Đề tài: Mạch đếm thuận | Thực tập cơ bản | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ --- ---
BÁO CÁO THỰC TẬP CƠ BẢN Đề tài:
MẠCH ĐẾM THUẬN
Giáo viên hướng dẫn: Tào Văn Cường
Mã lớp: 748513
Nhóm sinh viên thực hiện:
Mai Hồng Khởi
20233471 Điện tử 08-K68
Nguyễn Tuấn Việt
20233713 Điện tử 08-K68 Mục Lục
I. Tín hiệu số..........................................................................................................4
1. Ưu điểm của tín hiệu Digital.......................................................................4
2. Khuyết điểm của tín hiệu Digital.................................................................5 II.
CÁC CÔNG LOGIC CƠ BẢN....................................................................5 2.1.
Cổng NOT...................................................................................................5 2.2.
Cổng AND...................................................................................................6 2.3.
Cổng OR......................................................................................................7 2.4.
Cổng NAND................................................................................................8 2.5.
Cổng NOR...................................................................................................9 2.6.
Cổng EX-OR.............................................................................................10 2.7.
Cổng EX-NOR...........................................................................................10 2.8.
Sự kết hợp của các cổng logic...................................................................11 2.9.
Sự đa năng của cổng NAND và cổng NOR...............................................12 2.9.1.
Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NAND..........................12 2.9.2.
Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NOR.............................13
2.10. Ứng dụng của cổng logic...........................................................................15 III.
CÁC LOẠI IC CƠ BẢN.............................................................................16 3.1.
IC 7400......................................................................................................16 3.2.
IC 74LS90..................................................................................................18 3.2.1.
Hoạt động của 74LS90........................................................................20 3.2.2.
Cấu tạo bên trong IC 74LS90.............................................................20 3.3.
IC 7447......................................................................................................20 IV.
LED 7 THANH............................................................................................23 4.1.
Đặc tính của LED......................................................................................23 4.2.
Cấu tạo của LED........................................................................................23 4.3.
Kiểm tra LED............................................................................................24 V.
THIẾT KẾ LẮP RÁP MẠCH ĐẾM THUẬN..........................................25 5.1.
Thiết kế sơ đồ khối chức năng...................................................................25 2
a) Sơ đồ khối..................................................................................................25
b) Mô tả chức năng từng khối........................................................................26
5.2. Thực hiện từng khối với các IC đã cho.........................................................26
a) Thiết kế khối nguồn...................................................................................26
b) Thiết kế khối tạo xung nhịp.......................................................................26
c) Thiết kế khối bộ đếm thời gian..................................................................27
5.2.4. Thiết kế khối giải mã hiễn thị LED 7 thanh............................................30
5.2.5. Thiết kế khối hiển thị LED 7 thanh.........................................................31
5.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch..............................................................32
5.4. Tìm hiểu sơ đồ chân các linh kiện và bo mạch thí nghiệm...........................3
5.5. Cấp nguồn DC chạy thử và hiệu chĩnh mạch................................................34
5.6. Ghi chú..........................................................................................................35 3 I. Tín hiệu số
Tín hiệu Digital hay còn gọi là tín hiệu số là tín hiệu rời rạc không nối tiế
nhau theo từng thời điểm. Đây là tín hiệu được thể hiện bằng những con số cụ
thể trong máy tính gọi là nhị phân điện thế 0-1; thể hiện ở 2 mức cao và thấ
trong đó mức điện thế cao là 1 và mức điện thấp là 0 hay còn được hiểu với nghĩa là OFF/ON.
Hình 1.1 Tín hiệu số (digital signal)
Nói một cách đơn giản, khi ở trạng thải 0 (OFF) thiết bị ngừng hoạt đ
còn ở trạng thải 1 (ON) là thời gian thiết bị hoạt động.
Tín hiệu Digital là tín hiệu không có thật trong tự nhiên, được con người
ra bằng công nghệ nên có thể thay đổi điều chỉnh theo mục đích của mình.
Ví dụ: điều chỉnh âm thanh trong loa máy tính, điều chỉnh âm thanh ti vi; c
tăng âm lượng lớn lên hoặc nhỏ đi trong máy nghe nhạc ....; nói chung là khô
sẵn mà phải nhờ tác động của con người thông qua công nghệ.
Tín hiệu Digital được áp dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống chủ yếu
các thiết bị điện tử viễn thông ...
1. Ưu điểm của tín hiệu Digital
- Khi sử dụng tín hiệu Digital trong quả trình truyền tải sẽ giúp loại bỏ các âm. 4
- Việc sao chép các thông tin được thực hiện chất lượng hơn và không bị chế.
- Tín hiệu Digital không bị ảnh hưởng bởi điện áp và dao động nhiệt. Dù
các biến dạng tuyến tính hay không tuyến tính, digital vẫn không bị bi dạng.
- Tốc độ không làm ảnh hưởng hay gây méo dao động.
2. Khuyết điểm của tín hiệu Digital
- Tín hiệu digital được biểu thị dưới dạng số 0-1 do vậy chúng dễ bị tổn
khi truyền tải. Trong quá trình truyền âm thanh nhưng sai sót một vài b
dữ liệu cũng khiến cho âm thanh bị lỗi.
- So với tín hiệu analog, hệ thống, quy trình xử lý tín hiệu digital phức tạ tốn kém hơn rất nhiều.
- Một điểm trừ nữa của tín hiệu Digital chính là không thể cắt nối hay gh được.
Mỗi tín hiệu đều có những ưu và nhược điểm riêng. Trong cuộc sống chú
ta không thể không có tín hiệu digital để lưu trữ và xử lý thông tin. Mặc
dụng này có thể được thay thế bằng tín hiệu analog, tuy nhiên analog không
truyền tải được thông tin đi xa, do đó digital vẫn không thể thay thế. II.
CÁC CÔNG LOGIC CƠ BẢN II.1. Cổng NOT
Cổng NOT chỉ có một ngõ vào và một ngõ ra. Cổng NOT dùng để thực
phép NOT hay phép phủ định trong đại số Boole. Cổng NOT còn được gọi là ĐẢO (Inverter). 5
Hình 2.1. Ký hiệu cổng NOT Ngõ vào Ngõ ra (A) (Q) 1 0 0 1
Bảng 2.1 Bảng trạng thải cong NOT
Nhận xét: Ngõ vào và ngõ ra có mức logic trái ngược nhau. Biểu thức logic: A=A II.2. Cổng AND
Cổng AND dùng thực hiện hàm AND của 2 hay nhiều biến. Cổng AND
số ngõ vào tuy thuộc vào số biến và có một ngõ ra. Ngõ ra cổng là hàm A các biến ngõ vào.
Hình 2.2 Kí hiệu cổng AND 6 A B Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
Bảng 2.2 Bảng trạng thái cong AND Nhận xét:
Ngõ ra cổng AND chỉ ở mức cao khi tất cả các ngõ vào lên cao.
Khi có một ngõ vào bằng 0, ngõ ra bằng 0 bất chấp các ngõ vào còn lại. Biểu thức logic: Q =A. B II.3. Cổng OR
Cổng OR dùng thực hiện hàm OR của 2 hay nhiều biến. Cổng OR có số ng
tuỳ thuộc vào số biến và có một ngõ ra. Ngõ ra cổng là hàm OR của các b vào.
Hình 2.3 Ký hiệu cổng OR A B Q 0 0 0 7 0 1 1 1 0 1 1 1 1
Bảng 2.3 Bảng trạng thái cổng OR Nhận xét:
Ngõ ra cổng OR chỉ ở mức thấp khi tất cả các ngõ vào xuống thấp.
Khi có một ngõ vào bằng 1, ngõ ra bằng 1 bất chấp các ngõ vào còn lại. Biểu thức logic: Q = A + B II.4. Cổng NAND
Cổng NAND là kết hợp của cổng AND và cổng NOT. Ngõ ra của c
NAND là đảo với ngõ ra cổng AND.
Hình 2.4. Ký hiệu cổng NAND A B Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Bảng 2.4 Bảng trạng thái cổng NAND Nhận xét:
Ngõ ra cổng NAND = 1 khi có ít nhất 1 ngõ vào của nó bằng 0.
Ngõ ra cổng NAND = 0 khi tất cả các ngõ vào của nó bằng 1. 8 Biểu thức logic: Y =A .B II.5. Cổng NOR
Cổng NOR là kết hợp của cổng OR và cổng NOT. Ngõ ra của cổng NO
đảo với ngõ ra cổng OR.
Bảng 2.5 Bảng trạng thái cổng NOR A B Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
Hình 2.5 Ký hiệu cổng NOR Nhận xét:
Ngõ ra cổng NOR = 1 khi tất cả các ngõ vào của nó có giá trị 0.
Ngõ ra cổng NOR = 0 khi có ít nhất 1 ngõ vào của nó có giá trị 1. Biểu thức logic: Q =A+B II.6. Cổng EX-OR
Cổng EX-OR dùng để thực hiện hàm EX-OR. Cổng EX-OR chỉ có 2 ng vào và 1 ngõ ra. 9
Hình 2.6 Ký hiệu cổng EX-OR A B Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Bảng 2.6 Bảng trạng thái cổng EX-OR Nhận xét:
Ngõ ra của cổng EX-OR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic bằng nhau.
Ngõ ra của cổng EX-OR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic khác nhau. Biểu thức logic: Q =A⨁B II.7. Cổng EX-NOR
Cổng EX-NOR là kết hợp của cổng EX-OR và cổng NOT, dùng để thực h
hàm EX-NOR. Cổng EX-NOR chỉ có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra.
Hình 2.7 Ký hiệu cổng EX-NOR 10 A B Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1
Bảng 2.7 Bảng trạng thái cổng EX-NOR Nhận xét:
Ngõ ra của cổng EX-NOR bằng 0 khi 2 ngõ vào có mức logic khác nhau.
Ngõ ra của cổng EX-NOR bằng 1 khi 2 ngõ vào có mức logic bằng nhau. Biểu thức logic: Q =A⨁B
II.8. Sự kết hợp của các cổng logic
Các cổng logic có thể kết hợp lại với nhau để tạo ra một mạch logic
hiện một yêu cầu cụ thể nào đó. Bảng trạng thái có thể được sử dụng để xá
chức năng của một mạch tổ hợp được hiển thị bên dưới:
Hình 2.8 Mạch logic và bảng trạng thái 11
Đầu tiên, chúng ta tạo ra một bảng hiển thị tất cả các trạng thái có thể
các ngõ vào A, B, C với các cột bổ sung cho mỗi ngõ ra trung gian (D và
như ngõ ra cuối cùng (Q). Sau đó, tính ra tất cả các trạng thái ngõ ra trun
điền vào bảng như đã thấy trên Hình 2.8. Các ngõ ra trung gian này tạo thàn
ngõ vào cho cổng tiếp theo để bạn có thể sử dụng chúng để xác định trạn
logic của ngõ ra tiếp theo, trong ví dụ này là ngõ ra cuối cùng (Q)
Bảng trạng thái hay bảng chân trị ở trên cho thấy trạng thái hay mức l
của các ngõ ra trung gian D và E cũng như ngõ ra cuối cùng Q tương ứng v
logic ở các ngõ vào A, B, C.
II.9. Sự đa năng của cổng NAND và cổng NOR
Tất cả các biểu thức logic đều có thể được xây dựng thông qua các c
NOT, AND và OR. Tuy nhiên, để thực hiện các biểu thức mà chỉ dùng một
cổng NAND (hay cổng NOR), chúng ta sẽ biến đổi cổng NAND (hay cổng NO
để thực hiện các cổng logic cơ bản (AND, OR, NOT) tương đương như sau:
II.9.1. Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NAND
Hình 2.9 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NAND
II.9.2. Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NOR 12
Hình 2.10 Thực hiện các cổng logic cơ bản bằng cổng NOR
Để minh họa cho vấn đề vừa trình bày ở trên, chúng ta xem ví dụ sau đ
Biến đổi mạch logic bên dưới Hình 2.11 về dạng mạch chỉ dùng một l cổng NAND.
Hình 2.11 Mạch logic ban đầu
Chúng ta thấy rằng mạch này có 3 cổng khác nhau (NOR, AND và OR)
thi công mạch này thì cần phải có ba IC khác nhau cho mỗi loại cổng.
Để thiết kế lại mạch logic này bằng cách sử dụng cổng NAND, chúng ta
thay thế mỗi cổng bằng các cổng NAND tương đương của nó, như Hình 2.12 đây. 13
Hình 2.12 Thay thế mỗi cổng bằng các cổng NAND
Sau đó, chúng ta đơn giản mạch bằng cách xóa các cặp cổng NOT liền
(được đánh dấu X ở hình trên). Điều này có thể được thực hiện vì khi hai
NOT mắc nối tiếp nhau thì trạng thái logic ở ngõ vào và ngõ ra là giống nhau
Hình 2.13 Mạch logic sau khi đơn giản
Mạch logic cuối cùng có năm cổng NAND và chỉ dùng hai IC (với bốn c
cho mỗi IC). Rỗ ràng, mạch này tốt hơn so với mạch ban đầu vì số lượng 14
dụng ít hơn. Điều này dẫn đến việc thi công mạch sẽ dễ dảng và tiết kiệm đư phí hơn.
Tất nhiên, mạch logic ở trên cũng có thể biến đổi về dạng mạch chỉ d
một loại cổng NOR. Các bạn hãy suy nghĩ cách thực hiện nhé.
Như vậy, chúng ta thấy rằng bất kỳ một mạch logic nào cũng có thể chu
về dạng mạch chỉ dùng một loại cổng NAND hay cổng NOR. Chính vì điều
mà cổng NAND và cổng NOR được gọi là hai cổng đa năng.
II.10. Ứng dụng của cổng logic
Các ứng dụng của công logic chủ yếu được xác định dựa trên bảng trạng
của chúng, tức là phương thức hoạt động của chúng. Các cổng logic cơ bản đ
sử dụng trong nhiều mạch điện như khóa nút nhấn, kích hoạt báo trộm bằng
sáng, bộ điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống tưới nước tự động, v.v.
Ngoài ra, công logic cũng chính là các phần tử cấu thảnh nên các mạch
hợp chẳng hạn như mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch đa hợp, mạch giải đa h III.
CÁC LOẠI IC CƠ BẢN 3.1. IC 7400
IC 7400 tên đầy đủ là: 74LS00 Quad 2-Input NAND Gate. Đây là IC 4 c NAND A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Y 1 1 1 0
Bảng 3.2 Bảng chân IC 7400 15
Hình 3.1 Sơ đồ bên trong IC 7400
Hình 3.2 IC 7400 trong thực tế Số chân Tên chân Mô tả 1 A-input Gate-1 (1A) Ngõ vào A cổng số 1 2 B-input Gate-1 (1B) Ngõ vào B cổng số 1 3 Y-output Gate-1 (1Y) Ngõ ra Y cổng số 1 4 A-input Gate-2 (2A) Ngõ vào A cổng số 2 5 B-input Gate-2 (2B) Ngõ vào B cổng số 2 6 Y-output Gate-2 (2Y) Ngõ ra Y cổng số 2 7 Ground (GND) Chân nối đất 8 Y-output Gate-3 (3Y) Ngõ ra Y cổng số 3 16 9 A-input Gate-3 (3A) Ngõ vào A cổng số 3 10 B-input Gate-3 (3B) Ngõ vào B cổng số 3 11 Y-output Gate-4 (4Y) Ngõ ra Y cổng số 4 12 Y-output Gate-4 (4Y) Ngõ vào A cổng số 4 13 B-input Gate-4 (4B) Ngõ vào B cổng số 4 14 Supply voltage (Vcc) Chân cấp nguồn 5V (4.75- 5.25 V)
Bảng 3.2 Bảng chân IC 7400
Một số thông số kỹ thuật và tính năng của vi mạch 7400 bao gồm nh điều sau đây: Nguồn điện áp là 5V
Độ trễ lan truyền cho mỗi cổng sẽ là 10ns
Tốc độ chuyển đổi tối đa là 25MHz
Công suất sử dụng cho mỗi cổng là 10mW
Đầu ra có thể được giao tiếp với TTL, NMOS, CMOS.
Phạm vi điện áp hoạt động sẽ lớn
Điều kiện hoạt động rộng rãi
Không phủ hợp với các thiết kế mới sử dụng 74LS00
Một số ứng dụng của IC 7400: hệ thống báo trộm, còi cảnh báo tủ đông
thống tưới nước tự động, ... 3.2. IC 74LS90
IC 74LS90 là IC đếm thường được dùng trong các mạch số đếm lên và t các mạch chia tần số. 17
Hình 3.3 IC 74LS90 trong thực tế
Hình 3.4 Sơ đồ chân IC 74LS90 Số chân Tên chân Mô tả 1 Clock input 2 (CLKB)
Ngõ vào xung đồng hồ 2 (xung kích cạnh xuống) 2 Reset 1 (R0(1))
Chân Reset 1 (Reset về 0) – Tích cực mức 1 18 3 Reset 2 (R0(2))
Chân Reset 2 (Reset về 0) – Tích cực mức 1 4 Not connected (NC) Không sử dụng 5 Supply voltage (Vcc)
Chân cấp nguồn 5V (4.75 - 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 8 Output 3 (Qc) Ngõ ra 3 9 Output 2 (Qb) Ngõ ra 2 10 Ground (GND) Chân nối đất 11 Output 4 (Qd) Ngõ ra 4 12 Output 1 (Qa) Ngõ ra 1 13 Not connected (NC) Không sử dụng 14 Clock input 1
Ngõ vào xung đồng hồ 1 (xung kích cạnh (CLKA) xuống)
Bảng 3.3 Bảng chân IC 74LS90
3.2.1. Hoạt động của 74LS90
IC 74LS90 về cơ bản là mạch đếm thập phân MOD-10 tạo ra mã BCD ở
ngõ ra. 74LS90 bao gồm bốn flip-flop JK chủ-tớ được kết nối bên trong để c
cấp mạch đếm MOD-2 (2 trạng thái đếm) và mạch đếm MOD-5 (5 trạng thái đ
74LS90 có một flip-flop độc lập được điều khiển bởi đầu vảo CLKA và ba
flop JK tạo thành một bộ đếm không đồng bộ được điều khiển bởi đầu vảo CL
3.2.2. Cấu tạo bên trong IC 74LS90 19
Hình 3.5 Cấu tạo bên trong IC 74LS90
Bốn ngõ ra của IC được ký hiệu là QA, Qu, Qc và Qn. Thứ tự đếm
74LS90 được kích hoạt bởi cạnh xuống của tín hiệu xung đồng hồ, tức là kh
hiệu xung đồng hồ CLK chuyển tử logic 1 (mức CAO) sang logie 0 (mức TH
thì xem như có xung đồng hổ tác động vào mạch đếm.
Các chân ngõ vào bổ sung RI, R2, R3 và R4 là các chân RESET. Khi
ngõ vào RESET RI và R2 được kết nối với logic 1, thì mạch đếm sẽ bị RES
về 0 (0000) còn khi các ngõ vảo R3 và R4 được kết nối với logic 1, thì mạ
được RESET về số 9 (1001) bất kể số đếm hoặc vị trị đếm hiện tại. 3.3. IC 7447
IC 74LS47 là IC giải mã BCD sang mã led 7 đoạn dùng cho loại led 7
loại Anode chung. IC này chỉ hiển thị được các số từ 0 đến 9. Nếu giá trị B
vào lớn hơn 9 thì sẽ hiển thị các ký hiệu không có nghĩa.
IC nảy được sử dụng khi bạn cần hiện thị số trên LED 7 đoạn trong mạ
mà không cần dùng vi điều khiển, hoặc muốn tiết kiệm chân cho vi điều khiến. 20