Mach Den Giao Thong ky thuat xung so

Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển tuỳchọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1 và 0,có nhiều đường tín hiệu chỉ có

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

*********

ĐỒ ÁN MÔN: KỸ THUẬT XUNG - SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG TẠI NGÃ TƯ

Giáo viên hướng dẫn : Phạm Mạnh Hùng

Nhóm sinh viên thực hiện : Nguyễn Mạnh Tú - 0941040006

- Thay đổi thời gian các đén từ KeyPad hoặc nút bấm.

- Điều khiển cả 4 đèn theo các chế độ khác nhau

Mục Lục

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao dộng

I Mạch tổng hợp ……….……… …trang 4

II Mạch đếm ……….….….….…… trang 6III Mạch dao động ……….……… …… trang 14

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển đèn giáo thông ngã tư

I Linh kiện trong mạch……… ……….……… … trang 23

II Tìm hiểu về các linh kiện……… ………… …… trang 23

1 IC 555……… …….…… trang 23

2 IC 4017……….….… trang 26

3 IC đếm BCD 74ls190……… trang 29

4 IC giải mã 47LS247 ……….……….trang 32

5 Hiển thị( Led 7 thanh, cột đèn giao thông) ……….….… … trang 34III Nguyên lý hoạt động……….……… trang 35

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch mô phỏng

Hình ảnh mô phỏng trên phần mềm Protues……….…trang 38

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và

mạch dao dộng

I.Mạch tổ hợp

1.Mã hóa

Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tất yếu trong đời sống chúng ta

Nó được dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm,….là quy ước chung cũng có thể phổ biếncũng có thể bí mật Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1 conngười, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh, đỏ,vàng tương ứng là cho phép đi,đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư sửdụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mã hoá các

Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển tuỳchọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1 và 0,

có nhiều đường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn cho mạch ởmức 1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU xác địnhđịa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra kí tự Tất cảcác tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo ra các mã sốgọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder)

+ Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hoa BCD)

Bộ mã hóa nhị-thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phânthành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD

-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD :

1.2.Mạch giải mã

Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu có 1

mã số áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường ít hơn mã ngõ ra Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức

năng giải mã Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thịled 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ.

+Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho ra tổ hợp cónhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự

Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình số 8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân

ra của led được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A chung hay Kchung Thứ tự sắp xếp cho 2 loại như trình bày ở dưới đây :

Hình 2.3 Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn

Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do đó, cácthanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180 đến 390 ohm vớinguồn cấp chuẩn thường là 5V IC giải mã sẽ có nhiệm vụ nối các chân a, b, g củaled xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung).

Ta có bảng trạng thái:

Bảng 5.14

Nhận thấy:

- FF A đổi trạng thái sau từng xung CK, vậy: TA = JA = KA = 1

- FF B đổi trạng thái nếu trước đó QA = 1, vậy TB = JB = KB = QA

- FF C đổi trạng thái nếu trước đó QA = QB = 1, vậy: TC = JC = KC = QA.QB

- FF D đổi trạng thái nếu trước đó QA=QB=QC=1, vậy:

TD = JD = KD = QA.QB.QC = TC.QC

Ta được kết quả ở (H 5.16)

- FF A đổi trạng thái sau từng xung CK, vậy: TA = JA = KA = 1

- FF B đổi trạng thái nếu trước đó QA = 0, vậy: TB = JB = KB =

- FF C đổi trạng thái nếu trước đó QA=QB=0, vậy: TC = JC = KC =

- FF D đổi trạng thái nếu trước đó QA = QB = QC= 0, vậy:

đưa vào tầng sau qua các cổng AND Trong mạch (H 5.18) dưới đây khi C=1

mạch đếm lên và khi C=0 mạch đếm xuống

(H 5.18)

+Tần số hoạt động lớn nhất của mạch đếm đồng bộ n tầng:

Trong mạch (H 5.16) ta cần 2 cổng AND Trong trường hợp tổng quát cho n tầng,

số cổng AND là (n-2) như vậy thời gian tối thiểu để tín hiệu truyền qua mạch là:

Để thiết kế mạch đếm modulo - N, trước nhất ta phải chọn số tầng.

Số tầng n phải thỏa điều kiện:

2n-1 < N < 2n

Thí dụ thiết kế mạch đếm 10 (N = 10)

24-1 < 10 < 24

Vậy số tầng là 4

Có nhiều phương pháp thiết kế mạch đếm đồng bộ modulo-N

Sau đây ta khảo sát hai phương pháp : dùng hàm Chuyển và MARCUS

Phương pháp dùng hàm Chuyển (Transfer function)

Hàm Chuyển là hàm cho thấy có sự thay đổi trạng thái của FF Mỗi loại FF có mộthàm Chuyển riêng của nó

Hàm Chuyển được định nghĩa như sau: hàm có trị 1 khi có sự thay đổi trạng tháicủa FF (Q+ ≠ Q) và trị 0 khi trạng thái FF không đổi (Q+ = Q)

Chúng ta chỉ thiết kế mạch đếm dùng FF JK do đó ta chỉ xác định hàm Chuyển củaloại FF này

Bảng trạng thái của FF JK (Bảng 5.16)

Bảng 5.16

Dùng Bảng Karnaugh ta suy ra được biểu thức của H:

Để thiết kế mạch đếm cụ thể ta sẽ xác định hàm H cho từng FF trong mạch, so sánh với biểu thức của hàm H suy ra J, K của các FF Dưới đây là một thí dụ

Thiết kế mạch đếm 10 đồng bộ dùng FF JK

Bảng trạng thái của mạch đếm 10 và giá trị của các hàm H tương ứng:

Từ các kết quả này, ta vẽ được mạch (H 5.20)

(H 5.20)

Bây giờ ta có thể kiểm tra xem nếu như vì một lý do nào đó, số đếm rơi vào cáctrạng thái không sử dụng (tương ứng với số từ 10 đến 15) thì khi có xung đồng hồtrạng thái tiếp theo sẽ như thế nào ? Mạch có quay về để đếm tiếp ?

Áp dụng các hàm chuyển có được, ứng với mỗi trạng thái Q của từng FF trong các

tổ hợp không sử dụng, ta tìm trị H tương ứng rồi suy ra Q+, ta được bảng kết quảsau:

Bảng 5.18

Từ bảng kết quả ta có kết luận:

- Khi ngã ra rơi vào trạng thái 1010 (1010), nó sẽ nhảy tiếp vào trạng thái

1110 (1011) rồi sau đó nhảy về 610 (0110) (Dòng 1 và 2)

- Khi ngã ra rơi vào trạng thái 1210 (1100), nó sẽ nhảy tiếp vào trạng thái 1310 (1101) rồi sau đó nhảy về 410 (0100) (Dòng 3 và 4)

- Khi ngã ra rơi vào trạng thái 1410 (1110), nó sẽ nhảy tiếp vào trạng thái

1510 (1111) rồi sau đó nhảy về 210 (0010) (Dòng 5 và 6)

Tóm lại, nếu có một sự cố xảy ra làm cho số đếm rơi vào các trạng thái không sửdụng thì sau 1 hoặc 2 số đếm nó tự động quay về một trong các số đếm từ 0 đến 9rồi tiếp tục đếm bình thường.

Phương pháp MARCUS

Phương pháp MARCUS cho phép xác định các biểu thức của J và K dựa vào sựthay đổi của Q+ so với Q

III.Mạch dao động.

1 Khái niệm về mạch dao động

Mạch dao động được ứng dụng rất nhiều trong các thiết

bị điện tử, như mạch dao động nội trong khối RF Radio, trong bộ kênh Ti

vi mầu, Mạch dao động tạo xung dòng , xung mành trong Ti vi , tạo

sóng hình sin cho IC Vi xử lý hoạt động v v…

Mạch dao động hình Sin dùng L – C

• Mach dao động trên có tụ C1 // L1 tạo thành mạch dao

động L -C Để duy trì sự dao động này thì tín hiệu dao động được đưa vàochân B của Transistor, R1 là trở định thiên cho Transistor, R2 là trở

gánh để lấy ra tín hiệu dao động ra , cuộn dây đấu từ chân

E Transistor xuống mass có tác dụng lấy hồi tiếp để duy trì dao

động Tần số dao động của mạch phụ thuộc vào C1 và L1 theo công thức

f = 1 / 2 .( L1.C1 ) 1/2

* Mạch dao động hình sin dùng thạch anh.

Mạch tạo dao động bằng thạch anh

• X1 : là thạch anh tạo dao động , tần số dao động được

tự dao động ra sóng hình sin.thạch anh thường có tần số dao động từ vàitrăm KHz đến vài chục MHz

• Đèn Q1 khuyếch đại tín hiệu dao động từ thạch anh và cuối cùng tín hiệu được lấy ra ở chân C

• R1 vừa là điện trở cấp nguồn cho thạch anh vừa định thiên cho đèn Q1

• R2 là trở ghánh tạo ra sụt áp để lấy ra tín hiệu

Thạch anh dao động trong Tivi mầu, máy tính

3 Mạch dao động đa hài

Mạch dao động đa hài tạo xung vuông

* Giải thích nguyên lý hoạt động : Khi

cấp nguồn , giả sử đèn Q1 dẫn trước, áp Uc đèn Q1 giảm => thông qua

C1 làm áp Ub đèn Q2 giảm => Q2 tắt => áp Uc đèn Q2 tăng =>

thông qua C2 làm áp Ub đèn Q1 tăng => xác lập trạng thái Q1 dẫn bão

hoà và Q2 tắt , sau khoảng thời gian t , dòng nạp qua R3 vào tụ C1 khi

điện áp này > 0,6V thì đèn Q2 dẫn => áp Uc đèn Q2 giảm => tiếp

tục như vậy cho đến khi Q2 dẫn bão hoà và Q1 tắt, trạng thái lặp đi lặp

lại và tạo thành dao động, chu kỳ dao động phụ thuộc vào C1, C2 và R2,

R3

4.Thiết kế mạch dao động bằng IC

IC tạo dao động XX555 ; XX có thể là TA hoặc LA v v …

Mạch dao động tạo xung bằng IC 555

• Bạn hãy mua một IC họ 555 và tự lắp cho mình một mạch tạo dao động theo

sơ đồ nguyên lý như trên

• Vcc cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4,5V đến 15V , đường mạch mầu đỏ

là dương nguồn, mạch mầu đen dưới cùng là âm nguồn

• Tụ 103 (10nF) từ chân 5 xuống mass là cố định và bạn có thể bỏ qua ( khônglắp cũng được )

• Khi thay đổi các điện trở R1, R2 và giá trị tụ C1 bạn

sẽ thu được dao động có tần số và độ rộng xung theo ý muốn theo côngthức

T = Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s)

Ts : thời gian điện mức thấp

Chu kỳ toàn phần T bao gồm thời gian có điện mức cao Tm và thời gian có điện mức thấp Ts

• Từ các công thức trên ta có thể tạo ra một dao động xung vuông có độ rộng

Tm và Ts bất kỳ

• Sau khi đã tạo ra xung có Tm và Ts ta có T = Tm + Ts và f = 1/ T

Mạch tạo xung có Tm = 0,1s , Ts = 1s

5.Mạch dao động nghẹt

Mạch dao động nghẹt ( Blocking OSC )

Mạh dao động nghẹt có nguyên tắc hoạt động khá đơn giản, mạch

được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn xung ( switching ), mạch có

cấu tạo như sau :

Mạch dao động nghẹt

• Biến áp : Gồm cuộn sơ cấp 1-2 và cuộn hồi tiếp 3-4, cuộn thứ cấp 5-6

• Transistor Q tham gia dao động và đóng vai trò là đèn công xuất ngắt mở tạo

ra dòng điện biến thiên qua cuộn sơ cấp

• Trở định thiên R1 ( là điện trở mồi )

• R2, C2 là điện trở và tụ điện hồi tiếp

Có hai kiểu mắc hồi tiếp là

hồi tiếp dương và hồi tiếp âm, ta xét cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

của từng mạch

* Mạch dao động nghẹt hồi tiếp âm

• Mạch hồi tiếp âm có cuộn hồi tiếp 3-4 quấn ngược chiều với cuộn sơ cấp 1-2, và điện trở mồi R1 có trị số nhỏ khoảng 100K , mạch thường được sử dụng trong các bộ nguồn công xuất nhỏ khoảng 20W trở xuống

thiên qua R1 kích cho đèn Q1 dẫn khá mạnh, dòng qua cuộn sơ cấp 1-2tăng nhanh tạo ra từ trường biến thiên => cảm ứng sang cuộn hồi

tiếp, chiều âm của cuộn hồi tiếp được đưa về chân B đèn Q thông qua R2,C2 làm điện áp chân B đèn Q giảm < 0V => đèn Q lập tức

chuyển sang trạng thái ngắt, sau khoảng thời gian t dòng điện qua R1

nạp vào tụ C2 làm áp chân B đèn Q tăng => đèn Q dẫn lặp lại chu kỳ

thứ hai => tạo thành dao động

• Mạch dao động nghẹt hồi tiếp âm có ưu điểm là dao động

nhanh, nhưng có nhược điểm dễ bị xốc điện làm hỏng đèn Q do đó mạchthường không sử dụng trong các bộ nguồn công xuất lớn

* Mạch dao động nghẹt hồi tiếp dương

• Mạch dao động nghẹt hồi tiếp dương có cuộn hồi tiếp 3-4 quấn thuận chiều với cuộn sơ cấp 1-2, điện trở mồi R1 có trị số lớn khoảng 470K

• Vì R1 có trị số lớn, lên dòng định thiên qua R1

ban đầu nhỏ => đèn Q dẫn tăng dần => sinh ra từ trường biến thiên

cảm ứng lên cuộn hồi tiếp => điện áp hồi tiếp lấy chiều dương hồi

tiếp qua R2, C2 làm đèn Q dẫn tăng => và tiếp tục cho đến khi

đèn Q dẫn bão hoà, Khi đèn Q dẫn bão hoà, dòng điện qua cuộn 1-2 khôngđổi => mất điện áp hồi tiếp => áp chân B đèn Q giảm nhanh và đèn

Q lập tức chuyển sang trạng thái ngắt, chu kỳ thứ hai lặp lại như trạngthái ban đầu và tạo thành dao động

• Mạch này có ưu điểm là rất an toàn dao động từ từ không

bị xốc điện, và được sử dụng trong các mạch nguồn công xuất lớn

như nguồn Ti vi mầu

Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ trong biến áp.

Ở thí nghiệm trên ta thấy rằng

, bóng đèn chỉ loé sáng trong thời điểm công tắc đóng hoặc ngắt , nghĩa

là khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp biến đổi, trong trường hợp có

dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp nhưng không đổi cũng không tạo ra điện áp cảm trên cuộn thứ cấp

Chương 2: Thiết kế hệ thống đo và hiển thị tần số

I Linh kiện trong mạch :

- Mạch tạo xung là IC 555

- Bộ đếm thập phân IC 4017

- Bộ đếm thập phân 74LS190

- Bộ giải mã 74LS247

- Bộ hiển thị thời gian 7SEG-COM-ANODE (led 7 thanh)

- Một số linh kiện khác: NOT, OR, tụ điện CAPACITOR, tụ điện POLYPRO4N7, điện trở (RESISTOR), bộ hiển thị đèn giao thông TRAFFIC LIGHTS

II Tìm hiểu về các linh kiện:

1 IC 555

Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 74ls190 đếm giây

- Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng ( 0.35-

>0.75V)

- Chân 4 (RESET) : dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

- Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chânnày có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóanày đóng lại , ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chan 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động không cóchân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2->18V

Mạch tạo xung :

Có tần số dao động có công thức : f=1/T=1/0.693(R1+2R2)C

2 IC 4017

IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Sơ đồ chân:

Hoạt động :

- Chân 14( CLK) nhận xung

- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lần kích một xung vào, một chân sé được đưa lên mức cao một cách tuần tự, các châncòn lại ở mức thấp

- Chân 13(E): Tích cực mức thấp

- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset

- Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp

Sơ đồ xung ra ở các chân:

Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :