Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng JKFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi đếm được 3 xung

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

🙢🙢🙢 ĐỒ ÁN MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM NGHỊCH, NHỊ PHÂN, ĐỒNG BỘ Kđ=8, SỬ DỤNG JK-FF HIỂN THỊ KẾT QUẢ ĐẾM TRÊN LED 7 THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO KHI ĐẾM ĐƯỢC 3 XUNG

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Thu Hà

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quốc Hưng 2018601566

Nguyễn Văn Đạo 2018600355 Nguyễn Văn Nam 2018601354

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

Họ và tên sinh viên :

1 Nguyễn Quốc Hưng Mã sinh viên:2018601566

2 Nguyễn Văn Đạo Mã sinh viên:2018600355

3 Nguyễn Văn Nam Mã sinh viên:2018601354

Lớp: 20202FE6021001 Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà

Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng

JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi đếm được

3 xung

NỘI DUNG THỰC HIỆN

1 Lập kế hoạch làm việc L1.3

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

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

* 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;

- 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), linhkiện 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

Chương I Tổng quan 3

1.1 Cơ sở lý thuyết 3

1.2 Mục đích nghiên cứu 5

1.3 Đối tượng nghiên cứu 5

1.4 Phạm vi đề tài 6

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 6

Chương II Tính toán, thiết kế mô phỏng 7

2.1 Thiết kế bộ đếm 7

2.2 Tính toán 8

2.3 Mô phỏng 9

Chương III Chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm và hiệu chỉnh 10

3.1 Chế tạo mạch in PCB 10

3.1.1 Thiết kế mạch in trên Altium 10

3.1.2 Mạch in PCB 10

3.2 Lựa chọn linh kiện 12

3.2.1 Bảng liệt kê các linh kiện cần dùng 12

3.2.2 Cấu tạo linh kiện 13

3.3 Lắp ráp linh kiện 18

3.4 Thử nghiệm hệ thống 18

3.5 Đánh giá hệ thống 19

3.6 Đề xuất và hướng phát triển 20

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI NÓI DẦU

Cùng với môn học kĩ thuật điện tử , kĩ thuật xung số là môn học kĩ thuật cơ

sở quan trọng trong khối ngành kĩ thuật Nó đặc biệt quan trọng đối với sinhviên của tất cả các ngành nhất là ngành điện tử và cơ điện tử của Trường đại họccông nghiệp Hà Nội Vì vậy thông qua việc làm đồ án sẽ giúp sinh viên có cáinhìn sâu sắc hơn về môn học kĩ thuật xung số này và qua đây sẽ giúp cho mỗisinh viên đánh giá được khả năng tích lũy kiến thức về môn học đồng thời biếtcách vận dụng môn học vào thực tế …

Trong đề tài “ Thiết kế mạch đếm nghịch, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sửdụng JK-FF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi đếm được

3 xung ” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày một cách cụ thể về quátrình nghiên cứu tìm hiểu và tính toán, thiết kế mô hình Thông qua đó có thể ápdụng nó vào các bài nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyênngành khi ra trường

Để bài báo cáo được hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận đượcnhững góp ý từ phía các thầy cô Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời cảm

ơn đến các thầy cô trong khoa đã nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em

CHƯƠNG I TỔNG QUANI.1 Cơ sở lý thuyết

Bộ đếm thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển và nó chỉ

có một đầu vào Do đó, nếu xung đồng bộ (CLK) xuất hiện khác thời điểm xungđếm (Xđ) xuất hiện thì việc đếm xung không thực hiện được nên mạch đếm phải

có xung đếm đưa vào chính là dãy xung đồng bộ hay mạch đếm chỉ có một đầuvào

Hình 1: Sơ đồ khối bộ đếm

Đồ hình trạng thái:

Đồ hình là mô hình mô tả sự chuyển đổi các trạng thái trong hay chính là

mô tả hoạt động của bộ đếm

Bộ đếm

Hình 2: Đồ hình trạng thái tổng quan của bộ đếm

Phân loại bộ đếm:

- Phân loại theo cách làm việc:

Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổi trạngthái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm Mọi sựchuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạngthái trung gian (Si Sj) Xung đồng bộ tác động đồng thời tới các phần tử nhớ

Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter): là bộ đếm tồn tại ít nhấtmột cặp chuyển biến trạng thái Si Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạngthái đồng thời (Si Si’ Si’’ Sj) Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới cácFF

- Phân loại theo hệ s

5, 6, 7, 10 )

- Phân loại theo mã:

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đếntrạng thái trong khác và mỗi trạng thái trong của bộ đếm được mã hoá bởi một

mã cụ thể Cùng một bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá trạng thái trong khácnhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiện khácnhau

Mã nhị phân, Mã Gray

Mã BCD, Mã Johnson

Mã vòng

- Phân loại theo hướng đếm:

Bộ đếm thuận (Up counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) thìtrạng thái trong của bộ đếm tăng lên 1 (Si Si+1)

Bộ đếm nghịch (Down counter): là bộ đếm mà khi có tín hiệu vào đếm(Xđ) thì trạng thái trong của bộ đếm giảm đi 1 (Si Si-1)

Chú ý: Khái niệm thuận nghịch chỉ là tương đối chủ yếu là do vấn đề mãhoá các trạng thái trong của bộ đếm

Bộ đếm thuận nghịch: là bộ đếm vừa có khả năng đếm thuận vừa có khảnăng đếm nghịch

- Phân loại theo khả năng lập trình:

Bộ đếm có khả năng lập trình: Kđ có thể thay đổi phụ thuộc vào tín hiệuđiều khiển

Bộ đếm không có khả năng lập trình: Kđ cố định, không thay đổi được

I.2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế mạch logic tổ hợp đáp ứng yêu cầu đề tài

Mô phỏng mạch logic

Thiết kế mạch in PCB

Chế tạo thủ công mạch in PCB

I.3 Đối tượng nghiên cứu

Quy trình thiết kế của mạch tổ hợp

Phần mềm mô phỏng Proteus

Phần mềm vẽ mạch in Altium

Cấu tạo, cách hoạt động của các vi mạch tổ hợp

Các linh kiện điện tử cơ bản

Quy trình chế tạo mạch in PCB thủ công

Kĩ năng khoan, hàn mạch điện tử

I.4 Phạm vi 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, mạch in PCB, linh kiện điện tử cănbản

Đảm bảo an toàn lao động

I.5 Ý nghĩa thực tiễn

Nắm bắt phương pháp thiết kế mạch tổ hợp

Thực hành quy trình chế tạo mạch in PCB

Nâng cao kĩ năng khoan và hàn mạch điện tử

Áp dụng kiến thức đã học về mạch đếm để thiết kế

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG

II.1 Thiết kế bộ đếm

Hình 3: Sơ đồ khối bộ đếm

 Để thiết kế bộ đếm ta tiến hành theo các bước sau:

 Bước 1: Xác định các yêu cầu của bài toán

Phân tích yêu cầu đầu bài tìm ra số trạng thái trong

Số phần tử nhớ được xác định như sau:

Mã nhị phân và mã Gray n ≥ log2 Kđ

• Mã vòng n = Kđ

• Mã Johnson n=1/2 Kđ

 Bước 4: Xác định hàm kích của các FF và hàm ra:

Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng ra để xác định phương trình kíchcho các FF và phương trình hàm ra

 Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực hiện

Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra đưa ra sơ

đồ mạch thực hiện

CHƯƠNG III CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU

CHỈNHIII.1 Chế tạo mạch in PCB

III.1.1 Thiết kế mạch in trên Altium

Hình 7: Bản thiết kế mạch inIII.1.2 Mạch in PCB

Hình 9: Mạch in PCB

Hình 10: Mạch in PCB

Mạch in thành phẩm:

Hình 11: Mạch in thành phẩm

III.2 Lựa chọn linh kiện

III.2.1 Bảng liệt kê các linh kiện cần dùng

6 IC 555 1 Tạo xung cho mạch

6 Led 7 thanh 1 Hiển thị giá trị số đếm

III.2.2 Cấu tạo linh kiện

 IC 74LS73

Hình 12: Sơ đồ chân của IC 74LS73

- Chân 4 cấp nguồn 5V

- Chân 11 nối mass

- Chân 3,14,7,10(chân K1, J1, J2, K2) là các chân tín hiệu vào Ic Các chânnày sẽ luôn thay đổi trạng thái và khi kết hợp với xung clock nó sẽ cho ra ngõ Qtheo ý muốn của người thiết kế

- Chân 1,5 (chân CLK) là chân xung clock của Trigger, ở đây nó sẽ tíchcực ở sườn xuống của xung nghĩa là nó sẽ làm việc trong khoảng thời gian xung

từ mức cao chuyển xuống mức thấp, còn khi ta cấp mức cao hoặc mức thấp thì

nó sẽ không làm việc

- Chân 2,6 (chân CLR) là chân Clear có nhiệm vụ xóa trạng thái về 0 ở đây

nó tích cực ở mức thấp nếu ta nối nó xuống mass thì nó sẽ hoạt động còn nếunối lên mức cao nó sẽ không hoạt động

- Chân 12,9 (chân Q1, Q2) là chân ra ở trạng thái bình thường của TriggerJK

- Chân 13,8 (chân đảo) chân ra ở trạng tháo đảo với chân 12,9

 IC 74LS47N

Hình 13: Sơ đồ chân của IC 74LS47N

- Chân 16 cấp nguồn 5V

- Chân 8 nối mass

- Các chân 1,2,6,7 là các chân tín hiệu vào ứng với B, C, D, A

- Các chân 15,14,13,12,11,10,9 là các chân ra, các chân này sẽ được nối vớiled 7 thanh và được nối như hình trên

- Chân thứ 3 LT (Lamp test) như tên gọi của nó chân 3 này là chân kiểm traled 7 đoạn, nếu ta cắm chân này xuống mass thì bộ giải mã sẽ sáng cùng lúc với

7 đoạn Chân này chỉ phục vụ để kiểm tra xem có led nào bị hỏng hay không vàtrong thực tế không sử dụng nó

- Chân 4 BI/RB0 luôn luôn được kết nối với mức cao, nếu kết nối với mứcthấp thì toàn bộ led sẽ không sáng bất chấp trạng thái ngõ vào là gì

- Chân 5 RBI kết nối với mức cao

 IC 74HC76

Hình 14: Sơ đồ chân của IC 74HC76

Số chân Kí hiệu Mô tả

5 Vcc Cấp nguồn IC

13 Ground Chân nối đất

JK-FF 1/ JK-FF 2

1, 6 Clock-1/ Clock-2 Các chân này phải được cung cấpxung cho flip flop

2, 7 Preset-1 / Preset-2 Khi Preset cao, flip flop sẽ đặt Q =1 chứ không phải Q = 0

3, 8 Clear-1/Clear-2 Khi Clear cao, flip flop sẽ đặt Q =0 chứ không phải Q = 1

12, 16 K-1/ K-2 Chân đầu vào của Flip Flop

4, 9 J-1 / J-2 Một chân đầu vào khác của FlipFlop

10, 14 Q´1/ ´Q2 Chân đầu ra đảo ngược của Flip

Hình 15: Sơ đồ chân IC 555Chân số 1: “GND” là chân nối đất, tất cả các mức điện áp điều được sosánh với áp tại đường dây nối đất.

Chân số 2: “Trigger” là chân kích : chân trigger được dùng để cung cấp đầuvào kích cho IC 555 hoạt động ở chế độ đơn ổn Chân này là đầu vào đảo của bộ

so sánh có nhiệm vụ làm cho transistor của flip flop chuyển trạng thái từ setsang reset Ngõ ra của bộ định thời phụ thuộc vào độ lớn xung bên ngoài đưavào chân trigger Một xung âm

Chân số 3: “Output” là chân xuất tín hiệu ra : Ngõ ra của bộ định thời luônluôn có sẵn ở chân này Có hai cách để 1 tải có thể kết nối với chân output Cách

1 là kết nối giữ chân 3 (output) và chân 1 (GND) hoặc giữa chân 3 và chân 8(chân nguồn) Tải nối giữa chân output và chân nguồn được gọi là tải thường

mở, tải nối giữa chân outpur và chân GND được gọi là tải thường đóng

Chân số 4: “Reset” là chân reset vi mạch: Bất cứ khi nào bộ định thời bịreset, một xung âm được đưa đến chân 4 Đầu ra được thiết lập lại trạng thái banđầu bất kể điều kiện đầu vào Khi chân này không được sử dụng, ta nối lên Vcc

để tránh mọi khả năng kích hoạt sai

Chân số 5: “Control voltage” là chân điện áp điều khiển Chân ngưỡng

được quyết định bởi một biến trở hoặc một điện áp bên ngoài được đưa vào chânnày Vì vậy, lượng điện áp trên chân này sẽ quyết định khi nào bộ so sánh đượcchuyển đổi, và do đó thay đổi biên độ của đầu ra Khi không sử dụng chân này,

ta nên nối đất thông qua 1 tụ 0,01 micro Farad để chống nhiễu

Chân số 6: “Threshold” là chân ngưỡng Nó là ngõ vào không đảo của bộ

so sánh 1, được so sánh với ngõ vào đảo với điện áp tham chiếu là 2/3Vcc, bộ sosánh trên chuyển sang +Vsat và đầu ra được đặt lại

Chân số 7: “discharge” là chân xả điện Chân này nối vào cực C củatransistor và thường có một tụ điện nối giữa chân xả điện và chân nối đất Nóđược gọi là chân xả điện vì khi transistor dẫn bão hòa, tụ C xả điện thông quatransistor Khi transistor ngắt, tụ được nạp thông qua điện trở và tụ bên ngoài

Chân số 8: “Vcc” là chân cấp nguồn Nguồn cung cấp trong khoảng từ 5Vđến 18V

Tần số được tính như sau: F=(R 1.44

1 +2 R2)∗C3

Trong đó:

C3 là tụ nối với chân số 5

R1 là chân biến trở và R2 là chân giữa chân 7

III.3 Lắp ráp linh kiện

Hình 16: Thực hiện lắp ráp linh kiện

III.4 Thử nghiệm hệ thống

Hình 17: Kết quả chạy thử nghiệm

Hình 18: Kết quả chạy thử nghiệm

Hình 19: Kết quả chạy thử nghiệm

III.6 Đề xuất và hướng phát triển

- Đề xuất: thiết kế gia công mạch mang tính thẩm mĩ, công nghiệp hơnnhằm gia tăng chất lượng sản phẩm

- Hướng phát triển: ứng dụng vào các công việc thực tiễn như đếm sảnphẩm, đếm thời gian, chia tần số và điều khiển mạch khác với đặc điểm thuậnlợi, độ chính xác cao và linh hoạt giúp thay thế sức người