Đề tài thiết kế đồng hồ số

Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một Flip-Flop.Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần tử đếm... Cứ mỗi một xung vào thỉ nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra bốn chân

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Cơ sở lý thuyêt.

1.1.1 Flip-Flop

Flip-Flop la mạch logic có một hoặc hai đầu điểu khiển hai đầu ra Tínhiệu trên hai đầu ra Flip-Flop phụ thuộc nhau: nếu một đầu ra tin hiệu là Q

mãn điều kiện điều khiển, đầu ra Q sẽ lật trang thái từ mức logic thấp Llen mức logic cao H hoặc ngược lại Vậy tín hiệu ở đầu ra Flip-Flop khi

có điều khiển là một bước nhảy điện áp

Đặc điểm của Flip-Flop là: khi không có điều khiển ở cửa vào thì mứclogic (L hoặc H) được duy trì ổn định

Tùy theo số đầu vào điều khiển, Flip-Flop có bốn loại chính : S-R,

J-K, T, D

Hình 1.1: Ký hiệu các loại Flip-Flop

1.1.2 Hệ chuyển mã.

Được tạo nên khi ta mã hóa mỗi decac của một số thập phândưới dạng một số bốn bit

1.1.3 Hệ mã hóa và giải mã.

 Mã hóa thập phân thành nhị phân:

Hình 1.2: Mã hóa thập phân thành nhị phân

D C B

A (LSB)

 Phương trình logic :D= 8 + 9

 Giải mã ra led 7 đoạn

Hình 1.4: Giải mã ra led 7 đoạn

Giải mã led

c

defg

A B C D

Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một Flip-Flop.

Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần

tử đếm

Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song.

Hình 1.5: Hệ đếm nối tiếp 3bit

- Đặt xung clock vào bộ đếm M.

- Lấy tín hiệu từ bit có trọng số cao nhất của bộ đếm Mlàm xung clock cho bộ đếm N

CK

 Đại cương.

Vi mạch định thời LM555 là mạch tích hợp Analog- digital Do cóngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số Vi mạch định thời LM555được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vìnếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như:định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫncông suất như: Transistor, SCR, Triac…

 Hình dạng và sơ đồ chân

Hình 1.8: Hình dạng và sơ đồ chân IC 555

bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

số 4 nối mass thí ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân số 4 nối lên mức điện áp caothì ngõ ra tùy theo mức điện áp giửa chân 2 và 6

chuẩn trong IC 555 theo mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nốimass Tuy nhiên, trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối mass qua một

tụ từ 0.01µF→ 0.1µF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổnđịnh.

chịu điều khiển bởi tầng logic Khi chân 3 ở mức thấp thì khóa này đóng lại.Ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R-C lúc IC 555dung như một tầng dao động

nuôi cấp cho IC từ +5v→+15v và mức tối đa là +18v

Hình 1.9: Cấu tạo bên trong IC 555Bên trong vi mạch IC555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở, thựchiện các chức năng sau:

- So sánh COMP2: là mạch khuếch đại so sánh có V in

nối

hoạt động

có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm ngõ ra Q lên mức

thái

cao (≈ Vcc)

dẫn bão hòa và ngõ ra mức thấp Chân 4 gọi là chân reset có nghĩa là nó reset IC

555 bất chấp tình trạng các ngõ vào khác Do đó, chân reset dùng để kết thúcxung ra sớm khi cần thiết Nếu không dùng chức năng reset thì nối chân 4 lênVcc để tránh bị reset do nhiễu

Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn , cực C của T2 để hở, lúc đó, ngõ ra ở chân 3 có

phụ thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra chân 4

1.2.2 IC đếm 74LS90

IC 7490 thuộc họ TTL có công dụng đếm mã nhị phân chia 10 mã hóaBCD Cứ mỗi một xung vào thỉ nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra bốn chân.Khi đếm đến 10 tự nó sẽ reset và trở về ban đầu IC này có ứng dụng rộng trongcác mạch số ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số

Hình 1.10: Hình dạng và sơ đồ chân IC 7490Bốn chân thiết lập R0(1) (chân số 2),R0(2) (chân số 3), R9(1) (chân số 6),R9(2) (chân số 7)

Khi đặt R0(1)= R0(2)= H (ở mức cao) thì bộ đếm được xóa về 0 và các đầu

ra ở mức thấp

Chân NC (chân 4): bỏ trống

Chân 1 và chân 14: hai chân nhân xung đếm CK

Chân 5(Vcc): cấp nguồn cho IC

Chân 10 (GND) chân nối mass.

Sơ đồ logic:

Hình 1.11: Sơ đồ mạch logic IC 7490Dựa vào sơ đồ ta nhận thấy IC 7490 có bốn chân ngõ vào Reset dùng

để Reset hệ thống Khi ta đưa vào IC các mức điện áp thích hợp thì IC sẽ tự độngReset Sau đây là bảng các mức Reset:

Bảng 1.5: Bảng sự thật cho các ngõ vào Reset IC 7490

Khi dùng IC 7490, ta có hai cách nối mạch cho cùng chu kỳ đếm 10,tức tần số tín hiệu ở ngõ ra sau cùng bằng 1/10 tần số xung CK, nhưng dạng tínhiệu ra khác nhau

đếm CK nối với ngõ vào A

 Mạch đếm 5x2: Nối ngõ ra QD với ngõ vào A, xungđếm CK nối với ngõ vào B.

Bảng trạng thái đếm cho hai dạng mạch đếm trên:

Bảng 1.6: Bảng trạng thái cho hai dạng mạch đếmDạng sóng ngõ ra cho hai trường hợp trên:

Hình 1.12: Dạng sóng ngõ ra của hai mạch đếm 2x5 và 5x2 của 7490

Theo như (Hình 1.12), ta thấy dạng sóng ở các ngõ ra của hai mạchcùng đếm 10 nhưng khác nhau:

IC 74LS247 là loại IC tác động mức thấp có ngõ ra cực thu để hở vàkhả năng nhận dòng đủ cao để tác động trực tiếp đến đèn led 7 đoạn loại anodechung Nếu ta dùng led 7đoạn kiểu cathode thi tại các ngõ ra của IC 74LS247phải gắn thêm cổng đảo trước khi đến các chân led 7 đoạn

Hình 1.13: Hình dáng IC 74LS247

Hình 1.14: Sơ đồ chân IC 74LS247Chân 1, 2, 6, 7: Chân dữ liệu BCD vào, lấy từ IC đếm

Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân tác động mức thấp (0), nối vàoled 7 đoạn

Chân số 4: Gồm ngõ vào xóa BI được để không hay nối lên cao cho hoạtđộng giải mã bình thường Khi nối BI ở mức thấp, các ngõ ra đều tắt bất chấptrạng thái của các ngõ vào

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

Chân 3: Ngõ vào thử đèn LT ở mức cao các ngõ ra đều tắt và ngõ ra xóađợn sóng RBO thấp Khi ngõ vào BI/RBO để không hay nối lên cao và ngõ vào

LT giữ ở mức thấp các ngõ ra đều sáng

Chân 8: Chân nối mass

Chân 16: Chân nối nguồn

Hình 1.15: Sơ đồ logic của IC 74LS247

Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng sự thật, trong đó đối với cácngõ ra mức cao (H) là tắt và mức thấp (L) là sáng, nghĩa là nếu 74LS247 tácđộng vào led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay tắt tùythuộc vào ngõ ra tương ứng là thấp(L)hay cao(H)

Bảng 1.7: Bảng trạng thái của IC 74LS247Dựa vào bảng trạng thái ta nhận thấy rằng sau khi giải mã IC cho ra 15 giátrị của mã led 7 đoạn, 15 mã này được thể hiện như sau:

Hình 1.16: 15 giá trị của mã led 7 đoạn

Chú ý: khi ngõ vào đều mức cao thì led sẽ tắt

PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐỔNG HỒ SỐ 2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH.

Mạch đếm phút

MạchĐếmGiờ

Mạch giải mã BCD

Mạch giải mã BCD

Mạch giải mã BCD

Led 7 đoạn loại anode chung

Led 7 đoạn loại anode chung

Led 7 đoạn loại anod chung

Khối hiển thị Khối tạo xung Khối đếm Khối giải mã

Khối nguồn

- Khối tạo xung: tạo xung vuông với tần số 1Hz, đưa vào bộđếm và khích cho bộ đếm hoạt động.

- Khối đếm: nhận xung dao động từ khối tạo xung để xử lý đưa

ra tín hiệu mã hóa BCD và đưa tín hiệu này vào khối giải mã

- Khối giải mã: giải mã BCD và đưa vào khối hiển thị

- Khối hiển thị: hiện thị tín hiệu sau giải mã

- Khối nguồn: đảm bảo cung cấp đủ nguồn cho IC hoạt độngnguồn Vcc =+5v

2.1.2 Khối tạo xung.(dùng IC 555)

Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ Đặt biệt là đốivới bộ đếm, nó quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm

Có rất nhìu mạch tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ quantâm đến mạch tạo xung dùng IC LM555

- Các công thức tính toán và một số đều cần biết:

Vì đây là mạch đồng hồ số cho nên để cho thời gian được

 Sơ đồ mạch tạo xung:

R 4

R2

10k

R3

4k7

Hình 2.2: Sơ mạch tạo xung dùng IC 555

Hình 2.3: Dạng xung ngõ ra tại chân số 3 của IC 555

 Bảng chân lý mã hóa BCD của IC 74LS90:

Bảng 2.1: Bảng chân lý BCD của IC 74LS90

hơn giải mã BCD sang thập phân vì mạch có tổ hợp nhiều ngõ ra lên caohoặc xống thấp (tùy thuộc vào loại led 7 đoạn anode chung hay cathodechung).

Ở đây dùng IC 74LS247, nó có ngõ ra để hở và khả năng nhận dòngcao để thúc trực tiếp các led 7 đoạn loại anode chung Khi IC này tác độngvào led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay tắt tùythuộc vào ngõ ra tương ứng của IC là thấp(L) hay cao(H)

Hình 2.4: Sơ đồ chân IC 74LS247Chân 1, 2, 6, 7: Tín hiệu vào

Chân 3: ngõ vào thử đènChân 4: ngõ vào xóa (BI)Chân 5: ngõ vào xóa gợn sóng

Chân 8: nối massChân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: tín hiệu raChân 16: nối nguồn

- IC 74LS247 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt

và mức 0 là sáng tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led

7 đoạn anode chung.trạng thái ngõ ra tương ứng với các chữ số thậpphân từ 0-9 (còn các số 10-15 không dùng tới.)

- Ngõ vào xóa BI được để không hay nối lên nguồn cho hoạt độnggiải mã bình thường Nếu nối xuống mass thì tất cả các ngõ ra đều tắt

- Ngõ vào xóa dợn sóng RBI được để không hay nối lên nguồn dùng để xóa số 0 (số 0 thừa sau dấu chấm thập phân hay số 0 trước

số có nghĩa) Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa dợn sóngRBO xuống mức thấp

- Khi ngõ vào BI/RBO nối lên nguồn và LT nối xuống mass thì ngõ ra đều sáng

2.1.5 Khối hiển thị.

Để hiển thị kết quả ta dùng led 7 đoạn Ở đây, để mạch được đơn giản ta dùng led 7 đoạn anode chung vì ngõ ra của IC 74LS247 tích cực mức thấp

Một con led 7 đoạn được cấu tạo từ 7 thanh led đơn liên kết lại với một thứ tự và tỉ lệ thích hợp để hiển thị các số từ 0-9 và các ký tự A, B, C, D, E,

F Ngoài ra, nó còn có một led nữa dùng để hiển thị dấu chấm thập phân

Hình 2.5: Hình dáng và sơ đồ chân led 7 đoạn

Áp rơi trên mổi đoạn từ 1,8÷2v với dòng từ 7÷20mA.Do vậy ta cần tính điện trở hạn dòng cho led Ta có:

=> R == 375 ΩChọn R = 330 Ω

+5v +5v

+5v +5v

+5V

R 4

Xung kích được tạo ra từ IC 555 được đưa vào bộ đếm và kích cho bộđếm hoạt động Mỗi khi có một xung vào thì sẽ kích bộ đếm đếm một lần Vì đây

là mạch đồng hồ số nên xung ở đây là xung chuẩn 1Hz

Ta có thể chia mạch này là ba khối sau: khối giây, khối phút, khối giờ

- Khối giây gồm hai con IC 74LS90, hai con 74LS247 và hai led 7đoạn anode chung Khối có chức năng điều khiển và hiển thị giâycủa đồng hồ từ 0÷59

- Khối phút gồm hai IC 74LS90, hai 74LS247 và hai led 7 đoạn

- Khối giờ gồm hai IC 74LS90, hai IC 74LS247 và hai led 7 đoạn.

2.2.1 Khối giây

Xung kích từ IC 555 được đưa vào chân CKA(CP0) của IC 74LS90hàng đơn vị, như vậy cứ mỗi một xung kích thì IC lại đếm lên một đơn vị

ở đầu ra

Bằng cách nối đầu ra của bộ đếm cơ số 2 với đầu vào của bộ đếm

cơ số 5, tức là nối chân số 1 với chân 12, ta được bộ đếm cơ số 10 Xungkhích sẽ đưa vào chân số 14 (CPO) và đầu ra của bộ đếm cơ số 10 là mã

MS1, MS2 ở mức thấp

Để đếm được bộ đếm cơ số 6 ta xuất phát từ bộ đếm 10 trên vàdùng cách xóa bớt số đếm để bộ đếm chỉ đếm từ 0-5 Khi đếm đến 5 xung

MR2 như thế bộ đếm lập tức sẽ reset về 0 Như vậy bộ đếm cơ số 6 đãđược thực hiện

Bộ đếm 10 dùng đếm hàng đon vị , bộ đếm 6 để đếm hàng chục Taghép hai bộ đếm sẽ được bộ đếm 60 Việc này được thực hiện bằng cách

với chân 14 Rõ ràng là khi bộ đếm đếm từ 9 về 0 mã BCD chuyển từ

thích bộ đếm 6 tăng thêm một đơn vị

Để ghép nối bộ đếm giây với bộ đếm phút, ta thấy rằng khi đếm

clock sườn âm Tín hiệu này được đưa về chân CP0 của bộ đếm 10 củakhối phút Vậy khi đếm đến 60 khối phút sẽ được kích thích tang một đơnvị

2.2.2 Khối phút.

Đối với khối này thì nguyên lý cũng như khối giây Nhưng xung

chục khối giây con IC 74LS90

2.2.3 Khối giờ

Nguyên lý hoạt động của bộ đếm giờ khác so với hai bộ đếm trên.Đây là bộ đếm 24 tức là đếm đến 23 thì sẽ reset về 0

Chân CP0 của IC 74LS90 hàng đơn vị khối giờ được nối với chân

lên một đơn vị khi khối phút nhảy tới 60 Để có thể reset từ 23 trở về 0, ta

đơn vị đưa về chân MR2 của hai IC đếm

PHẦN 3: THI CÔNG MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ

3.1 Dụng cụ sử dụng

3.2 Quá trình thi công.

+5v +5v

+5v +5v

+5V

CHINH GIO CHINH PHUT CHINH GIAY

R 4

Proteus là phần mềm của hảng Labcenter dùng để vẽ sơ đồ nguyên lý,

mô phỏng và thiết kế mạch điện Gói phầm mềm gồm có phần mềm chính:

- ISIS dùng để vẽ sơ đồ nguyên lý

Hình 3.3: Sơ đồ mạch in khối giải mã và hiển thị

PHẦN 4: KẾT LUẬN

Đến nay đồ án đã hoàn thành

TÀI LIỆU THAM KHẢO