Môn thiết kế hệ thống số 1 đề tài 24 thiết kế bộ trừ số tự nhiên 1 chữ số

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Thiết kế bộ trừ số tự nhiên 1 chữ số với INPUT nhập bằng DIP switch, trong đó input 1: 4 bits và input 2: 4bits Ta sử dụng led 7 đoạn để hiển thị input 1, input 2 và k

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

MÔN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SỐ 1

ĐỀ TÀI 24: THIẾT KẾ BỘ TRỪ SỐ TỰ NHIÊN 1 CHỮ SỐ

Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Nhật Tân

Mã môn: 402061

Nhóm: 17

Thành viên nhóm 07 thực hiện :

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Thiết kế bộ trừ số tự nhiên 1 chữ số với INPUT nhập bằng DIP switch, trong đó input 1: 4 bits và input 2: 4bits

Ta sử dụng led 7 đoạn để hiển thị input 1, input 2 và kết quả của phép tính

Và có 2 trường hợp hiển thị kết quả, kết quả sẽ âm nếu số bé trừ số lớn và ngược lại, cho kết quả dương nếu số lớn trừ số bé

Ta thực hiện thiết kế bộ trừ và mô phỏng mạch trên phần mềm Proteus

LỜI CẢM ƠN

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cảm ơn thầy đã truyền đạt những kiến thức cần thiết, giảng dạy tận tình và đồng hành cùng chúng em trong suốt những buổi học của môn Thiết kế hệ thống số 1 này, trong học kỳ 2 năm học 2022-2023 Nội dung báo cáo

sẽ có nhiều thiếu sót, mong nhận được góp ý từ thầy để chúng em hoàn thiện mình hơn

Chúc thầy và gia đình nhiều sức khỏe Chúng em xin chân thành cảm ơn !

PHẦN XÁC NHẬN VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN

Phần đánh giá của GV chấm bài

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

(kí và ghi họ tên)

MỤC LỤC

NỘI DUNG BÁO CÁO 6

I Giới thiệu các linh kiện trong mạch thiết kế bộ trừ 6

1 Tìm hiểu IC 74LS14 6

2 Tìm hiểu IC 74LS47 8

3 Tìm hiểu IC 74LS48 11

4 Tìm hiểu IC 74LS283 14

5 Tìm hiểu DIP SWITCH_4 16

6 Tìm hiểu LED 7 đoạn 17

II Thiết kế mạch nguyên lý bộ trừ số tự nhiên 1 chữ số và mô phỏng trên phần mềm Proteus 19

1 Kết quả mô phỏng trên Proteus 19

 Số lớn trừ số bé 20

 Số bé trừ số lớn 21

 Số trừ và số bị trừ bằng nhau 22

2 Các bước thiết kế mạch trừ số tự nhiên 1 chữ số 23

NỘI DUNG BÁO CÁO

I Giới thiệu các linh kiện trong mạch thiết kế bộ trừ

1 Tìm hiểu IC 74LS14

a) IC 74LS14

- IC 74LS14 được sử dụng như một bộ Schmitt trigger đảo Nó đi kèm với sáu

trigger có thể được sử dụng dễ dàng Mạch Schmitt trigger đơn có thể có kích

thước lớn hơn nhưng IC thì có kích thước nhỏ hơn và cũng có nhiều dạng

package

- IC 74LS14 sử dụng một nguồn điện duy nhất cho tất cả các trigger và có thể

được sử dụng để kết nối với bất kỳ thiết bị dựa trên TTL

- Các mạch này có thể dễ dàng vận hành trong mọi môi trường và có thể được

kích hoạt dễ dàng với các ramp đầu vào thấp

b) Sơ đồ chân

Sơ đồ chân của mạch tích hợp này tương tự như 74LS04 Tuy nhiên, sự khác

biệt về chức năng là do chức năng của Schmitt trigger

c) Thông số kỹ thuật

- Nó có thể hoạt động ở 5V nhưng điện áp có thể tăng lên tối đa 7 Volt

- Thiết bị có điện áp trễ hai cấp, điện áp trễ thấp:0,25V và điện áp trễ cao:3,4V

- Dòng ra tối đa cho IC là 8.0mA và Tối thiểu sẽ là -0.4Ma

- Thời gian tăng và giảm của IC là 12 ns

2 Tìm hiểu IC 74LS47

a) IC 74LS47

- IC 74ls47 là IC giải mã giành riêng cho LED 7 đoạn anode chung

- IC 74ls47 chuyển đổi từ mã BCD sang mã LED 7 đoạn anode chung

- Ứng dụng khi ta cần hiện thị số trên LED 7 đoạn trong mạch số mà không cần

dùng vi điều khiển, hoặc muốn tiết kiệm chân cho vi điều khiển

b) Sơ đồ chân

Số chân Tên chân Mô tả

c) Nguyên lý hoạt động

Thường được sử dụng ở 4 chế độ hoạt động

- Sáng bình thường đủ các trạng thái từ 0 ÷ 9 (thường dùng nhất) Chân

BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao, chân RBI phải bỏ trống hoặc nối

lên mức cao, chân LT phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao

- Chân BI/RBO nối xuống mức thấp thì tất các các đoạn của LED đều không

sáng bất chấp trạng thái của các ngõ vào còn lại

- Bỏ trạng thái số 0 (khi giá trị BCD tại ngõ vào bằng 0 thì tất cả các đoạn của

LED 7 đoạn đều tắt) Chân RBI ở mức thấp và chân BI/RBO phải bỏ trống (và

nó đóng vai trò là ngõ ra)

- Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao và chân LT phải nối

xuống mức thấp Tất cả các thanh của LED 7 đoạn đều sáng, bất chấp các ngõ

vào BCD Dùng để Kiểm tra các đoạn của LED 7 đoạn (còn sáng hay đã chết)

d) Thông số kỹ thuật

- Đóng gói với 16 chân trong một dòng kép DIP

- Bộ chuyển đổi BCD sang led 7 đoạn để hiển thị từ 0 – 9

- Nguồn cấp hoạt động tốt nhất trong khoảng 5V (4.75 đến 5.25)

- Chức năng: Bộ giải mã, Bộ phân kênh

- 74LS48 là bộ giải mã BCD sang bảy đoạn được sử dụng để hiển thị các số được giải

mã ở định dạng thập phân được mã hóa nhị phân 7 đoạn là một thiết bị dựa trên bảy LED nhỏ được sử dụng để biểu thị một giá trị số duy nhất từ 0 đến 9 7 đoạn có bảy chân đầu vào để thắp sáng một LED duy nhất trong bảy phân đoạn Mỗi khi tạo một

số duy nhất, một số chân cụ thể phải có đầu vào nguồn

- Để thực hiện mô hình đặc biệt, chúng ta có thể sử dụng các cổng logic, nhưng một IC 74LS48 cũng có thể được sử dụng để điều khiển 7 đoạn Nó có 17 cổng AND, 4 cổng NOR, 6 cổng NOT và 8 cổng NAND Sự kết hợp tất cả các cổng này tạo nên vi mạch

có 4 chân đầu vào và 7 chân đầu ra Các chân đầu ra tạo ra hai chữ số BCD ở đầu ra duy nhất, tạo ra một số duy nhất trên 7 đoạn IC có 4 chân đầu vào tạo ra tổng cộng 16

tổ hợp nhưng 10 tổ hợp đầu tiên được sử dụng để tạo ra đầu ra trên 7 đoạn và phần còn lại sẽ được coi là trạng thái không hợp lệ IC này là thiết bị dựa trên TTL, cho phép nó được điều khiển bởi bất kỳ thiết bị TTL hoặc vi điều khiển nào Nó chỉ được

sử dụng để điều khiển 7 đoạn cathode chung

b) Sơ đồ chân

thứ ba của dữ liệu đầu vào 4 bit của IC

của IC

Chân 3 được gọi là chân kiểm tra đèn Nó được sử dụng

để làm cho tất cả các chân đầu ra ở CAO để kiểm tra tất cả các led 7 đoạn Đó là một chân tích cực thấp

RBI

Chân 5 được gọi là chân Ripple Blanking Input Nó sử dụng trong trường hợp có nhiều phân đoạn 7 để xóa

các số không không cần thiết

IC

Chân GND được sử dụng như một chân nối đất Nó được

sử dụng để tạo điểm chung cho vi mạch hoạt động với

các thiết bị TTL và vi điều khiển khác

e Chân9

Chân 9 đến Chân 15 sẽ được sử dụng làm chân đầu

ra Chúng sẽ đưa ra các tín hiệu đầu ra để điều khiển led 7 đoạn Dãy các chân sẽ là a, b, c, d, e, f & g Mỗi bảng chữ cái đại diện cho bảng chữ cái của led 7 đoạn

- Phạm vi cung cấp điện cho IC là 5,75 đến 5,25 V và điện áp không được vượt

quá phạm vi tối đa

- Phạm vi nhiệt độ hoạt động cho IC là 0 đến 70 độ

- Dòng điện đầu ra cho trạng thái CAO và THẤP trên các chân đầu ra từ a đến g

là -100uA đối với CAO và 6mA đối với THẤP

- Dải dòng điện đầu ra tại chân BI / RBO ’là -50uA đối với CAO và 3.2mA đối

với THẤP

- Phạm vi điện áp đầu ra là 4,2 cho trạng thái CAO và 0,5 cho trạng thái THẤP

4 Tìm hiểu IC 74LS283

a) IC 74LS283

Bộ cộng đầy đủ nhị phân 4 bit 74LS283 thực hiện phép cộng hai từ nhị phân 4

bit Tổng của các đầu ra được cung cấp cho mỗi bit và kết quả mang (C4) thu

được từ bit thứ tư Các bộ cộng này có tính năng xem trước nội bộ đầy đủ trên

tất cả bốn bit tạo ra thuật ngữ thực trong mười nano giây IC 74LS283 có dải

điện áp làm việc rộng, nhiều điều kiện làm việc và giao tiếp trực tiếp với các

thành phần CMOS, NMOS và TTL IC 74LS283 có kích thước nhỏ hơn và tốc

độ nhanh hơn nhiều nên nó đáng tin cậy trong mọi loại thiết bị

b) Sơ đồ chân

Số chân Tên chân Chức năng

hoạt động

c) Thông số kỹ thuật

VCC (Tối thiểu): 4,75V

VCC (Tối đa): 5,25V

Loại đầu vào: TTL

Loại đầu ra: CMOS

Full-carry nhìn về phía trước trên bốn bit

Các hệ thống đạt được hiệu suất nhìn trước một phần với tính kinh tế của

Ripple carry

Công suất tiêu thụ điển hình trên mỗi bộ cộng 4 bit: 95 mW

5 Tìm hiểu DIP SWITCH_4

- Diện áp/dòng điện: 50Vdc @ 100mA

- Mỗi chân được đánh số

- Chân được mạ thiếc

- Số chân: 8

6 Tìm hiểu LED 7 đoạn

a) LED 7 đoạn là gì?

- Led 7 đoạn là thiết bị hiển thị điện tử để hiển thị số Khi mỗi đoạn chiếu sáng

thì một phần của chữ số sẽ được hiển thị Led 7 đoạn được sủ dụng rộng rãi

tỏng đồng hồ số, máy tính

- LED 7 đoạn có 10 chân, trong đó 8 chân được nối với LED (A, B, C, D, E, F,

G, và DP)

- Tùy vào loại LED 7 đoạn, hai chân giữa được đánh dấu COM hoặc dương

chung hoặc âm chung của các LED

b) Cấu tạo

- LED 7 đoạn bao gồm 8 LED được kết nối song song để có thể thắp sáng hiển

thị số “0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, A, b, C, d, E, F, …”

- Mỗi đoạn Led được đánh dấu từ A tới G

- Đoạn thứ tám gọi là “chấm thập phân” (Decimal Point) ký hiệu DP được sử

dụng khi hiển thị số không phải là số nguyên

- Nguyên tắc chung : muốn LED nào sáng thì LED đó phải được phân cực

thuận.Do đó muốn tạo ra chữ số nào ta chỉ cần cho LED ở các vị trí tương ứng

sáng lên

c) Phân loại

Dựa vào các cực được nối, có thể phân loại LED 7 đoạn như sau:

- Loại dương chung (Common Anode): nếu cực dương (anode) của tất cả 8 LED

được nối với nhau và các cực âm (cathode) đứng riêng lẻ

- Loại âm chung (Common Cathode): nếu cực âm (cathode) của tất cả 8 LED

được nối với nhau và các cực dương (anode) đứng riêng lẻ

d) Phương pháp điều khiển

- Kết nối các chân điều khiển của LED trực tiếp với PORT của vi điều khiển

- Dùng quét Led

- Vẫn sử dụng quét LED nhưng dùng IC chốt dữ liệu để tiết kiệm các chân

điều khiển LED 7 đoạn

II Thiết kế mạch nguyên lý bộ trừ số tự nhiên 1 chữ số và mô phỏng trên phần mềm Proteus

1 Kết quả mô phỏng trên Proteus

Một số hình ảnh thể hiện kết quả phép tính trừ được mô phỏng trên Proteus ở

một số trường hợp cụ thể như sau:

 Số lớn trừ số bé

 Số bé trừ số lớn

 Số trừ và số bị trừ bằng nhau

2 Các bước thiết kế mạch trừ số tự nhiên 1 chữ số

BƯỚC 1: Sử dụng 2 DIP switch dạng 4 bit để cung cấp 2 tín hiệu 4 bit cho hai số là

số bị trừ và số trừ, sau đó sử dụng IC 7447 và 7-seg-LED để hiện thị số thập phân

tương ứng như hình sau:

Theo hình ảnh mô phỏng ta nhận thấy khi bật công tắc (ON) thì tín hiệu thấp (0) được thông qua do các chân 1, 2, 3, 4 của DIP switch đã nối đất Các chân 8, 7, 6, 5 sẽ là tín hiệu 4 bit nhị phân đầu ra, chân 8 là MSB

IC 7447 có nhiệm vụ giúp LED 7 đoạn thể hiện dạng số thập phân Đầu ra của IC nối với LED 7 đoạn, đầu vào là 4 bit nhị phân được cung cấp bởi DIP swicth theo thứ tự các chân là D, C, B, A với D là MSB Vì vậy chân 8 phải nối vào D

Nhìn vào DWS1 trên hình dựa vào các ô vuông xanh và xám ta có thể thấy tính hiệu

ra trên các chân 8,7,6,5 lần lượt là 0010 tương ứng số 2 trong hệ thập phân Vậy ta có thể cung cấp tín hiệu 4 bit của số tự nhiên một chữ số để thực hiện các bước tính toán tiếp theo dựa trên thay đổi các công tắc on hay off trên 2 DIP switch

BƯỚC 2: Sử dụng IC 7483 với 4 chân đầu vào A3,A2,A1,A0 (A3 MSB) được cung cấp bởi

DIP switch của số bị trừ, và 4 chân đầu vào khác là B3,B2,B1,B0 (B3 MSB) được cung

cấp bởi DIP switch của số trừ Nhưng đối với 4 bit nhị phân số trừ ta phải bù -1 trước khi cung cấp cho IC 7483 Hình

mô phỏng như sau:

ICLS283 có chức năng cộng hai số nhị phân 4 bit và cộng thêm 1 bit nhị phân (C0) Đầu ra S3 (MSB),S2,S1,S0 thể hiện kết quả của việc cộng hai số nhị phân ngõ vào

Nhưng kết quả của tổng hai số nhị phân lớn hơn số 15 tương ứng trong thập phân thì sẽ không được hiển thị vì chỉ có 4 bit ngõ ra, kết quả đó sẽ được thay thế bằng dạng nhị phân của k với k=m-(16-n), m

và n lần lượt là hai số tự nhiên tương ứng của hai số nhị phân ngõ vào IC Ngõ

ra C4 sẽ mang tín hiệu cao nếu có sự việc trên xảy ra

 Trường hợp 1: tổng hai số không lớn hơn 1111, theo hình mô phổng có nghĩa là

số trừ sẽ lớn hơn số bị trừ do số trừ đã bù-1 trước khi cung cấp cho IC Dựa vào

tính chất của tổng 2 số nhị phân bằng 1111 thì bù-1 với nhau, sau khi IC cộng, ta

sẽ có kết quả ngõ ra là số bù -1 của hiệu của số trừ và số bị trừ Việc còn lại bây

giờ ta chỉ cần bù-1 kết quả đó và thêm dấu – phía trước để đạt được kết quả cuối

cùng Ta xét ví dụ sau:

VD1: Số bị trừ: 310 = 00112 ; Số trừ: 410 = 01002

Số trừ bù trừ 1 trước khi cung cấp cho IC: 10112 (= 1110)

IC sẽ thực hiện việc tổng số bị trừ và số trừ bù -1, ta có kết quả là: 11102

Bù -1 kết quả trên và thêm dấu trừ ta sẽ được kết quả cuối cùng: 0001 (-1)

 Trường hợp 2: tổng hai số nhị phân lớn hơn 1111 có nghĩa số bị trừ sẽ lớn hơn số

trừ kết quả cuối cùng sẽ là số dương Khi này kết quả đầu ra của IC74LS283 sẽ là

k với k=m-(16-n), suy ra hiệu của số bị trừ và số trừ sẽ bằng k+1, ta xét ví dụ

BƯỚC 3: Nối 4 chân đầu ra S3,S2,S1,S0 của IC 7483 lần lượt với 4 đầu vào thứ

nhất của 4 cổng XNOR, các chân đầu vào còn lại của 4 XNOR đều được nối với

ngõ ra C4 của IC 7483

Như đã nói ở bước 2 ngõ ra C4 sẽ mang tính hiệu cao nếu tổng hai số nhị phân lớn hơn 1111 có nghĩa là

trường hợp 2 ở bước 2 xảy ra thì C4 ở mức 1, trường hợp 1 xảy ra thì C4 ở

mức 0

*Khi ngõ vào thứ 2 của XNOR là mức 1( C4 ở mức 1 chuyền vào) thì ngõ ra chắc chắn sẽ copy ngõ vào thứ nhất, đều đó giúp mong muốn của

chúng ta khi trường hợp 2 xảy ra là

giữ nguyên dạng nhị phân của đầu ra

IC, để rồi sau đó cộng thêm 1

*Khi ngõ vào thứ 2 của XNOR là mức 0( C4 ở mức 0 chuyền vào) thì ngõ ra sẽ đảo ngõ vào, đều đó giúp

mong muốn của chúng ta khi trường hợp 1 xảy ra thì đầu ra IC sẽ phải bù-

1, để rồi sau đó thêm dấu trừ

BƯỚC 4: Nối 4 bit đầu ra của XNOR vào các chân A3(MSB),A2,A1,A0 của

IC7483, các chân B3,B2,B1,B0 của IC thì nối đất Chân C0 của IC mới này sẽ nối

với chân C4 của IC7483 trước đó

Như đã nói ở bước 2 IC74LS283 có chức năng cộng hai số nhị phân 4 bit và cộng thêm 1 bit nhị phân C0 Ta lợi dụng tính năng cộng thêm 1 bit nhị phân C0 của IC 7483

Vậy khi trường hợp 2 xảy ra là tổng hai số nhị phân lớn hơn 1111 thì chân C4 của

IC7483 cũ sẽ ở mức 1 và sẽ truyền vào chân C0 của IC mới, đúng như mục đích

của trường hợp 2 là k phải cần cộng thêm 1, IC 7483 mới sẽ đảm nhận việc này

Ngõ ra của IC mới sẽ là kết quả cuối cùng ta cần tìm đối với trường hợp 2

Còn đối với trường hợp 1 thì C4 của IC cũ là ở mức 0 và truyền vào C0 của IC

mới, IC mới cộng chân C0 ở mức 0 đồng nghĩa với việc là không cộng thêm gì,

đúng như mục đích ta muốn ở trường hợp 1

BƯỚC 5: Nối các đầu ra của IC7483 mới ra bộ kit của LED 7 đoạn như bước 1 và

thiết kế con LED 7 đoạn thể hiện dấu trừ (-) khi trường hợp 1 xảy ra Hình mô

phỏng thiết kế như sau: