Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số

Thiết kế mạch điện tử tương tự - điện tử số

PHẦN 1: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ

Mục đích, yêu cầu thiết kế:

Mục đích:

- Để nắm vững nguyên tắc thiết kế bộ đếm có sử dụng các Flip Flop đã tích hợp sẵn trong các vi mạch, nguyên lý tạo xung Clock sử dụng cổng NAND, phương pháp tối thiểu hóa các hàm Logic bằng bảng Kacno

- Để phân biệt bộ đếm đồng bộ và không đồng bộ, sự khác nhau giữa bộ đếm đồng bộ và không đồng bộ

- Để làm quen với các Vi mạch số được sử dụng phổ biến trong thực tế

Yêu cầu:

Thiết kế bộ đếm nối tiếp Mod – 10 gồm 4 JK - FF và 1 cổng NAND (có 2 đầu vào)

I Phân tích yêu cầu thiết kế, xây dựng sơ đồ khối và chức năng từng khối:

Bộ đếm nối tiếp là bộ đếm không đồng bộ Bộ đếm với MOD = 10 nên ta sử dụng 4 Flip Flop Với 4 Flip Flop ta có thể đếm được 2^4 = 16 trạng thái, mà mạch đếm chỉ có 10 trạng thái do đó còn 6 trạng thái thừa ta có thể tận dụng các trạng thái này để tối thiểu hóa các biến đầu vào

Mạch đếm không đồng bộ là mạch đếm mà xung Clock chỉ được đưa vào Flip Flop đầu tiên, còn các chân Clock của các Flip Flop sau được lấy từ đầu ra của các Flip Flop trước

Vậy yêu cầu của đề bài sẽ là thiết kế mạch đếm không đồng bộ MOD = 10 Sử dụng 4 Flip Flop JK và một cổng NAND Mạch gồm 3 khối là khối tạo xung Clock, khối thực hiện đếm và khối hiển thị

1 Sơ đồ khối:

Sơ đồ khối chức năng cho mạch đếm

2 Chức năng từng khối:

*Khối nguồn DC 5V: các vi mạch số họ TTL (74LSxxx) thường dùng nguồn nuôi 1 chiều 5V, vì vậy ta cần có khối tạo nguồn nuôi DC 5V đưa đến tất cả các khối mạch khác còn lại

* Khối tạo xung nhịp với chức năng tạo ra xung nhịp chuẩn để kích cho bộ đếm hoạt động ở sườn âm

* Khối bộ đếm sử dụng 1 trigơ JK để tạo ra bộ đếm MOD 16

* Khối giải mã hiển thị LED 7 thanh với chức năng nhận các số đếm mã BCD

từ khối bộ đếm chuyển sang để giải mã thành các tín hiệu điều khiển khối LED 7 thanh

* Khối hiển thị là LED 7 thanh để hiển thị chữ số

II Xác định sự phối hợp giữa các khối và chọn linh kiện thực hiện các khối chức năng:

1 Thiết kế khối nguồn:

Có thể thiết kế với 1 biến áp, 1 điốt cầu chỉnh lưu, 1 tụ lọc và 1 IC ổn áp 5V – 78LS05 Tuy nhiên trong bài thực tập này không yêu cầu thiết kế khối nguồn này

mà được phép lấy luôn từ nguồn 5V, từ nguồn DC điều chỉnh có sẵn

Khối tạo

xung nhịp

Khối nguồn DC 5V

Khối bộ đếm

Khối giải

mã LED

7 thanh

Khối hiển thị

~220V

2 Thiết kế khối tạo xung nhịp:

Có nhiều cách để tạo xung nhịp cho mạch số, nhưng với yêu cầu đặt ra thì chỉ cần tạo xung nhịp có tần số vài Hz với độ ổn định không cần cao nên ta sử dụng sơ đồ:

Sơ đồ tạo xung nhịp đơn giản tần số 1Hz

Clock

C1 100uF +

U2B U1B

R2 4.7k R1

4.7k

Sơ đồ chân:

3) Thiết kế khối đồng bộ đếm không đồng bộ Mod – 10:

Mạch bao gồm 4 trigơ JK và 1 cổng NAND 2 đầu vào mắc như hình vẽ trên Nguyên lý hoạt động của mạch:

J1 = K1 = J2 = K2 = J3 = K3 = J4 = K4 = 1

CLK kích cho trigơ 1

Q1 kích cho trigơ 2

Q2 kích cho trigơ 3

Q3 kích cho trigơ 4

Giả sử trạng thái ban đầu của bộ đếm = 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0000

- Khi CLK 1 tích cực, Q1 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q2, Q3 và Q4 giữ nguyên giá trị 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0001

- Khi CLK 2 tích cực, Q1 chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q2 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q3 giữ nguyên giá trị 0 -> Q4, giữ nguyên giá trị 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0010

- Khi CLK 3 tích cực, Q1 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q2 = 1, Q3 giữ nguyên giá trị 0, Q4 giữ nguyên giá trị 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0011

- Khi CLK 4 tích cực, Q1 chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q2 chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q3 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q4 giữ nguyên giá trị 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0100

- Khi CLK 5 tích cực, Q1 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q2 = 0, Q3 giữ nguyên giá trị 1, Q4 giữ nguyên giá trị 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0101

- Khi CLK 6 tích cực, Q1 chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q2 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q3 giữ nguyên giá trị 1, Q4 giữ nguyên giá trị 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0110

- Khi CLK 7 tích cực, Q1 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q2 = 1, Q3 giữ nguyên giá trị 1, Q4 giữ nguyên giá trị 0:

Q4Q3Q2Q1 = 0111

- Khi CLK 8 tích cực, Q1 chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q2 chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q3 chuyển từ 1 về 0, sườn âm Q4 chuyển từ 0 lên 1:

Q4Q3Q2Q1 = 1000

- Khi CLK 9 tích cực, Q1 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q2 = 0, Q3 giữ nguyên giá trị 0, Q4 giữ nguyên giá trị 1:

Q4Q3Q2Q1 = 1001

- Khi CLK 10 tích cực, Q1 chuyển từ 1 về 0, sườn âm -> Q2 chuyển từ 0 lên 1, sườn dương -> Q3 giữ nguyên giá trị 0, Q4 giữ nguyên giá trị 1 khi đó đầu ra cổng NAND có mức logic 0 -> tích cực cổng xóa CLR vì cậy các trigơ xóa Q về 0 Do

đó ở trạng thái này:

Q4Q3Q2Q1 = 0000

Như vậy, với trọng số các bit là Q4Q3Q2Q1 thì đồ hình chuyển trạng thái của mạch là:

S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9

Bộ đếm trên có MOD = 10

Bảng trạng thái:

Q4 Q3 Q2 Q1 Q4 Q3 Q2 Q1 J4 K4 J3 K3 J2 K2 J1 K1

0 0 0 0 0 0 0 1 0 X 0 X 0 X 1 X

0 0 0 1 0 0 1 0 0 X 0 X 1 X X 1

0 0 1 0 0 0 1 1 0 X 0 X X 0 1 X

0 0 1 1 0 1 0 0 0 X 1 X X 1 X 1

0 1 0 0 0 1 0 1 0 X X 0 0 X 1 X

0 1 0 1 0 1 1 0 0 X X 0 1 X X 1

0 1 1 0 0 1 1 1 0 X X 0 X 0 1 X

0 1 1 1 1 0 0 0 1 X X 1 X 1 X 1

1 0 0 0 1 0 0 1 X 0 0 X 0 X 1 X

1 0 0 1 0 0 0 0 X 1 0 X 0 X X 1

Thực hiện tối thiểu hóa bằng bảng KacNo:

Từ bảng trạng thái ta thấy ngay được J1 = K1 = 1

Q2Q1

Q4Q3

00

Q2Q1

Q4Q3

00

J 2= Q’4.Q1

K2 = Q1

Q2Q1

Q4Q3

11

10

J3 = Q2.Q1

Q4Q3

J4 = Q3.Q2.Q1 K3 = Q2.Q1 K4 = Q1

Vậy ta có J1 = K1 = 1

J 2 = Q’4.Q1 K2 = Q1 J3 = Q2.Q1 K3 = Q2.Q1 J4 = Q3.Q2.Q1 K4 = Q1

Với JK kích sườn âm ta sử dụng IC

7476 Sơ đồ chân như sau:

Q2Q1 Q4Q3

00

01

Q2Q1

Q4Q3

00

01

Bảng chức năng:

IC 7476 chứa 2 trigơ JK, vì vậy ta sử dụng 2 IC 7476 để thiết kế mạch đếm chia 5

4) Mạch giải mã:

Sử dụng IC 7447:

Chức năng của IC 7447 là bộ giả mã và kích thích hiển thị

A, B, C, D là các đầu vào, trong đó D có trọng số lớn nhất

5) Khối hiển thị sử dụng đền LED 7 thanh:

Do đầu ra của IC 7447 tích cực ở mức thấp nên ta sử dụng LED 7 thanh chung Anot

- Cấu tạo của đèn LED 7 thanh:

Chân 3 và chân 8 thông nhau

III Sơ đồ nguyên lý toàn mạch:

IV Dạng tín hiệu đã quan sát:

Dạng sóng ra của bộ đếm MOD – 10 như hình dưới đây:

PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ

Nhiệm vụ thiết kế

MẠCH TẠO XUNG VUÔNG MỘT CỰC TÍNH

Mục đích và yêu cầu:

Mục đích:

Tạo ra dãy xung vuông một cực tính

Yêu cầu:

Điện áp vào 220V/50Hz Tần số 100Hz < f < KHz Biên độ xung ra là 9V

I Phân tích yêu cầu thiết kế:

Tín hiệu xung là tín hiệu biến thiên không liên tục (rời rạc) theo thời gian Có 2 loại sung chính là xung vuông và xung tam giác với các thông số đặc trưng:

Um: Biên độ của xung

tx: Độ rộng của xung

T: Chu kỳ của xung (f = 1/T: tần số của xung)

Trong kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xung đóng vai trò quan trọng và có ứng dụng khá rộng rãi Các mạch tạo xung được ứng dụng trong các mạch điều khiển, đặc biệt là mạch điều khiển báo động, mạch định thời, mạch dò Trong thực tế đa số các mạch tạo xung đều tích hợp trong IC

Mạch tạo xung một cực tính là mạch chỉ tạo xung vuông dương.Từ điện áp 220V/50Hz ta cho qua biến áp để hạ áp điện áp xoay chiều, sau đó cho đi qua bộ chỉnh lưu để chỉnh lưu điện áp xoay chiều, sau đó cho qua bộ lọc phẳng để tạo ra điện áp một chiều Điện áp một chiều này sau đó được đưa qua mạch dao động đa hài tạo ra xung vuông có tần số và biên độ theo ý muốn

Yêu cầu của bài toán:

Thiết kế mạch tạo xung vuông một cực tính với:

Biên độ xung 9V

Tần số xung thay đổi trong phạm vi từ 100Hz đến 1KHz

Điện áp cung cấp từ mạng là 220V/50Hz

II Thiết kế mạch tạo xung vuông một cực tính:

1 Sơ đồ khối:

Sơ đồ kối tạo xung vuông

1.1 Khối hạ áp:

Có cấu tạo là 2 cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên các lá thép mỏng cách điện: cuộn thứ nhất gọi là cuộn sơ cấp có số vòng dây là N1; cuộn thứ 2 là cuộn thứ cấp có số vòng dây là N2 Khối hạ áp có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều

Hệ số biến đổi điện áp:

U1/U2 = N1/N2

Sơ đồ biến áp xoay chiều:

1.2 Khối chỉnh lưu:

220V

Khối này chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Khối chỉnh lưu

cả chu kỳ điện áp, tạo thành điện áp một chiều

Sơ đồ mạch chỉnh lưu:

Sơ đồ dạng tín hiệu sau chỉnh lưu:

1.3 Khối lọc phẳng:

Uac

Udc

Chức năng là lọc các thành phần xoay chiêu còn tồn tại trong mạch sau khi đi qua bộ chỉnh lưu cầu và các thành phần cao tần

Các phần tử được dùng là các tụ có điện dung lớn, thường chọn tụ 1000µF hoặc 2200µF để lọc thành phần nhấp nhô xoay chiều và tụ 104 để lọc thành phần cao tần

Sơ đồ mạch lọc:

Sơ đồ dạng tín hiệu sau khi qua bộ lọc:

1.4 Khối tạo dao động:

+

U

0

Dạng điện áp sau chỉnh lưu

Dạng điện áp sau khi qua bộ lọc

0

Mạch này có chức năng tạo ra chuỗi xung vuông một cực tính.

Sơ đồ mạch:

Hoạt động của mạch dao động tạo xung vuông:

Khi cấp nguồn điện sẽ có một transistor tắt Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương C2B1 và C1B2 sẽ làm cho transistor dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa, transistor dẫn điện yếu hơn tiến dần đến cấm hoàn toàn

Giả sử ban đầu transister T1 thông, khi đó tụ C1 được nạp điện từ RC2 qua C1 làm dòng IB1 tăng cao dẫn đến T1 tiến dần đến báo hòa Khi T1 bão hòa, dòng IC1 tăng cao và UC1 = UCE1 sat ~ 0,2V, tụ C2 phóng điện từ +C2 qua T1 và R1 về -C2, điện áp

âm trên tụ C2 được đưa vào cực bazơ của transistor T2 làm cho T2 tắt

Thời gian cấm của tụ C2 chính là thời gian phóng điện tụ C2 được đưa tới R1, sau khi tụ xả hết điện thì cực bazơ của T2 được phân cực nhờ điện trở R1 làm cho T2 dẫn bão hòa khi đó UC2 = UCE2 sat ~ 0,2V Do đó dẫn tới tụ C1 phóng điện, tụ phóng điện từ +C1 qua T2 và R1 về -C1 đưa và cực bazơ của T1 làm cho T1 tắt, khi

đó tụ C2 được nạp điện từ +ECC qua RC1, +C2 qua bazơ T2 xuống đất làm cho dòng IB2 tăng lên cao và T2 bão hòa nhanh

Thời gian cấm của tụ C1 chính là thời gian phóng điện của tụ C1 được đưa tới R2, sau khi tụ xả hết điện thì cực bazơ của T1 được phân cực nhờ điện trở R2 làm cho T2 dẫn bão hòa như trạng thái giả thiết ban đầu, hiện tượng này được lặp đi lặp lại tuần hoàn tự dao động

Ura Ura

Uvào

0 0

T2 1 T1

C1

C2

+

R31 R21

R1 Rc1

Đặc tuyến truyền đạt:

Uv

Uramax

Ur

Ungắt

Uramin

Uđóng