THIẾT KẾ MẠCH CỘNG NHỊ PHÂN 4 BIT HIỂN THỊ TRÊN LED 7 THANH (CỘNG ĐƯỢC ĐẾN 30)

THIẾT KẾ MẠCH CỘNG NHỊ PHÂN 4 BIT HIỂN THỊ TRÊN LED 7 THANH (CỘNG ĐƯỢC ĐẾN 30)Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử, việc thiết kế mạch điện tử ngày càng trở nên quan trọng hơn trong đời sống hàng ngày của chúng ta. Đồngthời, việc nắm vững kiến thức về lý thuyết số học và hệ thống số học là rất cần thiết để có thể thiết kế và lập trình các mạch điện tử.Trong đồ án này, chúng tôi đã tạo ra một mạch cộng đơn giản và tiện lợi để tính toán các số nhị phân bốn bit. Quá trình thiết kế mạch điện tử là một quá trình phức tạp và đòi hỏi sự chú ý đến từng chi tiết nhỏ, từ lý thuyết đến ứng dụng. Chúngtôi hy vọng rằng đồ án này sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng quan về quy trình thiết kế mạch điện tử và giúp bạn phát triển kỹ năng của mình trong việc thiết kế các mạch điện tử đơn giản và hiệu quả.mô phỏng mạch cộng trên phần mềm proteus

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Lớp:

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 7

1.1 Giới thiệu chung đề tài 7

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu 7

1.1.2 Nội dung nghiên cứu 7

1.1.3 Mục đích nghiên cứu 8

1.1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8

1.2 Tổng quan về mạch Logic 9

1.2.1 Khái niệm cơ bản 9

1.2.2 Các bước thiết kế mạch 9

CHƯƠNG 2 TÌNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 11

2.1 Tính toán hệ thống 11

2.1.1 Mạch cộng bán phần 11

2.1.2 Mạch cộng toàn phần 12

2.2 Mô phỏng và thiết kế 13

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 16

3.1 Chọn linh kiện 16

3.1.1 IC 7483 16

3.1.2 IC CD4063 17

3.1.3 IC 74LS47 17

3.1.4 IC 7408 18

3.1.5 IC 7432 19

3.1.6 Led 7 thanh 20

3.1.7 Điện trở 21

3.1.8 Công tắc bit 4 số 22

3.2 Thiết kế mạch trên phần mềm altium 22

TỔNG KẾT 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2-1 Sơ đồ mạch cộng bán phần 12

Hình 2-2 Sơ đồ mạch cộng toàn phần 13

Hình 2-3 Mô phỏng mạch cộng bán phần 13

Hình 2-4 Mô phỏng mạch cộng toàn phần 14

Hình 2-5 Mô phỏng mạch cộng 4 bit 15

Hình 3-1 IC 7483 16

Hình 3-2 IC CD4063 17

Hình 3-3 IC 74LS47 17

Hình 3-4 IC 7408 18

Hình 3-5 IC 7432 19

Hình 3-6 Điện trở 21

Hình 3-7 Công tắc bit 4 số 22

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Bảng chân lí mạch cộng bán phần 11 Bảng 2-2 Bảng chân lí mạch cộng toàn phần 12

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ điện tử, việc thiết kế mạch điện

tử ngày càng trở nên quan trọng hơn trong đời sống hàng ngày của chúng ta Đồng thời, việc nắm vững kiến thức về lý thuyết số học và hệ thống số học là rất cần thiết để có thể thiết kế và lập trình các mạch điện tử

Trong đồ án này, chúng tôi đã tạo ra một mạch cộng đơn giản và tiện lợi để tính toán các số nhị phân bốn bit Quá trình thiết kế mạch điện tử là một quá trình phức tạp và đòi hỏi sự chú ý đến từng chi tiết nhỏ, từ lý thuyết đến ứng dụng Chúng tôi hy vọng rằng đồ án này sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng quan về quy trình thiết kế mạch điện tử và giúp bạn phát triển kỹ năng của mình trong việc thiết kế các mạch điện tử đơn giản và hiệu quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung đề tài

Đề tài thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực điện tử và máy tính Mục đích của đề tài này là thiết kế và xây dựng một mạch điện tử đơn giản và hiệu quả để tính toán tổng của hai số nhị phân bốn bit Quá trình thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit bao gồm việc nghiên cứu

và áp dụng các phương pháp và kỹ thuật để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của mạch

Để thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit, chúng tôi đã sử dụng các phương pháp lý thuyết và kỹ thuật thực tiễn để tạo ra một mạch đơn giản và dễ sử dụng Mạch điện tử này sử dụng các cổng logic để thực hiện phép tính cộng hai số nhị phân bốn bit Đồng thời, chúng tôi đã sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm tra

và xác minh tính đúng đắn của mạch thiết kế của chúng tôi

Để đạt được mục tiêu của đề tài, chúng tôi đã nghiên cứu kỹ lưỡng và thực hiện các bước thiết kế mạch điện tử, từ đặc tả yêu cầu đến thiết kế cấu trúc, lựa chọn linh kiện và mô phỏng mạch Chúng tôi hy vọng rằng kết quả của đề tài này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị điện tử và máy tính, đồng thời cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử và sinh viên các kiến thức cơ bản

về thiết kế mạch cộng hai số nhị phân bốn bit

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là mạch cộng hai số nhị phân 4 bit có kết quả hiển thị trên led 7 thanh

Mạch cộng 4 bit bao gồm các thành phần như cổng logic AND, OR, XOR, cổng logic NOT, … và các linh kiện khác

1.1.2 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu của đề tài thiết kế mạch cộng hai số nhị phân 4 bit

• Tìm hiểu về hệ thống cộng truyền thống và hệ thống cộng bù hai

• Thiết kế mạch cộng 4 bit bằng các khối logic cơ bản như cổng AND, OR, XOR, NOT, cổng đảo

• Phân tích và đánh giá hiệu suất của mạch cộng 4 bit

• Kiểm tra tính đúng đắn của mạch thông qua mô phỏng và thực nghiệm

• Nghiên cứu và đánh giá các ứng dụng của mạch cộng 4 bit trong việc xử

lý số liệu và tính toán

• Đề xuất các cải tiến để cải thiện hiệu suất của mạch

• So sánh với các mạch cộng 4 bit khác và đánh giá ưu nhược điểm của từng loại mạch

• Đánh giá sự tiện lợi và tính thực tiễn của mạch cộng 4 bit trong các ứng dụng thực tế

• Đưa ra kết luận và đề xuất hướng phát triển tiếp theo cho đề tài

1.1.3 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu về thiết kế mạch cộng hai số nhị phân 4 bit là để hiểu

và áp dụng các khái niệm cơ bản về hệ thống logic số học, thiết kế mạch điện tử

và lập trình nhúng

Một mạch cộng số nhị phân có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như trong các hệ thống điều khiển tự động, thiết bị đo lường, viễn thông, máy tính v.v

Nghiên cứu về thiết kế mạch cộng số nhị phân 4 bit có vai trò quan trọng để hiểu cách thức hoạt động của các mạch logic, từ đó giúp tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống liên quan và nâng cao hiệu suất của chúng

Ngoài ra, việc nghiên cứu và thiết kế mạch cộng số nhị phân 4 bit cũng là bước đầu tiên trong việc học tập và phát triển các mạch toán học và mạch kiến trúc lớn hơn, đóng góp vào sự phát triển của công nghệ điện tử hiện đại

1.1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

b, Ý nghĩa thực tiễn:

• Thiết kế mạch cộng hai số nhị phân 4 bit là rất cần thiết trong các ứng dụng

kỹ thuật số như máy tính, viễn thông, điện tử tiêu dùng và nhiều lĩnh vực khác

• Trong máy tính, việc cộng hai số nhị phân được thực hiện hàng ngày để tính toán các chương trình và dữ liệu Thiết kế mạch cộng hai số nhị phân

4 bit giúp tăng tốc độ tính toán và giảm chi phí sản xuất mạch tích hợp

• Trong viễn thông, các tín hiệu kỹ thuật số nhị phân được sử dụng để truyền and nhận thông tin Mạch cộng hai số nhị phân 4 bit đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các phép tính toán trên dữ liệu được truyền và nhận một cách nhanh chóng và hiệu quả

1.2 Tổng quan về mạch Logic

1.2.1 Khái niệm cơ bản

Mạch logic là một bộ phận của vi mạch điện tử được sử dụng để điều khiển và

xử lý tín hiệu điện Nó thường được xây dựng từ các cổng logic (AND, OR, NOT, XOR ) và các thành phần logic khác như bộ nhớ, bộ đếm, bộ giải mã, bộ mã hóa,

Mạch logic có thể được sử dụng để thực hiện các hoạt động số học, logic và kiểm tra điều kiện trong các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại, các hệ thống điều khiển tự động, và các thiết bị khác

1.2.2 Các bước thiết kế mạch

Để thiết kế mạch logic, có thể làm theo các bước sau:

Xác định yêu cầu chức năng của mạch logic: Trước hết, cần biết mạch logic được thiết kế để làm gì và có chức năng gì Điều này sẽ giúp xác định những đầu vào và đầu ra cần thiết

Vẽ sơ đồ logic: Tiếp theo, vẽ sơ đồ logic hoặc biểu đồ dòng tín hiệu để miêu tả hoạt động của mạch logic

Xác định bảng chân trị: Dựa trên sơ đồ logic, xác định bảng chân trị, tức là bảng liệt kê tất cả các trường hợp đầu vào có thể xảy ra và đầu ra của mạch logic tương ứng với mỗi trường hợp

Thiết kế hệ thống hàm logic: Dựa trên bảng chân trị, xây dựng hệ thống hàm logic bằng cách sử dụng các phép toán logic như AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR, XNOR,

Vẽ sơ đồ logic kết hợp: Sử dụng hệ thống hàm logic để vẽ sơ đồ logic kết hợp, biểu diễn mạch logic dưới hình thức sơ đồ logic kết hợp

Thiết kế mạch logic: Với sơ đồ logic kết hợp và bảng chân trị như một hướng dẫn, thiết kế mạch logic sử dụng các cổng logic hoặc chế độc lập để thực hiện hàm logic của mạch

Kiểm tra mạch logic: Cuối cùng, kiểm tra mạch logic để đảm bảo nó hoạt động chính xác và đáp ứng các yêu cầu chức năng đã đề ra

CHƯƠNG 2 TÌNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Tính toán hệ thống

2.1.1 Mạch cộng bán phần

Mạch cộng bán phần là một mạch điện tử sử dụng để thực hiện phép cộng hai hoặc nhiều số nhị phân Mạch sử dụng các bộ cộng bán phần để tính toán kết quả Mỗi bộ cộng bán phần trong mạch cộng bán phần bao gồm một bộ cộng hai số không có nhớ (hay còn gọi là half-adder) để thực hiện phép cộng không có nhớ giữa hai bit của hai số, và một bộ cộng có nhớ (hay còn gọi là full-adder) để thực hiện phép cộng có nhớ giữa bit tiếp theo của hai số và bit nhớ từ phép cộng trước

Hình 2-1 Sơ đồ mạch cộng bán phần

2.1.2 Mạch cộng toàn phần

Mạch cộng toàn phần (hay còn gọi là mạch cộng số) là loại mạch điện tử được

sử dụng để thực hiện phép cộng các số nhị phân hoặc các giá trị logic Một mạch cộng toàn phần bao gồm nhiều module cộng nhỏ (hay còn gọi là bộ cộng nhỏ) được kết nối với nhau để thực hiện phép cộng

Mỗi bộ cộng nhỏ thực hiện việc cộng hai bít đầu vào và trả về giá trị kết quả cộng của hai bít này Bằng cách kết nối nhiều bộ cộng nhỏ với nhau, mạch cộng toàn phần có thể tính toán các số nguyên dương lớn hoặc các giá trị logic phức tạp Mạch cộng toàn phần được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, các hệ thống máy tính và các mạch logic số

𝐶𝑖 = 𝐴̅ 𝐵𝑖 𝑖𝐶𝑖−1+ 𝐴𝑖𝐵̅ 𝐶𝑖 𝑖−1 + 𝐴𝑖𝐵𝑖𝐶̅̅̅̅̅̅ + 𝐴𝑖−1 𝑖𝐵𝑖𝐶𝑖−1Rút gọn:

Hình 2-4 Mô phỏng mạch cộng toàn phần

Hình 2-5 Mô phỏng mạch cộng 4 bit

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG

IC 7483 có bốn đầu vào đơn vị (A0, B0, A1 và B1) và bốn đầu ra đếm (C0, C1, C2 và C3) Nó hoạt động bằng cách đếm các tín hiệu đầu vào tương tự và xuất ra một số đếm bình thường Để bắt đầu đếm, người dùng cần phải cung cấp một tín hiệu cộng vào đầu vào carry-in (CI) và một tín hiệu clear để bắt đầu lại đếm từ đầu

IC 7483 có thể hoạt động với điện áp nguồn từ 4,75V đến 15V và được đóng gói trong các vỏ IC gầm chân (DIP) Nó có đặc tính nhiễu thấp, tốc độ đáp ứng nhanh và tiêu thụ điện năng thấp

3.1.2 IC CD4063

Hình 3-2 IC CD4063

CD4063 thuộc dòng chip tích hợp CD4000 Dòng IC này hoạt động linh hoạt

và tiêu thụ điện năng thấp hơn so với dòng 4000 chuẩn TTL

Tuy nhiên, tốc độ xử lý chậm sẽ hơn với IC chuẩn TTL, giới hạn ở các ứng dụng thiết kế yêu cầu tốc độ xử lý chậm CD4063 là bộ so sánh giá trị nhị phân của 4 bit và xác định xem số đầu tiên lớn hơn, nhỏ hơn hay bằng số thứ hai Đối với các số dài hơn 4-bit, nhiều linh kiện CD4063 có thể được kết hợp để thực hiện so sánh Nó là bộ so sánh chuẩn CMOS digital được sử dụng trong các mạch logic và CPU cho nhiều ứng dụng khác nhau

3.1.3 IC 74LS47

Hình 3-3 IC 74LS47

IC 74LS47 là một bộ giải mã BCD-7 đoạn 7-segment Nó có 4 đầu vào BCD

và đầu ra là 7 đoạn, ứng với hiển thị số từ 0 đến 9 và chữ A đến F IC này được thiết kế để sử dụng với các mạch điều khiển đa dạng như máy tính, đồng hồ kỹ thuật số, đồng hồ đo và các ứng dụng điện tử khác 74LS47 sử dụng kỹ thuật TTL

để hoạt động với điện áp cấp độ logic 4,75V - 5,25V và có thể dễ dàng được tích hợp vào bất kỳ hệ thống điện tử nào

3.1.4 IC 7408

Hình 3-4 IC 7408

IC 7408 (IC 74LS08) được biết đến là một vi mạch tích hợp với 4 cổng AND hai đầu vào 8 bit 7408 là dòng IC thuộc họ IC 74XXYY Cổng AND là một mạch tín hiệu được sử dụng để có thể chuyển đổi các trạng thái logic Trong cổng AND

sẽ có 2 dạng tín hiệu logic được sử dụng

Đầu tiên, dạng tín hiệu mức cao, có điện áp trong khoảng từ 3-5V và dạng thứ

2 là dạng tín hiệu ở mức thấp tương đương với mức điện áp 0 – 2,6V Một cổng AND cần sử dụng 2 chân đầu vào và 1 chân cho đầu ra

Đầu ra cũng sẽ hoạt động ở 2 trạng thái mức cao và mức thấp, nhưng để đầu ra

ở mức cao thì buộc cả 2 trạng thái đầu vào cũng phải ở mức cao

IC 7408 được cấu tạo với 4 cổng AND, các công có thể được sử dụng riêng biệt

mà không gây ảnh hưởng tới các cổng khác

74LS08 chỉ cần sử dụng 1 nguồn duy nhất, đầu ra của IC luôn tương thích với các thiết bị TTL và các bộ vi điều khiển khác

IC 7408 với kích thước nhỏ gọn và tốc độ xử lý nhanh nên có độ tin cậy khá cao Một số các cổng logic khác cùng dòng như: 74LS73, 74LS00, 74LS02, 74LS04, 74LS138

Thông số kỹ thuật IC 7408:

Dải điện áp hoạt động 4,75 – 5,25V Điện áp được khuyến nghị cho IC là 5V nhưng có thể lên tối đa là 7V

IC cho phép dòng điện lớn 8mA ở đầu ra

Thời gian tăng giảm điển hình: 18ns

Nhiệt độ hoạt động: 0 ° C đến 70 ° C

Nhiệt độ bảo quản: -65 ° C đến 150 ° C

Tiêu thụ ít điện năng

3.1.5 IC 7432

Hình 3-5 IC 7432

Cấu tạo bên trong ic số 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 IC hoạt động tốt nhất ở điện áp 5V.Các hoạt động của IC này là rất đơn giản để hiểu nếu chúng ta hiểu được hoạt động của cổng =OR

▪ Cathode chung (CC): Trong màn hình Cathode chung thì tất cả các cực Cathode cả các đèn LED được nối chung với nhau với mức logic “0” hoặc nối Mass (Ground) Các chân còn lại là chân Anode sẽ được nối với tín hiệu logic mức cao (HIGHT) hay mức logic 1 thông qua 1 điện trở giới hạn dòng điện để có thể đưa điện áp vào phân cực ở Anode từ a đến G để có thể hiển thị tùy ý

▪ Anode chung (CA): Trong màn hình hiển thị Anode chung, tất cả các kết nối Anode của LED 7 thanh sẽ được nối với nhau ở mức logic “1”, các phân đoạn LED riêng lẻ sẽ sáng bằng cách áp dụng cho nó một tín hiệu logic “0” hoặc mức thấp “LOW” thông qua một điện trở giới hạn dòng điện để giúp phù hợp với các cực Cathode với các đoạn LED cụ thể từ a đến g

3.1.7 Điện trở

Điện trở (Resistor) là một linh kiện điện tử thụ động với 2 tiếp điểm nối Chức năng của nó dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch Dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối trong đường truyền điện đồng thời có trong nhiều ứng dụng khác

Hình 3-6 Điện trở

3.1.8 Công tắc bit 4 số

Hình 3-7 Công tắc bit 4 số

Thông số kĩ thuật:

- Phân loại: Công tắc 4BIT

- Số lượng chân cắm: 8 chân

- Khoảng cách giữa 2 chân: 2.54mm

- Màu sắc: Trắng + Đỏ

- Chất liệu: Nhựa + Kim Loại

3.2 Thiết kế mạch trên phần mềm altium

Đề xuất hướng cải tiến và phát triển:

- Hướng phát triển: Có thể thay thế các linh kiện, IC điều khiển, IC giải mã… bằng các linh kiện khác trên thị trường mà vẫn đáp ứng được nhu cầu của đề tài

- Đề xuất cải tiến: sắp xếp các linh kiện hợp lí giúp đi dây dễ dàng hơn

Kết quả:

Xây dựng thành công mạch cộng nhị phân 4 bit với thành phần xây dựng bằng các cơ sở lý thuyết về cổng logic Điều này cho thấy khả năng thực hiện các tính toán nhị phân cơ bản và thiết kế điện tử của những cá nhân mới tiếp cận với mảng điện tử

Thứ hai, kiểm tra thông số kỹ thuật của mạch cộng nhị phân 4 bit, bao gồm hiệu suất, tốc độ, chi phí và độ chính xác Qua việc kiểm tra này, chúng tôi đã có thể xác định được sự khác biệt và tính ứng dụng của mạch cộng nhị phân 4 bit so với các loại mạch cộng khác

Cuối cùng, những kết quả từ dự án này có thể hỗ trợ cho khả năng tăng cường hoạt động và thiết kế của các hệ thống điện tử trong tương lai Các nhà nghiên cứu và lập trình viên có thể cải tiến và phát triển các sản phẩm, với mong muốn mang lại những ứng dụng hiệu quả hơn trong cuộc sống

Tóm lại, dự án nghiên cứu về mạch cộng nhị phân 4 bit đã mang lại cho chúng

ta những kết quả rất quan trọng Chúng ta cũng sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển, nhằm đưa ra cách tiếp cận và kết quả mới, giúp mang lại những sản phẩm

và dịch vụ hữu ích cho xã hội