Khai thác và sử dụng mạch đếm đa năng dùng vi mạch

Để xây dựng một thiết bị số hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm, thanh ghi, bộ nhớ… trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệ thống.. Để hiểu rõ hơn về các thông số và quá trình đ

MỤC LỤC

Phần A Mở đầu 2

Phần B Nội dung 4

Chương I Khái quát về mach đếm 4

I Đại cương về mạch đếm 4

1 Định nghĩa 4

2 Đồ hình trạng thái tổng quát của mạch đếm 4

3 Phân loại bộ đếm 5

II Mã của bộ đếm 8

1 Mã nhị phân 8

2 Mã Gray 8

3 Mã BCD (Binary coded decimal) 8

4 Mã Johnson 9

5 Mã vòng 9

III Các bước thiết kế bộ đếm 11

Chương II Thử nghiệm mạch đếm đa năng 13

1 Mạch điện của nguồn điện cấp cho mạch đếm 13

2 Mạch tạo xung sử dụng vi mạch (IC) 555 14

3 Vi mạch đếm 74192 17

4 Vi mạch giải mã 7447 18

5 Hiển thị LED 7 đoạn 20

6 Mạch đếm sử dụng IC 74192 24

7 Chú ý 27

Phần C Tổng kết 30

Tài liệu tham khảo 31

Phần A MỞ ĐẦU

 Lý do chọn đề tài

Chúng ta đang sống trong thế kỉ của khoa học, của tri thức cùng với

nó là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và khoa học ứng dụng

Kĩ thuật điện tử cũng nằm trong số đó, nó đang phát triển rất nhanh và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội Con người đang chuyển dần từ điều khiển bằng tay sang điều khiển tự động

Nền công nghiệp đã đạt được những thành tựu nhờ ứng dụng của khoa học kĩ thuật và công nghệ Máy móc đã thay thế con người trong nhiều công việc, đặc biệt là những công việc nặng nhọc

Ngày nay công nghệ vi điện tử phát triển rất mạnh mẽ với hàng loạt sự

ra đời của các vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành hạ Sự phát triển của kĩ thuật điện tử như hiện nay khiến cho nhu cầu tiếp xúc với lĩnh vực điện tử số không thể thiếu được

Để xây dựng một thiết bị số hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạch đếm, thanh ghi, bộ nhớ… trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệ thống Mạch đếm sử dụng họ IC 74192 là một mạch đếm khá thông dụng chúng có thể đếm tiến, đếm lùi, đếm ở các cơ số khác nhau Để hiểu rõ hơn về các thông số và quá trình đếm của mạch đếm sử dụng họ IC 74192 chúng tôi

đã chọn đề tài:

“Khai thác và sử dụng mạch đếm đa năng dùng vi mạch”

 Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

+ Mục đích:

- Tìm hiểu về vi mạch đếm và một số vấn đề liên quan

+ Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu kiến thức cơ bản về mạch đếm

- Tìm hiểu các vi mạch đếm thông dụng

- Tìm hiểu mạch tạo xung sử dụng IC 555

- Mạch giải mã 7 thanh và hiển thị 7 thanh

- Thử nghiệm mạch đếm đa năng dùng vi mạch

 Đối tượng nghiên cứu

- Nâng cao kĩ năng thực hành lắp ráp và đo đạc mạch đếm

 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

Sơ đồ khối của bộ đếm được mô tả như hình 1:

Hình 1.1 Sơ đồ khối của bộ đếm

Phần tử cơ bản cấu thành mạch đếm là các flip – flop (FF) Mỗi mạch đếm sử dụng số FF nhất định nên số trạng thái đếm tối đa của mạch đếm cũng

bị giới hạn Số xung đếm tối đa của mạch đếm gọi là dung lượng đếm cực đại

2 Đồ hình trạng thái tổng quát của mạch đếm

Đồ hình trạng thái của bộ đếm có hệ số đếm bằng Kđ được mô tả như hình sau:

Y

Bộ đếm (counter)

Hệ số đếm = Kđ

Xđ

Hình 1.2 Đồ hình trạng thái của bộ đếm

Khi không có tín hiệu vào đếm (Kđ), mạch giữ nguyên trạng thái cũ (i  j) khi có tín hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp (i j+1)

Tính chất tuần hoàn của mạch đếm thể hiện ở chỗ: sau Kđ tín hiệu vào đếm Xđ mạch quay lại trạng thái ban đầu

Tín hiệu ra của mạch đếm chỉ xuất hiện (Y=1) duy nhất trong trường hợp: bộ đếm ở trạng thái Kđ - 1 và có tín hiệu vào Xđ Khi đó bộ đếm chuyển

Có thể lập trình

Đếm thuận

Phân loại theo khả năng lập trình

Phân loại

theo cách

làm việc

Phân loại theo Kđ

Bộ đếm

Phân loại theo hướng đếm

Đồng

bộ

(Sync)

Không đồng bộ (ASync)

3.1 Phân loại theo cách làm việc

- Bộ đếm đồng bộ (Synchronous)

- Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous)

Bộ đếm đồng bộ là bộ đếm mà các FF dùng để mã hoá các trạng thái trong của bộ đếm thay đổi cùng một lúc (S i S j) khi có tín hiệu vào đếm và mọi sự chuyển đổi trạng thái đều không qua trạng thái trung gian (hình 1.4a) Đặc điểm của bộ đếm này là xung nhịp được đưa vào đồng thời các FF

Bộ đếm không đồng bộ là bộ đếm tồn tại ít nhất một cặp chuyển trạng thái S i S j mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái cùng một lúc Đặc điểm của bộ đếm này là tín hiệu xung nhịp Ck không đưa đồng thời vào các

Hình 1.4 a) Sự chuyển trạng thái trong của bộ đếm đồng bộ

b) Sự chuyển trạng thái trong của bộ đếm không đồng bộ

3.2 Phân loại theo hệ số đếm (K đ )

- Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = 2n (n là số tự nhiên)

- Bộ đếm có hệ số đếm Kđ  2n

Với bộ đếm có Kđ = 2n Ví dụ Kđ = 2, 4, 8 Bộ đếm này gọi là bộ đếm

có hệ số đếm cực đại hay chiều dài cực đại (Maximum Length), vì khi sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hoá tối

đa là 2n

Với bộ đếm có Kđ  2n Ví dụ Kđ = 5, 6, 10… Vẫn sử dụng n FF để mã hoá các trạng thái trong bộ đếm Vì vậy khi thiết kế bộ đếm phải chú ý tới các trạng thái trong không sử dụng tới

3.3 Phân loại theo hướng đếm

- Bộ đếm thuận (Up Counter)

Chú ý khái niệm đếm thuận hay đếm nghịch chỉ là tương đối

Ctn là tín hiệu điều khiển của mạch: Đếm thuận hoặc đếm nghịch

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ đếm thuận nghịch

3.4 Phân loại theo khả năng lập trình

- Bộ đếm có khả năng chương trình hoá (Programable counter)

- Bộ đếm không có khả năng chương trình hoá

Bộ đếm có khả năng chương trình hoá là bộ đếm có thể sử dụng với các hệ số đếm khác nhau, tuỳ thuộc tín hiệu điều khiển đưa vào nó

II Mã của bộ đếm

Quá trình đếm của bộ đếm là quá trình thay đổi từ trạng thái trong này sang trạng thái trong khác được mã bởi một mã cụ thể

Các bộ đếm có thể có nhiều cách mã hoá các trạng thái trong Sau đây

là một vài mã thông dụng thường dùng trong mạch đếm:

2n

2 Mã Gray

Mã Gray là loại mã không có trọng số, 2 mã từ gần nhau chỉ khác nhau một biến

3 Mã BCD (Binary coded decimal)

Mã BCD là mã nhị phân mã hoá số thập phân

Bảng mã 1.6a là mã BCD - Normal Mã này dùng 4 chữ số nhị phân

Bộ đếm thuận nghịch

Y X

Ctn

để mã hoá một số thập phân Nhóm 4 chữ số này gọi là decard Để mã hoá số thập phân nhiều chữ số người ta dùng các decard khác nhau, ví dụ decard hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn…

4 Mã Johnson

Mã Johnson là mã có đặc điểm:

- Nếu dùng n biến nhị phân thì sẽ mã hoá được tối đa 2n trạng thái

- Hai mã từ gần nhau chỉ khác nhau một biến

- Trong bảng mã các bít bằng 1 được đầy dần lên từ bít trẻ nhất đến bít già nhất và khi đầy hết thì nó lại vơi đi từ bít trẻ nhất

5 Mã vòng

Mã vòng có đặc điểm:

- Nếu dùng n biến nhị phân thì mã hoá được n trạng thái

- Hai mã từ gần nhau luôn khác nhau 2 biến

- Trong từ mã có duy nhất một bít bằng 1, các bít khác bằng 0, chữ số 1 được dịch từ bít trẻ nhất đến bít già nhất tạo thành vòng kín

Ví dụ về một số loại bảng mã trên ở các bảng sau:

III Các bước thiết kế bộ đếm

Các bước thiết kế bộ đếm được mô tả như hình vẽ:

Bước 1: Vẽ đồ hình trạng thái của bộ đếm

Căn cứ vào yêu cầu thiết kế của bộ đếm như: hệ số đếm Kđ và một số yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm

Bước 2: Xác định số FF của bộ đếm, mã hoá các trạng thái trong của bộ

Bước 3: Xác định hàm kích cho các FF và hàm ra

Phương pháp xác định hàm kích cho các FF và hàm ra của bộ đếm có thể xét theo 2 cách sau:

- Dựa vào bảng mã chuyển đổi trạng thái để xác định các phương trình đầu vào kích cho các FF và các phương trình hàm ra

- Dựa trực tiếp vào đồ hình chuyển đổi trạng thái viết các phương trình hàm ra

Bước 4: Sơ đồ mạch thực hiện

Từ các phương trình đầu vào kích cho các FF và các phương trình hàm ra đưa ra sơ đồ thực hiện

Trong quá trình thiết kế bộ đếm ta luôn kí hiệu:

A: Bít có trọng số nhỏ nhất 0

2 B: Là bít có trọng số 1

2 C: Là bít có trọng số 2

2

Sau đây ta dựa vào lý thuyết mạch đếm khảo sát mạch đếm đa năng sử dụng vi mạch đếm 74192

Chương II THỬ NGHIỆM MẠCH ĐẾM ĐA NĂNG

1 Mạch điện của nguồn điện cấp cho mạch đếm

Khi thiết kế mạch nguồn một chiều, việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu rất quan trọng Người ta thường sử dụng mạch chỉnh lưu cầu vì nó có chất lượng tốt, độ vấp của tín hiệu ra nhỏ và dễ thực hiện

Hình 2.1 Sơ đồ nguồn một chiều

Máy biến áp nguồn dùng cho mạch đếm có điện áp nhỏ nên ta dùng máy biến áp loại có hệ số công suất biến áp kđ = 1,3

Điốt ở đây là loại 1N1089 có U N = 100V, Iđm = 5V, ∆Uđ = 1V

Để lọc tốt thì tụ có điện dung càng lớn càng tốt và phải chịu được điện

áp ở lối ra Ta dùng tụ có thông số C = 1000F, Uđm = 25V

Mạch điện một chiều cho ta điện áp chuẩn, nhưng nó là dòng một chiều có độ vấp hay vẫn thay đổi Mạch đếm sử dụng nguồn một chiều ổn định có điện áp +5V nên ta dùng mạch ổn áp dùng vi mạch đếm 7805 (IC 7805)

Vi mạch ổn áp là vi mạch có điện áp đầu ra cố định

Hình 2.2 Sơ đồ vi mạch ổn áp

Hình 2.3 Sơ đồ chân của vi mạch ổn áp 7805

2 Mạch tạo xung sử dụng vi mạch (IC) 555

Có nhiều mạch thiết kế để tạo xung như: thiết kế mạch dùng Tranzitor, thiết kế mạch dùng khuếch đại thuật toán Nhưng ta sử dụng mạch tạo xung dùng IC 555 vì:

Hình 2.4 Sơ đồ chân của IC 555

Chân 1: Nối mát để lấy dòng cấp cho IC

Chân 2: Ngõ vào của một tầng so áp

Chân 3: Lối ra – điện áp của lối ra xác định theo mức áp cao (gần bằng mức ở chân 8) và thấp (gần bằng mức ở chân 1)

Chân 4: Dùng để lập định mức trạng thái ra Khi chân 4 nối với mát thì ngõ ra ở mức thấp, còn chân 4 nối với mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp của chân 2 và 6

Chân 5: Thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555

Chân 6: Ngõ vào của một tầng so áp khác

Chân 7: Là 1 khóa điện Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì mở ra

Chân 8: Cấp nguồn nuôi cho IC Nguồn nuôi cấp cho IC trong khoảng

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của Tranzitor là:

Chu kì của tín hiệu sẽ là:

Bộ đếm hoạt động khi tín hiệu đưa vào chân 4 – đếm lùi hoặc chân 5 – đếm tiến

Bộ đếm được xóa về 0000 khi đầu vào CLEAR (chân 14) đặt ở mức cao – nối với dương nguồn

Các đầu ra mượn (Borrow – chân 13) và nhớ (Carry – chân 12) khi chuyển xuống mức thấp sẽ chỉ sự tràn xuống (under - flow) hoặc tràn lên (over flow)

Nguồn cung cấp cho IC là +15V

Hình 2.6 Sơ đồ chân của vi mạch 74192

16 15 14 13 12 11 10 9

IC 74192

Chân 1: (Data B input) chân nhận tín hiệu vào ứng với B

Chân 2: (OB output) chân lấy tín hiệu ra ứng với OB

Chân 3: (OA output) chân lấy tín hiệu ra ứng với OA

Chân 4: (Counter down input) đếm lùi

Chân 5: (Counter up input) đếm tiến

Chân 6: (OC output) chân lấy tín hiệu ra ứng với OC

Chân 7: (OD output) chân lấy tín hiệu ra ứng với OD

Chân 8: (GND) cho nối mát để lấy dòng cho IC

Chân 9: (Data D input) chân nhận tín hiệu vào ứng với D

Chân 10: (Data C input) chân nhận tín hiệu vào ứng với C

Chân 11: (Load) đầu vào tải

Chân 12: (Carry) chân nhớ chỉ sự tràn lên trên

Chân 13: (Borrow) chân mượn chỉ sự tràn xuống dưới

Chân 14: (Clear) chân xóa để bắt đầu đếm lại mạch đếm

Chân 15: (Data A input) chân đưa tín hiệu vào ứng với A

Chân 16: (VCC) cấp nguồn nuôi cho IC, nguồn này là +5V

Nguồn cung cấp là V = +5 V

Hình 2.7 Sơ đồ chân của IC 7447 Chân 1: Đưa tín hiệu vào vi mạch ứng với B

Chân 2: Chân đưa tín hiệu vào vi mạch ứng với C

Chân 3: LAMP TEST là chân kiểm tra đèn

Chân 4: RB OUTPUT là chân điều khiển

Chân 5: RB INPUT cũng là chân điều khiển

Chân 6: Chân đưa tín hiệu vào IC ứng với D

Chân 7: Chân đưa tín hiệu vào vi mạch ứng với A

Chân 8: Chân nối mát để lấy dòng cấp cho vi mạch

Chân 9: Chân giải mã tín hiệu đưa vào thanh e của nét 7 đoạn

Chân 10: Chân giải mã tín hiệu đưa vào thanh d của nét 7 đoạn

Chân 11: Chân giải mã tín hiệu đưa vào thanh c của nét 7 đoạn

Chân 12: Chân giải mã tín hiệu đưa vào thanh b của nét 7 đoạn

Chân 13: Chân giải mã tín hiệu đưa vào thanh a của nét 7 đoạn

Chân 14: Chân giải mã tín hiệu đưa vào thanh g của nét 7 đoạn

Chân 15: Chân giải mã tín hiệu đưa vào thanh f của nét 7 đoạn

Chân 16: Nối với nguồn nuôi của vi mạch Nguồn nuôi của vi mạch ở đây là VCC = +5V

16 15 14 13 12 11 10 9

IC 7447

Hình 2.8 Sơ đồ mạch giải mã

5 Hiển thị Led 7 đoạn

a Mạch chuyển đổi mã BCD – 7 thanh

Hiện nay trong kỹ thuật để thực hiện việc hiển thị các chữ số từ 0 đến

9 người ta có thể dùng tổ hợp 7 thanh phát sáng như hình vẽ (hình 2.9)

Hình 2.9 Led anode chung

Khi cần hiển thị một chữ số nào đó thì sẽ có một số thanh nhất định được điều khiển để cho đèn sáng lên Tín hiệu điều khiển này được lấy trên đầu ra của bộ giải mã BCD – 7 thanh

Để xây dựng bộ chuyển đổi BCD – 7 thanh ta có thể thành lập bảng chân lí sau:

có thể viết các hàm điều khiển Fa, Fb, Fc … Fg cho các thanh từ a đến g phát sáng

b Đèn hiển thị nét 7 thanh (đoạn)

Về cấu tạo đèn gồm 7 đoạn thẳng xếp như hình vẽ 2.11 Mỗi đoạn có thể được điều khiển để sáng hay tắt 1 cách độc lập Tuỳ theo số đoạn sáng mà

ta có các chữ số từ 0 đến 9

Để chế tạo đèn 7 thanh ta có thể dùng phương pháp sau:

Dùng bóng đèn thường có dây tóc cho mỗi thanh sáng Người ta đã chế tạo một bóng đèn với 7 dây tóc xếp hình số 8 Phương pháp này tốn kém

về năng lượng và kích thước lớn nên hiện nay hầu như không sử dụng nữa

+ Phương pháp cathode lạnh

Phương pháp cathode lạnh có cấu trúc đơn giản nên có kích thước nhỏ gọn, người ta chế tạo nhiều đơn vị như: số hàng đơn vị, số hàng chục, hàng trăm… trong cùng một vỏ thuỷ tinh để tiện sử dụng

+ Phương pháp diode phát quang

Diode phát quang (Light Emiting Diode: Led) là một tiếp giáp p – n chế tạo bằng chất bán dẫn Gali – Acsenic hay Gali – Photpho Tiếp giáp này

có đặc tính phát ra màu: đỏ, xanh lá cây… khi dẫn điện theo chiều thuận Ánh sáng phát ra, do hiện tượng kết hợp của điện tử và lỗ trống, có cường độ ánh sáng theo cường độ dòng điện qua tiếp giáp

Vì kích thước các diode khá nhỏ nên với phương pháp này ta có thể chế tạo các đèn 7 thanh khá gọn, chỉ cao vài mm Muốn có đèn lớn hơn ta phải dùng kính phóng đại hoặc dùng nhiều diode cho một đoạn sáng Các diode trong đèn thường có cathode chung để làm giảm số dây nối ra ngoài

+ Phương pháp hiển thị tinh thể lỏng

Hiển thị tinh thể lỏng (Liquit – Crystal Display: LCD) gồm có 2 tấm thủy tinh xếp song song với nhau, ở giữa là dây dẫn và hỗn hợp tinh thể lỏng được tạo thành hình dạng cần thiết (dạng điểm hoặc dạng thanh) Khi có tác động của điện trường thì hỗn hợp tinh thể lỏng đổi màu khiến mắt ta quan sát được Hiển thị này rất ít năng lượng nên hiện nay dùng rất phổ biến Chúng có thể dùng để chế tạo thành các màn hình lớn chứa hàng nghìn điểm như các đèn 7 thanh có hình dạng như Led ở trên Khác với đèn Led, khi sử dụng LCD cần phải có một tín hiệu ‘‘mặt sau” (back plane) dạng sóng vuông với tần số

từ 30 Hz đến 200 Hz

Hình 2.11 (a) Hình dạng bên ngoài của Led 7 thanh

(b) Kí hiệu của đèn Led 7 thanh

6 Mạch đếm sử dụng IC 74192

a Cấu tạo

Mạch đếm sử dụng IC 74192 bao gồm các chi tiết:

- Nguồn cấp cho mạch đếm và mạch ổn áp cung cấp dòng điện cho mạch đếm với VCC = +5V