Đồ án số mạch chuyển đổi dữ liệu

Đồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệuĐồ án số mạch chuyển đổi dữ liệu

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây công nghệ vi điện tử phát triển rất mạnh mẽ

Sự ra đời của vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm nhanh Các hệ thốngthiết bị điện tử, mạch điện tử, kỹ thuật điện tử số ra đời đã làm thay đổi sâu sắctoàn bộ hoạt động sản xuất của con người Mạch số, ở những mức độ khác nhau

đã và đang thâm nhập vào tất cả thiết bị điện tử thông dụng và chuyên dụng Với

sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ, kỹ thuật số đã dầndần có mặt ở hầu hết các thiết bị dân dụng cho đến các thiết bị công nghiệp, gópphần vào việc xây dựng và phát triển hệ thống mạng, truyền hình số, viễn thông.Giúp chúng ta giải quyết được khối lượng công việc lớn và độ chính xác caohơn nhiều

Biết được tầm quan trọng và ứng dụng của kỹ thuật điện tử số, chúng tôixin lựa chọn đề tài thiết kế mạch chuyển đổi tín hiệu song song sang nối tiếp.Trong mạch có sử dụng bộ ghi dịch 8 bit để thực hiện chuyển đổi dữ liệu songsong sang nối tiếp

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của giảng viên Th.S Nguyễn Phúc Ngọc đã giúp cho chúng em hoàn thành tốt đồ án này Tuy nhiên

do kiến thức và thời gian có hạn nên đồ án của chúng em không thể tránh khỏinhững sai sót trong quá trình thực hiện và trình bày, vì vậy chúng em rất mong

sự chỉ dạy và giúp đỡ của các thầy cô cùng các bạn để chúng em có thể hoànthiện tốt hơn

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Thắng

PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạch chuyển đổi tín hiệu song song sang nối tiếp là một ứng dụng quantrọng của bộ ghi dịch Mạch có chức năng chuyển các dữ liệu được đưa vàođồng thời cùng một lúc và cho tín hiệu đầu ra tương ứng với các tín hiệu vào

1.1 Sơ đồ khối cơ bản của mạch chuyển đổi dữ liệu

Hình 1.1 Sơ đồ khối mạch chuyển đổi dữ liệu song song sang nối tiếp

c Phân loại

Có nhiều cách phân loại bộ ghi dịch:

- Phân loại theo cách đưa thông tin vào, lấy thông tin ra

+ Vào nối tiếp, ra song song: Thông tin được đưa vào thanh ghi dịch tuần tựtừng bit một, số liệu được đưa ra đồng thời tức là tất cả nFF của thanh ghi dịchđược đọc cùng một lúc

+ Vào song song, ra song song: Thông tin được đưa vào, lấy ra đồng thời.+ Vào nối tiếp, ra nối tiếp: Thông tin được đưa vào, lấy ra từng bit một

+Vào song song, ra nối tiếp: Thông tin được đưa vào đồng thời cả nFF, lấy ratuần tự từng bit một dưới sự điều khiển của xung nhịp.

- Phân loại theo đầu vào

+ Đầu vào đơn: Mỗi FF trong bộ ghi dịch chỉ sử dụngmột đầu vào điều khiển.+ Đầu vào đôi: Các FF trong bộ ghi dịch sử dụng cả hai đầu vào điều khiển ví

dụ hai đầu vào điều khiển của JK-FF hay RS-FF

- Phân loại theo đầu ra :

+ Đầu ra đơn: mỗi FF trong bộ ghi dịch chỉ có một đầu ra Qi ( hoặci)được đưa

Bộ ghi dịch còn được dùng để thiết kế bộ đếm, tạo dãy tín hiệu nhị phân tuầnhoàn theo yêu cầu cho trước

1.3 Khối tạo xung nhịp dùng IC NE 555

a Giới thiệu về IC 555

Hình 1.2 Sơ đồ chân của IC 555

Cấu tạo của IC 555 gồm có 2 Op -Amp khuếch đại thuật toán và một IC nhớRS-FF, mạch Output khuếch đại lối ra tăng dòng cho tải, một Transistor

b Nguyên lý hoạt động của IC 555

Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của 0_A1 và 2/3 VCC vào chân âm của0-A2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S= [1] và FF được kích Khiđiện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF=[1] và FF được Reset

+ Giải thích sự dao động

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF là loại

RS Flip-flop, khi S=[1] thì Q=[0] Sau đó, khi S=[0] thì Q=[1] và Q=[0]

Tóm lại, khi S=[1] thì Q=[1] và khi R=[1] thì Q=[0] bởi vì Q=[1], transistor

mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset

+ Giai đoạn ngõ ra ở mức 1

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0 Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏhơn V1(V+), ngõ ra cua Op-amp ở mức 1 nên S=[1], Q=[1] và Q=[0] Ngõ racủa IC ở mức 1 Khi Q=[0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụtăng Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ racủa Op-amp 1 ở mức 0, S=[0], Q vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơnV2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó

+ Giai đoạn ngõ ra ở mức 0

Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V-=2/3 VCC, R=[1] nên Q=[0]

và Q=[1] Ngõ ra của IC ở mức 0 Vì Q=[1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+Q=[0] bé hơn V- , ngõ ra của Op-amp2 ở mức 0 Vì vậy Q vẫn không đổi giá trị,

tụ C xả điện thông qua transistor

Kết quả ở ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông

c Chức năng của các chân của IC NE555

IC NE555 có 8 chân

+ Chân 1: Nối ra Mass để náy dòng cung cấp cho IC

+ Chân 2: Được dung như chân chốt

+ Chân 3: Lối ra xung nhịp

+ Chân 4: Dùng lập định mức trạng thái ra

+ Chân 5: Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC theo giá trị điện trở Rngoài cho nối Mass Tuy nhiên trong các mạch ứng dụng chân số 5 nối Mass và

1 con tụ từ 10 nF - 100 nF tác dụng lọc bỏ nhiễu cho mức áp chuẩn ổn định.+ Chân 6: Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp và cũng đượcdung như một chân chốt

+ Chân 7: Có thể xem như 1 khóa điện, chịu sự điều khiển của tín hiệu logicchân số 3.

+ Chân 8: Cấp nguồn nuôi cho IC

d Công thức tính các tham số đầu ra của IC NE555

Công thức tính tần số xung nhịp của IC NE555

f = Trong đó:

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

f = tần số dao động (Hz)

, : Giá trị điện trở (Ω)

C : Tụ điện (F)

Với : T = Tm + Ts.

Tm = 0,693 ( + ) C : Thời gian có điện áp mức cao

Ts = 0,693 C : Thời gian có điện áp mức thấp

Từ công thức trên, ta áp dụng để thiết kế mạch tạo dao động có chu kỳ 1s

Ta chọn 2 giá trị và giá trị của tụ C bất kỳ, tiến hành tính thông số của giá trị(lấy giá trị gần đúng ) Chọn: = 1kΩ, C= 100µF

Dựa vào công thức tính chu kỳ xung nhịp cho IC 555 ta thay các giá trị vàocông thức, khi đó ta có biểu thức :

T = = 1 (s) => = 13.103 Ω

=> Ta chọn giá trị cho =10 kΩ

Hình 1.3 Khối tạo xung thiết kế

Led 7 đoạn hay Led 7 thanh là một trong những linh kiện rất thông dụng,được coi là dụng cụ hiển thị đơn giản nhất Trong Led 7 thanh bao gồm 7 conLed mắc lại với nhau, 7 Led đơn được mắc sao cho có thể hiển thị các số từ 0đến 9 và người ta còn dùng 1 Led đơn để hiển thị dấu chấm.Các Led đơn lầnlượt đặt tên theo chữ cái: a, b, c, d, e, f, g và dấu chấm.

Led 7 đoạn có 2 loại:

+ Chân Anode chung (chân dương các Led được mắc nối với nhau)

+ Chân Cathode chung (chân âm các Led được mắc nối với nhau)

1.5 Điện trở

Hình 1.4 Điện trở

Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở dòng điện và điện áp, làđại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể dẫnđiện Nó được định nghĩa là tỷ số giữa điện áp giữa hai đầu vật thể và dòng điện

đi qua vật thể đó và được xác định bằng công thức:

R = Trong đó:

+U là điện áp hai đầu của vật dẫn điện, đơn vị là V (volt).+I là dòng điện chạy qua vật dẫn điện, đơn vị là A (ampe).+R là điện trở của vật dẫn điễn, đơn vị là Ω (omh)

PHẦN II : THIẾT KẾ, LẮP RÁP VÀ KHẢO SÁT MẠCH 2.1 Khối ghi dịch

Các tín hiệu sẽ lần lượt được đưa vào các chân I0 đến I7 Tín hiệu ở lối rađược chọn thông qua 3 chân giải mã S1, S2, S3 Các tín hiệu được lựa chọn lầnlượt theo thứ tự được cho trong bảng chân lý

=> Từ đó ta đưa ra được bảng chân lí của khối ghi dịch:

Bảng 2.1 Bảng chân lý khối giải mã

Từ phương trình trạng thái ta xây dựng được sơ đồ logic:

Hình 2.1 Sơ đồ logic khối ghi dịch

=> Từ sơ đồ logic chúng tôi xin lựa chọn IC 74151 để thực hiện chức năngtrong khối ghi dịch

Cơ sở lí thuyết của IC 74151

Hình 2.2 Sơ đồ chân và cấu tạo IC 74151

Hình 2.3 Sơ đồ logic IC 74151

IC 74151 là IC giải mã lối vào, giúp giảm bớt số lượng chân vi điều khiển

mà vẫn có thể đọc được rất nhiều lối vào

74151 có 8 ngõ vào dữ liệu, 1 ngõ vào cho phép G tác động ở mức thấp, 3ngõ vào chọn C B A, ngõ ra Y còn có ngõ đảo của nó Khi G ở mức thấp nó

cho phép hoạt động ghép kênh mã chọn C B A sẽ quyết định 1 trong 8 đường dữliệu được đưa ra ngõ Y Ngược lại khi G ở mức cao, mạch không được phép chonên Y = 0 bất chấp các ngõ chọn và ngõ vào dữ liệu.

2.2 Giải mã Led 7 đoạn

Từ bảng trạng thái trên ta biểu diễn bìa Karnaugh cho các hàm tương ứngvới các chân của Led 7 đoạn gồm a, b, c, d, e, f, g với trường hợp hàm khôngxác định

a) b)

c) d)

=> Từ sơ đồ logic, chọn IC 7447 để thực hiện chức năng giải mã.

Cơ sở lí thuyết của IC 7447

- Chức năng các chân của IC 7447

+ Chân số 8 là chân nối đất (0V)

+ Chân số 16 là chân nguồn cung cấp

+ Chân 1, 2, 6, 7 là các chân tín hiệu vào BCD

+ Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 là các chân đầu ra

+ Chân 3, 4, 5 là các chân kiểm tra IC

- Nguyên lý hoạt động:

IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 là

sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anode chung,

trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10 đến 15

không được dùng tới)

Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bìnhthường Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái ngõ ra

Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0

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 xoá gợn sóng RBO xuống mức thấp

Hình 2.5 Sơ đồ chân IC 7447.

Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng.Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0 đến 15 đèn ledhiển thị lên các số như ở hình bên dưới Khi mã số nhị phân vào là 1111= 1510thì đèn led tắt

Hình 2.6 Sơ đồ logic IC 7447

000 001 010

101 110

Bảng 2.3 Bảng trạng thái của bộ đếm mod 8 dùng FF J-K

Chuyển tiếp trạng thái ngõ ra

Các ngõ vào FFTrạng thái hiện tại Trạng thái kế tiếp

Ta có đồ hình trạng thái của bộ đếm mod 8

Từ đồ hình trạng thái ta xây dựng bìa Karnaugh cho các trigger

Tiến hành đồng nhất các hệ số của phương trình trạng thái và phương trìnhđặc trưng của trigger J - K, ta tìm được các phương trình đầu vào điểu khiển.

Cơ sở lí thuyết của IC 74LS192

- Chức năng các chân

1 CPU(5): Xung vào đếm thuận

2 CPD(4): Xung vào đếm nghịch

3 MR(14): Xoá xung không đồng bộ nhập vào

4 PL(11): Song song không đồng bộ

5 Pn (1, 9, 10, 15):Đầu vào song song dữ liệu

6 Qn(2, 3, 6, 7):Đầu ra của dữ liệu

7 TCD(13): Sự đếm xuống của xung đầu ra

8 TCU(12): sự đếm lên của xung đầu vào

9 Vcc(16): Cấp nguồn

10 GND(8): Nối đất

Hình 2.8 Cấu trúc bên trong IC74LS192.

- Nguyên tắc hoạt động

Là bộ đếm BCD thuận nghịch lập trình được, 74LS192 là bộ đếm Mod 10nhưng ta có thể đấu nối các cách khác nhau để đếm được các Mod khác: Mod 2,Mod 3, Mod 5,…Hoạt động của 74LS192 được mô tả trong bảng 2.4

Bảng 2.4 Hoạt động của IC 74LS192

1 x x X x x x x 0 0 0 0 1 1

0 x x 0 x x x x 1 1

0 1 1 x x x x Đếm lùi 0 *

0 1 1 x x x x Đếm tiến * 0Trong đó:

* có thể là mức thấp hoặc mức cao ( nhưng xác định được)

- Khi chân ML ở mức cao các lối ra nhị phân sẽ reset về mức thấp

- Khi chân ML ở mức thấp bộ đếm sẽ thực hiện các chức năng sau:

+ Nếu chân PL ở mức thấp thì bộ đếm đặt dữ liệu cho các lối ra , , , bằngchính dữ liệu của các lối vào , ,,

+ Nếu chân CPU có xung vuông tác động vào, đồng thời các chân CPU và

PL ở mức cao thì bộ đếm thực hiện đếm tiến Khi đếm đến 9 nó lại quay vềtrạng thái 0 ban đầu, lúc này chân TCU từ mức thấp chuyển sang mức cao và lặplại một chu kỳ mới

- Nếu chân CPD có xung vuông tác động vào, đồng thời các chân CPU và

PL ở mức cao thì bộ đếm thực hiện đếm lùi Khi đếm đến o nó lại quay về trạngthái 9, lúc này chân TCU từ mức thấp chuyển sang mức cao và lặp lại một chu

kỳ mới

2.4 Sơ đồ nguyên lý

Dựa vào sơ đồ khối chúng em đưa ra được sơ đồ nguyên lý như hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi dữ liệu song song sang nối tiếp.

2.5 Thi công mạch

Bước 1: Vẽ sơ đồ nguyên lý bằng phần mềm Proteus

Bước 2: Từ sơ đồ nguyên lý của mạch đã đưa ra được, thực hiện lắp ráptrên bo test thử kiểm tra xem mạch hoạt động ổn định chưa

Bước 3: Sau khi kiểm tra mạch đã hoạt động ổn định thực hiện thiết kế mạchin

Bước 4: In sơ đồ mạch in lên giấy đề can

Bước 5: Thực hiện là mạch cẩn thận trên bo đồng đã chuẩn bị sẵn sau đótiến hành ăn mòn bo đồng

Bước 6: Khoan các mũi khoan lỗ các chân linh kiện trên bo đồng

Bước 7: Tiến hành lắp ráp linh kiện vào bo mạch, dựa trên sơ đồ nguyên lý.Bước 9: Sử dụng hàn để hàn mạch

Bước 10: Sau khi hoàn thành kiểm tra mạch lại một lần nữa và đưa ra sảnphẩm thực tế

Hình 2.10 Mạch in không có linh kiện

Hình 2.11 Mạch in có linh kiện.

2.6 Khảo sát

Với mạch được thi công, mạch chạy đúng với các giá trị đầu vào sử dụngcông tắc disp8 Tín hiệu ra được thể hiện bởi 1 Led đơn Mạch chạy khá ổnđịnh

Hình 2.12 Mạch sau khi hoàn thiện

KẾT LUẬN

Trong quá trình thực hiện chúng em đã biết tự thiết kế mạch nguyên lý, môphỏng các mạch điện tửcơ bản tới nâng cao Tuy mới đầu còn nhiều bỡ ngỡnhưng qua thời gian tìm hiểu thì chúng em cũng đã làm quen và từng bước hoànthiện được sản phẩm như yêu cầu đề ra Cũng từ đây mà chúng em cũng đã cóthể tự mình thiết kế được các mạch điện tử khá đơn giản, thi công và thiết kếchúng trở thành các mạch điện tử thực sự phục vụ cho cuộc sống, cho bản thân,gia đình, và còn nhiều ứng dụng quan trọng của chúng trong thực tế…

Mạch chuyển đổi tín hiệu nối tiếp sang tín hiệu song song và ngược lại làmột mạch điện có ứng dụng rất quan trọng và không thể thiếu trong các mạchđiện tử từ những mạch cơ bản tới nâng cao Tuy còn có những hạn chế trongviệc thiết kế sản phẩm, nhưng sau học phần này chúng em cũng sẽ tiếp tục mởrộng nghiên cứu, tìm tòi thêm để có thể phát hiện nhiều hơn nữa những ứngdụng thực tế của sản phẩm Đồ án này chúng em được áp dụng lý thuyết vàothực tế Giúp chúng em tìm hiểu cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động, ứngdụng thực tiễn của mạch sử dụng IC số…

Để có thể hoàn thành học phần đồ án số này nhóm chúng em xin cảm ơn sựhướng dẫn tận tình của thầy Ths Nguyễn Phúc Ngọc đã giúp đỡ, tạo mọi điềukiện tốt nhất để để em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Kỹ thuật số, Nguyễn Thuý Vân, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 1997 [2] Bài giảng kỹ thuật mạch điện tử, Trường ĐH KTCN Thái Nguyên.

[3] http://tusach.thuvienkhoahoc.com truy cập lần cuối ngày 28/03/2016

[4] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/7831/NSC/74151.html