thiết kế bộ đếm nhị phân thuận nghịch kd=16

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA: CƠ KHÍ ******** BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT XUNG SỐ Tên chủ đề nghiên cứu: Thiết kế đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng Kđ=16, sử dụng JK-FF, hiển thị số đến LED Giảng viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Thị Thu Hà Sinh viên thực : Phan Văn Đạt – 2018605076 Phạm Hoàng Bằng - 2018603878 Lớp: CĐT2 Khoá: 13 Hà Nội – Năm 2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM Họ tên sinh viên : Phan Văn Đạt Mã sinh viên: 2018605076 Phạm Hồng Bằng Mã sinh viên: 2018603878 Lớp: 20202FE6021002 Khố: 13 Giảng viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Thị Thu Hà Tên đề tài: Thiết kế đếm nhị phân, thuận nghịch, đồng kđ = 16, sử dụng JK-FF, hiển thị số LED NỘI DUNG THỰC HIỆN TT Nội dung cần thực CĐR Lập kế hoạch làm việc Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt khả thi L1.2; L1.3 Tính tốn thiết kế, xây dựng phân tích mơ hình L1.2; L1.3 Chế tạo lắp ráp L1.2; L1.3 Thử nghiệm hiệu chỉnh L1.2; L1.3 Viết thuyết minh chuẩn bị báo cáo L1.2; L1.3 Báo cáo L1.2; L1.3 L1.3 I Yêu cầu thực hiện: Phần thuyết minh: * Trình bày đầy đủ nội dung đồ án, bao gồm: - Chương Tổng quan (Nêu sở lựa chọn đề tài đồ án, ứng dụng thực tiễn …); - Chương Tính tốn, thiết kế mô phỏng; - Chương Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm hiệu chỉnh; - Phụ lục (nếu có) * Quyển báo cáo trình bày từ 10 đến 15 trang giấy A4 với định dạng theo định số 815/QĐ-ĐHCN ngày 15/08/2019: Sản phẩm đồ án mơn TT Tên sản phẩm Mơ hình (mạch điện) Quyển báo cáo Slide thuyết minh đồ án Định dạng Số lượng 01 Theo định 815/QĐ-ĐHCN 01 01 Phạm vi lựa chọn đề tài - Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử phạm vi kỹ thuật xung số - Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài nhóm), linh kiện điện tử bản… - Đảm bảo an toàn lao động Ngày giao: 13/04/2021 Ngày hoàn thành: 15/05/2021 Hà Nội, ngày 13 tháng 04 năm 2021 Trưởng môn Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Thị Thu Hà PHỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .5 CHƯƠNG TỔNG QUAN .6 Khái niệm .6 Đồ hình trạng thái Phân loại .7 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐẾM,THIẾT KẾ MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN Sơ đồ khối Thiết kế đếm Thiết kế mô 10 Tính tốn 10 Thử nghiệm mô phần mềm Proteus phần mềm Altium .12 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH .16 Liệt kê linh kiện cần dùng 16 Trình bày giá trị, chức linh kiện, cách lắp linh kiện 16 Nguyên lý hoạt động 16 Kết luận 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 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=16 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 CHƯƠNG 2: Thiết kế đếm, thiết kế mơ phỏng, tính toán CHƯƠNG 3: Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm hiệu chỉnh Mặc dù cố gắng hoàn thành báo cáo này, nhiên chúng em tránh sót mong q thầy, bạn đọc đóng góp ý kiến để đồ án hồn thiện Cuối em xin cảm ơn ThS Nguyễn Thị Thu Hà nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm tập lớn để em hoàn thành với thời gian sớm hoàn chỉnh CHƯƠNG TỔNG QUAN 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 Đồ hình trạng thái Đồ hình mơ hình mô tả chuyển đổi trạng thái mơ tả hoạt động đếm Hình Đồ hình trạng thái tổng quát 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 = cho đếm, có ( : Sử dụng n FF để mã hoá trạng thái - Kđ) trạng thái không 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, khơng thay đổi CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐẾM,THIẾT KẾ MÔ 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 yêu 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 mô 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 Từ phương trình đầu vào kích FF phương trình hàm đưa sơ đồ mạch thực Thiết kế mơ 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 = 16 Kđ = 16, có 16 trạng thái, cần sử dụng phần tử nhớ JK-FF Đồ hình trạng thái đếm thuận nghịch Kđ = 16 minh hoạ hình 2.2 Hình 2 Đồ hình trạng thái đếm thuận nghịch Kđ=16 Bảng Bảng chuyển đổi trạng thái giá trị đầu vào kích 10 R S ABCD ABCD J AK A J BKB J C KC J DKD S0 0000 0001 0X 0X 0X 1X S1 0001 0010 0X 0X 1X X1 11 S2 0010 0011 0X 0X X0 1X S3 0011 0100 0X 1X X1 X1 S4 0100 0101 0X X0 0X 1X S5 0101 0110 0X X0 1X X1 S6 0110 0111 0X X0 X0 1X S7 0111 1000 1X X1 X1 X1 S8 1000 1001 X0 0X 0X 1X S9 1001 1010 X0 0X 1X X1 S10 1010 1011 X0 0X X0 1X S11 1011 1100 X0 1X X1 X1 S12 1100 1101 X0 X0 0X 1X S13 1101 1110 X0 X0 1X X1 S14 1110 1111 X0 X0 X0 1X S15 1111 0000 X1 X1 X1 X1 S15 0000 1111 1X 1X 1X 1X S14 0001 0000 0X 0X 0X X1 S13 0010 0001 0X 0X X1 1X S12 0011 0010 0X 0X X0 X1 S11 0100 0011 0X X1 1X 1X S10 0101 0100 0X X0 0X X1 S9 0110 0101 0X X0 X1 1X S8 0111 0110 0X X0 X0 X1 S7 1000 0111 X1 1X 1X 1X S6 1001 1000 X0 0X 0X X1 S5 1010 1001 X0 0X X1 1X S4 1011 1010 X0 0X X0 X1 S3 1100 1011 X0 X1 1X 1X S2 1101 1100 X0 X0 0X X1 S1 1110 1101 X0 X0 X1 1X S0 1111 1110 X0 X0 X0 X1 - Phương trình đầu vào kích: = =1 12 = = = = = = - Sơ đồ logic: Hình Sơ đồ logic Thử nghiệm mô phần mềm Proteus phần mềm Altium Hình Mạch ngun lí mơ phần mềm Proteus 13 Hình 2.5 Mạch ngun lí mơ phần mềm Altium Hình 2.6 Mạch in 2D mơ phần mềm Altium 14 Hình 2.7 Mạch in 3D mơ phần mềm Altium 15 Hình Mạch sau hoàn thành thiết kế YÊU CẦU KĨ THUẬT:        Kích thước BOARD mạch : 4820.042mm x 3560.225mm 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 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 16 Liệt kê linh kiện cần dùng IC 555, 7SEG, IC 7473, IC 7447,nút nhấn… 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 Giá trị Chức IC 555 2V-18V Tạo xung cho mạch điều khiển 7SEG Hiển thị giá trị đếm IC 7473 5v Trigger JK-FF IC 7447 5v IC giải mã cho led 7seg Nguyên lý 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 khơng 0V mà khoảng 0.350.75V Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối mass ngõ mức thấp Cịn 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 Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối GND Chân khơng nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối 17 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 dòng 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 7473: 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 dịng 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 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 không làm việc 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 7447 18 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 ngun 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 khơng thực tế khơng sử dụng Chân (BI/RB0) luôn kết nối với mức cao, kết nối với mức thấp tồn led không sáng bất chấp trạng thái ngõ vào mức Chân (RBI) kết nối với mức cao Kết luận 4.1 Đánh giá sản phẩm: 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, khơng bị rối mắt phải câu dây nhiều 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 20 21 ... 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. .. 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. .. 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 yêu cầu