Bài tập lớn thiết kế mạch đếm thuận, 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

Bài tập lớn thiết kế mạch đếm thuận, 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 Bài tập lớn thiết kế mạch đếm thuận, 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 Bài tập lớn thiết kế mạch đếm thuận, 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

2

+

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC

KĨ THUẬT XUNG SỐ

ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch đếm thuận, 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 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 05

Nguyễn Đăng Toàn 2018601449

Nguyễn Đức Việt 2018600927

Hà nội -2021

3

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

Họ và tên sinh viên :

1 Nguyễn Đăng Toàn Mã sinh viên:2018601449

2 Vũ Công Tuyền Mã sinh viên:2018600418

3 Nguyễn Đức Việt Mã sinh viên:2018600927

Lớp: 20202FE6021001 Khoá: 13

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Thu Hà

Tên đề tài: Thiết kế mạch đếm thuận, 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

4

- 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 815/QĐ-ĐHCN Theo quyết định 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

Nguyễn Thị Thu Hà

5

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

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 10

1.1.4 Ý nghĩa nghiên cứu 10

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 11

1.2.3 Phân loại 11

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN, 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 13

2.1 Thiết kế bộ đếm 13

2.2 Tính toán 14

2.2.1 Thiết kế bộ đếm thuận,nhị phân đồng bộ,Kđ=8 sử dụng JK-FF hiển thị số đếm trên led 7 thanh 14

2.2.2 Thiết kế bộ báo led khi đếm được 3 xung 16

2.3 Mô phỏng 18

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 20

3.1 Lựa chọn linh kiện 20

3.1.1 Giá trị, chức năng linh kiện, cách lắp linh kiện 20

3.1.2 Nguyên lý làm việc 21

3.2 Lắp ráp và thử nghiệm 26

6

3.2.1 Lắp ráp 26

3.2.2 Chạy thử nghiệm 26

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 28

4.1 Đánh giá sản phẩm 28

4.1.1 Ưu điểm 28

4.1.2 Nhược điểm 28

4.2 Tính thực thế của sản phẩm 28

4.3 Đề xuất cải tiến và hướng phát triển 28

7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối bộ đếm 11

Hình 1.2 Đồ hình trạng thái 11

Hình 2.1 Sơ đồ khối bộ đếm 13

Hình 2.2 Đồ hình trạng thái 15

Hình 2.3 Đồ hình trạng thái cho bộ đếm 3 xung 16

Hình 2.4 Sơ đô mô phỏng trên Proteus 18

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý trên Altium 18

Hình 2.6 Mạch in 2D trên Altium 19

Hình 2.7 Mạch 3D trên Altium 20

Hình 3.1 IC 74LS73 21

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo chân và nguyên lý hoạt động IC 74LS73 22

Hình 3.3 LED 7 thanh 23

Hình 3.4 IC 74LS247 23

Hình 3.5 IC 555 24

Hình 3.6 Mô hình mạch thực tế 26

Hình 3.7 Chạy thử nghiệm 27

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=8, sử dung JK-FF,hiển thị số đếm trên LED

7 thanh, có đầu ra báo khi đếm được 3 xung “ 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

10

+Mạch giải mã 7 thanh và hiển thị 7 thanh

+Thiết kế bộ đếm nhị phân,thuận,đồng bộ Kđ=8, 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

-Mạch đếm nhị phân,thuận,đồng bộ sử dụng JK-FF

1.1.4 Ý nghĩa nghiên cứu

-Nắm vững,hiểu biết về mạch đếm

-Nâng cao kĩ năng thực hành,lắp ráp và thiết kế mạch 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

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:

Hình 0.2 Đồ hình trạng thái

12

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 s:

Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, khi sử dụng n FF

để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hoá tối đa là (Kđ = 2, 4,

8, 16 )

Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho

bộ đếm, sẽ có ( - Kđ) trạng thái không được sử dụng đến Do vậy khi thiết kế bộ đếm cần phải lưu ý đến các trạng thái không sử dụng tức là cần phải có biện pháp làm cho bộ đếm thoát khỏi các trạng thái đó một cách hợp lý để trở về chu trình đúng mà vẫn phải đảm bảo bộ đếm được thiết kế là đơn giản (Kđ = 3, 5, 6, 7, 10 )

* 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)

* 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

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN, 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 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

Bước 2: Lập đồ hình trạng thái

Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế như: hệ số đếm và một số các yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm

Hình 0.1 Sơ đồ khối bộ đếm

14

Bước 3: Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa các trạng thái trong của

bộ đếm theo mã đã cho

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 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 đồ mạch thực hiện

Thiết kế mô phỏng:

Để có một bộ đếm có thể làm việc ở cả hai chức năng: thuận và nghịch người

ta sử dụng thêm một tín hiệu điều khiển Giả sử gọi tín hiệu điều khiển là R, ta quy ước như sau: R = 0 đếm thuận, R= 1 đếm nghịch Khi đó phương trình đầu vào kích của bất kỳ một FF nào cũng sẽ là: Ji = Jith + Jing.R Ki

Kith + King.R Tính toán:

Bộ đếm thuận đồng bộ mã nhị phân với Kđ = 10

15

Hình 0.2 Đồ hình trạng thái

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 thiết lập bảng Karnaugh cho phương trình đầu vào kích:

18

2.3 Mô phỏng

Sơ đồ mô phỏng bộ đếm nhị phân, thuận, đồng bộ Kđ=8, sử dung JK-FF, có

đầu ra báo khi đếm được 3 xung (Trên phần mềm proteus)

Hình 0.3 Sơ đô mô phỏng trên Proteus

Sau khi mô phỏng đúng Sau đó vẽ sơ đồ nguyên lý trên phần mềm altium:

Hình 0.4 Sơ đồ nguyên lý trên Altium

19

Sau khi vẽ xong sơ đồ nguyên lý thì đi dây theo sơ đồ nguyên lý ta được:

Hình 0.5 Mạch in 2D trên Altium

20

Hình 0.6 Mạch 3D trên Altium

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

Tên linh kiện Giá trị Số lượng Chức năng

21

IC 74LS08 5V 1 Cổng logic AND,điều khiển tín hiệu

mạch đếm

2V-18V 1 Tạo xung cho mạch điều khiển

Bảng 0.1 Bảng liệt kê linh kiện, giá trị linh kiện và chức năng

3.1.2 Nguyên lý làm việc

IC 74LS73

Hình 3.1 IC 74LS73

22

Hình 0.1 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: -55 ~ 125oC

Dòng điện ra mức cao: IOH = -50uA

Dòng điện ra mức thấ p: IOL = 3.2mA

Khối tạo xung – IC 555

Hình 0.2 LED 7 thanh

Hình 0.3 IC 74LS247

24

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

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 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

Hình 0.4 IC 555

25

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: 𝐹 = 1.44

(𝑅1+2𝑅2)∗𝐶3Trong đó:

C3 là tụ nối với chân số 5

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