đồ án kỹ thuật điện lạnh thiết kế mạch điều khiển ma trận 6.9 hiển thị 3 chữ số JVC với vòng sáng bao xung quanh chạy từ trái sang phải

Đồ án tốt nghiệp- Đề tài : Hệ điều khiển logic.. Trong nội dung BẢN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP này, giới thiệu mộtcách khái quát nhất về lý thuyết điều khiển logic và đi sâu vào thiết kế mạchđiều

Trang 1

Đồ án tốt nghiệp- Đề tài : Hệ điều khiển logic.

Giáo viên hướng dẫn : Thầy Vương Cộng.

Giới thiệu

Trong những năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của khoahọc kĩ thuật, trong đó nghành kĩ thuật điện tử nói chung và nghành kĩ thuật sốnói riêng đang tự khẳng định vị trí quan trọng của mình trong sự phát triển đó.Nhờ những ứng dụng của kĩ thuật số vào trong đời sống và sản xuất, đã giảiphóng sức lao động cho con người đồng thời nâng cao năng suất lao động Vìvậy chúng ta phải không ngừng tìm tòi, nghiên cứu, tham khảo để tìm ranhững ứng dụng tốt nhất của kĩ thuật số vào trong thực tế

Trong nội dung BẢN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP này, giới thiệu mộtcách khái quát nhất về lý thuyết điều khiển logic và đi sâu vào thiết kế mạchđiều khiển ma trận 6.9 hiển thị 3 chữ số JVC với vòng sáng bao xung quanhchạy từ trái sang phải Đó là một trong những ứng dụng của kĩ thuật số vàotrong công việc thiết kế các mạch điện tran trí

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của thầyVương Cộng cùng toàn thể các thầy cô đã giúp em hoàn thành tốt bản Đồ ántốt nghiệp này

Hà Nội 6/2003.

SINH VIÊN : Việt

TRẦN NAM VIỆT – LỚP ĐIỆN TỬ 11 K 44

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Sinh viên: Trần Nam Việt- Lớp Điện Tử 11- K44

3

Trang 2

PHẦN 1 Chương I

ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP MẠCH LOGIC TỔ HỢP I/ Đặc điểm cơ bản của mạch tổ hợp.

Trong các mạch số, mạch tổ hợp là mạch mà trị số ổn định của tín hiệuđầu ra ở thời điểm bất kì chỉ phụ thuộc vào tổ hợp các giá trị tín hiệu đầu vào ởthời điểm đó Trong mạch tổ hợp, trạng thái mạch điện trước thời điểm xét, tức

là trước khi có tác động của tín hiệu đầu vào không ảnh hưởng của tín hiệu đầu

ra Đặc điểm của cấu trúc mạch tổ hợp là được cấu trúc nên từ các cổng logic

+) Các phương pháp biểu thị chức năng logic:

Bảng chân lý

Sơ đồ logic

Bảng Karnaugh

Đồ thị thời gian dạng sóng

Đối với vi mạch cỡ nhỏ (SSI) thường biểu thị bằng hàm logic, với vi mạch

cỡ vừa (MSI) thường biểu thị bằng bảng chân lý, hay là bảng chức năng Bảngchức năng dùng hình thức bảng kê với mức logic cao (H) thấp là (L) để mô tảquan hệ logic giữa tín hiệu đầu vào,ra của mạch điện , chỉ cần thay giá trị logiccho trạng thái trong bảng chức năng, thì ta có bảng chân lý tương ứng

Xn

F1

Fn

6

Trang 3

1/ Phân tích yêu cầu.

Yêu cầu nhiệm vụ thiết kế của vấn đề logic thực có thể là một đoạnvăn, cũng có thể là một bài toán logic cụ thể Nhiệm vụ phân tích là xác địnhcái nào là biến đầu vào, cái nào là biến đầu ra và mối quan hệ logic giữa chúngvới nhau Muốn phân tích đúng thì phải tìm hiểu xem xét một cách cụ thể yêucầu thiết kế, điều này là rất quan trọng vì nó gắn liền với quá trình thiết kế

2/ Hình thức hoá (Bảng chân lý hay phương trình logic)

9

12

Trang 4

Nói chung, đầu tiên chúng ta nên liệt kê thành bảng về mối quan hệtương ứng, giữa trạng thái tín hiệu đầu vào với trạng thái hàm số đầu ra Đó là

bảng kê yêu cầu chức năng logic, gọi tắt là Bảng chức năng Tiếp theo ta thay

giá trị logic cho trạng thái tức là dùng các số (0) và (1) biểu thị các trạng tháitương ứng của đầu vào và đầu ra Kết quả ta có bảng giá trị thực logic, gọi tắt

là Bảng chân lý Đây chính là hình thức đại số của yêu cầu thiết kế.

Cần lưu ý rằng từ một bảng chức năng ta có thể có nhiều bảng chân

lý khác nhau Nếu thay các giá trị logic khác nhau tức quan hệ giữa logic đầu

ra với đầu vào cũng phụ thuộc vaò việc thay giá trị

Ví dô: Ta có sơ đồ nguyên lý dùng hai chuyển mạch A,B mắc songsong điều khiển bóng đèn Z

A

E

Bảng chức năng

Nếu ta thay thế giá trị logic theo 4 cách khác nhau thì sẽ có 4 biểu thức logickhác nhau

TắtSángSángSáng

15

Trang 5

thế trạng thái để xác định ý nghĩa cụ thể của 0 và 1 ( Tức là ý nghĩa thực của

0011

0101

0111

1100

1010

1000

0011

0101

1000

1100

1010

0111

18

Trang 6

bảng chân lý ) Khi thiết bảng chức năng hoặc bảng chân lý, có thể không liệt

kê trạng thái tín hiệu đầu vào nào không thể có hay bị cấm Những tổ hợp nàycũng có thể được liệt kê, nhưng tại đầu ra ở trạng thái tương ứng ta ghi mộtdấu “x” mục đích tạo cho việc tối thiểu hoá hàm logic

3/ Tiến hành tối thiểu hoá.

Vì trực tiếp thiết kế sơ đồ logic hàm số có được từ bảng chân lý

thường là rất phức tạp.Nếu sau khi đã thực hiện tối thiểu hoá hàm logic, nói chung việc thực hiện thuận tiện hơn, không những tiết kiệm được số linh kiện

mà còn nâng cao được độ tin cậy

+) Khái niệm tối thiểu hoá.

- Đầu tiên các số hạng dạng tích phải là Ýt nhất

- Nếu đã thoả mãn, thì số biến của mỗi số hạng cũng phải là Ýt nhất Dưới đây ta đưa ra 3 phương pháp thường dùng để tối thiểu hoá Nếu số biến tương đối Ýt nhất thì có thể dùng phương pháp bảng Karnaugh, nếu số biến tương đối nhiều thì ta nên dùng phương pháp đại số

a Phương pháp tối thiểu hoá bằng biến đổi đại số

Dựa vào các công thức và các định lý trong đại số logic để thực hiệntối thiểu hoá Vì trong thực tế, biểu thức logic rất đa dạng, lại không có một cách nào hoàn chỉnh nh mét qui trình, nên việc đạt đến một biểu thức logic tối thiểu một cách nhanh nhất sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng, kinh nghiệm của mỗi người Dưới đây ta đưa ra một số công thức thường dùng sau

*Luật đồng nhất:

A.A=AA+A=A

*Định lý De Morgan:

A.B= A + B A+B = A.B

*Luật hoàn nguyên:

Trang 7



A.A = 0

A + A = 1b) Phương pháp tối thiểu hóa bằng bảng Karnaugh

Quy luật gộp (dán) các số hạng nhỏ nhất trên bảng Karnaugh

Trên bảng Karnaugh của biến, tất cả các số hạng nhỏ nhất kề nhau đều có thể gộp lại với nhau, khi gộp lại thì có thể khử bỏ biến liên quan Cụ thể cứ hai

số hạng nhỏ nhất gộp lại thì khử bỏ một biến, bốn số hạng gộp lại khử bỏ đượchai biến Vậy tổng quát cứ 2n số hạng nhỏ nhất gộp lại thì khử bỏ được n biến Dưới đây ta thực hiện dán các số hạng nhỏ nhất

27

Trang 8

1 1

1

30

Trang 9

1

33

36

Trang 10

(c) A B C + A B C + A B C + A B C = C

AB\CD 00 01 11 10

00

01

11

10

(d) A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = AD AB\CD 00 01 11 10

00

01

11

10

(e) A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = B D AB\CD 00 01 11 10 00

01

11

10

(e) A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = A B AB\CD 00 01 11 10

00

01

1 1 1 1

39

Trang 11

11

10

(e) A B C D + A B C D + A B C D + A B C D = B D AB\CD 00 01 11 10

00

01

11

10

(a) = B AB\CD 00 01 11 10

00

01

11

10

(a) = B AB\CD 00 01 11 10

00

01

11

10

1 1 1 1

42

Trang 12

Đồ ỏn tốt nghiệp- Đề tài : Hệ điều khiển logic.

Giỏo viờn hướng dẫn : Thầy Vương Cộng.

- Vũng gộp phải càng to càng tốt, tương ứng số cỏc số hạng nhỏ nhất được gộp lại càng nhiều Do đú sau khi gộp số hạng càng ít thừa số

- Mỗi vũng gộp gồm ít nhất một số hạng nhỏ nhất khụng cú trong vũng khỏc, vũng nào mà cú số hạng chứa trong vũng khỏc thỡ vũng đú là thừa Mặt khỏc, mỗi số hạng nhỏ nhất cú thể được sử dụng nhiều lần ( cú mặt trong nhiều vũng khỏc nhau )

- Phải khoanh vũng sao cho toàn bộ số hạng nhỏ nhất của hàm số, đều cú cỏc vũng, khụng sút Cỏc thừa số tương ứng của số hạng vũng gộp xếp làm thành số hạng của hàm đó tối thiểu húa

- Trong một số trường hợp, cú thể cú nhiều cỏch khoanh vũng, nghĩa là cú thể cú nhiều hàm tối thiểu, những hàm tối thiểu này cần phải được so sỏnh, kiểm tra để chọn ra đõu là hàm tối thiểu thực sự ( tối thiểu của tối thiểu)

- Khi gộp cỏc số hạng nhỏ nhất, nghĩa là khi khoanh vựng, cú hai điều sau đõy dễ quờn : một là 4 ụ ở 4 gúc bảng Karnaugh cũng cúthể gộp với nhau, khoanh vũng lớn trước, vũng bộ sau Kiểm tra xem mỗi vũng cú ít nhất một số hạng nhỏ nhất khụng cú trong vũng khỏc

c Phương phỏp QUINE-Mc.CLUSKEY

Quỏ trỡnh tối thiểu hoỏ gồm cỏc bước sau:

Sinh viờn: Trần Nam Việt- Lớp Điện Tử 11- K44

đỉnh 1 và tập N các đỉnhkhông xác định

Trang 13

51

Trang 14

4/ Chọn cổng và vẽ sơ đồ logic.

Trong mạch điện số, sau khi dùng các kí hiệu logic biểu thị mộtcấu trúc logic trên một bản vẽ, ta được sơ đồ logic Sơ đồ logic cũng là mộtphương pháp biểu thị hàm logic, hơn nữa lại có ưu điểm nổi bật là rất tiếp cậnthực tế, các kí hiệu logic thông thường đều có cấu kiện điện tử tương ứng Vậynên thường gọi sơ đồ logic là sơ đồ mạch logic Kết quả việc tối thiểu hoá làbiểu thức logic OR-AND Căn cứ việc chọn lựa loại cổng logic cụ thể, cầnbiến đổi biểu thức logic đó thành dạng phù hợp Ví dụ nh nếu chọn dùng cổngNAND thì phải có biểu thức dạng NAND, nếu chọn cổng NOR thì phải cóbiểu thức dạng NOR vậy tuỳ theo từng tình huống cụ thể ta có thể vận dụngcác bước thiết kế trên cho hợp lý và linh hoạt

5/ Kết thúc.

Sau khi đã vẽ xong sơ đồ logic ta thực hiện kiểm tra lại quá trình thiết kế nếu đạt yêu cầu thì ta cho lắp ráp và chạy thử

III/ Thiết kế mạch tổ hợp hai tầng và nhiều tầng

1/ Cách thiết kế mạch hai tầng với các phần tử cho trước.

*

2- cac pt

áp dụngD

2- f, áp dụng D

(các thànhphần khác

54

Trang 15

không đổi)Trong đó:

CTT: dạng chuẩn tắc tuyểnCTH: dạng chuẩn tắc hội

Có nhiều cách phân loại vi mạch :

- Phân loại theo bản chất của tín hiệu vào ra của vi mạch

- Phân loại theo mức độ tích hợp

- Phân loại theo công nghệ chế tạo

57

60

Trang 16

1> Phân loại theo bản chất của tín hiệu vào / ra của vi mạch :

Tín hiệu điện được phân làm hai loại:

- Tín hiệu tương tự ( analog ) : biên độ biến thiên liên tục theo

thời gian trong một giới hạn chophép Ví dụ điện áp hoặc dòng điện xoay chiều

- Tín hiệu số (digital) : biên độ tín hiệu chỉ có thể quy vào hai giá

trị hữu hạn mang ý nghĩa logic 0 hay 1 , ứng với hai mức thấp L (low) và cao H (hight) Tín hiệu gián đoạn theo thời gian Nếu ký hiệu : X là tín hiệu vào của vi mạch, Y là tín hiệu ra của vi mạch, theo bản chất của tín hiệu X, Y có những loại mạch sau :

X, Y : tín hiệu tương tự : vi mạch tương tự

X, Y : tín hiệu số : vi mạch số (vi mạch logic)

X: tương tự (analog) : mạch biến đổi tương tự – sè

X: sè (digital) : mạch biến đổi số-tương tự

Y: tương tự (analog) : digital-analog converter (DAC)

Ở đây chỉ xét đến các vi mạch số là vi mạch có tín hiệu vào và tín hiệu rađều là tín hiệu số Các vi mạch tương tự, các bộ ADC và DAC được trình bàytrong các tài liệu khác

Vi mạch số bao gồm từ các cổng logic cơ bản đơn giản như các mạchAND, OR, các mạch lật, các mạch đếm, các mạch dồn kênh, phân kênh,cho đến các loại mạch phức tạp hơn hẳn như bộ nhớ, các mạch vào/ ra , cácmạch điều khiển ngoại vi, các mạch vi tính, vi xử lý

2> Phân loại theo mật độ tích hợp:

Mật độ tích hợp được định nghĩa là tổng số của những phần tử tích cực(transitor) hoặc cổng logic (tuỳ theo cách đánh giá khác nhau chưa thống nhất)chứa trên một đơn vị diện tích của mảnh tinh thể bán dẫn trong vi mạch

Vi m¹ch

63

Trang 17

Mức tích hợp được định nghĩa là tổng số của những phần tử tích cực hoặc cổng logic chứa trên mảnh tinh thể bán dẫn của vi mạc

Loại mạch Sè transitor Số cổng logic Năm sản xuất Ví dô

70

Bộ nhớ lớn,

MP 4.8bit,bộphối ghépvào/ra

80 đến nay

Bộ nhớ cựclớn,MP16/32bit,

bộ điều khiển

đa năng phứctạp 8086Những thông số này tuy không phải luôn đúng nhưng cũng nói lên mức độ phức tạp của vi mạch Êy Theo mức độ tích hợp có những loại sau :

a vi mạch cỡ nhỏ SSI (Small Scale Intergration)

b vi mạch cỡ vừa MSI (Medium Scale Intergration)

c vi mạch cỡ lớn LSI (Large Scale Intergration)

d vi mạch cực lớn VLSI (Very Large Scale Intergration)

3> Phân loại theo công nghệ chế tạo :

Hầu hết các loại vi mạch đều được chế tạo từ vật liệu bán dẫn Sau phátminh vĩ đại về transitor (1974) , công nghệ bán dẫn bắt đầu phát triển nhanhchóng và đã làm đảo lộn nền công nghiệp điện tử Đầu tiên vật liệu chủ yếu làgemani, từ những năm 1960 trở lại đây thì vai trò chính lại chuyển sang silic.Các linh kiện quang-điện tử và siêu cao tần mới ra đời thường dùng vật liệuGAAS đầy tính năng hứa hẹn Chúng cho phép đạt tốc độ dịch chuyển nhanhhơn silic từ 2-6 lần Công nghệ mới nhất dựa trên hiệu ứng JOSEPHSON chophép đạt tốc độ dịch chuyển và mật độ tích hợp rất cao nhưng còn đang ở giaiđoạn thử nghiệm, khó khăn đặc biệt là phải giữ vật liệu siêu dẫn ở điều kiệnnhiệt độ cực thấp

66

Trang 18

Những vật liệu bán dẫn được khuyếch tán vào trong chất nền dưới dạnghơi và đọng lại trên chất nền sau hàng loạt các quá trình “ tạo mask” trongđiểu kiện nhiệt độ cao

Quá trình tạo “ mark” là quá trình trong đó người ta tiến hành oxy hoá

bề mặt chất bán dẫn, tức là lấp kín bề mặt của nó bằng SiO2 Sau đó phủmột lớp cảm quang lên trên Dạng mạch được thu nhỏ, chụp lên phim tạothành khuôn sáng Đặt khuôn lên trên bề mặt chất bảo vệ, chiếu ánh sángvào ta được các dạng yêu cầu Dùng hoá chất ăn mòn các rãnh, bỏ chất cảmquang để thực hiện khuyếch tán chất bán dẫn vào “ Mặt nạ” được tạo bằngphương pháp quang học nên còn được gọi là phương pháp quang khắc

Vi mạch monolithic có 2 loại : mạch lưỡng cực và mạch MOS Oxide-semi-conductor:kim loại-oxit-bán dẫn) Ngày nay, vi mạch MOS trởnên phổ biến hơn vì MOS dễ chế tạo, tốn Ýt diện tích hơn nên cho khảnăng tích hợp lớn

Vi m¹ch

M¶ng máng /dµy

(thin /thich film) Nguyªn khèi(monolithic)

Lai (hybrit)

T¬ng tù (Lìng cùc)

Trang 19

b Vi mạch tích hợp màng mỏng và màng dày.

Các IC màng mỏng và màng dày được chế tạo bằng cách lắng đọngnhững vật liệu nhất định trên một đế cách điện (chẳng hạn nh gốm, sứ ).Sau hàng loạt các quá trình tạo “ mặt nạ” , trên đế được tạo thành điện trở ,điện dung hay điện cảm Các diot, transitor ít được chế tạo theo phươngpháp này Transitor thường được chế tạo theo phương pháp thông thường,với kích thước nhỏ (thường dùng FET) Do mạch này có thể chế tạo rất nhỏnên nó cũng có những ưu điểm giống nh mạch tích hợp nguyên khối (ICmonolithic) Hơn nữa, khả năng chịu đựng của các phần tử của nó tốt hơn

IC monolithic Vì vậy, đối với những mạch đòi hỏi chính xác cao người tathường sử dụng mạch tích hợp màng mỏng và màng dầy

c Vi mạch lai (Hybrid)

Vi mạch lai là sự kết hợp của hai loại vi mạch trên mạch lai có thểbao gồm nhiều tinh thể monolothic được ghép nối với nhau thành mộtkhối, nó cũng có thể là sự kết hợp giữa mạch monolithic với mạch mỏngthụ động đôi khi các IC monolithic, IC màng mỏng/ màng dầy được kếthợp với các phần tử bán dẫn để thực hiện các chức năng riêng

Do tận dụng được ưu điểm của cả hai loại mạch nói trên, vi mạch lai

có ưu điểm hơn hẳn các loại mạch khác chẳng hạn, do kích thước vôcùng nhỏ của mạch monolithic, công suất của mạch nhỏ để nhận đượccông suất lớn, trong mạch lai có thể kết hợp một mạch monolithic côngsuất nhỏ với transito công suất lớn Hoặc dùng mạch lai có thể tạo mộtmạch chính xác cao bằng sự phối hợp giữa một mạch monolithic vàmạch màng mỏng chính xác cao

Do phải phối hợp nhiều công nghệ nên đồng thời với sự hoàn hảo,mạch tổ hợp lai đắt tiền hơn các loại mạch khác

4> NHỮNG THÔNG SỐ CỦA VI MẠCH SỐ

Những thông số quan trọng của vi mạch số là :

- Mức logic ( Logic Levels )

- Trễ truyền đạt ( Propagation Delay )

- Công suất ( Power )

- Độ ổn định nhiễu ( Noise Immunity )

- Khả năng mắc tải vào, ra ( Fan in, Fan out )

75

Trang 20

và nhỏ nhất của điện áp cho phép đối với mức logic 0 và logic 1

Mức logic là thông số quan trọng của vi mạch số Nhờ thông số này

có thể dễ dàng nhận biết được những trạng thái logic ra và vào bằng cách đomức logic bằng vônkế hay oxylo Hiểu biết về những mức logic sẽ cho phépphân tích sự hoạt động của mạch

-Trễ xảy ra khi đầu ra thay đổi từ mức cao (high) xuống mức thấp (low) -Trễ xảy ra khi đầu ra thay đổi từ mức thấp lên mức cao

Do cấu tạo của mạch logic, trễ đôi với 2 loại chuyển biến thường là khácnhau Chúng giống nhau về mức, gần nhau về giá trị nhưng không tươngđương

78

Trang 21

+ Công suất điều khiển

Công suất điều khiển là công suất của tín hiệu điều khiển ở đầu vào bảođảm sự hoạt động đúng của mạch

Rõ ràng công suất điều khiển càng nhỏ càng tốt

Tất cả các mạch số logic đều có hệ số ổn định nhiễu rất cao Độ ổn địnhnhiễu của hầu hết các mạch logic đều trong khoảng 10%- 50% của điện ápcung cấp

Trong một số trường hợp, tạp âm bị loại bởi chính mạch logic với tư cách

là “ phần tử chuyển biến chậm” , một số tạp âm có tần số cao trong tự nhiênhay các tạp âm xung có thời gian tồn tại ngắn đến mức mạch logic không phảnứng kịp để gây chuyển biến trạng thái

Độ ổn định tạp âm là môt tham sè quan trọng đối với các vi mạch số bởi

lẽ hầu hết các mạch số trong quá trình chuyển biến trạng thái đều sinh ra mộtlượng tạp âm nhất định Hơn nữa, nhiều thiết bị số được sử dụng trong môitrường công nghiệp lớn

81

84

Trang 22

e Khả năng mắc tải vào, ra

+ Hệ số tải đầu ra:

Hệ số tải đầu ra là số tải có thể nối được với đầu ra của mạch

mà vẫn đảm bảo được độ tin cậy,tốc độ, giới hạn nhiệt độ và các thông số khác

Có 2 cách cơ bản để nối tải vào đầu ra:

- Đất chung : các tải được nối giữa đầu ra của mạch với đất

- Nguồn chung : các tải được nối giữa đầu ra của mạch với nguồn

chung

+ Hệ số tải đầu vào:

Hệ số tải đầu vào là số đầu vào cực đại của mạch mà vẫn đảm bảo mạch làm việc tin cậy Mong muốn hệ số tải đầu vào, ra lớn

f Đóng vỏ IC.

Có 3 phương pháp để đóng vỏ cho tinh thể silic là:

-Phương pháp T05

-Đóng vỏ dạng hộp

-Đóng vá hai hàng chân song song

+ Dạng đóng vỏ đơn giản nhất là T05 Nó có hình dạng tiêu chuẩngiống như transitor Tuy nhiên có một số cải biến Kiểu đóng rắn này hiện nayvẫn còn sử dụng tuy không còn phổ biến

+ Ưu điểm của nó là có thể tiêu tán được nhiệt tích luỹ Vì vậy, kiểunày chủ yếu được sử dụng trong các IC tuyến tính

+ Đóng vỏ dạng hộp (Flat Pack ) là kiểu đóng rắn IC với kích thướcnhỏ nhất với mật độ cao Do đóng rắn ở nhiệt độ cao nên các IC thường đượcchế tạo bằng gốm là vật liệu có thể chịu đựng ddược nhiệt đọ cao Mặt khácvẫn giải quyết được vấn đề toả nhiệt F-P thường được sử dụng trong các hệthống quân sự có độ tin cậy cao và có thiết bị công nghiệp đặc biệt

+ Đóng vỏ hai hàng chân song song(Dual in Line Package) là phổbiến nhất, nó hơi lớn hơn so với các kiểu đóng rắn khác về kích cỡ nhưng có

87

Trang 23

rất nhiều ưu điểm : dễ lắp ráp và sử dụng Các loại IC đóng vỏ kiểu DIP cókích thước khác nhau, thay đổi từ 8 chân đến 40 chân Hầu hết các SSI có8,14,16 chân Các mạch MSI thường có 14,16,24 chân Còn LSI do kíchthưứoc lớn, đòi hỏi số lượng đầu vào, đầu ra lớn nên thường được thiết kế với24,28,40 chân Có nhiều kiểu vật liệu được sử dụng để đóng rắn Thông dụngnhất và rẻ nhất là đóng gói chất dẻo Đầu tiên các tinh thể được đặt vào khungkim loại và sau đó toàn mạch được bao phủ bằng kĩ thuật đúc chất dẻo Ngoài

ra, người ta còn sử dụng kĩ thuật đóng rắn bằng gốm Nó có khả năng chịuđựng nhiệt cao hơn

90

Trang 24

+) Kê bảng chân lý.

Việc mã hóa chỉ tiến hành với một tín hiệu đầu vào ở một thời điểm ở đầu vào không cho phép đồng thời nhiều tín hiệu cùng vào với mức logic cao, tức là Y0, , Y7 không cùng nhau, vậy quan hệ logic giữa đầu ra vàđầu vào có thể biểu thị bằng bảng chân lý Có nhiều hình thức mã hoá tín hiệu,dưới đây ta dùng mã nhị phân 8421

+) Tối thiểu hóa

Bé m·

ho¸

93

96

Trang 25

Xét Y0,,Y7, là không đồng thời Vậy chỉ cần lấy những biến nào làm cho đầu ra bằng 1 cộng lại thì ta có biểu thức hàm tối thiểu hóa dạng OR- AND

Y1

Trang 26

Tương tù nh phép cộng 2 số thập phân nh ta đã biết, phép cộng nhị phân cũng bắt đầu từ cột số có trọng số nhỏ nhất

Xây dựng sơ đồ : theo 2 cách

a Xây dựng sơ đồ bộ cộng 1 bit trực tiếp từ hệ phươn trình Si, Ci

b Xây dựng sơ đồ từ bộ cộng 1 bit từ các bộ bán tổng (HA – Half Adder)

Ci-1Nhớ từ cột cótrọng số nhỏhơn đưa đến

HiChữ số củahiệu

Ci

Số nhớ đưađến cột cótrọng số lớnhơn

Trang 27

- Xây dựng sơ đồ gián tiếp qua các bộ so sánh 1 bit

4/ Mạch tạo và kiểm tra chẵn lẻ (Parity Generator / Checker).

Trong thông tin, khi truyền dữ liệu (DATA) từ nơi này sang nơi khác cầnphải xác định xem có lỗi của sự truyền hay không Có nhiều phương pháp mãhoá dữ liệu có thể làm được điều này Phương pháp đơn giản nhất là thêm 1 bitvào dữ liệu được truyền đi để sao cho chữ số 1 trong dữ liệu luoon luôn là 1 số

lẻ hoặc chẵn Bit đó gọi là bit chẵn lẻ

Bé ph©n

105

108

Trang 28

6/ Bộ dồn kênh (MUX) hay bộ chọn dữ liệu(DATA SELECTER).

Bộ dồn kênh là mạch có 2n đầu, n đầu vào điều khiển, 1 đầu vào chọn mạch và 1 đầu ra

EnX0

7/ Bộ phân kênh (DEMUX).

MUX

2n 1

111

Trang 29

Y1

X đầu vào

Y2n -1

8/ Mạch chuyển mã

Trong các hệ thống điện tử dùng mạch số, dữ liệu (lệnh), số liệuđược truyền đi hay xử lý ở dạng từ (word) nhị phân gồm các bit 0 và 1.cột từ gồm n bit có thể biểu diễn cho 2n phần tử tin khác nhau với giá trịthập phân từ 0 - 2n-1 Từ nhị phân n bits đó gọi là mã (code) của phần

b Các loại mã thường dùng để mã hoá các con sè

-Mã nhị phân: Đây là loại mã có trọng số, trọng số của các kí hiệu nhị phân được sắp xếp từ thấp đến cao là : 1,2,4,8,

-Mã BCD (binary coded decimal): Để mã hoá nhị phân cho 10 chữ số thập phân cần từ mã có độ dài 4 bit Tuỳ theo cách sử dụng 10 trên 16 tổ hợp

mã nhị phân 4 bit mà ta có các loại BCD khác nhau: BCD-Normal

Trang 30

-Mã Gray: Là loại mã không có trọng số , các từ mã cạnh nhau chỉ khác nhau một biến số Mã Gray được dùng để biểu diễn bảng Karnaugh -Mã Gray dư 3: Mã này cũng có đặc điểm nh mã gray và nó được tạo thành từ mã gray lệch đi 3 hàng

-Mã sửa sai: Trong các mã sửa sai ngoài các bits mang thông tin còn cócác bit thêm vào để phát hiện và sửa sai Mã sửa sai đơn giản nhất là mã chẵn

lẻ, khi đó mã thêm vào gọi là bit chẵn, lẻ(Parity bit)

-Mã bảy vạch: Mã này dùng một từ mã có độ dài bằng 7 để biểu diễn một chữ số

*Phân loại các mạch chuyển mã:

Mạch chuyển mã là mạch có chức năng chuyển từ1 loại mã này thành loại mã khác tương ứng Ví dụ : Chuyển mã NBCD sang mã dư, XS3 sang mã nhị phân, mã Gray

a Mạch mã hoá - Lập mã(ENCODER)Mạch này có nhiệm vụ tạo ra các mã số Ở mỗi thời điểm chỉ có một đầuvào ở mức tích cực Ví dụ : mạch lập mã nhị phân NBCD của số thập phân, mạch lập mã ASCII của bàn phím

Mạch lập mã ưu tiên (Priority Ecoder) là mạch mà nếu tại một thời điểm

t có thể có nhiều đầu vào ở mức tích cực thì mạch sẽ tạo ra mã của đầu vào được ưu tiên ở thời điểm đó

117

120

Trang 31

9/ Thiết kế mạch chuyển mã và một số vi nạch thường gặp.

Mạch chuyển mã là mộy mạch có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Cácbước thiết kế mạch chuyển mã hoàn toàn tươn tự nh thiết kế mạch tổ hợp

-Lập bảng chân lý của mạch

-Tối thiểu các hàm ra

-Xây dựng sơ đồ mạch thực hiện

Các vi mạch thường gặp: Các vi mạch tổ hợp gồm từ những vi

mạch cỡ nhỏ nhưSSI đến các vi mạch cỡ vừa MSI cỡ lớn LSI chúng gồmnhững mạch đơn giản nh các cổng AND,NOR, OR,NAND đến các mạch phứctạp nhưMUX ,DEMUX, ENCODER,DECODER cùng thực hiện một chứcnăng logic, lại có thể là những mạch khác nhau tuỳ thuộc vào mạch ra ( kéolên thụ động hay tích cực,3 trạng thái hay hở Collector) hay các thông số kĩthuật khác

IC mã hoá:

74147/LS147 : mã hoá ưu tiên BCD

74148/LS148 : mã hoá ưu tiên mắc thái được

74LS348 : mã hoá ưu tiên mắc thái được, đầu ra 3

123

Trang 32

chịu điện áp cao(60V)

74145/LS145 : BCD sang thập phân dòng lớn 80mA

Trang 33

- Mạch dãy- Mạch tuần tự (Sequential Circuits ) là mạch tín hiệu raphụ thuộc không những vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc vàotrạng thái trong của mạch, nghĩa là mạch có lưu trữ, nhớ các trạngthái Để xây dựng mạch dãy ngoài, các mạch tổ hợp cơ bản nhưAND, OR, NAND, NOR còn cần phải có các phần tử nhớ Cácphần tử nhớ cơ bản tạo thành mạch dãy gọi là các Flip Flop (FF)

2/ Định nghĩa và phân loại.

- Flip Flop là phần tử có khả năng lưu trữ(nhớ) 1 trong 2 trạngthái và 1 FF có từ 1 đến một vài cách điều khiển, có 2 đầu ra luôn luônngược nhau là Q và Q đảo Tuỳ từng loại FF do cấu tạo còn có thể có đầu vàoxoá (thiết lập “0”-clear), đầu vào thiết lập”1” (Preset) Ngoài ra FF còn thường

có đầu vào đồng bộ( Clock)

- Có nhiều cách phân loại FF:

+Theo chức năng làm việc của các đầu vào điều khiển: D-FF, T-FF, RS-FF, JK-FF

+ Theo cách làm việc: FF không đồng bộ, FF đồng bộ

.Với loại đồng bộ: Các tín hiệu điều khiển chỉ điều khiển đượchoạt động của FF khi và chỉ khi có tín hiệu đồng bộ và tín hiệu này tích cực.Loại đồng bộ này chia làm loại đồng bộ thường và đồng bộ chủ tớ (Master-Slave)

Với loại không đồng bộ: Các tín hiệu điều khiển vẫn điều khiểnđược hoạt động của FF đúng không cần tín hiệu đồng bộ

129

132

Trang 34

* Sơ đồ khối của sự phân loại FF:

- Biểu diễn Flip-Flop:

Trang 35

Nhận xét:

138

Trang 36

- Các D-FF và các RS-FF có thể làm việc ở chế độ không đồng bộ vìvới mỗi tập tín hiệu vào điều khiển D,RS luôn luôn tồn tại Ýtnhất1 trong các trạng thái ổn định Bởi vì tất cả các cột tín hiệuvào của bảng trạng thái ứng với hai loại FF này, mỗi cột đều có

-Như vậy các D-FF, RS-FF có thể làm việc ở 2 chế độ đồng bộ và không đồng bộ Các T-FF, JK-FF chỉ có thể làm việc ở chế độ đồng bộ

*Một sè vi mạch FF

a 7470:Flip-Flop JK

-Xung nhịp Ck tích cực( tác động tại sườn dương)

-Đầu vào thiết lập, xoá(PR,CLS) tích cực ở mức thấp -Có cổng AND ở đầu vào

b 7472: Flip-Flop chủ tớ

-Xung nhịp Ck tích cực ở mức cao

- Có cổng AND ở đầu vào

-Đầu vào thiết lập xoá tích cực ở mức cao

c 7473 và74 LS 73: Hai JK-FF

-Đầu vào xoá tích cực ở mức thấp

-Xung nhịp Ck :

+7473 : Tích cực ở mức cao+74LS73 : Tích cực ở sườn âmd.74107 và 74LS107 : Hai Jk-FF

141

144

Trang 37

- Đầu vào xóa tích cực ở mức thấp

- Xung nhịp Ck :

+74107 : Tích cực ở mức cao+74LS107 : Tích cực ở sườn âme.74LS112 : Hai JK-FF

-Xung nhịp Ck tích cực ở sườn âm-Đầu vào thiết lập, xoá tích cực ở mức thấpf.7476 và 74LS76 : Hai JK-FF

-Đầu vào thiết lập, xoá tích cực ở mức thấp -Xung nhịp Ck

+7476 : Tích cực ở mức cao + 7LS76 : Tích cực ở sườn âm

147

Trang 38

Chương IV

MÔ TẢ VÀ THIẾT KẾ MẠCH DÃY

Thiết kế là tổng hợp mạch điện, ngược với quá trình phân tích,xuất phát từ yêu cầu đề ra mục đích thiết kế là mạch logic thoả mãn yêu cầu

đó Từ việc phân tích mạch dãy, ta biết rằng nó giúp ta tìm được phương trìnhđịnh thời, phương trình kích, phương trình ra và vẽ sơ đồ logic

I/ Đặc điểm và phương pháp miêu tả chức năng.

điểm đó, mà còn phụ thuộc vào trạng thái trong củamạch điện ở thời điểm trước

Mạch dãy có đặc điểm là bao gồm các Flip-Flop để nhớ trạng tháitrước đó của mạch Hay còn gọi là các OTOMAT

Dưới đây liệt kê một số Flip –Flop dùng trong việc thiết kế mạchdãy

M¹ch tæ hîp

X 1

xi

f1fi

M¹ch nhí

150

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	682,5 KB

đồ án kỹ thuật điện lạnh thiết kế mạch điều khiển ma trận 6.9 hiển thị 3 chữ số JVC với vòng sáng bao xung quanh chạy từ trái sang phải

Cỏc bước thiết kế mạch dóy