Đề tài Thiết kế một mạch đồng hồ số dùng IC74LS90_ IC

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ۩ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2 ĐỀ TÀI: MẠCH DỒNG HỒ SỐ DÙNG IC74LS90. GVHD: HỒ KIM DÂN. SVTH: TRẦN MINH TUẤN. Lớp: CĐ - ĐT30 Khoa: Điện - Điện Tử Tuy Hòa,tháng 10/2009 TRƯỜNG CĐ CN TUY HÒA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 Họ và tên sinh viên: Lớp: Mã sinh viên: Tên đề tài: Nội dung chính đề tài: 1 2 3 4 Thời gian hoàn thành: Duyệt của bộ môn: TP. Tuy Hoà, ngày tháng năm 2009 Giáo viên hướng dẫn: (ký và ghi rõ họ tên) Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các linh kiện bán dẫn đã phần nào giảm bớt được giá thành sản phẩm bằng các linh kiện rời. Ứng dụng môn kỹ thuật số vào thiết kế các bộ phận thiết thực hằng ngày giúp chúng ta hiểu được môn kỹ thuật số làm gì và được ứng dụng vào đâu. Đồng hồ là một thiết bị rất cần thiết mà hầu như bất cứ ai cũng phải dùng tới nó. Một chiếc đồng hồ cơ, xem giờ bằng cách nhìn vào kim chỉ ở vạch chia thời gian sẽ gây khó khăn cho người mới bắt đầu sử dụng. Nhưng đối với đồng hồ số, thời gian được hiển thị rõ ràng bằng các chữ số sẽ dễ dàng sử dụng hơn. Bởi vậy, sau đây em xin thiết kế một mạch đồng hồ số dùng IC74LS90_ IC rất thông dụng trong kỹ thuật số. Trong đề tài cũng còn nhiều thiếu sót rất mong sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để được hoàn thiện hơn !. Người thực hiện: TRẦN MINH TUẤN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN I. Flip Flop: 1.1 Khái niệm: Flip Flop được cấu tạo từ các cổng logic, có thể nói FF là tổ hợp các cổng logic hoạt động theo một quy luật định trước. FF bao gồm: Chân nhận xung đồng hồ, xung nhịp, xung clock (Ck). Hai ngõ ra dữ liệu (data) là Q và . Có 1 hoặc 2 ngõ chức năng quy định hoạt động của FF: S, R, D, J, K. Ngoài ra FF còn có hai chân: Clr ( clear) và chân Pre ( Preset). Khi tác động vào chân Clr sẽ xoá FF làm Q = 0, = 1. Khi tác động vào chân Pre sẽ đặt FF làm Q = 1, = 0. 1.2 Hoạt động của FF: Khi nhận một xong clock tại chân Ck, FF sẽ thay đổi trạng thái một lần. Trạng thái mới sẽ tuỳ thuộc vào mức logiccủa các chân chức năng, và tuỳ thuộc theo bảng sự thật của mỗi loại FF. 1.3 Phân loại FF: Theo chức năng: có 4 loại: SK- FF, D- FF, T- FF, JK- FF. Theo trạng thái tác động của xung clock: có 5 loại: FF tác đọng mức 0. FF tác động mức 1. FF tác động cạnh lên. FF tác động cạnh xuống. FF tác động chủ - tớ. II. Hệ chuyển mã: 2.1 Số BCD: ( Binary Code Decimal). Được tạo nên khi ta mã hoá mỗi đecac của một số thập phân dưới dạng một số nhị phân 4 bit. 18 0001 1000 * Lưu ý: các phép cộng và trừ số BCD được thực hiện giống như số nhị phân. Tuy nhiên nếu phép tính có nhớ thì sau khi được kết quả ta phải hiệu đính bằng cách trừ cho 10(D) hay cộng 6(D). Thông thừờng sau mỗi lệnh cộng hoặc trừ số BCD ta kèm theo lệnh hiệu đính. 2.2 Hệ chuyển từ mã nhị phân sang mã BCD: * Bảng sự thật: Nhị phân BCD X4 X3 X2 X1 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 . . . . . . . . . 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 III. Hệ mã hoá và giải mã: 3.1 Hệ mã hoá: Mã hoá thập phân thành nhị phân: 0 ( MSB) ( LSB) D C B A 9 8 7 6 1 2 3 4 5 * Bảng sự thật: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 D C B A 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 * Phương trình logic: D = 8 + 9 C = 4 + 5 + 6 + 7 B = 2 + 3 + 6 + 7 A = 1 + 3 + 5 + 7 + 9 * Sơ đồ mạch logic: 9 8 7 6 5 4 3 2 1 D C B A 3.2. Hệ giải mã: Xây dựng hệ giải mã cho led 7 đoạn anode chung. a b D c C d Giải mã e B led f A 7 đoạn. g * Bảng sự thật: Input Output D C B A a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X X X 1 0 1 1 X X X X X X X 1 1 0 0 X X X X X X X 1 1 0 1 X X X X X X X 1 1 1 0 X X X X X X X 1 1 1 1 X X X X X X X * Phương trình logic: Thực tế thường sử dụng IC 7447. IV. Hệ tuần tự: ( hệ đếm). 4.1 Khái niệm: Hệ đếm nối tiếp: xung đếm chỉ đưa vào một FF. Hệ đếm song song: xung đếm được đưa vào tất cả các phần tử đếm. Để thành lập một hệ đếm ta sử dụng JK- FF. Nếu có nFF thì thành lập được hệ đếm có dung lượng tối đa là . VD: 2FF thành lập hệ đếm 4. 3FF thành lập hệ dếm 8. 4FF thành lập hệ đếm 16. Hệ đếm: đếm nối tiếp, đếm song song. * Xét hệ đếm nối tiếp 3bit: Q3 Q2 Q1 1 1 1 CK 4.2 Hệ đếm bất kỳ: Gọi: N là số trạng thái của 1 hệ đếm bất kỳ n là số bit đếm. Ta có: . VD: thành lập hệ đếm 6_ đếm lên. Ta có: => sử dụng 3FF. Q2 Q1 Q3 1 1 1 * Bảng trạng thái: Số 0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 Xoá bit nhớ về 000 1 1 1 0 4.3 Ghép các hệ đếm: Nếu có hai hệ đếm N & M, ta có thể ghép nối tiếp thành hệ đếm có hung lượng N*M thạng thái. * Nguyên tắc ghép: Đặt xung clock vào bộ đếm M. Lấy tín hiệu từ bit có trọng số cao nhất của bộ đếm Mlàm xung clock cho bộ đếm N. VD: Hệ đếm 10 ghép với hệ đếm 6 thành hệ đếm 60. MSB LSB Đếm 6 Đếm 10 CK CK Chương II: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH I. Sơ đồ khối: Khoái taïo xung Khối đếm Khối giải mã Khối hiển thị Khối tạo xung dùng IC555 Hiển thị led 7 đoạn Mạch đếm giây dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 Hiển thị led 7 đoạn Mạch đếm phút dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 Hiển thị led 7 đoạn Mạch đếm giờ dùng IC74LS90 Mạch giải mã BCD dùng IC74LS47 * Nhiệm vụ các khối: Khối tạo xung: tạo xung vuông với tần số 1Hz. Khối đếm: là các FF nhận xung dao động để xử lý đưa ra tín hiệu mã hoá BCD. Khối giải mã: giải mã BCD để đưa ra khối hiển thị. Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu sau giải mã. II. Khối tạo xung dùng IC NE555: Bộ tạo xung là thành phần quan trọng nhất của hệ thống. Đặc biệt là đối với bộ đếm, nó quyết định các trạng thái ngõ ra của bộ đếm. Có rất nhiều mạch dùng tạo dao động, nhưng do sự thông dụng ta chỉ quan tâm đến mạch tạo dao động dùng IC 555. Đây là vi mạch định thời chuyên dùng, có thể mắc thành mạch đơn ổn hay phi ổn. 2.1 IC NE555: 2.1.1 Đại cương: Vi mạch định thời LM555 là mạch tích hợp Analog- digital. Do có ngõ vào là tín hiệu tương tự và ngõ ra là tín hiệu số. Vi mạch định thời LM555 được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển, vì nếu kết hợp với các linh kiện R, C thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như: định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích, hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như: Transistor, SCR, Triac… 2.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân: Chân 1: Nối mass. Chân 2: Trigger Input ( ngõ vào xung nảy). Chân 3: Output ( ngõ ra). Chân 4: Reset (đặt lại). Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển). Chân 6: Threshold (thềm- ngưỡng). Chân 7: Discharge ( xả điện). Chân 8: Nối Vcc. 2.1.3 Sơ đồ cấu trúc bên trong: * Nguyên lý hoat động: Bên trong vi mạch IC555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở, thực hiện các chức năng sau: Cầu phân áp gồm 3 điện trở nối từ Vcc xuống mass, cho ra hai mức điện áp chuẩn 1/3Vcc và 2/3Vcc. So sánh COMP1: là mach khuếch đại so sánh có nối ra chân 6, nối qua chân 2. Tuỳ thuộc vào điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3Vcc mà so sánh 1 có điện áp mức cao hay mức thấp để tín hiệu S điều khiển Flip Flop( FF ) hoạt động. So sánh COMP2: là mạch khuếch đại so sánh có nối ra chân 6, . Tuỳ thuộc vào điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà so sánh 2 cho ra mức điện áp cao hay thấp để tín hiệu R điều khiển FF hoạt động. Mạch FF là loại mạch lưỡng ổn kích một bên khi chân S có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm ngõ ra Q lên mức cao, = 0. Khi S đang ở mức cao xuống mức thấp thì FF không đổi trạng thái. Khi: S = 1 Q = 1 = 0 S = 1 0 FF không đổi trạng thái. Khi R có điện áp cao thì điện áp này sẽ kích đổi trạng thái FF làm = 1, Q = 0. Khi R đang ở mức cao xuống mức thấp thì R không đổi trạng thái. Mạch khuếch đại đảo nhằm khuếch đại dòng điện cung cấp cho tải, có ngõ vào là của FF, nên khi ở mức cao thì ngõ ra chân 3 có điện áp thấp 0V và ngược lại. Transistor T là transistor có cực C để hở, nối ra chân 7. Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra của FF, nên khi ở mức cao thì T2 bão hoà và cực C của T2 coi như nối mass. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp .Khi ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn , cực C của T2 để hở, lúc đó, ngõ ra ở chân 3 có mức điện áp cao. Theo nguyên lý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ thuộc có mức điện áp giống như mức điện áp của ngõ ra chân 4. 2.2 Mạch tạo xung: 2.2.1 Sơ đồ mạch: Out 2.2.2 Nguyên lý hoạt động: Khi mới cấp nguốn Vcc, tụ bắt đầu nạp từ 0V lên: OP_AMP 1 có: => R = 0 OP_AMP 2 có: => S = 1 => Q = 1, : led sáng. Transistor có làm tắt, tụ C tiếp tục được nạp điện, tụ ap điện qua và với hằng số thời gian là: Tnạp = ( ).C Khi điện áp Vc tăng > 1/3Vcc, thì: OP_AMP 1 có: => R = 0 OP_AMP 2 có: => S = 0 => Q = 1, : led sáng, FF không thay đổi trạng thái. Khi điện áp trên Vc tăng > 2/3Vcc, thì: OP_AMP 1 có: => R = 1 OP_AMP 2 có: =>S = 0 => Q = 0, : led tắt. Do = 1 nên dẫn bão hoà làm chân 7 0V, làm tụ C không được nạp mà xả điện qua , qua tiếp giáp CE của và xuống mass. Tụ xả với hằng số thời gian là: Txả = Khi Vc < 2/3Vcc: R = 0, S = 0 : giữ nguyên trạng thái. Khi Vc Q = 1, : led sáng. Khi , tắt, chấm dứt thời gian xả điện của tụ C. Như vậy, mạch trở lại trạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện trở lại. Hiện tượng này diễn ra liên tục và tuần hoàn. III. Khối đếm: 3.1 IC 74LS90: 3.1.1 Hình dạng: Bốn chân thiết lập: (1), (2), (1), (2). Khi đặt (1) = (2) = H ( ở mức cao) thì bộ đếm được xoá về 0 và các đầu ra ở mức thấp. (1), (2) là chân thiết lập trạng thái cao của đầu ra: , . NC chân bỏ trống. IC 7490 gồm 2 bộ chia là chia 2 và chia 5: Bộ chia 2 do Input A điều khiển đầu ra . Bộ chia 5 do Input B điều khiển đầu ra , , . Đầu vào A, B tích cực ở sườn âm. Để tạo thành bộ đếm 10 ta nối đầu ra vào chân B để tạo xung kích cho bộ đếm 5. , , , là các đầu ra. 3.1.2 Sơ đồ logic và bảng trạng thái: Hình: Sơ đồ cổng logic IC7490 Hình: Bảng trạng thái của IC 7490. Hình: Sơ dồ đầu ra , , , . IV. Khối giải mã: 4.1 IC 74LS47: 4.1.1 Đại cương: Mạch giải là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá. Mục đích sử dụng phổ biến nhất của mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số. Do có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác nhau. Ví dụ: giải mã 4 đường sang 10 đường, giải mã BCD sang thập phân… IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn. Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp (tuỳ vào loại đèn led là anod chung hay catod chung) để làm các đèn cần thiết sáng nên các số hoặc ký tự. IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loại anod chung. 4.1.2 Hình dạng và sơ đồ chân: Chân 1: BCD B Input. Chân 2: BCD C Input. Chân 3: Lamp Test. Chân 4: RB Output. Chân 5: RB Input. Chân 6: BCD D Input. Chân 7: BCD A Input. Chân 8: GND. Chân 9: 7-Segment e Output. Chân 10: 7-Segment d Output. Chân 11: 7-Segment c Output. Chân 12: 7-Segment b Output. Chân 13: 7-Segment f Output. Chân 14: 7-Segment g Output. Chân 15: 7-Segment a Output. Chân 16: Vcc. 4.1.3 Sơ đồ logic và bảng trạng thái: Hình: Bảng trạng thái IC giải mã 74LS47 * Nguyên lý hoạt động: IC 74LS47 là IC tác động mức thấp nên các ngõ ra mức 1 là tắt, mức 0 là sáng, tương ứng với các thanh a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loại anode chung, trạng thái ngõ ra cũng tương ứng với các số thập phân (các số từ 10 đến 15 không được dùng tới). Ngõ vào xoá BI được để không hay nối lên mức 1 cho hoạt động giải mã bình thường. Nếu nối lên mức 0 thì các ngõ ra đều tắt bất chấp trạng thái ngõ ra. Ngõ vào RBI được để không hay nối lên mức 1 dùng để xoá số 0 (số o thừa phía sau số thập phân hay số 0 trước số có nghĩa). Khi RBI và các ngõ vào D, C, B, A ở mức 0 nhưng ngõ vào LT ở mức 1 thì các ngõ ra đều tắt và ngõ vào xoá dợn sóng RBO xuống mức thấp. Khi ngõ vào BI/RBO nối lên mức 1 và LT ở mức 0 thì ngõ ra đều sáng. Kết quả là khi mã số nhị phân 4 bit vào có giá trị thập phân từ 0 đến 15 đèn led hiển thị lên các số như ở hình bên dưới. Chú ý là khi mã số nhị phân vào là 1111= 1510 thì đèn led tắt. V. Khối hiển thị: Hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung do đầu ra của IC 7447 có mức tích cực là mức 0 ( mức thấp). Ở loại anode chung ( anode của đèn được nối lên +5V, đoạn náo sáng ta nối đầu cathode ủa đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để hạn dòng. Chân 3, 8: Vcc_được nối lại với nhau. VI. Mạch đồng hồ số: 6.1 Sơ đồ nguyên lý: 6.2 Nguyên lý hoạt động: Xung kích được tạo ra từ mạch 555 và xung này được đưa tới chân 14 của IC 74LS90. Ngõ ra xung của 7490 ở các chân , , , được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47. Đối với hai IC đếm giây (IC1 và IC2): xung được cấp cho IC1, IC1 này đếm giá trị của 9 xung ( led hiển thị số 9), sau khi đếm hết giá trị của 9 xung thì cấp cho IC 2 một xung đếm. Khi đó, IC1 đếm về 0 và IC2 đếm lên 1, tức ta có giá trị là 10. Sau đó IC1 tiếp tục đếm từ 0 đến 9 và tiếp tục cấp xung cho IC2 tăng lên 2, 3,… Khi IC1 đếm đếm 9 và IC2 đếm đến 5 chuyển sang 6 ta dùng IC 7408 để reset cả hai IC trở về 0. Lúc này, chân reset sẽ cùng trạng thái với đầu ra cổng AND dùng để reset( mức 1), đầu ra này được nối với chân CP0 của IC đếm phút, một xung được kích và được đếm lên một đơn vị. Đối với IC đếm phút (IC3 và IC4): khi IC3 nhận được xung nó lại đếm như IC đếm giây đến giá trị 59. Vì lấy xung từ IC đếm giây nên khi mạch đếm giây đếm đến 59 thì mạch đếm phút mới nhận được một xung. Khi cả IC đếm giây và đếm phút đều đếm đến giá trị 59 thì tất cả 4 IC cũng được reset về 0, đồng thời mạch đếm phút cấp cho IC5 của IC đếm giờ một xung. Đối với IC đếm giờ (IC5 và IC6): Khi IC5 nhận được một xung thì nó cũng bắt đầu đếm lên. Khi IC5 đếm đến 9 thì cấp xung cho IC6 đếm, khi hai IC đếm giờ đếm đến 23 và tại thời điểm sang 24 là lúc cả hai IC được reset. Vì số nhị phân tương ứng của 2 là Q3Q2Q1Q0 = 0010, của 4 là Q3Q2Q1Q0 = 0100 nên ngõ ra Q1 của IC đếm giờ ( đếm hàng chục) và ngõ ra Q2 của IC đếm giờ (đếm hàng đơn vị) được đưa vào IC7408 để thực hiện reset về 0. Vậy ta có trạng thái tiếp theo sẽ là 00:00:00. Chương III: KẾT LUẬN MỤC LỤC Trang bìa 1 Phiếu giao nhiệm vụ đồ án 2 Lời giới thiệu 3 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 4 Chương I: Cơ sở lý thuyết liên quan 5 Flip Flop 5 Hệ chuyển mã 6 Hệ mã hoá và giải mã 7 Hệ tuần tự (hệ đếm ) 10 Chương II: Thiết kế sơ đồ mạch 12 Sơ đồ khối 12 Khối tạo xung dùng IC555 12 Khối đếm 16 Khối giải mã 18 Khối hiển thị 21 Mạch đồng hồ số 22 Chương III: Kết luận 24 * Tài liệu tham khảo 24 Mục lục 25