Báo cáo topic kỹ thuật số

KHẢO SÁT DATASHEET IC 4027. THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM NHỊ PHÂN KHÔNG ĐỒNG BỘ 12 BIT UPDOWN ĐIỀU KHIỂN BẰNG 1 NÚT NHẤN (MẠCH SỬ DỤNG IC 4027), IC555 được ứng dụng rất phổ biến để tạo nên các mạch như: Mạch đơn ổn, mạch dao dộng đa hài, mạch chia tần

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

 BÁO CÁO TOPIC KHẢO SÁT DATASHEET IC 4027 THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM NHỊ PHÂN KHÔNG ĐỒNG BỘ 12 BIT UP/DOWN ĐIỀU KHIỂN BẰNG 1 NÚT NHẤN (MẠCH SỬ DỤNG IC 4027)

GVHD: Th.S Võ Đức Dũng

MÃ LỚP: DIGI330163_22_2_13

1 Hoàng Minh Nhật 21151510

2 Nguyễn Quỳnh Nhu 21151301

3 Thái Thị Huỳnh Như 21142649

4 Châu Đặng Mỵ Nương 21151302

5 Nguyễn Văn Pháp 21151303

BẢNG PHÂN CHIA NHIỆM VỤ VÀ MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH CỦA TỪNG

THÀNH VIÊN

HOÀN THÀNH

1 Hoàng Minh Nhật 21151510 Khảo sát các IC và làm

ppt

100%

2 Nguyễn Quỳnh

Nhu

21151301 Thiết kế mạch nguyên

lí, mô phỏng trên protues và thi công mạch

100%

3 Thái Thị Huỳnh

Như

21142649 Lựa chọn linh kiện cho

khối đếm, khối hiển thị

và khối chuyển đổi; mô phỏng trên protues; tổng hợp word

100%

4 Châu Đặng Mỵ

Nương

21151302 Vẽ sơ đồ khối và hoạt

động của các khối; làm ppt

100%

5 Nguyễn Văn Pháp 21151303 Lựa chọn linh kiện và

tính toán cho khối tạo xung

100%

Nhận xét của giáo viên

….………

….………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ngày … Tháng….Năm… Giáo viên chấm điểm

CHƯƠNG 1: CÁC IC LIÊN QUAN CÓ TRONG MẠCH CẦN THIẾT KẾ 1

1.1 Khảo sát IC555: 1

1.1.1.Thông số: 1

1.1.2 Chức năng của IC555: 1

1.2 Khảo sát IC 4027: 2

1.2.1 Sơ đồ chân 3

1.2.2 Mô tả chân linh kiện 3

1.2.3 Thông số kỹ thuật 4

1.2.4 Nơi ứng dụng 4

1.2.5 Cách sử dụng 5

1.2.6 Các ứng dụng 5

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH THIẾT KẾ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC KHỐI TRONG SƠ ĐỒ 6

2.1 Sơ đồ khối của mạch thiết kế 6

2.2 Hoạt động của các sơ đồ khối 6

CHƯƠNG 3: MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ LÝ DO CHỌN CÁC LINH KIỆN, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRONG MẠCH 8

3.1 Mạch nguyên lí 8

3.2 Lý do chọn các linh kiện và tính toán các thông số trong mạch: 8

3.2.1 Khối tạo xung dao động: 8

3.2.2 Khối đếm IC4027 11

3.2.3 Khối chuyển đổi hai chế độ 12

3.2.4 Khối hiển thị 14

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH TRÊN PHẦN MỀM PROTUES 15

CHƯƠNG 5: THI CÔNG MẠCH 17

CHƯƠNG 1: CÁC IC LIÊN QUAN CÓ TRONG MẠCH CẦN THIẾT KẾ 1.1 Khảo sát IC555:

IC 555 là một trong những dòng sản phẩm của công ty Signetics Corporation với 2 dòng sản phẩm là SE555/NE555 IC 555 là một vi mạch dùng để tạo thời gian trễ (Time Delays) và tạo xung (Oscillation) với mức độ ổn định và tỷ lệ chính xác cao

1.1.1.Thông số:

- Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )

- Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA

- Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

- Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

- Công suất tiêu thụ (max): 600mW

1.1.2 Chức năng của IC555:

1.1.2.1 Bố trí chân

Hình 1: IC NE555 N gồm có 8 chân

1.1.2.2.Chức năng của từng chân

+ 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 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc

+ 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

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

+ Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND

+ Chân số 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện

áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt

+ Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bỡi 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 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 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

1.2 Khảo sát IC 4027:

CD4027 là IC gói JK Flip-Flop kép tốc độ cao dựa trên CMOS, mỗi cổn

g có xung clock ngõ vào và 2 ngõ ra Q và Q’ Là một mạch tích hợp được xây dựng từ các Mosfet và một số điện trở phụ trợ

1.2.1 Sơ đồ chân

Hình 2: IC CD4027 gồm có 16 chân

1.2.2 Mô tả chân linh kiện

IC CD4027 có tổng cộng 16 chân

Số

chân

3, 13 CLOCK 2 ,

CLOCK 1

Xung clock

4, 12 Reset 2, Reset 1 Khi chân này có mức logic thaaos, giá trị của Q

sẽ là 1

Khi chân này có mức logic cao giá trị đầu ra ~Q

sẽ là 1

7, 9 SET 2, SET 1 Khi chân này ở mức logic cao, giá trị của Q sẽ là

Khi chân này ở mức logic thấp, giá trị của ~Q sẽ

là 1

1.2.3 Thông số kỹ thuật

- Hoạt động với tốc độ trung bình 16 MHz với nguồn cung cấp 10V.

- Nhiệt độ hoạt động từ -55oC-125oC

- Nguồn cung cấp có dải điện áp từ -0.5-20V

- Điện áp hoạt động: 5V, 10V, 15V

- Điện áp hoạt động tối đa: 20V

- Flip-Flop hoạt động tĩnh

- Có khả năng set và reset

- Công suất tiêu thụ thấp 50 nW

- Thời gian tăng / giảm đầu vào ở 5V: 45us

- Điện áp đầu vào mức cao tối thiểu: 2V

- Điện áp đầu vào mức thấp tối đa: 0,8V

- Có các gói PDIP, GDIP, PDSO 14 chân

- Điện áp cao như 15V với biên độ nhiễu thấp chỉ 2,5V

1.2.4 Nơi ứng dụng

IC CD4027 được sử dụng để lưu dữ liệu và thực hiện các chức năng điều khiển, thanh ghi dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu Trong ứng dụng bật tắt, nó được

sử dụng để thay đổi tín hiệu bằng các tín hiệu đầu vào điều khiển

Cũng có thể sử dụng IC này trong các thiết bị chốt tín hiệu do đặc tính của

nó là lưu dữ liệu và xuất tín hiệu đầu ra dựa vào trạng thái logic đầu ra trước đó

1.2.5 Cách sử dụng

CD4027 có hai flip flop, mỗi flip có bốn đầu vào độc lập và hai đầu ra ngược tín hiệu nhau Các chân đầu vào J và K điều khiển trạng thái logic flip flop khi có xung cạnh tích cực cao của xung clock

Chúng ta có thể cấp tín hiệu clock thông qua một nút nhấn hoặc tín hiệu PWM Các chân set và reset hoạt động độc lập với xung clock Bắt đầu hoạt động bằng cách cấp tín hiệu logic cao cho các chân này Chân 8 được mắc với mass Kết nối chân 16 với nguồn điện dương

Đây là một sơ đồ mạch đơn giản cùng các tín hiệu điều khiển và xung clock Có thể thấy, tín hiệu reset và set được đặt bằng không Do đó, các đầu ra trên chân Q và ~ Q phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào JK

1.2.6 Các ứng dụng

- Mạch bộ nhớ máy tính

- Thanh ghi dịch có thể được thiết bằng vi mạch này vì chúng là các mạch logic tuần tự và chủ yếu được sử dụng để lưu dữ liệu digital

- Được sử dụng trong thanh ghi thoại (voice register) và thanh ghi bộ nhớ hoặc thanh ghi điều khiển

- Các mạch EEPROM để chứa một lượng nhỏ dữ liệu

- Các linh kiện và bộ đếm chốt dữ liệu

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH THIẾT KẾ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA

CÁC KHỐI TRONG SƠ ĐỒ 2.1 Sơ đồ khối của mạch thiết kế

2.2 Hoạt động của các sơ đồ khối

Khối nguồn: cung cấp nguồn cho mạch dao động

Khối tạo dao động: Tạo ra các xung Clock rồi đưa xung qua khối đếm, cụ

thể là được đưa vào flip flop đầu tiên của khối

Khối đếm: Bao gồm các flipflop được nối tiếp với nhau Khi có các xung kích cạnh lên thì các khối này lập tức đếm lên từ trạng thái 000 đến FFF hoặc đếm xuống, được mã hóa thành các bit nhị phân ra các chân

Khối chuyển đổi chế độ: Sử dụng một nút nhận và một con FF JK để chuyển đếm lên, xuống Khi mạch đang đếm lên mà ta nhấn nút nhấn thì mạch

sẽ chuyển đổi từ đếm 000 đến FFF thành từ FFF xuống 000 và ngược lại

Khối hiển thị: Dùng Led 7 đoạn hiển thị ra các giá trị số đếm từ các mã nhị phân

KHỐI NGUỒN

Hình 3: Kí hiệu và hình ảnh của led 7 đoạn

CHƯƠNG 3: MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ LÝ DO CHỌN CÁC LINH KIỆN, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRONG MẠCH

3.1 Mạch nguyên lí

Hình 4: Sơ đồ nguyên lí mạch đếm 12 bit sử dụng IC 4027

3.2 Lý do chọn các linh kiện và tính toán các thông số trong mạch:

3.2.1 Khối tạo xung dao động:

Chức năng: Cấp xung clock cho thanh ghi

- Lựa chọn linh kiện và lý do chọn:

+ IC555 được ứng dụng rất phổ biến để tạo nên các mạch như: Mạch đơn ổn, mạch dao dộng đa hài, mạch chia tần,…

+ Có thể kết hợp với điện trở và tụ điện để tạo ra chu kì dao đông theo ý muốn

- Nguyên lý hoạt động:

Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor

để xả điện Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện

VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

Hình 5: Cấu tạo của IC NE555

- Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung:

+ Tần số của tín hiệu đầu ra là: f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))

+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : t = 1/f

+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì: t1 = ln2 (R1 + R2).C

+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì: t2 = ln2.R2.C

Hình 6: Mạch mô phỏng tạo xung

- Tính toán các thông số trong mạch:

Tham số Công thức

Kết quả

Đơn vị RV1 = 0 Ω RV1 = 68k Ω

Thời gian nhưng

dẫn ở mức áp cao

(Tn)

ln(2) × (R2 + RV1) ×

Thời gian nhưng

dẫn ở mức áp thấp

(Tx)

Khoảng thời gian

(T)

ln(2) × (R2 + 2 ×

Tần số (F) 1 / ((R2 + 2 × RV1) ×

Hertz (Hz)

Phần trăm (%)

- Lý do lựa chọn linh kiện: Để có thể đáp ứng cho yêu cầu là khởi tạo mạch đếm lên/xuống có thể hoạt động thì nhóm chúng em chọn JK Flip Flop cụ thể là IC CD4027

- Chức năng các chân:

+ Chân CLK: chân nhận xung clock của IC Để IC có thể hoạt động thì phải có xung clock đưa vào chân này Xung clock sẽ được tạo ra bởi khối tạo dao động chính là IC NE555 và ngõ ra của khối tạo dao động sẽ được kết nối với ngõ vào xung CK của IC CD4027

- Sơ đồ logic của từng chân

- Bảng trạng thái

+Khi chân RESET ở mức thấp, chân PRE ở mức thấp, CK tích cực cao, J ở mức 1 thì ngõ ra Q được set lên mức 1

+Khi chân RESET ở mức thấp, chân PRE ở mức thấp, CK tích cực cao, K ở mức 0 thì ngõ ra Q được set lên mức 1

+Khi chân RESET ở mức thấp, chân PRE ở mức thấp, CK tích cực cao, J ở mức 0 thì ngõ ra Q được reset về mức 0

+Khi chân RESET ở mức thấp, chân PRE ở mức thấp, CK tích cực cao, K ở mức 1 thì ngõ ra Q được reset về mức 0

+Khi chân RESET ở mức thấp, chân PRE ở mức thấp, CK tích cực thấp thì ngõ

ra Q sẽ không đổi so với trạng thái trước

+Khi chân RESET ở mức thấp, chân PRE ở mức cao thì ngõ ra Q được set lên 1

+Khi chân RESET ở mức cao, chân PRE ở mức thấp thì ngõ ra Q bị reset về 0 +Khi chân RESET ở mức thấp, chân PRE ở mức thấp thì ngõ ra Q nhận trạng thái cấm

3.2.3 Khối chuyển đổi hai chế độ

Theo yêu cầu đề tài, mạch cần hoạt động theo 2 chế độ là đếm lên và đếm xuống điều khiển bằng nút nhấn

- Chức năng: chuyển đổi qua lại giữa 2 chế độ hiển thị

- Lý do lựa chọn:

trạng thái logic flip flop khi có xung cạnh tích cực cao của xung clock Yêu cầu cần chuyển 2 chế độ nên chọn IC CD4027 sẽ giúp mạch chuyển đổi qua lại 2 chế độ bằng trạng thái đảo của Flip-Flop JK

- Cơ chế hoạt động:

Để mạch có thể hoạt động ở 2 chế độ như yêu cầu đề tài ta cần kết hợp hai mạch đếm lên và đếm xuống Phương pháp thực hiện như sau:

Gọi tín hiệu điều khiển đếm lên/xuống là UD với UD = 1 đếm lên và UD = 0 mạch đếm xuống

- Đếm lên : Qn đảo nối với Ckn+1

- Đếm xuống: Qn nối với Ckn+1

Hàm tổng

Ck0 = Ck

Ckn+1 = Qn ⊕ UD

Ví dụ:

Khi đếm lên xung Ck = 1, UD = 0 (chưa nhấn nút)

Ck1 = Q0 UD + Q0 UD = 1.1 + 0.0 =1

Khi đếm xuống Ck = 1, UD = 1 (nhấn nút)

Ck1= Q0 UD + Q0 UD = 1.0 + 0.1= 0

Hình 7: Mạch chứa nút nhấn điều khiển lên xuống Các chân J, K được mắc lên mức logic 1 còn các chân Pre và Clr được nối

Chân CLK được nối với nguồn (mức logic 1) và khi bấm nút thì CLK sẽ được nối đất (mức logic 0) thì sinh ra một xung truyền thẳng vào chân CLK làm đảo ngược trạng thái hiện tại của ngõ ra Q Từ đó làm thay đổi mức logic của tín hiệu UD trong mạch đếm khiến cho mạch đếm thay đổi trạng thái đếm

3.2.4 Khối hiển thị

- Chức năng: Hiển thị kết quả đầu ra

- Lý do lựa chọn:

+ Sử dụng 12 đầu dò logic nối trực tiếp với 12 đầu ra vì cho kết quả rõ nét, độ sáng dễ nhìn …

+ Để đáp ứng nhu cầu hiển thị kết quả đầu ra dưới dạng nhị phân thông qua led ứng với màu đỏ là mức logic 1 còn màu xanh là mức logic 0

- Thông số kỹ thuật:

+ Tests TTL, and CMOS

+ Tần số DC: 20MHz

+ Logic 1 (đèn LED đỏ): 2.3V +0.2V

+ Logic 0 (đèn LED xanh): 0.8V +0.2V

+ Bảo vệ quá tải đầu vào: 220Vac/DC (15 sec.)

+ Trở kháng đầu vào: 1MΩ

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MẠCH TRÊN PHẦN MỀM PROTUES

- Khi xung Ck kích cạnh vào Ic4027( chưa cần nhấn nút) Mạch bắt đầu đếm lên từ 000

- Mạch bắt đầu đếm lên

- Khi đếm tới FFF, ta nhấn nút nhấn, mạch sẽ chuyển từ trạng thái đếm lên sang đếm xuống

- Mạch tiếp tục đếm xuống

CHƯƠNG 5: THI CÔNG MẠCH