 7 đầu ra có tên là f, g, a, b, c,

d, e ( tương ứng với cỏc chõn 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9) mỗi đầu ra của IC

74LS47 sẽ được đấu nối với bộ hiển thị là các LED 7 thanhvà chúng cũng được đấu nối với cỏc chõn cú cùng tên tương ưng trờn cỏc LED 7 thanh Mỗi đầu ra của IC 74LS47 sẽ được đấu nối tương ứng với mỗi đoạng LED trong 1 đèn LED 7 thanh, khi cỏc chõn đầu ra của IC 74LS47 có dữ liệu thì từ đó thanh LED tương ứng với chõn đú trờn LED 7 thanh sẽ sang hoặc tắt Mỗi đèn LED 7 thanh sẽ sang hoặc tắt Mỗi đèn LED 7 thanh sẽ được đấu nối với mỗi chân IC 74LS47 như sau:

Chân số 1(chân e) của LED 7 thanh được sẽ được đấu nối với chân số 9(chân e) của IC 74LS47 Chân 2 (chân d) của LED sẽ được nối với chân số 10

<chân d> của IC 74LS47 Chân 4 (chân c) của LED sẽ được nối với chân số 11

<chân c> của IC 74LS47 Chân 6 (chân b) của LED sẽ được nối với chân số 12

<chân b> của IC 74LS47 Chân 7 (chân a) của LED sẽ được nối với chân số 13

<chân a> của IC 74LS47 Chân 9 (chân f) của LED sẽ được nối với chân số 15<chân f> của IC 74LS47 và cuối cùng chân 10 (chân g) của LED sẽ được nối với chân số 104<chân g> của IC 74LS47

Mỗi IC giải mã 74LS47 sẽ nhận nhiệm vụ giải mã cho 1 LED 7 thanh cho nên cấu tạo và cách đấu nối của mỗi IC 74LS47 với LED là giống nhau

Từ đó chúng ta có bảng chõn lớ cho mỗi IC 74LS47 như sau: