báo cáo đồng hồ số sử dụng 74LS90

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,việc ứng dụng cac linh kiện bán dẫn đa phần nao giảm bớt được giá thành sản phẩm bằng các linh kiện rời. Ứng dụng môn mạch điện tử số vào thiết kế cac bộ phận thiết thực hằng ngay giup chung ta hiểu được môn học làm gì và được ứng dụng vào đâu. Đồng hồ là một thiết bị rất cần thiết ma hầu như bất cứ ai cũng phải dùng tới nó. Một chiếc đồng hồ cơ, xem giờ bằng cách nhìn vào kim chỉ ở vạch chia thời gian sẽ gây khó khăn cho người mới bắt đầu sử dụng. Nhưng đối với đồng hồ số, thời gian được hiển thị rõ ràng bằng các chữ số sẽ dễ dàng sử dụng hơn. Bởi vậy, sau đây nhóm em xin thiết kế một mạch đồng hồ số dùng IC74LS90_ IC rất thông dụng trong kỹ thuật số.

BỘ MÔN: MẠCH ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THỰC HÀNH MẠCH ĐỒNG HỒ SỬ DỤNG IC SỐ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,việc ứng dụng cac linh kiện bán dẫn đa phần nao giảm bớt được giá thành sản phẩm bằng các linh kiện rời Ứng dụng môn mạch điện tử số vào thiết kế cac bộ phận thiết thực hằng ngay giup chung ta hiểu được môn học làm gì và được ứng dụng vào đâu.

Đồng hồ là một thiết bị rất cần thiết ma hầu như bất cứ ai cũng phải dùng tới nó Một chiếc đồng hồ cơ, xem giờ bằng cách nhìn vào kim chỉ ở vạch chia thời gian

sẽ gây khó khăn cho người mới bắt đầu sử dụng Nhưng đối với đồng hồ số, thời gian được hiển thị rõ ràng bằng các chữ số sẽ dễ dàng sử dụng hơn.

Bởi vậy, sau đây nhóm em xin thiết kế một mạch đồng hồ số dùng

IC74LS90_ IC rất thông dụng trong kỹ thuật số.

Trong đề tài còn tồn tại nhiều thiếu sót,mong sự góp ý của thầy và các bạn để được hoàn thiện hơn !.

Người thực hiện:

Nguyễn Lê Thanh Phong

Nguyễn Văn Khánh

I. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU :

Ứng dụng những kiến thức đã học về mạch số để thiết kế mạch hiển thị đồng hồ

số bằng các IC logic bao gồm các khối nguồn , khối tạo xung , khối đếm , khối hiển thị và khối chỉnh thời gian theo giờ và phút

II. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ:

1Hz

Mạch có các nút bấm để phục vụ các chức năng như sau:

Khối tạo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị

Khối tạo xung thạchanh

Hiển thị Led

7 đoạn

Mạch giải mã BCDdùng IC74LS47

Mạch đếm giâydùng IC74LS90

Hiển thị Led

7 đoạn

Mạch giải mã BCDdùng IC74LS47

Mạch đếm phútdùng IC74LS90

Mạch đếm giờdùng IC74LS90

Hiển thị Led

7 đoạnMạch giải mã BCD

dùng IC74LS47

- Công tắc RESET: để đặt giá trị 00:00:00 cho đồng hồ

- Button CHỈNH PHÚT, CHỈNH GIỜ: để làm tăng giá trị của GIỜ hay PHÚT

lên một đơn vị

A.Khối tạo xung 1Hz (T=1s)

Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống Đặc biệt là đối với bộđếm, nó quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm.Có rất nhiều mạch xung tạo daođộng, nhưng do sự thông dụng ta chỉ quan tâm đến mạch tạo dao động dùng thạchanh và IC 4060

Dùng thạch anh 32.768KHz và IC 4060 làm mạch chia tần số, ta có thể thu đượclần lượt các tần số sau:

• 2048Hz tại chân ra Q4 của IC 4060 (mạch chia 16)

• 1024Hz tại chân ra Q5 của IC 4060 (mạch chia 32)

• 512Hz tại chân ra Q6 của IC 4060 (mạch chia 64)

• 256Hz tại chân ra Q7 của IC 4060 (mạch chia 128)

• 128Hz tại chân ra Q8 của IC 4060 (mạch chia 256)

• 64Hz tại chân ra Q9 của IC 4060 (mạch chia 512)

• 32Hz tại chân ra Q10 của IC 4060 (mạch chia 1024)

• 16Hz tại chân ra Q11 của IC 4060 (mạch chia 211)

• 8Hz tại chân ra Q12 của IC 4060 (mạch chia 212)

• 4Hz tại chân ra Q13 của IC 4060 (mạch chia 213)

• 2Hz tại chân ra Q14 của IC 4060 (mạch chia 214)

Để có tần số 1Hz (chu kỳ 1s), ta dùng thêm 1 D Flip Flop nữa (IC 4013) để chia tần

số thạch anh thêm 2 lần nữa (chia cho 215)

B.Khối đếm:

Cơ sở lý thuyết:

1 Các mạch logic cơ bản.

1.1 Giới thiệu chung.

Các cổng logic cơ bản là các phần tử đóng vai trò chủ yếu thực hiện các chức năng logicđơn giản nhất trong các sơ đồ logic (là các sơ đồ thực hiện một hàm logic nào đó)

Các cổng logic cơ bản thường có một hoặc nhiều đầu vào và một đầu ra Từ các cổnglogic cơ bản, ta có thể kết hợp lại để tạo ra nhiều mạch logic thực hiện các hàm logic phức tạphơn Những dữ liệu ngõ vào, ra chỉ nhận các giá trị logic là Truse (mức 1) và Fail (mức 0) Vìcác cổng logic hoạt động với các số nhị phân (0, 1) nên có đôi khi còn được mang tên là cáccổng logic nhị phân

Người ta thường dùng tín hiệu điện để biểu diễn dữ liệu vào ra của các cổng logic nóiriêng và các mạch logic nói chung Chúng có thể là tín hiệu xung và tín hiệu thế

* Biểu diễn bằng tín hiệu thế:

Dùng hai mức điện thế khác nhau để biểu diễn hai giá trị Truse (mức 1) và Fail (mức 0),

có hai phương pháp để biểu diễn hai giá trị này:

- Phương pháp logic dương:

+ Điện thế dương hơn là mức 1

+ Điện thế âm hơn là mức 0

0

0

1

u1

10t

Hình 2.1: Dạng tín hiệu logic dương

- Phương pháp logic âm:

+ Điện thế dương hơn là mức 0

+ Điện thế âm hơn là mức 1

01

u1

10t

Hình 2.2: Dạng tín hiệu logic âm

* Biểu diễn bằng tín hiệu xung:

Hai giá trị logic 1 và 0 tương ứng với sự xuất hiện hay không xuất hiện của xung trongdãy tín hiệu theo một chu kỳ T nhất định

Trong các mạch logic sử dụng dữ liệu là tín hiệu xung, các xung thường có độ rộng sườn

và biên độ ở trong một mức giới hạn cho phép nào đó tùy từng trường hợp cụ thể

0101

0001

A B

Y

Hình 2.4: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng AND

Nhận xét: Ngõ ra của cổng logic AND chỉ lên mức 1 khi các ngõ vào là mức 1.

+ A,B: ngõ vào tín hiệu logic

10

Hình 2.6: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NOT Một số IC chứa cổng NOT: 7414, 4069.

1110

Hình 2.8: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NAND

Nhận xét: Ngõ ra của cổng NAND ở mức 1 khi tất cả các ngõ vào là mức 0.

0101

0111

Y

1000

Hình 2.12: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NOR

Nhận xét: Ngõ ra cổng NOR sẽ ở mức 1 khi tất cả các ngõ vào ở mức 0.

Dùng để tạo ra tín hiệu mức 0 khi các đầu vào cùng trạng thái Bảng trạng thái

0011

0101

0110

Hình 2.14: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng EX-OR

Nhận xét: Ngõ ra cổng EX-OR ở mức 1 khi các đầu vào ngược mức logic.

Một số IC chứa cổng EX-OR: 74HC86, 4070.

Hình 2.15: 74HC86

Tóm lại: Trên đây giới thiệu 6 loại cổng logic: AND, NOT, NAND, OR, NOR, EX-OR Nhưng

thực tế chỉ cần 4 cổng AND, OR, EX-OR, NOT thì có thể có được các cổng còn lại Hiện nay các cổng logic được tích hợp trong các IC Một số IC thông dụng chứa các cổng thông dụng là:

Y

dựng nên mạch tổ hợp là mạch logic AND, OR, NOT, Mạch dãy là mạch mà tín hiệu ra phụ thuộc không những vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái trong của mạch nghĩa là có mạch lưu trữ, nhớ các trạng thái Như vậy, để xây dựng mạch dãy, ngoài các mạch tổ hợp cơ bản còn phải là các mạch phần tử nhớ Các phần tử nhớ cơ bản tạo nên mạch dãy gọi là Flip – Flop (FF), chúng lưu trữ các tín hiệu nhị phân Vì bít tín hiệu nhị phân có thể nhận một trong hai giá trị 0,1 nên FF tối thiểu cần 2 chức năng:

- Có hai trạng thái ổn định chức năng

- Có thể tiếp thu, lưu trữ, đưa tới tín hiệu và FF có từ 1 đến vài đầu vào điều khiển có 2 đầu ra luôn ngược nhau là Q và

Hình 2.16: Kí hiệu Flip-Flop

Hình 2.17: Ký hiệu về tính tích cực trong mạch FF

2.2 Phân loại FF.

Có nhiều cách phân loại FF:

- Theo chức năng làm việc của các đầu vào điều khiển: FF một đầu vào điều khiển FF-D, FF-T; FF hai đầu vào điều khiển FF-RS, FF-JK

- Theo cách làm việc ta có loại FF đồng bộ và không đồng bộ FF đồng bộ lại gồm loại thường và loại chủ tớ Đối với loại không đồng bộ, các tín hiệu điều khiển vẫn điều khiển được hoạt động của FF mà không cần tín hiệu đồng bộ

Hình 2.18: Sơ đồ phân loại FF

a FF dạng chủ - tớ (MS).

Hình 2.19: FF chủ - tớ

FF dạng chủ tớ là FF xung nhịp rất phổ biến đối với các FF chế tạo theo

phương pháp mạch tích hợp Mạch của FF này gồm 2 phần là 2 khối FF có khối điều khiển riêng nhưng lại không có quan hệ với nhau Một FF gọi là FF chủ (M: master), một FF gọi là FF tớ (S: Slave), FF chủ thực hiện chức năng logic của hệ còn FF tớ dùng để nhớ trạng thái của hệ sau khi

hệ đã hoàn thành việc ghi thông tin Đầu vào của hệ là đầu vào FF chủ, đầu ra của hệ là đầu ra

FF tớ

Cả 2 FF đều được điều khiển theo xung nhịp Ck Dưới sự điều khiển của

xung nhịp, việc ghi thông tin vào FF chủ - tớ được thực hiện qua các bước:

-Bước 1: Cách ly giữa 2 FF chủ - tớ

-Bước 2: Ghi thông tin vào FF chủ

-Bước 3: Cách ly giữa đầu vào và FF chủ

-Bước 4: Chuyển thông tin từ FF chủ sang FF tớ

Sơ đồ hình 2.21 trên đáp ứng việc ghi thông tin theo 4 bước trên Vì dưới tác dụng của xung nhịp Ck, thông tin được đưa vào FF chủ nhưng đồng thời qua cổng NOT đầu vào của khối điều khiển FF tớ không có xung đồng bộ nên tạo sự cách ly giữa FF chủ và tớ Sau khi kết thúc xung đồng bộ Ck không còn nên giữa đầu vào và FF chủ được cách ly đồng thời qua cổng NOT đầu vào khối điều khiển FF tớ có xung đồng bộ nên hệ chuyển thông tin từ FF chủ sang FF tớ

Quá trình ghi thông tin vào FF chủ - tớ khá phức tạp và đòi hỏi xung nhịp Ck chính xác, cấu trúc

sơ đồ khá phức tạp nên gây ra trễ khá lớn Nhưng FF chủ - tớ có ưu điểm là chống nhiễu tốt, khả năng đồng bộ tốt

K

1

Q Q J

K

C k

0 1 1

Q T

1 0

bộ thì thời gian trễ đúng bằng

chu kì của xung nhịp Ck Do tính chất này của FF-D mà người ta thường dùng

chúng để là trễ tín hiệu logic

Tóm lại: FF là phần tử cơ bản để chế tạo các mạch ứng dụng quan trọng trong hệ thống số như

mạch đếm, mạch ghi, bộ nhớ Nhưng thực tế các FF được chế tạo từ các cổng logic chỉ là lý thuyết cơ bản, thực tế chúng đã được tích hợp trong các IC

Các IC chứa FF như:

+ FF-JK: 7472, 7473, 7476, 7478, 74301, 74102, 4027

+ FF-RS: 7471

+ FF-D: 7474, 74171, 74175, 4013

3 Mạch đếm.

Mạch đếm xung là một hệ logic dãy được tạo thành từ sự kết hợp của các Flip - Flop Mạch có một đầu vào cho xung đếm và nhiều đầu ra Các đầu ra này thường là các đầu ra Q cho các FF Vì Q chỉ có thể có hai trạng thái là 1 và 0 cho nên sự sắp xếp các đầu ra này cho phép ta biểu diễn kết quả dưới dạng một số hệ hai có số bit bằng số FF dùng trong mạch đếm

Điều kiện cơ bản để một mạch được gọi là mạch đếm là nó có các trạng thái đầu ra khác nhau, tối đa đầu ra của mạch cũng bị giới hạn Số xung đếm tối

đa được gọi là dung lượng của mạch đếm

Mạch đếm modul M thường dùng cổng logic với Flip-Flop và các kiểu hồi tiếp đặc biệt

để có thể trình bày kết quả dưới dạng số hệ hai tự nhiên hay dưới dạng mã nào đó

Về chức năng của mạch đếm, người ta phân biệt:

- Các mạch đếm lên (up counters): hay còn gọi là mạch đếm cộng, mạch đếm

thuận

- Các mạch đếm xuống (down counters): hay còn gọi là mạch đếm trừ, mạch đếm nghịch

- Các mạch đếm lên - xuống (up - down counters): hay còn gọi là mạch đếm hỗn hợp, mạch đếm thuận nghịch

Về phương pháp đưa xung clock vào mạch đếm, người ta phân ra:

- Tần số cực đại của dãy xung mà bộ đếm có thể đếm được

- Khoảng thời gian thiết lập của mạch đếm: tức là khoảng thời gian từ khi đưa xung đếm vào mạch cho tới khi thiết lập song trạng thái trong bộ đếm tương ứng với khung đầu vào

Các Flip-Flop thường dùng trong mạch đếm là loại RST và JK dưới dạng rời hay tích hợp

4 Mạch ghi.

Mỗi Flop có hai trạng thái ổn định (hai trạng thái bền) và ta có thể kích thích Flop để có được một trong hai trạng thái như ý muốn Sau khi kích thích Flip-Flop sẽ giữ hai trạng thái này cho đến khi nó buộc bị thay đổi Vì có đặc tính như vậy nên ta bảo rằng Flip-Flop

Flip-là mạch có tính nhớ được hay mạch nhớ

Như vậy, nếu dùng nhiều Flip-Flop ta có thể ghi vào đó một hay nhiều dữ liệu đã được

mã hoá dưới dạng một chuỗi các số hệ nhị phân là 0 và 1 Các FF dùng vào công việc như thế tạothành một loại mạch là mạch ghi mà trong nhiều trường hợp còn gọi là thanh ghi (register)

Thông thường các FF không nằm cô lập mà chúng được nối lại với nhau theo một cách nào đó để có thể truyền từng phần dữ liệu cho nhau Dưới hình thức này ta có thanh ghi dịch (shift register).

Thanh ghi dịch là một phần tử quan trọng trong các thiết bị số từ máy đo

cho đến máy tính Ngoài nhiệm vụ ghi nhớ dữ liệu, chúng còn thực hiện một số chức năng khác nhau

Có hai phương pháp đưa dữ liệu vào mạch là: nối tiếp (serial) và song song (parallel) tạo thành các mạch ghi nối tiếp và mạch ghi song song

Thanh ghi được tích hợp trong các IC sau:

- 74164 ↔ 4034 : thanh ghi độc lập 8 bit

- 74165 ↔ 4021 : thanh ghi dịch 8 bit

- 74166 ↔ 4014 : thanh ghi dịch 8 bit

- 74194 ↔ 40194 :thanh ghi dịch 4 bit

- 74195 ↔ 40195 :thanh ghi dịch 4 bit

C.Bộ đếm:

1 Khái niệm:

Bộ đếm là một mạch dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm và một đầu ra,mạch có số trạng tháitrong bằng chính hệ số đếm(Kd) Dưới tác dụng của tín hiệu vào đếm, mạch sẽ chuyển từ trạnhthái trong này đến một trạng thái trong khác theo một thứ tự nhất định.Cứ sau Kd tín hiệu vàođếm,mạch trở lại trạng thái xuất phát ban đầu

b. Bộ đếm dị bộ:

các Flip Flop (FF) chịu tác động điều khiển trực tiếp của xung đầu vào,nhưng cũng

có các FF chịu tác động điều khiển của xung đầu ra của FF khác (có vai trò địnhthời của xung đồng bộ) Sự chuyển đổi trạng thái của FF không cùng lúc,tức là dịbộ

• Căn cứ vào sự khác biệt về hệ số đếm của bộ đếm,người ta phân thành các loại: Bộ đếmnhị phân, bộ đếm thập phân, bộ đếm N phân Nếu gọi n là số chỉ số chỉ số vị trí trong mã

số nhị phân (cũng là số FF trong bộ đếm), gọi N là số trạng thái tích cực (cũng là số trạngthái mã hóa đã được lập khi giải mã) thì đối với bộ đếm nhị phân N=2^n đối với bộ đếmnhị phân N=10.

**Bộ đếm đồng bộ

Thiết kế bộ đếm 10 đồng bộ,đếm lên,mã Gray, sử dụng JK Flip Flop

Bảng trạng thái:

Bảng chuyển đổi trạng thái:

Trạng thái hiện tại Trạng thái tiếp theo Đầu vào kích thích các FF

0 1 1 0 0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 1 1 1 1 1 0

0 0 0 1 1 0 0 0 0 0

0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

1 1 0 0 0 0 1 1 0 0

Từ hệ phương trình đã tối thiểu hóa nhận được sơ đồ của bộ đếm như sau:

2 IC đếm thập phân và nhị phân 74LS90

• IC 74ls90 là IC thuộc họ 74xx, IC này có chức năng đếm thập phân từ 0 đến 9 và xuất ra

mã BCD ở 4 ngõ ra

• Trong các mạch số ứng dụng, ứng dụng đếm chiếm một phần tương đối lớn IC 7490 là

IC đếm thường được dùng trong các mạch số ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số

• IC TTL này cũng khá quen thuộc nó là IC đếm mã nhị phân chia 10 mã hóa ra BCD Cứ mỗi 1 xung vào thì nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra 4 chân Khi đếm đến 10 tự nó sẽ reset và quay trở về ban đầu

• Hai thông số quan trọng để thiết kế mạch đếm này là: Bảng chân lý mã hóa ra BCD và điều kiện để Reset (Trở về trạng thái ban đầu)

• Theo datasheet ta có sơ đồ chân như sau:

Sơ đồ cấu tạo:

+Bốn chân thiết lập: R1(1), R1(2), R9 (1), R9 (2).

+Khi đặt R1(1) = R1(2) = H ( mức cao) thì bộ đếm được xoá về 0 và các đầu ra ở mức thấp

+R9 (1), R9 (2) là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra: Q A = Q D =1,

Q B = Q C = 0

+NC chân bỏ trống

+IC 7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5:

- Bộ chia 2 do Input A điều khiển đầu ra Q A

- Bộ chia 5 do Input B điều khiển đầu ra Q B , Q C , Q D.

+Đầu vào A, B tích cực ở sườn âm

+Để tạo thành bộ đếm 10 ta nối đầu ra QA vào chân B để tạo xung kích cho bộ đếm 5

*Ngoài ra, khi dùng IC 7490, có 2 cách nối mạch cho cùng chu kỳ đếm 10, tức là tần số tín hiệu ở ngõ ra sau cùng bằng 1/10 tần số xung CK, nhưng dạng tín hiệu ra khác nhau

• Mạch đếm 2x5: Nối ngõ ra QA với ngõ vào B, xung đếm (CK) nối với ngõ vào A

• Mạch đếm 5x2: Nố i ngõ ra QD với ngõ vào A, xung đếm (CK) nối với ngõ vào B

Bảng trạng thái đếm cho 2 dạng mạch đếm trên

Cách kết nối IC7490 để chia tần số:

D.Khối giải mã

1.Mạch chuyển mã

Trong các hệ thống điện tử dùng mạch số,dữ liệu (lệnh,số liệu) được truyền đi hay

xử lý ở dạng từ (word) nhị phân gồm các bit 0 và 1.Một từ n bit có thể biểu diển cho 2n

phần tử tin khác nhau với giá trị thập phân từ: 0=>2n -1.Từ nhị phân n bits đó gọi là mã (Code) của các phần tử tin tức.Có rất nhiều loại mã, sau đây là một số loại mã thường gặp:

a. Các loại mã ký tự thường dùng:

• Mã ASCII(American Standard Code for Information Interchange): mã dùng cho 8 bits để

b. Các loại mã thường dùng để mã hóa các con số

• Để mã hóa các con số thường dùng các loại mã: Mã nhị phân,mã dư 3(XS3), mã Gray, mãGray dư 3, mã nhị phân của số thập phân (BCD), mã thập phân, mã 7 vạch…

• Mã có thể chia làm 2 loại: loại có trọng số (trọng số của các ký hiệu nhị phânđược sắp xếp theo thứ tự 20,21,22,2n…) và loại không có trọng số (trọng số của các ký hiệu nhị phân không phụ thuộc vị trí của chúng trong từ mã)

• Mã nhị phân: Đây là loại mã có trọng số, trọng số của các ký hiệu nhị phân được sắp xếp

từ thấp đến cao là 1,2,4,8,…

• Mã BCD(Binary Code Decimal): Đễ mã hóa nhị phân cho 10 chữ số thập phân cần từ mã

có độ dài 4 bit.tùy theo cách sữ dụng 10 trên 16 tổ hợp mã nhị phân 4 bit mà ta có các loại mã BCD khác nhau.một số loại mã BCD thường gặp: BCD-normal, 2421, 5121…

• Mã Gray: Là loại mã không có trọng số, các từ mã kế cạnh nhau chỉ khac nhau ở một biến số, mã Gray được dùng biểu diễn bảng Karnaugh

2.Bộ giải mã hiển thị

• Chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý làm việc và quá trình thiết kế của bộ giả mã hiển thị thông qua bộ giải mã cho led 7 đoạn

• Thiết kế bộ giải mã hiển thị Led 7 đoạn với tín hiệu đầu vào là mã BCD 8421

• Phân tích yêu cầu thiết kế:

• Xem sơ đồ khối hình trên