nghiên cứu, cải tiến mô hình thực tập vi mạch

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC Hiện nay mô hình thực tập kỹ thuật số đã được viện nghiên cứu Tự động hóa - Tin học Vielina cung cấp cho các trường học nhưng với giá thành

Trang 1

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN MÔ HÌNH

Trang 2

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Đơn vị: Trường Trung học Kỹ thuật Thực hành



BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN MÔ HÌNH THỰC TẬP VI MẠCH

MÃ SỐ: T2011-114

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS VÕ ĐỨC DŨNG

TP Hoà Chí Minh, 10/2011

Trang 3

1 ThS Võ Đức Dũng Chủ nhiệm đề tài

Trang 4

MỤC LỤC

Trang Mục lục i

Danh mục hình vẽ ii

Thơng tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Việt 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngồi nước 3

2 Tính cấp thiết của đề tài 3

3 Mục tiêu đề tài 3

4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu 4

5 Nội dung nghiên cứu 5

5.1 Tính tốn, thiết kế các mạch điện cho Board chính 5

5.2 Tính tốn, thiết kế các mạch điện cho Board nguồn 12

5.3 Thiết kế, chế tạo các modul 16

6 Kết quả nghiên cứu 31

6.1 Các bước thi cơng 31

6.2 Các bước thực nghiệm 34

6.3 Kết quả đạt được 34

7 Kết luận và kiến nghị 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang 5

1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC

Hiện nay mô hình thực tập kỹ thuật số đã được viện nghiên cứu Tự động hóa - Tin học (Vielina) cung cấp cho các trường học nhưng với giá thành sản phẩm rất cao

Phòng Thí nghiệm Kỹ thuật số của Khoa Điện – Điện tử trường Đại học SPKT TP.HCM đã có nhưng không phù hợp với đối tượng học sinh TCCN

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Các trang thiết bị thực tập Vi mạch tại Xưởng điện tử trường TH Kỹ thuật Thực Hành đã qua sử dụng nhiều lần Những thiết bị thực tập này mang tính chất rời rạc không tập trung thành một mô hình thống nhất cho nên học sinh khó bao quát được toàn bộ các bài thực tập trong giáo trình thực tập vi mạch

Khấu hao vật tư thực tập cho môn học thực tập Vi mạch tương đối nhiều vì khi thao tác cắm từng IC trên các textboard sẽ nhanh chóng làm gảy chân IC đồng thời phải sử dụng nguồn rời bên ngoài để cắm vào nên dễ nhầm lẫn giữa chân nguồn Vcc và chân GND gây hư hỏng IC khi thực tập

Để thực hiện mục tiêu tiết kiệm khấu hao vật tư thực tập đồng thời nhằm hiện thực hóa chuẩn đầu ra ngành Công nghệ kỹ thuật điện tử đã được xây dựng và công

bố thì các mô hình thực tập cho các môn thực tập được Bộ môn Điện tử - Tin học từng bước thiết kế và xây dựng Chính vì vậy việc nghiên cứu, chế tạo mô hình thực tập vi mạch phục vụ giảng dạy thực hành đáp ứng được giáo trình thực hành là rất cần thiết

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Để hiện thực hóa chuẩn đầu ra ngành công nghệ kỹ thuật điện tử đã được xây dựng và công bố tại trường TH Kỹ thuật Thực hành thì mô hình thực tập cho các môn học là một trong những yếu tố rất quan trọng trong quá trình giảng dạy thực hành Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu, cải tiến mô hình thực tập vi mạch:

 Nghiên cứu, cải tiến và chế tạo các board mạch trên mô hình

Trang 6

 Xây dựng và hoàn thiện các bài thực tập

4 CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

4.1 Phương pháp tham khảo tài liệu:

- Tham khảo các tài liệu thực hành kỹ thuật số

- Tham khảo mảng tài liệu về Vi mạch và các datasheet có liên quan

- Tham khảo tài liệu về vi xử lý

4.2 Phương pháp thực nghiệm

- Chế tạo mạch in 2 lớp bằng phần mềm Orcad

- Lắp ráp linh kiện và cân chỉnh từng bộ phận

- Thí nghiệm thử toàn bộ các bài thực hành trong giáo trình đã biên soạn 4.3 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu chế tạo và cải tiến một mô hình thực tập bao gồm đầy đủ các thành phần liên quan đến tài liệu giảng dạy thực hành vi mạch

Trang 7

5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

5.1 Tính toán, thiết kế các mạch điện cho Board chính

Thiết kế chế tạo Board mạch chính

Yêu cầu: Board mạch chính bao gồm khối hiển thị 16 led đơn; hiển thị led 7 đoạn bao gồm 2 led 7 đoạn Anode chung và 2 led 7 đoạn Kathode chung, mạch tạo xung đơn ổn và mạch tạo xung bất ổn

Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế:

Da9

b1

GG2 Rb1

b24

Ua2

74LS2 45

2 4 6 8 19 1

18 16 14 12 20

A1 A3 A5 A7 G

B1 B3 B5 B7 VCC

7 SEG AC 1

3

8 10

g f kc2 a

dp c kc1 d

4 3

13 11 9 15

D0 D2

BI/R BO RBI LT

A C E F G VCC GND L8

b25

MON O1

Da1 4

CC1

U4.

2

74LS2 45

2 4 6 8

19 1

18 16 14 12

20

A1 A3 A5 A7 G

B1 B3 B5 B7 VCC

g BB2

e7

D3B GG2

3

8 10

g f ac2 a

dp c ac1 d

g

vcc L14

3

8 10

g f ac2 a

dp c ac1 d

MON O2

sw d1

b9

vcc

D0B

OUT 3

L1

L7

L9 e4

OUT 5

4 3

13 11 9 15

D0 D2

BI/R BO RBI LT

A C E F G VCC GND

3

8 10

g f kc2 a

dp c kc1 d

b28 b16

DD2 L5

Ua1

74LS2 45

2 4 6 8 19 1

18 16 14 12 20

A1 A3 A5 A7 G

B1 B3 B5 B7 VCC

Trang 8

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý board chính (phần 2)

- Tín hiệu ngõ vào trước khi hiển thị trên led đơn được khuếch đại thông qua

IC 74LS245 Như vậy ban đầu khi cắm điện vào thì tất cả 16 led đều sáng Khi tín hiệu ngõ vào thay đổi thì trạng thái led sẽ thay đổi theo

- Mạch bất ổn được thiết kế sử dụng IC 555 và có thể thay đổi được tần số ngõ

ra khi thay đổi vị trí contact 4 vị trí

Rc7 470

Rc5 10K

v cc

Cc2 103

Rc3

10K Rc4

47K

Cc1 47uF

Vout

Rc6 47K Rc1

OUT3 OUT5

Trang 9

 Tần số hoạt động của mạch khi SWc1 ở vị trí OFF

Thời gian nạp tụ C1:

t1 = 0.7 (10K+47K).47uF = 1,8 s Thời gian tụ C1 xả:

- Mạch đơn ổn được thiết kế sử dụng IC 555 tương ứng với mỗi lần kích ngõ

ra sẽ xuất hiện một xung

Hình 4 Sơ đồ nguyên lý mạch đơn ổn

Độ rộng xung ngõ ra được tính theo công thức:

Rc12 470

v cc

Vout

Cc6 103

Cc5 100uF

MONO1

Rc10 10K

Rc11 10K

Dc2

Trang 10

Tx = 1.1 Rc11*Cc5 = 1.1*10k*100uF = 1.1s

- Mạch Reset sử dụng 2 cổng trong IC 74LS14 Bao gồm Reset mức thấp và reset ở mức cao, mạch nguyên lý được thiết kế như sau:

Hình 5 Sơ đồ nguyên lý mạch RES_H và RES_L

- Mạch hiển thị led 7 đoạn được thiết kế 4 led Trong đó 2 led 7 đoạn được đưa ra các đầu trực tiếp các đoạn A, B, C, D, E, F, G sử dụng led 7 đoạn Kathode chung và A\, B\, C\, D\, E\, F\, G\ cho led 7 đoạn Anode chung và 2 led 7 đoạn Anode chung còn lại được đưa qua IC giải mã 74LS47 trước khi đưa 8 chân ra bên ngoài là D0A, D1A, D2A, D3A và D0B, D1B, D2B, D3B Sơ đồ nguyên lý của mạch như sau:

Cc3 10uF

5V

Rc8 4.7K

RST_H RES_L

UC4A

74LS14

Rc9 4.7K

5V

Trang 11

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị led 7 đoạn

Trang 12

Sơ đồ thiết kế mạch in cho Mainboard:

Trang 14

5.2 Tính toán, thiết kế các mạch điện cho Board nguồn

Nguồn cung cấp là một yếu tố rất quan trọng cho nên khi thiết kế cần phải tính toán hợp lý các giá trị liên quan như dòng, áp

Nguồn cung cấp chính là 5V cho tất cả các IC số trên mô hình bao gồm: Mainboard, 5 Modul và mạch điều khiển

Nguồn +12V và -12V được sử dụng để cung cấp cho IC OPAMP trong quá trình chuyển đổi DAC trên modul 4

5.2.1 Thiết kế nguồn cung cấp +5V

+ Dòng trung bình qua Mainboard (9 IC) max là: 250mA

+ Dòng trung bình qua 5 modul (33 IC) max là: 1A

+ Dòng trung bình qua mạch điều khiển (3IC) max là: 100mA

Tổng dòng điện mà nguồn 5V cần cung cấp là: 1,35A

Nếu sử dụng IC ổn áp tuyến tính 7805 để cung cấp nguồn thì sẽ không đủ dòng và đối tượng thực hành trên mô hình là học sinh cho nên việc mắc mạch sai khi thực tập để xảy ra hiện tượng ngắn mạch là rất dễ xảy ra chính vì vậy nguồn 5V được thiết kế phải bảo đảm được 2 yêu cầu đó là cung cấp đủ dòng cho toàn mạch

và có bảo vệ ngắn mạch ở ngõ ra Sơ đồ nguyên lý được thiết kế như sau:

Hình 9 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cung cấp 5V

13 6

2 3

11 12

7

IN+

IN-VOUT VZ

COMP VREF

ILIM ISENSE

VC V+

Ce4

De3

GND 5V

Re3

Qe1 D718

Trang 15

Cấu trúc bên trong IC LM723

Hình 10 Sơ đồ khối bên trong IC LM 723

IC LM723 cho phép điện áp ngõ vào tối đa 40V, điện áp ngõ ra thay đổi từ 2 đến 37V Khi không dùng BJT bên ngoài dòng điện đạt tới 150mA Có bảo vệ quá dòng và ngắn mạch ở ngõ ra

Qua thực nghiệm, khi mắc transistor D718 vào đo đạc dòng ngõ ra đạt tới 1,8A

5.2.2 Thiết kế nguồn cung cấp +12V và -12V

Dòng cung cấp +12V và -12V cho IC 741 là không lớn nhưng cần sự ổn định chính vì vậy sử dụng IC ổn áp tuyến tính 7812 và 7912 để cung cấp cho mạch là hợp lý Sơ đồ nguyên lý thiết kế như sau:

Hình 11 Sơ đồ nguyên lý nguồn cung cấp +12V và -12V

Trang 16

5.2.3 Thiết kế khối điều khiển nguồn

Trong quá trình thực tập mỗi bài thực tập chỉ sử dụng 1 hoặc tối đa 2 modul nên việc để nguồn cung cấp 5V cấp cho 5 modul cùng một lúc là không hợp lý Những modul không sử dụng mà lại được cấp nguồn thường xuyên trong quá trình thực tập sẽ dẫn đến hư hỏng IC đã được gắn sẵn trên các modul Sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch điều khiển nguồn cấp cho từng modul như sau:

Hình 12 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển nguồn

Sử dụng Transistor Q3.1 và Relay 12Vdc LS3.1 để mở nguồn cho modul 1, Transistor Q3.2 và Relay 12Vdc LS3.2 để mở nguồn cho modul 2, Transistor Q3.3

và Relay 12Vdc LS3.3 để mở nguồn cho modul 3, Transistor Q3.4 và Relay 12Vdc

gdk

u4

sw2 sw6 out1

20

29

1 3 5 7

21 23 25 27

10 12 14 16

39 37 35 33

RST XTAL2

GND PSEN ALE/PROG EA/VPP VCC

P1.0 P1.2 P1.4 P1.6

P2.0/A8 P2.2/A10 P2.4/A12 P2.6/A14

P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.4/T0 P3.6/WR P3.7/RD P0.0/AD0 P0.2/AD2 P0.4/AD4 P0.6/AD6

4 6 8

gdk u1

J4.1

CON4

1 3

d4 out4

d4

v cc 12v out2

Trang 17

LS3.4 để mở nguồn cho modul 4, Transistor Q3.5 và Relay 12Vdc LS3.5 để mở nguồn cho modul 5 Vi điều khiển sẽ làm nhiệm vụ nhận diện phím nào được nhấn

sẽ xuất lệnh điều khiển transistor dẫn bảo hòa để triac dẫn kết nối đó với modul tương ứng

5.2.4 Thiết kế chế tạo mạch in

Mạch in được thiết kế như sau:

Hình 13 Sơ đồ mạch in mặt trên và bố trí linh kiện của khối nguồn

Trang 18

5.3 Thiết kế, chế tạo các modul

Tổng cộng có 5 modul được thiết kế, chế tạo bao gồm:

Modul 1: Cổng logic có 5 IC được thiết kế đó là 74LS00, 74LS08, 74LS14,

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mở nguồn MODUL1

Khi SW1 = 0V, P0.0 sẽ xuất ra mức áp 5V làm cho Q3.1 dẫn bảo hòa, tiếp điểm Relay đang ở vị trí chân 3 nối với chân 5 sẽ chuyển từ chân 3 sang chân 4 để lấy nguồn 5V cho MODUL1

Sơ đồ nguyên lý MODUL1 được thiết kế như sau:

SWd1 TB1

Trang 19

Hình 15 Sơ đồ nguyên lý Modul 1

11 14 7

a18

a42 ga

a55

a60 a24

Ua55D

74LS86

12 13

11 14 7

a44

Ua11B

74LS00

4 5

6 14 7

ga

a29 a11

v cca a34

3 14 7

a4

a30 a2

Ua22B

74LS32

4 5

6 14 7

3 14 7

a36 a8

11 14 7

ga a14

a21

a42 a19

ga

Ua55C

74LS86

9 10

8 14 7

6 14 7

a54

Ua22D

74LS32

12 13

11 14 7

8 14 7

3 14 7

a40 a12

6 14 7

a41 a13

a59

Ua22A

74LS32

1 2

3 14 7

a26

v cca

Trang 20

Sơ đồ mạch in và bố trí linh kiện

Hình 16 Sơ đồ mạch in mặt trên, mặt dưới và bố trí linh kiện của modul 1

Trang 21

Modul 2: Được thiết kế bao gồm 8 IC đó là 2 IC 74LS112, 2 IC 74LS164, 2

Sơ đồ nguyên lý được thiết kế như sau:

SWd2 TB2

Trang 22

b12

c24 c12

b42

c38 c28

gb b48

v ccb b16

7

A CLK CLR

Q0 Q2 Q4 Q6 VCC GND

b16

c26 c14 b1

v ccb b49

gb

b17

c15 b2

v ccb b50

v ccb

b18

c16 b3

b35

b7

c48 c32

3 2 7 10 1 5 9 11 12

16 8

CLK ENA Q0 Q2 Q4 Q6 Q8 Q9 CO

VCC GND

c12 c3

Ub22B

74LS112

11

13 12

c52

v ccb b38

c13 c6

12 9 11 5 10

2 3 7

CLKA CLKB QA QB QD VCC GND

R01 R91 R92

b8 b4

3 4 7 10 1 6 9 11 12

16 8

CLK ENA Q0 Q2 Q4 Q5 Q7 Q9 CO

VCC GND

c2

Uc4

74LS90

14 1

12 9 11 5 10

2 6

CLKA QA QC VCC GND

R01 R91

gb b12

b10

c22 c10

3 5 10 12 14

7

A B CLK

Q0 Q1 Q3 Q5 Q6 VCC GND

gb

b13

b11

c23 c11

Ub11B

74LS112

11

13 12

9 7

16

14

J CLK K Q VCC PRE GND CLR

b41

c37 c27

v ccb b27

b14

Cb2 104

Trang 23

Modul 3: Được thiết kế bao gồm 8 IC đó là 2 IC 74LS47, 2 IC 4511, 2 IC

74LS192, 1 IC 4040 và 1 IC 4020

 Các ngõ vào và ngõ ra của IC được đưa ra bên ngoài để cắm lên textboard

Trang 24

 Để tránh nhiễu tác động vào IC, trên mỗi IC có thiết kế thêm một tụ điện để chống nhiễu

 Để tránh nhằm lẫn nguồn cung cấp 5V và GND của 5 IC được cung cấp trước, khi thực tập học sinh không phải nối nguồn

 Khi bật nguồn cho toàn mô hình thì chỉ có board chính được cấp nguồn còn lại các modul không được cấp nguồn trước chính vì vậy trước khi thực hành người học phải nhấn nút nhấn SWd3 để tạo mức logic 0V tác động vào vi xử lý trên Board chính để mở đường nguồn 5V cấp cho Modul3

SWd3 TB3

Trang 25

d45

d41

e50 d19

e51

Ue2

74LS192

15 1 10 9 5 4 11 14

3 2 6 7 12 13 16 8

A B C D UP DN LOAD CLR

QA QB QC QD CO BO VCC GND

e43

d37

e36 e17

v ccd

Ue4

4020

10 11

9 7 5 4 6 13 12 14 15 1 2 3

16 8

CLK RST

Q1 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 Q13 Q14

VCC GND

d50

Ud4

4511

7 1 2 6

3

4 5

13 12 11 10 9 15 14 16 8

A B C D LT

BI LE

a b c d e f g VDD GND

3

4 5

13 12 11 10 9 15 14 16 8

A B C D LT

BI LE

a b c d e f g VDD GND

d53

e3

e54 d23

d54

d22

e37 d7

d46

d20

e54 e16

9 7 6 5 3 2 4 13 12 14 15 1

16 8

CLK RST

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q12

VCC GND

d24

v ccd d23

d21

e55 e18

gd d29

e56 e21

3 2 6 7 12 13 16 8

A B C D UP DN LOAD CLR

QA QB QC QD CO BO VCC GND

4 5 3

13 12 11 9 15 14 16

8

D0 D1 D3 BI/RBO RBI LT

A B D E F G VCC

d55

e7 e2

d27

d47

d26

e41 d12

d29

d47

d27

e42 d13

d54 d32

gd

Cd3 104

e9 e4

e47 e28

d48

e12 e7

d33

e32 e19

d55

d39

e48 d17

d48

Jd1

CON2

1 2

e13 e8

d34

e33 e21

4 5 3

13 12 11 10 9 15 14 16

8

D0 D1 D2 D3 BI/RBO RBI LT

A B C D E F G VCC

GND

d18

gd

Trang 26

Modul 4: Được thiết kế bao gồm 8 IC đó là 1 IC 74LS151, 1 IC 74LS93, 2 IC

74LS138, 1 IC 2764, 1 IC 6264, 1 IC DAC 0808, 1 IC ADC 0809, 1 IC 741

Trang 27

SWd4 TB4

Trang 28

f 31 h15

12 9 11 5 10 2

QC

VCC GND R01

f 37

f 35 h19

6 22

12 16

26 28 1 3 5

25 23

CLK

OE EOC D0 D2 D4 D6

START ALE

A0 A2

11 9 7

6

16 8

D0 D2 D4 D6 A C G

Y

VCC GND

f 1

h5

v ccf h2

h35

f 38

Cf 8 104

f 36 h20

11 13 16 18

28 22

20

A0 A2 A4 A6 A8 A10 A12

D0 D2 D4 D6

VCC GND OE WE CS1

f 3

h12 gf

Uh4 LM741

3

2 6

7 9 10 12

15 2

4 16

VREF D0 D2 D4 D6

R GND OUT C

15 13 11 9 16

8

6 5

A C

Y 0

Y 2

Y 4

Y 6 VCC GND

G1 G2A

11 13 16 18

28 22

27 1 20

A0 A2 A4 A6 A8 A10 A12

O0 O2 O4 O6

VCC GND OE PGM VPP CE

15 13 11 9 16

8

6 5

A C

Y 0

Y 2

Y 4

Y 6 VCC GND

G1 G2A

h43

f 47

Rh4 10K

f 33

h45

Trang 29

Trang 30

Modul 5: Được thiết kế bao gồm 3 IC đó là 2 IC 74LS194, 1 IC 74LS139 và 2

contact mỗi con có 8 vị trí ON/OFF

 Các contact khi gạt sang vị trí OFF ngõ ra sẽ được nối GND và gạt sang

vị trí ON ngõ ra sẽ lên mức cao

SWd5 TB5

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	3,79 MB