Mạch đo điện áp chuyển đổi tương tự sang số ( lượng tử hóa ) tính giá trị của số nhị phân, đưa ra kết quả hiển thị

Điện áp tương tự đầu vào bên phải có thể được cấp cho các chân từ IN1 đếnIN7, nhưng IC chỉ có thể đọc điện áp của một kênh tại một thời điểm.. IC 4040IC 4040 về mặt kỹ thuật là một chip

NHÓM 8

MỤC LỤC

I Đề bài:

1.1 Mục đích và yêu cầu của đề bài……….3

II Giới thiệu về các IC và các cổng LOGIC của bài làm…… 3

2.1 Chuyển đổi tương tự số ADC (analog-digital converter)……… 3

2.2 IC ADC0808……… 5

2.3 IC 74LS688……… 9

2.4 IC 4040……… 10

2.5 IC 7408……… 11

2.6 IC 4017……… 12

2.7 IC 74LS90……… 12

2.8 LED 7 đoạn……… 15

III.Sơ đồ khối vào nguyên lý hoạt động:……… 18

3.1 Sơ đồ khối của mạch :……… 18

3.2 Nguyên Lý hoạt động:……… 18

IV.MÔ PHỎNG PROTEUS……… 20

4.1.Những linh kiện cần dùng là:……… 20

4.2 Sơ đồ mạch được mô phỏng bởi phần mềm Proteus………… 20

V Kết Luận……… 22

VI Phần nhận xét của giáo viên……… 23

I Đề bài:

Mạch đo điện áp Chuyển đổi tương tự sang số ( lượng tử hóa ).Tính giá trị của số nhị phân, đưa ra kết quả hiển thị.

1.1 Mục đích và yêu cầu của đề bài.

Đề tài nhằm mục đích giúp chúng em hiểu rõ hơn về chuyển đổi tương tự sang

số và quá trình chuyển đổi từ nhị phân sang thập phân Đặc biệt là biết kết hợp những loại IC khác nhau để thực hiện yêu cầu đề tài đặt ra

Đề tài gồm các yêu cầu:

 Xây dựng mạch chuyển đổi ADC

 Xây dựng mạch mã hóa nhị phân– thập phân

 Xây dựng mạch giải mã nhị phân – thập phân, hiển thị các số thập phân trên LED 7 thanh

 Mô phỏng trên phần mềm

II.Giới thiệu về các IC và các cổng LOGIC của bài làm.

2.1 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ ADC (analog-digital converter)

Bước thứ nhất để chuyển đổi một tín hiệu analog liên tục thành dạng digital

là đổi tín hiệu thành một danh mục các số ( Điều này được thực hiện bằng cáchlấy mẫu hàm thời gian) Danh mục các số kết quả biểu diễn cho những trị liêntục Đó là mặc dù một mẫu nào đó có thể trưng ra như là một số làm tròn,nhưng thực tế nó sẽ được tiếp tục như một số thập phân vô hạn Danh mục các

số analog sau đó phải được mã hoá thành các Code Words rời rạc Biện pháptrước nhất để hoàn tất việc đó là làm tròn mỗi số trong danh mục Ví dụ, nếu cácmẫu nằm trong khoảng từ 0 đến 10V, mỗi mẫu sẽ được làm tròn đến số nguyêngần nhất Vậy các từ mã sẽ rút ra từ 11 số nguyên ( từ 0 đến 10 )

Trong đa số các hệ viễn thông digital, dạng thực tế được chọn cho các từ mã làmột số nhị phân 0 và 1 Lý do để chọn sẽ trở nên rõ ràng khi ta bàn đến kỹ thuậttruyền chuyên biệt Trở lại ví dụ trên, converter sẽ hoạt dộng trên nhưng mẫu từ

0 đến 10V bằng cách làm tròn những trị mẫu đến Volt gần nhất, rồi đổi sốnguyên đó thành số nhị phân 4 bit ( mã BCD )

Sự chuyển đổi A/ D được xem như là sự lượng tử hoá ( quantizing ) Trong sựlượng tử hoá đều đặn, các giá trị liên tục của hàm thời gian được chia thànhnhững vùng đều đặn, và một mã số nguyên được kết hợp cho mỗi vùng Nhưvậy, tất cả các giá trị của hàm trong một vùng nào đó đều được mã hoá thànhmột số nhị phân giống nhau.

Hình 2.1.1:Sự lượng tử hóa

Hình 2.1.2 chỉ một s(t) và dạng digital của nó cho bộ đổi ADC 2 bit và 3 bit

Mách lượng tử hoá :

Có ba loại mách lượng tử hoá

1 Lượng tử hoá đếm, đếm lần lượt ứng với mỗi mức lượng tử

2 Lượng tử hoá nối tiếp, tạo ra một từ mã, từng bit một

3 Lượng tử hoá song song, tạo ra cùng lúc tất cả các bit của một từ mã hoànchỉnh

2.2 IC ADC0808

 Cấu hình pin ADC0808:

Số PIN Tên pin Sự miêu tả

1 đến 5,

27, 28

Kênh tương tự 1 đến 5 7 chân này là các chân đầu vào cho điện

áp Analog (cảm biến)

bắt đầu chuyển đổi

7 Kết thúc chuyển đổi (EOC) Đây là mã pin đầu ra tăng cao khi quá

trình chuyển đổi kết thúc

8,14,15,

18,19,2

0,21

Đầu ra (2 -1 đến 2 -7 ) Các chân kỹ thuật số đầu ra cho kết quả

của chuyển đổi ADC

9 NGOÀI RA Phải được làm cao để có được đầu ra trên

chân đầu ra

(0V-5V) khoảng 20Mhz

12 V ref (+) Pin điện áp tham chiếu, thường là + 5V

được sử dụng bình thường

16 Vref (-) Vref được kết nối với mặt đất bình

22 Cho phép chốt địa chỉ (ALE) Chốt này nên tạm thời được thực hiện ở

mức cao để chọn kênh ADC

23,24,2

5

THÊM A, THÊM B, THÊM C Ba chân này được sử dụng để chọn kênh

 Tính năng ADC0808

 Dễ dàng giao tiếp với tất cả các Bộ vi xử lý hoặc hoạt động Độc lập

 Mô-đun ADC 8 bit 8 kênh

 Có thể đo tối đa 8 giá trị Analog

 Trên clock chip không có sẵn, Bộ dao động ngoài là cần thiết (Clock)

 Đầu ra kỹ thuật số khác nhau từ 0 đến 255, Công suất hoạt động là

15mW, thời gian chuyển đổi 100us

 Khi Vref = 5V, cứ 19,53mV giá trị tương tự sẽ có một bit tăng ở phía kỹ

thuật số (Kích thước bước)

 Có sẵn trong các gói PDIP 28 chân, SOIC

 Sử dụng ADC0808 ở đâu

Các ADC0808 IC là một module ADC thường được sử dụng cho các dự án là

một ADC bên ngoài là bắt buộc Nó là mô-đun 8-bit Có nghĩa là nó có thể đo

tối đa tám giá trị ADC từ 0V đến 5V và độ chính xác khi tham chiếu điện áp

(Vref Muffpin 9) là + 5V là 19,53mV ( Kích thước bước ) Đó là với mỗi mức

tăng 19,53mV ở phía đầu vào, sẽ có tăng 1 bit ở phía đầu ra

IC này rất lý tưởng để sử dụng với các Bộ vi xử lý như Raspberry Pi , Beagle

bone, v.v Hoặc thậm chí để sử dụng như một đun ADC độc lập Mỗi

mô-đun ADC yêu cầu một clock để hoạt động; IC này yêu cầu xung clock bên

ngoài để hoạt động Do đó, nếu bạn đang tìm kiếm một mô-đun ADC với độ

phân giải 8 bit khá có thể đo được tới 8 kênh thì IC này là dành cho bạn

 Cách sử dụng ADC0808

Vì IC ADC0808 có thể đo tới tám điện áp Analog và cũng không có clock bên

trong nên hơi cần nhiều bộ phận hơn để làm cho nó hoạt động so với ADC0804

tiền nhiệm IC có thể được cung cấp bởi + 5V Vref + và cho phép đầu ra cũng

nên được cung cấp + 5V để thu được đầu ra Cấp nguồn cho V ref + với + 5V sẽkhiến IC hoạt động với kích thước bước là 19,53mV Clock bên ngoài nên đượckết nối với pin clock, đây có thể là mạch dao động hoặc chỉ có thể là một xungđược tạo ra từ MCU / MPU

Điện áp tương tự đầu vào bên phải có thể được cấp cho các chân từ IN1 đếnIN7, nhưng IC chỉ có thể đọc điện áp của một kênh tại một thời điểm Lựa chọn

kênh này có thể được thực hiện với các chân ADD A , Thanh B và Thanh C Ba bit này phải được đặt như trong bảng bên dưới để truy cập kênh

tương tự Khi kênh được đặt, kênh sẽ được bật bằng cách bật ghim chốt Địa chỉ(ALE) để tăng cao trong giây lát

Đầu ra kỹ thuật số sẽ được lấy từ các chân 2 -1 (OUT 1) đến 2 -8 (OUT 8) vàđiện áp tương tự phải được kết nối với chân V trong (+) như trong mạch Cũnglưu ý rằng một đầu khác của nguồn điện áp (cảm biến / mô-đun) cũng nên đượcnối đất với mạch để chuyển đổi ADC hoạt động Bây giờ, để Chuyển đổi ADCbắt đầu, chúng ta phải làm cho chân START lên cao ngay khi chân EOC lêncao Điều này có thể được thực hiện thông qua chương trình hoặc chúng ta cóthể đơn giản kết nối chân EOC với chân START như trong mạch bên dưới

Trong mạch trên, tôi đã sử dụng một chiết áp để cung cấp điện áp thay đổi từ0V đến 5V đến chân IN1 và điện áp hiện tại được đọc bằng vôn kế Để đọc điện

áp từ kênh một, chúng ta phải đặt A = 1 và B = 0 và C = 0 theo bảng bên dưới,điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng chân I / O của MPU /MCU Như bạn có thể thấy trong ảnh, giá trị điện áp là 2,15V và giá trị nhị phânkết quả là 01101110 Chúng ta hãy xem giá trị nhị phân này có thể được chuyểnđổi thành giá trị Analog như thế nào, vì chúng ta sẽ cần nó trong khi lập trình /thiết kế

IC 74LS688 là các bộ so sánh cường độ 8 bit Những loại thiết bị được thiết

kế để thực hiện so sánh giữa hai tám bit từ nhị phân hoặc BCD Tất cả các loạithiết bị cung cấp đầu ra P = Q

2.4 IC 4040

IC 4040 về mặt kỹ thuật là một chip truy cập gợn nhị phân 12 tầng, nói một cách đơn giản, một thiết bị sẽ tạo ra đầu ra tần số trễ được tính toán để đáp ứng với mọi xung được áp dụng ở đầu vào xung nhịp của nó Độ trễ này được tăng lên ở tốc độ 2 ^ (n) trong đó n là thứ tự pinout trong chuỗi các đầu ra của nó

 Thông số kỹ thuật chính

Các tính năng chính và thông số kỹ thuật của IC có thể được hiểu như sau:

Được đệm hoàn toàn 12 đầu ra, phân chia các clock đầu vào ở tốc độ 2 ^ (n) trong đó n = thứ tự pinout bắt đầu từ Q0 đến Q11

Trình tự đầu ra ở trên xảy ra để đáp ứng với mọi cạnh rơi của clock được áp dụng tại sơ đồ chân CP đầu vào của clock IC sẽ đáp ứng ngay cả với xung clock rơi tương đối chậm một cách hiệu quả

Một đầu vào thiết lập lại tổng thể không đồng bộ (MR) duy nhất đặt lại tất cả các đầu ra về 0 khi áp dụng logic cao, trong khi logic thấp không đổi cho phép

 Điện áp cung cấp (Vdd) = Thông thường trong khoảng từ 3V đến 15V,

18V là giới hạn tối đa

 Điện áp đầu vào (Vi) = Điện áp có thể được áp dụng tại các đầu vào như

CP, MR, v.v nên thường ở dưới Vdd hoặc nhiều nhất = Vdd + 0,5V

 Yêu cầu hiện tại hoạt động tối ưu = 50mA do có rất nhiều đầu ra được tham gia và mỗi đầu ra

Chi tiết pinout

Sơ đồ trên mô tả cấu hình sơ đồ chân của IC 4040, chúng có thể được đánh giá như được đưa ra dưới đây:

 Sơ đồ chân Q0 đến Q11 là đầu ra của IC

1 Vss là pin mặt đất

2 Vdd là pin tích cực

3 MR là sơ đồ chân thiết lập lại

4 CP là đầu vào clock

2.5 IC 7408

IC 7408 là chip cổng logic, bao gồm bốn cổng đầu vào và 2 cổng độc lập, mỗi cổng thực hiện logic và chức năng Về cơ bản, nó được sử dụng ở đâu và logic được yêu cầu, và có thể sử dụng một hoặc tất cả các cổng cùng một lúc Do độ trễ chuyển đổi nhỏ trong cổng, chip 7408 có thể được sử dụng cho tốc độ cao vàhoạt động Nó được xuất trực tiếp ra giao diện của CMOS, NMOS và TTL Nó

có thể hoạt động trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ từ 0C đến 70c Điện áp cung cấp tối đa lên đến 7V.

2.7 IC 74LS90

IC 74LS90 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số đếm lên và trongcác mạch chia tần số

Chức năng của các chân

1 Clock input 2

(CLKA) Ngõ vào xung clock 2

2 Reset 1 (R0(1)) Chân Reset 1 (Reset về 0) – Tích cực mức 1

3 Reset 2 (R0(1)) Chân Reset 2 (Reset về 0) – Tích cực mức 1

4 Not connected (NC) Không sử dụng

5 Supply voltage Chân cấp nguồn 5V (4.75V – 5.25V)

6 Reset 3 (R9(1)) Chân Reset 3 (Reset về 9) – Tích cực mức 1

7 Reset 4 (R9(2)) Chân Reset 4 (Reset về 9) – Tích cực mức 1

ba flip-flop JK tạo thành một bộ đếm không đồng bộ được điều khiển bởi đầu vào CLKB như hình bên dưới

Cấu tạo bên trong IC 74LS09

Bốn ngõ ra của IC được ký hiệu là QA, QB, QC và QD Thứ tự đếm của

74LS90 được kích hoạt bởi cạnh xuống của tín hiệu xung clock, tức là khi tín hiệu xung clock CLK chuyển từ logic 1 (mức CAO) sang logic 0 (mức THẤP) thì xem như có xung clock tác động vào mạch đếm

Các chân ngõ vào bổ sung R1, R2, R3 và R4 là các chân RESET Khi các ngõ vào RESET R1 và R2 được kết nối với logic 1, thì mạch đếm sẽ bị RESET trở

về 0 (0000) còn khi các ngõ vào R3 và R4 được kết nối với logic 1, thì mạch đếm được RESET về số 9 (1001) bất kể số đếm hoặc vị trị đếm hiện tại

Bảng hoạt động Reset và đếm của IC 74LS90 như sau:

Lưu ý: R0(1) = R1, R0(2) = R2, R9(1) = R3, R9(2) = R4.

Như đã trình bày ở trên, bên trong IC đếm 74LS90 gồm có mạch đếm chia 2 và mạch đếm chia 5 Như vậy, chúng ta có thể sử dụng một trong hai mạch đếm: hoặc chỉ mạch đếm chia 2 tần số hoặc chỉ bộ đếm chia 5 tần số hoặc kết hợp cả hai mạch đếm với nhau để tạo ra mạch đếm BCD chia 10 như mong muốn.

2.8 LED 7 đoạn.

Led 7 đoạn là 7 đèn led được sắp xếp thành hình chữ nhật như hình bên dưới

Mỗi led là một đoạn Khi mỗi đoạn chiếu sáng thì một phần của chữ số (hệ thậpphân hoặc thập lục phân) sẽ được hiển thị Đôi khi có thêm led thứ 8 để biểu thịdấu thập phân khi có nhiều led 7 đoạn nối với nhau để hiển thị các số lớn hơn10

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Mỗi đèn led 7 đoạn có chân đưa ra khỏi hộp hình vuông Mỗi một chân sẽ đượcgán cho một chữ cái từ a đến g tương ứng với mỗi led Những chân khác đượcnối lại với nhau thành một chân chung

Như vậy bằng cách phân cực thuận (forward biasing) các chân của led theo mộtthứ tự cụ thể, một số đoạn sẽ sáng và một số đoạn khác không sáng cho phéphiển thị ký tự mong muốn Điều này cho phép chúng ta hiển thị các số thậpphân từ 0 đến 9 trên cùng một led 7 đoạn

Chân chung được sử dụng để phân loại led 7 đoạn Vì đèn led có 2 chân, 1 chân

là anode và 1 chân là cathode nên có 2 loại led 7 đoạn là cathode chung (CC)

và anode chung (CA)

Sự khác nhau giữa 2 loại có thể thấy ngay ở tên gọi của nó Loại CC là các châncathode được nối chung với nhau Còn loại CA là các chân anode được nốichung với nhau Cách chiếu sáng mỗi loại như sau:

Loại CC (common cathode): Tất cả các chân cathode được nối với nhau và nốiđất, hay logic là 0 Mỗi phân đoạn được chiếu sáng bằng cách sử dụng điện trởđặt tín hiệu logic 1 (hay mức cao) để phân cực thuận từng cực anode (từ a đếng)

Loại CA (common anode): Tất cả các chân anode được nối với nhau với logic là

1 Mỗi phân đoạn được chiếu sáng bằng cách sử dụng điện trở tín hiệu logic 0(hay low) vào các cực cathode (từ a đến g)

Nói chung loại CA phổ biến hơn trong 2 loại Loại CA không thay thế được choloại CC trong mạch điện, và ngược lại vì cách nối đèn led bị đảo ngược

Tùy vào chữ số thập phân nào được hiển thị mà một bộ đèn led cụ thể sẽ đượcphân cực thuận Ví dụ để hiển thị chữ số 0, cần phải chiếu sáng 6 đoạn tươngứng là a, b, c, d, e và f Như vậy các số từ 0 đến 9 có thể hiển thị bằng 1 led 7đoạn như hình bên dưới.

Biểu diễn bằng bìa Các-nô

19

II Sơ đồ khối vào nguyên lý hoạt động:

3.1 Sơ đồ khối của mạch :

3.2 Nguyên Lý hoạt động:

Khi qua IC ADC0808, tín hiệu điện áp hình sin được chuyển thành dạng nhịphân.Điện áp tương tự đầu vào bên phải có thể được cấp cho các chân từ IN1đến IN7, nhưng IC chỉ có thể đọc điện áp của một kênh tại một thời điểm Lựa

chọn kênh này có thể được thực hiện với các chân ADD A , Thanh B và Thanh C ( Để đọc điện áp từ kênh một, chúng ta phải đặt A = 1 và B = 0 và C =

0 ) Ba bit này phải được đặt như trong bảng bên dưới để truy cập kênh tương

tự Khi kênh được đặt, kênh sẽ được bật bằng cách bật ghim chốt Địa chỉ(ALE=1) để tăng cao trong giây lát ( Để đọc điện áp từ kênh một, chúng ta phảiđặt A = 1 và B = 0 và C = 0 )

Sau đó khối đếm nhị phân và khối đếm BCD sẽ tăng cùng nhau theo xung Ck, ta nối nhị phân mà ADC0808 vừa chuyển đổi với 74LS688, số nhị phân mà ta chọn sẽ được đem so sánh với giá trị đếm nhị phân, khi 2 giá trị nhị phân đó bằng nhau sẽ có một tác động làm dừng quá trình đếm, vì 2 khối đếm BCD và đếm nhị phân tăng cùng nhau nên khi dừng lại thì khối đếm BCD sẽ cho ta giá trị BCD tương ứng với giá trị nhị phân của khối đếm nhị phân cũng chính là giá trị mà ta cần chuyển từ nhị phân

Khối so sánh

Khối chuyển đổi ADC

Khối reset định kỳ

Khối đếm nhị phần, đếm BCD

- Tới đây, mạch của chúng ta vẫn hoạt động bình thường trong trường hợp ta chỉchuyển đổi 1 số nhị phân trong một lần chạy hoặc nhiều số nhị phân nhưng số tiếp theo mà ta đo phải lớn hơn số hiện tại.

Nếu ta đo số nhỏ hơn số cũ, mạch sẽ chạy liên tục qua chu kì đếm sau nó mới dừng lại ở số mình chọn Chu kì đếm nhị phân 8 bit thì là 256 giá trị, còn của BCD 3 số thì tới 1000 giá trị, nên một khi khối đếm nhị phân qua chu kì khác thì mạch sẽ chạy sai Do đó ta cần có một khối nữa để mạch đến lại liên tục đó

thị 000000000000 bằng IC đếm thập phân 4017, khi đó cứ 10 chu kì Ck thì mới

có nửa chu kì là hiển thị 000000000000

 Khối hiển thị

III MÔ PHỎNG PROTEUS

Protues là phần mềm của hãng Labcenter dùng để vẽ sơ đồ nguyên lý, mô phỏng và thiết kế mạch điện

4.1.Những linh kiện cần dùng là:

4.2 Sơ đồ mạch được mô phỏng bởi phần mềm Proteus.

IV KẾT LUẬN

Tìm hiểu đề tài: “ Mạch đo điện áp Chuyển đổi tương tự sang số ( lượng tử

hóa ).Tính giá trị của số nhị phân, đưa ra kết quả hiển thị ” Giúp chúng em hiểu

thêm về cách thức chuyển đổi tương tự sang số ADC và về các mạch mã hóa , giải mã BCD Và tìm hiểu các họ IC ADC , IC mã hóa, giải mã, IC so sanh và đếm có trên thị trường, biết được công dụng, nguyên lý hoạt động của nó để ứngdụng vào các mạch cụ thể

Kết quả sau khi kiểm tra bằng mô phỏng thấy mạch hoạt động tốt và đảm bảo yêu cầu đặt ra của đề tài

Mạch hiển thị được các số thập phân tương ứng với điện áp đầu vào và đúngvới vôn kế đã đo Cách tính điện áp :

Ví dụ:

Giá trị nhị phân = 01101110

Chuyển đổi thành số thập phân

= ( 0 * 128) + ( 1 * 64) + ( 1 * 32) + ( 0 * 16) + ( 1 * 8) + ( 1 * 4) + ( 1 * 2) + ( 0 * 1 )

= 110

Điện áp tương tự = Giá trị thập phân * Kích thước bước

= 110 * 19,53mV

= 2,14V