đồ án điện điện tử Dem 00 991

Mạch bán dẫn thể hiện sự hoạt động của cổng NOR nh hình vẽ : chỉ khi nào 2 đầu vào ở mức thấp thì đầu ra mới ở mức cao còn lai các trờng hợp khác thì đầu ra đều ở mức thấp e.. Cổng đệm

Lời Nói Đầu

- -Trải qua quá trình học tập và nghiên cứu môn học kĩthuật số tại truong chúng em đã có cái nhìn sâu hơn về mônhọc kĩ thuật xung số này và qua quá trình làm đồ án và đợc

sự giúp đỡ của cô sẽ giúp cho chúng em hiểu và tích luỹ kiếnthức về môn này nhiều hơn đồng thời biết cách vận dụngmôn học vào thực tế

Xuất phát từ những nhận định thực tế làm đồ án củamôn học Kỹ Thuật Số : “Thiết kế mạch đếm xung giải mã từ 00

đến 99 và hiển thị kết quả trên LED 7 đoạn sử dụng IC đếm

4 bit

Trong quá trình làm đồ án chúng em đã cố gắng hếtsức nhng vẫn không tránh khỏi thiếu xót vì thiếu kinh nghiệmcũng nh kiến thức chuyên môn, rất mong đợc sự giúp đỡ chỉbảo của các thầy cô giáo và sự đóng góp ý kiến của các bạn

Em xin chân thành cảm ơn cô Hoàng Thị Phơng đã tậntình hớng dẫn chúng em hoàn thành bài thiết kế này

Nam định,ngày tháng năm 2011

Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Quang

Ngô Cao Cường

Chơng 1: Cơ sở lý thuyết

1.1 Các cổng logic

1.1.1 Cổng Đảo (Inverter gate)

a Định nghĩa: NOT nó thực hiện thuật toàn lôgíc phủ

định biến

Cổng đảo còn gọi là cổng n số ở đầu vào tức là Y =

b Kí hiệu :

Kí hiệu cổng NOT trình bày nh hình vẽ cổng not chỉ có một

đầu vào và một đầu ra

U1

NOT

c Bảng sự thật:

Cổng not hoạt động theo bảng chân lý trên

d Biểu diễn cổng not bằng mạch điện và mạch bán dẫn

e D¹ng xung cæng NOT:

1.1.2.Cæng hoÆc (OR gate).

a §Þnh nghÜa : Cæng hoÆc lµ cæng l«gic c¬ b¶n nã thùc hiÖn phÐp tÝnh tæng c¸c biÕn sè ë ®Çu vµo tøc lµ :

A B

Cæng OR hai ®Çu vµo Cæng OR ba

®Çu vµo

c B¶ng sù thËt :

C¸c ®Çu vµo

§Çu ra

e D¹ng xung cña cæng OR:

1.1.3.Cæng Vµ (AND gate):

a §Þnh nghÜa :

Cæng and lµ cæng l«gÝc c¬ b¶n nã thùc hiÖn phÐp tÝnh l«gÝc cña c¸c biÕn sè ë ®Çu vµo tøc lµ

A B

Cæng AND 2 ®Çu vµo Cæng AND 3 ®Çu vµo

A B

Dạng xung của cổng AND:

Dạng sóng của cổng and đợc thể hiện nh hình vẽ

Ta có thể biểu diễn dạng sóng của cổng and nh hình trên với A,B là dạng sóng đầu vào còn Y là dạng sóng đầu ra Chỉ khi nào 2 đầu vào A,B ở mức cao thì đầu ra Y mới ở mức cao

Rc Rb

Ur

Vcc Vcc

A

DB DA

e Dạng xung của cổng NAND :

1.1.5 Cổng Hoặc Đảo(NOR gate)

a Định nghĩa :

Cổng NOR là một cổng lôgíc cơ bản nó thực hiện thuậttoán phủ định tổng lôgíc các biến số ở đầu vào Tức là Y=

b Kí hiệu :

Y

A B

Cổng NOR có thể có 2 hoặc nhiều đầu vào

d Biểu diễn cổng NOR bằng một mạch điện và một

mach bán dẫn đơn giản

Rc Vcc

Vcc

Cần chú ý tụ C trong mạch điện dùng để chống ngắn mạch nguồn 220v AC đầu vào khi các công tắc A,B đều ở trạng thái đóng.

Mạch bán dẫn thể hiện sự hoạt động của cổng NOR nh hình vẽ :

chỉ khi nào 2 đầu vào ở mức thấp thì đầu ra mới ở mức cao còn lai các trờng hợp khác thì đầu ra đều ở mức thấp

e Dạng xung của cổng NOR: A

Cổng EXOR hoạt động theo bảng chân lý trên

g Biểu diễn sự hoạt động của cổng EXOR bằng một mạch lôgíc đơn giản:

Y

B A

h Dạng xung của cổng EXOR:

1.1.6 Cổng loại trừ NOR (EXNOR GATE):

a Định nghĩa :

Cổng NOR là 1 l;oại cổng lôgíc nó có khả năng thực hiện

thuật toán phủ định tích lôgíc loại trừ của biến số đầu vào : tức là Y=

b Kí hiệu :

Y

A B

A

e Dạng xung của cổng loại trừ NOR:

1.1.7 Cổng đệm (Buffer gate).

a Định nghĩa :

Cổng đệm có tác dụng cho tín hiệu đi qua mà không hề làmthay đổi dạng sóng của tín hiệu truyền qua nó Tức là nóthực hiện thuật toán lôgíc Y=A.

Cổng đệm dùng trong trờng hợp khi ta cần một dòng điệnthúc cho tải tơng đối lớn tri số của nó vợt quá khả năng tảidòng của IC lôgíc thì ta cần phải lắp thêm một cổng đệmnằm trung gian giữa ic lôgic và tải

b Kí hiệu của cổng đệm :

Y A

Dạng sóng của A và Y luôn luôn đồng

pha với nhau

R3 R2

1.2 Các Flip Flop và ứng dụng

Mạch Flip Flop (FF) là mạch đa hài lỡng ổn tức mạch tạo

ra sóng xung vuông và có 2 trạng thái ổn định.Trạng thái của

FF chỉ thay đổi khi có xung đồng hồ tác động

FF thờng có:

-1 hoặc 2 ngõ vào dữ liệu,1 ngõ vào xung CK và có thể có ngõ vào với các chức năng khác

-2 ngõ ra thờng kí hiệu là Q (ngõ ra chính) và /Q (ngõ ra

phụ).Ngời ta thờng dùng trạn thái của các ngõ ra để chỉ trạng thái của FF.Nếu trạng thái của ngõ ra giống nhau ta nói FF ở trạng thái Cấm

Khi R=1 và S=0 (ngõ vào R tác động), chốt dợc Reset (túc là Q+=0)

- Khi R=S=1 (cả 2 ngõ vào tác động), chốt rơi vào trạng thái cấm

Q R

R

R

Q

Q S

S

S

Q

.

.

1 1

Q

 Có 2 trạng thái cấm

* Flipflop RS có ngõ vào Preset và Clear

Tính chất của FF là có trạng thái ngã ra bất kỳ khi mở máy.Trong nhiều trờng hợp, có thể cần đặt trớc ngã ra Q=1 hoặcQ=0, muốn thế, ngời ta thêm vào FF các ngã vào Preset (đặttrớc Q=1) và Clear (Xóa Q=0), mạch trở thành mạch FF RS cóngã vào Preset và Clear tác động mức thấp

Thay 2 cổng NAND cuối bằng hai cổng NAND 3 ngã vào,

ta đợc FF RS có

ngã vàoPreset (Pr) và Clear (Cl)

- Khi ngã Pr xuống thấp (tác động) và ngã Cl lên cao ngã ra

Q lên cao bất chấp các ngã vào còn lại

- Khi ngã Cl xuống thấp (tác động) và ngã Pr lên cao ngã ra

Q xuống thấp bất chấp các ngã vào còn lại

- Ngoài ra 2 ngã vào Pr và Cl còn đợc đa về 2 ngã vào mộtcổng AND, nơi đa tín hiệu CK vào, mục đích của việc làmnày là khi một trong 2 ngã vào Pr hoặc Cl tác động thì mứcthấp của tín hiệu này sẽ khóa cổng AND này, vô hiệu hóa tácdụng của xung CK

- Dùng 4 cổng NAND:

U4D

U4C

U4B U4A

+ Có 2 trạng thái đợc phép giữ nguyên và 1 trạng thái cấm

 CK: Đợc gọi là tín hiệu điều khiển hay xung đồng hồ đo

đầu vào không đồng bộ không đợc phép tích cực cùng lúcBảng sự thật của FF RS có Preset và Clear (tác động thấp) cho

ở bảng sự thật sau

Nhận thấy:khi Pr và Cl cùng 1 mức tác động nên Q+ ở trạng thái Cấm

1.2.3 Flip Flop RS chủ tớ (Master-Slaver)

Kết nối 2 FF RS thành chuỗi với 2 ngõ vào xung Ck của 2 FF cómức tác động trái ngợc nhau ta đợc FF chủ tớ

- FF Master-Slaver là loai FF đặc biệt vì nó chuyển trạng tháIcả 2 sờn lên và sờn xuống của xung CK Đồng thời nó khắcphục đợc trạng thái cấm của FF RS

- FF MS thực chất là 2 tầng của FF RS ghép lại với nhau mỗitầng hoạt động theo một sờn của xung CK Tầng thứ nhấtchuyển trạng thái ở sờn lên, tầng thứ 2 chuyển trạng tháI ở sờnxuống của xung CK

U10D U10C

U10B U10A

U1D U1C

U1B

U8A U1A

Sơ đồ FF Master-Slaver

&Hoạt động của FF Master-Slaver đợc giải thích nh sau:Do Ckscủa tầng tớ là đảo của Ckm=Ck đầu vào tầng đầu nên khiCk=1,tầng chủ giao hoán thì tầng tớ ngng,trong khoảng thờigian này,dữ liệu từ ngã vào R và S đợc đa ra và ổn định ởngã ra R và S của tầng chủ,tại thời điểm xung Ck xuống thấp,R

và S đợc truyền đến ngã ra Q và Q (hình 7.2 c)Ngã ra

Giao hoán

C k Cks

1.2.4 Flip Flop JK

FF JK đợc tạo ra từ FF RS nhng đã bỏ trạng thái cấm bằng cách

sử dụng tín hiệu hồi tiếp

U9A

U6D

S J CP K R Q _

1.2.5 Flip Flop D

Đợc thiết kế từ các FF RS (hoặc từ các FF JK) bằng cách nối 1 cổng đảo từ R qua S (hoặc từ J qua K) mà ta gọi là các ngõ vào D

2.2.1 Khái niệm về mạch cung cấp nguồn

Nhiệm vụ của mạch cung cấp nguồn là tạo ra năng lợngcần thiết để cung cấp cho các thiết bị điện và điện tử làmviệc

Thông thờng nguồn năng lợng do bộ nguồn tạo ra lànguồn một chiều lấy từ nguồn điện xoay chiều hoặc từ pinacquy

Sơ đồ khối của một bộ nguồn hoàn chỉnh:

Dao

Động

Khối đếm

GiảiMã

Hiển thị led

Sơ đồ khối mạch ổn áp

- Biến áp : để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành

điện áp xoay chiều U2có giá trị phù hợp với tải

Mạch chỉnh lu: có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoaychiều thành điện áp một chiều nhấp nhô Ut (điện áp mộtchiều có độ lớn thay đổi theo thời gian)

Bộ lọc: san bằng điện áp một chiều nhấp nhô thành

điện áp một chiều bằng phẳng U01

Bộ ổn áp (ổn dòng ): có nhiệm vụ tạo ra điện áp mộtchiều (dòng điện một chiều) ổn định Ut (It) cung cấp cho tảikhi điện áp vào U01 hoặc trị số tải thay đổi Tuỳ theo yêucầu cụ thể mà bộ nguồn có thể có đầy đủ hoặc không đầy

Đồ thị mạch chỉnh lu cầu

- Mạch chỉnh lu dùng 4 điôt D1, D2, D3, D4

- Biến áp nguồn không có điểm giữa

* Nguyên lý làm việc

- ở 1/2 chu kỳ đầu của điện áp vào ,U2 có chiều dơng trên

âm dới D1và D3 dẫn D2 và D4 khoá có dòng qua tải: +U2D1Rt D3-U2

- ở 1/2 chu kỳ sau điện áp U2 có chiều âm trên dơng dới D1vàD3 khoá D2 và D4 dẫn có dòng qua tải :+U2 D2Rt D4 -U2

nh vậy trong mỗi nửa chu kỳ có 2 diode dẫn dòng qua tải xuấthiện cả trong 2 nửa chu kỳ và đi theo một chiều nhất định

Ta có U0 là điện áp trung bình trên tải đợc xác định

2 2 2

2 sin

2

1

0

U U

m U tdt m

Sơ đồ chỉnh lu cầu diode đợc dùng rộng rãi trong thực tế

nó có u điểm là tận dụng đợc công suất của biến áp tần số U

cao hơn do đó yêu cầu lọc U thấp hơn điện áp ngợc đặt lêndiode thấp hơn

b Lọc thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải

Trong các mạch điện chỉnh lu dòng điện ra tải tuy cócực tính không đổi (dòng một chiều ) nhng giá trị (độ lớn )

của chúng thay đổi theo thời gian một cách có chu kỳ đợc gọi

là sự đập mạch của dòng điện hay điện áp sau chỉnh lu

Dùng chuỗi Fourier để phân tích dòng điện đập mạch ta có:

tdt T n t T

Bn

tdt T n t T

An

tdt T

I

t n B t

n A

2

2 cos sin

2

sin

1

sin cos

0

1 1

n

A

n

n n

- Thành phần xoay chiều có tần số  - hài bậc 1

- Thành phần xoay chiều có tần số 2 - hài bậc 2

- Để cung cấp năng lợng cho các thiết bị điện tử làm việc phải lọc bỏ các thành phần hài

Để đặc trng cho chất lợng điện áp (hay dòng điện) sau

chỉnh lu ngời ta đa ra hệ số đập mạch Kp

Nếu KP càng nhỏ thì chất lợng của bộ nguồn càng cao

Với mạch chỉnh lu 2 nửa chu kỳ Kp=0,667

Thờng dùng dùng tụ điện, điện cảm của mạch lọc tích cực để lọc bỏ các thành phần sóng hài.

+ Lọc bằng tụ điện

Sơ đồ nguyên lý

Lọc thành phần xoay chiều

Tụ C mắc song song với tải Rt thờng có trị số vài trăm F đếnvài nghìn F Khi điôt thông thì tụ C nạp điện và tích trữanăng lợng khi điôt khóa thì tụ C phóng điện qua Rt bằng cách

đó có thể giảm độ gợn sóng của điện áp ra

Nguyên lý: Khi không có tụ C điện áp trên tải có độ nhấp nhôlớn

Khi mắc tụ C // Rt trong mạch xảy ra quá trình phóng nạp:+ Từ 0  t1 điện áp sau chỉnh lu tăng tụ C đợc nạp điện từ : +nguồn tụ Cmass

+ Từ t1t2 điện áp sau chỉnh lu giảm tụ c phóng điện qua tải:+ C Rtmass-c

+ Từ t2t3 điện áp ra lớn hơn điện áp trên tụ, tụ C lại đợc nạp

điện kết quả điện áp ra trên tụ có dạng tơng đối bằng

t3

t2

00

+ ổn áp bù tuyến tính dùng IC ổn áp:

Để thu nhỏ kích thớc cũng nh chuẩn hoá các tham số củacác bộ ổn áp một chiều kiểu bù tuyến tính ngời ta chế tạochúng dới dạng vi mạch do vậy thuận tiện cho việc sử dụng

IC ổn áp có dòng ra khoảng 100mA đến vài A thậm chívài chục A, điện áp ra có thể cố định hoặc điều chỉnh đ-

ợc ,công suất tiêu tán vài w đến vài chục w tuỳ từng loại IC sửdụng ta sẽ có những thông số cần thiết

Các IC ổn áp thông dụng hiện nay là họ 78xx,79xx LM105,LM309, LM317

Các IC ổn áp đợc cấu trúc bao gồm các khối tạo điện ápchuẩn lấy mẫu, khuyếch đại so sánh, phần tử điều chỉnh,phần tử bảo vệ quá tải

+ Sơ đồ ổn áp có điện áp ra cố định dùng IC 7805

IC 7805 cho ra điện áp ổn định 5v có cực tính dơng

7805

+ Uv 7  35v

+ Ur +5v

C20,1F

C1 0,33F

1

2 3

Tụ C2 = 0,1 F để cải thiện quá trình quá độ và giữ cho điệntrở ra của mạch đủ nhỏ ở tần số cao.

7805 có Iout = 1A, Uout = +5v

2.2.3.Tính toán linh kiện cho bộ nguồn

Sơ đồ nguyên lý :

MBA cần dùng là MBA giảm áp

U1 điện áp bên sơ cấp MBA

U2 điện áp bên thứ cấp MBA

D1  D4 cầu chỉnh lu

Nguồn ra gồm 2 mức nguồn:

+12v cấp cho relơ đóng cắt khoá K

+ 5v cấp cho các IC số hoạt động

Chọn dòng tải (dòng làm việc) là 2,5A

Công suất bên thứ cấp là : P2 =U2.I2=2,5 8,5 =21,25(w)

Công suất bên sơ cấp là : P1 = 1,1 P2 (với MBA có P < 100w)P1 =U1.I1=1,1 21,25 = 22,4(w)

P

220

4 , 22

1

1

 Tiết diện hình học MBA là S hh a.b1,25. P1 1,25. 22,4 6(cm2)

 Tiết diện thuần sắt: Sts = 0,9.Shh = 0,9.6 = 5,4 (cm2)

 Số vòng dây/ vol (chọn K = 45, B = 1T)

) / ( 8 4 , 5

45

) ( 01 , 0 50

T   

Khi dòng tải là 2,5A và độ nhấp nhô có thể cho phép là 10%

= 1,2Vpp điện dung tụ đợc tính:

) ( 2 , 0 2 , 1

01 , 0 5 ,

2

.

F V

) ( 9125 , 1 825 , 3 2

2

) ( 5625 , 0 125 , 1 2

.

2

125 , 1 5 , 2 45 , 0

45

,

0

825 , 3 5 , 8 45 , 0

45

,

0

0 max

0 max

0

2

0

V U

U

A I

I

A I

I

V U

2.3 Khối tạo dao động

Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệthống,đặc biệt là đối với bộ đếm,nó quyết định các trạngthái ngõ ra Có rất nhiều mạch tạo dao động,nhng do sự thôngdụng,chúng em đã quan tâm đến mạch tạo dao động sự dụng

IC 555-đây là vi mạch định thời chuyên dùng,có thể mắcthành mạch phi ổn hay đơn ổn

2.3.1.mạch dạo động tạo xung sử dụng IC 555.

1 Mạch dao động

Mạch dao động là mạch dao động sử dụng các linh kiện

để phát ra tín hiệu xung dao động cụ thể để điều khiểnthiết bị,có nhiều dạng tín hiệu xung đợc phát ra từ mạch dao

động nh :xung sine,xung vuông,xung tam giác

2.Mạch dao động tạo xung vuông

Có nhiều cách thiết kế mạch để tao xung vuông nh mach

đa hài sử dụng transistor , dùng Opam

Mạch dao động tạo xung vuông sử dụng IC NE555 theo sơ

đồ khối (h2.1.3a)

Dựa vào sơ đồ ta nhận thấy để tạo đợc xung vuông ta chỉ cần IC 555 và 1số linh kiện phổ biến nh R,C

3.Lý do chọn mạch tạo xung sử dụng sử dụng IC NE 555N

IC NE 555N rất phổ biến,dễ tìm

Mạch tạo xung dùng IC này rất dễ làm,dễ d\giải thích,dễ hiểu nguyên lí lam viêc

Độ ổn định nhiệt làm việc cao

Khả năng cho dòng ra lớn, có khả năng cung cấp dòng đến 200

mA Điện thế nguồn nuôi cho phép biến đổi rộng từ 4,5v  16v, đầu ra tơng thích TTL, độ ổn định làm việc cao (biến

đổi 0,005% trong mỗi 0C)

chu trình làm việc có thể thay đổi đợc,

4 Tổng quan về IC NE 555 N

Chân số 1(GND): Chân nối mass để lấy dòng cấp cho ic

Chân số 2(TRIGGER) : ngõ vào của 1 tần so sánh điện áp ,mạch so sánh điện áp dùng Transistor PNP Mức áp chuẩn là2/3Vcc

Chân số 3(OUTPUT) : Trạng tháI ngõ ra chỉ xác định theo mức

điện thế cao (điện thế chân số 8) và thấp (điện thế chân

số 1)

Chân số 4(RESET) : Dùng xá lập định mức trạng thái ra Khichân số 4 nối mass thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân số 4nối vào Vcc thì trạng thai ngõ ra tuỳ vào chân số 2 và 6

Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức ápchuẩn cua IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các

điện trở ngoài cho nối mass Tuy nhiên trong hầu hết các mạch

điện ứng dụng chân số 5 nối mass qua tụ C =(0.0uF ->0.1uF),Các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn cố địnhChân số 6(THRESHOLD): Là ngõ vào của tầng so sánh điện ápkhác Mạch so sánh dùng ttransistor NPN Mức điện áp chuẩn là1/3 Vcc

Chân số 7 (DISCHAGER) : Có thể xem nh khoá điệnvà chịu

điều khiển bởi tầng logic Khi chân số 3 ở mức áp thấp thìkhoá này đóng lại , ngợc lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả cho

1 mạch R- C lúc IC 555 dùng nh một tầng dao động

Chân số 8 (VCC) : Cấp nguồn nuôi cho IC Nguồn nuôi cấpcho IC 55 trong khoang + 5v -> +15v , và mức tối đa là +18v5.Cấu tạo bên trong và hoạt động của IC555

điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc,Opam 1 có điện

áp ra là mức High (cao) hay Low (mức thấp) để làm tín hiệu R(Reset),điều khiển FF

Opam 2 là mạch khuyếch đại có ngõ In+ nhận điện áp chuẩn1/3Vcc,còn ngõ In- thì nối với chân 2.Tuỳ thuộc điện áp chân

2 so với điện áp chuẩn 1/3Vcc,Opam 2 có điện áp ở mức cao(High) hay mức thấp (Low) để làm tín hiệu S (Set),điềukhiển FF

Mạch FF là loại mạch lỡng ổn kích 1 bên.Khi chân Set có điện

áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của FF ở ngõ Q lên