THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG MẠCH HIỂN THỊ ĐỒNG HỒ SỐ

BÁO CÁO THỰC HÀNH KỸ THUẬT SỐ Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ ỨNG DỤNG MẠCH HIỂN THỊ ĐỒNG HỒ SỐ I. Mục đích yêu cầu: Vận dụng các kiến thức đã học về điện tử cơ bản, kỹ thuật xung,kỹ thuật số,thiết kế mạch Logic. Sữ dụng các IC có sẵn tại phòng TN Tin Học Công Nghiệp (PFIEV) và các IC khác mua thêm, thiết kế lắp ráp các mạch điện tử ứng dụng. II. Mạch đồng hồ số: 1. Mạch tại xung 1Hz(T=1s) Mạch tạo xung chuẩn sử dụng thạch anh 32.768khz và chip đếm & chia tần số CD4060 Thạch anh 32,768khz là thạch anh chuyên dụng cho đồng hồ có kích thước bé xíu như ruột bút bi. Hầu như ở đâu có sự hiện diện của "anh thạch" này thì ở đó có mạch đồng hồ... sau khi chia 2^14 = 16.384 lần qua IC cd4060 ở chân số 3 ta được tần số đầu ra là 2HZ tiếp tục chia 2 bằng mạh D flip - flop cdc4013 ta được 1Hz . Ta có sơ đồ sau: MẠCH TẠO XUNG 1Hz Tuy nhiên tần số dao động của thạch anh lại phụ thuộc vào lát cắt ra nó nên dù kỹ thuật có hiện đại đến đâu thì vẫn có sai số do vậy trong sơ đồ đã dùng thêm trở và tụ vi chỉnh để tạo mạch cộng hưởng bổ trợ ở chân thạch anh 2. Mạch đếm và hiển thị giờ,phút,giây. Ta sữ dụng IC74ls90 là IC đếm 10 và IC74ls47 là IC giải mã led 7 đoạn với ngõ ra tích cực âm dùng cho led 7 thanh có anot chung 2.1 Tìm hiểu về bộ đếm và IC74ls90. 2.1.1 Định nghĩa và phân loại bộ đếm 1. Định nghĩa: Bộ đếm là một mạch dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm và một đầu ra,mạch có số trạng thái trong bằng chính hệ số đếm(Kd).Dưới tác dụng của tín hiệu vào đếm,mạch sẽ chuyển từ trạnh thái trong này đến một trạng thái trong khác theo một thứ tự nhất định.Cứ sau Kd tín hiệu vào đếm,mạch trở lại trạng thái xuất phát ban đầu. 2. Phân loại bộ đếm Căn cứ vào sự khác biệt của tình huống chuyển đổi trạng thái các Flip Flop trong bộ đếm,người ta phân thành 2 loại lớn: bộ đếm đồng bộ và bộ đếm dị bộ.Trong bộ đếm đồng bộ,các Flip Flop đều chịu tác động điều khiển của một xung đồng hồ duy nhất,đó là xung đếm đầu vào.Vậy sự chuyển đổi trạng thái của chúng là đồng bộ.Bộ đếm dị bộ thì khác,có Flip Flop(FF) chịu tác động điều khiển trực tiếp của xung đầu vào,nhưng cũng có FF chịu tác động điều khiển của xung đầu ra của FF khác(có vai trò định thời của xung đồng bộ).Sự chuyển đổi trạng thái của FF không cùng lúc,tức là dị bộ. Căn cứ vào sự khác biệt về hệ số đếm của bộ đếm,người ta phân thành các loại: Bộ đếm nhị phân,bộ đếm thập phân,bộ đếm N phân. Nếu gọi n là số chỉ số chỉ số vị trí trong mã số nhị phân(cũng là số FF trong bộ đếm), gọi N là số trạng thái tích cực(cũng là số trạng thái mã hóa đã được lập khi giải mã)thì đối với bộ đếm nhị phân N=2^n đối với bộ đếm nhị phân N=10. 3. Bộ đếm đồng bộ Thiết kế bộ đếm 10 đồng bộ,đếm lên,mã Gray,sữ dụng JK Flip Flop Bảng trạng thái:

sau khi chia 2^14 = 16.384 lần qua IC cd4060 ở chân số 3 ta được tần số đầu ra là 2HZ tiếp tục chia 2 bằng mạh D flip - flop cdc4013 ta được 1Hz

Tuy nhiên tần số dao động của thạch anh lại phụ thuộc vào lát cắt ra nó nên dù kỹ thuật có hiện đại đến đâu thì vẫn có sai số do vậy trong sơ đồ đã dùng thêm trở và tụ vi chỉnh để tạo mạch cộng hưởng bổ trợ ở chân thạch anh

2 Mạch đếm và hiển thị giờ,phút,giây.

Ta sữ dụng IC74ls90 là IC đếm 10 và IC74ls47 là IC giải mã led 7 đoạn với ngõ

ra tích cực âm dùng cho led 7 thanh có anot chung

2.1 Tìm hiểu về bộ đếm và IC74ls90.

2.1.1 Định nghĩa và phân loại bộ đếm

1 Định nghĩa:

Bộ đếm là một mạch dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm và một đầu ra,mạch

có số trạng thái trong bằng chính hệ số đếm(Kd).Dưới tác dụng của tín hiệu vào đếm,mạch sẽ chuyển từ trạnh thái trong này đến một trạng thái trong khác theo một thứ tự nhất định.Cứ sau Kd tín hiệu vào đếm,mạch trở lại trạng thái xuất phát ban đầu

3 Bộ đếm đồng bộ

Thiết kế bộ đếm 10 đồng bộ,đếm lên,mã Gray,sữ dụng JK Flip Flop

Bảng trạng thái:

Bảng chuyển đổi trạng thái:

Trạng thái hiện tại Trạng thái tiếp theo Đầu vào kích thích

0 0 1 1 1 1 1 1 0 0

0 1 1 0 0 0 0 1 1 0

0 0 0 0 1 1 1 1 1 0

0 0 0 1 1 0 0 0 0 0

0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

1 1 0 0 0 0 1 1 0 0

Biểu diễn các hàm trên bảng Karnaugh và tối thiểu hóa:

GVHD: Trần Đình Khôi Quốc - Nguyễn Hữu Lập Trường Nhóm

SV:07CLC2

II.1.2 Tìm hiểu IC74ls90

IC 74ls90 là IC thuộc họ 74xx,IC này có chức năng đếm thập phân.

Con TTL này cũng khá quen thuộc nó là con đếm mã nhị phân chia 10 mã hóa ra BCD

Cứ mỗi 1 xung vào thì nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra 4 chân Khi đếm đến 10 tự

nó sẽ reset và quay trở về ban đầu

Hai thông số quan trọng để thiết kế mạch đếm này là: Bảng chân lý mã hóa ra BCD

và điều kiện để Reset (Trở về trạng thái ban đầu)

Theo datasheet ta có sơ đồ chân như sau:

GVHD: Trần Đình Khôi Quốc - Nguyễn Hữu Lập Trường Nhóm

SV:07CLC2

Sơ đồ cấu tạo:

+ Bảng chân lý mã hóa ra BCD

Khi sản xuất ra con này nhà sản xuất đã cung cấp cho chúng ta bảng mã hóa của con này do đó mà mình không thể tạo ra bảng mã này được Sau đây là bảng mã của nó được lấy từ datasheet

II.2 Tìm hiểu mạch giải mã led 7 đoạn và IC74ls47

2.2.1 Mạch chuyển mã

Trong các hệ thống điện tử dùng mạch số,dữ liệu(lệnh,số liệu) được truyền đi hay xữ

lý ở dạng từ(word) nhị phân gồm các bit 0 và 1.Một từ n bit có thể biểu diển cho 2^n phần tử tin khác nhau với giá trị thập phân từ: 0=>2^n -1.Từ nhị phân n bits đó gọi là

mã (Code)của các phần tử tin tức.Có rất nhiều loại mã, sau đây là một số loại mã

b Các loại mã thường dùng để mã hóa các con số

Để mã hóa các con số thường dùng các loại mã: Mã nhị phân,mã dư 3(XS3), mã Gray,mã Gray dư 3,mã nhị phân của số thập phân(BCD),mã thập phân,mã 7 vạch…

Mã có thể chia làm 2 loại: loại có trọng số(trọng số của các ký hiệu nhị phânđược sắp xếp theo thứ tự 2^0,2^1,2^2,2^n…) và loại không có trọng số(trọng số của các ký hiệu nhị phân không phụ thuộc vị trí của chúng trong từ mã)

Đễ mã hóa nhị phân cho 10 chữ số thập phân cần từ mã có độ dài 4 bit.tùy theo cách sữ dụng 10 trên 16 tổ hợp mã nhị phân 4 bit mà ta có các loại mã BCD khác

nhau.một số loại mã BCD thường gặp: BCD-normal,2421,5121…

-mã Gray:

Là loại mã không có trọng số,các từ mã kế cạnh nhau chỉ khac nhau ở một biến số,mã Gray được dùng biểu diễn bảng Karnaugh

II.2.2 Bộ giải mã hiển thị

Chúng ta sẽ thuyết minh nguyên lý công tác và quá trình thiết kế của bộ giả mã hiển thị qua ví dụ bộ giải mã kích cho led 7 đoạn

Thiết kế bộ giải mã hiển thị kích cho hiển thị Led 7 thanh với tín hiệu đầu vào là mã BCD 8421

Phân tích yêu cầu thiết kế:

Xem sơ đồ khối hình trên

Các đầu vào D, C, B, A là mã BCD 8421,trong đó 6 trạng thái 1010->1111 không được

sữ dụng, đánh dấu chéo “X” để xử lý tối thiểu hóa Tín hiệu đầu ra a, b, c, d, e, f, g là để kích sáng led tương ứng của hiện thị led 7 thanh.Căn cứ mạch kích sang,tín hiệu đầu ra

bộ giải mã phải tích cực ở mức thấp(Led sáng khi tín hiệu kích ở mức thấp)

Kê bảng chân lý:

được hiển thị

1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 9

Các từ mã đầu vào của BCD8421 quyết định số được hiển thị.nhưng do cấu trúc không gian các LED a,b, g mà các giá trị tín hiệu đầu ra bộ giải mã được xác định sao cho:

-mức thấp 0(L): LED sáng

-mức cao 1(H): LED tắt

-các LED sáng hình thành số được hiển thị

Tối hiểu hóa:

Dùng phương pháp hình vẽ.chúng ta chọn dùng cổng NORAND trong sơ đồ Do đó đầu tiên ta tối thiểu hóa hàm đảo bằng dạng ORAND đối với các giá trị 0 của hàm đầu ra,sau

đó lấy đảo thì được dạng NORAND đối với các giá trị 1 của hàm đầu ra

IC giải mã BCD => LED 7 thanh : 74LS47

* Hình dạng và kích thước chân ngoài thực tế:

Đây là IC giải mã từ BCD sang mã LED 7 vạch với 4 chân đầu vào và 7 chân đầu ra với chức năng của từng chân như sau:

+ Chân 1, 2, 6, 7: Chân dữ liệu BCD vào dữ liệu này được lấy từ IC đếm

+ Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân ra tác động mức thấp (0) và được nối với LED 7

+ Chân 8: Chân nối GND

+ Chân 16: Chân nối Vcc = 5V

GVHD: Trần Đình Khôi Quốc - Nguyễn Hữu Lập Trường Nhóm

SV:07CLC2

+ Chân 4: Chân này không cần biết theo datasheet thì cho nó lên Vcc

+ 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 3: Chân này cũng thế cho nó lên Vcc = 5V

* Bảng chân lý các giá trị IO của 74LS47

Nhìn trên bảng chân lý trên ta thấy với 4 đầu vào sau khi giải mã nó cho ra 16 giá trị của

mã LED 7 vạch và hiện thị được lên LED 7 vạch

Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng chân lý, trong đó đối với các ngõ ra H là tắt và L là sáng, nghĩa là nếu 74LS47 thúc đèn led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay tắt tuỳ vào ngõ ra tương ứng của 74LS47 là L hay H nên do đó ta phải dùng LED anot chung!

Kết quả hiển thị như hình trên

II.3 Led 7 thanh

GVHD: Trần Đình Khôi Quốc - Nguyễn Hữu Lập Trường Nhóm SV:07CLC2

Led 7 thanh(LED7SEG) có 2 loại: Anot chung và Katot chung

Trong thiết kế sữ dung loại Anot chung.nếu dùng loại Katot chung thì cần dùng loại IC giải

mã có đầu ra tích cực mức dương (+) như IC 74ls247

Trên sơ đồ chân: gồm 10 chân chia ra 2 hàng chân như hình:

Chân số 3 nối VCC

Chân số 5 (poin) và chân số 8(Anode) không được sử dụng trong thiết kế

Các chân 1(e), 2(d), 4(c), 6(b), 7(a), 9(f), 10(g) được nối với các chân tương ứng của IC 74ls47

3 Sơ đồ thiết kế và lắp ráp các linh kiện.

Dưới đây là sơ đồ mạch nguyên lý :

GVHD: Trần Đình Khôi Quốc - Nguyễn Hữu Lập Trường Nhóm SV:07CLC2

Nguyên lý hoạt động :

Chúng ta quy ước thứ tự các IC74ls90:

Như hình trên theo thứ từ dưới lên từ 1 đến 6

Dựa vào bảng chân lý 74ls90 hình bên:

Xung 1Hz chuẩn được lấy từ bộ tạo xung,

đưa vào chân 14(clock up) của IC 47ls90 thứ

nhất của bộ hiển thi giây,qua bộ đếm và bộ giải

mã số được hiển thị

Khi 74ls90(1) đếm đến 9.QD(Q3) từ mức

logic 1(H) về mức 0(L),QD(Q3) được nối với

chân 14(clock up) của 74ls90(2) được kích

đếm lên một đơn vị,tương tự như thế,khi 74ls90(2)

đếm đến 6 ta reset về 0 và clock up IC74ls90(3)

lên 1 xung.ta để ý khi count đến 6,chỉ có chân

Q1 từ 0(L) lên 1(H) kết hợp với chân Q2 đang

ở mức1 cho qua cổng AND,đầu ra nối với

2 chân reset R01 và R02 của74ls90(2) và chân

14 (clock up) của 74ls90(3).mạch hiển thị phút

kết nối hoàn toàn tương tự hiển thị giây

Ở bộ hiển thị giờ,ta để ý khi 74ls90(5) đếm đến 4 và 74ls90(6) đếm đến 2 tức là 24 giờ.ta chân Q2 của 74ls90(5) đang từ mức 0 lên mức 1 kết hợp chân Q1 của 74ls90(6)

từ mức 0 lên mức 1 cho qua cổng AND,đầu ra cho vào chân reset của 74ls90(5) và 74ls90(6)

Cổng AND sữ dụng trên hình vẽ được lấy từ IC 7408:

Để có thể điều chỉnh giờ và phút đúng với thời gian thực,ta còn dùng thêm các nút ấn để chỉnh giờ và phút:

Mạch hiển thị led 7 thanh:

5 Các linh kiện sữ dụng trong mạch:

STT Tên linh kiện Số lượng Ghi chú

1 Led 7 thanh loại vừa 4

2 Led 7 thanh loại nhỏ 2