Giáo trình thí nghiệm kỹ thuật số 5 IUH

Quá trình chuyển đổi cổng và rút gọn mạch Logic - Vì các ngõ vào của mạch điều khiển số có thổ là các ngõ ra của các cảm biến, cácmạch tạo xung clock hay các ngõ ra của các mạch điều khi

BÀI 5: THIẾT KÉ VÀ LÁP RÁP CÁC MẠCH SÓ Ủ NG DỤNG

> MỤC TIÊU

Bài thỉ nghiêm sẽ giúp cho sinh viên củng cố các kiến thức và kỹ năng sau:

- Trình bày được các phương pháp phân tích, tổng hợp và thiết kế các mạchđiều khiến số

- Phân tích, kiểm tra và sửa chữa đượcT các hư hỏng trong các mạch điềukhiển số ứng dụng

- Thực hiện đọc hiểu, phân tích được sơ đồ và bảo trì các thiết bị điều khiến

số công nghiệp

- Phân tích và thực hiện được phương pháp thiết kế của từng loại mạch số, từ

đó áp dụng vào việc thiết kế cảc mạch điều khiển số ứng dụng trong côngnghiệp

> Một vài lưu ý khi thiết kế mạch số

- Khi thiết kế mạch số, chúng ta lưu ý hạn chế tối đa linh kiện nếu có thế, việc này

sẽ tiết kiệm được thời gian và chi phí thiết kế

- Đối với các mạch được thiết kế bằng cống logic, việc sử dụng cùng một loại cổng

và các IC cùng họ logic là rất cần thiết Diều đó sẽ giúp cho việc thiết kế được dễdàng, đồng thời làm tăng tính ổn định của hệ thống đặc biệt khi dùng cổng

• Sau khi đã chuyển đổi thành các cổng NAND, ta thực hiện rút gọn các cốngsao cho mạch trở nên đon giản nhất Sau đây là một ví dụ chuyển đổi cổng

và rút gọn mạch logic với biểu thức ngõ ra: X = A.B + C.D

Hình 5.2 Quá trình chuyển đổi cổng và rút gọn mạch Logic

- Vì các ngõ vào của mạch điều khiển số có thổ là các ngõ ra của các cảm biến, cácmạch tạo xung clock hay các ngõ ra của các mạch điều khiển khác, nên sự tưong thíchmức logic giữa các phần tử của mạch là rất quan trọng Do đó ta cần lựa chọn phươngthức và thiết bị giao tiếp thích hợp

> Một mạch điều khiển số bao gồm 3 khối cơ bản:

Hình 5.3 Sơ đồ 3 khối cơ bản cúư mạch điều khiến số

• Khối ngõ vào: có thể là các tín hiệu xung, các tín hiệu ra của các cảm biến,các công tắc và nút nhấn hoặc các ngõ ra của mạch tạo xung (clock), Cáctín hiệu cảm biến thông thường là các tín hiệu điện áp dạng số, nếu là dạngtuyến tính thì chúng ta thường kết hợp với bộ chuyến đối ADC để tạo thànhtín hiệu thích hợp

• Khối điều khiến: là các mạch điều khiển được thiết kế theo yêu cầu ứngdụng của từng mạch, có thế bao gồm các bộ đếm, bộ giải mã - mã hóa, bộchuyển đối A/D - D/A hoặc các bộ điều khiến logic khác Trong nhiều ứngdụng, các mạch điều khiển thông thường là sự kết hợp cúa các bộ điều khiêntrên và các cổng logic Sự kết hợp như vậy sẽ tạo ra các mạch diều khiên từdơn gián dến phức tạp, có khả năng dáp ứng dược các yêu cầu điều khiêntrong nhiều ứng dụng thực tế

• Khối ngõ ra: bao gồm các mạch công suất, mạch diều khiên tải hoặc các láingõ ra như dộng cơ, bóng den, relay, Khi sử dụng các khối tái ngõ ratrong mạch điều khiển cần chú ý vồ vấn de tương thích mức điện áp (mứclogic nằm trong khoảng giá trị cho phép) Do dó, chúng la cần chú ý và dưa

ra các phương pháp giao tiếp và bảo vệ thích hợp, dám bảo các tải ngõ rahoạt động tốt và không ảnh hưởng tới bộ điều khiến và các thiết bị khác

• Tín hiệu xung (dock): Tín hiệu xung clock (CK) thường dược cung cấpcho các số như: mạch đếm, mạch chứa các phần tử nhớ (flip-flop), Dốivới các tín hiệu xung ta cần chú ý đến vấn dề tần số và biên độ de có thếgiao tiếp và đáp ứng tốt với các mạch diện khiên số Một số mạch tạo xungthông dụng sẽ được tác giả trình bày ở phần kế tiếp

5.1 MỘT SÔ MẠCH TẠO XUNG THÔNG DỤNG

5.1.1 Mạch dao động đa hài

Đây là mạch dao động tạo xung mà không cần bất cứ sự kích hoạt từ các tínhiệu khác, tần số dao động phụ thuộc vào các phần tử trong mạch

Hình 5.4 Mạch tạo xung sứ dụng NE555

Bảng 5.1 Bảng giá trị chu kì mạch tạo xung sử dụng NE555

Bảng 5.2 Bảng giá trị tần số của mạch tạo xung sử dụng cổng logic

• 7414 ~ 0,8/RC R < 500 Ó74LS14 ~ 0,8/RC R<2KQ74HC14 « 1,2/RC R< 10 MO

• Mạch sử dụng IC NE555:

T = O,693.(R1 +2R2).C

Mạch sử dụng công logic:

• Mạch sử dụng IC đếm 4060B:

Hình 5.6 Mạch tạo xung sử dụng IC đếm 4060B

5.1.2 Mạch tạo xung đom ổn

Mạch tạo xung đơn ổn là mạch tạo một xung ở ngõ ra (đom ổn) khi có xungkích ở ngõ v'ào Độ rộng xung đơn ổn phụ thuộc vào các phần tử trong mạch

t= 1,1.RC

t = 0,7.RC

5.2 CÁC BƯỚC THIÉT KÉ MẠCH SÔ

Ở phần trước đã nêu một số điểm cần lưu ý khi thiết kế mạch số, sau đây tác giả sẽtrình bày cách bước thiết kế đối với một vài mạch số cơ bản được ứng dụng nhiêutrong thực tế

- Các mạch điều khiển số chỉ sử dụng các cổng logic:

- Bước 1. Từ các yêu cầu thực tế của ứng dụng, ta sẽ vẽ sơ đồ khối bao gồm đầy

đủ số lượng các ngõ vào và ngõ ra

- Bước 2\ Tiếp theo ta sẽ lập bảng trạng thái các ngõ vào/ngõ ra dựa theo các yêucầu ứng dụng

- Bước 3: Dựa vào bảng trạng thái các ngõ vào/ra, ta xác định biểu thức các ngõ

ra theo các ngõ vào tưong ứng Sau khi xác định biểu thức các ngõ ra, ta thựchiện rút gọn bằng các phương pháp đại số hoặc bìa K Ớ đây, chúng ta có thểtiếp tục biến đổi biểu thức đã rút gọn sao cho số lượng cổng logic được sử dụng

flip Bước ỉ: Từ các thông số cúa mạch đếm ta lựa chọn loại, số lượng và kiểu kếtnối của flip-flop để thiết kế mạch: số bit của bộ đếm (so flip-flop), kiểu tácdộng của xung clock (Đối với các mạch dem nối tiếp ta có 4 kiêu kết nôi nip-flop để xây dựng mạch)

- Bước 2\ Tiếp theo ta sẽ lập bảng trạng thái các ngõ vào/ra theo yêu cầu ứngdụng: kiểu đếm lên hay đếm xuống, bộ đếm MOD?

- Bước 3: Vẽ dạng sóng của mạch đếm theo bảng trạng thái

- Bước 4’. Dựa vào bảng trạng thái và dạng sóng ngõ ra, ta xây dựng mạch diện

sử dụng các flip-flop và sự kết hợp cổng logic nếu có

Vỉ dụ: Thiết kế một mạch đếm nối tiếp với các yêu cầu sau: mạch đếm xuống,MOD 16, xung clock tác động ở cạnh xuống.

Bước 1: Từ yêu cầu trên ta sẽ sử dụng 4 flip-flop loại T (D_flip-flophoặc JK_flip-flop) với ngõ vào xung clock tích cực ở cạnh xuống Vì mạch đếmlên và xung clock tác động ở cạnh xuống nên sơ đồ mạch thiết kế với xungclock được kết nối như sau:

Hình 5.9 Sơ đồ hộ đếm nối tiếp - đếm xuống - CK tác động tại cạnh xuống

- Ngoài sơ đồ thiết kế trên, còn có 3 kiểu sơ đồ khác của bộ đếm nối tiếp:

Hình 5.10 Sơ đồ bộ đếm nối tiếp - đếm xuống - CK tác động tại cạnh lên

Hình 5.11 Sơ đồ bộ đếm noi tiếp - đếm lên - CK tác động tại cạnh lên

Hình 5.12 Sơ đồ bộ đếm nối tiếp - đếm lên - CK tác động tại cạnh xuống

Bước 2\ Lập bảng trạng thái các ngõ ra và ngõ vào (clock) của mạch đếmxuống, MOD 16:

Bảng 5.3 Bảng trạng thải ngõ ra của mạch đếm xuống MODI 6

> Các mạch điều khiển số tổng hợp: Vài thiết kế mạch số điển hình được ứng

dụng rộng rãi trong thực tế được tác giả trình bày ở phần sau

Bước 3: Vẽ dạng sóng ngõ ra của mạch:

Hình 5.13 Dạng sóng ngõ ra của mạch đếm xuống - MODI6

Bước 4'. Xây dựng mạch điện:

Hĩnh 5.14 Sơ đồ bộ đếm nổi tiếp - đếm xuống - CK tác động tại cạnh xuống

5.3 THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP CÁC MẠCH ÚNG DỤNG

5.3.1 Thiết kế các mạch điều khiển đèn LED

Ở bài 3 chúng ta đã khảo sát mạch đếm vòng đổ tạo ra các ứng dụng mạch đèn

sáng đuổi trên 10 LED (dùng IC 4017) và sáng lan trên 16 LED (dùng 2 IC

74LS164), các mạch này thường được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng đèn quảngcáo Sau đây, chúng ta sẽ phát triển thêm một số mạch điều khiển đèn với nhiều hiệuứng khác nhau để tạo ra nhiều ứng dụng đèn quảng cáo với các hiệu ứng đa dạng

5.3.1.1Thiết kế mạch điều khiến 20 đèn sảng đuổi tù' Trái qua Phai

• Yêu cầu:

Sử dụng IC số và các linh kiện khác để thiết kế một mạch điều khiển 20 LEDđơn sáng đuổi từ Trái qua Phải và quá trình được lặp lại liên tục

• Thiết kế:

- Ý tưởng thiết kế đặt ra là dựa trên sự hoạt động của mạch đếm vòng sử dụng 2

IC 4017 Các ngõ ra của IC được kết nối với các LED đơn, ngõ vào xung đếm(Clock) được tạo ra bởi khối dao động sử dụng IC NE555 Hoạt động nối tiếp của2

IC được tạo bởi bộ chuyển mạch dùng Flip Flop D, các cổng Logfc và cácTransistor sẽ tạo thành hiệu ứng chạy đuổi trên 20 LED đơn

- Sơ đồ khối:

Hình 5.15 Sơ đồ khối mạch điều khiến 20 đèn sảng đuổi từ Trải qua Phải

Hình 5.16 Sơ đô mạch điêu khiên 20 đèn sáng ĐƯOI từ Trải qua Phải

• Thực hành:

Sinh viên thực hiện theo các trình tự sau:

- Giải thích chi tiết hoạt động của mạch: phân tích rõ chức năng của từng khốiriêng biệt và giải thích được vai trò của các linh kiện trong khôi đó Nêu đượcý

tưởng thiết kế và nguyên lí hoạt động của mạch, từ đó có thể bổ sung các ýtưởng thiết kế khác

- Thực hiện lắp ráp theo sơ đồ mạch trên và nhận xét kết quả

- Từ thiết kế trên, sinh viên tự phát triển và tạo ra mạch điều khiển đèn LED cóhiệu ứng sáng đuổi từ 2 bên ngoài vào hoặc từ trong ra 2 bên

- Thực hiện lắp ráp mạch theo thiết kế của yêu cầu trên và nhận xét kết quả đạtđược

- Báo cáo các kết quả thực hiện

5.3.1.2 Thiết kế mạch điều khiến 10 đèn sáng lan và giảm độ sáng

• Yêu cầu:

Sử dụng IC số và các linh kiện khác đe thiết kế một mạch điều khiến 10 Ledđơn sáng lan từ trái qua phải, có độ sáng giảm dần và quá trình được lặp lại liêntục

• Thiết kế:

- Nguyên tắc thiết kế vẫn dựa vào sự hoạt động dếm vòng của IC4017 tương tựbài Led sáng đuổi Điểm khác ở đây là có thêm hiệu ứng giảm dần độ sáng, ýtưởng này được thực hiện bởi sự kết hợp các linh kiện bán dẫn tại các ngõ racủa

IC4017

- Quá trình giảm độ sáng được tạo ra bởi sự nạp và xả điện của các tụ phân cựcqua transistor đến Led Nếu giá trị tụ càng lớn thì quá trình nạp xả điện củacàng

chậm, do đó giá trị này cần được tính toán sao cho tạo ra hiệu ứng sáng lan vàgiảm

dần độ sáng một cách họp lí

- Tốc độ sáng lan và giảm dần độ sáng được tính dựa vào tần số của xung clocktại khối NE555 (qui định tốc độ sáng Led) và thời hằng nạp xả tụ (qui định bởicác

giá trị R và C)

- Sơ dồ khối:

Hình 5.18: Sơ đồ mạch điều khiển 10 đèn sáng LAN từ Trái qua Phải, có độ sảng giảm dần

• Thực hành:

Sinh viên thực hiện theo các trình tự sau:

- Giải thích chi tiết hoạt động của mạch: phân tích rõ chức năng của từng khốiriêng biệt và giải thích được vai trò của các linh kiện trong khối đó Nêu đượcý

tưởng thiết kế và nguyên lí hoạt động của mạch, từ đó có thế bổ sung các ýtưởng thiết kế khác

- Thực hiện lắp ráp theo sơ đồ mạch trên và nhận xét kết quả

- Xác định tốc độ sáng dần của LED và giảm dần độ sáng, viết biểu thức tínhtốc độ trên và thời hằng nạp và xả của tụ

- Báo cáo các kết quả thực hiện

5.3.1.3 Thiết kế mạch điều khiến 16 đèn sáng lan và giảm độ sáng

• Yêu cầu:

Theo cách thiết kế mạch đèn sáng lan được trình bày ở phần trên, ta sử dụngcác quá trình nạp xả điện của tụ để tạo các hiệu ứng giảm dần độ sáng Ở phần này,tác giả sẽ trình bày thêm một phương pháp khác để tạo ra hiệu ứng giảm độ sáng

mà không dùng tụ điện (kiểu analog) Phần thiết kế 16 LED sáng lan được trìnhbày bên dưới

• Thiết kế:

- Nguyên tắc thiết kế ở đây là sự kết hợp hoạt động của IC ghi dịch (74164) và

IC đếm vòng (4017) Hoạt động nối tiếp của 2 IC ghi dịch sẽ tạo hiệu ứngsáng

LAN cho 16 LED, kết hợp các IC đếm ngõ ra sẽ tạo thành hiệu ứng giảm dầnđộ

sáng

- Mỗi ngõ ra chung của 2 IC 74LS164 được nối với chân ngõ vào xung (CK)của một IC 4017 để cho phép hoạt động đếm Đồng thời IC 4017 đếm do xung(CKI) được cấp bởi bộ tạo xung NE555 Sự kết nối này sẽ qui định IC4017nào

được cho phép đếm và việc kết họp các điện trở ngõ ra đề tạo thành hiệu ứngtắt

dần cho mỗi LED

- Đây là cách thiết kế tạo ra hiệu ứng sáng lan với độ sáng giảm dần hoàn toànbằng phương pháp điều khiển số

- Sơ đồ khối:

iậ.MẲệ Ấlí

Hình 5.20 Sơ đồ mạch 16 đèn sáng LAN từ Trải-Phải, độ sáng giảm dần

tưởng thiết kế và nguyên lí hoạt động của mạch, từ đó có thể bổ sung các ýtưởng thiết kế khác.

- Thực hiện lắp ráp theo sơ đồ mạch trên và nhận xét kết quả

- Báo cáo các kết quả thực hiện

5.3.1.4 Thiết kế mạch điều khiển 8 đèn sáng lan - đổi chiều và gìờm độ sáng

• Yêu càu:

Thiết kế mạch điều khiển 8 LED sáng lan từ Trái—>Phải và giảm dần dộ sáng.Sau khi tắt hết thì sẽ tiếp tục sáng lan ngược lại từ Phải—>Trái với độ sáng giảmdần

• Thiết kế:

- Nguyên tắc thiết kế cũng dựa vào sự hoạt động của 2 1C ghi dịch 74164 Bộchuyến mạch (D-Flip Flop) đảo trạng thái ngõ ra liên tục và làm 2 IC ghi dịchhoạt

động luân phiên, nghĩa là nếu IC(A) hoạt động thì IC(B) sẽ dừng và ngược lại

- Các ngõ ra của 2 IC ghi dịch được kết nối chung nhau thành 8 ngõ ra theo đốixứng theo hình vẽ nhằm tạo ra hiệu ứng sáng đối chiều Mỗi ngõ ra IC ghi dịchđược nối với chân ngõ vào xung (CK) của mỗi IC 4017 để cho phép đếm.Đồng

thời sự kết hợp ngõ ra IC 4017 với các điện trở và LED để tạo hiệu ứng độsáng

giảm dần tương tự ở bài trước

- Sơ đồ khối:

• Thực hành:

Sinh viên thực hiện theo các trình tự sau:

- Giải thích chi tiết hoạt động của mạch: phân tích rõ chức năng của từng khốiriêng biệt và giải thích được vai trò của các linh kiện trong khối đó Nêu đượcý

tưởng thiết kế và nguyên lí hoạt động của mạch, từ đó có thể bổ sung các ýtưởng thiết kế khác

- Thực hiện lắp ráp theo sơ đồ mạch trên và nhận xét kết quả

- Báo cáo các kết quả thực hiện

5.3.ỉ.5 Thiết kế mạch điểu khiển 8 đèn sáng lan - tắt lan và đổi chiều

• Yêu cầu:

Thiết kế mạch số điều khiển 8 LED với các yêu cầu sau:

- Sáng lan từ Trải —» Phải.

Tat lan từ Phải —> Trái.

- Sảng lan từ Phải —> Trái.

Tat lan từ Trái —* Phải.

Và các quá trình trên được lặp lại liên tục

• Thiết kế:

- Nguyên tắc thiết kế ở mạch này cũng dựa vào hoạt động của 2 IC ghi dịch

74164 nhưng có thêm sự kết hợp các ngõ ra IC với ngõ vào các cổng EX-OR, vàđây chính là điểm quan trọng trong thiết kế nhằm tạo các hiệu ứng sáng tắt theoyêu cầu Ngõ ra của mỗi cổng EX-OR sẽ được kết nối với 1 LED đơn

- Xung Clock (F CK ) được lấy từ bộ tạo xung dùng IC555, đây là nguồn xung

cấp cho 2 IC ghi dịch và bộ chia xung (chia 8) sử dụng IC đếm 4017

- Ngõ ra bộ chia xung sẽ tạo ra xụng có tần số (FCK /8) và cấp cho bộ chuyển

mạch, bộ chuyển mạch này sẽ qui định dữ liệu vào của các thanh ghi dịch là 0_Tắt

lan hoặc l_Sáng lan (theo bảng 5.4).

- Đồng thời xung (FCK /8) cũng được đưa tới bộ đếm vòng IC4017, bộ đếm này

kết hợp với bộ chuyển mạch thông qua cổng AND cho phép lựa chọn một IC ghidịch hoạt động, từ đó tạo ra các hiệu ứng sáng tắt khác nhau

- Sau đây là sơ đồ khối mạch điều khiển và bảng tóm tắt hoạt động của mạch:

Hĩnh 5.23 Sơ đồ khối mạch điều khiển 8 đèn sáng LAN- tắt LAN và đôi chiều

Bảng 5.5 Bảng mô tá hoạt động của mạch

F CK /8 Q B Q A Q A \ Data 164(A) Data 164(B) IC hoạt động Hoạt động

F CK /8: ngõ ra xung của bộ chia 8 (4017)

Q A , Q A \ : hai ngõ ra của bộ chuyển mạch A (D Flip Flop)

Q B , Q B \ • hai ngõ ra của bộ chuyển mạch B (D Flip Flop)

Data 164(A): dữ liệu ngõ vào nối tiếp của thanh ghi dịch 74LS164 (A)

Data 164(B): dữ liệu ngõ vào nối tiếp của thanh ghi dịch 74LS164 (B)

Hình 5.24 Sơ đô mạch 8 đèn sảng LAN - tăt LAN và đôi chiêu

• Thực hành:

Sinh viên thực hiện theo các trình tự sau:

- Giải thích chi tiết hoạt động của mạch: phân tích rõ chức năng của từng khốiriêng biệt và giải thích được vai trò của các linh kiện trong khối đó Nêu được ý

tưởng thiết kế và nguyên lí hoạt động của mạch, từ đó có thể bổ sung các ýtưởng thiết kế khác

- Thực hiện lắp ráp theo sơ đồ mạch trên và nhận xét kết quả

- Báo cáo các kết quả thực hiện