ĐỒ án môn học Kỹ thuật số - Thiết kế đồng hồ số

dong ho so

- -

Nam Định, Ngày tháng năm 2009 MụC LụC Lời nói đầu 3

Phần i: Cơ sở lý thuyết 5

I Tổng quan về logic số 5

I.1 Mạch tơng tự và tín hiệu tơng tự (Analog circuit) 5

I.2 Các hệ thống đếm (Number systems) 5

I.3 Chuyển đổi giữa các hệ thống số đếm 6

I.4 Các loại mã thông dụng 8

I.5 Đại số Boolean 10

I.6 Hàm logic 12

II Một số cổng logic 16 Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên Lớp: CS - ĐĐT 36

II.1 Cổng Đảo (Inverter gate) 16

II.2 Cổng hoặc (OR gate) 17

II.3 Cổng Và (AND gate): 18

II.4 Cổng Và Đảo(NAND gate): 20

II.5 Cổng Hoặc Đảo(NOR gate) 21

II.6 Cổng Hoặc loại trừ( EXOR gate) 22

II.7 Cổng loại trừ NOR (EXNOR GATE): 23

II 8 Cổng đệm (Buffer gate) 24

III Giới thiệu về các IC sử dụng trong mạch 25

III.1 IC đếm 74LS90 25

III.2 IC 74247 27

III.3 IC 555 29

phần ii: thiết kế mạch 32

i sơ đồ khối 32

I.1 Khối nguồn 32

I.2 Khối tạo xung CK (xung nhịp) 35

I.3 Khối đếm xung 37

I.4 Khối giải mã dùng IC 74247 37

I.5 Khối hiển thị (Led 7 thanh) 38

I.6 Chọn linh kiện khối đếm và khối giải mã 40

II Sơ đồ nguyên lý 41

II.1 Sơ đồ chung 41

II.2 Sơ đồ giải mã và hiển thị dạng cụ thể 42

III Tính toán và chọn linh kiện 43

III.1 Tính toán và chọn linh kiện nguồn cấp 43

III.2 Tính toán và chọn linh kiện phần tạo xung 44

III.3 Chọn linh kiện phần hiển thị 45

phần iii: Kết luận chung 46

TàI LIệU THAM KHảO 48

Lời nói đầu ……o0o……

Kể từ thế kỉ XX nhân loại đã có những bớc phát triển vợt bậc về khoa học

kĩ thuật và đặc biệt co sự đóng góp không nhỏ vào sự phát triển đó, là những thành tựu của ngành điện tử kĩ thuật số ứng dụng đa dạng và phong phú vào trong cả điện tử công nghiệp và tiêu dùng chẳng hạn nh máy công nghiệp máy tính, bộ vi sử lí, máy tính bỏ túi đồng hồ kĩ thuật số, các trò chơi ,TV … Một trong những lí do giúp cho các mạch điện tử kĩ thuật số ngày càng phát triển rộng rãi là nhờ sự ra đời của các thiết bị bán dẫn, các IC số Đây là tiên đề để giải quyết đợc những hạn chế và khó khăn trong công nghệ của ngành điện tử kĩ thuật

Bớc sang thế kỉ XXI, với sự phát triển nh vũ bão của khoa học công nghệ trong đó có ngành điện tử kĩ thuật số Sự phát triển của công nghệ IC khiến ngời

ta có thể chế tạo ra những mạch kĩ thuật số phức tạp chẳng hạn nh những bộ vi

sử lí các bộ nhớ, …Trên các chíp silicon rất nhỏ Hơn thế nữa sự phát triển của Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên 2 Lớp: CS - ĐĐT 36

xã hội khiến cho nhu cầu phục vụ đời sống con ngời ngày càng nâng cao Đặt ranhiệm vụ và cũng là sự thúc đẩy cho sự phát triển của các ngành khoa học kĩthuật Thay vì các thiết bị cồng kềnh rời rạc, đắt tiền trớc đây điện tử kĩ thuật sốngày nay đã tạo ra đợc những linh kiện với những u điểm vợt trội nh nhỏ gọn,tính tơng thích cao giá thành rẻ , Nên các thiết bị điện tử kĩ thuật số này đã đợcxã hội đón nhận và sử dụng chúng một cách phổ biến Đa con ngời vào cuộcsống môtj cuộc sống mới “cuộc sống số” chính vì điều đó mà hiện nay môn học

“kĩ thuật số ” đang đợc dạy ở các trờng Đại học - Cao Đẳng các trung tam dạynghề trên cả nớc Và nó đợc coi là môn học có vai trò hết sức quan trọng giúpcho các sinh viên tự tin bớc vào cuộc sống mới Một cuộc sống với sự phát triểnbùng nổ của công nghệ

Là sinh viên khoa Điện - Điện Tử của trờng Đại Học S Phạm Kĩ ThuậtNam Định đang đựơc theo học môn kĩ thuật số với kiến thức đã đựơc học chúng

em đang thực hiện đề tài Thiết kế đồng hồ số hiển thị giờ phút giây (1-12h) sử dụng IC đếm BCD hiển thị trên LED 7 thanh và có các phím điều chỉnh thời

gian

Thông qua việc thực hiện đề tài này đã giúp chúng em có cái nhìn sâu hơn

về môn học kic thuật xung số tạo điều kiện cho chúng em tích luỹ kiến thức

đánh gía đợc khả năng của mình Đồng thời biết cách vận dụng môn học vàothực tế

Trong quá trình làm đề tài , không chỉ có việc tham khảo tài liệu mà

chúng em còn nhận đựơc sự giúp đỡ tận tình của thầy Trần Thanh Sơn cùng

với sự đóng góp của các bạn trong lớp đã góp ý giúp cho chúng em hoàn thành

đề tài của mình

Dù chúng em đã cố gắng nhng vẫn không tránh khỏi những thiếu sót hạnchế vì thiếu kinh nghiệm , thời gian và cũng nh kiến thức chuyên môn có hạn.Chúng em sẽ cố gắng bổ sung những thiếu sót đó vào những đề tài lần sau

Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên Lớp: CS - ĐĐT 36

phức tạp

b Mạch số và tín hiệu số

*Định nghĩa :Là các mạch điện xử lý tín hiệu số là mạch logic số

-Tín hiệu số : là tín hiệu chỉ có 2 mức logic phân biệt Trong kỹ thuật số 2mức logic đó đơc gọi là mức cao(H) và mức thấp (L) , còn gọi là mức “1” vàmức “0”

*Đặc điễm: -Tín hiệu số chỉ đơc phát sinh bởi các mạch thích hợp Gián

đoạn về thời gian và biên độ Sự chuyển tiếp từ mức thấp lên mức cao xảy ranhanh chóng

-Khả năng chống nhiễu tốt

-Thiết kế, phân tích mạch đơn gian dễ làm

-Thuận lợi cho mạch lu chữ thông tin

I.2 Các hệ thống đếm (Number systems)

I.2.1.Hệ thống số thập phân(Decimal System)

- Sử dụng mời chữ số từ 0 đến 9 ghép lại với nhau tạo thành số đếm, số saulớn hơn số trớc một đơn vị Mỗi chữ số có mặt trong số thập phân gọi là một bittính từ phải sang trái, bit đầu tiên đợc gọi là hàng đơn vị , bit 2 hàng chục, bit 3hàng trăm, bit 4 hàng nghìn

Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên 4 Lớp: CS - ĐĐT 36

Ví Dụ:

D

168

8 60 100

10 8 10 6 10 1

I.2.3 Hệ thống số thập lục phân (Hexa)

*Định nghĩa:Hệ thống số thập lục phân là hệ thống số sử dụng 16 kí tựtrong đó 10 kí tự đầu là số từ 0 đến 9 và 6 kí tự sau là A,B,C,D,E,F ghép vớinhau tạo thành số đếm

16 5 16 2 16 2

2 1

1 16 16 16

D     





0 1

2 1

D       

0 1

2 1

1 10 10 10

D       

 69 D 1000101B

I.3.2.Chuyển từ số nhị phân sang số thập phân

*Cách làm:Muốn chuyển từ số nhị phân sang số thập phân ta khai triển côngthức tổng quát của số nhị phân với cơ số bằng 2 kết quả tìm đợc là số thập phâncần chuyển đổi

1

2 1

1 2 2 2

I.3.3.Chuyển từ số thập phân sang thập lục phân

*Cách làm:Muốn chuyển từ số thập phân sang thập lục phân ta lấy số thậpphân cần chuyển đổi chia lien tiếp cho 16 để tìm số d.Số d đầu tiên của phép chia

là bit có trọng số nhỏ nhất, số d cuối cùng của phép chia là bít có trọng số lớnnhất của số thập lục phân cần tìm

I.3.4 Chuyển đổi từ số thập lục phân sang hệ thập phân

*Cách làm: Muốn chuyển từ hệ thập lục phân sang hệ thập phân ta sử dụngcông thức khai triển tổng quát số thập lục phân với cơ số bằng 16, kết quả tìm đ-

ợc chính là số thập phân cần chuyển đổi

Ví Dụ:

D H

D H

69 5 64 16 5 16 4 45

? 45

0 1

I.3.5 Chuyển đổi từ số thập lục phân sang số nhị phân

*Cách làm:Muốn chuyển từ số thập lục phân sang số nhị phân ta tính từ tráIqua phảI của số thập lục phân mỗi bít của số thập lục phân tơng đơng với 4 bítcủa số nhị phân có vị trí tơng ứng

I.3.6 Chuyển từ nhị phân sang thập lục phân

*Cách làm: Muốn chuyển từ nhị phân sang thập lục phân ta tính từ phải quatráI cứ 4 bít của số nhị phân tơng đơng với 1 bít của số thập lục phân Những sốNhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên 6 Lớp: CS - ĐĐT 36

cuối cùng nằm về phía bên tráI nếu thiếu số lợng bít ta có thể thêm “0” vào phíabên trớc.

I.4 Các loại mã thông dụng

I.4.1 Khái niệm:mã số là tập hợp của những hệ thống số đếm theo một qui

luật nhất định dùng để biểu diễn các thông tin theo qui luật đó Mã số là phơngtiện giao tiếp cơ bản của hệ thống thông tin

+ Đơn vị tính: byte (B)

- Trong thực tế có nhiều loại mã khác nhau nhng chủ yếu sử dụng mã:

+ BCD (Binery Code Decimal )

+ BCD gói: là các mã số mà BCD thể hiện đợc nằm trong 10 kí tự của hệ số

đếm thập phân Các mã lớn hơn 10 cần biểu diễn ở dạng BCD ta dùng nhiều tổhợp BCD ghép lại với nhau

- Quy ớc: Mã BCD là những mã số thuộc 10 kí tự cơ bản của số thập phân

e.Mã thừa 3(EXCESS - 3)

- Mã thừa 3 là loại mã số sử dụng với số thập phân cộng thêm 3 sau đó chuyển sang dạng BCD không gói

I.4.3.Chuyển đổi giữa các loại mã

*Chuyển đổi từ mã BCD sang mã Hexa: Tính từ phải qua trái mỗi tổ hợp 4 bit của mã BCD đợc một bit của mã Hexa

*Chuyển đổi từ mã thừa 3 sang mã thập phân:Lấy mã thừa 3 chuyển sang BCD sang số thập phân trừ 3 đơn vị đơc kết quả

I.5 Đại số Boolean

I.5.1.Các định lí cơ bản của đại số Boolean

a.Cơ sở đại số Boolean

- Đại số Boolean là các phép tính đại số dựa trên phép tính nhị phân với 2 giá trị cơ bản là “0” và “1”

- Một biến A bất kì nhận 2 giá trị A=0 hoặc A=1

+Nếu cho A=0 phủ định của A:A 1

A A

A A

A

A A

0

0 1

b.Các định lí cơ bản:

- Ta có biến A bất kì

0

.

1

.

0 0

.

1

0

1 1

A

A A

A

A A

A A

A

A A

A

A A

I.5.2.Các tính chất của đại số Boolean

*Phép hoán vị:

B A C A C B C B A

A B C A C B C B A

-Phủ định của một tích bằng tổng các phủ dịnh thành phần

)

.

I.5.4.Các tính chất cơ bản của đại số Boolean

) ( ) (

.

7

) ).(

( ) ).(

).(

.(

6

) _ ).(

(

.

5

) ).(

.(

4

) ).(

.(

3

) (

.

2

) (

.

1

C B A C B B

A

B A B

A

A

A B

A

A

C A B A C B C A

B

A

C A B A C B C A B

A

B A C A C A

B

A

B A C A C A B

A

A B A B

A

B A B A

A

A B A

I.6.1 Định nghĩa hàm logic.

- Là 1 dạng hàm số dùng để biểu diễn mối quan hệ logic của tín hiệu ra vàtín hiệu vào

- Hàm logic có thể đợc biểu diễn dới dạng chữ hoặc số

I.6.2 Các dạng biểu diễn hàm logic

a Biểu diễn dới dạng tuyển chuẩn( tổng các tích)

- Đây là dạng biểu diễn cơ bản của hàm logic, nó đợc biểu diễn trạng tháilogic đầu ra ở mức cao toàn bộ hàm số là tổng nhiều thành phần.Mỗi thành phần

là 1 tổ hợp trạng thái ở đầu vào tơng ứng với các ở dạng tích

Ví Dụ:Y A.B.CA.B.CA.B.CA.B.C

Y  1  1  1  1

-Để xác định đợc dạng này phải dựa vào yêu cầu và các điều khiện của bàitoán

b Biểu diễn dới dạng hội chuẩn( tích các tổng)

-Là 1 hàm quan hệ của tín hiệu ra với tổ hợp tín hiệu vào là các tích củanhiều thành phần, mỗi thành phần chứa tổ hợp các biến dới dạng 1 tổng

c.Biểu diễn dạng bảng trạng thái

- Là 1 cách biểu diễn trực quan mối quan hệ hàm logic giữa tín hiệu ra vàtín hiệu vào Bảng trạng thái thực chất là 1 ma trận hàng cột, trong đó số cộtbằng tổng số các biến của bài toán, số hàng bằng(2n+1) Trong đó n: là số cácbiến đầu vàohàng trên cùng của bảng trạng thái ghi tên các biến vào ra dwoisdạng chữ Các hàm tiếp theo về phía bên trái của bảng trạng thái ghi tổ hợp giátrị các biến đầu vào dới dạng số nhị phân theo thứ tự tăng dần từ trên xuống Cáchàm còn lại thuộc cột bên phải tơng ứng với đầu ra ghi giá trị logic của biến đầu

ra Tơng ứng với tổ hợp trạng thái biến đầu vào

Ví Dụ: 3 công tắc A, B, C 3 biến đầu vào

+ Xung quanh ma trận tơng ứng với vị trí hàng cột Ngời ta ghi tên các biến

có thể ghi ở dạng chữ hoặc số (dạng mã GRAY)

+ Bên trong các ô đợc ghi: 3 cách

Giá trị logic của biến đầu ra tơng ứng với tổ hợp trạng tháI đầu vào có tọa

độ chiếu đến ô đó

Ghi giá trị nhị phân tơng ứng tọa độ tổ hợp các biến đầu vào

Ghi giá trị thập phân tơng ứng với tọa độ tổ hợp các biến đầu vào

1 1 3 7 5

I.6.3 Các phơng pháp tối giản hàm logic

a Khái quát chung

- Trong quá trình thiết kế mạch điện logic các hàm số mà ta xây dựng ban

đầu đều là các hàm số cha tối giản vì vậy khi xây dựng mạch theo các hàm nàymạch điện thờng phức tạp có những cổng, những phép biến đổi không cần thiết

- Để mạch điện là tối u và ngắn gọn nhất trớc khi vẽ mạch ngời ta tìm cáchtối giản hàm logic Trong thực tế có nhiều phơng pháp khác nhau để tối giảnhàm logic nhng chủ yếu sử dụng 2 phơng pháp: sử dụng đại số Boolean và dùngbìa karnough

b Phơng pháp đại số Boolean tối giản hàm logic

- Nội dung phơng pháp: sử dụng các tính chất và các phép biến đổi cơ bảncủa đại số Boolean để biến đổi hàm logic sao cho hàm số là ngắn gọn nhất

+ Xây dung bìa Karnough đối với hàm số cần đơn giản

+ Ghép các ô trong bìa Karnough liền kề nhau có giá trị =1.Số lợng ô ghép phải lớn nhất và tỉ lệ với 2n

Ví Dụ: 2 ô = 21 1 biến bỏ đi

4 ô = 22 2 biến bỏ đi

8 ô = 23 3 biến bỏ đi

16 ô = 24 4 biến bỏ đi

+ Trong số các ô ghép với nhau biến nào có giá trị thay đổi biến đó bỏ đi

Cứ 2n ô ghép với nhau thì bỏ đợc n biến

Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên 12 Lớp: CS - ĐĐT 36

+ 1 ô có thể đợc ghép nhiều lần với các ô khác nhng trong mỗi lần ghépphảI có 1 ô mới.

+ Có thể ghép các ô ở cạnh, ở mép với nhau, ở 4 góc với nhau hoặc các ô

đối xứng nhau

-Ví dụ:

D C B A D C B A D C B A D C B

A

D C B A D C B A D C B A D C B A D C B A D C B A

Y

.

.

Bảng sự thật:

Cổng not hoạt động theo bảng chân lý trên

d Biểu diễn cổng not bằng mạch điện

e D¹ng xung cña cæng OR:

II.3 Cæng Vµ (AND gate):

A B

d Biểu diễn cổng and bằng mạch điện, bán dẫn đơn giản :

Biểu diễn bằng mạch điện đơn giản và Biểu dễn bằng mạch bán dẫn đơn giản

Dạng xung của cổng AND:

Dạng sóng của cổng and đợc thể hiện nh hình vẽ

Ta có thể biểu diễn dạng sóng của cổng and nh hình trên với A,B là dạngsóng đầu vào còn Y là dạng sóng đầu ra Chỉ khi nào 2 đầu vào A,B ở mức caothì đầu ra Y mới ở mức cao

II.4 Cổng Và Đảo(NAND gate):

Rc Rb

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA

Y = A B

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA

e Dạng xung của cổng NAND :

II.5 Cổng Hoặc Đảo(NOR gate)

Cổng NOR có thể có 2 hoặc nhiều đầu vào

Cổng NOR 2 đầu vào hoat dộng theo bảng chân lý trên chỉ khi nào cả hai

đầu vào ở mức thấp trhì đầu ra mới ở mức caồcn lại tất cả các trờng hợp còn lạithì đầu ra đều ở mức thấp

d Biểu diễn cổng NOR bằng một mạch điện và một mach bán dẫn đơn giản

Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên Lớp: CS - ĐĐT 36

C

Uv

B A

L1

Cần chú ý tụ C trong

mạch điện dùng để chống ngắn mạch nguồn 220v AC đầu vào khi các công tắcA,B đều ở trạng thái đóng

Mạch bán dẫn thể hiện sự hoạt động của cổng NOR nh hình vẽ :

Chỉ khi nào 2 đầu vào ở mức thấp thì đầu ra mới ở mức cao còn lai các tr ờng hợp khác thì đầu ra đều ở mức thấp

-e Dạng xung của cổng NOR:

Cổng EXOR hoạt động theo bảng chân lý trên

d Biểu diễn sự hoạt động của cổng EXOR bằng một mạch lôgíc đơn giản:

Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên 18 Lớp: CS - ĐĐT 36

C

Q2 NPN

Rc Rb

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA

B A

e Dạng xung của cổng EXOR:

II.7 Cổng loại trừ NOR (EXNOR GATE):

a Định nghĩa :

Cổng NOR là 1 l;oại cổng lôgíc nó có khả năng thực hiện thuật toán phủ

định tích lôgíc loại trừ của biến số đầu vào : tức là Y=

b Kí hiệu :

Y

A B

c Bảng chân lý :

Bảng chân lý của cổng loại trừ NOR đợc xây dựng nh hình vẽ Khi cả hai

đầu vào ở mức cao hoặc ở mức thấp thì đầu ra có mức cao , còn khi một tronghai đầu vào ở mức thấp hoặc ở mức cao thì đầu ra ở mức thấp

A

Nhóm SVTH: Trần Thế Ba - Phạm Văn Biên Lớp: CS - ĐĐT 36

e Dạng xung của cổng loại trừ NOR:

Cổng đệm dùng trong trờng hợp khi ta cần một dòng điện thúc cho tải

t-ơng đối lớn tri số của nó vợt quá khả năng tải dòng của IC lôgíc thì ta cần phảilắp thêm một cổng đệm nằm trung gian giữa ic lôgic và tải

b Kí hiệu của cổng đệm :

YA

R3 R2

6MS1 7MS2 2MR1 3MR2

14 CP0

1 CP1

11 Q3 8 Q2 9 Q1 12 Q0

IC đếm thập phân là IC đếm từ 00002 đến 10012 tơng ứng với số từ 0 đến 9của hệ thập phân.Tức là mạch thực hiện 10 lần đếm đối với IC đếm 74ls90 khi đã

đếm đến 9 thì nó sẽ tự động trở về 0 để đếm lại từ đầu các chân dữ liệu ra của làchân 12 : Q0 , 9:Q1 , 8:Q2 , Q3:11

Chân 2 và chân 3 là 2 chân reset IC 74ls90 hoạt động theo bảng chân lýsau: