Báo cáo đồ án số thiết kế mạch đếm đa năng

Các ứng dụng của mạch số như đèn giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm… Mục đích của tập đồ án này là thiết kế mạch đếm đa năng.. Mạch có vô số trạng thái đếm Kđ,

BẢNG THÔNG QUA ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên:

Tên đồ án: “ THIẾT KẾ MẠCH ĐÊM ĐA NĂNG ”

L

Nhận xét cho phép thông qua hoặc không thông qua đồ án

Chữ ký GVHD

Nhận xét chung:

Ghi chú:

- Điều kiện để sinh viên được phép bảo vệ đồ án: Phải thông qua đầy đủ

và có chữ kỹ GVHD xác nhận

- Bảng này phải được đóng kèm vào đầu của quyển thuyết minh đồ án

Vinh, ngày tháng năm 2016

Người hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ điện tử

đã, đang và sẽ phát triển ngày càng rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật số Mạch

số được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật cũng như đời sống của xã hội Các ứng dụng của mạch số như đèn giao thông, đo tốc độ động cơ, đồng hồ số, mạch

đếm sản phẩm… Mục đích của tập đồ án này là thiết kế mạch đếm đa năng Qua đây cho em gửi lời cảm ơn tới thầy Phạm Mạnh Toàn đã tận tình chỉ dẫn

và giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án môn học này

Đồ án hoàn thành giúp em có được nhiều kiến thức hơn về môn học mà còn giúp em được tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm Quá trình thực hiện đồ án này thực sự bổ ích cho bản thân em về nhiều mặt Vì kiến thức và thời gian còn hạn chế kinh nghiệm còn yếu nên không tránh khỏi những sai sót, rất mong sự đóng góp của quý thầy cô và góp ý của các bạn

Sinh viên thực hiện

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thế kỷ của khoa học, của tri thức cùng với nó là sự phát triển mạch mẽ của công nghệ thông tin và khoa học ứng dụng Kỹ thuật điện tử cũng nằm trong số đó, nó đang phát triển rất nhanh và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội Con người đang chuyển dần từ điều khiển bằng tay sang điều khiển tự động

Nền công nghiệp đã đạt được những thành tựu nhờ ứng dụng của khoa học kỹ thuật và công nghệ Máy móc đã thay thế con người trong nhiều công việc, đặc biệt là công việc nặng nhọc

Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển mạch mẽ với sự ra đời của hang loạt các vi mạch Sự phát triển của kỹ thuật điện tử như hiện nay khiến cho nhu cầu tiếp xúc với lĩnh vực điện tử số không thể thiếu được

Để xây dựng một thiết bị số hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm, thanh ghi, bộ nhớ… trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệ thống Mạch đếm sử dụng IC 74LS192 là một mạch đếm khá thông dụng chúng có thể đếm tiến, đếm lùi, đếm ở các cơ số khác nhau Để hiểu rõ hơn về các thông số và

khai thác tối đa khả năng đếm của IC 74LS192 chúng tôi đã chọn đề tài: “thiết

kế mạch đếm đa năng”

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu:

- Tìm hiểu về mạch đếm và một số vấn đề liên quan

- Hoàn thành thiết kế - thi công thực tế, mạch hoạt động ổn định với độ bền cao

Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu kiến thức cơ bản về mạch đếm

- Tìm hiểu các vi mạch đếm thông dụng

- Tìm hiểu mạch tạo xung sửa dụng IC 555

- Mạch giải mã 7 thanh và hiện thị 7 thanh

- Thiết kế mạch đếm đa năng

3 Đối tượng nghiên cứu

- Nâng cao kỹ năng thực hành lắp ráp, đo đạc và thiết kế mạch đếm

6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ MẠCH ĐẾM

I Đại cương về mạch đếm

1.1 Khái niệm

Mạch đếm là một mạch dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm Xđ và một đầu

ra Y

Mạch có vô số trạng thái đếm Kđ, Kđ chính là hệ số mà mạch có thể đếm được dưới tác dụng của xung nhịp hay tín hiệu vào đếm mạch chuyển trạng thái theo một trình tự nhất định, cứ sau Kđ tín hiệu vào đếm mạch trở về trạng thái ban đầu

Sơ đồ khối của bộ đếm

Hình 1.1 Sơ đồ khối của bộ đếm

Phần tử cơ bản cấu thành nên bộ đếm là các Flip-flop (FF) Mỗi mạch đếm sử dụng số FF nhất định nên trạng thái đếm tối đa của mạch đếm cũng bị giới hạn

số xung đếm tối đa của mạch đếm được gọi là dung lượng đếm cực đại

1.2 Đồ hình trạng thái cơ bản của bộ đếm

Đồ hình trạng của bộ đếm có hệ số đếm Kđ được mô tả như sơ đồ sau:

Tính chất tuần hoàn của mạch đếm thể hiện ở chỗ: sau khi Kđ tín hiệu vào đếm Xđ mạch quay lại trạng thái ban đầu

Tín hiệu ra của bộ đếm chỉ xuất hiện Y = 1 duy nhất trong trường hợp:

Bộ đếm ở trạng thái Kđ - 1 và có tín hiệu vão Xđ Khi đó bộ đếm sẽ chuyển về trạng thái 0

1.3 Phân loại bộ đếm

Căn cứ vào đặc trưng chính như phương thức hoạt động, Mod đếm,

hướng đếm, mã trạng thái bộ đếm được phân thành nhiều trạng thái khác nhau

Phân loại theo cách hoạt động

Phân loại theo chiều đếm

Phân loại theo hệ số đếm

Phân loại theo cách tạo M

Phân loại theo mã

Đặc điểm của bộ đếm này là xung nhịp được đưa vào đồng thời

Hình 1.4 sự chuyển đổi trạng thái của mạch đếm đồng bộ

Mạch đếm không đồng bộ

Bộ đếm không đồng bộ là bộ đếm tồn tại ít nhất một cặp trạng thái Si → Sj

mà trong đó các Flip-flop không thay đổi trạng thái cùng một lúc

Đặc điểm của bộ đếm này là xung nhịp không được đưa vào cùng một lúc

Hình 1.5 Sự chuyển đổi trạng thái của mạch đếm không đồng bộ

1.3.2 Phân loại theo chiều đếm

Trên thực tế người ta còn thiết kế bộ đếm thuận nghịch Bộ đếm thuận nghịch

là bộ đếm vừa có thể đếm thuận vừa có thể đếm nghịch nhưng phải có thêm tín hiệu để điều khiển đếm thuận hay đếm nghịch

X Y

Tín hiệu vào điều khiển

Hình 1.6 Sơ đồ khối của bộ đếm thuận nghịch

1.3.3 phân loại theo hệ số đếm

Bộ đếm có hệ số đếm K đ = 2 n

Với bộ đếm có Kđ = 2 n Ví dụ Kđ = 2, 4, 8, 16… bộ đếm này gọi là bộ đếm

có hệ số đếm cực đại hay chiều dài cực đại, vì khi sử dụng n Flip-flop để mã hóa các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hóa tối đa là 2n

Bộ đếm có hệ số đếm Kđ ≠ 2 n

Với bộ đếm Kđ ≠ 2n Ví dụ, Kđ = 5, 6, 10 … vẫn sử dụng n Flip-flop để mã hóa các trạng thái trong bộ đếm Vì vậy khi thiết kế phải chú ý đến các trạng thái trong không sử dụng tới

1.3.4 Phân loại theo cách tạo M

Bộ đếm có khả năng chương trình hóa

Là bộ đếm có thể sử dụng cới các hệ số đếm khác nhau tùy thuộc tín hiệu điều khiển đưa vào nó

Bộ đếm không có khả năng chương trình hóa

1.3.5 Phân loại theo mã

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi trạng thái trong này sang trạng thái trong khác được mã hóa bởi một mã cụ thể

Các bộ đếm có thể có nhiều cách mã hóa trạng thái trong khác nhau Sau đây

là một số mã thường dùng trong mạch đếm:

a mã nhị phân

Mã nhị phân là các mã mà các bit của nó có trọng số 1, 2, 4,…, 2n-1 Bít có trọng số thấp nhất ứng với 20 = 1, tiếp theo là bít 21 = 2,… bit có trọng số cao nhất ứng với 2n-1

b Mã Gray

Bộ đếm thuận nghịch

Mã Gray là loại mã không có trọng số, hai từ mã gần nhau chỉ khác nhau 1 biến

c Mã BCD (Binary coded decimal)

Mã BCD là mã nhị phân mã hóa số thập phân

- Nếu dùng n biến nhị phân thì mã hóa được n trạng thái

- Hai từ mã gần nhau luôn khác nhau 2 biến

- Trong từ mã có duy nhất một bít bằng 1, các bít khác bằng 0, chữ số 1 được dịch từ bít thấp nhất đến bít cao nhất tạo thành vòng kín

- Nếu dùng n biến nhị phân thì sẽ mã hóa được tối đa 2n trạng thái

- Hai từ mã gần nhau chỉ khác nhau một biến

- Trong bảng mã các bít 1 được đẩy dần lên từ bít thấp nhất đến bít cao nhất rồi giảm dần từ bít thấp nhất

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch đếm đa năng

2.2 Chức năng của các khối mạch

2.2.1 Khối nguồn

Khi thiết kế mạch nguồn một chiều, việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu rất quan trọng Người ta thường lựa chọn mạch chỉnh lưu cầu vì nó có chất lượng tốt, độ vấp của tín hiệu ra nhỏ và dễ thực hiện

Hình 2 Sơ đồ nguồn một chiều

Máy biến áp nguồn dùng cho mạch đếm có điện áp nhỏ nên ta dùng biến áp

220 – 12Vac

Diode ở đây là loại diode chỉnh lưu cầu 2W02

Để lọc tốt thì tụ điện dung càng lớn càng tốt và phải chịu được điện áp ở lối

Mạch điện một chiều cho ta điện áp chuẩn, nhưng nó là dòng một chiều có độ vấp hay vẫn thay đổi mạch đếm sử dụng nguồn một chiều ổn định có điện áp +5V nên ta dùng mạch ổn áp dùng IC ổn áp 7805

IC ổn áp là IC có điện áp đầu ra ổn định

Nhiệm vụ của khối nguồn:

Nhiệm vụ của khối nguồn là cung cấp nguồn nuôi +5V ổn định cho các vi mạch hoạt động

2.2.2 Khối tạo xung sử dụng IC 555

Có nhiều mạch thiết kế để tạo xung như: thiết kế mạch dùng Transistor, thiết

kế mạch dùng khuếch đại thuật toán nhưng chúng tôi sử dụng mạch tạo xung dùng IC 555 vì: IC 555 được sử dụng rất phổ biến, mạch tạo xung dùng IC 555 đơn giản, dễ hiểu nguyên lý làm việc của nó

Hình 2 Hình ảnh và sơ đồ chân IC 555

Chân 1: nối đất để lấy dòng cấp cho IC

Chân 2: ngõ vào của một tầng so áp

Chân 3: lối ra, điện áp của lối ra xác định theo mức áp cao (gần bằng điện áp chân 8) và áp thấp (gần bằng mức điện áp ở chân 1)

Chân 4: dùng để lập định mức trạng thái ra Khi chân 4 nối với đất thì ngõ ra

ở mức thấp, chân 4 nối với điện áp mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp của chân 2 và chân 6

Chân 5: thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555

Chân 6: Ngõ vào của một tầng so áp khác

Chân 7: là một khóa điện, khi chân 3 ở mức thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì mở ra

Chân 8: cấp nguồn nuôi cho IC Nguồn nuôi cấp cho IC khoảng +5V đến +15V

Hình 2 Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC 555

Tần số dao động của mạch xác định theo công thức:

0,693(2R1 + R2)C1

Để tìm được tần số dao động của mạch, trước hết ta tìm chu kỳ dao động T của mạch tạo xung, mà muốn tìm T ta cần xác định thời gian ngưng dẫn của tụ khi xả và khi nạp

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng của Transistor là:

Hình 2 Sơ đồ chân của IC 74LS192

Chân 1 : (data B input) chân nhận tín hiệu vào ứng với B

Chân 2 : (QB output) chân lấy tín hiệu ra ứng với QB

Chân 3 : (QA output) chân lấy tín hiệu ra ứng với QA

Chân 4 : (counter down input) đếm lùi

Chân 5 : (counter up input) đếm tiến

Chân 6 : (QC output) chân lấy tín hiệu ra ứng với QC

Chân 7 : (QD output) chân lấy tín hiệu ra ứng với QD

Chân 8 : (GND) nối mát để lấy dòng cho IC

Chân 9 : (Data D input) chân nhận tín hiệu vào ứng với D

Chân 10 : (Data C input) chân nhận tín hiệu vào ứng với C.\

Chân 11 : (Load) đầu vào tải

Chân 12 : (Carry) chân nhớ chỉ sự tràn lên

Chân 13 : (Borrow) chân mượn chỉ sự tràn xuống

Chân 14 : (Clear) chân xóa để bắt đầu đếm lại mạch

Chân 15 : (Data A input) chân nhận tín hiệu vào ứng với A

Chân 16 : (VCC) cấp nguồn nuôi cho IC

FF có hai loại lối vào: Chính và phụ, lối vào chính được sử dụng để chuyển đổi trạng thái trên các lối ra theo tín hiệu điều khiển Lối vào phụ thường được dùng để xác lập trạng thái trên các lối ra theo điều kiện cho trước hoặc theo mong muốn

Sơ đồ khối của FF có thể được biểu diễn như sau:

Q

Q

Hình 1.2 Ký hiệu Flip – Flop JK

Trạng thái của Q không những phụ thuộc cả đầu vào mà còn phụ thuộc cả trạng thái quá khứ của Q Nghĩa là cùng với một điều kiện logic các đầu vào mà

Q có thể thay đổi hay không đổi trạng thái tùy theo trước khi kích thích nó đang

ở trạng thái nào Đây là đặc điểm làm cho FF khác với các cổng logic khác

Flip – Flop JK

Flip – Flop JK là mạch điện có chức năng thiết lập trạng thái 0, trạng thái

1, chuyển đổi trạng thái và duy trì trạng thái căn cứ vào các tín hiệu đầu vào J,

LỐI VÀO LỐI RA

Hình 1.3 Ký hiệu Flip – Flop J-K

Trong đó: Lối vào J và K là lối vào dữ liệu, còn lối vào CLK là lối vào xung nhịp Clock Lối ra Q và Q là lối ra bình thường và lối ra phủ định của Flip – Flop

+ Phương trình trạng thái: n n n

Q K Q J

2.2.4 Khối giải mã (IC giải mã 74LS247)

IC giải mã 74LS247 là IC chuyển đổi mã BCD thành khuôn dạng phù hợp với hiện thị thập phân bằng Led 7 thanh có anot chung

Nguồn cung cấp là VCC = +5V

Bình thường

Dữ liệu (Data)

Phủ định

Xung nhịp

(Clock)

Dữ liệu (Data)

CLK

Hình 2 Sơ đồ chân của IC 74LS247

Chân 1: Đưa tín hiệu vào vi mạch ứng với B

Chân 2: Đưa tín hiệu vào vi mạch ứng với C

Chân 3: Lamp test là chân kiểm tra đèn

Chân 4: Rb output là chân điều khiển

Chân 5: Rb input chân điều khiển

Chân 6: Chân đưa tín hiệu vào IC ứng với D

Chân 7: Chân đứ tín hiệu vào IC ứng với A

Chân 8: Chân nối đất để lấy dòng cấp cho IC

Chân 9: Chân giải mã tín hiệu đưa và thanh e của led 7 đoạn

Chân 10: Chân giải mã tín hiệu đưa và thanh d của led 7 đoạn

Chân 11: Chân giải mã tín hiệu đưa và thanh c của led 7 đoạn

Chân 12: Chân giải mã tín hiệu đưa và thanh b của led 7 đoạn

Chân 13: Chân giải mã tín hiệu đưa và thanh a của led 7 đoạn

Chân 14: Chân giải mã tín hiệu đưa và thanh g của led 7 đoạn

Chân 15: Chân giải mã tín hiệu đưa và thanh f của led 7 đoạn

Chân 16: Nối với nguồn nuôi Nguồn nuôi của IC là VCC = +5V

Hình 2 Bảng chức năng IC 74LS247

2.2.5 khối hiện thị (Led 7 thanh)

Để hiển thị số thập phân bất kì ta có thể sử dụng dụng cụ LED 7 đoạn Cấu tạo như hình vẽ:

Hình 1.4 Cấu tạo LED 7 đoạn

Đối với LED, mỗi đoạn là một Điôt phát quang và khi có dòng điện đi qua đủ lớn (5 đến 30 mA) thì đoạn tương ứng sẽ sáng Ngoài 7 đoạn sáng chính, mỗi LED còn có thêm Điôt để hiển thị dấu phân số khi cần thiết

LED có 2 loại chính: LED Anot chung và Katot chung

Cấu tạo của LED Anot chung:

Hình 1.5 Cấu tạo LED Anot chung

Hoạt động ở mức tích cực thấp: Lối vào bằng 0 LED sáng, lối vào bằng 1 LED tắt

Cấu tạo của LED Katot chung:

Hình 1.6 Cấu tạo LED Katot chung

Hoạt động ở mức tích cực cao: Lối vào bằng 1 LED sáng, lối vào bằng 0 LED tắt

Hình 2 Chuyển đổi mã BCD - 7 thanh

2.2.6 Các hàm logic

a Hàm AND

* Hàm AND thực hiện phép nhân logic

* Ký hiệu: f(x,y) = x.y

Mạch đếm sử dụng IC 74LS192 bao gồm các chi tiết:

- Nguồn cấp cho mạch đếm và mạch ổn áp cung cấp dòng điện cho mạch đếm với Vcc = +5V

- Mạch tạo xung dùng IC 555 tạo ra xung với tần số xác định theo công thức:

- Mạch so sánh số đếm vào và số đếm kết thúc dùng các cổng logic: AND, XOR, NOT có nhiệm vụ so sánh và đưa ra tín hiệu cho mạch đếm dừng lại

- Mạch giải mã 7 thanh dùng vi mạch 74LS247: tín hiệu sau khi đếm được đưa tới vi mạch giải mã, tại đây vi mạch giải mã làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu đưa tới hiện thị Led 7 thanh

Nguyên lý làm việc

sau khi cấp nguồn +5V cho các vi mạch hoạt động Từ các giá trị điện trở và

tụ điện đã chọn khi mạch tạo xung được cấp điện nó sẽ hoạt động và tạo ra tín

hiệu có tần số f = 2Hz Để kiểm tra tín hiệu ra của mạch tạo xung ta lắp một đèn

led khi tín hiệu đi qua với mức logic cao thì nó phát sang Tín hiệu được lấy ra

từ chân 3 của IC 555

Để đếm được tín hiệu này thì đầu ra của vi mạch tạo xung được đưa tới mạch đếm, cụ thể là mạch đếm dùng IC 74LS192 Ở vi mạch 74LS192 hàng đơn vị nhận tín hiệu ở chân 4 mạch sẽ đếm lùi từ 1001 (9 trong hệ thập phân) về 0000 (

0 trong hệ thập phân) Khi tín hiệu đưa vào chân 5 thì mạch sẽ đếm tiến từ

0000 đến 1001 Ở đây ta dùng công tắc gạt 2 kênh để có thể thay đổi tín hiệu đưa vào chân 4 hoặc chân 5 Bộ đếm lật trạng thái khi xung nhịp chuyển từ thấp lên cao Hai chân 12, 13 (chân borrow và chân carry) lần lượt được nối vào chân 5 và chân 4 của vi mạch đếm 74LS192 hàng chục Nó tạo thành bộ đếm BCD đếm từ 0000 0000 đến 1001 1001 (từ 00 đến 99 trong hệ thập phân)

Để có thể set số đếm bắt đầu và số đếm kết thúc, trên vi mạch 74LS192 dùng

để set ta luôn cho mức logic thấp vào chân 5 (đếm tiến) thông qua điện trở hạn dòng và nối chân 5 với dương nguồn thông qua công tắc nhấn khi sử dụng công tắc này thì tín hiệu lối ra vi mạch set này sẽ tăng từ 0000 đến 1001