Cùng với sự phát triển của khoa hoc và công nghệ các thiết bị điện tử đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống con người. Việc ứng dụng các linh kiện bán dẫn đã phần nào giảm bớt được giá thành sản phẩm bằng các linh kiện rời. Ứng dụng môn kỹ thuật số vào thiết kế các bộ phận thiết thực hằng ngày giúp chúng ta hiểu được môn kỹ thuật số làm gì và được ứng dụng vào đâu. Đồng hồ là một thiết bị rất cần thiết mà hầu như bất cứ ai cũng phải dùng tới nó. Một chiếc đồng hồ cơ, xem giờ bằng cách nhìn vào kim chỉ ở vạch chia thời gian sẽ gây khó khăn cho người mới bắt đầu sử dụng. Nhưng đối với đồng hồ số, thời gian được hiển thị rõ ràng bằng các chữ số sẽ dễ dàng sử dụng hơn. Trải qua quá trình học tập và nghiên cứu môn học Vi Mạch Tương Tự và Vi Mạch Số, nhóm chúng em đã chọn đề tài “ Thiết Kế Mạch Đồng Hồ Số” để làm đồ án.
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Sinh viên thực hiện : NHÓM 5
2 Nguyễn Văn Tuấn MSV 0874040087
Trang 2Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC VMTT_VMS
Mô tả: Mạch dùng để hiển thị thời gian hh:mm:ss
Khuyến khích: - Cho phép chọn các chế độ hiển thị 24 h hoặc 12 AM:PM
Phần thuyết minh
Yêu cầu về bố cục nội dung:
Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch tổ hơp, mạch dãy và mạch dao động.Chương 2: Thiết kế mạch đồng hồ số
Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng
Chú ý:
Trước khi bảo vệ đồ án sinh viên phải nộp:
- File mềm gồm file trình bày đồ án và file mô phỏng
- Quyển in khổ A4.
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
LỜI MỞ ĐẦU
Trang 4Cùng với sự phát triển của khoa hoc và công nghệ các thiết bị điện tử đã, đang
và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hếtcác lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống con người
Việc ứng dụng các linh kiện bán dẫn đã phần nào giảm bớt được giá thành sản phẩmbằng các linh kiện rời Ứng dụng môn kỹ thuật số vào thiết kế các bộ phận thiết thựchằng ngày giúp chúng ta hiểu được môn kỹ thuật số làm gì và được ứng dụng vàođâu
Đồng hồ là một thiết bị rất cần thiết mà hầu như bất cứ ai cũng phải dùng tới nó Mộtchiếc đồng hồ cơ, xem giờ bằng cách nhìn vào kim chỉ ở vạch chia thời gian sẽ gâykhó khăn cho người mới bắt đầu sử dụng Nhưng đối với đồng hồ số, thời gian đượchiển thị rõ ràng bằng các chữ số sẽ dễ dàng sử dụng hơn
Trải qua quá trình học tập và nghiên cứu môn học Vi Mạch Tương Tự và Vi Mạch
Số, nhóm chúng em đã chọn đề tài “ Thiết Kế Mạch Đồng Hồ Số” để làm đồ án Trong quá trình làm đồ án, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy Phạm Văn
Hùng Mặc dù đã rất cố gắng nhưng vẫn còn nhiều thiếu xót về nội dung và phương
pháp trình bày Em rất mong được sự chỉ bảo, hướng dẫn của thầy cô và ý kiến đónggóp của các bạn để đề tài của chúng em được hoàn thiện
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Hùng đã hướng dẫn chúng em
hoàn thành đồ án này
Hà Nội, ngày 12 tháng 02 năm 2014
Sinh viên
Nhóm 5
Trang 5Chương I :Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao dộng
1.1 Mạch tổ hợp……….……… ……… 6
1.2 Mã hóa……….….….……… 6
1.3 Mạch giải mã……….……… ………7
1.4 Giải mã BCD sang led 7 đoạn……… ….………… 7
1.5 Mạch dãy……… ….…… 8
1.6 Thanh ghi và thanh ghi dịch ……… 8
1.7 Bộ đếm……… … …… 8
1.8 Mạch dao động.……….……… ……9
Chương II: Thiết kế mạch đồng hồ số 2.1 Tìm hiểu về các linh kiện trong mạch………….……… …… 10
2.2 Khối tạo xung IC 555…… ……… 10
2.3 Khối đếm BCD 74LS190 ………….……… ………12
2.4 Khối giải mã IC 74LS47 ……… …… 14
2.5 Khối hiển thị ( Led 7 thanh)……… ………19
2.6 Cổng NOT ……… 21
2.7 Cổng NAND……… 21
Chương III : Xây dựng chương trình mô phỏng……… ….… 23
3.1 Sơ đồ khối hệ thống :……… 23
3.2 Nhiệm vụ của từng khôi………23
3.3 Sơ đồ nguyên lý và mô hình mô phỏng……… … 24
3.4 Nguyên lý làm việc……….….…….25
Chương IV: Kết luận……… …… 27
4.1 Khả năng và ứng dụng……… ………27
4.2 Đặc tính kỹ thuật……… ….……27
Chương I : Tìm hiểu chung về mạch tổ hợp, mạch dãy và mạch dao
dộng
Trang 6Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển tuỳ chọnhay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1 và 0, có nhiềuđường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn cho mạch ở mức 1, rồi
có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU xác định địa chỉ trong bộnhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra kí tự Tất cả các tổ hợp bit đóđược gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo ra các mã số gọi là mạch mã hoá(lập mã: encoder)
Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hoa BCD)
Bộ mã hóa nhị-thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD
-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD :
1.3 Mạch giải mã
Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu có 1 mã
số áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường ít
Trang 7Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thị led 7 đoạn, giải
mã địa chỉ bộ nhớ
1.4 Giải mã BCD sang led 7 đoạn
Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho ra tổ hợp có nhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự
Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình số 8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân ra của led được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A chung hay K chung Thứ tự sắp xếp cho 2 loại như trình bày ở dưới đây :
Hình 1.1 Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn
Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do đó, cácthanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180 đến 390 ohm vớinguồn cấp chuẩn thường là 5V IC giải mã sẽ có nhiệm vụ nối các chân a, b, g củaled xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung)
Trang 81.5 Mạch dãy
Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và các mạch logic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch
1.6.Thanh ghi và thanh ghi dịch
Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dưc liệu hoặc biến đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật
Thanh ghi nhận dữ liệu song song
Trang 91.8 Mạch dao động.
Mạch dao động được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện tử, như mạch dao động nội trong khối RF Radio, trong bộ kênh Tivi mầu, Mạch dao động tạo xung dòng , xung mành trong Tivi, tạo sóng hình sin cho IC Vi xử lý hoạt động v v Mạch dao động hình Sin
Mạch dao động đa hài
Mạch dao động nghẹt
Mạch dao động dùng IC
Chương II: Thiết kế mạch đồng hồ số
2.1 Tìm hiểu về các linh kiện trong mạch :
Trang 102.2 Khối tạo xung (IC HE 555)
Hình dạng và sơ đồ chân: Hình dạng thực tế
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
Sơ đồ cấu trúc bên trong:
Trang 11Khi 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
OP_AMP 1 có: V in V in
=> R = 0OP_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 = 1OP_AMP 2 có: V in V in
=>S = 0
Trang 12=> Q = 0, Q 1 V0 0 : led tắt.
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 lạitrạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện trở lại Hiện tượng này diễn ra liên tục và tuầnhoàn
2.3 Khối đếm BCD ( IC 74LS190 )
Là IC tích hợp bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song Nó có chức năng đếm thuận hoặc nghịch Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều khiển nạp giá trị
Sơ đồ chân IC 74LS190 Hình ảnh thực tế IC 74LS190
Trang 13Chức năng các chân:
- Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND)
- Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9)
- Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7)
- Chân cấp xung clock CLK :14
- Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5
- Chân cho phép đếm Enable :4
- Chân nạp giá trị load :11
- Chân xung đếm ra RCO :13
Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :
Giản đồ xung của 74LS190 :
Trang 142.4 Khối giải mã (IC 74LS47)
Mạch giải là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá Mục đích sửdụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng các đèn để hiển thị kết quả ở dạngchữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiềumạch giải mã khác nhau
Ví dụ: giải mã 4 đường sang 10 đường, giải mã BCD sang thập phân…
IC 74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sangled 7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặcxuống thấp (tuỳ vào loại đèn led là anod chung hay catod chung) để làm các đèn cầnthiết sáng nên các số hoặc ký tự IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ racực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loạianod chung
Hình dạng và sơ đồ chân:
Trang 15Chân 9: 7-Segment e Output.
Chân 10: 7-Segment d Output
Chân 11: 7-Segment c Output
Chân 12: 7-Segment b Output
Chân 13: 7-Segment f Output
Chân 14: 7-Segment g Output
Chân 15: 7-Segment a Output
Chân 16: Vcc
Trang 16Sơ đồ logic
Nhóm 5 Trang 16
Trang 18Ở trạng thái mã BCD sang 7 vạch tác động ở mức thấp gồm các lại IC74LS47,IC74LS46,… được dùng cho loại có Anode chung.
ở trong mạch đồng hồ số này sử dụng IC74LS47
Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bìnhthường 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 othừa 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 ngõvào 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 có giá trị thập phân từ 0 đến 15đèn 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
Bảng chân lí
Nhóm 5 Trang 18
Trang 192.5 Khối hiển thị ( Led 7 thanh)
Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con
số Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led
Sơ đồ khối :
Nhóm 5 Trang 19
A
Trang 20Khảo sát mạch giải mã led 7 đoạn loại anode chung:
Chân anode nối lên mức cao
Đoạn nào sáng tương ứng mức L
Đoạn nào tối tương ứng mức H
Trang 23Chương III: Xây dựng chương trình mô phỏng
Trang 243.2 Nhiệm vụ từng khối:
Khối nguồn:
- Nguồn AC được chỉnh lưu toàn kỳ, sau đó được nắn điện
- Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho xung, khối đếm, giải mã, khối hiển thị
Khối tạo xung:
Tạo ra xung có tầng số 1HZ, để làm xung Clock cho mạch đếm giây của khối đếm
Khối đềm:
Phần đếm giây: là mạch đếm 60 giây trong một phút (0-59)
Phân đếm phut: là mạch đếm 60 phút trong một thời gian(0-59)
Phần đếm giờ: mạch đếm 24 giờ trong một ngày(0-24)
Khối giải mã:
Giải mả tín hiệu từ mạch đếm đưa đến để hiển thị ra led 7 đoạn
Khối hiện:
Có nhiệm vụ báo giờ, phút, giây
3.3 Sơ đồ nguyên lý và mô hình mô phỏng
Nhóm 5 Trang 24
Trang 25Mô hình mô phỏng trên phần mềm proteus:
Nhóm 5 Trang 25
Trang 263.4 Nguyên lý làm việc
Khối giây
Mạch sử dụng led 7 thanh anode chung, do vậy khi bộ tạo xung Clock phát ra xung ở mức “0”, xung này được đưa đến chân 14 của IC U1(74LS190) Ngõ ra của U1 ở chân Q A, Q B, Q C, Q Dđược đưa đến ngõ vào của IC giải mã U7
(74LS47) Sau đó U7 giải mã và hiển thị trên Led 7 thanh Sau khi U1 đếm từ
0 9 thì lúc này tại chân 13 của U1 sẽ truyền 1 xung sang chân 14 của IC U2, ngõ ra của U2 ở các chân Q A, Q B, Q C, Q D được đưa đến ngõ vào của IC giải mãU8, sau khi tín hiệu được giải mã sẽ hiển thị trên Led 7 thanh Khi U2 đếm từ
0 5 chuyển sang 6 thì lúc này bộ cộng đảo U13(74LS40) sẽ phát ra 1 xung truyền đến chân 11 của U2 để reset U2 về giá tri ban đầu có nghĩa là U1 cứ đếm 09 thì U2 lại tăng thêm 1 đơn vị và U2 đếm 05 chuyển sang 6 thì reset
về “0”
Khối phút
Nhóm 5 Trang 26
Trang 27Khi U13 phát ra xung sẽ truyền đến chân 14 của IC U3 Ngõ ra của U3 ở chân
A
Q , Q B, Q C, Q Dđược đưa đến ngõ vào của IC giải mã U9 (74LS47) Sau đó U9 giải mã và hiển thị trên Led 7 thanh Sau khi U3 đếm từ 0 9 thì lúc này tại chân 13 của U3 sẽ truyền 1 xung sang chân 14 của IC U4, ngõ ra của U4 ở các chân Q A, Q B, Q C, Q D được đưa đến ngõ vào của IC giải mã U10, sau khi tín hiệu được giải mã sẽ hiển thị trên Led 7 thanh Khi U4 đếm từ 0 5 chuyển sang 6 thì lúc này bộ cộng đảo U14(74LS40) sẽ phát ra 1 xung truyền đến chân
11 của U4 để reset U4 về giá tri ban đầu có nghĩa là U3 cứ đếm 09 thì U4 lại tăng thêm 1 đơn vị và U4 đếm 05 chuyển sang 6 thì reset về “0”
IC giải mã U12, sau khi tín hiệu được giải mã sẽ hiển thị trên Led 7 thanh
Với chế độ 24 giờ :
Khi U6 đếm đến 2 và U5 đếm đến 3 chuyển sang 4 thì lúc này bộ cộng đảo U15 sẽ phát ra 1 xung tryền đến chân 11 của IC U6 và IC U5, reset tất cả vềgiá trị ban đầu “0”
Với chế độ 12 giờ:
Khi U6 đếm đến 1 và U5 đếm đến 2 chuyển sang 3 thì lúc này bộ cộng đảo U16phát ra xung truyền đến chân 11 của IC U6 và IC U5, reset U5 và U6 về giá trị ban đầu giá trị ban đầu của U6 bằng “0” và của U5 bằng “1” tương ứng với cácchân D0, D1, D2, D3 của IC U5 là (1000)
Nhóm 5 Trang 27
Trang 28Chương IV: Kết luận
a Về khả năng ứng dụng:Qua thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã tự đúc
kết ra những kinh nghiệm quý báu về lĩnh vực kỹ thuật số.Mặc dù đã cố gắng tham khảo tài liệu, song do thời gian thực hiện đề tài không nhiều cộng với vốn kiến thức và kinh nghiệm kỹ thuật số, và mạch cao tần vẫn còn hạn chế nên đề tài vẫn chưa đạt được hết những yêu cầu đặt ra và không thể tránh được những thiếu sót
b Về đặc tính kỹ thuật:
Ưu và khuyết điểm:
Ưu điểm:Do được hiển thị bằng led 7 đoạn nên được sử dụng ở nơi có ánh sáng không tốt Linh kiện dùng để thiết kế thông dụng và được bán rộng rãi trên thị trường
Khuyết điểm:Cồng kềnh Không thuận lợi trong sử dụng Dể bị hư hỏng khi có sự va chạm hoặc điện áp khong ổn định Các IC dể bị hư hổng khi thi công Không có nhiệu chức năng như đồng hồ khác
Nên chính vì thế hiện nay con người đã đi đến một hướng giải quyết khác dùng Vi điều khiển, hoặc dung những chip vi mạch có độ tích hợp cao Để khắc phục những khuyết điểm trên
THE END !
Nhóm 5 Trang 28
