bài tập lớn môn vi mạch tương và vi mạch số

bài tập lớn môn vi mạch tương và vi mạch số trường đại học công nghiệp hà nội Trong thời đại ngày nay, việc tự động hóa trong quá trình sản xuất và ứng dụng mang một ý nghĩa hết sức to lớn, có thể nói ngành kỹ thuật điện điện tử là ngành đánh giá sự phát triển công nghiệp của thế giới nói chung và một quốc gia nói riêng. Sự tự động hóa trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiếp cận thâu tóm thị trường. Những chỉ số đó là những mục tiêu mà các doanh nghiệp muốn hướng đến và cải thiện. Vì tầm quan trọng quá to lớn như vậy nên là sinh viên chuyên ngành điện, chúng tôi càng phải trau dồi kiến thức cho mình để có nền tảng phát huy tính sang tạo sau này phát triển đất nước . Động cơ là một thiết bị phổ biến, được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ. Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER trên cơ sở lý thuyết. Chúng em cũng chân thành cảm ơn đến cô: TS.Đào Thị Mai Phương đã giảng dạy chúng em kiến thức bổ ích về bộ môn “Vi mạch tương tự và vi mạch số’’ Tuy vậy do lượng kiến thức có hạn , trong thời gian ngắn nên đề tài của nhóm em còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô giúp đỡ thêm. Chúng em xin chân thành cảm ơn 

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Nhóm thực hiện: Nhóm 13 Danh sách sinh viên trong nhóm:

1 Lê Hồng Quân

2 Trịnh Trung Kiên

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

-Giáo viên hướng dẫn

Cô Đào Thị Mai Phương

MỤC LỤC

Lời mở đầu………5

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch số bộ đếm BCD , bộ giải mã cho led 7 thanh có ca-tot chung và led thanh ……… 6

I Mạch số 1 Khái quát………6

1.1 Cách chuyển đổi số giữa các hệ đếm ………6

2 Bộ mã hóa và bộ giải mã………7

2.2.1Bộ mã hóa nhị - thập phân ( bộ mã hóa BCD)………

2.2.2Bộ giải mã nhị - thập phân ( bộ giải mã BCD)………

2.2.3 bộ giải mã cho led mã nhị thập phân (bộ giải mã BCD ) cho led 7 thanh có ca-tot chung ……….8

2.2.4 led 7 thanh ……….9

Chương 2: Thiết kế mạch đo và hiển thị tốc độ………

I Sơ đồ khối……… 12

II Hoạt động từng khối 1 Khối tạo xung………

1.1 Khối tạo xung mở cổng……… 13

1.2 Khối reset………16

1.3 Khối động cơ và Encodor……… …16

1.4 Khối cổng……… …17

2 Khối đếm ( IC 74LS190)……… ……17

3 Khối giải mã ( IC 74HC4511)……….18

4 Chia tần IC 4017……….…….19

5 Khối hiển thị……….…20

III Nguyên lý 1 Nguyên lý làm việc……… ……21

2 Tính toán thông số……… 21

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng……….21

1 Chọn thiết bị

2 Mạch proteus………

Kết luận………24

Lời mở đầu

Trong thời đại ngày nay, việc tự động hóa trong quá trình sản xuất và ứng

dụng mang một ý nghĩa hết sức to lớn, có thể nói ngành kỹ thuật điện điện tử là

ngành đánh giá sự phát triển công nghiệp của thế giới nói chung và một quốc gia nói riêng Sự tự động hóa trong sản xuất làm tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao chất lượng sản phẩm và tiếp cận thâu tóm thị trường Những chỉ số đó là

những mục tiêu mà các doanh nghiệp muốn hướng đến và cải thiện

Vì tầm quan trọng quá to lớn như vậy nên là sinh viên chuyên ngành điện, chúng tôi càng phải trau dồi kiến thức cho mình để có nền tảng phát huy tính sang tạo sau này phát triển đất nước

Động cơ là một thiết bị phổ biến, được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực, chính vì thế việc đo tốc độ động cơ là vô cùng quan trọng để tính toán sử dụng động cơ Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu, tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài ĐO TỐC ĐỘ BẰNG ENCODER trên cơ sở lý thuyết

Chúng em cũng chân thành cảm ơn đến cô: TS.Đào Thị Mai Phương đã

giảng dạy chúng em kiến thức bổ ích về bộ môn “Vi mạch tương tự và vi mạch số’’

Tuy vậy do lượng kiến thức có hạn , trong thời gian ngắn nên đề tài của nhóm em còn nhiều thiếu sót, kính mong thầy cô giúp đỡ thêm

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 Tìm hiểu chung về mạch số, Bộ đếm BCD, bộ giải mã cho LED 7 thanh có

Ca-tot chung và led 7 thanh

I MẠCH SỐ

1 Khái quát

Trong cuộc sống và toán học có 4 hệ đếm cơ bản : hệ đếm thập phân (hệ đếm 10),hệ đếm nhị phân (hệ đếm 2),hệ đếm thập lục phân(hệ đếm 16)và hệ đếm bát phân (hệ đếm 8)

- Hệ đếm thập phân sử dụng 10 chữ số từ 0 đến 9 thường sử dụng trong toán học và đời sống , ký hiệu là hệ đếm D(decimal)

- Hệ đếm nhị phân sử dụng 2 chữ số là 0 và 1 ,thể hiện không có và có còn trong mạch điện tương ứng với có điện áp mức thấp (L) hay mức cao (H), hệnày thường dùng trong máy tính số , ký hiệu là B(binary)

- Hệ đếm thập lục phân sử dụng 10 chữ số từ 0-9 của hệ 10 và các chữ cái A đến H để mô tả vậy tổng cộng có 16 chữ số

1.1 Cách chuyển đổi số giữa các hệ đếm

- Đổi số hệ nhị phân sang hệ thập phân (hệ 2 sang hệ 10)

Quy tắc cộng các số 2i có hệ số bằng 1 với nhau

- Đổi số thập phân sang hệ nhị phân (hệ 10 sang hệ 2)

Quy tắc lấy số hệ đếm 10 chia cho 2 đến khi thấy thương là số 0

- Đổi số hệ nhị phân sang hệ thập lục phân (hệ 2 sang hệ 16)

Quy tắc nhóm số hệ 2 thành nhóm 4 bit bắt đầu từ bit có trọng số thấp nhất (bênphải)

- Đổi số hệ thập lục phân sang hệ nhị phân (hệ đếm 16 sang hệ 2)

Quy tắc mỗi hệ 16 là 1 nhóm 4 bit cua hệ số 2 , chuyển số hệ 16 sang số hệ 10, chuyển số hệ 10 thành 1 nhóm 4 bít của hệ 2.

- Đổi số hệ thập phân sang hệ thập lục phân (hệ 10 sang hệ 16)

Quy tắc lấy số hệ 10 chia liên tục cho 16, các số dư của mỗi lần chia (từ 0-FH)

là các chữ số của số hệ 16 tương ứng số dư cuối cùng là chữ số có trọng số cao nhất

- Đổi số hệ thập lục phân sang hệ thập phân (hệ 16 sang hệ 10)

Quy tắc cộng các số n.16i với nhau , trong đó n là các chữ số từ 0 đến Fh

2.2 Bộ mã hóa và bộ giải mã

2.2.1 Bộ mã hóa nhị - thập phân ( bộ mã hóa BCD )

Bộ mã hóa nhị thập phân là bộ mã hóa có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD ( Binary CodeDecimal)

Trong khi chỉ cần mã hóa 10 số vậy còn dư 6 tổ hợp

ứng với mỗi tổ hợp biến ra chỉ có 1 biến vào có giá trị logic 1là chữ số cần mã hóa trong thời điểm đó

các bít của mã nhị phân ký hiệu A,

các bít D C B A 8 4 2 1

dùng cổng NAND A=y1+……

Bộ mãhóa(BCD)

2.2.2 Bộ giải mã nhị -thập phân (Bộ giải mã BCD)

Bộ giải mã có 4 cửa vào là 4 bit thập phân

Ký hiệu chúng theo trạng thái giảm dần là D,C,B,A

Có các cửa ra là 10 số hệ thập phân 0-9 và từ y0-y9

ứng với mỗi tổ hợp biến vào chỉ có 1 biến ra xuất hiện

quy định mức thấp là mức 0 mực tích cực biến ra

6 tổ hợp biến vào không sử dụng ảnh hưởng đến trạng thái các biến ra nên đánh dấu x

Bảng chân lý bộ mã hóa BCD theo mã 8421

2.2.3 Bộ giải mã nhị - thập phân ( bộ giải mã BCD) cho led 7 thanh có ca-tot chung:

Với led 7 thanh ca-tot chung ta dùng bộ giải mã đó là IC 74HC4511

Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and , or , việc thiết

kế một mạch như vậy không hẳn là quá khó ,chỉ cần xây dựng mạch tổ hợp là chúng ta hoàn toàn có thể làm được ,nhưng điều đó khiến chúng ta mất thời gian ,không đảm bảo chất lượng sử dụng , =>dùng IC tích hợp cho tiện

- Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :

-Chú ý là loại này dùng cho led 7 vạch loại ca-tôt chung có nghĩa là tất cả ca-tôt của led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led sẽtích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led sang

- 4511 Có 16 chân

- Chân 16 luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất

- Chân 1,2,7,6 là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là dạng 1,0,1,0…

- 7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch

- Chân số 5 là chân dùng để điều khiên tế bào nhớ ,chân này = 0 thì IC hoạt động bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đếnkhi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu ra lại tiếp tục hoạt động (nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng khi nó = 1tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục vào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định )

- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất

- Chân số 3 nếu =0 thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1

- Chân số 4 thì có tác dụng ngược lại chân số 3

2.2.4 LED 7 THANH

1 LED 7 đoạn hay LED 7 thanh (seven segment display )là 1 linh kiện rất phổ

dụng , được dùng như là 1 công cụ hiển thị đơn giản nhất , và trong các thiết bị ,

để báo trạnh thái hoạt động của thiết bị đó cho người sử dụng với thông số chỉ

là dãy số đơn thuần , thường người ta sử dụng “led 7 đoạn “ Led 7 đoạn được

sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp , chỉ cần 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

Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau có dạng thanh xếp hình 8 vì vậy mà có tên là LED 7 đoạn là vậy , 7 LED đơn được mắcsao cho nó có thể hiển thị được các số từ o đến 9 và 1 vài chữ cái thông dụng ,

để phân cách thì người ta còn dùng thêm 1 LED đơn hình tròn nhỏ thể hiệ n dấu chấm tròn ở góc dưới , bên phải của led 7 đoạn để hiển thị dấu chấm (dot) Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A-B-C-D-E-F-G , và dấu chấm dot

Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ cần cấp nguồn vào chân đó

là led sẽ sáng như mong muốn

2 Thông số :

LED 7 thanh dù có nhiều biến thế nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2 loại

đó là :

+ chân Anode chung (Chân + các led được mắc chung lại với nhau )

+ chân Catode chung (Chân – các led được mắc chung với nhau )

và đưa các chân nối với nhau vào 1 điểm , được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng , cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện nếu led 7 đoạn có Anode (cực +) chung , đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn , led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0

Nếu led 7 đoạn có cathode (cực -) chung , đầu chung này được nối xuống

ground (hay mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn , led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

3 Trở hạn dòng :

Trong các mạch thì thường dụng nguồn 5V nên để tránh việc đốt cháy led thì cách đơn giản nhất là mắc thêm trở hạn dòng

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn , do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối vóinguồn 5V có thể hạn dòng bằng điệ n trở 330 (ôm) trước các chân nhận tín hiệu điều khiển.

4 Mã led cho led 7 thanh

Mã led 7 đoạn catotde chung muốn thanh nào sáng ta xuất ra chân anode của led đơn đó mức 1 bảng giải mã

F 1 0 0 0 1 1 1 0 8E

Chương 2 Thiết kế sơ đồ mạch

Hiển thị đơn

vị qua led 7

thanh

Mạch giải mã BCD dùng 4511

Khối cổng Động cơ và

encoder

Hiển thị chục qua led 7

thanh

Mạch đếm hang chục dùng IC74LS190

Mạch giải mã BCD dùng 4511

Khối mở cổng và reset

Hiển thị trăm qua led 7

thanh

Mạch giải mã BCD dùng 4511

Mạch đếm hang trăm dùng IC74LS190 Khối tạo xung

dùng IC555

Khối đếm: Gồm các IC 74LS190 được ghép nối với nhau để tạo thành các hệđếm phù hợp.

Khối giải mã: Gồm các IC 74HC4511 để giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu sau giải mã bằng LED 7 thanh

Ngoài ra có 2 nút ấn:

+ Nút bấm START: Gồm 1 nút ấn, khí ấn sẽ cấp xung từ IC555 cho IC 74LS190

+ Nút reset: Đặt lại toàn bộ hệ thống về thời điểm ban đầu

II.Hoạt động của từng khối:

1.Khối tạo xung:

1.1.Khối tạo xung mở cổng

Khối tạo xung mở cổngBao gồm 1 IC555 dùng để tạo xung,1 IC 4017 để chia tần,1 cổng NOT, 1 cổng

AND Và một số linh kiện khác

IC 555

Thứ tự các chân của IC 555

 Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng.

 Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức

nguồn nuôi

 Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng

xung, không ở mức áp thấp thì ở mức áp cao

 Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp trên

chân 3 ở mức thấp, hay hoạt động

 Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn

số 7 là một khóa điện đóng/mở (transistor bão hòa/ngưng dẫn) theo mức áp

trên chân số 3 Chân số 3 là ngả ra và là ngả ra một tầng Flip Flop, nên tín hiệu trên chân 3 có dạng xung (mức áp chỉ xác lập ở trạng thái cao hay thấp) Chân 4 là chân Reset, khi chân 4 ở mức áp thấp nó ghim chân 3 luôn

ở mức áp thấp, chỉ khi chân 4 ở mức áp cao, lúc đó trạng thái mức áp trên chân số 3 sẽ theo tác động của tầng Flip Flop

- Chú ý trong mạch này, chân số 2 cho nối vào chân số 6 IC 555 đã được ráp thành mạch dao động (A-Stable) Tần số xung ra trên chân 3 sẽ tùy thuộc vào trị số các điện trở RA, RB và tụ C Trên chân 5 có thể mắc thêm tụ lọc 0.01uF để ổn định điện áp của các mức áp ngưỡng Trạng thái ra trên chân

số 3 sẽ tùy thuộc vào mức áp cao trên chân 4 cho dao động và mức áp thấp trên chân 4 (bị ghim ở mức thấp).

Encoder:1 xung/vòng

1.4.Khối cổng:

Nhiệm vụ: Cho tín hiệu đi qua trong 1 thời gian nào đó, tín hiệu mở được lấy ra

từ khối xung mở cổng

Chọn linh kiện :AND, NOT

Khi tín hiệu ở 2 chân của hàm AND ở mức 1 sẽ cho tín hiệu đi qua vào bộ đếm

2 Khối đếm (IC 74LSl90)

IC 74LS190 là một IC tạo mã BCD rất thông dụng trong các mạch điện tử:

+ Các chân 16 (VCC) nối với dương nguồn, GND(8) nối mass

+Các chân P0, P1 , P2, P3 quy định mã BCDban đầu được load vào mạch, và các chân: Q0 ,Q1 ,Q2 ,Q3 nối với bộ giải mã BCD

+ Chân 4 (CE): Tích cực ở mức thấp, khi chân ở mức thấp IC hoạt động, khi ở mứccao các chân ra nối với cao trở

+ Chân 5 (U/D): Chọn cách đếm lên (tăng dần giá trị ) hoặc đếm xuống ( giảm dần giá trị)

+ Chân 11( PL): Khi ở mức thấp, IC thực hiện load giá trị vào ở các chân

(Q0 ,Q1 ,Q2 ,Q3) khi kích lên mức cao IC mới thực hiện đếm

+ Chân 13 (RC): Chân dữ liệu nối tiếp, một xung sẽ được tạo ra khi IC đếm tiến (tại thời điểm từ 9 – 0) hoặc khi IC đếm lùi (tại thời điêm từ 0 – 9).

+ Chân 14( CP): Chân nhận xung clock vào, mỗi lần có một xung kích vào tại sườn dương (từ mức thấp lên cao) mã BCD lại thay đổi tăng hoặc giảm một giá trị.+ Chân 12( TC): Khi CE ở mức thấp, chân TC có nhiệm vụ cấp xung Khi RC ở mức thấp, TC lên mức cao và ngược lại Khi CE lên mức cao, RC được kéo lên mức cao

3.Khối giải mã(IC 74HC4511)

IC 74HC4511 là loại IC có chức năng ngược lại với mạch mã hóa Mục đích sửdụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết quả ởdạng chữ số do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên cónhiều mạch giải mã khác nhau

- Hoạt động:

+ Chân 1, 2, 6, 7 (D1 , D2 , D3 , D4): Nhận mã BCD vào

+ Chân 3, 4, 5 (LT, BI, LE): Tích cực mức thấp

+ Chân 8 (GND) nối mát, 16 (VCC) nối dương nguồn (+5 V)

+ Chân 13, 12, 11, 10, 9, 15, 14 (Qa , Qb ,Qc ,Qd ,Qe ,Qf ,Qg): Chân xuất dữ lieu vào led 7 thanh Sử dụng cho led 7 thanh Catot chung.

+ Chân 13(E): Tích cực mức thấp

+ Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset

+ Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp

5 Khối hiển thị.

Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con số Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led.

II Nguyên lí.

1 Nguyên lý làm việc.

Nguyên lí đo tốc độ động cơ:

Nhấn nút “START” để bắt đầu quá trình( không nên đo ngay khi vừa khởi độngmạch vì các phần tử khởi động chưa hoạt động ổn định kết quả đo không chínhxác) Lúc này xung đi ra từ mạch tạo xung sẽ được đi qua IC 4017 tạo thành xung

mở cổng đến 1 chân của hàm logic AND tại đây kết hợp với tín hiệu ra của encoder

và cổng AND tín hiệu đi qua vào khối đếm , giải mã và hiển thị trên bộ led 7 thanhchính là tốc dộ của động cơ

Muốn thu được kết quả chính xác ta nên đo lại nhiều lần

Khi độ lại chúng ta nhấn nút “reset” để lặp lại quá trình

Yêu cầu công nghệ: đưa ra được tốc độ với đơn vị là vòng/phút ở đây ta sửdụng encoder 100xung/vòng Vì vậy bản chất của mạch đo tốc độ này là đếm xungencoder trong 1 phút Tốc độ đo được cần hiển thị là số xung encoder đếm đượcchia cho 1 được kết quả vòng/phút.(1 vòng có 1xung) Phân tích bài toán ta thấythời gian đo 1 lần để có được kết quả mất 1 phút, như vậy sẽ rất tốn thời gian,không phù hợp với nhu cầu thực tế vì vậy ta đếm xung encoder trong 0.6s, số xungđếm được chính là tốc độ động cơ đơn vị vòng/phút.

Chương 3: xây dựng chương trình mô phỏng

ở đây chúng ta sẽ xây dựng mô hình mô phỏng trên mạch proteus

1 Chọn thiết bị

Nhấn chuột trái vào biểu tượng P(pick from libraries) chương trình sẽ hiện ra 1 màn hình chọn link kiện, ta gõ tên linh kiện cần tìm vào ô trống vào ok để lấy linh kiện, bài của chúng ta cần dùng các linh kiện sau:

IC 7490, IC 7447, IC 7404(not), IC7408(and), 7seg-anot (let 7 thanh), IC 555, IC

4017, Điện trở 3wat10k, tụ điện CAP, nút bấm BUTTON, Công tắc SWITCH, motor-encoder, RESPACK-7(Trở thanh)

Sau đó ta sẽ vẽ mạch như hình sau:

2.Mạch proteus