Giáo trình thí nghiệm Điện Tử Số TN DTS

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ SỐ HÀ NỘI – 2016 HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BỘ MÔN KỸ THUẬT VI XỬ LÝ – KHOA VƠ TUYẾN ĐIỆN TỬ THÍ NGHIỆM ĐIỆN TỬ SỐ (Dùng cho hệ đào tạo đại học, cao đẳng liên thông, văn 2) LƯU HÀNH NỘI BỘ HÀ NỘI – 2016 Quyết định Hội đồng số 3810 / QĐ-HV ngày 25 tháng 10 năm 2016 HỘI ĐỒNG THẨM ĐỊNH: Đại tá, PGS TS Đỗ Quốc Trinh Thiếu tá, ThS Duơng Quang Mạnh Thượng tá, ThS Nguyễn Hoài Anh Thiếu tá, TS Lê Đình Thành Đại tá, TS Nguyễn Hải Duơng Chủ tịch Thư ký Ủy viên, Phản biện Ủy viên, Phản biện Ủy viên, Hiệu đính TÁC GIẢ: Chủ biên: Thuợng úy, ThS Nguyễn Đình Tuấn Tham gia: Thiếu tá, TS Hoàng Văn Phúc Thiếu tá, ThS Trịnh Quang Kiên Đại úy, KS Nguyễn Văn Tình Thuợng úy, ThS Đào Văn Lân (Bài 7) (Bài 4) (Bài 1) (Phụ lục A) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Bài LÀM QUEN VỚI PHẦN MỀM PROTEUS 1.1 Mục đích, yêu cầu 1.2 Tóm tắt thuyết 1.3 Nội dung thí nghiệm 17 1.4 Trình tự thí nghiệm .17 1.5 Báo cáo thí nghiệm .21 Bài LÀM QUEN VỚI PANEL THÍ NGHIỆM .22 2.1 Mục đích, yêu cầu 22 2.2 Tóm tắt thuyết 22 2.3 Nội dung thí nghiệm 37 2.4 Trình tự thí nghiệm .38 2.5 Báo cáo thí nghiệm .42 Bài KHẢO SÁT IC CỔNG LOGIC VÀ GIẢI MÃ NHỊ PHÂN 43 3.1 Mục đích, yêu cầu 43 3.2 Tóm tắt thuyết 43 3.3 Nội dung thí nghiệm 48 3.4 Trình tự thí nghiệm .48 3.5 Báo cáo thí nghiệm .56 Bài KHẢO SÁT CÁC IC MẠCH TỔ HỢP 59 4.1 Mục đích, yêu cầu 59 4.2 Tóm tắt thuyết 59 4.3 Nội dung thí nghiệm 62 4.4 Trình tự thí nghiệm .63 4.5 Báo cáo thí nghiệm .69 Bài KHẢO SÁT IC MẠCH TUẦN TỰ 72 5.1 Mục đích, yêu cầu 72 5.2 Tóm tắt thuyết 72 5.3 Nội dung thí nghiệm 75 5.4 Trình tự thí nghiệm .76 5.5 Báo cáo thí nghiệm .85 Bài ỨNG DỤNG CÁC IC ĐẾM, IC THANH GHI .88 6.1 Mục đích, yêu cầu 88 6.2 Tóm tắt thuyết 88 6.3 Nội dung thí nghiệm 92 6.4 Trình tự thí nghiệm .93 6.5 Báo cáo thí nghiệm .99 Bài MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HDL TRÊN PHẦN MỀM MODELSIM 102 7.1 Mục đích, yêu cầu 102 7.2 Tóm tắt thuyết 102 7.3 Nội dung thí nghiệm 104 7.4 Trình tự thí nghiệm 104 7.5 Báo cáo thí nghiệm 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .117 PHỤ LỤC 118 CHỮ VIẾT TẮT CL Clear Chân xóa EI Enable Input Chân cho phép đầu vào hoạt động EO Enable Output Chân cho phép đầu hoạt động H High Mức logic cao – mức ‘1’ IC Integrated Circuit Vi mạch tích hợp KP Keypad Phím bấm L Low Mức logic thấp – mức ‘0’ LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang NBCD Normal Binary-coded Decimal Mã BCD thuờng – BCD8421 PR Preset Chân thiết lập mức logic tích cực RES Resistance Điện trở SW Switch Chuyển mức logic 0/1 VIH Vottage Input High VIL Vottage Input Low VOH Vottage Output High VOL Vottage Output Low Điện áp đầu vào thấp đuợc cổng logic coi mức logic cao Điện áp đầu vào cao đuợc cổng logic coi mức logic thấp Điện áp đầu thấp đuợc cổng logic coi mức logic cao Điện áp đầu cao đuợc cổng logic coi mức logic thấp LỜI NÓI ĐẦU Cùng với tiến khoa học công nghệ, thiết bị điện tử tiếp tục ứng dụng ngày rộng rãi mang lại hiệu cao hầu hết lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật, đời sống xã hội Việc xử lý tín hiệu thiết bị điện tử đại dựa sở nguyên lý số Bởi việc hiểu sâu sắc điện tử số điều thiếu kỹ sư điện tử Nhu cầu hiểu biết kỹ thuật số riêng kỹ sư điện tử mà nhiều cán kỹ thuật chuyên ngành khác có sử dụng thiết bị điện tử Tài liệu “Thí nghiệm điện tử số” trang bị lý thuyết lẫn thực hành kiến thức giúp người học hiểu sâu sắc mơn học Điện tử số Các thí nghiệm thực máy tính (mơ phần mềm Proteus, ModelSim) Mạch thí nghiệm, nhằm mục đích mô chức IC (Integrated Circuits) mạch tổ hợp, mạch sử dụng IC Đặc biệt tài liệu có bổ sung thêm phần logic lập trình ngơn ngữ mô tả phần cứng VHDL Tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Hải Dương thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Vi xử lý có ý kiến đóng góp quý báu cho việc hoàn thiện tài liệu Tác giả mong ý kiến đóng góp bạn đọc, đặc biệt thầy hướng dẫn thí nghiệm bạn sinh viên, người trực tiếp tiến hành thí nghiệm, để tài liệu hồn thiện Mọi ý kiến đóng góp gửi Bộ môn Kỹ thuật Vi xử lý – Học viện KTQS, vào hòm thư điện tử: bomonvixuly@gmail.com Các tác giả b IC 74LS165 IC 74LS165 thực chức ghi dịch bit - Sơ đồ chân Hình A.24 IC 74LS165 - Bảng chân lý Đầu nối tiếp Đầu vào SH / LD CLK INH CLK SER L H H H H X L L L H X L ↑ ↑ X X X H L X Song song A…H A…H X X X X 154 Đầu QA QB QH A QA0 H L QA0 B QB0 QAn QAn QB0 H QH0 QGn QGn QH0 c) IC ghi dịch74LS194 - Sơ đồ chân Hình A.25 IC 74LS194 - Bảng chân lý Đầu vào Đầu Điều Nối tiếp Song song Xung Xóa khiển QA QB QC QD S1 S0 đồng hồ Trái Phải A B C D L X X X X X X X X X L L L L H X X L X X X X X X QA0 QB0 QC0 QD0 H H H ↑ X X A B C D A B C D H L H ↑ X H X X X X H QAn QBn QCn H L H ↑ X L X X X X L QAn QBn QCn H H L ↑ H X X X X X QBn QCn QDn H H H L ↑ L X X X X X QBn QCn QDn L H L L X X X X X X X QA0 QB0 QC0 QD0 A, B, C, D: Mức tín hiệu trạng thái thiết lập ban đầu tương ứng với đầu vào A, B, C, D QA0, QB0, QC0, QD0: Các mức tín hiệu QA, QB, QC, QD tương ứng trước thiết lập trạng thái cho đầu vào QAn, QBn , QCn , QDn: Các mức tín hiệu Q A, QB, QC, QD tương ứng trước có ảnh hưởng xung đồng hồ 155 d) IC ghi dịch 74LS595 - Sơ đồ chân Hình A.26 IC 74LS595 - Bảng chân lý Đầu vào SER SRCLK X X X L X X X ↑ Tính SRCLR RCLK OE X X L X X X H L X Các đầu QA - QH bị ngắt Các đầu QA-QH kích hoạt Xóa ghi X Ơ nhớ đầu ghi xóa mức thấp, cịn lại lưu liệu ô trước tương ứng H X H ↑ H X X X X X ↑ X Ô nhớ đầu ghi đặt mức cao, cịn lại lưu liệu trước tương ứng Dữ liệu ghi dịch lưu ghi PHỤ LỤC B HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM PROTEUS 7.8 Proteus tổ hợp phần mềm phát triển công ty Lab Center Eletronics, hai công cụ phần mềm gồm có: 156 - ISIS Schematic Capture: dùng để vẽ mạch nguyên lý mô hoạt động mạch máy tính ISIS hỗ trợ thư viện đầy đủ IC linh kiện điện tử số điện tử tương tự, công cụ cần thiết cho việc mơ kiểm tra thiết kế Chương trình dùng để thiết kế sơ đồ nguyên lý mô mạch số tương tự, sở sở chuyển thành mạch in - ARES PCB layout: dùng để thiết kế mạch in sở sơ đồ nguyên lý thiết kế, chương trình hỗ trợ cơng cụ để vẽ mạch in kiểm tra trước xuất định dạng cần thiết cho trình thiết kế mạch B.1 Tổng quan giao diện, chức thành phần phần mềm Proteus 7.8 Với mục đích mơ kiểm tra chức mạch số, mạch tương tự, ta sử dụng cơng cụ Schematic Capture (ISIS) có biểu tượng giao diện Schematic Capture xuất sau: Khi đó, Hình B.1 Giao diện Schematic Capture B.1.1 Thanh menu Thanh menu bao gồm menu phần mềm khác File, edit, View, Tool, Design, Graph, Debug, Library, Template, System, Help cho 157 phép người dùng thực hầu hết lệnh ISIS (trừ lệnh công cụ) B.1.2 Thanh tác vụ Thanh tác vụ chứa số lệnh thông dụng dạng shortcut New, Open, save, số nút chức bảng Bảng B.1 Chức tác vụ Biểu tượng Chức Các công cụ chuẩn để tạo project mới, mở, lưu project đóng project Các lệnh tương ứng chuyển trang chủ; dùng ISIS để thiết kế mạch nguyên lý, mô thiết kế; ARES để thiết kế mạch in; Xem mơ hình 3D thiết kế; xem gerber xuất; xuất linh kiện mạch thiết kế; soạn thảo mã nguồn tổng quan phần mềm Proteus Các lệnh tương ứng chức làm tươi thiết kế; bật tắt lưới; chọn gốc tọa độ; cơng cụ phóng to, thu nhỏ, xem toàn mạch thiết kế Undo redo Cắt, chép dán Các lệnh tác động lên đối tượng chọn từ trước Các công cụ chỉnh sửa tạo thư viện linh kiện Các lệnh tương ứng bật tắt dây tự động sơ đồ nguyên lý; tìm kiếm linh kiện; chỉnh sửa thuộc tính chung; tạo trang thiết kế mới; xóa trang thiết kế kiểm tra lỗi thiết kế theo quy tắc đặt B.1.3 Vùng hiển thị Vùng hiển nhằm hiển thị biểu tượng linh kiện, thiết bị vùng chọn hiển thị vùng thiết kế Trên hình B-2 ví dụ hiển thị biểu tượng GND 158 Hình B.2 Vùng hiển thị B.1.4 Các nút điều khiển mô Các nút điều khiển mô để chọn chế độ mô theo ý đồ người thiết kế Hình B.3 Các nút điều khiển mơ B.1.5 Vùng làm việc thiết kế Vùng dùng để thao tác hoàn thiện thiết kế cho ứng dụng khác vẽ sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in, B.1.6 Thanh công cụ 159 Thanh công cụ chứa lệnh giúp cho người thiết kế thực thao tác theo ý đồ thiết kế nhanh thuận tiện Chức lệnh tương ứng thể hình B.4 Hình B.4 Thanh cơng cụ phần mềm Proteus B.1.7 Vùng lựa chọn Vùng lựa chọn dùng để lựa chọn thiết bị tương ứng với cơng cụ tương ứng phần 2.4 Hình B-5 thể ví dụ lựa chọn điểm đất (GND) cơng cụ chứa kết nối đầu cuối, nguồn 160 Hình B.5 Vùng lựa chọn công cụ B.2 Hướng dẫn số công cụ, chức dành cho mô B.2.1 Một số thao tác vùng làm việc Chọn đối tượng nhiều đối tượng ta dùng chuột trái để kéo rê chọn Xóa đối tượng cách kích đúp chuột phải vào đối tượng Kéo rê chuột để phóng to thu nhỏ đối tượng dùng phím F6 để phóng to, F7 để thu nhỏ phím F8 để xem tồn thiết kế Để di chuyển linh kiện nhóm linh kiện, ta dùng chuột trái để chọn sau kéo rê chuột trái để đưa linh kiện đến vị trí mong muốn B.2.2 Lấy linh kiện từ thư viện nối dây mạch nguyên lý Khi vẽ sơ đồ nguyên lý mạch thực mô ta phải lấy linh kiện cần dùng từ thư viện, đưa vào vùng lựa chọn, sau lấy để vẽ mạch Để làm việc này, ta thực theo thứ tự bước hình B-6 Bước 1: Kích chuột trái vào biểu tưởng số hình B-6 Bước 2: Kích chuột trái vào biểu tượng ô số hình B-6 để lựa chọn linh kiện thư viện Bước 3: Gõ tên linh kiện cần dùng vào số Ơ số thể danh mục thư viện linh kiện, thư viện có nhiều thư viện thể ô số 161 hãng sản xuất ô số Ô số liệt kê linh kiện liên quan đến từ khóa nhập vào từ ô số cho phép người thiết kế lựa chọn linh kiện phù hợp Từ ô số 5, ta chọn linh kiện thích hợp kích chuột trái vào tên linh kiện, biểu tượng linh kiện sơ đồ chân mạch in (footprint) hiển thị ô số số tương ứng Bước 4: Lấy linh kiện từ thư viện đưa vùng lựa chọn cách từ bước 3, số 5, kích đúp chuột trái vào linh kiện cần dùng Lặp lặp lại bước 3, chọn xong linh kiện kích chuột trái chọn OK Hình B.6 Lấy linh kiện thư viện Sau chọn xong linh kiện, quan sát vùng lựa chọn ta thấy linh kiện vừa chọn nằm vùng hình B-7 162 Hình B.7 Vùng chứa linh kiện lựa chọn Để đưa linh kiện từ vùng lựa chọn vào vùng thiết kế chính, ta dùng chuột trái kích chọn linh kiện vùng này, sau đó, vùng thiết kế ta kích chuột trái, biểu tượng linh kiện thay trỏ chuột, ta di chuyển linh kiện đến vị trí mong muốn đặt linh kiện cách kích chuột trái, bỏ kích chuột phải Để nối dây hai linh kiện vùng thiết kế chính, ta di chuyển chuột đến chân linh kiện thứ đến xuất hiển điểm dấu màu đỏ kích chuột trái, dây nối tự động kết nối chân này, kéo chuột trái đến chân linh kiện thứ cần kết nối xuất điểm dấu màu đỏ, kích chuột trái dây nối nối với chân linh kiện thứ Cứ vậy, ta kết nối linh kiện theo mục đích thiết kế đặt B.2.3 Giới thiệu số công cụ dùng phát tín hiệu đo kiểm tham số Một số thiết bị phát tín hiệu chuẩn lấy từ thành công cụ nhằm phục cho cho việc mô phỏng, tạo tín hiệu chuẩn cho đầu vào khối chức để kiểm tra hoạt động khối chức Trên thực tế tín hiệu đầu vào khối chức thiết kế lấy từ khối khác đưa đến Để lấy thiết bị phát tín hiệu chuẩn, ta chọn bước theo thứ tự hình B-8 163 Hình B.8 Lấy thiết bị phát tín hiệu chuẩn Trên hình B-8, bước ta kích chuột trái vào số chứa máy phát tín hiệu chuẩn liệt kê số Tại ô số 2, ta lựa chọn máy phát tín hiệu chuẩn theo mục đích thiết kế Một số máy phát tín hiệu chuẩn thơng dụng tạo điện áp chiều DC; tạo dãy xung vuông DCLOCK, Ngoài ra, để tiến hành đo kiểm thông số mạch ta cần số thiết bị đo đầu dò điện áp, dòng điện cơng cụ kích chuột trái số hình 18 Và osilocope, terminal, kích chuột trái số hình 19 Một số thiết bị đo thông dụng OSILOCOPE để đo chu kỳ, biên độ tín hiệu dạng sóng, cho phép quan sát, đánh giá trực quan; VIRTUAL TERMINAL cho phep kiểm tra giao giao thức RS232 vi điều khiển máy tính; DC VOLTMETER, DC AMMETER, AC VOLTMETER, AC AMMETER cho phép đo điện áp, dòng điện chiều xoay chiều; khối kiểm tra giao thức SPI, I2C vi điều khiển với thiết bị khác SPI DEBUGGER, I2C DEBUGGER 164 Hình B.9 Đo kiểm tra thông số linh kiện Trên hướng dẫn giúp cho người học nắm điểm cho phép tiếp cận dùng phần mềm Proteus dễ dàng Ngoài ra, cịn nhiều tính khác phần mềm Proteus tìm hiểu thơng qua tài liệu hướng dẫn hãng cung cấp phần mềm 165 Phụ lục C THIẾT KẾ MỘT SỐ MẠCH SỐ PHỨC TẠP C.1 MẠCH ĐẾM THUẬN NGHỊCH 00 – 90 - 00 C.1.1 Yêu cầu giải pháp a Yêu cầu toán Xây dựng đếm thuận nghịch từ 00 đến 90 ngược lại Bộ đếm sử dụng để đếm sản phẩm, đếm người qua lại, đếm thời gian cho mạch b Giải pháp thực Mạch đếm sử dụng linh kiện sau : - 02 đèn LED loại Anod chung - 02 IC giải mã BCD 74LS47 - 01 IC giải mã 74LS138 - 02 IC đếm xung đồng thập phân mã BCD 74192 - 01 phần tử nhớ RS-FF - 01 IC NE555, điện trở, tụ 100uF-16V - Nguồn 5V C.1.2 Sơ đồ nguyên lý 166 Hình C.1 Mạch đếm thuận nghịch 00-90-00 C.2 ĐỒNG HỒ 24H C.2.1 Yêu cầu giải pháp a Yêu cầu toán Yêu cầu hệ thống đồng hồ điện tử thiết kế : - Hiển thị giây – phút - LED - Mạch hiển thị không hiển thị số - Có thể đạt lại giá trị cho phút - Nguồn cấp +5V b Giải pháp thực Chế độ hiển thị phải có đủ giờ, phút, giây nên mạch thiết kế sử dụng linh kiện sau: - 06 LED loại Anod chung - 06 ICgiải mã BCD 74LS47 - 06 IC đếm xung thập phân 74LS90 - 01 IC NE555, điện trở, tụ 100uF-16V - Nguồn 5V C.2.2 Sơ đồ nguyên lý 167 Hình C.2 Mạch đếm thuận nghịch 00-90-00 168 ... quan mạch thí nghiệm điện tử số Hình 2.2 Mạch thí nghiệm Điện tử số 25 Hình 2.3 Panel thí nghiệm Điện tử số Mạch thí nghiệm điện tử số gắn giá cấp nguồn tạo thành Panel thí nghiệm điện tử số Các... IC panel thí nghiệm điện tử số 2.1.2 Yêu cầu a Phương tiện, dụng cụ thí nghiệm - Máy vi tính có cài đặt phần mềm Proteus - Panel thí nghiệm Điện tử số - Đồng hồ vạn năng, hộp IC thí nghiệm, dây... lại kết thí nghiệm thu phần 1.5 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Bài thực hành làm quen với phần mềm Proteus hai điều kiện mơn thí nghiệm điện tử số Sinh viên tiến hành thí nghiệm nhà, phịng thí nghiệm Giáo viên