Thiết kế mạch nhân 4 bit hiển thị LED | Phân tích thiết kế hệ thống | Trường Đại học Thủ Dầu Một

Lời nói đầu:
Trong thời đại công nghệ 4.0, sự ứng dụng khoa học công nghệ số vào cuộc
sống hằng của con người ngày càng rộng rãi và phát triển khiến cho cuộc sống
chúng ta hiện đại, văn minh hơn. Với sự phát triển như vậy các thiết bị điện tử
như: điện thoại, máy tính, Robot, cùng với những máy móc hết sức phức tạp khác
cho ta thấy được tầm quan trọng của môn học Thiết kế Hệ thống số.
Với đề tài thực hiện của nhóm 10: “Thiết kế mạch nhân hai số 4 bit hiển thị
trên led đơn” đã cho chúng em củng cố them những lý thuyết được học trên lớp
cũng như kinh nghiệm để thiết kế trên phần mềm mô phỏng Proteus và sau này
sẽ là thi công lắp mạch hoàn chỉnh. Mục lục:
1. Phân tích bài........................................................................................................................................3
1.1 Phép nhân hai số nhị phân 4 bit:........................................................................................................3
1.1.1 Cộng số nhị phân:.......................................................................................................................3
1.1.2 Nhân 2 số nhị phân 4 bit.............................................................................................................3
1.2 Ý tưởng xây dựng mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit..............................................................................4
1.2.1 Mạch nhân cơ bản......................................................................................................................4
1.2.2 Ý tưởng thiết kế mạch.................................................................................................................6
2. Mạch và phần tích mạch......................................................................................................................7
2.1 Khối nhập dữ liệu đầu vào.................................................................................................................7
2.1.1 CD4013B CMOS D flip-flop kép...................................................................................................8
2.2 Khối tính toán.................................................................................................................................12
2.2.1 Bộ cộng 4 bits toàn phần IC 74LS83..........................................................................................12
2.3. Khối hiển thị....................................................................................................................................16
2.3.1. Led đơn....................................................................................................................................16
Thông số LED Thông số kĩ thuật:........................................................................................................17
2.4. Khối nguồn......................................................................................................................................17
2.4.1 Tính toán nguồn cấp.................................................................................................................17
2.4.2. Tính toán điện trở phụ.............................................................................................................18
3. Kết quả...............................................................................................................................................18
3.1 Mô phỏng chạy thử trên proteus...................................................................................................19
1. Phân tích bài
1.1 Phép nhân hai số nhị phân 4 bit:
1.1.1 Cộng số nhị phân:
Ta có các trường hợp cộng các số nhị phân
1.1.2 Nhân 2 số nhị phân 4 bit
Phép tính nhân trong hệ nhị phân cũng tương tự như phương pháp làm
trong hệ thập phân. Hai số X và Y được nhân với nhau bởi những tích số của các kí
số 0 và 1 của X và Y: với mỗi con số ở X, tích của nó với số một con số trong Y
được tính và viết xuống một hàng mới, mỗi hàng mới phải chuyển dịch vị trí sang
bên trái 1 bit. Tổng của các tích cục bộ này cho ta kết quả tích số cuối cùng.
VD: 1101(13) x 0110(6) = 01001110(78) Số bị nhân x 1 1 0 1 Số nhân 0 1 1 0 Các tích từng phần 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 Kết quả 0 1 0 0 1 1 1 0
1.2 Ý tưởng xây dựng mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit
1.2.1 Mạch nhân cơ bản
Việc thực hiện bài toán nhân có thể xem như gồm 2 bước:
- Tính các tích từng phần: Thực hiện bởi các cổng AND
- Tính tổng của các tích từng phần: Áp dụng bài toán tổng chuỗi Bài toán tổng chuỗi
Dùng IC cộng 4 bit (7483 hoặc 4008) mạch nhân 2 số 4 bit sẽ có dạng:
Mạch nhân dùng IC cộng 4 bit
1.2.2 Ý tưởng thiết kế mạch Nguồn cấp Đầu vào Bộ xử lý Đầu ra (các nút trung tâm nhấn) (led đơn) A. Đầu vào.
Khối đầu vào sử dụng 4 D flip-flop kép 4013 (9 nút nhấn)
Khi khởi động tất cả 8 led đơn sáng (bit 1) sáng là 1, tắt là 0
1. Nút Reset: tắt tất cả led (bit 0)
2. 4 nút nhấn từ A1 đến A4 hiển thị 4 bit nhị phân số A: A4A3A2A1
3. 4 nút nhấn từ B1 đến B4 hiển thị 4 bit nhị phân số B: B4B3B2B1
Mỗi lần nhấn nút led sẽ bật/tắt (chuyển trạng thái từ 0 sang 1 và ngược lại) B. Bộ xử lý trung tâm.
Bao gồm 16 cổng AND và 3 IC cộng 4 bit 74LS83 C. Đầu ra.
Gồm 8 led đơn từ P1 đến P8 hiển thị kết quả: P8P7P6P5P4P3P2P1
D. Nguồn cấp: điện áp 5VDC (tính toán phía sau)
2. Mạch và phần tích mạch. Sơ đồ khối
2.1 Khối nhập dữ liệu đầu vào
2.1.1 CD4013B CMOS D flip-flop kép
Tham khảo Database CD4013B CMOS Dual D flip-flop
Thông số 4013: V =5 V DD V =0 V SS V =3.5V IHmin V =1.5 V ILmax V =4.95 V OH min V =0.05 V OLmax G(CLK) D Q Q 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 Sơ đồ chân nối: Sơ đồ logic IC Bảng chân lý IC Mô phỏng trên Proteus 2.2 Khối tính toán Sơ đồ khối
2.2.1 Bộ cộng 4 bits toàn phần IC 74LS83 Tham khảo Database IC 74LS83 Thông số 74LS83: V =4.75−5.25 V DD V =2V IHmin V =0.8V ILmax V
=2.7 V (khuyên dùng 3.5V ) OH min V =0.5 V OLmax I =0.4 mA OH I =8 mA OL Ký hiệu khối và chân ra Số chân Tên chân Mô tả 1 A4
Chân đầu vào cho mạch Adder (Bốn chân cho bốn giai đoạn) 2 Σ3
Chân đầu ra cho mạch Adder (Bốn chân cho bốn giai đoạn) 3 A3
Chân đầu vào cho mạch Adder 4 B3
Đầu vào thứ hai cho mạch Adder (Bốn chân cho bốn giai đoạn) 5 VCC Nguồn 6 Σ2
Chân đầu ra cho mạch Adder 7 B2
Đầu vào thứ hai cho mạch Adder 8 A2
Chân đầu vào cho mạch Adder 9 Σ1
Chân đầu ra cho mạch Adder 10 A1
Chân đầu vào cho mạch Adder 11 B1
Đầu vào thứ hai cho mạch Adder 12 GND Chân ground 13 C0
Chân carry - từ giai đoạn trước nếu có. 14 C4
Chân carry out nối tầng với các IC khác. 15 Σ4
Chân đầu ra cho mạch Adder 16 B4
Đầu vào thứ hai cho mạch Adder Ý nghĩa chân nối
Trong đó 2 số 4 bit vào là A4A3A2A1 và B4B3B2B1 Số nhớ ban đầu là C0
Vậy tổng ra sẽ là C4S4S3S2S1, với C4 là số nhớ của phép cộng
Ta cũng có thể nối chồng IC cộng lại với nhau để cho số bit gấp đôi. Khi đó bit MSB
(C4) của tầng đầu được nối tới ngõ vào nhớ ban đầu (C0) của tầng sau. Sơ đồ logic Bảng chân lý Mô phỏng trên Proteus 2.3. Khối hiển thị 8 led đơn 2.3.1. Led đơn
Thông số LED Thông số kĩ thuật: + Chiều dài Pin: 16mm + Đường kính: 5mm
+ Dòng tiêu thụ tối đa: 20mA
+ Dòng tiêu thụ khuyến nghị: 16mA - 18mA
+ Điện áp tham chiếu: 1.8V - 2.2V
+ Chân dài là chân dương còn chân ngắn là chân âm.
(đấu sai có thể dẫn đến cháy led) 2.4. Khối nguồn
2.4.1 Tính toán nguồn cấp
Bảng liệt kê dòng, áp cấp cho các IC sử dụng trong mạch (Tra theo
Datasheet của nhà sản xuất) IC/Linh kiện Số lượng Dòng cung cấp Áp cung cấp 4013 4 10mA 5V 74LS83 3 34mA 5V LED đơn 8 16-18mA
5V(có lắp điện trở phụ để giảm (8 vào ) nhiệt độ vào đèn) Đầu vào của Không đáng kể ( 5V CLK và SET ≈ 0.5 mA )
- Điện áp cấp cho mạch: 5V
- Dòng điện tổng cung cấp:
∑ I=10.4+34.3+16.8=270mA 
Nguồn cấp: 5V – 0,27A
Mạch nguồn thiết kế:
2.4.2. Tính toán điện trở phụ
a) Chọn điện trở cho các nút bấm: R = 10kΩ
b) Chọn điện trở phụ với LED ở khối nhập 5−2.2 R = ≈ 156 Ω min −3 18.10 5−1.8 R = =200 Ω max −3 16.10 
Chọn điện trở phụ R = 200Ω
c) Chọn điện trở phụ khối hiển thị 2.7−2.2 R = ≈ 28 Ω min −3 18.10 3.5−1.8 R = ≈ 106 Ω max −3 16.10
 Chọn điện trở phụ R = 100Ω 3. Kết quả
3.1 Mô phỏng chạy thử trên proteus
Phép tính: 1101 0110 01001110 × = 13 6 78 Phép tính: 1111 1111 × =11100001 15 15 225
Phép tính: 1001 0110 00110110 × = 9 6 54
Phép tính: 1110 1011 10011010 × = 14 11 154