KỸ THUẬT SỐ: THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ BẤM GIÂY

: THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ BẤM GIÂY

BÁO CÁO THỰC HÀNH MÔN :

KỸ THUẬT SỐ

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ BẤM GIÂY

GVHD: Th.s NGUYỄN THU HÀ

SVTH: nguyễn văn thắng

LỚP: ĐH ĐIỆN1- K5

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay ngành kỹ thuật điện có vai trò rất quan trọng trong cuộc sốngcủa con người Các hệ thống điện ngày nay rất đa dạng và đang thay thếcác công việc hàng ngày của con người từ những công việc từ đơn giảnđến phức tạp như điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc độ động cơhay các đồng hồ số Các hệ thống này có thể thiết kế theo hệ thống tương

tự hoặc hệ thống số Tuy nhiên trong các hệ thống điện thông minh hiệnnay người ta thường sử dụng hệ thống số hơn là các hệ thống tương tựbởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệ thống số mang lại đó là: độ tincậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt và vận hành… Để làmđược điều đó, chúng ta phải có kiến thức về môn kĩ thuật số, hiểu đượccấu trúc và chức năng của một số IC số, mạch giải mã, cáccổng logic vàmột số kiến thức về các linh kiện điện tử

Sau một thời gian học tập và tìm hiểu tài liệu về kỹ thuật số, tôi đã quyếtđịnh chọn đề tài:” thiết kế mạch đồng hồ bấm giây dùng IC 7490” đểnghiên cứu Với đề tài nàychúng tôisử dụng các IC số để làm thành mộtmạch đồng hồ thời gian thực bao gồm cả phút, giây, tích tắc.Bài tập baogồm cả hình ảnh và mạch điện minh hoạ giúp các bạn đọc dễ hiểu hơn vềmạch đồng hồ bấm giây

Do thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế mà bài tập còn thiếu xót, tôirất mong nhận được cácý kiến đóng góp của thầy cô giáo và các bạn.Xin chânthành cảm ơn!

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 1:

Tìm hiểu chung về mạch dãy, mạch tổ hợp.

1-Mạch dãy:

 Khái niêm:

- Hệ dãy là hệ mà tín hiệu ra không chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào tạithời điểm hiện tại mà còn phụ thuộc vào quá khứ của tín hiệu vào

- Hệ dãy còn được gọi là hệ có nhớ

Để thực hiện được hệ dãy, nhất thiết phải có phần tử nhớ Ngoài racòn có thể có các phần tử logic cơ bản

Hệ dãy đồng bộ: khi làm việc cần có1 tín hiệu đồng bộ để giữ nhịpcho toàn bộ hệ hoạt động

Hệ dãy không đồng bộ: không cần tín hiệu này để giữ nhịp chungcho toàn bộ hệ hoạt động

Hệ dãy đồng bộ nhanh hơn hệ dãy không đồng bộ tuy nhiên lại cóthiết kế phức tạp hơn

Mô hình của hệ dãy được dung để mô tả hệ dãy thông qua tín hiệuvào, tín hiệu ra và trạng thái của hệ mà không quan tâm đến cấu trúcbên trong của hệ

Mô hình Mealy mô tả hệ dãy thông qua 5 tham số:

Đầu ra của trigger chính là trạng thái của nó

Một trigger có thể làm việc theo 2 kiểu:

Trigger không đồng bộ: đầu ra của trigger thay đổi chỉ phụ thuộcvào tín hiệu đầu vào

Trigger đồng bộ: đầu ra của trigger thay đổi phụ thuộc vào tín hiệuvào và tín hiệu đồng bộ

Khi tín hiệu đồng bộ có giá trị logic bằng1 thì hệ nghỉ(giữ nguyêntrạng thái)

Khi tín hiệu đồng bộ có giá trị logic bằng0 thì hệ làm việc bìnhthường

Khi có xung thì hệ làm việc bình thường

Khi không có xung thì hệ nghỉ (giữ nguyên trạng thái)

Trigger D đồng bộ theo mức gọi là chốt D (Latch)

Trigger D đồng bộ theo sườn được gọi là xung phát sườn

(Edge trigged)

Trigger JK chỉ hoạt động ở chế độ đồng bộ

Sơ đồ khối:

Trigger T chỉ hoạt động ở chế độ đồng bộ

Sơ đồ khối:

Bảng chuyển trạng thái củaT

Một số ứng dụng của hệ dãy

Bộ đếm được dùn g để đếm xung

Bộ đếm được gọi lă modulen nếu nó có thể đếm

được n xung: từ 0 đến n- 1

Có 2 loại bộ đếm:

Bộ đếm không đồng bộ: không đồng thời đưa tín hiệu

đếm văo câc đầu văo của câc trigger

Bộ đếm đồng bộ: có xung đếm đồng thời lă xung đồng

hồ clock đưa văo tất cả câc trigger của bộ đếm

gọi lă lă lỗi dư

Do trọng số nhị phđn của mỗi vị trí biểu diễn thập phđn

lă tự nhiín nín mây có thể thực

Hiện trực tiếp câc phĩp tính cộng, trừ , nhđn, chia theo

mê NBCD Tuy nhiín nhược điểm chính lă tồn tại tổ hợp toằatoăn Zero, gđy khó khăn trong việc đồng bộ khi truyền dẫn tín hiệu.

Vì vậy người ta dungf mã Dư-3 được hình thành từ mã NBCD bằng cách cộng them 3 vào mỗi tổ hợp mã Như vậy, mã không bao gồm tổ hợp toàn Zero Mã Dư-3 chủ yếu được dung để truyền dẫn tín hiệu mà không dung

cho tính toán trực tiếp.

 Mã Gray

Mã Gray còn được gọi là mã cách 1, là loại mã mà các

tổ hợp mã kế nhau chỉ khác nhau duy nhất 1 bit Loại

mã này không có tính trọng số, do đó giá trị thập phân

đã được mã hóa chỉ được giải mã thông qua bảng mã

mà không thể tinhd theo tổng trọng số như đối vơi mã BCD.

Mã Gray có thể được tổ chức theo nhiều bit Bởi vậy,

có thể đếm theo mã Gray Cũng tương tự như mã BCD ngoài ã Gray chính còn có mã Gray Dư-3.

 Mã chẵn lẻ.

Mã chẵn và mã lẻ là hai loại mã có khả năng phát hiện lỗi duy nhất.để thiết lập loại mã này ta chỉ cần them một bit chẵn/lẻ(bit parity) vào tổ hợp mã đã

cho, nếu tổng số bit trong một từ mã là chẵn thì được mã chăn và ngượ lại ta được mã lẻ

 Mạch mã hóa

Mạch điện thực hiện việc chuyển tin tức sang mã, được gọi là mạch mã hóa.

- Mạch mã hóa từ thập phân sang BCD 8421

Mạch gồm 9 lối vào ứng với các chữ số thập phân

từ 1-9 Lố vào Zero là không cần thiết, vì khi tất cả các lối vào khác bằng 0 thì lối ra cũng bằng 0, bốn lối ra A,B,C,D thể hiện tổ hợp mã tương ứng với mỗi chữ số thập phân trên lối vào theo trọng số 8421.

Bảng trạng thái:

- Mạch mã hóa ưu tiên

Trong bộ mã hóa vừa xét trên, tín hiệu vào tồn tại độc lập(không có trường hợp có 2 tổ hợp trở lên đồng thời tác động) bộ mã hóa ưu tiên ra đời

để giải quyết trường hợp có nhiều đầu vào tác đông đồng thời đối với các trường hợp này thì bộ

mã hóa ưu tiên chỉ tiến hành mã hóa tín hiệu vào nào có cấp ưu tiên cao nhất ở thời điểm xét Việc xác định cấp ưu tiên cho mỗi tín hiệ vào là do người thiết kế mạch

Bây giờ ta xét nguyên tắc hoạt động và quá trình thiết kế của bộ mã hóa ưu tiên 9 lối vào, 4 lối ra.

Theo đề bài, sự mã hóa thực hiện theo mức độ ưu tiên từ L1 đến L9, khi các tín hiệu cùng tác động thì các tín hiệu có mức ưu tiên thấp không tác dụng, nghĩa là bất kể mức logic của nó là 0 hay 1 đều không ảnh hưởng đến lối ra nên gọi nó là điều kiện tùy chọn, ký hiệu là “X”

Bảng trạng thái phản ánh yêu cầu thiết kế, mã hóa theo cấp ưu tiên Một vài IC thường dung

74147 là bộ mã hóa ưu tiên NBCD 4 bit, 74148 là bộ mã hóa ưu tiên NBCD 3 bit.

 Bộ giải mã:

Mạch điện thực hiện việc chuyển từ mã sang tin tức được gọi là amchj giải mã hóa.

- Bộ giải mã nhị phân

Bộ giải mã nhị phân còn có tên là bộ giải mã “1 từ n”” bộ giải mã địa chỉ hoặc bộ chọn địa chỉ nhị phân.Chức năng của nó là lựa chọn duy nhất một lối ra khi tác động tới đầu vào một số nhị phân.

Như vậy, nế số nhị phân là n bit dẽ nhận diện được 2ⁿ địa chỉ khác nhau Nói khác đi mạch chọn địa chỉ nhị phân là một mạch logic tổ hợp có n lói vào và 2ⁿ lối ra, nếu tác động tới đầu vào một số nhị phân thì chỉ duy nhất một lối ra được lựa chọn, lấy giá trị 1 hoặc 0, các lối ra còn lại đều không được lựa chọn lấy giá trị 0 hoặc 1.

Sơ đồ khối tổng quát của bộ chọn địa chỉ:

IC 74154 là một bộ chọn địa chỉ nhị phân 4 vào 16 ra

- Mạch giải mã 7 đoạn

a> Dụng cụ 7 đoạn

Để hiển thị chữ số của một hệ đếm thập phân bất kỳ ta có thể dung dụng cụ 7 đoạn cấu tạo của nó được hình thành bằng nhiều loại vật liệu khác nhau nhưng có khả năng hiển thị được trong các điều kiện ánh sang khác nhau và tốc độ chuyển mạch phải đủ lớn trong ký thuật các đoạn thường được làm bằng led hặc tinh thể lỏng(LCD).

Đối với LED, mỗi đoạn là một diode phát quang và khi có dòng điện

đi qua đủ lớn (5 đến 30mA ) thì đoạn tương ứng sẽ sang.

Ngoài 7 đoạn sang chính, mỗi LED cũng có them Diode để hiện thị dấu phân số khi cần thiết LED có hai loại chính : LED Anot chung và LED catot chung, do đó logic của tín hiệu điều khiển 2 loại này ngược nhau b> Mạch giải mã 7 đoạn

Nhiệm vụ của ta là phải thiết kế một mạch logic liên hợp với 4 lối vào và 7 lối ra để chuyển mã NBCD thành mã 7 đoạn.

Sơ đồ khối tổng quát của bộ giải mã:

 Bộ HỢP KÊNH VÀ PHÂN KÊNH

- Bộ phân kênh

Định nghĩa: Bộ phân kênh là mạch có 1 lối vào dữ liệu n lối vào điều khiển, 1 lối vào chọn mạch và 2ⁿ lối ra

Tùy theo giá trị của n lối vào điều khiển mà lối ra sẽ bằng giá trị của lối vào

Sơ đồ khối khối của bộ DEMUX 1 lối vào 2ⁿ:

Bộ phân kênh còn được gọi là bộ giải mã 1 trong 2ⁿ Tại một thời điểm chỉ có

1 trong 2ⁿ lối ra ở mức tích cực.

IC 74138 là bộ DEMUX 1 lối vào dữ liệu – 8 lối ra:

CHƯƠNG 2: KHỐI TẠO DAO ĐỘNG

1.1 Tìm hiểu IC tạo dao động: IC 555.

Đây là IC loại 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn

ổn, mạch dao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ, … Nhưng trong mạchnày, IC 555 được sử dụng làm bộ phát xung

Thời gian được xác lập theo mạch định thời R, C bên ngoài Dãythời gian tác động hữu hiệu từ vài micrô giây đến vài giờ

IC này có thể nối trực tiếp với các loại IC: TTL/ CMOS/ DTL

1.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555

Chức năng các chân:

+ Chân 1 : ( GND ) Nối mass.

+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.

+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra.

+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.

+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao

động

+ Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh.

+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) Đường xả điện cho tụ trong mạch định thời + Chân 8 : ( Vcc ) Nối với nguồn dương.

1.3 Thiết kế và tính toán mạch tạo dao động 1Hz.

Hình 1.2: Mạch tạo dao động

Hình 1.3: Dạng xung ra

- Công thức tính:

Tm = ln(2) ( R1 + R2 ) C1 : thời gian điện áp mức cao

Ts = ln(2) R2 C1 : thời gian điện áp mức thấp

T = Tm + Ts : chu kỳ toàn phần

Ta chọn C1=1uF, R1=10K, R2=2,2K.Vậy ta có xung ra với chu kì:

T =ln(2) 1 10-6 (10 103 +2 2,2 103)~ 1/100(s)

CHƯƠNG 3 : KHỐI ĐẾM XUNG

3.1 Tìm hiểu IC 7490.

Trong các mạch số ứng dụng, ứng dụng đếm chiếm một phần tương đốilớn IC 7490 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số ứng dụngđếm 10 và trong các mạch chia tần số

+ Khi R9(1) = R9(2)=’1’ thì bộ đếm sẽ được thiết lập ở trạng thái “9”, 2đầu này phải có 1 đầu ở mức thấp và 2 đầu R0(1) và R0(2) không cùng ởmức cao thì bộ đếm mới hoạt động đếm.

- Các chân QA, QB, QC, QD: là các chân đầu ra của bộ đếm

- Ain (CLKA): dùng để đưa tín hiệu vào bộ đếm 2

- Bin (CLKB): dùng để đưa tín hiệu vào bộ đếm 5

- Khi nối QA vào Bin (CLKB) và đưa tín hiệu vào Ain (CLKA) thì

ta có bộ đếm 10

- Các ngõ ra của bộ đếm thay đổi khi có một sườn âm của xung tínhiệu đưa vào của chân đếm bộ đếm hay bộ đếm này chỉ đếm các sườn âmcủa xung tín hiệu

3.1.3 Nguyên lý hoạt động.

Dùng IC 7490, có thể thực hiện một trong hai cách mắc:

- Mạch đếm 2x5: Nối QA vào ngõ vào B, xung đếm (Ck) vào ngõvào A

- Mạch đếm 5x2: Nối QD vào ngõ vào A, xung đếm (Ck) vào ngõvào B

Hai cách mắc cho kết quả số đếm khác nhau nhưng cùng một chu kỳ đếm

10 Tần số tín hiệu ở ngõ ra sau cùng bằng 1/10 tần số xung Ck(nhưngdạng tín hiệu ra khác nhau)

Dưới đây là hai bảng trạng thái cho hai trường hợp nói trên

Bảng 1: Bảng trạng thái của mạch đếm 2x5 và 2x5

Dạng sóng ở các ngã ra của hai mạch cùng đếm 10 nhưng hai kiểuđếm khác nhau:

Hình 2.3: Dạng xung đầu ra của 2 mạch đếm 2x5 và 2x5

- Kiểu đếm 2x5 cho tín hiệu ra ở QD không đối xứng

- Kiểu đếm 5x2 cho tín hiệu ra ở QA đối xứng

Trong cấu tạo của IC 7490, ta thấy có thêm các ngõ vào Reset0 vàReset9 Bảng giá trị của IC 7490 theo các ngõ vào Reset được nêu trênhình 2.31:

Bảng 2: Bảng giá trị cho các ngõ vào Reset IC 7490

3.2 Tìm hiểu IC 7408

7408 là IC tạo cổng AND dùng để thực hiện phép nhân logic

Hình 2.4: IC 74LS08

3.3 Tìm hiểu IC 7432

7432 là IC tạo cổng OR dùng để thực hiện phép cộng logic

Hình 2.5 IC 74lLS32

CHƯƠNG 4: KHỐI GIẢI MÃ

4.1 Tìm hiểu IC giải mă 7 đoạn 74LS47.

Vi mạch TTL 74LS47 là một bộ điều khiển - hiển thị được dùng phổbiến Vi mạch này có các đầu ra đảo do đó sử dụng với LED Anodechung

Vi mạch giải mã 7 đoạn 74LS47 là loại IC có 16 chân dùng để giải mã từ

mã BCD sang mă 7 đoạn để hiển thị được trên led 7 đoạn

4.1.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân

Hình 3.1: Sơ đồ chân IC giải mã74LS47

Hình 3.2: Cấu trúc IC giải mã 74LS47

Chức năng của các chân IC 74LS47 như sau:

+ Chân số 8 là chân nối đất (0V)

+ Chân số 16 là chân nguồn cung cấp (VCC)

+ 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

Chân LT (Lamp Test) được dùng để kiểm tra tình trạng hoạt động(sống hay chết) của các vạch; trong khi chân RB (Ripper Blanking) đượcdùng để tắt tất cả các vạch khi yêu cầu ở trạng thái không hiển thị số

4.1.2 Nguyên lý hoạt động.

Bảng 1: Bảng trạng thái của IC 74LS47

IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt vàmức 0 là sáng tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạnloại Anode chung, trạng thái ngõ ra tương ứng với các số thập phân(các

số từ 10 đến 15 khôngdùng tới)

Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt độnggiải mã bình thường Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấptrạng thái các ngõ ra

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

0 (số 0 thừa phía sau dấu thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI

và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì cácngõ ra đều tắt và ngõ vào xóa RBO xuống mức thấp.Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đềusáng

CHƯƠNG 5 KHỐI HIỂN THỊ

5.1 Tìm hiểu Led 7 thanh.

Led 7 thanh có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theohình 4.1 và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ởgóc dưới bên phải của Led 7 đoạn

8 led đơn trên Led 7 đoạn có Anode (cực dương) hoặc Cathode(cực âm) được nối chung với nhau vào một điểm, và được đưa chân rangoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưathành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện NếuLed 7 đoạn có Anode chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các châncòn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉsáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0 Nếu Led 7 đoạn cóCathode chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), cácchân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, ledchỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Hình 4.1: Dạng chữ và số hiển thị được trên Led 7 thanh

5.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc Led 7 thanh loại Cathode chung và Anode chung

Chức năng các chân.

+ Gnd, Vcc là các chân cấp nguồn chung

+ Các chân a, b, c, d, f, g, dp là các chân cấp nguồn cho các thanh tương ứng a, b, c, d, e, f, g, dp.

5.3 Nguyên lý hoạt động.

- Led Anode chung.

Hình 4.3: Led 7 thanh loại Anode chung

Đối với dạng Led Anode chung, chân COM phải có mức logic 1 vàmuốn

sáng Led thì tương ứng các chân a – f, dp sẽ ở mức logic 0.

PHẦN II: THIẾT KẾ SẢN PHẨM

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH CÁC KHỐI LÀM VIỆC

1.1 Khối tạo dao động 100Hz.

IC 555 có nhiệm vụ tạo ra tần số 100Hz tại đầu ra (chân 3) để cấp chokhối giây của đồng hồ thời gian thực Xung đầu ra có dạng xung vuông

ổn định và cứ mỗichu kì xung thì tương ứng với 0.01 giây

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý

1.2 Khối tích tắc.

Khối giây có nhiệm vụ hiển thị giá trị từ “00” đến “99” Khi khốigiây đếm đến giá trị “99” và sau một chu kì xung tiếp theo thì giá trị đếm

tự động reset về “00”, và đồng thời cấp xung cho khối phút đếm phút

Tần số 100Hz tại đầu ra của IC tạo dao động 555 được cấp chokhối giây để đếm Hàng đơn vị sẽ đếm giá trị từ “0” đến “9”, còn hàngchục sẽ đếm từ “0” đến “9” Cứ sau 1 chu kì xung được cấp thì khối giâyđếm tăng 1 giá trị Ở đây ta phải sử dụng bộ đếm 10 cho hàng chục (c) vàhàng đơn vị (dv) Các chân Q0, Q1, Q2, Q3 tạo thành một bộ đếm lầnlượt tương ứng với bộ đếm A, B, C, D

Hình 1.2: Sơ đồ khối tích tắc