HAUI-ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4, SỬ DỤNG JKFF

THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4, SỬ DỤNG JKFFMỤC LỤC HÌNH ẢNHMỤC LỤC BẢNG BIỂUNgày nay với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa học công nghệ nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị có các đặc điểm với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạt và hoạt động ổn định . Đó là những yếu tố cần thiết làm cho năng suất, hiệu quả trong công việc được tăng cao, hoạt động của con người được giảm bớt. Xuất phát từ thực tế, nên em chọn đề tài “MẠCH ĐẾM THUẬN NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4 SỬ DỤNG JKFF ” được sử dụng để đếm thời gian,đếm sản phẩm, đèn giao thông, chia tần số và điều khiển các mạch khác……Đồ án điện tử cơ bản gồm có 4 chương:CHƯƠNG 1: Tổng quanCơ sở lý thuyết.CHƯƠNG 2: Thiết kế bộ đếm, thiết kế mô phỏng, tính toán.CHƯƠNG 3: Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh.CHƯƠNG 4: Kết quảKết luận.Mặc dù đã cố gắng hoàn thành bài báo cáo này, tuy nhiên vẫn không thể tránh sót mong quý Thầy, cô và bạn đọc đóng góp ý kiến để đồ án có thể hoàn thiện hơn.Cuối cùng em xin cảm ơn ThS. Vũ Thị Hoàng Yến đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án này để em được hoàn thành với thời gian sớm nhất và hoàn chỉnh nhất.

1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HOÀNG MINH THIỆN - ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN- NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4, SỬ DỤNG JK-FF NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG CBHD: ThS Vũ Thị Hoàng Yến Sinh viên: Hoàng Minh Thiện Mã số sinh viên: 2019607903 Hà Nội- Năm 2020 MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH MỤC LỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ giới mặt, khoa học cơng nghệ nói chung ngành cơng nghệ kỹ thuật Điện Tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho giới ngày đại văn minh Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị có đặc điểm với xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ linh hoạt hoạt động ổn định Đó yếu tố cần thiết làm cho suất, hiệu công việc tăng cao, hoạt động người giảm bớt Xuất phát từ thực tế, nên em chọn đề tài “MẠCH ĐẾM THUẬN- NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4 SỬ DỤNG JK-FF ” sử dụng để đếm thời gian,đếm sản phẩm, đèn giao thông, chia tần số điều khiển mạch khác…… Đồ án điện tử gồm có chương: CHƯƠNG 1: Tổng quan-Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2: Thiết kế đếm, thiết kế mô phỏng, tính tốn CHƯƠNG 3: Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm hiệu chỉnh CHƯƠNG 4: Kết quả-Kết luận Mặc dù cố gắng hoàn thành báo cáo này, nhiên khơng thể tránh sót mong q Thầy, bạn đọc đóng góp ý kiến để đồ án hồn thiện Cuối em xin cảm ơn ThS Vũ Thị Hồng Yến nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm đồ án để em hoàn thành với thời gian sớm hoàn chỉnh 5 CHƯƠNG TỔNG QUAN- CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khái niệm: Mạch đếm mạch dãy đơn giảm xây dựng từ phần tử nhớ phần tử tổ hợp, mạch đếm thành phần hệ thống số Bộ đếm mạch dãy tuần hồn có đầu vào đếm đầu ra, mạch có số trạng thái hệ số đếm (Kđ) Dưới tác động tín hiệu vào đếm mạch chuyển từ trạng thái đến trạng thái khác thoe thứ tự định Cứ sau Kđ lần tín hiệu vào đếm, mạch trở trạng thái xuất phát ban đầu Bộ đếm thực việc đếm dãy xung có xung điều khiển có đầu vào Do đó, xung đồng (CLK) xuất khác thời điểm xung đếm (Xđ) xuất việc đếm xung khơng thực nên mạch đếm phải có xung đếm đưa vào dãy xung đồng hay mạch đếm có đầu vào Hình 1 Sơ đồ khối đếm 6 Đồ hình trạng thái: Đồ hình mơ hình mơ tả chuyển đổi trạng thái mơ tả hoạt động đếm Hình Đồ hình trạng thái tổng qt đếm Khi khơng có tín hiệu vào đếm ( ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i  i) có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch chuyển đến trạng thái kế tiếp( i i+1) Khi đếm trạng thái tác động tín hiệu vào đếm đếm trở trạng thái ban đầu đồng thời xuất tín hiệu lần Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái đếm phải dùng thêm mạch giải mã Phân loại: Có nhiều cách phân loại đếm: Phân loại theo cách làm việc: + Bộ đếm đồng (Synchronous counter): đếm mà chuyển đổi trạng thái FF diễn đồng thời có tác động xung đếm Mọi chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái Sj) không thông qua trạng thái trung gian (SiSj) Xung đồng tác động đồng thời tới phần tử nhớ + Bộ đếm không đồng (Asynchronous counter): đếm tồn cặp chuyển biến trạng thái Si  Sj mà FF khơng thay đổi trạng thái đồng thời (Si  Si’ Si’’ Sj) Xung đồng tác động không đồng thời tới FF Phân loại theo hệ số đếm + Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, sử dụng n FF để mã hố trạng thái cho đếm khả mã hoá tối đa (Kđ = 2, 4, 8, 16 + Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Sử dụng n FF để mã hoá trạng thái cho đếm, có ( - Kđ) trạng thái khơng sử dụng đến Do thiết kế đếm cần phải lưu ý đến trạng thái không sử dụng tức cần phải có biện pháp làm cho đếm khỏi trạng thái cách hợp lý để trở chu trình mà phải đảm bảo đếm thiết kế đơn giản (Kđ = 3, 5, 6, 7, 10 ) Phân loại theo mã: Quá trình đếm đếm trình thay đổi từ trạng thái đến trạng thái khác trạng thái đếm mã hoá mã cụ thể Cùng đếm có nhiều cách mã hố trạng thái khác nhau, cách mã hoá khác tương ứng với mạch thực khác -Mã nhị phân, Mã Gray -Mã BCD, Mã Johnson -Mã vòng Phân loại theo hướng đếm: + Bộ đếm thuận (Up counter): đếm mà có tín hiệu vào đếm (Xđ) trạng thái đếm tăng lên 1.(Si  Si+1) + Bộ đếm nghịch (Down counter): đếm mà có tín hiệu vào đếm (Xđ) trạng thái đếm giảm 1.(Si Si-1) Chú ý: Khái niệm thuận nghịch tương đối chủ yếu vấn đề mã hoá trạng thái đếm + Bộ đếm thuận nghịch: đếm vừa có khả đếm thuận vừa có khả đếm nghịch Phân loại theo khả lập trình: + Bộ đếm có khả lập trình : Kđ thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển + Bộ đếm khơng có khả lập trình : Kđ cố định, không thay đổi CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐẾM,THIẾT KẾ MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN Sơ đồ khối: Hình Sơ đồ khối mạch đếm Thiết kế đếm: Để thiết kế đếm ta tiến hành theo bước sau: - Bước 1: Xác định u cầu tốn Phân tích u cầu đầu tìm số trạng thái - Bước 2: Lập đồ hình trạng thái Căn vào yêu cầu đếm cần thiết kế như: hệ số đếm số yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mơ tả hoạt động đếm - Bước 3: Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa trạng thái đếm theo mã cho Số phần tử nhớ xác định sau: +Mã nhị phân mã Gray n ≥ log2 Kđ +Mã vòng n = Kđ +Mã Johnson n = 1/2 Kđ - Bước 4: Xác định hàm kích FF hàm ra: Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng để xác định phương trình kích cho FF phương trình hàm - Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực 10 Từ phương trình đầu vào kích FF phương trình hàm đưa sơ đồ mạch thực Thiết kế mơ phỏng: Để có đếm làm việc hai chức năng: thuận nghịch người ta sử dụng thêm tín hiệu điều khiển Giả sử gọi tín hiệu điều khiển R, ta quy ước sau: R = đếm thuận R = đếm nghịch Khi phương trình đầu vào kích FF là: Ji = Jith + Jing.R Ki = Kith + King.R Tính tốn: Bộ đếm thuận nghịch đồng mã nhị phân với Kđ = Kđ = 4, có trạng thái, cần sử dụng hai phần tử nhớ JK-FF Đồ hình trạng thái đếm thuận nghịch Kđ = minh hoạ hình 2.2 Hình 2 Đồ hình trạng thái đếm thuận nghịch Kđ=4 Bảng Bảng chuyển đổi trạng thái giá trị đầu vào kích 11 S R AB AB S0 00 01 0X 1X S1 01 10 1X X1 S2 10 11 X0 1X S3 11 00 X1 X1 S3 00 11 1X 1X S2 01 00 0X X1 S1 10 01 X1 1X S0 11 10 X0 X1 Phương trình đầu vào kích: == == R B Sơ đồ logic: Hình Sơ đồ logic Thử nghiệm mô phần mềm Proteus phần mềm Altium 12 Hình Mạch ngun lí mơ phần mềm Proteus Hình Giản đồ xung đầu dạng sóng phần mềm Proteus 13 Hình Mạch ngun lí mơ phần mềm Altium Hình Mạch in 2D mô phần mềm Altium 14 Hình Mạch in 3D mơ phần mềm Altium Hình Mạch sau hồn thành thiết kế YÊU CẦU KĨ THUẬT:        Kích thước BOARD mạch : 106.68mm x 34.544mm Thiết kế mạch in lớp BOTTOM Khoảng cách Clearance là: 0.3mm Độ rộng đường GND là: 0.8mm Độ rộng đường VCC là: 0.7mm Độ rộng đường NET là: 0.5mm Phủ đồng cho GND 15 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 16 1.Liệt kê linh kiện cần dùng IC 555, 7SEG, IC 74LS86, IC 74LS73, IC 74LS47,nút nhấn… 2.Trình bày giá trị, chức linh kiện, cách lắp linh kiện Bảng Bảng liệt kê linh kiện, giá trị linh kiện chức Tên linh kiện IC 555 7SEG IC 74LS86 Giá trị 2V-18V IC 74LS73 IC 74LS47 5v 5v 5v Chức Tạo xung cho mạch điều khiển Hiển thị giá trị đếm Cổng logic XOR, điều khiển tín hiệu mạch đếm Trigger JK-FF IC giải mã cho led 7seg 3.NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 3.3.1 Khối tạo xung – IC 555: IC 555 Ic tạo xung đa năng, Tạo xung vuông đơn giản Chân số 1(GND) : cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung Chân số (TRIGGER): chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sánh dùng transistor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc Chân số (OUTPUT): chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức Mức mức cao, tương đương với gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V mà thực tế mức không 0V mà khoảng 0.35-0.75V Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối mass ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức điện áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức điện áp chân chân Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên Vcc 17 Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở ngồi cho nối GND Chân không nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định Chân số 6(THRESHOLD): chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt Chân số 7(DISCHAGER): xem chân khóa điện tử chịu điều khiển tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại, ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động Chân số 8(Vcc) chân cung cấp áp dịng cho IC hoạt động Khơng có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V-18V Tần số tính sau: F= C2 tụ nối với chân số R2 chân chân chân R1 biến trở 3.3.2 Khối Trigger JK – IC 74LS73: Chân (VCC) chân cấp nguồn 5V IC hoạt động lớn IC bị chết nhỏ q Ic khơng làm việc Chân 11(GND) chân nối mass để tạo dòng điện Nếu chân khơng nối mass để hở IC khơng làm việc dẫn tới mạch không hoạt động Chân 3,14,7,10 (chân J1,K1,J2,K2) chân tín hiệu vào IC Các chân ln thay đổi trạng thái kết hợp với xung clock cho ngõ Q Chân 1,5 (chân CLK) chân xung clock Trigger, tích cực sườn xuống xung nghĩa làm việc khoảng thời gian xung từ mức cao chuyển xuống mức thấp, ta cấp mức cao mức thấp khơng làm việc 18 Chân 2,6 (chân CLR) chân Clear có nhiệm vụ xóa trạng thái Ở tích cực mức thấp ta nối xuống mass hoạt động cịn nối lên mức cao khơng hoạt động Chân 9,12 (Q1,Q2) chân trạng thái bình thường Trigger JK Chân 8,13 (chân đảo) chân trạng thái đảo so với chân 9,12 3.3.3 Khối giải mã – IC 74LS47 Chân 16 cấp nguồn VCC 5V, 5V IC bị chết Chân chân nối GND (mass) Các chân 1,2,6,7 chân tín hiệu vào ứng với A,B,C,D Các chân 15,14,13,12,11,10,9 chân ra, chân nối với led bảy nối hình mạch nguyên lí Chân thứ LT( Lamp Test) tên gọi nó, chân chân kiểm tra led bảy đoạn, ta cắm chân xuống mass giải mã sáng lúc với bảy đoạn Chân phục vụ để kiểm tra xem có led bị hỏng hay không thực tế khơng sử dụng Chân (BI/RB0) ln ln kết nối với mức cao, kết nối với mức thấp tồn led khơng sáng bất chấp trạng thái ngõ vào mức Chân (RBI) kết nối với mức cao 3.3.4: Khối điều khiển – IC 74LS86: Là cổng logic XOR, có hai đầu vào đầu ra.Khi hai mức logic đầu vào đầu “0” ngược lại, hai mức logic đầu vào khác đầu chúng “1” Chân IC 74LS86 nối với mức điện áp cao nối thêm nút nhấn để điều khiển trạng thái đếm thuận hay nghịch Chân IC 74LS86 nối với chân 12 (Q2) Trigger JK-FF Chân IC 74LS86 nối với chân ( J1) Trigger JK-FF CHƯƠNG KẾT QUẢ-KẾT LUẬN 4.1 Đánh giá sản phẩm: 19 Ưu điểm: mạch chạy yêu cầu, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, chi phí phù hợp Nhược điểm: bố trí mạch chưa khoa học, thiết kế chưa mang tính cơng nghiệp 4.2 Tính thực tế sản phẩm: Đây đề tài hay ứng dụng nhiều đời sống công nghiệp.Nhằm tăng suất, hiệu công việc giảm sức lao động người, MẠCH ĐẾM đưa vào sử dụng thay người công việc đếm sản phẩm, đếm thời gian, đèn giao thông, chia tần số điều khiển mạch khác… Với đặc điểm tiện lợi, xác cao, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt; MẠCH ĐẾM nhanh chóng biết đến sử dụng rộng rãi lĩnh vực 4.3 Đề xuất cải tiến hướng phát triển: Hướng phát triển:Có thể thay linh kiện, IC tạo xung, IC điều khiển, IC giải mã… linh kiện khác thị trường mà đáp ứng nhu cầu đề tài Đề xuất cải tiến: thiết kế mạch phù hợp hơn, để mạch thống nhất, không bị rối mắt phải câu dây nhiều TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 Nguyễn Thị Thu Hà-Lê Văn Thái-Nguyễn Ngọc Anh, (2013), Giáo trình Điện tử số, Hà Nội, NXB Khoa học Kỹ thuật Trần Đình Thơng -Nguyễn Thị Thu Hà,(2016),Giáo trình Mạch điện tử, Hà Nội, NXB Khoa học Kỹ thuật  ... chọn đề tài “MẠCH ĐẾM THUẬN- NGHỊCH, ĐỒNG BỘ, NHỊ PHÂN VỚI KĐ=4 SỬ DỤNG JK-FF ” sử dụng để đếm thời gian ,đếm sản phẩm, đèn giao thông, chia tần số điều khiển mạch khác…… Đồ án điện tử gồm có chương:... khiển + Bộ đếm khơng có khả lập trình : Kđ cố định, không thay đổi CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐẾM,THIẾT KẾ MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN Sơ đồ khối: Hình Sơ đồ khối mạch đếm Thiết kế đếm: Để thiết kế đếm ta tiến... Bộ đếm thuận nghịch đồng mã nhị phân với Kđ = Kđ = 4, có trạng thái, cần sử dụng hai phần tử nhớ JK-FF Đồ hình trạng thái đếm thuận nghịch Kđ = minh hoạ hình 2.2 Hình 2 Đồ hình trạng thái đếm thuận