THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM 8 SẢN PHẨM (SỬ DỤNG D-FF), HIỂN THỊ TRẠNG THÁI ĐẾM TRÊN LED 7 THANH

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM 8 SẢN PHẨM (SỬ DỤNG D FF), HIỂN THỊ TRẠNG THÁI ĐẾM TRÊN LED 7 THANH Giáo viên hướng dẫn ThS Nguyễn Thị Thu Hà Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Anh 2018600801 Nguyễn Ngọc Dũng 2018601579 Nguyễn Xuân Được 2018601154 Hà Nội 2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂNNHÓM Họ và tên sinh viên 1 Nguyễn Đức Anh Mã sinh viên 2018600801 2 Nguyễn Ngọc Dũng Mã sinh viên 2018601579 3 Nguyễn Xuân Được Mã sinh viên.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT XUNG SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM 8 SẢN PHẨM (SỬ DỤNG D-FF), HIỂN THỊ TRẠNG THÁI ĐẾM TRÊN LED 7

THANH

Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Thu Hà

Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Anh 2018600801

Nguyễn Ngọc Dũng 2018601579 Nguyễn Xuân Được 2018601154

Hà Nội - 2021

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

Họ và tên sinh viên :

1. Nguyễn Đức Anh Mã sinh viên: 2018600801

2 Nguyễn Ngọc Dũng Mã sinh viên: 2018601579

3. Nguyễn Xuân Được Mã sinh viên: 2018601154

Lớp: 20202FE6021001 Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà

Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm 8 sản phẩm (sử dụng D-FF), hiển thị trạng thái

đếm trên LED 7 thanh

NỘI DUNG THỰC HIỆN

2 Phân tích lựa chọn ý tưởng tốt nhất và khả thi L1.2; L1.3

3 Tính toán thiết kế, xây dựng và phân tích mô hình L1.2; L1.3

6 Viết thuyết minh và chuẩn bị báo cáo L1.2; L1.3

I Yêu cầu thực hiện:

1 Phần thuyết minh:

* Trình bày đầy đủ các nội dung đồ án, bao gồm:

- Chương 1 Tổng quan (Nêu cơ sở lựa chọn đề tài đồ án, ứng dụng trong thực

tiễn …);

- Chương 2 Tính toán, thiết kế mô phỏng;

- Chương 3 Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh;

2 Quyển báo cáo Theo quyết định 815/QĐ-ĐHCN 01

3 Phạm vi lựa chọn đề tài

- Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số.

- Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh kiện điện tử cơ 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 bộ môn Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Thị Thu Hà

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 6

LỜI CẢM ƠN 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 8

1.1 Giới thiệu chung 8

1.1.1 Khái niệm 8

1.1.2 Phân loại 8

1.2 Cơ sở chọn đề tài 12

1.3 Ứng dụng trong thực tiễn 12

1.4 Phạm vi lựa chọn đề tài nghiên cứu 13

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 14

2.1 Tính toán hệ thống 14

2.2 Mạch D-FF đếm 8 sản phẩm 16

2.3 Thiết kế mạch 16

2.4 Phân tích và lựa chọn linh kiện 17

1 IC 7408 cổng AND 17

2 IC 7432 cổng OR 18

3 IC 4070 cổng XOR 18

4 IC 4093 cổng NAND 19

5 IC 74LS74 – DFF 19

6 IC 7447 – giải mã led 7 thanh 20

7 Led 7 thanh 20

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 22

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí và các bộ phận điện tử 22

KẾT LUẬN 25

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ký hiệu FF 8

Hình 1.2 Kí hiệu khối của 4 loại FF nảy bởi cạnh lên Ck 9

Hình 1.3 Dạng sóng minh hoạ cho FF RS 9

Hình 1.4 Dạng sóng minh hoạ cho FF JK 9

Hình 1.5 FF JK từ FF SR 10

Hình 1.6 Cấu trúc mạch của FF JK 10

Hình 1.7 Kí hiệu khối của FF T 10

Hình 1.8 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF T 11

Hình 1.9 FF T dùng làm mạch chia tần 11

Hình 1.10 Kí hiệu khối 11

Hình 1.11 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF D 12

Hình 1.12 Kí hiệu khối và bảng sự thật của chốt D 12

Hình 1.13 Cấu tạo chốt D 12

Hình 2.1 Biểu đồ trạng thái của bộ đếm nhị phân 3 bit 14

Hình 2.2 Đếm chuỗi sau mỗi xung 15

Hình 2.3 Mạch D-FF 16

Hình 2.4 Mạch đếm 8 sản phẩm sử dụng D-ff 17

Hình 2.5 IC 7408 17

Hình 2.6 IC 7432 18

Hình 2.7 IC 4070 18

Hình 2.8 IC 4093 19

Hình 2.9 IC 74LS74 20

Hình 2.10 IC 7447 20

Hình 2.11 Led 7 thanh 21

Hình 3.1 Mạch vẽ mô phỏng 22

Hình 3.2 Mạch dựng 3D 22

Hình 3.3 Mạch nguyên lí sau khi được in ra 23

Hình 3.4 Ngâm mạch in vào dung dịch FeCl3 23

Hình 3.5 Mạch hoàn thiện và chạy thử 24

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khái niệm kỹ thuật số đã trở nên quên thuộc với nhiều người, bởi vì sự pháttriển của nghành kỹ thuật số đã có ảnh hưởng rất lớn đến nghành kinh tế toàn cầu cóngười đã nêu lên ý tưởng gọi nền kinh tế của thời đại chúng ta là “nền kinh tế kỹ thuậtsố”, “số hóa” đã gần như vượt khỏi ranh giới của một thuật ngữ kỹ thuật Nhờ có ưu điểmcủa xử lí số như độ tin cậy trong truyền dẫn, tính đa thích nghi và kinh tế của nhiều phầnmềm khác nhau, tính tiện lợi trong điều khiển và khai thác mạng Số hóa đang là xuhướng phát triển tất yếu của nhiều linh vực kỹ thuật và kinh tế khác nhau Không chỉtrong lĩnh vực thông tin liên lạc và tin học

Ngày nay, kỹ thuật số đã và đang thâm nhập mạnh mẽ vào Kỹ thuật điện tử, Điềukhiển tự động, Phát thanh truyền hình, Y tế, Nông nghiệp và ngay cả trong các đồ dùngsinh hoạt gia đình Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụngcác linh kiện bán dẫn đã phần vào giảm bớt giá thành sản phẩm làm bằng các linh kiệnrời Ứng dụng môn kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xung số ngày càng nhiều Nó thâm nhậpnhanh chóng vào các lĩnh vực điện tử thông dụng và chuyên nghiệp Trong đố án này,nhóm chúng em lựa chọn đề tài Thiết kế mạch đếm 8 sản phẩm (sử dụng D-FF), hiển thịtrạng thái đếm trên LED 7 thanh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất cô Nguyễn ThịThu Hà – người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động viên chúng em trongsuốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án môn học này

Chúng em xin trân trọng cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô khoa Cơ Khí trường Đại HọcCông Nghiệp hà Nội, những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản,cũng như đã nhiệt tình quân tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng em được họctập, nghiên cứu hoàn thành đồ án Kỹ thuật xung số này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG1.1 Giới thiệu chung

1.1.2 Phân loại

Hình 1.2 Kí hiệu khối của 4 loại FF nảy bởi cạnh lên Ck

a) FF SR (mạch lật lại đặt)

Hình 1.3 Dạng sóng minh hoạ cho FF RS

FF RS nảy cạnh lên khi đó sẽ kí hiệu hình tam giác ở sơ đồ khối và dấu mũi tên lên trongbảng trạng thái

FF RS nảy bằng cạnh xuống tương tự và có khí hiệu thêm hình tròn nhỏ hay gạchđầu Ck để chỉ cạnh xuống ở ký hiệu khối và vẽ dấu mũi tên xuống ở bảng trạng thái

b) FF JK

FF JK bổ sung thêm trạng thái cho FF RS ( tránh trạng thái cấm)

Hình 1.4 Dạng sóng minh hoạ cho FF JK Nhận thấy đầu vào J, K điều khiển trạng thái ngõ ra theo đúng như cách mà S R đã làmtrừ 1 điểm là khi J = K = 1 thì trạng thái cấm được chuyển thành trạng thái ngược lại ( với

J = K = 0 ) Nó còn gọi là chế độ lật của hoạt động

Từ dạng sóng có thể thấy rằng ngõ ra FF không bị ảnh hưởng bởi sườn xuống của xung

ck các đầu vào J K cũng không có tác động trừ khi xảy ra tác động lên của Ck

FF JK có thể tạo thành từ FF SR có thêm 2 đầu and có ngõ ra đưa về như hình :

Hình 1.5 FF JK từ FF SR Còn cấu tạo bên trong của FF JK kích bằng cạnh sườn sẽ như sau :

Hình 1.6 Cấu trúc mạch của FF JK

c) FF T

Khi nối chung 2 ngõ vào JK như hình dưới thì sẽ được FF T : chỉ có một ngõ vào T, ngõ

ra sẽ bị lật lại trạng thái ban đầu khi ngõ T tác động và mỗi khi có cạnh sườn lên hayxuống của xung ck

Kí hiệu khối và bảng trạng thái của FF T như sau :

=>

Hình 1.7 Kí hiệu khối của FF T

Hình 1.8 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF T

FF T được sử dụng chính để tạo mạch đếm chia 2 Khi T nối lên mức 1 (Vcc) hay đểtrống, xung kích lần lượt đưa vào ngõ Ck Nhận thấy ngõ ra Q sẽ lật trạng thái mỗi lần ckxuống hay lên Tần số xung ngõ ra Q chỉ còn bằng một nửa tần số ngõ vào ck nếu đưa Qnày tới các tầng FF sau nữa thì lần lượt tần số f sẽ lại được chia đôi Đây là nguyên líchính của mạch đếm sẽ được xét đến ở phần sau

Hình 1.9 FF T dùng làm mạch chia tần

d) FF D

Khi nối ngõ vào của FF RS hay JK như hình thì sẽ được FF D : chỉ có 1 ngõ vào gọi làngõ vào data(dữ liệu) hay delay(trì hoãn) Hoạt động của FF D rất đơn giản : ngõ ra sẽtheo ngõ vào mỗi khi xung Ck tác động cạnh lên hay xuống

=>

Hình 1.10 Kí hiệu khối

Hình 1.11 Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của FF D

FF D thường là nơi để chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Q cung cấp cho mạch saunhư mạch cộng, ghi dịch… nên hơn nữa ngõ vào D phải chờ một khoảng thời gian khixung ck kích thì mới đưa ra ngõ ra Q, do đó FF D còn được xem như mạch trì hoãn, ngõ

D còn gọi là delay

e) Mạch chốt D

Các FF nảy bằng mức đều có thể trở thành mạch chốt khi chân ck cho ở mức tác độngluôn Thông dụng nhất là chốt D Mạch được tạo bởi FF D khi thay ngõ vào đồng bộ bởingõ vào cho phép (enable : E) tác động ở mức cao

Cấu tạo kí hiệu và bảng trạng thái như những hình sau :

Hình 1.12 Kí hiệu khối và bảng sự thật của chốt D

Hình 1.13 Cấu tạo chốt D

1.2 Cơ sở chọn đề tài

Tất cả các đầu ra của một mạch tổ hợp cụ thể được mong đợi sẽ thay đổi trạng thái củachúng cùng một lúc Tuy nhiên, đôi khi do độ trễ cổng khác nhau, các đầu ra của mạch tổhợp có thể thay đổi trạng thái của chúng tại các trường hợp thời gian khác nhau Điều này

sẽ tiếp tục gây ra hành vi không mong muốn dẫn đến kết quả sai Điều này có thể tránhđược bằng cách sử dụng flip-flops D đồng bộ ở các đầu ra hoạt động như bộ đồng bộ hóa

dữ liệu

1.3 Ứng dụng trong thực tiễn

D flip-flop có thể được sử dụng để tạo đường trễ được sử dụng trong các hệ thống xử lýtín hiệu số Ứng dụng này dễ dàng phát sinh do thực tế là đầu ra flip flop D đồng bộ

không là gì khác ngoài đầu vào bị trễ bởi chu kỳ một xung nhịp Do đó, bằng cách xếptầng n flip-flops như vậy, đầu ra có thể bị trễ n chu kỳ xung, do đó tạo ra lượng trễ cầnthiết.

1.4 Phạm vi lựa chọn đề tài nghiên cứu

Đề tài thuộc lĩnh vực điện tử trong phạm vi kỹ thuật xung số.

Vật tư, trang thiết bị: dụng cụ cầm tay, vật liệu (theo đề tài của các nhóm), linh kiện điện tử cơ bản…

Đảm bảo an toàn lao động.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Hình 2.2 Đếm chuỗi sau mỗi xungKhi mạch tuần tự được xác định bởi biều đồ trạng thái, bước tiếp theo là lấy bảng trạngthái bảng chuyển đổi trạng thái và các giá trị các đầu vào, bảng này được suy ra từ biều đồtrạng thái trong hình 2.1 và được thể hiện ở bảng bên dưới.

Hình 2.4 Mạch đếm 8 sản phẩm sử dụng D-ff

2.4 Phân tích và lựa chọn linh kiện

Trên mạch ta sử dụng các cổng AND, OR, XOR, NAND

1 IC 7408 cổng AND

Hình 2.5 IC 7408Thông số kĩ thuật:

Điện áp cung cấp: 4.75V ~ 5.25V

Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

Dòng điện ra mức cao: IOH = -0.4mA

Dòng điện ra mức thấp: IOL = 8mA

2 IC 7432 cổng OR

Hình 2.6 IC 7432

Cấu tạo bên trong IC 74HC32 có bốn cổng logic OR, mỗi cổng có 2 ngõ vào và 1 ngõ

ra IC 74HC32 được sản xuất theo công nghệ Cmos, là một mạch tích hợp được xây dựng

từ các Mosfet và một số điện trở phụ trợ.

3 IC 4070 cổng XOR

Hình 2.7 IC 4070

Thông số kĩ thuật

4 IC 4093 cổng NAND

Hình 2.8 IC 4093Thông số kĩ thuật

Hình 2.9 IC 74LS74Thông số kĩ thuật:

Gói IC Flip Flop D kép

Điện áp hoạt động: 2V đến 15V

Độ trễ truyền: 40nS

Điện áp đầu vào mức cao tối thiểu: 2 V

Điện áp đầu vào mức thấp tối đa: 0,8V

Nhiệt độ hoạt động: 0 đến 70 ° C

Dòng điện đầu ra mức cao: 8mA

Có các gói SO-14, SOT42 14 chân

6 IC 7447 – giải mã led 7 thanh

Hình 2.10 IC 7447

7 Led 7 thanh

Hình 2.11 Led 7 thanh

Sơ đồ chân nối

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí và các bộ phận điện tử

Các bước chế tạo mạch

Bước 1: Vẽ mạch trên phần mềm Altium

Hình 3.1 Mạch vẽ mô phỏngBước 2: Mô phỏng trên phần mềm

Hình 3.2 Mạch dựng 3DBước 3: In file mạch nguyên lí và cắt tầm fit đồng

Hình 3.3 Mạch nguyên lí sau khi được in raBước 4: ngâm mạch trong dung dịch FeCl3, sau khi mạch đã bị ăn mòn hết, thả mạch vàonước, dung giấy giáp chà sạch lớp mực in trên mạch Phủ 1 lớp keo thông lỏng lên mạch

đê tránh oxi hóa lớp đồng

Hình 3.4 Ngâm mạch in vào dung dịch FeCl3Bước 5: Đục lỗ để hàn chân linh kiện

Bước 6: Dùng máy hàn hàn các chân linh kiện vào mạch

Sau đó mạch hoàn thiện:

Hình 3.5 Mạch hoàn thiện và chạy thử

KẾT LUẬN

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, nhóm chúng em đã tiếp thu được thêm nhiều kiến thức, tìm kiếm thêm các nguồn tài liệu để bổ sung thêm kiến thức để hoàn thành đồ án Nhóm em đã biết cách thiết kế, lựa chọn các linh kiện phù hợp với đề tài Việc hoàn thành tốt đồ án kỹ thuật xung số này là cơ sở để nhóm em thực hiện những đồ

án quan trọng sau này như đồ án cơ điện tử và đồ án tốt nghiệp

Tuy rằng hệ thống đã hoạt động tốt theo yêu cầu đặt ra, nhưng không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình vận hành và điều khiển hệ thống Vì vậy, nhóm chúng em rất mongnhận được những góp ý để hoàn thành hệ thống tốt hơn Xin chân thành cảm ơn!