Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng DFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3, 6. Yêu cầu bài toán: Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng bộ Kđ = 8, sử dụng DFF hiển thị kết quả đếm trên LED 7 thanh, có đầu ra báo khi gặp số đếm 3, 6.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ ĐIỆN TỬ - BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC KĨ THUẬT XUNG SỐ ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng Kđ = 8, sử dụng D-FF hiển thị kết đếm LED thanh, có đầu báo gặp số đếm 3, Giáo viên hướng dẫn Hà Thị Phương : Nhóm sinh viên thực hiện: Hà nội -2023 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ,cuộc sống người có thay đổi ngày tốt hơn, với trang thiết bị đại phục vụ cơng cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Đặc biệt góp phần vào phát triển ngành kĩ thuật điện tử góp phần khơng nhỏ nghiệp xây dựng phát triển đất nước Những thiết bị điện,điện tử phát triển mạnh mẽ ứng dụng rỗng rãi đời sống sản suất Từ thời gian đầu phát triển kĩ thuật số cho thấy ưu việt ngày tính ưu việt ngày khẳng định thêm Những thành tựu biến tưởng chừng khơng thể thành có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất tinh thần cho người Để góp phần làm sáng tỏ hiệu ứng dụng thực tế môn kĩ thuật xung số chúng em sau thời gian học tập thầy cô giáo khoa giảng dạy kiến thức chuyên nghành, “: Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng Kđ = 8, sử dụng D-FF hiển thị kết đếm LED thanh, có đầu báo gặp số đếm 3, “ thời gian, kiến thức kinh nghiệm chúng em cịn có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót Chúng mong giúp đỡ tham khảo ý kiến thầy cô bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .2 MỤC LỤC CHƯƠNG Tổng quan đếm 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.1 Lý chọn đề tài 1.1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.1.5 Ý nghĩa nghiên cứu .6 1.1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.2 Tổng quan đếm 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Đồ hình trạng thái .7 1.2.3 Phân loại .8 CHƯƠNG Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng Kđ = 8, sử dụng D-FF hiển thị kết đếm LED thanh, có đầu báo gặp số đếm 3, 2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 2.2 Các bước để thiết kế đếm .10 2.3 Tính tốn thiết kế khối tạo xung .11 2.4 Tính tốn thiết kế đếm 12 2.4.1 Đồ hình trạng thái .12 2.4.2 Xác định số FF 12 2.4.3 Lập bảng mã hóa bảng kích 12 2.4.4 Sơ đồ mô mạch thực 14 2.4.5 Thiết kế phần mềm altium 15 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 17 3.1 Lựa chọn linh kiện .17 3.2 Tiến hành chế tạo .18 3.2.1 Chọn mua link kiện 18 3.2.2 In mạch nhúng mạch 18 3.2.3 Khoan lỗ hàn mạch 19 3.2.4 Chạy thử nghiệm hiệu chỉnh 20 CHƯƠNG CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN .21 4.1 Đánh giá sản phẩm .21 4.1.1 Ưu điểm: 21 4.1.2 Nhược điểm: .21 4.2 Tính thực sản phẩm 21 4.3 Đề xuất cải tiến hướng phát triển 21 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ đếm Hình 1.2 Đồ hình trạng thái đếm .8 Hình 2.1 Sơ đồ tính tốn khối tạo xung dùng NE555 12 Hình 2.2 Đồ hình trạng thái hệ thống 13 Hình 2.3 Sơ đồ mô mạch proteus .16 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch .16 Hình 2.5 Đi dây altium 17 Hình 2.6 Hình ảnh mơ 3D mạch altium .17 Hình 3.1 Chọn mua linh kiện .19 Hình 3.2 Hình ảnh mạch in 19 Hình 3.3 Hình ảnh nhúng mạch 20 Hình 3.4 Khoan lỗ hàn mạch 20 Hình 3.5 Mạch sau hồn thành .21 Hình 3.6 Mạch hoạt động gặp số 21 Hình 3.7 Mạch hoạt động gặp số 21 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng mã hóa hệ thống 13 Bảng 2.2.Bảng tối thiểu D2 14 Bảng 2.3 Bảng tối thiểu D1 14 Bảng 2.4 Bảng tối thiểu D0 15 Bảng 2.5 Bảng tối thiểu Z 15 Bảng 3.1 Linh kiện sử dụng mạch 18 - CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐẾM 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.1 Lý chọn đề tài Chúng ta sống kỉ khoa học-kĩ thuật, tri thức với phát triển nhanh chóng,mạnh mẽ công nghệ thông tin khoa học ứng dụng Kĩ thuật số nằm số đó,nó phát triển nhanh ứng dụng rộng rãi lĩnh vực xã hội Chúng ta chuyển dần từ điều khiển tay sang điều khiển tự động Ngày công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ với đời hàng loạt vi mạch Sự phát triển kĩ thuật số khiến cho nhu cầu tiếp xúc với điện tử số thiếu Để xây dựng thiết bị số hồn chỉnh phải có mạch đếm,thanh ghi,bộ nhớ mạch đếm thơng số hệ thống.Mạch đếm thuận sử dụng JK-FF mạch đếm thơng dụng Chính chúng tơi lựa chọn đề tài để báo cáo 1.1.2 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Mục tiêu: Tìm hiểu mạch đếm số vấn đề liên quan Hoàn thành thiết kế-thực nghiệm thực tế,mạch hoạt động ổn định với độ bền cao Nhiệm vụ: Tìm hiểu kiến thức mạch đếm Tìm hiểu vi mạch đếm thơng dụng mạch tạo xung sử dụng IC555 Mạch giải mã hiển thị Thiết kế đếm nhị phân,thuận,đồng Kđ=10, sử dụng JK-FF hiển thị kết đếm LED thanh, có đầu báo gặp số đếm 2, 1.1.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu thiết kế đếm mạch đếm thay đổi trạng thái đếm có xung đồng hồ đưa đến, mạch đếm từ đến lại đếm ngược trở lại, có chu trình đếm 10 1.1.4 Phạm vi nghiên cứu Lý thuyết mạch đếm Mạch đếm sử dụng IC 1.1.5 Ý nghĩa nghiên cứu Nắm vững,hiểu biết mạch đếm Nâng cao kĩ thực hành,lắp ráp thiết kế mạch đếm 1.1.6 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm 1.2 Tổng quan đếm 1.2.1 Khái niệm Mạch đếm mạch dãy đơn giảm xây dựng từ phần tử nhớ phần tử tổ hợp, mạch đếm thành phần hệ thống số Bộ đếm mạch dãy tuần hồn có đầu vào đếm đầu ra, mạch có số trạng thái hệ số đếm (Kđ) Dưới tác động tín hiệu vào đếm mạch chuyển từ trạng thái đến trạng thái khác thoe thứ tự định Cứ sau Kđ lần tín hiệu vào đếm, mạch trở trạng thái xuất phát ban đầu Bộ đếm thực việc đếm dãy xung có xung điều khiển có đầu vào Do đó, xung đồng (CLK) xuất khác thời điểm xung đếm (Xđ) xuất việc đếm xung khơng thực nên mạch đếm phải có xung đếm đưa vào dãy xung đồng hay mạch đếm có đầu vào Hình 1.1 Sơ đồ đếm 1.2.2 Đồ hình trạng thái Đồ hình mơ hình mơ tả chuyển đổi trạng thái mơ tả hoạt động đếm Khi khơng có tín hiệu vào đếm ( ) mạch giữ nguyên trạng thái ban đầu (i i) có tín hiệu vào đếm (Xđ) mạch chuyển đến trạng thái kế tiếp( i i+1) Khi đếm trạng thái tác động tín hiệu vào đếm đếm trở trạng thái ban đầu đồng thời xuất tín hiệu lần Hình 1.2 Đồ hình trạng thái đếm Trong trường hợp cần hiển thị trạng thái đếm phải dùng thêm mạch giải mã 1.2.3 Phân loại Có nhiều cách phân loại đếm: * Phân loại theo cách làm việc: Bộ đếm đồng (Synchronous counter): đếm mà chuyển đổi trạng thái FF diễn đồng thời có tác động xung đếm Mọi chuyển đổi trạng thái (từ Si sang trạng thái Sj) không thông qua trạng thái trung gian (Si Sj) Xung đồng tác động đồng thời tới phần tử nhớ Bộ đếm không đồng (Asynchronous counter): đếm tồn cặp chuyển biến trạng thái Si Sj mà FF khơng thay đổi trạng thái đồng thời (Si Si’ Si’’ Sj) Xung đồng tác động không đồng thời tới FF * Phân loại theo hệ s: Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Bộ đếm có hệ số đếm cực đại, sử dụng n FF để mã hố trạng thái cho đếm khả mã hoá tối đa (Kđ = 2, 4, 8, 16 ) Bộ đếm có hệ số đếm Kđ = : Sử dụng n FF để mã hoá trạng thái cho đếm, có ( - Kđ) trạng thái không sử dụng đến Do thiết kế đếm cần phải lưu ý đến trạng thái không sử dụng tức cần phải có biện pháp làm cho đếm khỏi trạng thái cách hợp lý để trở chu trình mà phải đảm bảo đếm thiết kế đơn giản (Kđ = 3, 5, 6, 7, 10 ) * Phân loại theo mã: Quá trình đếm đếm trình thay đổi từ trạng thái đến trạng thái khác trạng thái đếm mã hoá mã cụ thể Cùng đếm có nhiều cách mã hố trạng thái khác nhau, cách mã hoá khác tương ứng với mạch thực khác Mã nhị phân, Mã Gray Mã BCD, Mã Johnson Mã vòng * Phân loại theo hướng đếm: Bộ đếm thuận (Up counter): đếm mà có tín hiệu vào đếm (Xđ) trạng thái đếm tăng lên (Si Si+1) Bộ đếm nghịch (Down counter): đếm mà có tín hiệu vào đếm (Xđ) trạng thái đếm giảm (Si Si-1) Chú ý: Khái niệm thuận nghịch tương đối chủ yếu vấn đề mã hoá trạng thái đếm Bộ đếm thuận nghịch: đếm vừa có khả đếm thuận vừa có khả đếm nghịch * Phân loại theo khả lập trình: Bộ đếm có khả lập trình: Kđ thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Bộ đếm khơng có khả lập trình: Kđ cố định, khơng thay đổi CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM THUẬN, NHỊ PHÂN, ĐỒNG BỘ KĐ = 8, SỬ DỤNG D-FF HIỂN THỊ KẾT QUẢ ĐẾM TRÊN LED THANH, CÓ ĐẦU RA BÁO KHI GẶP SỐ ĐẾM 3, 2.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống Khối nguồn K Khối tạo xung Bộ đếm Chú Thích: : Dịng lượng : Dịng tín hiệu Khối giải mã Khối hiển thị Chức khối: - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống - Khối tạo xung: Khối tạo xung có chức tạo xung nhịp để chuẩn kích cho đếm hoạt động sườn âm - Khối đếm: Tạo tín hiệu số nhị phân - Khối giải mã: Chuyển tín hiệu từ số nhị phân ngõ vào sang led đoạn - Khối hiển thị: Hiển thị kết 2.2 Các bước để thiết kế đếm Để thiết kế đếm ta tiến hành theo bước sau: Bước 1: Xác định yêu cầu tốn Phân tích u cầu đầu tìm số trạng thái Bước 2: Lập đồ hình trạng thái Căn vào yêu cầu đếm cần thiết kế như: hệ số đếm số yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mô tả hoạt động đếm Bước 3: Xác định số phần tử nhớ cần sử dụng, mã hóa trạng thái đếm theo mã cho Số phần tử nhớ xác định sau: Mã nhị phân mã Gray n ≥ log2 Kđ Mã vòng n = Kđ Mã Johnson n=1/2 Kđ Bước 4: Xác định hàm kích FF hàm ra: Dựa vào bảng chuyển đổi trạng thái, bảng để xác định phương trình kích cho FF phương trình hàm Bước 5: Vẽ sơ đồ mạch thực Từ phương trình đầu vào kích FF phương trình hàm đưa sơ đồ mạch thực 2.3 Tính tốn thiết kế khối tạo xung Hình 2.3 Sơ đồ tính tốn khối tạo xung dùng NE555 Tạo xung vuông theo công thức: F= 1.4 ⋅ C1 ( R1+ R 2) Trong đó: F: tần số (Hz) C1: tụ điện phân cực nối chân chân 2,6 R1, R2: điện trở nối chân 4,8 Dựa vào cơng thức ta chọn giá trị R1 , R 39 kΩ, giá trị tụ điện C 1là 10uF - Mức thời gian cao (T1) khoảng thời gian xung mức cao sóng đầu Thời gian cao T1 = ln2*(R1 + R2) *C1 = 0,693*(39KΩ +39KΩ) *10uF = 0,54(s) ( Chọn R1= 39kΩ, R2=39kΩ, C1= 10uF) - Thời gian thấp (T2) khoảng thời gian xung mức thấp (0V) sóng đầu Thời gian thấp T2 = ln2*R2*C1 = 0,693*10kΩ*10uF= 0,27(s) - Khoảng thời gian (T) tổng thời gian thấp thời gian cao T = ln2*(R1 +2*R2) *C1 = 0.81(s) - Tần số F = 1,44/(R1+2R2)*C1 = 1.23(Hz) Kết luận: Mạch dao động với tần số 1.23Hz với giá trị R1,R2,C1 là: 39KΩ, 39kΩ, 10uF 2.4 Tính tốn thiết kế đếm Yêu cầu toán: Thiết kế mạch đếm thuận, nhị phân, đồng Kđ = 8, sử dụng DFF hiển thị kết đếm LED thanh, có đầu báo gặp số đếm 3, 2.4.1 Đồ hình trạng thái 000 001 010 011 111 110 101 100 Hình 2.4 Đồ hình trạng thái hệ thống 2.4.2 Xác định số FF Vì hệ đếm có Kđ = nên phải sử dụng FF Chọn D-FF 2.4.3 Lập bảng mã hóa bảng kích Bảng 2.1 Bảng mã hóa hệ thống Q2Q1Q0 Q2Q1Q0 D2 D1 D0 000 001 0 001 010 010 011 1 011 100 0 100 101 1 101 110 1 110 111 1 111 000 0 Tối thiểu hàm kích sử dụng bìa Karnaugh: Bảng 2.2 Bảng tối thiểu D2 Z 1 Bảng 2.2.Bảng tối thiểu D2 J1 Q0 00 0 01 11 10 1 Q2Q1 => D2¿ Q´ Q1 Q´ +Q2 Q´ 0+Q Q´ Bảng 2.3 Bảng tối thiểu D1 Bảng 2.3 Bảng tối thiểu D1 D1 Q0 00 01 11 10 Q2Q1 => D1=Q1 Q´ 0+ Q´ Q0 Bảng 2.4 Bảng tối thiểu D0 Bảng 2.4 Bảng tối thiểu D0 D0 Q0 Q2Q1 00 01 11 10 => D0=Q´ Bảng 2.8 Bảng tối thiểu hóa Z Bảng 2.5 Bảng tối thiểu Z Z Q0 Q2Q1 00 01 11 1 10 ´ +Q ´ Q1 Q0 Z=Q2 Q1 Q Từ hàm D ta có phương trình CLK cho FF sau: CLK=CLK0=CLK1=CLK2 2.4.4 Sơ đồ mô mạch thực Sơ đồ mô đếm nhị phân, thuận , đồng Kđ=8, sử dung D-FF, có đầu báo gặp số đếm 3,6 (Trên phần mềm proteus) Hình 2.5 Sơ đồ mô mạch proteus 2.4.5 Thiết kế phần mềm altium Thiết kế sơ đồ nguyên lý Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch cách dựa vào sơ đồ mơ proteus: Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch Thiết kế PCB Sau vẽ sơ đồ nguyên lý xếp linh kiện cho hợp lý tiến hành dây: Hình 2.7 Đi dây altium Sau dây hoàn tất thu kết sau: Hình 2.8 Hình ảnh mô 3D mạch altium CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP, THỬ NGHIỆM VÀ HIỆU CHỈNH 3.1 Lựa chọn linh kiện Bảng 3.6 Linh kiện sử dụng mạch Tên linh kiện Giá trị IC 74LS47 5V IC 74LS73 2V- 15V LED 2.2V IC 74LS08 5V IC 74LS32 5V IC 74LS04 5V IC NE555 2V- 18V LED Red 5v Tụ hóa 16V 10μFF Tụ gốm 105 16V 50V Điện trở 330R 330Ω Điện trở 39kR 39kR Jack nguồn 3.92V Số lượng Chức IC giải mã cho LED 7SEG Trigger JK-FF Hiển thị giá trị số đếm Cổng logic AND,điều khiển tín hiệu mạch đếm Cổng logic OR,điều khiển tín hiệu mạch đếm Cổng logic NOT, điều khiển tín hiệu mạch đếm Tạo xung cho mạch điều khiển Hiện thị đầu báo số đếm 1,4 báo nguồn Lọc nguồn Chống nhiễu Chống cháy cho LED Tạo tần s Cổng nguồn cho mạch 3.2 Tiến hành chế tạo 3.2.1 Chọn mua link kiện Hình 3.9 Chọn mua linh kiện 3.2.2 In mạch nhúng mạch Hình 3.10 Hình ảnh mạch in