ĐỒ ÁN MÔN KỸ THUẬT XUNG SỐ TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN, NGHỊCH ĐỒNG BỘ Kđ=16, SỬ DỤNG JKFF, HIỂN THỊ SỐ ĐẾM TRÊNLED 7 THANH, Trường đại học công nghiệp Hà Nộiaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
TỔNG QUAN
Tổng quan về bộ đếm nhị phân nghịch, đồng bộ
Mạch đếm là một loại mạch dãy đơn giảm, được cấu tạo từ các phần tử nhớ và tổ hợp, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống số Bộ đếm hoạt động như một mạch dãy tuần hoàn với đầu vào để đếm và đầu ra, có số trạng thái tương ứng với hệ số đếm (Kđ).
Dưới tác động của tín hiệu vào, mạch sẽ chuyển đổi giữa các trạng thái theo một thứ tự nhất định Sau mỗi Kđ lần tín hiệu vào, mạch sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Bộ đếm chỉ có một đầu vào và thực hiện việc đếm các dãy xung khi có xung điều khiển Nếu xung đồng bộ (CLK) không trùng với thời điểm xung đếm (Xđ), quá trình đếm sẽ không diễn ra Do đó, mạch đếm cần có xung đếm là dãy xung đồng bộ để hoạt động hiệu quả.
Bộ đếm được mô tả qua sơ đồ khối, thể hiện các trạng thái và sự chuyển đổi giữa chúng, phản ánh hoạt động của bộ đếm một cách rõ ràng.
Hình 1-2 Đồ hình trạng thái tổng quát của bộ đếm
Khi không có tín hiệu vào đếm (Xđ), 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) Nếu bộ đếm ở trạng thái và nhận tín hiệu vào đếm, nó sẽ trở về trạng thái ban đầu và xuất hiện tín hiệu ra một lần duy nhất Để hiển thị trạng thái của bộ đếm, cần sử dụng thêm mạch giải mã.
Phân loại theo cách làm việc:
Bộ đếm đồng bộ (Synchronous counter) là loại bộ đếm mà các trạng thái trong các flip-flop (FF) chuyển đổi đồng thời khi nhận xung đếm, không có trạng thái trung gian Ngược lại, bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous counter) có ít nhất một cặp trạng thái Si = Sj, trong đó các FF không thay đổi trạng thái đồng thời và xung đồng bộ tác động không đồng thời tới các FF.
Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = 2^n cho phép mã hoá tối đa 2^n trạng thái khi sử dụng n FF Tuy nhiên, sẽ có (2^n - Kđ) trạng thái không được sử dụng, do đó, trong thiết kế bộ đếm, cần chú ý đến các trạng thái này và áp dụng biện pháp hợp lý để bộ đếm có thể thoát khỏi các trạng thái không sử dụng, đồng thời vẫn đảm bảo tính đơn giản trong thiết kế.
Quá trình đếm của bộ đếm diễn ra khi nó chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau, với mỗi trạng thái được mã hóa bằng một mã cụ thể Một bộ đếm có thể có nhiều phương pháp mã hóa trạng thái khác nhau, và mỗi phương pháp sẽ tương ứng với các mạch thực hiện khác nhau.
- Mã nhị phân, Mã Gray
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.
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Chúng ta đang sống trong thời đại khoa học và tri thức, với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và khoa học ứng dụng Kỹ thuật điện tử phát triển nhanh chóng và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xã hội Con người đang dần chuyển từ việc điều khiển bằng tay sang việc điều khiển tự động.
Ngành công nghiệp đã gặt hái nhiều thành tựu nhờ vào việc ứng dụng khoa học kỹ thuật và công nghệ Sự phát triển của máy móc đã giúp thay thế con người trong nhiều công việc, đặc biệt là những công việc nặng nhọc.
Ngày nay, công nghệ vi điện tử đang phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của nhiều vi mạch, dẫn đến nhu cầu tiếp xúc với lĩnh vực điện tử số ngày càng tăng Để xây dựng một thiết bị hoàn chỉnh, các thành phần như mạch đếm, thanh ghi và bộ nhớ là không thể thiếu, trong đó mạch đếm đóng vai trò quan trọng Chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế bộ đếm nhị phân, nghịch, đồng bộ Kđ, sử dụng JK-FF, hiển thị số đếm trên LED 7 thanh” để tìm hiểu sâu hơn về mạch đếm Hệ đếm nhị phân được cấu trúc từ các trigger, với các trạng thái ngõ ra được biểu thị dưới dạng mã nhị phân với các trạng thái 0 và 1.
Căn cứ vào sự tác động của xung đầu vào, người ta chia làm hai loại: bộ đếm đồng bộ và bộ đếm không đồng bộ
Bộ đếm đồng bộ là loại bộ đếm trong đó tất cả các flip-flops bên trong được kích hoạt đồng thời bởi cùng một tín hiệu xung nhịp.
Bộ đếm không đồng bộ, hay còn gọi là bộ đếm gợn, là một cấu trúc gồm nhiều flip-flop sắp xếp theo tầng Trong đó, đầu ra của mỗi flip-flop điều khiển đầu ra xung nhịp của flip-flop tiếp theo Bộ đếm gợn bao gồm một chuỗi các flip-flop, với đầu ra của mỗi flip-flop được kết nối với đầu vào đồng hồ của flip-flop bậc cao hơn.
Trong bộ đếm đồng bộ, tất cả các flip-flop được kích hoạt bởi cùng một tín hiệu đồng hồ, dẫn đến việc các đầu ra thay đổi trạng thái đồng thời mà không có độ trễ lan truyền Ngược lại, trong bộ đếm không đồng bộ, đầu vào đồng hồ của các flip-flop không được kích hoạt bởi cùng một tín hiệu, gây ra độ trễ thời gian giữa các đầu ra từ các lần lật khác nhau.
Bộ đếm đồng bộ hoạt động hiệu quả hơn bộ đếm không đồng bộ nhờ vào việc tất cả các flip-flop được đồng hồ cùng một lúc Điều này cho phép bộ đếm đồng bộ có thể hoạt động ở tần số xung nhịp cao hơn nhiều Bởi vì tín hiệu đồng hồ được áp dụng đồng thời cho tất cả các flip-flop, nên không có độ trễ thời gian giữa các đầu ra khác nhau.
Mục đích nghiên cứu
- Thiết kế mạch logic tổ hợp đáp ứng yêu cầu đề tài.
- Thiết kế mạch in PCB.
- Chế tạo thủ công mạch in PCB.
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.
Phạm vi nghiên cứu
- 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 căn bản.
- Đảm bảo an toàn lao động.
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.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Sơ đồ khối
Hình 2-3 Sơ đồ khối bộ đếm
Bộ nguồn cung cấp cho toàn mạch ở đây là nguồn ổn định 5V. Nếu nguồn không ổn định sẽ dẫn tới hoạt động mạch bị gián đoạn.
Biến đổi tín hiệu điện một chiều thành tín hiệu điện có xung và tần số theo yêu cầu, đồng thời tạo ra xung đồng bộ điều khiển với chu kỳ không đổi để điều chỉnh hoạt động của mạch.
Thao tác mã hóa được thực hiện dựa trên yêu cầu và đặc điểm của tín hiệu, dẫn đến việc sử dụng các bộ mã hóa khác nhau như bộ mã hóa nhị phân và bộ mã hóa thập phân.
Chuyển mã nhận được từ khối điều khiển có dạng mã BCD thành một dạng mã có thể biểu diễn được.
Nhận xung giải mã và hiển thị kết quả.
Tính toán
Thiết kế bộ đếm nhị phân, nghịch, đồng bộ Kđ , sử dụng JK-FF, hiển thị số đếm trên LED 7 thanh. Đồ hình trạng thái
Hình 2-4 Đồ hình trạng thái của bộ đếm nghịch
Số dạng 4 FF loại JK: Q 3; Q 2; Q 1 ;Q 0
Bảng 2.1 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED1
Bảng 2.2 Bảng chuyển đổi trạng thái của con LED2
Lựa chọn linh kiện
Bảng 2.3 Giá trị và chức năng của các linh kiện
IC 555 2V – 18V Tạo xung cho mạch điều khiển
7SEG 2.2V LED 7 thanh hiển thị giá trị đếm
IC 74LS08 5V Cổng logic AND, điều khiển tín hiệu mạch đếm
IC 74HC32 5V Cổng logic OR, điều khiển tín hiệu mạch đếm
IC 74LS47 5V IC giải mã cho LED 7SEG
IC 74LS76 5V Trigger JK-FF
IC 74LS83 5V Bộ cộng đầy đủ nhị phân 4 bit
IC 555 là một Ic tạo xung rất đa năng, Tạo xung vuông rất đơn giản
Hình 2-6 Khối tạo xung – IC 555
- Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung
Chân số 2 (TRIGGER) là chân đầu vào có điện áp thấp hơn điện áp so sánh, được sử dụng như một chân chốt hoặc ngõ vào của mạch so áp Mạch so sánh này sử dụng các transistor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3 Vcc.
Chân số 3 (OUTPUT) là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic, với trạng thái tín hiệu được xác định theo mức 0 và 1 Mức 1 tương đương với gần bằng Vcc khi PWM0% ở mức cao, trong khi mức 0 tương ứng với 0V Tuy nhiên, trong thực tế, mức 0 không hoàn toàn là 0V mà nằm trong khoảng 0.35-0.75V.
- Chân 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số
Khi chân 4 nối vào mức điện áp thấp, ngõ ra sẽ ở mức thấp Ngược lại, khi chân 4 được kết nối với mức điện áp cao, trạng thái ngõ ra sẽ phụ thuộc vào mức điện áp tại chân 2 và chân 6 Để tạo dao động trong mạch, thường thì chân này được nối lên Vcc.
Chân 5 (CONTROL VOLTAGE) của IC 555 được sử dụng để điều chỉnh mức áp chuẩn thông qua các biến áp hoặc điện trở nối với GND Mặc dù chân này có thể không cần kết nối, nhưng để giảm thiểu nhiễu, người ta thường nối chân số 5 xuống GND qua tụ điện có giá trị từ 0.01uF đến 0.1uF Các tụ điện này giúp lọc nhiễu và duy trì sự ổn định của điện áp chuẩn.
- 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
Khi mức áp thấp đạt 3, khóa sẽ đóng lại, trong khi ở mức áp cao, khóa sẽ mở ra Chân 7 của IC 555 tự nạp và xả điện cho mạch R-C khi IC 555 hoạt động 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.
Hình 2-7 JK 74LS76 thực tế
Chân 1 là chân đầu vào, có nhiệm vụ cung cấp xung nhịp cho flip flop JK đầu tiên Xung từ mức CAO xuống THẤP chỉ tác động đến flip flop.
- Chân 2 là chân đầu vào preset Nó được sử dụng để làm cho đầu ra (1Q) của flip flop đầu tiên CAO Nó là chân active low.
- Chân 3 là chân xóa đầu vào của flip flop đầu tiên Nó được sử dụng để reset đầu ra của flip flop đầu tiên Nó là chân active low.
- Chân 4 là chân đầu vào đầu tiên của flip flop đầu tiên.
Nó được sử dụng để cung cấp bit dữ liệu đầu vào đầu tiên cho vi mạch Nó có thể là CAO hoặc THẤP.
- Chân 5 được sử dụng làm chân nguồn Nó được sử dụng để cấp nguồn cho vi mạch để làm cho nó hoạt động.
Chân 6 là chân đầu vào, có chức năng cung cấp xung nhịp cho clock của flip flop JK thứ hai Xung từ mức CAO xuống THẤP chỉ ảnh hưởng đến vi mạch.
Chân 7 là chân đầu vào preset của flip flop thứ hai, được sử dụng để làm cho đầu ra (2Q) của flip flop này ở mức CAO Chân này hoạt động theo chế độ active low.
- Chân 8 là chân xóa đầu vào của flip flop thứ hai Nó được sử dụng để reset đầu ra của flip flop thứ hai Nó là chân active low.
Chân 9 là chân đầu vào đầu tiên của flip flop thứ hai, được sử dụng để cung cấp bit dữ liệu đầu vào đầu tiên cho vi mạch, với hai trạng thái có thể là CAO hoặc THẤP.
- Chân 10 là chân đầu ra thứ hai của flip flop thứ hai Nó sẽ cung cấp đầu ra đảo ngược của chân 11.
- Chân 11 là chân đầu ra đầu tiên của flip flop thứ hai Nó sẽ cung cấp bit đầu ra của flip flop thứ hai.
Chân 12 là chân đầu vào thứ hai của flip flop thứ hai, có chức năng cung cấp bit dữ liệu đầu vào thứ hai cho vi mạch Chân này có thể ở trạng thái CAO hoặc THẤP.
- Chân 13 là chân ground Nó được sử dụng để tạo ground chung với nguồn điện và các thiết bị khác nếu có.
- Chân 14 là chân đầu ra thứ hai của flip flop đầu tiên Nó sẽ cung cấp đầu ra đảo ngược của chân 15.
- Chân 15 là chân đầu ra đầu tiên của flip flop đầu tiên Nó sẽ cung cấp bit đầu ra của flip flop đầu tiên.
- Chân 16 là chân đầu vào thứ hai của flip flop đầu tiên.
Nó được sử dụng để cung cấp bit dữ liệu đầu vào thứ hai cho vi mạch Nó có thể là CAO hoặc THẤP.
74LS83 là một bộ cộng đầy nhị phân 4 bit tốc độ cao, có khả năng chấp nhận hai từ nhị phân 4 bit (A1 – A4, B1 – B4) cùng với một đầu vào mang (C0) Bộ này tạo ra các đầu ra tổng nhị phân (R1 – R4) và đầu ra mang (C4) từ bit quan trọng nhất.
- Chân 1, 3, 8, 10 là chân đầu vào cho mạch Adder (bốn chân cho bốn giai đoạn).
- Chân 2, 6, 9, 15, là chân đầu ra cho mạch Adder (bốn chân cho bốn giai đoạn).
- Chân 4, 7, 11, 16 là chân đầu vào thứ hai cho mạch Adder (bốn chân cho bốn giai đoạn).
- Chân 5 - VCC là chân nguồn.
- Chân 12 – GND là chân ground.
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”
- Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13: Các cặp đầu vào
- Chân 7 GND là chân ground.
- Chân 14 VCC là chân nguồn.
74HC32 là một IC 4 cổng OR 2 đầu vào độc lập với đầu ra
- Chân 1,2; 4,5; 9,10; 12,13: Các cặp đầu vào
- Chân 7 GND là chân ground.
- Chân 14 VCC là chân nguồn.
- Chân 16 cấp nguồn VCC 5V, nếu quá 5V thì IC này sẽ bị chết
- Chân 8 là chân nối GND (mass)
- Các chân 1,2,6,7 là các chân tín hiệu vào ứng với A, B, C, D
- Các chân 15,14,13,12,11,10,9 là các chân ra, các chân này sẽ được nối với led bảy thanh và được nối như hình trong mạch nguyên lí
Chân thứ 3 LT (Lamp Test) là chân kiểm tra của led bảy đoạn, khi được kết nối với mass, bộ giải mã sẽ sáng cùng lúc với tất cả bảy đoạn Chân này chỉ có chức năng kiểm tra tình trạng hoạt động của các led, giúp xác định xem có led nào bị hỏng hay không, và trong thực tế, nó không được sử dụng trong các ứng dụng thông thường.
Chân 4 (BI/RB0) phải luôn được kết nối với mức cao; nếu kết nối với mức thấp, toàn bộ đèn LED sẽ không sáng, bất kể trạng thái ngõ vào là gì.
- Chân 5 (RBI) kết nối với mức cao.
Màn hình 7 phân đoạn là loại màn hình phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị nhúng khác nhau Với 8 đèn LED bên trong, màn hình này có khả năng hiển thị cả số và bảng chữ cái.
- Chân 1-e : Điều khiển đèn LED phía dưới bên trái của màn hình 7 đoạn
- Chân 2-d : Điều khiển đèn LED dưới cùng của màn hình 7 đoạn
- Chân 3, 8-com : Đã kết nối với Ground/Vcc dựa trên loại màn hình
- Chân 4-c : Điều khiển đèn LED phía dưới bên phải của màn hình 7 đoạn
- Chân 5-DP : Điều khiển đèn LED dấu thập phân của màn hình 7 đoạn
- Chân 6-b : Điều khiển đèn LED trên cùng bên phải của màn hình 7 đoạn
- Chân 7-a : Điều khiển đèn LED trên cùng của màn hình 7 đoạn
- Chân 9-f : Điều khiển đèn LED trên cùng bên trái của màn hình 7 đoạn
- Chân 10-g : Điều khiển đèn LED giữa của màn hình 7 đoạn
Thiết kế
Sơ đồ thiết kế mạch logic trên phần mềm Proteus
Hình 2-19 Sơ đồ thiết kế mạch logic trên phần mềm Proteus
Mạch nguyên lý mô phỏng trên proteus
Hình 2-20 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Proteus
Hình 2-21 Sơ đồ mô phỏng hình 2-22 Sơ đồ đi dây lớp trên
Hình 2-23 Sơ đồ đi dây lớp dưới
Mạch in 3D mô phỏng trên phần mềm Proteus
Hình 2-24 Mạch in 3D mô phỏng trên phần mềm Proteus
CHẾ TẠO LẮP RÁP THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH
Liệt kê các linh kiện cần dùng
Bằng việc tham khảo các tài liệu ta cần các linh kiện sau:
IC 555, 7SEG (2), IC 74LS08, IC 74HC32, IC 74LS47 (2), IC 74LS76 (2), nút nhấn, điện trở, tụ điện,…
Mạch sau khi thiết kế hoàn chỉnh
Hình 3-25 Mặt trước của sản phẩm
Hình 3-26 Mặt sau của sản phẩm
Hình 3-27 Kết quả sản phẩm
ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN
Đánh giá sản phẩm
Ưu điểm: mạch chạy đúng yêu cầu, hoạt động ổn định, gọn nhẹ linh hoạt, chi phí phù hợp
Nhược điểm: bố trí mạch chưa khoa học, thiết kế chưa mang tính công nghiệp.
Tính thực thế của sản phẩm
Mạch đếm là một ứng dụng quan trọng trong đời sống và công nghiệp, giúp tăng năng suất và hiệu quả công việc, đồng thời giảm sức lao động của con người Nó được sử dụng để thay thế con người trong các nhiệm vụ như đếm sản phẩm, đếm thời gian, điều khiển đèn giao thông, chia tần số và điều khiển các mạch khác Với tính năng tiện lợi, độ chính xác cao, hoạt động ổn định và thiết kế gọn nhẹ, mạch đếm đã nhanh chóng trở thành công cụ phổ biến trong nhiều lĩnh vực.
Đề xuất cải tiến và hướng phát triển
Hướng phát triển có thể thay thế các linh kiện như IC tạo xung, IC điều khiển và IC giải mã bằng các linh kiện khác trên thị trường mà vẫn đáp ứng nhu cầu của đề tài Đề xuất cải tiến là thiết kế mạch phù hợp hơn để đảm bảo tính thống nhất và tránh tình trạng rối mắt do phải câu dây nhiều.