Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên led 7 thanh

Thiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên led 7 thanhThiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên led 7 thanhThiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên led 7 thanhThiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên led 7 thanhThiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên led 7 thanhThiết kế bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ = 10, sử dụng JKFF hiển thị số đếm trên led 7 thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

KĨ THUẬT XUNG SỐ

ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ đếm nhị phân,thuận,đồng bộ Kđ=10,sử dụng

JK-FF,hiển thị số đếm trên LED 7 thanh

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 11

Nguyễn Văn Vũ 2018601559 Dương Văn Thức 2018600507 Nguyễn Kiếm Trung 2018600238

Hà nội -2021

4

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

Danh mục hình ảnh 5

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

Chương 1.Tổng quan về bộ đếm 9

1.1.Giới thiệu đề tài 9

1.1.1.Lý do chọn đề tài 9

1.1.2.Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 9

1.1.3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

1.1.4.Ý nghĩa nghiên cứu 9

1.1.5.Phương pháp nghiên cứu 10

1.2.Tổng quan về bộ đếm 10

1.2.1.Khái niệm 10

1.2.2.Đồ hình trạng thái 10

1.2.3.Phân loại 11

Chương 2.Tính toán,thiết kế mô phỏng bộ đếm nhị phân,thuận,đồng bộ Kđ=10,sử dung JK-FF,hiển thị số đếm trên LED 7 thanh 10

2.1.Thiết kế bộ đếm 10

2.2.Tính toán 11

2.3.Mô phỏng 13

Chương 3.Chế tạo,lắp ráp,thử nghiệm và hiệu chỉnh 17

3.1.Lựa chọn linh kiện 17

3.1.1 Giá trị, chức năng linh kiện, cách lắp linh kiện 17

3.1.2.Nguyên lý làm việc 17

3.2.Lắp ráp và thử nghiệm 24

3.2.1.Lắp ráp 24

3.2.2.Chạy thử nghiệm 24

Chương 4.Đánh giá và kết luận 26

4.1.Đánh giá sản phẩm 26

4.2.Tính thực thế của sản phẩm 26

4.3.Đề xuất cải tiến và hướng phát triển 26

5

Danh mục hình ảnh

Hình 1.Sơ đồ khối bộ đếm 10

Hình 2 Đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm 11

Hình 3.Sơ đồ khối bộ đếm 10

Hình 4.Đồ hinhg trạng thái 11

Hình 5.Mô phỏng trên proteus 13

Hình 6.Mô phỏng trên proteus 14

Hình 7.Mô phỏng trên proteus 14

Hình 8.Mô phỏng trên altium 15

Hình 9.Mạch in 2D mô phỏng trên phần mềm altium 16

Hình 10.Mạch in 3D mô phỏng trên phần mềm altium 16

Hình 11.IC giải mã 74LS47 17

Hình 12.Sơ đồ cấu tạo chân IC 74LS47 18

Hình 13.IC JKFF 74LS73 18

Hình 14.Sơ đồ cấu tạo chân và nguyên lý hoạt động IC 74LS73 19

Hình 15.LED 7 thanh 20

Hình 16.Sơ đồ chân LED 7 thanh 20

Hình 17.IC 74LS08 21

Hình 18.Sơ đồ chân 7408 21

Hình 19.Khối tạo xung 22

Hình 20.IC NE555 22

Hình 21.Mô hình thực tế mạch 24

Hình 22.Chạy thực tế trên mạch 24

Hình 23.Chạy thực tế trên mạch 25

Danh mục bảng biểu Bảng 1.Bảng chuyển đổi trạng thái và các giá trị đầu vào kích 12

Bảng 2 Bảng liệt kê linh kiện, giá trị linh kiện và chức năng 17

6

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

Họ và tên sinh viên :

1 Dương Văn Thức Mã sinh viên:2018600507

2 Nguyễn Kiếm Trung Mã sinh viên:2018600238

3 Nguyễn Văn Vũ Mã sinh viên:2018601559

Lớp: 20202FE6021001 Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà

Tên đề tài: Thiết kế bộ đếm nhị phân,thuận,đồng bộ Kđ=10,sử dung FF,hiển thị số đếm trên LED 7 thanh

JK-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

* 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;

- 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

8

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ,cuộc sống của con người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước.Đặc biệt góp phần vào

sự phát triển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước.Những thiết bị điện,điện tử được phát triển mạnh

mẽ và được ứng dụng rỗng rãi trong đời sống cũng như sản suất.Từ những thời gian đầu phát triển kĩ thuật số đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần

nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn kĩ thuật xung số chúng em sau một thời gian học tập được các thầy cô giáo trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên nghành,đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của cô Nguyễn Thị Thu Hà,cùng với sự lỗ lực của bản thân, chúng em

đã “Thiết kế bộ đếm nhị phân,thuận,đồng bộ Kđ=10,sử dung JK-FF,hiển thị số đếm trên LED 7 thanh “ nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng

em còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót.Chúng em rất mong được

sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển

thêm đề tài

9

Chương 1.Tổng quan về bộ đếm

1.1.Giới thiệu đề tài

1.1.1.Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thế kỉ của khoa học-kĩ thuật,của tri thức cùng với

nó là sự phát triển nhanh chóng,mạnh mẽ của công nghệ thông tin và khoa học ứng dụng.Kĩ thuật số cũng nằm trong số đó,nó đang phát triển rất nhanh và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực xã hội.Chúng ta đang chuyển dần từ điều khiển bằng

tay sang điều khiển tự động

Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ với sự ra đời của hàng loạt các vi mạch.Sự phát triển của kĩ thuật số như hiện nay khiến cho nhu cầu tiếp

xúc với điện tử số không thể thiếu được

Để xây dựng một thiết bị số hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm,thanh ghi,bộ nhớ trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệ thống.Mạch đếm thuận sử dụng JK-FF là một mạch đếm khá thông dụng và cơ bản.Chính vì

vậy chúng em đã lựa chọn đề tài này để báo cáo

1.1.2.Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

-Mục tiêu:

+Tìm hiểu về mạch đếm và một số vấn đề liên quan

+Hoàn thành thiết kế-thực nghiệm thực tế,mạch hoạt động ổn định với độ

bền cao

-Nhiệm vụ:

+Tìm hiểu kiến thức cơ bản về mạch đếm

+Tìm hiểu các vi mạch đếm thông dụng và mạch tạo xung sử dụng IC555

+Mạch giải mã 7 thanh và hiển thị 7 thanh

+Thiết kế bộ đếm nhị phân,thuận,đồng bộ Kđ=10,sử dụng JK-FF và hiển thị

số đếm trên LED 7 thanh

1.1.3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Lý thuyết về mạch đếm nhị phân và thiết kế mạch đếm nhị phân

10 Hình 1.Sơ đồ khối bộ đếm

1.1.5.Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

1.2.Tổng quan về bộ đếm

1.2.1.Khái niệm

Mạch đếm là một mạch dãy đơn giảm được xây dựng từ các phần tử nhớ và các phần tử tổ hợp, mạch đếm là thành phần cơ bản của các hệ thống số Bộ đếm là một mạch dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm và một đầu ra, mạch có số trạng thái trong chính hệ số đếm (Kđ)

Dưới tác động của tín hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển từ trạng thái trong này đến một trạng thái trong khác thoe một thứ tự nhất định Cứ sau Kđ lần tín hiệu vào đếm, mạch sẽ trở về trạng thái xuất phát ban đầu

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 xung đếm (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 đầu vào

1.2.2.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

11

Hình 2 Đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm -Khi không có tín hiệu vào đếm ( ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i i) khi có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp( i i+1)

-Khi bộ đếm ở trạng thái nếu tác động một tín hiệu vào đếm thì bộ đếm sẽ trở về trạng thái ban đầu và khi đó đồng thời xuất hiện tín hiệu ra một lần duy nhất

-Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái của bộ đếm thì phải dùng thêm mạch giải mã

1.2.3.Phân loại

-Có nhiều cách phân loại bộ đếm:

Phân loại theo cách làm việc:

Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter): là bộ đếm mà sự chuyển đổi trạng thái trong các FF diễn ra đồng thời khi có tác động của xung đếm Mọi sự chuyển đổi trạng thái

(từ Si sang trạng thái mới Sj) đều không thông qua trạng thái 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 nhất một cặp chuyển biến trạng thái Si Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái đồng thời (Si Si’ Si’’ Sj)

Xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF

Phân loại theo hệ số đếm:

Phân loại theo mã:

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này đến trạng 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 khác nhau, các cách mã hoá khác nhau sẽ tương ứng với các mạch thực hiện khác nhau

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) thì trạng 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 mã hoá các trạng thái trong của bộ đếm

Bộ đếm thuận nghịch: là bộ đếm vừa có khả năng đếm thuận vừa có khả năng 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 hiệu điều khiển

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

10

Hình 3.Sơ đồ khối bộ đếm

Chương 2.Tính toán,thiết kế mô phỏng bộ đếm nhị

phân,thuận,đồng bộ Kđ=10,sử dung JK-FF,hiển thị số đếm

trên LED 7 thanh

2.1.Thiết kế 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:

11

Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng ra để xác định phương trình kích cho 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

Kith + King.R Tính toán:

Bộ đếm thuận đồng bộ mã nhị phân với Kđ = 10 Kđ = 10, có 10 trạng thái,

Ta có đồ hình trạng thái:

Hình 4.Đồ hinhg trạng thái

Bảng 1.Bảng chuyển đổi trạng thái và các giá trị đầu vào kích

-Xác định các phương trình đầu vào kích:Từ bảng chuyển đổi trạng thái,ta có

hệ phương trình kích đã được tối thiểu hóa:

13

CLK*=1 khi có xung nhịp CLK và khi bộ đếm không ở 1 trong 6 trạng thái không sử dụng.Sáu trạng thái đó có phương trình là:

14 Hình 6.Mô phỏng trên proteus

Hình 7.Mô phỏng trên proteus

15 -Trên phần mềm altium:

Hình 8.Mô phỏng trên altium

16 Hình 9.Mạch in 2D mô phỏng trên phần mềm altium

Hình 10.Mạch in 3D mô phỏng trên phần mềm altium

17

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

3.1.Lựa chọn linh kiện

3.1.1 Giá trị, chức năng linh kiện, cách lắp linh kiện

-Ta cần các linh kiện sau: IC NE555,7SEG9LED 7 thanh),IC 74LS08,IC 74LS73,

IC 74LS47, nút nhấn, điện trở, tụ điện,…

18

Hình 12.Sơ đồ cấu tạo chân IC 74LS47 -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 với led 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 tra led 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 và trong thực tế không sử dụng nó

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

-Chân 5 RBI kết nối với mức cao

JKFF 74LS73

Hình 13.IC JKFF 74LS73

19

Hình 14.Sơ đồ cấu tạo chân và nguyên lý hoạt động 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 chân này sẽ

luôn thay đổi trạng thái và khi kết hợp với xung clock nó sẽ cho ra ngõ Q theo ý muốn của người thiết kế

-Chân 1,5(chân CLK) là chân xung clock của Trigger , ở đây nó sẽ tích cực 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 cap hoặc mức thấp thì nó sẽ không làm việc

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

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

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

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

Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

Dòng điện ra mức cao: IOH = -0.4mA

Dòng điện ra mức thấp: IOL = 8mA

-Cổng AND có 2 đầu vào và 1 đầu ra Mỗi giá trị này có thể có giá trị “0” hoặc “1” và giá trị đầu ra phụ thuộc vào 2 giá trị đầu vào Đầu ra chỉ là “1” khi cả hai giá trị đầu vào là “1”

21

Hình 17.IC 74LS08

Hình 18.Sơ đồ chân 7408 Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13: Các cặp đầu vào

Chân 3, 6, 8, 11: Các đầu ra AND

22

Hình 19.Khối tạo xung

Khối tạo xung – IC 555

IC 555 là một Ic tạo xung rất đa năng, Tạo xung vuông rất đơn giản

Hình 20.IC NE555 Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung

Chân số 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như một chân chốt hay ngõ vào của một tần so áp Mạch so sánh ở đây dùng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc

Chân số 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 Mức 1 ở đây là mức cao, nó tương đương với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó trong khoảng 0.35-0.75V

23

Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức điện áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức điện áp trên chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc

Chân 5(CONTROL VOLTAGE) Dùng làm thay đồi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu

và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

Chân số 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như một chân chốt Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem chân này như một khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra

Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R-C lúc IC 555 dùng như một tầng dao động

Chân số 8(Vcc) là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V-18V

-Tần số được tính như sau:

Trong đó:

C3 là tụ nối với chân số 5

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