Đề tài Thiết kế mạch đồng hồng hồ số

Vi mạch định thời LM555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong linh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, c thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: đ

PHẲN1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Cơ sở lý thuyêt

1.1.1 Flip-Flop

Flip-Flop la mạch logic có một hoặc hai đầu điểu khiển hãi đầu ra Tín

hiệu trên hai đầu ra Flip-Flop phụ thuộc nhau: nếu một đầu ra tín hiệu là Q

thì đầu ra tín hiệu còn lại là đảo của Q (Q) Khỉ tín hiệu ở cửa vào thỏa mãn

điều kiện điều khiển, đầu ra Q sẽ lật trang thái từ múc logic thấp L len mức

logic cao H hoặc ngược lại Vậy tín hiệu ở đầu ra Flip-Flop khi cố điều khiển

là một bước nhảy điện ảp

Đặc điểm của Flip-Flop là: khi không có điều khiển ở cửa vào thì mức

logic (L hoặc H) được duy trì ồn định

Tùy theo số đầu vào điều khiển, Flip-Flop cổ bốn loại chính : S-R, J- K,

1.1.2 Hệ chuyển mã.

1.1.2.1 Số BCD ( Binary Code Decimal)

Được tạo nên khi ta mã hóa mỗi decac của một số thập phân dưới dạng một số bốn bit

345

Bảng 1.3: Bảng sự thật (giải mã ra led 7 đoạn)

*Thiết kế dùng cho IC 74247 1.1.4 Hệ tuần tự (hệ đếm).

Hình 1.3: Sơ đồ mạch logic 1.1.3.2 Hê giải mã.

Giải mã ra

❖ led 7 đoan

DcB

Hình 1.4: Giải mã ra led 7 đoạn Bảng sư thât:❖

1.1.4.1 Khái niêm:

Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một Flip-Flop

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 Flip-Flop Nếu có n Flip-Flop thì thành lập được hệ đếm có dung lượng tối đa là 2n.VD: 2 Flip-Flop thành lập hệ đếm 4.

3 Flip-Flop thành lập hệ dếm 8

4 Flip-Flop thành lập hệ đếm 16

Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song

♦♦♦ Xét hê đếm nối tiếp 3bit:

Q1 Q2 Q3

Hình 1.5: Hệ đếm nối tiếp 3bit 1.1.4.2 Hề đếm bất kv:

Gọi: N là số trạng thái của ỉ hệ đếm bất kỳ

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

1.2.1 ICLM555.

♦♦♦ Đai cương

Vi mạch định thời LM555 là mạch tích hgrp Analog- digital Do cổ 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 linh vực điều khiển, vì nếu kết hợp 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 cảc linh kiện hản dẫn công suất như: Transistor, SCR, Triac

❖Hỉnh dang và sơ đồ chân

Hình 1.8: Hình dạng và sơ đồ chân IC 555

- Chân số 1 (GND): chồ nối mass để cấp dòng cho IC

- Chân số 2 (TRỈGGER): ngõ vào của một tầng so áp, mạch so áp

, 2*Vccdùng các transistor PNP Mức áp chuân /3

- Chân số 3 (OƯTPƯT): ngõ ra Xác định theo mức volt cao (gần bằng múc áp chân 8) và thấp (gần hằng múc ảp chân ỉ)

- Chân số 4 (RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mass thỉ ngõ ra ở mức thấp Còn khỉ chân số 4 nối lên mức điện áp cao thì ngõ

ra tùy theo mức điện áp giửa chân 2 và 6

8 j in [~ẽi [TI

55

u m LU LU

- Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo mức hiến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mass Tuy nhiên, trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối mass qua mộttụ từ 0.01 pF—► 0.1 |iF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định.

- Chân số 6 (THRESHOLD): ngõ vào của một tầng so áp khấc, mạch

so sánh dùng các transistor NPN Mức áp chuẩn Vcc /3

- Chân số 7 (DISCHAGER): có thể xem như một khóa điện và chịu điều khiển bởi tầng logic Khi chân 3 ở mức thấp thì khóa này đóng lại Ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho một mạch R-C lúc IC 555 dung như một tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn Vcc để cấp điện cho IC Nguồn nuôi cấp cho IC từ +5v—H-l 5v và mức tối đa là +18v

♦♦♦ Cấu tao vả nguvên lv hoat đỏng

Hình 1.9: cấu tạo bên ừong IC 555Bên trong vi mạch IC555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở, thực hiện các chức năng sau:

- Cầu phân áp gồm 3 điện ưở R ỉ = R 2 =R i = 5ẲÍ2 nối từ Vcc xuống

mass, cho ra hai mức điện áp chuẩn V3 VCC và 2/3 Vcc

- So sánh COMP1: là mach khuếch đại so sánh có Vị n =\!Wcc nối ra chân 6, V7 nối qua chân 2 Tuỳ thuộc vào điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn

l/3Vcc mà so sảnh 1 có điện áp múc cao hay múc thấp để tín hiệu s điều khiển Flip~Flop( FF ) hoạt động.

- So sánh COMP2: là mạch khuếch đại so sánh có F + nối ra chân 6 , vr

= 2/3Vcc Tuỳ thuộc vào điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2 /^Vcc mà so

sánh 2 cho ra mức điện áp cao hay thấp để tín hiệu R điều khiển FF hoạt động

- Mạch FF là loại mạch lưỡng ổn kích một bên khi chân s có điện áp

cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm ngõ ra Q lên mức cao, Q = 0 Khi s

đang ở mức cao xuống mức thấp thì FF không đổi trạng thái

> Khi: S = 1 ^ Q = 1 - > Ổ = 0

s = 1 -» 0 => FF không đổi trạng thái

- Khi R có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm Q =

1, Q = 0 Khi R đang ở mức cao xuống mức thấp thì R không đổi trạng thái

- Mạch khuếch đại đảo nhằm khuếch đại dòng điện cung cấp cho tải, có

ngõ vào là Q của FF, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 có điện áp thấp ~0V và ngược lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (~ Vcc)

Transistor Ti có chân E nối vào điện áp chuẩn khoảng 1,4V, là loại transistor NPN Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V thì T! ngưng dẫn, nên Ti không ảnh hưởng tới mạch Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối xuống mass thì Ti dẫn bão hòa đồng thời làm mạch Output cũng dẫn bão hòa và ngõ ra mức thấp Chân 4 gọi là chân reset có nghĩa là nó reset IC 555 bất chấp tình trạng các ngõ vào khác Do đó, chân reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần thiết Nếu không dùng chức năng reset thì nối chân 4 lên Vcc để tránh bị reset do nhiễu

Transistor T2 là transistor có cực c để hở, nối ra chân 7 Do cực B được

phân cực bởi mức điện áp TãQ của FF, nên khi Q ờ mức cao thì T2 bão hoà và cực c của T2 coi như nối mass Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp Khi Q 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

1.2.2 IC đếm 74LS90

IC 7490 thuộc họ TTL có công dụng đếm mã nhị phân chia 10 mã hóa BCD Cứ mỗi một xung vào thỉ nó đếm tiến lên 1 và được mã hóa ra bốn chân Khi đếm đến 10 tự nó sẽ reset và trở về ban đầu IC này có ứng dụng ĩộng trong các mạch sấ ứng dụng đếm 10 và trong các mạch chia tần số

• Hình dang và sơ đồ chân

Chân ỉ và chân 14: hai chân nhẫn xung đếm CK

Bốn chân 8, 9,11,12: chân ngõ ra,ương ứng Qc, QB> QD> QA*

Chân 5(Vcc): cấp nguồn cho IC Chân 10 (GND) chân nối mass

• Sơ đồ mach logic và bảng trang thái

Sơ đồ logic:

Hình 1.11: Sơ đồ mạch logic IC 7490 Dựa vào sơ đồ ta nhận thấy IC

7490 có bốn chân ngõ vào Reset dùng để Reset hệ thống Khỉ ta đua vào IC các mức

điện áp thích hợp thì ỈC sẽ tự động Reset Sau đây là bảng các mức Reset:

Bảng 1.5: Bảng sự thật cho các ngõ vào Reset IC 7490

Khi dùng IC 7490, ta có hai cách nối mạch cho cùng chu kỳ đếm 10, tức

tần số tín hiệu ở ngõ ra sau cùng bằng 1/10 tần số xung CK, nhưng dạng tín hiệu ra

khác nhau

> Mạch đếm 2x5: Nối ngõ ra QA với ngõ vào B, xung đốn CK

nối với ngố vào A

> Mạch đếm 5x2: Nối ngõ ra QD với ngõ vào A, xung đếm CK

nối với ngõ vào B

Bảng trạng thái đếm cho hai dạng mạch đếm trên:

Đếm 2x5 Đếm 5x2Bảng 1.6: Bảng trạng thái cho hai dạng mạch đám Dạng sóng ngõ ra cho hãi trường hợp trên:

Hình 1.12: Dạng sóng ngõ ra của hai mạch đếm 2x5 và 5x2 của 7490

Theo như (Hình 1.12), ta thấy dạng sóng ở các ngõ ra của hai mạch cùng đếm 10 nhưng khác nhau:

Kiểu đếm 2x5 cho tín hiệu ra ờ QD không đối xứng Kiểu đếm 5x2 cho tín hiệu ra ỡ QA đối

Hình 1.13: Hình dáng IC 74LS247Vcc M

Hình 1.14: Sơ đồ chân IC 74LS247Chân 1, 2, 6, 7: Chân dữ liệu BCD vào, lấy từ IC đếm

Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân tác động mức thấp (0), nối vào led 7 đoạn

Chân số 4: Gồm ngõ vào xóa BI được để không hay nối lên cao cho hoạt động giải mã bình thường Khi nối BI ở mức thấp, các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái của các ngõ vào

Chân số 5: Ngõ vào xóa gợn sóng RBI được để không hay nối lên cao khi không dùng để xóa số 0 (số 0 ở trước số có nghĩa hay số 0 thừa bên trái dấu chấm thập phân)

Chân 3: Ngõ vào thử đèn LT ở mức cao các ngõ ra đều tắt và ngõ ra xóa đợn sóng RBO thấp Khi ngõ vào BI/RBO để không hay nối lên cao và ngõ vào LT giữ ở mức thấp các ngõ ra đều sáng

Chân 8: Chân nối mass

PUT INPUT

GN

Chân 16: Chân nối nguồn

♦♦♦ Sơ đồ logic vả bảng trang thái

1LS247Hình 1.15: Sơ đồ logic của IC 74LS247 Sự hoạt động của mạch được thề hiện ở bảng sự thật, trong đó đốỉ vối các ngõ ra mức cao (H) là tắt và

mức thấp (L) là sáng, nghĩa là nếu 74LS247 tác động vào led 7 đoạn thì các 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

OUTP UT

b

OUTP UT

c

OUTP

OUTP UT

OUTP UT

f

OUTP UT

Hình 1.16: 15 giá trị của mã led 7 đoạnChú ý: khi ngõ vào đều mức cao thì led sẽ tắt.

H H l—

1 hi _l y r- 1LJ 1 n

ũ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐỔNG HỒ SỐ2.1 THIẾT KẾ Sơ ĐỒ MẠCH.

- Khối tạo xung: tạo xung vuông với tần số 1Hz, đưa vào bộ đếm và khích cho bộ đếm hoạt động.

- Khối đếm: nhận xung dao động từ khối tạo xung để xử lý đưa ra tín hiệu mã hóa BCD và đưa tín hiệu này vào khối giải mã

- Khối giải mã: giải mã BCD và đưa vào khối hiển thị

- Khối hiển thị: hiện thị tín hiệu sau giải mã

Khối nguồn: đảm bảo cung cấp đủ nguồn cho IC hoạt động nguồn Ycc =+5v

2.1.2 Khối tạo xung.(dùng IC 555)

Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ Đặt biệt là đối với

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

Có rất nhíu mạch tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ quan tâm đến mạch tạo xung dùng IC LM555

Tính toán các giá trị chính trong mạch tạo xung

❖

- Các công thức tính toán và một số đều cần biết:

Tn = 0,693.(RI+R2).CI (Tn là thời gian xả điện)

Tx= 0,693 R2CI (TX là thời gian nạp điện)T=Tn+Tx ( T chu kỳ dao động)

T= 0.693.(RI+2R2).CI Điện trở Ri > lkQ

- Tính toán giá trị trong mạch

Vì đây là mạch đồng hồ số cho nên để cho thời gian được chính xác thì: T = ls, Tn=Tx

Để cho bài toán được đon giản ta chọn R!=lkíỉ, Ci= 47pF Tính

Sơ đồ mạch tạo xung:

❖Bảng chân lý mã hóa BCD của IC 74LS90:

Bảng 2.1: Bảng chân lý BCD của IC 74LS90 Trong bảng chân

lý có một chú ý quan trọng là ngõ ra Qo được nối với đầu vào CPL

❖Bảng mức reset của IC 74LS90 :

LS90MODE SELECTION

Bảng 2.2: Bảng mức reset IC 74LS902.1.4 Khối gỉăi mã

Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch thúc nên cũng thườngđược gọi là mạch giải mã thúc, ơiảỉ mã BCD sang led 7 đoạn phức tạp

SVTHĩ Lê Thanh Tả 20

LS9Q BCD COUNT SEQUENCE

hơn giải mã BCD sang thập phân vì mạch có tổ hợp nhiều ngõ ra lên cao hoặc xống thấp (tùy thuộc vào loại led 7 đoạn anode chung hay cathode chung).

Ở đây dùng IC 74LS247, nó có ngõ ra để hở và khả năng nhận dòng cao để thúc trực tiếp các led 7 đoạn loại anode chung Khỉ IC này tác động vào led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của đèn sẽ sáng hay tắt tùy thuộc vào ngõ ra tương ứng của IC là thấp(L) hay cao(H)

Sơ đồ và chức năng các chân IC

❖

Gm

Hình 2.4: Sơ đồ chân IC 74LS247 Chân 1,2, 6, 7: Tín hiệu vào Chân 3 : ngõ vào thử đèn Chân 4: ngõ vào xóa (BI)Chân 5 : ngõ vào xóa gợn sóng

Chân 8 : nối massChân 9, 10,11, 12, 13, 14,15: tín hiệu ra Chân 16: nốỉ nguồn Nguyên lý hoạt ❖động

SN54/74LS247 (TOP VIEW) OUTPUTS

B C LT RBŨRB-I D A

n nr

1 2

3 4

5

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

- Ngỗ vào xóa Bỉ được để không hay nối lên nguồn cho hoạt động gỉảỉ

mã bình thường Nếu nếỉ xuống mass thì tất cả các ngõ ra đều tắt

- Ngõ vào xóa dợn sóng RBI được để không hay nối lên nguồn dùng đề 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 ờ mức 0 nhưng ngõ vào LT

ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ 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

2.1.5 Khối hiển thị

Đổ hiển thị kết quả ta dùng led 7 đoạn Ở đây, để mạch được đơn giản

ta dùng led 7 đoạn anode chung vì ngõ ra của IC 74LS247 tích cực mức thấp

Cấu tạo và hình dáng 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 lcd nữa dùng đề hiển thị dấu chấm thập phân

Hình 2.5: Hình dáng và sơ đồ chân led 7 đoạn

Áp rod trên moi đoạn từ 1,8-ỉ-2v với dòng từ 7-r20mA.Do vậy ta cần tính điện trở hạn dòng cho led Ta có:

V R =Vcc-V l e d = 5-2 = 3v 3

=> R = G JQ-3 = 375 Í2

Chọn R = 330 £22.2 MẠCH ĐỒNG HỒ SỐ

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý mạch đồng hồ số

❖Nguyên lý hoat đông của mach:

Xung kích được tạo ra từ IC 555 được đưa vào bộ đếm và kích cho bộ đếm hoạt động Mỗi khi có một xung vào thì sẽ kích bộ đếm đếm một lần Vì đây là mạch đồng hồ số nên xung ở đây là xung chuẩn 1Hz

Ta có thể chia mạch này là ba khối sau: khối giây, khối phút, khối giờ

- Khối giây gồm hai con IC 74LS90, hai con 74LS247 và hai led 7 đoạn anode chung Khối có chức năng điều khiển và hiển thị giây của đồng

hồ từ 0-^59

- Khối phút gồm hai IC 74LS90, hai 74LS247 và hai led 7 đoạn.

Chức năng điều khiển và hiển thị phút của đồng hồ từ O-ỉ-59

- Khối giờ gồm hai IC 74LS90, hai IC 74LS247 và hai led 7 đoạn

Chức năng điều khiển và hiển thị giờ của đồng hồ từ O-ỉ-23

2.2.1 Khối giây

Xung kích từ IC 555 được đưa vào chân CKA(CPO) của IC 74LS90 hàng đơn vị, như vậy cứ mỗi một xung kích thì IC lại đếm lên một đơn vị ở đầu ra

Bằng cách nối đầu ra của bộ đếm cơ số 2 với đầu vào của bộ đếm cơ

số 5, tức là nối chân số 1 với chân 12, ta được bộ đếm cơ số 10 Xung khích

sẽ đưa vào chân số 14 (CPO) và đầu ra của bộ đếm cơ số 10 là mã BCD thông qua các chân Q o Q i, Q2 , Q 3 Để I C đếm được ta để các chân

MSI, MS2 ở mức thấp

Để đếm được bộ đếm cơ số 6 ta xuất phát từ bộ đếm 10 trên và dùng cách xóa bớt số đếm để bộ đếm chỉ đếm từ 0-5 Khi đếm đến 5 xung nhịp tiếp theo sẽ nhảy lên 6 tuong ứng với Q0 Q 1Q 2 Q 3 là 01 10 Ta lấy đầu ra tại chân Q 1Q 2 đang ở mức cao đem về tác động vày hai chân MR1 và MR2 như thế bộ đếm lập tức sẽ reset về 0 Như vậy bộ đếm cơ số 6 đã được

thực hiện

Bộ đếm 10 dùng đếm hàng đon vị, bộ đếm 6 để đếm hàng chục Ta ghép hai bộ đếm sẽ được bộ đếm 60 Việc này được thực hiện bằng cách đưa chân Q3 của bộ đếm 10 vào chân CP0 của bộ đếm 6 , tức nối chân 12 với chân 14 Rõ ràng là khi bộ đếm đếm từ 9 về 0 mã BCD chuyển từ 1001 sang

0000, chân Q3 sẽ cho ra một xung clock sườn âm vì thế nó kích thích bộ đếm 6 tăng thêm một đơn vị

Để ghép nối bộ đếm giây với bộ đếm phút, ta thấy rằng khi đếm đến

59, chân Q2 của bộ đếm 6 ở mức cao (01 0 1 ),khi thêm một xung nhịp nữa thì bộ đếm quay về 0000 Vậy chân Q2 sẽ quay về 0 và tạo ra xung clock sườn âm Tín hiệu này được đưa về chân CP0 của bộ đếm 10 của

khối phút Vậy khi đếm đến 60 khối phút sẽ được kích thích tang một đơn vị.2.2.2 Khối phút.

Đối với khối này thì nguyên lý cũng như khối giây Nhưng xung điều khiển hàng đơn vị của khối phút được lấy từ chân Q2 hàng chục khối giây con IC 74LS90

2.2.3 Khối giờ

Nguyên lý hoạt động của bộ đếm giờ khác so với hai bộ đếm trên Đây là bộ đếm 24 tức là đếm đến 23 thì sẽ reset về 0

Chân CPO của IC 74LS90 hàng đơn vị khối giờ được nối với chân Q2

của hàng chục khối phút để lấy xung điều khiển Bộ đếm giờ sẽ nhảy lên một đơn vị khi khối phút nhảy tới 60 Để có thể reset từ 23 trở về 0, ta phải tiến hành reset cả hai IC đếm của khối giờ Ta lấy tín hiệu từ chân Qj của hàng chục đưa về hai chân MR1 của hai IC đếm, và chân Q2 của hàng đơn vị đưa

về chân MR2 của hai IC đếm