án kỹ thuật số doc

4.1 Khái niệm: Hệ đếm là các chữ số tối thiểu để biểu diễn mọi số trong hệ đếm Ta có thể chia hệ đếm thành hai loại là: - Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF.. - Mạch FF là loại

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Nội dung:

Thông qua cơ sở lý thuyết để thiết kế mạch đồng hồ số, ứng dụng lý thuyết mạch đồng hồ số để lắp mạch thực tế Giới thiệu những IC trong mạch

2 Mục đích:

Đồng hồ số là một vật dụng thiết yếu trong cuộc sống, thông qua việc thiết

kế mạch đồng hồ số ta có thể ứng dụng những kiến thức đã học trong môn kỹ thuật số vào thực tế đồng thời hiểu rõ hơn về môn kỹ thuật số

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

1 Flip Flop:

1.1 Khái niệm:

Flip Flop(viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo bảng trạng thái cho trước

FF bao gồm:

- Chân nhận xung đồng hồ, xung nhịp, xung clock (Ck)

- Hai ngõ ra dữ liệu (data) là Q và Q

- Có 1 hoặc 2 ngõ chức năng quy định hoạt động của FF: S, R, D, J, K

- Ngoài ra FF còn có hai chân: Clr (clear) và chân Pre (Preset) Khi tác động vào chân Clr sẽ xoá FF làm Q = 0, Q = 1 Khi tác động vào chân Pre sẽ đặt

FF làm Q = 1, Q = 0

1.2 Hoạt động của FF:

S J CP K R Q _ Q

JK- FF Hình 2.1: Ký hiệu của FF

Khi nhận một xong clock tại chân Ck, FF sẽ thay đổi trạng thái một lần Trạng thái mới sẽ tuỳ thuộc vào mức logic của các chân chức năng, và tuỳ thuộc theo bảng sự thật của mỗi loại FF

1.3 Phân loại FF:

Theo chức năng: có 4 loại: SK- FF, D- FF, T- FF, JK- FF

Theo trạng thái tác động của xung clock: có 5 loại:

- FF tác đọng mức 0

- FF tác động mức 1

- FF tác động cạnh lên

- FF tác động cạnh xuống

- FF tác động chủ - tớ

2 Hệ chuyển mã:

Mạch chuyển mã là mạch thực hiện chức năng chuyển từ một loại mã này thành loại mã khác tương ứng

Ví dụ: Chuyển từ ,mã nhị phân sang mã BCD, v.v…

2.1 Số BCD: ( Binary Code Decimal).

Được tạo nên khi ta mã hoá mỗi đecac của một số thập phân dưới dạng một

số nhị phân 4 bit

18 BCD→ 0001 1000

* Lưu ý: các phép cộng và trừ số BCD được thực hiện giống như số nhị phân Tuy nhiên nếu phép tính có nhớ thì sau khi được kết quả ta phải hiệu đính bằng cách trừ cho 10(D) hay cộng 6(D)

Thông thường sau mỗi lệnh cộng hoặc trừ số BCD ta kèm theo lệnh hiệu đính

2.2 Hệ chuyển từ mã nhị phân sang mã BCD:

* Bảng 2.2: Bảng trạng thái:

1 0 1 0 1 0 0 0 0

3 Hệ mã hoá và giải mã:

3.1 Hệ mã hoá:

Mạch mã hóa (ENCODER) là mạch có nhiệm vụ biến đổi những ký hiệu quen thuộc với con người sang những ký hiệu không quen thuộc với con người

Mã hoá thập phân thành nhị phân:

Mã hóa thập phân thành nhị phân

Hình 2.3: Sơ đồ khối mã hóa thập phân thành nhị phân

* Bảng 2.4: Bảng trạng thái:

1

2

3

4

5

0

6

7

8

9

A B C D ( LSB)

( MSB)

0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

* Phương trình logic:

A = 1 + 3 + 5 + 7 + 9

B = 2 + 3 + 6 + 7

C = 4 + 5 + 6 + 7

D = 8 + 9

* Sơ đồ mạch logic:

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Hình 2.5: Sơ đồ mạch logic mã hóa thập phân thành nhị phân

3.2 Hệ giải mã:

Mạch giải mã (DECODER) là mạch làm nhiệm vụ biến đổi những ký hiệu không quen thuộc với con người sang những ký hiệu quen thuộc với con người

Ví dụ: giải mã 4 đường sang 10 đường, giải mã BCD sang thập phân… Xây dựng hệ giải mã cho led 7 đoạn anode chung

Giải mã led

7 đoạn

Hình 2.6: Sơ đồ khối giải mã led 7 đoạn

*Bảng 2.7: Bảng trạng thái:

A

B

C

D

D

A

B

C

a b c d e f g

0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1

* Phương trình logic:

a DC BA CA= +

b C BA CB A C B= + = ⊕A

c CB A=

d CBA C B A CBA C BA C B= + + = + ⊕A

e C B A= +

f =BA CB DCA+ +

g DC B CBA= +

Trên thực tế ta thường sử dụng IC 7447

4 Hệ tuần tự: ( hệ đếm).

4.1 Khái niệm:

Hệ đếm là các chữ số tối thiểu để biểu diễn mọi số trong hệ đếm

Ta có thể chia hệ đếm thành hai loại là:

- Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF

- Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần tử đếm

Để thành lập một hệ đếm ta sử dụng JK- FF Nếu có nFF thì thành lập được

hệ đếm có dung lượng tối đa là 2n

VD: 2FF thành lập hệ đếm 4

3FF thành lập hệ dếm 8

4FF thành lập hệ đếm 16

Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song

* Xét hệ đếm nối tiếp 3bit:

J CP K

R Q _ J

CP K

R Q _ J

CP K

R Q _

Hình 2.8: Sơ đồ hệ đếm nối tiếp với 3bit

4.2 Hệ đếm bất kỳ:

Gọi: N là số trạng thái của 1 hệ đếm bất kỳ

n là số bit đếm

Ta có: 2n−1 <N <2n

VD: thành lập hệ đếm 6_ đếm lên

Ta có: 22 < <6 23 => sử dụng 3FF

J CP K

RQN

Q J

CP K

RQN

Q J

CP K

RQN Q

Hình 2.9: Sơ đồ hệ đếm bất kỳ sử dụng 3FF

* Bảng 2.10: Bảng trạng thái:

Số Q3 Q2 Q1

4.3 Ghép các hệ đếm:

CK

Q3

Xoá bit nhớ về 000

Nếu cĩ hai hệ đếm N & M, ta cĩ thể ghép nối tiếp thành hệ đếm cĩ hung lượng N*M thạng thái

* Nguyên tắc ghép:

- Đặt xung clock vào bộ đếm M

- Lấy tín hiệu từ bit cĩ trọng số cao nhất của bộ đếm Mlàm xung clock cho

bộ đếm N

VD: Hệ đếm 10 ghép với hệ đếm 6 thành hệ đếm 60

Hình 2.11: Sơ đồ hệ đếm 60 được ghép bởi hệ đếm 10 và hệ đếm 6

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH

1 Sơ đồ khối:

K hối tạo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị

Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch đồng hồ số

* Nhiệm vụ các khối:

Khối tạo xung: tạo xung vuơng với tần số 1Hz

Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lý đưa ra tín hiệu mã hố BCD

Khối giải mã: giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị

Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu sau giải mã

2 Khối tạo xung:

Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống Đặc biệt là đối với

bộ đếm, nĩ quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm

4

A A3 A2 A1

Đếm 10

3

B B2 B1

Đếm 6

Khối tạo

xung

Mạch đếm giây

Mạch giải mã BCD hiển thị Khối

Có rất nhiều mạch dùng tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ quan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 555

Đây là vi mạch định thời chuyên dùng, có thể mắc thành mạch đơn ổn hay phi ổn

2.1 IC NE555:

2.1.1 Đại cương:

Vi mạch định thời LM555 là mạch tích hợp Analog- digital Do có ngõ vào

là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số Vi mạch định thời LM555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như: Transistor, SCR, Triac…

2.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân:

Hình 3.2: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 555

Chân 1: Nối mass

Chân 2: Trigger Input ( ngõ vào xung nảy)

Chân 3: Output ( ngõ ra)

Chân 4: Reset (đặt lại)

Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển)

Chân 6: Threshold (thềm- ngưỡng)

Chân 7: Discharge ( xả điện)

Chân 8: Nối Vcc

2.1.3 Sơ đồ cấu trúc bên trong:

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 555.

* Nguyên lý hoat động:

Bên trong vi mạch IC555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở, thực hiện các chức năng sau:

- Cầu phân áp gồm 3 điện trở R1=R2 =R3 = Ω5k nối từ Vcc xuống mass, cho

ra hai mức điện áp chuẩn 1/3Vcc và 2/3Vcc

- So sánh COMP1: là mach khuếch đại so sánh có V in+ =1/ 3Vcc nối ra chân 6,

in

V−

nối qua chân 2 Tuỳ thuộc vào điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3Vcc mà so sánh 1 có điện áp mức cao hay mức thấp để tín hiệu S điều khiển Flip Flop( FF ) hoạt động

- So sánh COMP2: là mạch khuếch đại so sánh có V in+ nối ra chân 6,

2 / 3

in

V− = Vcc Tuỳ thuộc vào điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc

mà so sánh 2 cho ra mức điện áp cao hay thấp để tín hiệu R điều khiển FF hoạt động

- Mạch FF là loại mạch lưỡng ổn kích một bên khi chân S có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm ngõ ra Q lên mức cao, Q = 0 Khi

S đang ở mức cao xuống mức thấp thì FF không đổi trạng thái

o Khi: S = 1 ⇒ Q = 1 → Q = 0

S = 1 → 0 ⇒ FF không đổi trạng thái.

- Khi R có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm Q = 1, Q

= 0 Khi R đang ở mức cao xuống mức thấp thì R không đổi trạng thái

- Mạch khuếch đại đảo nhằm khuếch đại dòng điện cung cấp cho tải, có ngõ vào là Q của FF, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 có điện áp thấp ≈

0V và ngược lại

Transistor T là transistor có cực C để hở, nối ra chân 7 Do cực B được phân cực bởi mức điện áp raQ của FF, nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hoà và cực C của T2 coi như nối mass Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp Khi Q ở mức

thấp thì T2 ngưng dẫn , cực C của T2 để hở, lúc đó, ngõ ra ở chân 3 có mức điện áp cao Theo nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra chân 4

2.2 Mạch tạo xung:

2.2.1 Sơ đồ mạch:

Hình 3.4: Sơ đồ mạch tạo xung

2.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Khi mới cấp nguốn Vcc, tụ bắt đầu nạp từ 0V lên:

OP_AMP 1 có: V in+<V in− => R = 0

OP_AMP 2 có: V in+ >V in− => S = 1

=> Q = 1, Q=0 → =V0 1 : led sáng.

Transistor Q2 có U B =0 làm Q2 tắt, tụ C tiếp tục được nạp điện, tụ ap điện qua R1 và R2 với hằng số thời gian là:

Tnạp = ( R1+R2).C Khi điện áp Vc tăng > 1/3Vcc, thì:

OP_AMP 1 có: V in+ <V in− => R = 0

OP_AMP 2 có: V in+ <V in− => S = 0

=> Q = 1, Q=0 → =V0 1 : led sáng, FF không thay đổi trạng thái.

Khi điện áp trên Vc tăng > 2/3Vcc, thì:

OP_AMP 1 có: V in+ >V in− => R = 1

OP_AMP 2 có: V in+<V in− =>S = 0

=> Q = 0, Q=1 → =V0 0 : led tắt.

Out 0

V

Do Q = 1 nên Q2 dẫn bão hoà làm chân 7 ≈ 0V, làm tụ C không được nạp

mà xả điện qua R2, qua tiếp giáp CE của Q2 và xuống mass

Tụ xả với hằng số thời gian là:

Txả = R C2 Khi Vc < 2/3Vcc: R = 0, S = 0 : giữ nguyên trạng thái

Khi Vc < 1/3Vcc: R = 0, S = 1: => Q = 1, Q=0 → =V0 1 : led sáng.

Khi Q=0, Q2 tắt, chấm dứt thời gian xả điện của tụ C Như vậy, mạch trở lại trạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện trở lại Hiện tượng này diễn ra liên tục và tuần hoàn

3 Khối đếm:

Bộ đếm là một thành phần không thể thiếu của hệ thống Nó quyết định tính chất và chức năng của hệ thống

Hiện nay có rất nhiều mạch dùng khối đếm nhưng do sự thông dụng và giá thành trên thị trường ta chỉ quan tâm đến hệ đếm dùng IC 74LS90

3.1 IC 74LS90:

3.1.1 Hình dạng:

Hình 3.5: Hình dáng và sơ đồ chân của IC 74LS90

Bốn chân thiết lập: R1(1), R1(2), R9(1), R9(2)

Khi đặt R1(1) = R1(2) = H ( ở mức cao) thì bộ đếm được xoá về 0 và các đầu ra ở mức thấp

9

R (1), R9(2) là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra: Q A=Q D =1, 0

Q =Q = .

NC chân bỏ trống

IC 7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5:

- Bộ chia 2 do Input A điều khiển đầu ra Q A

- Bộ chia 5 do Input B điều khiển đầu ra Q B, Q C, Q D

Đầu vào A, B tích cực ở sườn âm

Để tạo thành bộ đếm 10 ta nối đầu ra Q A vào chân B để tạo xung kích cho

bộ đếm 5

A

Q , Q B, Q C, Q D là các đầu ra

3.1.2 Sơ đồ logic và bảng trạng thái:

* Bảng 3.6: Bảng trạng thái của IC 7490

Hình 3.7: Sơ đồ cổng logic IC7490.

Hình 3.8: Sơ dồ đầu ra Q A, Q B, Q C, Q D

4 Khối giải mã:

Mạch giải mã là một khối không thể thiếu trong hệ thống Nó giải mã BCD

để đưa ra khối hiển thị

Hiện nay có rất nhiều mạch dùng giải mã, nhưng do sự thông dụng

ta chỉ quan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 74LS47

4.1 IC 74LS47:

4.1.1 Đại cương:

IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp (tuỳ vào loại đèn led là anod chung hay catod chung) để làm các đèn cần thiết sáng nên các số hoặc ký tự IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loại anod chung

4.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân:

Hình 3.9: Hình dạng và sơ đồ chân của IC 74LS47.

Chân 1, 2: Chân dử liệu BCD vào

Chân 3: Ngõ vào thử đèn LT ở cao các ngõ ra đều tắt và ngõ ra xoá dợn sóng RBO thấp Khi ngõ vào BI/RBO để không hay nối lên cao và ngõ vào LT giữ ở mức thấp các ngõ ra đều sáng

Chân 4: Gồm ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên cao cho hoạt động giải

mã bình thường Khi nối BI ở mức thấp, các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái của các ngõ vào

Chân 5: Ngõ vào xoá dợn sóng RBI được để không hay nối lên cao khi không được dùng để xoá số 0( số 0 ở trước số có nghĩa hay số 0 thừa bên trái dấu chấm thập phân)

Chân 6, 7: Chân dử liệu BCD vào

Chân 8: Chân nối mass

Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15:Các chân ra tác động mức thấp

Chân 16: Chân nối nguồn

4.1.3 Sơ đồ logic và bảng trạng thái:

* Bảng 3.10: Bảng trạng thái IC giải mã 74LS47

Hình 3.11: Sơ đồ logic của IC 74LS47.

* Nguyên lý hoạt động:

IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 là sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anode chung, trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10 đến 15 không được dùng tới)

Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bình thường Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái ngõ ra

Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số o thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa) Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A

ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xoá dợn sóng RBO xuống mức thấp

Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng

Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào cĩ giá trị thập phân từ 0 đến 15 đèn led hiển thị lên các số như ở hình bên dưới Chú ý là khi mã số nhị phân vào là 1111= 1510

thì đèn led tắt

Hình 3.12: Các hiển thị của IC 74LS47

5 Khối hiển thị:

Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 74LS47 cĩ mức tích cực là mức 0 ( mức thấp)

Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn náo sáng ta nối đầu cathode của đoạn đĩ xuống mức thấp thơng qua điện trở để hạn dịng

Hình 3.13: Hình ảnh hiển thị chân: Vcc_được nối lại với nhau

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH

Theo cơ sở lý thuyết ta co thể ứng dụng vào thực tế để tạo thành mạch hồn chỉnh như sau:

1 Sơ đồ khối:

K hối tạo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị

Khối tạo

xung dùng

IC555

Mạch đếm giây dùng IC74LS90

Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47

Hiển thị led 7 đoạn

Mạch đếm phút dùng IC74LS90

Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47

Hiển thị led 7 đoạn

Hình 4.1: Sơ đồ khối của mạch đồng hồ số.

2 Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của đồng hồ số

3 Nguyên lý hoạt động:

Xung kích được tạo ra từ mạch 555 và xung này được đưa tới chân 14 của IC 74LS90 Ngõ ra xung của 7490 ở các chân Q A, Q B, Q C, Q D được đưa đến ngõ vào của

IC giải mã 74LS47

Đối với hai IC đếm giây (IC1 và IC2): xung được cấp cho IC1, IC1 này đếm giá trị của 9 xung ( led hiển thị số 9), sau khi đếm hết giá trị của 9 xung thì cấp cho IC 2 một xung đếm Khi đó, IC1 đếm về 0 và IC2 đếm lên 1, tức ta có giá trị là 10 Sau đó IC1 tiếp tục đếm từ 0 đến 9 và tiếp tục cấp xung cho IC2 tăng lên 2, 3,… Khi IC1 đếm đếm 9 và IC2 đếm đến 5 chuyển sang 6 ta dùng IC 7408 để reset cả hai IC trở về 0 Lúc này, chân reset sẽ cùng trạng thái với đầu ra cổng AND dùng để reset( mức 1), đầu ra này được nối với chân CP0 của IC đếm phút, một xung được kích và được đếm lên một đơn vị

Đối với IC đếm phút (IC3 và IC4): khi IC3 nhận được xung nó lại đếm như IC đếm giây đến giá trị 59 Vì lấy xung từ IC đếm giây nên khi mạch đếm giây đếm đến

59 thì mạch đếm phút mới nhận được một xung Khi cả IC đếm giây và đếm phút đều đếm đến giá trị 59 thì tất cả 4 IC cũng được reset về 0, đồng thời mạch đếm phút cấp cho IC5 của IC đếm giờ một xung

Đối với IC đếm giờ (IC5 và IC6): Khi IC5 nhận được một xung thì nó cũng bắt đầu đếm lên Khi IC5 đếm đến 9 thì cấp xung cho IC6 đếm, khi hai IC đếm giờ đếm đến 23 và tại thời điểm sang 24 là lúc cả hai IC được reset Vì số nhị phân tương ứng của 2 là Q3Q2Q1Q0 = 0010, của 4 là Q3Q2Q1Q0 = 0100 nên ngõ ra Q1 của IC đếm giờ ( đếm hàng chục) và ngõ ra Q2 của IC đếm giờ (đếm hàng đơn vị) được đưa vào IC7408 để thực hiện reset về 0

Vậy ta có trạng thái tiếp theo sẽ là 00:00:00

Mạch đếm giờ dùng IC74LS90

Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47

Hiển thị led 7 đoạn