Hôm nay chúng em rất vinh dự được nhận đề tài “Thiết kế mạch đồng hồ sử dụng IC555 và 74LS190 ( mạch dung để hiển thị thời gian hh:mm:ss theo chế độ 24h) ” với những gì chúng em đã được thầy cô giảng dậy kết hợp với sự tìm hiểu , chúng em hi vọng và sẽ cố gắng hết sức có thể để hoàn thành đề tài một cách tốt nhất có thể. Chắc chắn trong quá trình làm bài sẽ không thể tránh khỏi những sơ suất , rất mong được thầy cô chỉ dạy them. Em xin trân thành cảm ơn !
MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG - TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH TỔ HỢP MẠCH DÃY VÀ MẠCH DAO ĐỘNG 1.1 MẠCH TỔ HỢP : .5 1.1.1 Mơ hình tốn học mạch tổ hợp: .5 1.1.2 Mạch chuyển đổi mã, giải mã .7 1.2 MẠCH DÃY 15 1.2.1 Các mạch lật thường dùng 15 1.2.2 Thanh ghi ghi dịch .17 1.2.3 Bộ đếm 18 1.3 MẠCH DAO ĐỘNG 21 1.3.1 Điều kiện dao động .21 1.3.2 Mạch dao động dùng cầu viên 22 1.3.3 Mạch tạo xung 25 CHƯƠNG - THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ 32 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI 32 2.2 TÍNH CHỌN CÁC KHỐI 32 2.2.1 Khối tạo xung .32 2.2.2 Khối đếm 33 2.2.3 Khối giải mã .36 2.2.4 Khối hiển thị .38 2.2.5 Khối so sánh .39 2.2.6 Khối điểu khiển 40 2.2.7 Linh kiện phụ 41 CHƯƠNG - XÂY DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 42 3.1 MƠ PHỎNG QUA PROTEUS 42 3.2 MẠCH LAYOUT 43 3.3 MẠCH 3D 43 CHƯƠNG - PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ .44 4.1 Phân tích hoạt động mạch đồng hồ số 44 4.2 Nhận xét 50 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1:Mơ hình tổng qt Hình 1.2: Khối mã hóa sang .8 Hình 1.3: Sơ đồ logic mạch mã hóa sang Hình 1.4: Sơ đồ khối mạch mã hóa 10 sang 10 Hình 1.5:Mạch logic mã hóa 10 sang 11 Hình 1.6: sơ đồ khối mạch giải mã sang 12 Hình 1.7: Sơ đồ logic giải mã sang8 13 Hình 1.8: Ứng dụng mạch cộng 13 Hình 1.9: Mạch giải mã BCD 15 Hình 1.10: Ký hiệu mạch lật kiểu D .16 Hình 1.11: Ký hiệu mạch lật JK .16 Hình 1.12: Sơ đồ ghi nhận liệu song song dài bit 17 Hình 1.13: Sơ đồ ghi dịch nhận liệu nối tiếp dài bit 18 Hình 1.14: Sơ đồ đếm thuận nhị phân đồng bit 19 Hình 1.15: Giản đồ thời gian đếm thuận nhị phân đồng bit 19 Hình 1.16: Sơ đồ đếm thuận thập phân đồng .20 Hình 1.17: Mạch cầu viên .22 Hình 1.18: Bộ dao động dùng cầu Viên 24 Hình 1.19: Mạch tạo xung dùng IC555 25 Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý IC555 26 Hình 1.21: Dạng sóng điện áp tụ C cửa mạch tạo xung IC 555 27 Hình 1.22: Mạch tạo xung vuông đối xứng dùng IC 555 28 Hình 1.23:Mạch tạo xung với khuếch đại thuật toán .28 Hình 1.24:Dạng sóng điện áp ngõ vi sai mạch tạo xung dùng KĐTT .30 Hình 1.25: Mạch tạo xung vng tam giác với KĐTT .30 Hình 2.1:IC 555 .33 Hình 2.2:: Sơ đồ chân IC 555 33 Hình 2.3: IC 74LS190 .34 Hình 2.4: Sơ đồ chân IC 74LS190 34 Hình 2.5: Sơ đồ trạnh thái đếm .35 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch .35 Hình 2.7: IC 74LS247 .36 Hình 2.8: Sơ đồ chân ic 74LS247 37 Hình 2.9:Sơ đồ nguyên lý giải mã IC 74LS247 .37 Hình 2.10: Cấu trúc chân dạng led đoạn 39 Hình 2.11:Led đoạn loại anode chung cathod chung với mạch thúc giải mã .39 Hình 2.12: IC 74HC00 40 Hình 2.13: Sơ đồ logic (một cổng) 40 Hình 2.14: Sơ đồ chân .40 Hình 2.15: Khối điều khiển .41 Hình 2.16: Nút ấn 41 Hình 3.1: Các linh kiên cần có 42 Hình 3.2: Mạch vẽ proteus 42 Hình 3.3: Mạch layout .43 Hình 3.4: Mạch 3D 43 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng chân lý mạch mã hóa sang Bảng 1.2: Bảng chân lý mạch mã hóa 10 sang 10 Bảng 1.3: Bảng chân lý mạch giải mã sang 12 Bảng 1.4: Bảng giải mã BCD 14 Bảng 1.5: Bảng chân lý mạch lật kiểu D 16 Bảng 1.6: Bảng chân lý mạch lật kiểu JK .16 Bảng 1.7: Bảng tính tốn đếm thập phân dồng với mã BCD 8421 .20 Bảng 2.1: Bảng chân lý giải mã ic 74LS247 38 Bảng 2.2: Bảng ký hiệu chân ic 74HC00 .40 LỜI NÓI ĐẦU Trong cách mạng công nghệ 4.0 , điện tử tự động hóa, hay ngành cơng nghiệp nói chung nhu cầu thiết yếu với đời sống chúng ta, tất lĩnh vực sống để rút ngắn thời gian , nâng cao chất lượng, cải thiện sống đáp ứng nhu cầu người bước phát triển đất nước hội nhập kinh tế toàn cầu Tầm quan trọng tự động hóa điện-điện tử nói riêng hay chuyên ngành kỹ thuật nói chung khơng thể phủ nhận, ln với môn học quan trọng giúp cho sinh viên ngành kỹ thuật phát triển nhanh chóng ,đưa ngành công nghiệp nước ta ngày lớn mạnh Giáo trình mơn học Vi mạch tương tự vi mạch số tập thể Bộ môn Đo lường Điều khiển, Khoa Điện, Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội biên soạn tài liệu quan trọng giúp sinh viên cán kỹ thuật hoạt động điều kiện phát triển nhanh chóng qua trình tự động hóa ngành cơng nghiệp Vi mạch tương tự điều khơng thể thiếu qua trình phát triển ngành công nghiệp Hôm chúng em vinh dự nhận đề tài “Thiết kế mạch đồng hồ sử dụng IC555 74LS190 ( mạch dung để hiển thị thời gian hh:mm:ss theo chế độ 24h) ” với chúng em thầy giảng dậy kết hợp với tìm hiểu , chúng em hi vọng cố gắng để hồn thành đề tài cách tốt Chắc chắn q trình làm tránh khỏi sơ suất , mong thầy cô dạy them Em xin trân thành cảm ơn ! CHƯƠNG - TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH TỔ HỢP MẠCH DÃY VÀ MẠCH DAO ĐỘNG 1.1 MẠCH TỔ HỢP : 1.1.1 Mô hình tốn học mạch tổ hợp: - Mạch tổ hợp mạch mà trạng thái đầu mạch phụ thuộc tổ hợp trạng thái đầu vào thời điểm mà không phụ thuộc vào thời điểm trước - Mạch tổ hợp thường có nhiều tín hiệu đầu vào (x1 ,x2 ,x3…) nhiều tín hiệu đầu (y1 ,y2 ,y3 …) Một cách tổng qt biểu diễn theo mơ hình tốn học sau: Với: y1 =f(x1 ,x2 ,…,xn ) y2thể =f(x1 ,…,xn Cũng có trình,x2 bày ) dạng vector sau: Y =F(X) Phân tích mạch tổ hợp: Từ yêuym cầu=f(x1 nhiệm,x2 vụ, cho …,xn ) vấn đề logic, biến thành ta để tìm bảng Hình chức1.1:Mơ hình bảng tổng chân qt lý - Được thực theo bước sau: Phân tích yêu cầu : ♦ Xác định biến đầu vào ♦ Xác định biến đầu ♦ Tìm mối liên hệ chúng với Điều đòi hỏi người thiết kế phải nắm rõ yêu cầu thiết kế, việc khó khăn quan trọng trình thiết kế Kẻ bảng chân lý: - Liệt kê thành bảng mối quan hệ tương ứng với trạng thái tín hiệu đầu vào với trạng thái hàm số đầu bảng gọi bảng chân lý Tiến hành thay giá trị logic (0 ,1) cho trạng thái ta bảng chân lý Ví dụ: A B C Bảng chức Bảng chân lý: Khóa A Khóa B Khóa C Ngắt Ngắt Tắt Ngắt Đóng Tắt Đóng Ngắt Tắt Đóng Đóng Sáng Tổng hợp mạch tổ hợp: Nếu số biến tương đối dùng phương pháp hình vẽ Nếu số biến tương đối nhiều dùng phương pháp đại số Được tiến hành theo sơ đồ sau: A B C 0 0 1 0 1 Một số mạch tổng hợp thường ghặp hệ thống : Các mạch tổ hợp thường gặp là: Mạch chuyển đổi mã, giải mã Mạch đa hợp giải đa hợp Mạch so sánh Phép tính số học Mạch phát kiểm tra chẵn lẻ Ở đề tài sâu tìm hiểu mạch chuyển đỗi mã giải mã 1.1.2 Mạch chuyển đổi mã, giải mã 1.1.2.1 Mạch mã hóa 1.1.2.1.1 Mạch mã hóa đường sang đường -Mạch mã hoá đường sang đường gọi mã hố bát phân sang nhị phân (có ngõ vào chuyển thành ngõ dạng số nhị phân bit Trong lúc có ngõ vào mức tích cực tương ứng với tổ hợp mã số ngõ ra; tức ngõ vào cho mã số bit khác Với ngõ vào (I0 đến I7) có tổ hợp ngõ nên cần ngõ (Y2, Y1, Y0) Hình 1.2: Khối mã hóa sang Bảng chân lý mạch mã hóa sang 3: Vào Ra I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Y2 Y1 Y0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 Bảng 1.1: Bảng chân lý mạch mã hóa sang Từ bảng trên, ta có : - Y0 = I1 + I3 + I5 + I7 - Y1 = I2 + I3 + I6 + I7 - Y2 = I4 + I5 + I6 +I7 Dựa vào biểu thức ta vẽ mạch logic hình : Hình 1.3: Sơ đồ logic mạch mã hóa sang 1.1.2.1.2 Mạch mã hóa 10 đường sang đường (bộ mã hóa nhị - thập phân) - Bộ mã hóa nhị - thập phân mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phân ( từ đến 9) thành mã hệ nhị phân Dạng mã gọi mã BCD - Mạch điện mã hóa có 10 đầu vào tương đương với 10 chữ số cần mã hóa Ký hiệu thứ tự I0,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7,I8 I9 Có số ký tự cần mã hóa N=10 vào số bít mã n, cho >N Cụ thẻ n=4, ta có số trạng thái =16>N=10 Trong cần mã hóa 10 số, dư tổ hợp Ưng với tổ hợp biến có biến vào có giá trị logic Các bit mã nhị phân ký hiệu Y3,Y2,Y1,Y0 ( Y3 có trọng số cao nhất) Hình 1.4: Sơ đồ khối mạch mã hóa 10 sang Bảng chân lý: Vào Ra I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 Y3 Y2 Y1 Y0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 Bảng 1.2: Bảng chân lý mạch mã hóa 10 sang Ta có: - Y0=I1+I3+I5+I7+I9 Y1=I2+I3+I6+I7 Y2=I4+I5+I6+I7 Y3=I8+I9 10 Sơ đồ chân IC sau : Hình 2.33: Sơ đồ chân ic 74LS247 Trong đó: A, B, C, D ngõ vào mã BCD RBI ngõ vào xoá gợn sóng LT ngõ thử đèn BI/RBO ngõ ngõ xố gợn sóng a tới g ngõ Hình 2.34:Sơ đồ nguyên lý giải mã IC 74LS247 Bảng 2.8: Bảng chân lý giải mã ic 74LS247 Nhận thấy ngõ mạch giải mã tác động mức thấp (0) led tương ứng sáng Ngoài 10 số từ đến giải mã, mạch giải mã trạng thái khác, không dùng đến Để hoạt động giải mã xảy bình thường chân LT BI/RBO phải mức cao Muốn thử đèn led để led sáng hết kéo chân LT xuống thấp Muốn xoá số (tắt hết led) kéo chân BI xuống thấp 2.2.4 Khối hiển thị Trước hết xem qua cấu trúc loại đèn led đoạn số đèn cấu tạo đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC), xếp hình số vng ngồi có led đặt làm dấu phẩy thập phân cho số thị , điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân led xếp thành hàng chân hàng chân A chung hay K chung Hình 2.35: Cấu trúc chân dạng led đoạn Để đèn led hiển thị số led tương ứng phải sáng lên, đó, led phải phân cực điện trở khoảng 180 đến 390 ohm với nguồn cấp chuẩn thường 5V IC giải mã có nhiệm vụ nối chân a, b, g led xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung) Hình 2.36:Led đoạn loại anode chung cathod chung với mạch thúc giải mã 2.2.5 Khối so sánh Giúp so sánh tín hiệu để mạch chạy chế độ 24h , luân chuyển tín hiệu từ đếm giây sang đếm phút đếm Ở đây, ta sử sụng ic tích hợp phép tính logic NAND, cụ thể Ic 74HC00 Hình 2.37: IC 74HC00 Hình 2.38: Sơ đồ logic (một cổng) Hình 2.39: Sơ đồ chân - IC tích hợp cổng NAND, mổi cổng có đầu vào đầu Chân 10 11 12 13 14 Ký hiệu A1 B1 Y1 A2 B2 Y2 GND Y3 A3 B3 Y4 A4 B4 VCC Đặc điểm Dữ liệu vào Dữ liệu vào Dữ liệu Dữ liệu vào Dữ liệu vào Dữ liệu Nối đất Dữ liệu Dữ liệu vào Dữ liệu vào Dữ liệu Dữ liệu vào Dữ liệu vào Cấp nguồn Bảng 2.9: Bảng ký hiệu chân ic 74HC00 2.2.6 Khối điểu khiển Điều khiển qua tác động bên ngồi, sử dung thơng qua nút ấn Hình 2.40: Khối điều khiển Hình 2.41: Nút ấn 2.2.7 Linh kiện phụ Điện trở 220Ω, 1kΩ, tụ gốm 0.01uF, diode, tụ 470uF, biến trở loại 1k CHƯƠNG XÂY DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 3.1 MƠ PHỎNG QUA PROTEUS Hình 3.42: Các linh kiên cần có Sơ đồ mạch: Hình 3.43: Mạch vẽ proteus 3.2 MẠCH LAYOUT Hình 3.44: Mạch layout 3.3 MẠCH 3D Hình 3.45: Mạch 3D CHƯƠNG - PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ 4.1 Phân tích hoạt động mạch đồng hồ số Thiết kế mạch đồng hố số đề tài gần gũi quen thuộc sống dân kỹ thuật Khác với mạch đồng hồ số thường xuât gia đình, Đồng hồ số mơn vi mạch tương tự vi mạch số không cần phải lập trình, nạp code mà sử dụng ic tích hợp sẵn Như ic tạo xung 555, đếm ic 7490, 74LS190, 74LS191, 74LS192 - Nhưng, yêu cầu đề tài sâu tìm hiểu mạch đồng hồ số sử dụng ic 555 74LS190 - Và, mạch dùng để hiển thị thời gian theo chế độ 24h (hh:mm:ss) Thoạt tiên, chia mạch làm khối : Khối thị giây Khối hiển thị phút Khối hiển thị Đếm, hiển thị phút Đếm, hiển thị giây Đếm, hiển thị giây Nhận thấy khối hiển thị thông qua led dạng hàng chục hàng đơn vị Vậy nên, khối có - ic đếm giải mã led Suy với khối vây mạch cần: IC 74LS190 IC 74LS247 led Phân tích chức khối: Khối đếm giây: -Khối tạo xung tạo xung vng có chu kỳ = 1s ( với thời gian thực) Xung cấp thẳng vào chân 14 (CLK) ic 74LS190 - ic đếm giải mã led hàng đơn vị Chân RCO (13)của đếm hàng đơn vị nối với chân CLK đếm hàng chục -Và từ đây, đếm bắt đầu đếm xung ic 555 số xung đếm đầu dãy mã nhị phân bit ( theo hoạt động IC 74LS190 đếm đến ), dãy tín hiệu bit vào giải mã để hiển thị lên led từ số đến số Khi đếm đếm đến chân RCO chuyển trạng từ mức cao mức thấp, dẫn đến chân CLK đếm hàng chục chuyển từ mức cao mức thấp Khi đếm trở 0, chân RCO trạng thái ban đầu chân CLK đếm hàng chục trở trạng thái thấp (kết thúc xung = 1T) Khi chuyển trạng thái lên trạng thái khác trở ban đầu, có nghĩa xung tạo dẫn đến đếm hàng chục đến đưa tín hiệu đến giải mã hiển thị lên led Cứ trình đếm diễn liên tục -Vẫn đề đặt đếm liên tục khối đến từ 00 lên 99 trở 00 Mà phút = 60 s, ta cần đếm đến 59 cho trở 00 Thì phải làm ? Rất đơn giản ta dùng cổng NAND1 ic 74HC00, đếm đến 59 s, nhịp xung lên 60, đếm hàng chục lúc ( mã nhị phân tương ứng =0110), chân có tín hiệu mức cao Ta nối tín hiệu từ vào đầu vào cổng NAND1 đầu cổng NAND1 vào chân PL (11) đầu đếm hàng chục -Ban đầu đếm hàng chục chưa lên tín hiệu mức cao vào chân PL ( mạch đếm bình thường), tín hiệu cao tín hiệu cổng NAND1 thấp tác động vào chân PL Thông tin đầu vào liệu song song (D0 – D3) nạp vào đếm xuất đầu Q (thao tác ghi đè chức đếm) Dữ liệu song song đầu vào ta cài tất mức thấp – 0000 có nghĩa số từ PL tác động đếm trở đưa tín hiệu dãy bit 0000 đến giải mã led số Tín hiệu cổng NAND1 lại trở mức cao, mạch lại hoạt động bình thường Khối đếm phút: -Vấn đề đặt 60s đếm ph, led hiển thị 01 Giải pháp khối đếm giây đếm 60s cổng NAND1 có tín hiệu thấp ( giải thích trên) reset khối đếm giây 00 Nhận thấy phải phịp phút phải nhảy lên Cho nên ta nối đầu cổng NAND1 vào chân CLK đếm hàng đơn vị khối đếm phút.Từ đó, khối giây đếm lên 59 00 khối phút tăng lên đơn vị -Cũng giống khối đếm giây, khối đếm phút có chân RCO đếm hàng đơn vị nối với chân CLK đếm hàng chục (mỗi hàng đơn vị đếm lên nhịp nhịp hàng chục tăng đơn vị).Và, khối phút đếm lên 60 ( h=60p), nên ta thiết kế giống khối giây, mắc đầu chân vào đầu vào cổng NAND2 IC 74HC00, đầu cổng NAND2 vào chân PL làm nhiệm vụ reset tương tự khối giây, chân đầu vào D nối đất Khối đếm -Theo nguyên lý vừa xong, ta nối đầu cổng NAND2 vào chân CLK đếm hàng đơn vị khối đếm Từ đó, khối phút đếm lên 59 00 khối tăng lên đơn vị Khối đếm có chân RCO đếm hàng đơn vị nối với chân CLK đếm hàng chục (mỗi hàng đơn vị đếm lên nhịp nhịp hàng chục tăng đơn vị) -Ta có hiển thị chế độ 24h tức đếm từ 00 đến 23 lại 00 Ở nhịp lên 24: Bộ đếm hàng đơn vị đếm ( 0100) Bộ đếm hàng chục (0010) -Từ ta đưa tín hiệu đếm hàng đơn vị đếm hàng chục vào đầu vào cổng NAND 3, cao chân tín hiệu vào đếm đưa mức thấp ( nối đất) ,chân PL của đếm nối với nối với đầu cổng NAND3 -Khối thực đếm bình thường, nhịp lên 24 (tín hiệu đếm hàng đơn vị đếm hàng chục mức cao), đầu cổng NAND3 mức thấp tác động vào chân PL reset mạch 00 Để dễ dàng điều chỉnh thời gian ta mắc thêm ngồi nút ấn Thay tín hiệu chuyển tiếp khối nối với chân CLK, từ đầu cổng NAND ta cho vào khối nút ấn hình : -Bình thường chưa có tác động tín hiệu cổng NAND mức cao , chưa ấn nút tín hiệu vào CLK đếm hàng đơn vị khối đếm phút khối đếm không đổi Khi ta ấn nút nhả đầu cổng NAND thay đổi trạng thái trạng thái ban đầu vào chân CLK dẫn đến đếm xung -Lúc hoạt động, tiến hiệu đầu cổng NAND liên kết khối thay đổi trạng thái( đếm đc 60s or 60ph), đầu cổng thay đổi trạng thái bình thường cấp xung vào chân CLK 4.2.Nhận xét Sau mô phỏng, làm mơ hình thực nghiệm thấy xuất sai số chỉnh T=1s Nguyên nhân linh kiện nhiều yếu tố bên ... ta ngày lớn mạnh Giáo trình mơn học Vi mạch tương tự vi mạch số tập thể Bộ môn Đo lường Điều khiển, Khoa Điện, Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội biên soạn tài liệu quan trọng giúp sinh vi n cán... trình tự động hóa ngành cơng nghiệp Vi mạch tương tự điều khơng thể thiếu qua trình phát triển ngành công nghiệp Hôm chúng em vinh dự nhận đề tài “Thiết kế mạch đồng hồ sử dụng IC555 74LS190 ( mạch. .. ơn ! CHƯƠNG - TÌM HIỂU CHUNG VỀ MẠCH TỔ HỢP MẠCH DÃY VÀ MẠCH DAO ĐỘNG 1.1 MẠCH TỔ HỢP : 1.1.1 Mô hình tốn học mạch tổ hợp: - Mạch tổ hợp mạch mà trạng thái đầu mạch phụ thuộc tổ hợp trạng thái