Thiết kế mạch đếm dị bộ với kđ=28

LỜI MỞ ĐẦUTrong vài thập niên gần đây, sự phát triển nhanh chóng và không ngừng của khoa học và công nghệ đã tạo nên những chuyển biến sâu sắctrong mọi lĩnh vực của đời sống, đặc biệt là

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU ……… 3

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……….………4

1.1 GIỚI THIỆU VỀ Ý TƯỞNG ……… …… 4

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC HÀM LOGIC ………4

1.2.1 Cổng logic cơ bản AND ……… 4

1.2.2 Cổng logic cơ bản OR ………4

1.2.3 Cổng logic cở bản NAND ……… 5

1.2.4 Cổng logic cơ bản NOR ……….6

1.3 GIỚI THIỆU VỀ FLIP-FLOP JK……… 6

1.3.1 Khái niệm ……… 6

1.3.2 Bảng chân lý của JK ……… 7

1.3.3 Phương trình đặc trưng ……….7

1.3.4 Sơ Đồ logic ………8

1.3.5 Ký hiệu ……… 8

1.4 GIỚI THIỆU DIODE PHÁT QUANG ……… 8

1.4.1 Khái Niệm……… 8

1.4.2 Cấu tạo ……….9

1.5 TỔNG QUAN IC 555………9

1.5.1 Hình dạng thực tế của ic 555 ……… 10

1.5.2 Cấu trúc bên trong ……… 10

1.5.3 Cấu tạo ……….10

1.5.4 Sơ đồ chân và chức năng từng chân ………11

PHẦN II THIẾT KẾ MẠCH 2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH ……… 15

2.2 KHỐI NGUỒN ………15

2.3 KHỐI TẠO XUNG VUÔNG……… 16

2.3.1 Tính toán thiết kế ……….16

2.3.2 Sơ đồ mạch ……… 17

2.4 XÂY DỰNG KHỐI ĐẾM ……….17

2.4.1 Các bước thiết kế bộ đếm ………17

2.4.2 Phân tích yêu cầu thiết kế , xác định đồ hình trạng thái ban đầu……… 18

2.4.3 Xác định số lượng và loại hình flip-flop Chọn lưa mã hóa trạng thái 19

2.4.4 Vẽ đồ thị dạng sóng , chọn xung đồng hồ ……… 21

2.4.5 Tìm phương trình trạng thái , phương trình ra Kiểm tra tự khởi động lại ……… 24

2.4.6 Tìm phương trình kích………24

3.4.7 Vẽ sơ đồ logic ………24

2.5 SƠ ĐỒ MẠCH ĐẾM HIỂN THỊ QUA LED ĐƠN ………25

2.5.1 Mạch nguyên lý ……….25

2.5.2 Mạch in ……… 26

2.5.3.Mạch 3D……… 26

3.1 Kết luận ……… 28

3.2 Tài liệu tham khảo………29

LỜI MỞ ĐẦU

Trong vài thập niên gần đây, sự phát triển nhanh chóng và không

ngừng của khoa học và công nghệ đã tạo nên những chuyển biến sâu sắctrong mọi lĩnh vực của đời sống, đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của kỹthuật điện tử Kỹ thuật số_một lĩnh vực của kỹ thuật điện tử_là một mũinhọn cơ bản tạo nên sự phát triển vượt bậc đó Nó được nghiên cứu và ứngdụng một cách sâu rộng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác cũng nhưtrong đời sống hằng ngày Làm cho đời sống con người không ngừng pháttriển

Việc gia công tín hiệu trong các thiết bị điện tử hiện đại đều dựa trên

cơ sở nguyên lý số và các thiết bị làm việc dựa trên cơ sở nguyên lý số cónhững ưu điểm hơn hẳn so với các thiết bị điện tử làm việc trên cơ sởnguyên lý tương tự Bởi vậy, sự hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật số là một điềukhông thể thiếu đối với kỹ sư điện tử hiện nay

Đồ án mạch số giúp sinh viên nghiên cứu và hiểu rõ hơn về những

vấn đề cốt lõi của kỹ thuật số, tăng cường năng lực giải quyết các vấn đề kỹthuật trong thực tế

Sau khi đã được học môn: “Điện tử số” và được sự hướng dẫn của giảng viên: Th.S Lê Văn Chương em đã chọn đề tài: “Thiết kế mạch đếm

dị bộ với kđ=28” làm đồ án môn học này Với mục đích là vận dụng được những kiến thức điện tử số đã được học vào thiết kế những bài toán ứng dụng thực tế

Trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo thêm của thầy cô và bạn bè để có thể hoànthiện hơn cho đề tài

Em xin chân thành cảm ơn giảng viên: Th.S Lê Văn Chương đã chỉ

bảo tận tình trong quá trình thực hiện đề tài này, cảm ơn tất cả mọi ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn bè

Sinh viên thực hiện !

Nguyễn Văn Quang

PHẦN I CƠ SỞ VỀ LÝ THUYẾT

1.1 GIỚI THIỆU VỀ Ý TƯỞNG.

Thiết kế một mạch đếm các xung vuông do ic 555 tạo ra , sử dụng

triger JK thực hiên với kđ = 28

Và hiển thị xung đếm qua led đơn

• Đầu tiên tạo ra xung vuông với chu kỳ 1s

• Tiếp theo sử dụng flip-flop jk thực hiện đếm xung

• Hiển thị xung đếm bằng led đơn

1.2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC HÀM LOGIC

1.2.1 Cổng logíc cơ bản AND

Hàm lôgic VÀ được định nghĩa theo bảng chân lý sau:

Kí hiệu toán học của cổng OR là: Y=A+B

1.2.3 Cổng logic cơ bản NAND.

Kí hiệu toán học của cổng NAND: Y= A B

1.2.4 Cổng logic cơ bản NOR.

Kí hiệu toán học của cổng NOR: Y=A+B

1.3 Giới thiệu về Flip-Flop JK.

1.4 Giới thiệu về điode phát quang

1.4.1 khái niệm

Một số loại diode khác có khả năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng sáng Diode phát quang sẽ chuyển đổi dòng điện thành ánh sáng rất hiệu quả trong các loại hiển thị khác nhau và đôi khi có thể sử dụng làm nguồn phát sáng cho các ứng dụng thông tin bằng sợi cáp quang Một điện

tử có thể rơi từ dãi dẫn vào một lỗ trống và phát ra năng lượng dưới dạng một photon của ánh sáng Các liên quan của xung lượng và năng lượng trongsilicon và germanium như vậy làm cho điện tử phát ra năng lượng dưới dạngnhiệt năng khi điện tử trở lại từ dãi dẫn xuống dãi hoá trị Tuy nhiên điện tử trong tinh thể gallium arsenide sẽ tạo ra photon khi điện tử rơi trở lại từ dãi dẫn xuống dãi hoá trị Mặc dù không có đủ điện tử trong tinh thể để tạo ra ánh sáng có thể nhìn thấy khi áp đặt phân cực thuận, một số lượng lớn điện

tử sẽ được phóng thích từ vật liệu n vào vùng vật liệu p Các điện tử đó sẽ kết hợp với các lỗ trống trong vùng vật liệu p tại mức năng lượng của dãi hoá trị, nên các photon sẽ được bức xạ Cường độ sáng tỷ lệ với tốc độ tái hợp của các điện tử và do đó tỷ lệ với dòng điện của diode Diode bằng gallium arsenide sẽ phát ra sóng ánh sáng tại bước sóng gần dãi hồng ngoại

Để tạo ra ánh sáng ở dãi có thể nhìn thấy cần phải trộn gallium phosphide với gallium arsenide

Khi LED đang dẫn, mức sụt áp thuận vào khoảng 1,7V Lượng ánh sáng phát ra ánh sáng rõ rệt hơn Cần phải lắp nối tiếp với LED một điện trở hạn dòng để tránh làm hỏng diode Trị số của điện trở hạn dòng dễ dàng tính bằng mức dòng dẫn giới hạn của LED vào khoảng 10mA, với điện áp dẫn của diode vào khoảng 1,7V ÷ 3V

1.4.2 cấu tạo

Hình 1.4.2: Diode phát quang_LED

1.5 TỔNG QUAN IC 555

1.5.1 Hình dạng thực tế của ic 555

Hình 1.5.1 hình dạng thực tế 1.5.2 Cấu trúc bên trong của ic 555

Hình 1.5.2 cấu trúc bên trong1.5.3 Cấu tạo của ic 555

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 trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 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

1.5.3.1Sơ đồ chân ic 555

Hình 1.5.3.1 Sơ đồ chân của ic 5551.5.4 Chức năng từng chân của ic 555

* Chân 1: Nối ra mass để náy dòng cung cấp cho IC

* Chân 2: Chân kích thích

* Chân 3: Lối ra

* Chân 4: Xóa - Reset Khi chân 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp, còn khi chân 4 nôi vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tuỳ theo mức áp ở chân 2 và 6

* Chân 5: Điện áp điều khiển, dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trg IC theo VR hay R ngoài cho nối mass Tuy nhiên trg các mạch ứng dụng chân số 5 nối mass qua 1 tụ điện 10nF > 100nF tác dụng lọc bỏ nhiễu cho mức áp chuẩn ổn định

* Chân 6: Chân ngưỡng, lối vào của 1 tần so áp khác, mạch so sánh dùng các Transistor ngược Vcc/3

* Chân 7: Đầu phóng điện, có thể xem như 1 khoá điện

* Chân 8: Cấp nguồn nuôi cho IC, nguồn nuôi cho IC khoảng từ +5V  +15V, tối đa là 18V

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF là loại RS Flip-flop,

Khi S = 1 thì Q= 1 và Q = 0 Q = 1 Sau đó, khi S = 0 thì Q = 0 và Q =1.Khi R = 1 thì Q= 1 và Q = 0

Tóm lại, khi S = 1 thì Q = 1 và khi R = 1 thì Q = 0 bởi vì Q= 1,

transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF

Qkhông reset

+ Giai đoạn đầu ra ở mức 1:

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0

Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = 1, Q = 1 và Q= 0 Ngõ ra của IC ở mức 1

Khi Q= 0, transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng Khi nhấn công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = 1 lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = 0, Q và Qvẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó.

+ Giai đoạn đầu ra ở mức 0:

Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = 1 nên Q =

0 và Q= 1 Ngõ ra của IC ở mức 0

Vì Q= 1, transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = 0 bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0 Vì vậy Q và Qkhông đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor

Đây là loại IC tạo xung vuông khá là phổ biến nó được ứng dụng nhiều trên các mạch điện tử Đối với bài này là nó chỉ có nhiệm vụ tạo xung vuông với tần số xác định

● Cách mắc IC để tạo ra xung chuẩn:

Hình 1.5.4.1: Cánh mắc IC 555 để tạo xung chuẩn

Trong đó tần số của xung ra được tính theo công thức:

C1 = Tụ điện tính bằng Fara ( F )

T = Tm + Ts : Chu kỳ toàn phần

Tm = ln2 x ( R1 + R2 ) x C1 : Thời gian điện mức cao

Ts = ln2 x R2 x C1 : Thời gian điện mức thấp

Hình 1.5.4.2: Dạng xung của IC 555

Chu kỳ toàn phần T bao gồm thời gian có điện

mức cao Tm và thời gian có điện mức thấp Ts

Từ các công thức trên ta có thể tạo ra một dao động xung vuông có độ rộng Tm

và Ts bất kỳ

● Sơ đồ mạch nguyên lý như sau:

Hình 1.5.4.3: Sơ đồ nguyên lý IC 555

PHẦN II THIẾT KẾ MẠCH2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH.

2.2 KHỐI NGUỒN

Trong hầu hết các mạch logic số nguồn nuôi thường duy trì ổn định ở mức +5V Do yêu cầu cao của hệ thống các nguồn nuôi thường được chế tạomột cách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả và tính ổn định cao

 Thông thường có 2 kiểu nguồn chính:

+ Dùng pin hoặc ắc quy cho điện áp tương đối ổn định, mặc dù trên thi trường không có loại pin hoặc ắc quy 5V cho nên nếu dùng nó thì phải qua một bộ phận ổn áp để đưa điện áp về dạng chuẩn hơn nữa trong quá trình sửdụng, năng lượng trong pin hết đi hệ thống sẽ bị gián đoạn

Trên thực tế để có nguồn điện đáng tin cậy người ta hay dùng phương pháp ổn áp dòng điện một chiều từ cuộn sơ cấp của biến áp khi đã chỉnh lưu bằng cách sử dụng một IC loại 7805

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch khối nguồn

KHỐI

NGUỒN

KHỐI TẠO XUNG(IC555)

KHỐIĐẾM

FF (JK)

KHỐI HIỂNTHỊ(LED)

2.3 KHỐI TẠO XUNG

2.3.1 Tính toán thiết kế

Có nhiều cách để tạo ra xung như dùng dao động đa hài, dùng mạch khuyếch đại có hồi tiếp dương, dùng thạch anh, và IC tạo dao động chuyên dụng 555 Trong các cách đó thì dùng thạch anh là chính xác hơn cả bởi sai

số của nó rất nhỏ Tuy nhiên khi dùng thạch anh chúng ta lại phải tạo ra một mạch tương đối phức tạp đó là khuyếch đại dao động nội từ thạch anh sau đóphải tiến hành chia tần nhiều lần rất phức tạp Để có một mạch dao động tạo xung tương đối chính xác người ta hay dùng IC 555 bởi giá thành rẻ, lắp ráp

và vận hành tương đối đơn giãn Trong đồ án này chúng em sử đụng loai IC này để tạo dao động

Tần số của xung được tính theo công thức:

Hình 2.3.2: Sơ đồ mạch tạo xung.

2.4.2 PHÂN TÍCH YÊU CẦU THIẾT KẾ , XÁC ĐỊNH ĐỒ HÌNH

TRẠNG THÁI BAN ĐẦU

N=29 sử dụng 29 trạng thái : S0,S1,S2,S3, ,S25,S26,S27

Cp xung đếm B chuyển vị

Hình 2.4.2 a Mô hình bộ đếm yêu cầu

Hình 2.4.2.b : đồ hình trạng thái ban đầu

2.4.3 XÁC ĐỊNH SỐ LƯỢNG VÀ LOẠI HÌNH FF, CHỌN LỰA MÃ

0 0 0 0 0 0

11011 11010 11001 10001 10000 01111

2.4.4 VẼ ĐỒ THỊ DẠNG SÓNG , CHỌN XUNG ĐỒNG HỒ

2.4.4.1 Vẽ đồ thị dạng sóng

2.4.4.2 Chọn xung đồng hồ

CP1 = CPCP2 = Q1CP3 = Q2CP4 = Q2CP5 = Q4

2.4.5 TÌM PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI , PHƯƠNG TRÌNH RA ,

KIỂM TRA KHỞI ĐỘNG

Hình 2.4.5.1.2 bảng karbaugh của trạng thái kế tiếp

Tối thiểu hóa bảng karnaugh hình Hình 2.4.5.1.

Hình 2.5.4.1.3 bảng karbaugh của trạng thái kế tiếp

Tối thiểu hóa bảng karnaugh hình Hình 2.4.5.1.3

Hình 2.5.4.1.4.bảng karbaugh của trạng thái kế tiếp

Tối thiểu hóa bảng karnaugh hình Hình 2.4.5.1.4

Q 4 n+1 = Q 4 n Q 3 n + Q 4 n Q 3 n

Hình 2.5.4.1.5 bảng karbaugh của trạng thái kế tiếp

Tối thiểu hóa bảng karnaugh hình Hình 2.4.5.1.5

Từ bảng 2.4.5.3.1 và hình 2.4.5.3.2 ta thấy bộ đếm tự khởi động được

Hình 2.5.2 MẠCH IN2.5.3 MẠCH 3D

Hình 2.5.3 MẠCH 3D

3.1 KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm hiểu và được sự hướng dẫn tận tình của

thầy giáo Th.s.LÊ VĂN CHƯƠNG, em đã hoàn thành đồ án thiết kế

của mình với thiết kế mạch đếm dị bô Kết quả chúng em đã chạythử protues kết quả thu được thỏa mãn yêu cầu đặt ra

Qua đề tài thiết kế này, chúng em có thể áp dụng những kiến thức

đã học vào thực tế đồng thời nâng cao khả năng tự tìm hiểu và thiết

kế mạch đếm dị bộ có ứng dụng cao Tuy nhiên do kiến thức cònhạn hẹp nên đồ án còn nhiều thiếu sót Em mong các thầy cô giáochỉ bảo nhiều hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.s LÊ VĂN CHƯƠNG đã

tận tình giúp đỡ

3.2.TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Cơ sở kỹ thuật điện tử số-Bộ môn điện tử đại học Thanh Hoa Bắc Kinh-Nxb Giáo dục

2 Kỹ thuật điện tử số - K/s Đỗ Thanh Hải – Nxb Thanh niên

3 Kỹ thuật số – Nguyễn Thuý Vân – Nxb Giáo dục

4 Giáo trình kỹ thuật số – Học viện công nghệ Bưu chính viễn thông