Báo cáo: Thiết kế mạch dịch 2 chế độ: 3 điểm sáng 1 điểm tối xen kẽ và 1 điểm sáng 3 điểm tối xen kẽ trên 20 led đơn sử dụng một nút nhấn để chuyển chế độ | Môn Kỹ thuật số 1 - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58728417
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -----  - --- -
BÁO CÁO TOPIC KỸ THUẬT SỐ Đề tài:
Thiết kế mạch dịch 2 chế độ: 3 điểm sáng 1 điểm tối xen kẽ
và 1 điểm sáng 3 điểm tối xen kẽ trên 20 led đơn. Sử dụng một nút
nhấn để chuyển chế độ
GVHD: ThS. VÕ ĐỨC DŨNG
SVTH: BÙI NGHĨA- 21142328
TÔ NGỌC MINH- 22161284
NGUYỄN VĂN MINH- 22161283
NGUYỄN TRẦN HẠO MINH-22139042
NGUYỄN THỊ TƯỜNG NGUYÊN-22139042
TP. Hồ Chí Minh, 7/12/2023 lOMoAR cPSD| 58728417 LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ
tài liệu hay công trình đã có từ trước đó. Nếu có sao chép tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm
PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ
Nguyễn Trần Hạo Minh: Chuẩn bị báo cáo, thiết kế sơ đồ khối
Nguyễn Văn Minh: Chuẩn bị báo cáo, Tìm hiểu ICNE555
Tô Ngọc Minh: Tìm hiểu IC74164,Tính toán các thông số trong mạch
Bùi Nghĩa: Vẽ mạch nguyên lý, Mô phỏng mạch trên phần mềm proteus
Nguyễn Thị Tường Nguyên: Làm ppt, tìm hiểu FFD,led
MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH Bùi nghĩa 100% Nguyễn Trần Hạo Minh 100% Nguyễn Văn Minh 100% Tô Ngọc Minh 100%
Nguyễn Thị Tường Nguyên 100% lOMoAR cPSD| 58728417
1. GIỚI THIỆU CÁC IC LIÊN QUAN CÓ TRONG MẠCH CẦN THIẾT KẾ a. IC NE555 IC NE555 gồm 8 chân
Chức năng của từng chân:
Chân 1 (GND): Chân nối mass để giúp cung cấp dòng cho IC. Chân 2 (TRIG): Chân kích.
Chân 3 (OUT): Chân tín hiệu ngõ ra.
Chân 4 (RESET): Lập định mức trạng thái ra. Khi nối mass thì ngõ ra
mức thấp, khi nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tuỳ theo mức áp trên chân 2 và 6
Chân 5 (CONT): Chân điện áp điều khiển.
Chân 6 (THRES): Chân ngưỡng, là ngõ vào của 1 tầng so áp khác.
Chân 7 (DISCH): Chân xả tụ.
Chân 8 (VCC): Chân ngõ vào cung cấp nguồn. Thông số kĩ thuật: Vcc: 4,5 – 16V
Dòng tiêu thụ: 6mA – 15mA
Điện áp mức cao: 0.5 – 15V
Điện áp mức thấp: 0.03 – 0.06V b. IC 74164
IC 74164 là thanh ghi dịch 8 bit ngõ vào nối tiếp ngõ ra song song
Chức năng của từng chân: lOMoAR cPSD| 58728417
Chân 1 và 2: Ngõ vào dữ liệu.
Chân 3,4,5,6,10,11,12,13: Ngõ ra Chân 7: Chân nối mass
Chân 8: Chân ngõ vào xung CK Chân 9: Chân reset IC. Thông số kỹ thuật: Vcc: 2-6V
Điện áp ngõ vào mức cao: 1.5 - 4.2V
Điện áp ngõ vào mức thấp: 0.5 – 1.8V
Điện áp ngõ ra mức cao: 1.9 – 5.6V
Điện áp ngõ ra mức thấp: 0.1 – 0.4V
2. SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH THIẾT KẾ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA
CÁC KHỐI TRONG SƠ ĐỒ
Thiết kế sơ đồ khối: KHỐI TẠO DAO KHỐI DỊCH
KHỐI TẠO 2 ĐỘNG LED CHẾ ĐỘ KHỐI NGUỒN KHỐI HIỂN
KHỐI CHUYỂN THỊ 2 CHẾ ĐỘ
Hoạt động của các khối trong sơ đồ:
• Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho cả mạch hoạt động.
• Khối tạo dao động: Sử dụng IC NE555 để tạo ra xung clock cấp cho mạch.
• Khối dịch led: Sử dụng IC 74164 để dịch 2 trạng thái.
• Khối tạo 2 chế độ: Sử dụng 3 ngõ ra Q0, Q1và Q2 của IC 74164 để tạo ra
2 chế độ là 3 sáng 1 tắt và 1 sáng 3 tắt.
• Khối chuyển 2 chế độ: Sử dụng một nút nhấn và FF D để chuyển đổi giữa 2 chế độ.
• Khối hiện thị: Sử dụng 20 Led đơn để mô tả 2 chế độ của mạch lOMoAR cPSD| 58728417
3. MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ LÝ DO CHỌN LINH KIỆN,
TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ TRONG MẠCH a. Mạch nguyên lý
b. Lý do chọn linh kiện, tính toán các thông số trong mạch Khối tạo dao động
Chức năng: Cấp xung clock cho thanh ghi
Lựa chọn linh kiện và lý do chọn:
Để đáp ứng chức năng tạo xung, chúng em sử dụng IC NE555 và một vài
linh kiện phụ trợ khác như điện trở và tụ điện.
IC NE555 được ứng dụng rất phổ biến để tạo nên các mạch như: Mạch đơn
ổn, mạch dao dộng đa hài, mạch chia tần,… lOMoAR cPSD| 58728417
Có thể kết hợp với điện trở và tụ điện để tạo ra chu kì dao động theo ý muốn.
Hình sơ đồ chân IC NE555
Hình sơ đồ cấu tạo IC NE555 Nguyên lí hoạt động:
Ở trên mạch H đang ở mức 1 và gần bằng Vcc; L là mức 0. Sử dụng FF – RS.
Khi S = [1] thì Q = [1] và = ◻ = [0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và =◻ = [0]. Khi R = [1] thì Q = [1] và ◻ = [0].
Khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì ◻= [1], lúc này
Transistor sẽ mở dẫn, cực C sẽ được nối đất. Cho nên điện áp không nạp
vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá ngưỡng V2. Do lối ra của OP–
AMP 2 lúc này đang ở mức 0, FF sẽ không được reset. lOMoAR cPSD| 58728417
Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C. Tụ
C nạp điện áp từ 0V -> ⅓ Vcc:
Lúc này V+1(V+ OA1) > V-1. Do đó OA1 (ngõ ra của OA1) có mức logic 1(H).
V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc) . Do đó OA2 = 0
R = 0, S = 1 –> Q = 1,◻ = 0. Q = 1 –> Ngõ ra = 1.
◻ = 0 –> Transistor hồi tiếp lúc này không dẫn.
(OA viết tắt: OP – AMP)
Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp ⅓ Vcc -> ⅔ Vcc:
Lúc này, V+1 < V-1. Do đó OA1 = 0.
V+2 < V-2. Do đó OA2 = 0.
R = 0, S = 0 –> Q, ◻ sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=1, ◻=0).
Transistor lúc này vẫn không dẫn. Tụ
C nạp qua ngưỡng ⅔ Vcc:
Lúc này, V+1 < V-1. Do đó OA1 = 0.
V+2 > V-2. Do đó OA2 = 1.
R = 1, S = 0 –> Q=0, ◻ = 1.
◻= 1 –> Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !
Tụ C xả qua Rb. Với thời hằng Rb.C.
Điện áp trên tụ C giảm xuống do đó lúc này tụ C đang trong quá trình xả,
làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới ⅔ Vcc.
Tụ C tiếp tục xả từ điện áp ⅔ Vcc – ⅓ Vcc
Lúc này, V+1 < V-1. Do đó OA1 = 0.
V+2 < V-2. Do đó OA2 = 0.
R = 0, S = 0 –> Q, ◻ sẽ giữ trạng thái trước đó (Q=0, ◻=1).
Transistor vẫn đang dẫn. Tụ
C xả qua ngưỡng ⅓ Vcc:
Lúc này V+1 > V-1. Do đó OA1 = 1.
V+2 < V-2 (V-2 = ⅔ Vcc) . Do đó OA2 = 0.
R = 0, S = 1 –> Q = 1, ◻ = 0. Q = 1 –> Ngõ ra = 1.
◻ = 0 –> Transistor không dẫn -> chân 7 ở mức thấp và tụ C lại được nạp
điện với điện áp ban đầu là ⅓ Vcc. lOMoAR cPSD| 58728417
Thông số chuẩn của IC 555 sẽ được liệt kê như sau:
• Với nguồn điện áp đầu vào nằm trong dải từ 2 – 18V;
• Dòng điện tiêu thụ: 6 – 15mA;
• Công suất tiêu thụ lớn nhất (Pmax): 600mW;
• Điện áp logic đầu ra ở mức cao (mức 1): 0.5 – 15V;
• Điện áp logic đầu ra ở mức thấp (mức 0): 0.03 – 0.06V; Tính toán mạch: • Ta chọn: R1 = 10KΩ • R2 = 330Ω C1 = 47uF
• Tần số của mạch là: F = 2.85 Hz Khối dịch led
• Chức năng: Thanh ghi lưu và dịch dữ liệu.
• Lựa chọn linh kiện vì lý do: Để đáp ứng việc lưu và dịch dữ liệu cho các
led có thể hoạt động, ta có thể sử dụng thanh ghi dịch 8 bit cụ thể là IC 74164. • Chức năng các chân:
Chân A, B: 2 chân dùng để đưa dữ liệu vào, có thể ghép chung 2 chân với
nhau để IC 74164 chỉ nhận 2 trạng thái
Chân Q0 đến Q7: Các chân kết nối với các led và điện trở để đưa tín hiệu ngõ ra.
Chân CLK: Chân nhận xung Clock của IC. Để IC có thể hoạt động thì
phải có xung CK đưa vào chân này. Xung Clock sẽ được tạo ra bởi khối
tạo dao động chính là IC NE555 và ngõ ra của khối tạo dao động sẽ được
kết nối với ngõ vào xung CK của IC 74164.
Chân MR: Chân master reset dùng để reset lại hoạt động của IC, tác động
mức thấp. Khi chân này được đưa về mức thấp thì toàn bộ ngõ ra sẽ được đưa về mức thấp.
Chân GND: Chân này sẽ nối xuống mass.
Chân Vcc: Chân cấp nguồn cho IC hoạt động lOMoAR cPSD| 58728417 Hình IC74164 lOMoAR cPSD| 58728417 Hình Sơ đồ chân IC74164
Hình Sơ đồ logic của IC74164 • Bảng trạng thái:
Khi chân CLR là mức thấp thì các ngõ ra Q0 đến Q7 đều là mức thấp.
Khi xung CK tác động cạnh xuống thì ngõ ra không thay đổi trạng thái.
Khi CLR mức cao và CK tác động cạnh lên thì trong 2 ngõ vào A, B nếu có
1 ngõ vào mức thấp thì ngõ ra Q0 là mức thấp và các ngõ Q1 đến Q7 sẽ có
giá trị tương ứng từ Q0 đến Q6.
Khi CLR mức cao và CK tác động cạnh lên, nếu 2 ngõ vào đều mức cao
thì Q0 mức cao và Q1 đến Q7 có giá trị tương ứng từ Q0 đến Q6.
• Nguyên lí hoạt động của IC 74164: lOMoAR cPSD| 58728417
Khi có xung CK đầu tiên tác động cạnh lên vào chân CLK của IC thì dữ
liệu ngõ vào A và B sẽ được dịch đến ngõ ra Q0, trạng thái của các ngõ ra khác không thay đổi.
Khi xung CK tiếp theo tác động thì dữ liệu ngõ ra Q0 sẽ được dịch đến
ngõ ra Q1, dữ liệu tiếp theo từ chân A và B sẽ được dịch đến Q0, trạng
thái của các ngõ ra còn lại không thay đổi.
Cứ tiếp tục như thế đến khi xung thứ 8 tác động thì dữ liệu đầu tiên đã
được dịch đến ngõ ra cuối cùng Q7. Dữ liệu ngõ vào dịch đến Q0và dữ liệu ở Q0 dịch qua Q1.
Như vậy, dữ liệu đưa vào nối tiếp đã được lấy ra song song ở cả 8 ngõ ra
sau 8 xung CK tác động. Khi có xung thứ 9 tác động thì dữ liệu từ ngõ
vào sẽ được chuyển đến ngõ ra đầu tiên, trạng thái logic ở các ngõ ra
khác sẽ được dịch phải 1 bit, trạng thái logic ở ngõ ra cuối cùng sẽ tự động biến mất. Khối tạo 2 chế độ
Theo yêu cầu của đề tài mạch cần hoạt động theo 2 chế độ là 3 sáng 1 tắt
và 1 sáng 3 tắt. Sử dụng bảng trạng thái và dùng bìa Karnaugh để rút gọn
ta được hai hàm như sau:
Trạng thái 3 sáng 1 tắt Din Q0 Q1 Q2 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1
Din = ◻◻◻0 1 2 → cổng NAND 3 ngõ vào(A)
Trạng thái 3 tắt 1 sáng Din Q0 Q1 Q2 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
Din = ◻0 + ◻1 + ◻2 → cổng NOR 3 ngõ vào(B)
Khối chuyển đổi 2 chế độ
• Chức năng: Chuyển đổi qua lại 2 chế độ hiển thị. • Lý do lựa chọn:
74112 là IC flip-flop JK kép có tính năng J, K, đồng hồ và bộ không đồng
bộ riêng lẻ và đầu vào rõ ràng cho mỗi flip-flop. IC 74112 có điện áp làm lOMoAR cPSD| 58728417
việc đa dạng, nhiều điều kiện làm việc và giao tiếp trực tiếp với CMOS,
NMOS và TTL. Đầu ra của IC luôn đi kèm với TTL, giúp dễ dàng làm
việc với các thiết bị TTL và vi điều khiển khác. Yêu cầu cần chuyển 2 chế
độ nên chọn IC 74112 sẽ giúp mạch chuyển đổi qua lại 2 chế độ bằng
trạng thái đảo của Flip-Flop JK.
Cơ chế hoạt động: Để mạch có thể hoạt động ở 2 chế độ như trên ta sử
dụng một nút nhất để chuyển trạng thái và sử dụng flip flop D để đảo trạng thái A B Q0 Din 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1
• Giải thích bảng trạng thái:
A là chế độ 1: 3 sáng 1 tắt
B là chế độ 2: 3 tắt 1 sáng
Q0 là biến chọn chế độ A hoặc B
Din cấp cho IC 74164: Din sẽ lấy dữ liệu của A khi Q0 ở mức 1 và lấy dữ liệu B khi Q0 mức 0 AB 00 01 11 10 Q0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 Din = ◻0B + AQ0
→ 2 cổng AND , 1 cổng OR 2 ngõ vào Khối hiển thị
• Chức năng: Hiển thị kết quả thông qua led. • Lý do lựa chọn:
Để đáp ứng nhu cầu hiển thị kết quả thông qua led, ta có thể dùng led dây, led đoạn, led đơn,….
Chọn thanh led 10 đoạn vì led hiển thị rõ kết quả, độ sáng đều dễ nhìn, có
thể kết hợp nhiều đoạn để đáp ứng số ngõ ra yêu cầu. lOMoAR cPSD| 58728417 Hình LED 10 đoạn Thông số kỹ thuật:
Kích thước: dài 0.9in, rộng 0.3in, khoảng cách giữa các đoạn 0.1in. Dòng: 10mA Điện áp: 1.8V Công suất mỗi led: 18mW lOMoAR cPSD| 58728417
4. MÔ PHỎNG MẠCH TRÊN PHẦN MỀM PROTE lOMoAR cPSD| 58728417
Hình trạng thái 3 sáng 1 tắt lOMoAR cPSD| 58728417 lOMoAR cPSD| 58728417
Hình trạng thái 3 tắt 1 sáng