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 mạchđếm, thanh ghi, bộ nhớ… trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệthống.. Mạch đếm sử dụng họ IC 74192 là một mạch đếm kh

Khóa luận tốt nghiệp Mạch đếm đa năng

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 củaMã 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

Khóa luận tốt nghiệp Mạch đếm đa năng

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 ứngdụng rộng rãi trong các lĩnh vực của xã hội Con người đang chuyển dần từđiều khiển bằng tay sang điều khiển tự động

Nền công nghiệp đã đạt được những thành tựu nhờ ứng dụng của khoahọc kĩ thuật và công nghệ Máy móc đã thay thế con người trong nhiều côngviệc, 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 kĩthuật điện tử như hiện nay khiến cho nhu cầu tiếp xúc với lĩnh vực điện tử sốkhông thể thiếu được

Để xây dựng một thiết bị số hoàn chỉnh bao giờ cũng phải có mạchđếm, thanh ghi, bộ nhớ… trong đó mạch đếm là thông số cơ bản của hệthống Mạch đếm sử dụng họ IC 74192 là một mạch đếm khá thông dụngchúng có thể đếm tiến, đếm lùi, đếm ở các cơ số khác nhau Để hiểu rõ hơn vềcác 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

- Sử dụng vi mạch đếm cho một thử nghiệm cụ thể

+ 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 mạchđếm 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

hình sau:

(i  j) khi có tín hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển đến trạng thái kế tiếp ( i  j +1).

đếm Xđ mạch quay lại trạng thái ban đầu

Tín hiệu ra của mạch đếm chỉ xuất hiện (Y=1) duy nhất trong trường

thuận Đếm nghịch lập trìnhCó thể

Khôngthể lậptrình

Bộ đếm

Phân loại theo Kđ

Phân loại theo hướngđếm

Phân loạitheo khảnăng lập

đ 

Hình 1.3 Phân loại bộ đếm.

Bộ đếm không đồng bộ là bộ đếm tồn tại ít nhất một cặp chuyển trạngthái S

FF

Giả sử ban đầu các bộ đếm không đồng bộ ở trạng thái cân bằng ổn

sự tác động của các FF kế tiếp Quá trình tiếp tục tới khi đạt trạng thái ổn địnhmới Sj Các trạng thái trung gian giữa Si và Sj gọi là trạng thái quá độ

(a)

Các trạng thái quá độ

(b)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

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 sửdụng n FF để mã hoá các trạng thái trong cho bộ đếm thì khả năng mã hoá tối

đa là 2n

hoá các trạng thái trong bộ đếm Vì vậy khi thiết kế bộ đếm phải chú ý tới cáctrạng thái trong không sử dụng tới

3.3 Phân loại theo hướng đếm

- Bộ đếm thuận (Up Counter)

- Bộ đếm nghịch (Down Counter)

thái trong của bộ đếm tăng lên một

thái trong của bộ đếm giảm đi một

Trên thực tế người ta còn thiết kế bộ đếm thuận nghịch Bộ đếm thuậnnghịch là bộ đếm vừa có thể đếm thuận vừa có thể đếm nghịch nhưng phải cóthêm tín hiệu để điều khiển đếm thuận hay đếm nghịch

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

X Bộ đếm thuận Y

nghịch

CtnHình 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 vớicác hệ số đếm khác nhau, tuỳ thuộc tín hiệu điều khiển đưa vào nó

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:

= 1, bít tiếp theo ứng với 21 = 2, … bít già

Mã Gray là loại mã không có trọng số, 2 mã từ gần nhau chỉ khácnhau 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

để mã hoá một số thập phân Nhóm 4 chữ số này gọi là decard Để mã hoá sốthập phân nhiều chữ số người ta dùng các decard khác nhau, ví dụ decardhàng 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 1được 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:

Lê Thị Hồng Thủy 11 K31C - SPKT

III Các bước thiết kế bộ đếm

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

Hình 1.7 Các bước thiết kế bộ đếm

Bước 1: Vẽ đồ hình trạng thái của bộ đếm.

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

đếm theo mã đã cho

trong bộ đếm, n phải thoả mãn điều kiện:

- Đối với mã nhị phân và mã Gray: n  log2 K® .

K

Sau đó mã hoá các trạng thái trong của bộ đếm theo mã đã cho

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 trìnhđầu vào kích cho các FF và các phương trình hàm ra.

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

Bước 4: Sơ đồ mạch thực hiện.

Từ các phương trình đầu vào kích cho các FF và các phương trìnhhàm 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

2 0 .B: Là bít có trọng số

2 1 .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 rấtquan trọng Người ta thường sử dụng mạch chỉnh lưu cầu vì nó có chất lượngtốt, 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 dùngmáy 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 mộtchiều có độ vấp hay vẫn thay đổi Mạch đếm sử dụng nguồn một chiều ổnđịnh có điện áp +5V nên ta dùng mạch ổn áp dùng vi mạch đếm 7805 (IC7805)

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

Đ

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 xungdùng IC 555 vì:

- IC 555 rất phổ biến, dể tìm

- Mạch tạo xung dùng IC 555 đơn giản, dễ giải thích và dễ hiểu nguyên

lí làm việc của nó

2

8 7 6 5

IC 555

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 (gầnbằng 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 mátthì ngõ ra ở mức thấp, còn chân 4 nối với mức cao thì trạng thái ngõ ra phụthuộc 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 đónglại, ngược lại thì mở ra

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

từ +5V đến +15V, tối đa là 18V

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gianngưng 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 mứccao – nối với dương nguồn

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

Nguồn cung cấp cho IC là +15V

16 15 14 13 1211 10 9

IC 74192

Hình 2.6 Sơ đồ chân của vi mạch 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 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 ởđây là VCC = +5V

efg

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)

Lê Thị Hồng Thủy 21 K31C - SPKT

Hình 2.9 Led anode chung.

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

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

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

b Đèn hiển thị nét 7 thanh (đoạn)

Về cấu tạo đèn gồm 7 đoạn thẳng xếp như hình vẽ 2.11 Mỗi đoạn cóthể 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

Dùng bóng đèn thường có dây tóc cho mỗi thanh sáng Người ta đãchế 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 nhỏgọn, người ta chế tạo nhiều đơn vị như: số hàng đơn vị, số hàng chục, hàngtrăm… 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 – nchế 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 Ánhsáng phát ra, do hiện tượng kết hợp của điện tử và lỗ trống, có cường độ ánhsáng theo cường độ dòng điện qua tiếp giáp

Vì kích thước các diode khá nhỏ nên với phương pháp này ta có thểchế tạo các đèn 7 thanh khá gọn, chỉ cao vài mm Muốn có đèn lớn hơn taphải dùng kính phóng đại hoặc dùng nhiều diode cho một đoạn sáng Cácdiode 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 tấmthủy tinh xếp song song với nhau, ở giữa là dây dẫn và hỗn hợp tinh thể lỏngđược tạo thành hình dạng cần thiết (dạng điểm hoặc dạng thanh) Khi có tácđộng của điện trường thì hỗn hợp tinh thể lỏng đổi màu khiến mắt ta quan sátđược Hiển thị này rất ít năng lượng nên hiện nay dùng rất phổ biến Chúng cóthể dùng để chế tạo thành các màn hình lớn chứa hàng nghìn điểm như cácđèn 7 thanh có hình dạng như Led ở trên Khác với đèn Led, khi sử dụng LCDcần 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