thiết kế đồng hồ số ĐHCN HN (kèm cả file mô phỏng)

LỜI GIỚI THIỆUĐồng hồ là một thiết bị, một vật thiết yếu trong cuộc sống,với sự phát triển của công nghệ, sự phát triển của khoa học, sự ra đời của các loại IC số, vi điều khiển hàng loạt các loại đồng hồ số, đồng hồ điện tử ra đời.Sau khi kết thúc bộ môn KỸ THUẬT SỐ chúng em xin thiết kế một mạch đồng hồ số dùng IC74LS90_ IC rất thông dụng trong kỹ thuật số.Trong đề tài cũng còn nhiều thiếu sót rất mong sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn

LỜI GIỚI THIỆU

Đồng hồ là một thiết bị, một vật thiết yếu trong cuộc sống,với sự phát triển của công nghệ, sự phát triển của khoa học, sự ra đời của các loại IC số, vi điều khiển hàng loạt các loại đồng hồ số, đồng hồ điện tử ra đời.

Sau khi kết thúc bộ môn KỸ THUẬT SỐ chúng em xin thiết kế một mạch đồng hồ số dùng IC74LS90_ IC rất thông dụng trong kỹ thuật số.

Trong đề tài cũng còn nhiều thiếu sót rất mong sự góp ý của quý thầy cô

và các bạn để được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn !!

Chương I:

GIỚI THIỆU CHUNG

I.Cơ Sở Lý Thuyết Liên Quan Tới Đề Tài:

1 Các cổng logic cơ bản

Có các cổng logic cơ bản sau: BUFER, NOT, AND, OR, NOR, XOR

a Cổng BUFFER ( cổng đệm)

Hình 1

Phương trình toán học: y=x

Cổng đệm hay còn gọi là cổng không đảo thường được sử dụng trong mạch với vai trò phối hợp trở kháng, cách ly và nâng dòng cấp cho tải

b Cổng NOT ( cổng đảo)

Hình 2

Phương trình toán học: y=

Cổng đảo đóng vai trò như cổng đệm nhưng ở đây là đệm đảo bởi tín hiệu ngõ

ra ngược mức logic với tín hiệu ngõ vào

c Cổng AND ( cổng và)

Cổng AND thực hiện phép toán nhân logic các tín hiệu ngõ vào Cổng AND 2 ngõ vào thực hiện phép toán nhân logic 2 tín hiệu ngõ vào với phương trình toán học: X=AB

Hình 3

d Cổng OR ( cổng hoặc)

Hình 4

e Cổng NAND ( cổng VÀ-KHÔNG)

Phương trình toán học: Out=

- Được tạo nên khi ta mã hoá mỗi đecac của một số thập phân dưới dạng một số nhị phân 4 bit.

* 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 thừờng sau mỗi lệnh cộng hoặc trừ số BCD ta kèm theo lệnh hiệu đính

b Hệ Chuyển Từ Mã Nhị Phân Sang Mã BCD

Bảng 3.1: Bảng chân lý ( chuyển từ nhị phân sang BCD )

3 HệMã Hóa và Giải Mã:

a) Hệ Mã Hóa:

Mã hóa thập phân thành nhị phân:

Hình 7: Mã hóa thập phân thành nhị phân

Xây dựng hệ giải mã cho led 7 đoạn anode chung

Hình 9: Giải mã ra led 7 đoạn

* Bảng chân lý:

* Phương trình logic:

Thực tế thường sử dụng IC 74LS247

4 Hệ Tuần Tự: ( hệ đếm )

a Khái Niệm:

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

VD: 2FF thành lập hệ đếm 4

 Đặt xung clock vào bộ đếm M

 Lấy tín hiệu từ bit có trọng số cao nhất của bộ đếm M làm xung clock cho bộđếm N

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

Hình11: Hệ đếm 60 được ghép từ hệ đếm 10 và hệ đếm 6 I.Các Linh Kiện Cần Dùng Trong Mạch

1) IC NE555:

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 kếthợp 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…

Hình 12: Hình dạng bên ngoại của IC555

2) IC 74LS90:

Hình 13: Hình dạng bên ngoài của IC74LS90

Trong các mạch số ứng dụng, ứng dụng đếm chiếm một phần tương đối lớn.IC74LS90 là IC đếm thường được sử dụng trong các mạch số ứng dụng đếm

10 và trong các mạch chia tần số

3) IC74LS247:

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

Hình 14: Hình dạng bên ngoài của IC74LS247

4) Điện Trở:

Trong thiết bị điện tử, điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tùy theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình 15: Hình dạng điện trở

5) Tụ Điện:

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động

Hình 16: Hình dạng tụ điện 6) Led 7 Đoạn:

Led 7 đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp, chỉ cần hiện thị số là đủ, chẳng hạn led 7 đoạn được dùng để hiển thị nhiệt độ

phòng, trong các đồng hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm được kiểm tra sau một công đoạn nào đó

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải củaled 7 đoạn

Hình 17: Hình dạng led 7 đoạn

Chương II:

THIẾT KẾ MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ

I Sơ Đồ Khối của mạch

Hình 18:Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong mạch

Khối

Tạo Xung

IC555

Mạch ĐếmGiây

IC74LS90

Mạch Đếm PhútIC74LS90

Mạch Đếm GiờIC74LS90

Mạch Giải

Mã BCDIC74LS247

Mạch Giải

Mã BCDIC74LS247

Mạch Giải

Mã BCDIC74LS247

Hiển Thị Led 7 Thanh

Hiển Thị Led 7 Thanh

Hiển Thị Led 7 Thanh

* Nhiệm vụ các khối:

Khối tạo xung: tạo xung vuông với tần số 1Hz.

Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lý đưa ra tín hiệu mã hoá BCD Khối giải mã: giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị.

Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu sau giải mã.

II Tìm Hiểu Về Các Khối

1) Khối Tạo Xung:

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

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

- 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

1.1 IC NE555:

a 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 kếthợp 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

b Hình Dạng Và Sơ Đồ Chân:

Hình 19: Hình dạng và sơ đồ chân của IC NE555

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

b Sơ Đồ Cấu Trúc Bên Trong:

Hình 20:Sơ đồ bên trong IC NE555

 So sánh COMP1: là mach khuếch đại so sánh có nối ra chân

6, 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 nối ra chân

6, Tuỳ thuộc vào điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà sosánh 2 cho ra mức điện áp cao hay thấp để tín hiệu R điều khiển FF hoạt động

 Đầu ra Q và của FF phụ thuộc vào tổ hợp trạng thái của 2 ngõ vào là R và S

 Mạch khuếch đại đảo nhằm khuếch đại dòng điện cung cấp cho tải, có ngõ vào là của FF, nên khi ở mức cao thì ngõ ra chân 3 có điện áp thấp 0V vàngược lại.

Transistor T là transistor có cực C để hở, nối ra chân 7 Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra của FF, nên khi ở mức cao thì T2 bão hoà và cực C của T2coi như nối mass Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp Khi 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

1.2 Mạch tạo xung:

a) Sơ Đồ Mạch:

Hình 21:Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC555

b) Nguyên Lý Hoạt Động:

Sau khi cấp điện áp nguồn Ucc, tụ C1 nạp điện qua R5,R6 Tại bộ so sánh OP1 có UI+<UI-, nên KĐTT bão hòa âm, vậy R=0 Tại bộ so sánh OP2 có

UI+>UI-, nên KĐTT bão hòa dương, vậy có S=1 Điều đó dẫn đến mạch lật RS

có trạng thái 1, nghĩa là Q=1(H), =0(L) và cửa ra U3 có mức cao(U3=H

+UCC), đèn LED1 sáng, có xung ra Tụ C1 nạp điện theo mạch: +UCC,R5,R6 qua

C1 xuống đất (GND) Vậy hằng số thời gian nạp: n=(R4+R5+R6)C1.Tụ C1 nạp đến (1/3)UCC, tại bộ so sánh OP2, khi tại chân 2 có UI->UI+((1/3)UCC), KĐTT bãohòa âm, nên S=0 Tại mạch lật RS có S=0, R=0, không đổi trạng thái (Q=1(H),

=0(L)) Cửa ra U3 vẫn còn mức cao (U3=H +UCC), đèn LED1 vẫn sáng, vẫn

có xung ra

Tụ C1 nạp đến (2/3)UCC, tại bộ so sánh OP1, khi tại chân 6 có UI+>UI- (có

(1/3)UCC), KĐTT bão hòa dương, nên R=1 Tại mạch lật RS có S=0, R=1, sẽ đổi

sang trạng thái 0 (Q=0, =1) Cửa ra U3 có mức thấp (U3=L 0V), đèn LED1

tắt, hết xung ra Mặt khác, =1-mức cao (H), T2 thông bão hòa Tụ C1 xả điện, LED2 sáng

Tụ C1 xả điện theo mạch: Đất (GND) qua C1,R5 sang T2 (bão hòa, có nội trở rất

nhỏ) xuống đất Hằng số thời gian xả: x=R5C1 Tụ C1 xả điện, điện áp trên tụ Uc

giảm dần Tụ C1 xả đều UC<92/3)UCC Tại bộ so sánh OP1, khi tại chân 6 có

UI+<UI-=(2/3)UCC, KĐTT bão hòa âm, nên R=0 Tại mạch lật RS có S=0, R=0,

vẫn giữ trạng thái 0 (Q=0, =1) Cửa ra U3 vẫn có mức thấp (U3=L 0V), đèn

LED1 vẫn tắt, đèn LED2 vẫn sáng, vẫn không có xung ra Tụ C1 xả tiếp đến

UC<(1/3)UCC Tại mạch so sánh OP2 có UI-<UI+=2/3UCC, KĐTT bão hòa dương ,

nên S=1 Tại mạch lật RS có S=1, R=0, sẽ đổi từ trạng thái 1 (Q=1, =0) Cửa ra

sẽ có mức cao (U3=H +UCC), đèn LED1 sáng, đèn LED2 tắt, lại có xung ở cửa

ra Mặt khác, khi =0 T2 ngừng dẫn.Tụ C1 lại nạp điện

Mạch trở lại trạng thái ban đầu, điểm khác biệt là, tụ C1 nạp từ mức (1/3)UCC đến(2/3)UCC Tụ C1 xả từ mức (2/3)UCC đến (1/3)UCC Qúa trình tiếp diễn liên tục, tuần hoàn

Chu kỳ của mạch tạo xung: T=ln2(2R5+R6)C1

2) Khối Đếm:

II.1 IC 74LS90:

IC74LS90 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5:

- Bộ chia 2 do Input 1 điều khiển đầu ra QA

- Bộ chia 5 do Input 2 điều khiển đầu ra QB,QC,QD

Đầu vào 1,2 tích cực ở sườn âm.

Để tạo thành bộ đếm 10 ta nối đầu ra QA, vào chân 1 để tạo xung kích cho bộđếm 5

QA,QB,QC,QD là các đầu ra

II.2 Sơ Đồ Logic Và Bảng Trạng Thái:

Hình 23:Sơ đồ cổng logic IC74LS90 Bảng trạng thái:

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 tỏ các đèn để hiển thị kết quả

ở dạng chữ số Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau

Ví dụ: giải mã 4 đường sang 10 đường, giải mã BCD sang thập phân…

IC74LS247 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 74LS247 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

Chân 7: BCD A Input.

Chân 8: Nối mass

Chân 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

c) Sơ Đồ Logic Và Bảng Trạng Thái:

- Sơ đồ logic:

Hình 26: Sơ đồ logic IC 74LS247

Sự hoạt động của mạch được thực hiện ở bảng trạng thái, trong đó đối vớicác ngõ ra mức cao (H) là tắt và mức thấp (L) là sáng, nghĩa là nếu 74LS247 tác động vào led 7 đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay tắt tùy thuộc vào ngõ

ra tương ứng là thấp (L) hay cao (H)

- Bảng trạng thái:

Bảng 27:Bảng trạng thái của IC 74LS247

Dựa vào bảng trạng thái ta nhận thấy rằng sau khi giải mã IC cho ra 15 giá trị của mã led 7 đoạn, 15 mã này được thể hiện như sau:

Hình 28: 15 giá trị của mã led 7 đoạn

* Chú ý: Khi ngõ vào đều mức cao thì led sẽ tắt.

3.2 Nguyên Lý Hoạt Động:

- IC 74LS247 là ic tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt và mức 0 là sáng tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn anode chung, trạngthái ngõ ra tương ứng với các chữ số thập phân từ 0-9 (còn các số 10-15 không dùng tới.)

- Ngõ vào xóa BI được để không hay nối lên nguồn cho hoạt động giải mã bình thường Nếu nối xuống mass thì tất cả các ngõ ra đều tắt

- Ngõ vào xóa gợn sóng RBI được để không hay nối lên nguồn dùng để xóa số 0(số 0 thừa sau dấu chấm 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 vàngõ vào xóa dợn sóng RBO xuống mức thấp

- Khi ngõ vào BI/RBO nối lên nguồn và LT nối xuống mass thì ngõ ra đều sáng

4) Khối Hiển Thị:

4.1 LED 7 Đoạn Anode Chung:

Vì các ngõ ra của IC 74LS247 tích cực mức thấp, nên để mạch đơn giản ta dùng led 7 đoạn anode chung

a) Cấu Tạo Và Hình Dạng Led 7 Đoạn.

Một con led 7 đoạn được cấu tạo từ 7 thanh led đơn liên kết lại với một thứ tự và tỉ lệ thích hợp để hiển thị các số từ 0-9 và các ký tự A, B, C, D, E, F Ngoài ra, nó còn có một led nữa dùng để hiển thị dấu chấm thập phân.

Hình 29: Hình dáng và sơ đồ chân led 7 đoạn b) Tính Toán:

Áp rơi trên mỗi đoạn từ 1,8->2v với dòng từ 7-20Ma Do vậy ta cần tính điện trở hạn dòng cho led

Ta có:

VR=VCC-Vled=5-2=3(v)

 R=3/(8.10-3)=375(ôm)

Chọn R=330(ôm)

III Mô Phỏng Mạch Trên Proteus Và Thuyết Minh Nguyên Lý Hoạt Động Của Mạch:

Hình 30:Sơ đồ mạch đồng hồ mô phỏng trên proteus

 Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch:

Ban đầu khi chưa ấn nút START, tín hiệu chưa được đưa vào

U17(AND_2)nên transistor Q1 ở trạng thái đóng Do Q1 ở trạng thái đóng nên xung từ chân 3 của IC555 sẽ chưa đến được U13(cổng XOR) và U2(IC74ls90 hiển thị hàng đơn vị của mạch đếm giây) Vì vậy đồng hồ chưa hoạt động

Khi ấn nút STRART, cả 2 đầu vào của U17(AND_2) đều nhận tín hiệu ở mức cao (H) nên đầu ra của U17(AND_2)ở mứccao và đưa vào chân B của Q1 dẫn đến trasistor dẫn.Do Q1 dẫn nên xung từ chân 3 của IC555 được đưa đến 1 chân đầu vào của U13(XOR_2) Mạch bắt đầu hoạt động

Đối với khối đếm, giải mã và hiển thị Giây:

Do tín hiệu vào và ra ban đầu của U13(XOR) đều ở mức thấp nên khi nhận được

1 tín hiệu ở mức cao từ chân 3 của IC555 thì ngay lập tức U13 thay đổi từ trạng thái tích cực thấp sang tích cực cao và kích 1 xung ở mức cao vào chân 14 của U2( IC74ls90- đếm xung giây hàng đơn vị) và làm thay đổi trạng thái của các chân đầu ra Q3,Q2,Q1,Q0 Các chân ra Q3, Q2,Q1,Q0 lại là chân vào của

U1( IC74ls247-bộ giải mã BCD) và các tín hiệu ra của U1 được hiển thị qua led

7 thanh anot chung Vì U2 là bộ đếm 10 tức là đếm từ 0 đến 9 tương ứng với tín hiệu ra từ 0000 đến 1001 Khi đầu ra có trạng thái 1001( Q3 và Q0 ở mức cao) thì U2 sẽ reset về 0 và đồng thời tín hiệu ra ở mức cao chân Q3 của U2 kích 1 xung vào chân 14 của U4( IC74ls90- đếm xung hàng chục giây) Đồng thời làm thay đổi trạng thái của các chân ra Q3Q2Q1Q0 từ 0000 lên 0001 và hiển thị 1 trên led 7 thanh hàng chục giây U2 tiếp tục đếm với chu kỳ mới Do mạch hiện thị giây chỉ đếm đến 59 khi nhận 1 xung lên 60 sẽ reset về 0 và bắt đầu chu kỳ mới Khi đếm đến 59 thì tín hiệu ra của U2 ở trạng thái 1001 nên khi nhận thêm

1 xung từ chân 14 của U2 nó sẽ reset về 0 và đồng thời kích 1 xung vào chân 14 của U4 Khi đó tín hiệu ra của U4 đạng ở trạng thái 0101 nên khi nhận được 1 xung từ U2 đầu rat hay đổi trạng thái từ 0101 sang 0110 có nghĩ là Q2 và Q1 đều ở mức cao Và đồng thời tín hiệu ở mức cao của Q2 và Q1 được đưa vào U21( AND_2) Ban đầu tín hiệu ra của U21 ở mức thấp do Q2 và Q1 không đồng thời ở mức cao Khi tín hiệu ra của U4 thay đổi từ 0101 sang 0110 thì Q1

và Q2 đồng thời ở mức cao nên tín hiệu ra của U21 ở mức cao Tín hiệu ở mức cao đó được đưa vào R0(1) và R0(2) của U4 Khi R0(1) và R0(9) đều nhận tín hiệu cao thì sẽ reset mạch về 0 Chu kỳ mới lại được bắt đầu Khi U4 reset về 0 thì đồng thời U14 sẽ nhận được 1 xung từ đầu ra của U21( AND_2)