báo_cáo_xung_số ver2.1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ GVHD: NGUYỄN THỊ THU HÀ LỚP: CƠ ĐIỆN TỬ – K13 NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: Nguyễn Duy Minh - 2018602030 Nguyễn Thanh Nam - 2018604712 Lương Văn Ngân - 2018604551 Hà Nội - 2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số trở thành quen thuộc với nhiều người, phát triển ngành kỹ thuật số có ảnh hưởng lớn đến ngành kinh tế tồn cầu Có người nêu lên ý tưởng gọi kinh tế thời đại “ kinh tế kỹ thuật số “, “số hóa” gần vượt khỏi ranh giới thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu điểm xử lý số độ tin cậy truyền dẫn, tính đa thích nghi kinh tế nhiều phần mềm khác nhau, tính tiện lợi điều khiển khai thác mạng Số hóa xu hướng phát triển tất yếu nhiều lĩnh vực kỹ thuật kinh tế khác Không lĩnh vục thông tin liên lạc tin học Ngày nay, kỹ thật số thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điều khiển tự động, phát truyền hình, y tế, nơng nghiệp dụng cụ sinh hoạt gia đình Ngay từ ngày đầu khai sinh, kỹ thuật số nói riêng ngành điện tử nói chung tạo nhiều bước đột phá mẽ cho ngàng kinh tế khác đảm bảo yêu cầu người dùng chất lượng dịch vụ Đồng thời kiến thức kỹ thuật số thiếu sinh viên Công nghệ kĩ thuật số có nhiều ứng dụng rộng rãi thực tế, với nhiều ứng dụng tiện ích sử dụng kĩ thuật, dời sống, công nghiệp nhà máy xí nghiệp sản xuất tiện nghi nhà Một ứng dụng tiện ích kĩ thuật số chức đếm với mạch đếm đếm sản phẩm, đếm số người vào phòng, thang máy hay đếm xe vào cổng ứng dụng thực tế 1.2 ỨNG DỤNG CỦA MẠCH ĐẾM Mạch đếm chia hay không chia ( đếm chia 10, đếm chia 6, đếm chia cho 12), không đồng hay đồng bộ, ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Ỡ ứng dụng mạch đếm dùng kết hợp với nhiều loại mạch khác dao động, so sánh , giải mã, Phần nêu số loại mạch ứng dụng mạch đếm để đơn giản, chúng trình bày dạng sở đồ khối Hơn nữa, ngày có nhiều IC tích hợp quy mô lớn hay lớn (LSI, VLSI) kết hợp nhiều chức khiến mạch trở nên đơn giản hơn, dùng IC rời dễ trình bày nguyên lí 1.2.1 Đếm nhiều hàng hay chia tần số liên tiếp Khi đếm số lượng để hiển thị số thập phân thường phải dùng nhiều mạch đếm chia 10, chẳng hạn 7490 Mạch đếm nơi có xung đếm vào hàng đơn vị, mạch đếm hàng chục, hàng trăm Ta nói mạch đếm có nhiều số, số có giá trị thấp LSD số có giá trị cao MSD Ví dụ để đếm từ lên đến 999 cần mạch đếm mắc nối tiếp Với số đếm tối đa 999 tuỳ theo dấu thập phân nằm đâu mà có trị số 999, 99.9, 9.99, Số đếm mạch đếm đưa vào khối hiển thị gồm mạch giải mã đèn hiển thị (xem chừng 9) Ở mạch hình mạch đếm 7490 thứ đếm đầy tức đạt đến số đếm 1001 = 910, có thêm xung vào mạch đếm tự động reset tức ngõ QD từ xuống tạo cạnh xuống đến ngõ vào CLKB mạch đếm 7490 thứ làm ngõ mạch đếm 0001 = Số đếm lúc mạch đếm 1010 Tiếp tục mạch đếm lên 11 … 19 20 , 21 ….29, 30, 31… Hình 1.1 Mạch đếm hàng Các chân IC đếm, nối mạch xung vào phải thực đồng mạch hoạt động Ngoài ra, cịn phải xếp ngõ xố để xố mạch cần Ở hình vẽ cách : mở điện tụ chưa nạp điện nên ngõ xoá cao để xoá mạch 5đếm, sau thời gian ngắn (vài us), tụ nạp gần đủ điện khiến ngõ xoá xuống thấp cho phép mạch lên, cần xố mạch ấn nút để đưa ngõ xoá lên cao chốc lát Mặt khác mạch đếm mạch chia tần nên nhiều ứng dụng mạch 5đếm dùng mạch 5chia tần Ví dụ với hai mạch đếm thập giải mắc nối tiếp hình tần số ngõ QD 7490 thứ 1/100 tần số xung vào Dùng ngõ khác thay QD hay dùng IC đếm khơng phải thập giai (như 7493, 7492…) ta có chia tần mong muốn 1.2.2 Mạch đếm kiện Các IC đếm thường coi trung tâm mạch đếm biến cố hay kiện chẳng hạn đếm số xe vào bãi, số người qua cửa, số sản phẩm băng truyền đóng gói Hình minh hoạ cho mạch đếm Ta phải cần mạch phát hay cảm biến để chuyển đổi thay đổi tượng thành xung điện kích cho mạch đếm Nếu cần, thêm mạch lọc nhiễu, khuếch đại chuyển đổi để phù hợp với ngõ vào IC đếm Khi nhận xung kích vào chân ck, IC đếm đếm lên ,tuỳ theo giới hạn số xung vào mà ta nối chồng thêm nhiều IC đếm số đếm lớn Mạch giải mã hiển thị biết cho phép biết số người vào cổng Giả sử yêu cầu đề cho phép 99 người vào, cần thêm mạch báo tràn để số người vượt số đếm mạch (mạch reset) led sáng hình vẽ ta lấy mức tín hiệu tràn để điều khiển mở nguồn cho 1động để đóng cửa lại Ơ thiết kế tới số đếm 99 bạn thiết kế số đếm tuỳ ý, phải dùng mạch đếm phù hợp, cổng logic thêm vào cho phép báo tràn số tuỳ ý (thiết kế tổ hợp ngõ ra) Hình 1.2 Hình minh hoạ mạch đếm kiện 1.2.3 Mạch đếm tần Máy đếm kiện (đếm tích luỹ) thêm số mạch điện để trở thành máy đếm tần số (frequency counter) Máy đếm tần số đầy đủ phức tạp Ở trình bày nguyên lí máy đếm tần số đơn giản Hình sơ đồ khối mà phần trung tâm gần giống máy đếm kiện Hình 1.3 Các khối mạch đếm tần Trước tiên mạch dao động, ví dụ dao động cổng logic mà ta biết, chia tần số xuống để có tín hiệu TTL đối xứng tần số 0,5Hz Đây tín hiệu điều khiển có chu kỳ 2s với thời gian cao 1w thấp 1s Ở đầu chu kỳ tín hiệu xung mở cổng(từ mạch dao động chia tần) lên cao mở cổng And cho xung vào khối đếm (sau xử lí khuếch đại, lọc, nắn dạng mạch giao tiếp) mạch đếm đếm lên sau 1s xung mở cổng xuống thấp ngăn không cho xung vào khối đếm Đồng thời xung mở cổng vừa xuống thấp mạch tạo xung chốt tạo xung hướng dương hẹp để chốt số đếm khối đếm vào khối chốt (khối chốt FF D), số đếm lưu giữ số đếm chốt vào Số đếm chốt giải mã hiển thị Vì cổng And mở 1s nên có n xung vào số đếm n tần số n Hz Do mạch hình cho phép đo tần số từ Hz lên đến 9999 Hz Trên tần số 9999 Hz (từ số xung vào khối đêm 1s lớn 999 xung) đèn báo tràn sáng (hoặc cách báo tràn khác ví dụ nhảy tồn số hay lên số hàng cao tức MSD) Khi xung mở cổng từ cao xuống thấp số đếm chốt vào nói cạnh xuống xung mở cổng qua mạch dao động đa hài đơn ổn xung có cạnh xuống trì hỗn thời gian ngắn so với cạnh xuống xung vào, cạnh cuống xung đến mạch tạo xung reset để phát xung reset thích hợp cho mạch đếm mạch báo tràn Sau xung mở cổng lại lên cao xung vào đếm 1s , sau s xung mở cổng xuống thấp số đếm lần chốt vào Trong suốt thời gian xuống thấp cao trở lại, tổng cộng 2s, máy hiển thị số đếm lấn Khi số đếm lần chốt vào máy hiển thị số đếm lần mà giống hay khác trước Mạch tiếp tục hoạt động theo chu kì 1.2.4 Đồng hồ số Phần trình bày đồng hồ số dạng linh kiện rời Thực mạch dạng khơng cịn sử dụng cơng nghệ tích hợp cho phép tạo đồng hồ số nhỏ gọn đỡ tốn điện, nhiều chức hay dùng vi điều khiển vi xử lí để lập trình cho đồng hồ số Tuy nhiên đồng hồ số dạng cho phép người học hiểu nguyên lí biết ứng dụng thực tế mạch đếm nên nêu Sơ đố khối mạch hình : Hình 1.4 Khối đồng hồ số (kiểu cũ) Nguồn dao động tần số Hz cung cấp cho ngõ kích ck lấy từ mạch dao động thạch anh kết hợp cổng logic (nếu muốn xác), lấy từ dao động 555 (nếu muốn tương đối xác) hay lấy từ lưới điện xoay chiều 220V/50Hz chia áp, lọc, nắn dạng chia tần Tần số 1Hz kích cho mạch đếm 7490 cho phép hiển thị hàng giây led đoạn lúc chia 10 ngõ QD cung cấp xung cho mạch đếm sau, tức tần số chia 0,1Hz Tương tự tần số 0,1Hz kích cho 7492 đếm để hiển thị hàng chục giây led đoạn, động thời chia ngõ để tạo xung kích cho hàng phút Cứ cách chia hiển thị cho phép chia tần số tới 1/giờ hiển thị tới hàng Để hiển thị hàng chục (chỉ hay 1) cần dùng FF JK đủ (đếm mod dùng nửa IC 74LS73) : QD 7490 kế trước từ cao xuồng thấp (sau đếm đủ 9) tạo xung kích cho FF JK làm lật trạng thái ngõ ra, tức Q lên cao làm sáng số Khi ngõ Q0, Q1 7490 ngõ Q nửa 74LS73 đầu (FF JK đầu) lên đồng hồ báo 12 59 phút 69 giây cộng giây ngõ cổng Nand xuống thấp xoá FF xoá mạch đếm 7490 kế Hai hiển thị gắn với mạch quay Để hiển thị chữ AM, FM ta dùng FF JK thứ 74LS73 : Q FF JK đầu xuống thấp Q FF JK thứ lên cao, mức cho phép hiển thị chữ AM, Q FF JK đầu xuống thấp lần nàyĠ FF JK thứ lên cao tức chữ PM thấy chữ AM Hiển thị AM/PM đơn giản cấp mức áp cao để phân cực cho led hình AM/PM khơng phải dùng mạch giải mã hàng trước CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ PHỎNG tổng qt mạch đếm Khái quát đề tài Mạch đềm thuận nhị phân đồng Kd=8 sử dụng khối chính: - Khối tạo xung - Khối đếm mã BCD - Khối giải mã BCD - Khối hiển thị kết 2.1 NGUYÊN LÝ VÀ CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI 2.1.1 Khối nguồn Nguồn điện sử dụng nguồn chiều lấy từ sạc pin điện thoại Cung cấp điện áp 5VDC ổn định cho mạch Hình 2.5 sạc pin điện thoại 10 Hình 3.1.21 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động FF D 2.1.3.4 Khối giải mã BCD Mạch giải mã BCD led dùng phổ biến thiết bị điện tử sơ đồ mạch cồng kềnh khó lắp ráp để thu gọn kích thước lắp ráp tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp,các nhà sản xuất linh kiện điện tử tích hợp mạch cổng tạo hàm a,b,c,d,e,f,g đế cách điện đóng chung vào vỏ.Như tạo mạch tổ hợp BCD led ,mạch gọi IC giải mã BCD led Hình 2.8 Mạch giải mã 7447 Chân 16 cấp nguồn Vcc cụ thể 5V 5V ic bị chết Chân chân nối GND(mass) Các chân 1,2,6,7 chân tín hiệu vào ứng với B,C,D,A Các chân 15,14,13,12,11,10,9 chân ,các chân nối với led nối hình 15 Chân thứ LT(Lamp test ) tên gọi chân chân kiểm tra led đoạn,nếu ta cắm chân xuống mass giải mã sáng lúc với đoạn.Chân phục vụ để kiểm tra xem có led bị hỏng hay không thực tế không sử dụng Chân BI/RB0 ln ln kết nối với mức cao ,nếu kết nối với mức thấp tồn led không sáng bất chấp trạng thái ngõ vào Chân RBI kết nối với mức cao Hình 2.9 sơ đồ chân mạch giải mã 7447 2.1.3.5 Khối hiển thị kết a) Led (7-segment Display) Hay gọi led đoạn thiết kế để hiển thị số số ký hiệu khác Sự phát xạ photon xảy mà tiếp giáp diode bị lệch phía trước nguồn điện áp bên cho phép dịng điện chạy qua gọi q trình phát quang Led đoạn bao gồm nhiều led tích hợp bên trong, led nối chung chân Trong thực tế có hai loại led đoạn led đoạn anod chung led đoạn 16 katot chung Theo yêu cầu đề tài này, ta sử dụng led đoạn anode chung Hình 2.10 Sơ đồ LED 7thanh Anode chung (CA): Trong hình hiển thị Anode chung, tất kết nối Anode LED nối với mức logic “1”, phân đoạn LED riêng lẻ sáng cách áp dụng cho tín hiệu logic “0” mức thấp “LOW” thơng qua điện trở giới hạn dịng điện để giúp phù hợp với cực Cathode với đoạn LED cụ thể từ a đến g LED Anode chung Nói chung LED Anode chung thường phổ biến mạch điện thường sử dụng nối với nguồn chung Với số lưu ý LED Cathode chung thông thường mạch nối cực dương chung ngược lại nối với dương nguồn mạch LED đoạn Cathode chung phát sáng Tùy thuộc vào chữ số thập phân mà LED hiển thị LED nên phân cực thuận Chẳng hạn, hiển thị chữ số bắt buộc cần phải làm sáng đoạn LED tương ứng a, b, c, d, f Do đó, số khác thể từ – hình Đối với dạng Led anode chung, chân COM phải có mức logic muốn sáng Led tương ứng chân s-f,dp mức logic 17 Vì LED anode chung lên tương ứng mức logic cao “x” sáng hiển thị theo số nhị phân Bảng chân lý LED thanh: Bảng Bảng chân lý LED b) Bóng đèn LED đơn 3mm Hình 2.11 Các loại bóng đèn LED kích thước bóng đèn LED Thơng số • - Chiều dài Pin: 16mm • - Đường kính: 3mm • - Dịng tiêu thụ: 5mA - 18mA • - Điện áp tham chiếu: 18 • + Đỏ, Vàng: 1.8V - 2.2V • + X.Lá – X.Dương: 2.1V – 2.6V 2.2 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ 2.2.1 Thiết kế nguồn xung cho mạch dùng IC 555 Hình 12 Sơ đồ nguyên lí IC 555 Lựa chọn nguồn xung cho mạch dùng IC 555 Yêu cầu: Thiết kế mạch tạo xung có xung đầu 5V Độ đầy xung 50% Tần số 1,54Hz Tính tốn: Xét tụ C nạp, chiều dòng điện 5V: R1R2Cmass τ n = ( R1 + R2 ).C Điện áp nạp vào OA1 OA2: Điện áp nạp từ OA1: (3.1) −t τn U cn = Ec (1 − e ) (3.2) U cn (t1 ) = Ec (3.2) 19 −t Điện áp nạp từ OA2: Ec (1 − eτ n ) = Ec ⇒ (3.3) t1 = −τ n ln ⇔ (3.4) U cn (t2 ) = Ec (3.5) −t Ec (1 − e ) = Ec ⇔ (3.6) t2 = −τ n ln ⇒ (3.7) −t x = ln τp (3.8) τn Ta có: t x = t2 − t1 = −τ n ln ⇔ ⇒t x = t2 − t1 = ( R1 + R2 ).C.ln Điện áp chân có dạng xung hình vng với chu kì là: T = Tx + Tx ' = ( R1 + R2 ).C.ln + R2 C.ln  '  T = R C.ln = Q T = 50% x  x f     T = = Tx + Tx ' = ( R1 + R2 ).C.ln + R2 C.ln  f   Chọn giá trị cho tụ điện là: C = 0, 47 µ F (3.9) (3.10) (3.11) (3.12) (3.13) ⇒ Giá trị điện trở cần dùng cho mạch tạo xung là:  R1 = 6800Ω = 6,8k Ω   R2 = 1000000Ω = 1M Ω 2.2.2 Thiết kế mạch đếm thuận nhị phân đồng Kđ=8 2.2.2.1 Đồ hình trạng thái Kđ=8 nên chọn trạng thái 20 (3.14) Bộ đếm thuận nên trạng thái ban đầu 000 trạng thái kết thúc vịng đếm 111 Q trình đếm biểu diễn qua đồ hình trạng thái sau: 000 001 010 011 111 110 101 100 Hình 2.13 Mã hóa đồ hình trạng thái 2.2.2.2 Bảng chuyển đổi trạng thái giá trị đầu vào kích Qn ABC Qn+1 D-FF ABC D2 D1 D0 000 001 0 001 010 010 011 1 011 100 0 100 101 1 101 110 1 110 111 1 111 000 0 TỐI THIỂU HÓA BẢNG KARNAUGH XÉT D2 21 A BC 00 01 11 10 0 1 1 Bảng Tối thiểu D2 bảng karnaugh XÉT D1 A BC 00 01 11 10 0 1 1 Bảng Tối thiểu D1 bảng karnaugh XÉT D0 A BC 00 01 11 10 0 1 0 Bảng Tối thiểu DC bảng karnaugh Phương trình đầu vào kích: 2.2.3 Mạch đếm xung sử dụng D-FF 00 01 22 Hình 2.14 Đồ hình trạng thái 10 Bảng chuyển đổi trạng thái giá trị đầu vào kích: Qn Qn+1 D-FF XY XY DX DY R 00 01 01 10 0 10 00 0 XX XX XX X X Phương trình đầu vào kích: Xét Dx X Y 0 1 X Y 1 X Y Xét Dy X Xét R X 23 0 1 X Hình 2.15 Mạch mơ sử dụng phần mềm proteus 24 CHƯƠNG CHẾ TẠO LẮP RÁP THỬ NGHIỆM 3.1 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG PHẦN MỀM ALTIUM Sau mô phần mềm proteus, nhóm lựa chọn IC 7408(AND), 7486(OR), 7447(chuyển NBCD sang mã led thanh) Hình 16 File vẽ schematic mạch phần mềm Altium Sau update file nguyên lí sang file mạch in Altium danh sách linh kiện cần mua: ST Tên linh kiện Số lượng IC 555 IC7474 3 IC 7408 IC 7486 IC7447 LED LED đơn 3mm Tụ điện 0,47uF T 25