Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
0
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: “ Thiết kế mạch đồng hồ hiển thị ngày, tháng,
năm, giờ, phút, giây dùng IC số”
GVHD : Hà Thị Phương
SVTH : Nguyễn Mạnh Cường
Lớp : LT CĐ-ĐH ĐIỆN TỬ 2-K2
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
1
LỜI CAM ĐOAN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp, em xin đảm bảo
rằng bài luận văn này do chính cá nhân em thực hiện và không có sự sao chép
nguyên văn của bất kì tài liệu nào. Nếu sai em xin chịu mọi hình thức kỉ luật của
nhà trường.
Người cam đoan:
Nguyễn Mạnh Cường
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
2
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………………………….4
BẢNG CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT……………………………………………………………
5
DANH MỤC HÌNH VẼ………………………………………………………………………….. 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU…………………………………………………………………….
.. 8
PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT……………………………………………………………… . 9
CHƯƠNG 1: KHỐI TẠO DAO ĐỘNG
………………………………………………. 9
1.1. Tìm hiểu IC tạo dao động: IC 555. ……………………………………………….. 9
1.2. Sơ đồ chân và chức năng các chân. ………………………………………………. 9
1.3. Nguyên lý hoạt động. ……………………………………………………………….. 10
1.4. Thiết kế và tính toán mạch tạo dao động 1Hz. ………………………………. 12
CHƯƠNG 2: KHỐI ĐẾM XUNG
…………………………………………………….. 13
2.1. Các mạch logic cơ bản. …………………………………………………………….. 13
2.1.1. Giới thiệu chung. ……………………………………………………………….. 13
2.1.2. Các cổng Logic.
…………………………………………………………………. 14
2.2. Mạch Flip-Flop (FF).
………………………………………………………………… 19
2.2.1. Định nghĩa.
……………………………………………………………………….. 19
2.2.2. Phân loại FF. …………………………………………………………………….. 20
2.3. Mạch đếm. ……………………………………………………………………………… 24
2.4. Mạch ghi. ……………………………………………………………………………….. 26
2.5. Tìm hiểu IC 7490. ……………………………………………………………………. 26
2.5.1. Sơ đồ nguyên lý.
………………………………………………………………… 27
2.5.2. Đặc điểm. …………………………………………………………………………. 27
2.5.3. Nguyên lý hoạt động. …………………………………………………………. 28
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
3
CHƯƠNG 3: KHỐI GIẢI MÃ …………………………………………………………. 30
3.1. Giới thiệu chung.
……………………………………………………………………… 30
3.2. Tìm hiểu IC giải mã 7 đoạn 74LS47.
…………………………………………… 31
3.2.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân.
………………………………………… 31
3.2.2. Nguyên lý hoạt động. …………………………………………………………. 33
CHƯƠNG 4. KHỐI HIỂN THỊ
………………………………………………………… 34
4.1. Tìm hiểu Led 7 thanh. ………………………………………………………………. 34
4.2. Sơ đồ chân và chức năng các chân. …………………………………………….. 35
4.3 Nguyên lý hoạt động. ………………………………………………………………… 35
CHƯƠNG 5: KHỐI ĐIỀU CHỈNH THÔNG SỐ THỜI GIAN……………. 38
CHƯƠNG 6: KHỐI NGUỒN NUÔI
…………………………………………………. 39
6.1. Giới thiệu chung.
……………………………………………………………………… 39
6.2. Mạch chỉnh lưu và ổn áp. ………………………………………………………….. 39
6.2.1. Tìm hiểu IC ổn áp 7805. ……………………………………………………… 40
6.2.2. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động mạch ổn áp một chiều 5V.
…………. 41
PHẦN II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG……………………………………………………
42
CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH CÁC KHỐI LÀM VIỆC …………………………. 42
1.1. Khối tạo dao động 1Hz.
…………………………………………………………….. 42
1.2. Khối giây.
……………………………………………………………………………….. 43
1.3. Khối phút. ………………………………………………………………………………. 44
1.4. Khối giờ. ………………………………………………………………………………… 46
1.5. Khối ngày.
………………………………………………………………………………. 47
1.6. Khối tháng.
……………………………………………………………………………… 54
1.7. Khối năm.
……………………………………………………………………………….. 55
1.8. Khối nguồn……………………………………………………………………………… 57
1.9. Khởi tạo giá trị hiển thị ban đầu cho khối ngày và tháng. ……………….. 57
1.10. Nguyên lý hoạt động. ……………………………………………………………… 58
CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN ……………….. 60
2.1. Sơ đồ mạch nguyên lý. ……………………………………………………………… 60
2.2. Sơ đồ mạch in………………………………………………………………………….. 61
PHẦN III: TỔNG KẾT …………………………………………………………………………63
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
4
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………………64
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay ngành kỹ thuật điện tử có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống
của con người. Các hệ thống điện tử ngày nay rất đa dạng và đang thay thế các
công việc hàng ngày của con người từ những công việc từ đơn giản đến phức tạp
như điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đo tốc độ động cơ hay các đồng hồ số.
Các hệ thống này có thể thiết kế theo hệ thống tương tự hoặc hệ thống số. Tuy
nhiên trong các hệ thống điện tử thông minh hiện nay người ta thường sử dụng
hệ thống số hơn là các hệ thống tương tự bởi một số các ưu điểm vượt trội mà hệ
thống số mang lại đó là: độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ dàng thiết kế, lắp đặt
và vận hành… Để làm được điều đó, chúng ta phải có kiến thức về môn điện tử
số, hiểu được cấu trúc và chức năng của một số IC số, mạch giải mã, các cổng
logic và một số kiến thức về các linh kiện điện tử.
Sau một thời gian học tập và tìm hiểu các tài liệu về kỹ thuật xung – số,
với sự giảng dạy các thầy giáo, cô giáo, cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo
viên hướng dẫn cô giáo Hà Thị Phương, em đã chọn đề tài: ” Thiết kế mạch
đồng hồ hiển thị ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây dùng IC số. (Các thông số
có thay đổi khi cần điều chỉnh)” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp với mong muốn
áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế phục vụ nhu cầu đời sống mọi
người.
Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này
không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý
của thầy giáo, cô giáo và các bạn để đồ án này hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
5
Người thực hiện:
Nguyễn Mạnh Cường
BẢNG CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
AC
Nguồn xoay chiều
BCD
Bộ mã đếm nhị phân
Ck
Xung kích Ck
CLK
Xung Clock
DC
Nguồn một chiều
FF
Flip – Flop (mạch dãy)
FF-D
Flip – Flop loại một đầu vào D
FF-JK
Flip – Flop loại 2 đầu vào J và K
FF-RS
Flip – Flop loại 2 đầu vào R và S
FF-T
Flip – Flop loại một đầu vào T
MS
Flip – Flop loại chủ tớ
MSB
Bit có trọng số lớn nhất
LSB
Bit có trọng số nhỏ nhất
TTL
Mức logic 0 (0V) và 1 (5V)
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
6
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555 …………………………………………………………………… 9
Hình 1.2: Cấu trúc IC 555 ………………………………………………………………………. 9
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý tạo dao động
………………………………………………….. 10
Hình 1.4: Mạch tạo dao động ………………………………………………………………… 12
Hình 1.5: Dạng xung ra ………………………………………………………………………… 12
Hình 2.1: Dạng tín hiệu logic dương ………………………………………………………. 13
Hình 2.2: Dạng tín hiệu logic âm
……………………………………………………………. 14
Hình 2.3: Mã hóa xung
…………………………………………………………………………. 14
Hình 2.4: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng AND
……………………………………….. 15
Hình 2.5: IC 4073 và IC 74LS08
…………………………………………………………… 15
Hình 2.6: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NOT ……………………………………….. 15
Hình 2.7: IC 7414
………………………………………………………………………………… 16
Hình 2.8: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NAND …………………………………….. 16
Hình 2.9: IC 4011 và IC 74HC20 ………………………………………………………….. 16
Hình 2.10: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng OR
………………………………………… 17
Hình 2.11: IC 74HC32 …………………………………………………………………………. 17
Hình 2.12: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NOR ……………………………………… 17
Hình 2.13: IC 4001
………………………………………………………………………………. 18
Hình 2.14: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng EX-OR ………………………………….. 18
Hình 2.15: 74HC86 ……………………………………………………………………………… 18
Hình 2.16: Kí hiệu Flip-Flop …………………………………………………………………. 19
Hình 2.17: Ký hiệu về tính tích cực trong mạch FF …………………………………… 20
Hình 2.18: Sơ đồ phân loại FF
……………………………………………………………….. 20
Hình 2.19: FF chủ – tớ ………………………………………………………………………….. 20
Hình 2.20: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-RS …………………………………………… 22
Hình 2.21: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-JK ……………………………………………. 22
Hình 2.22: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-T
……………………………………………… 23
Hình 2.23: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-D …………………………………………….. 23
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
7
Hình 2.24: Sơ đồ chung mạch đếm
…………………………………………………………. 24
Hình 2.25: Sơ đồ chân IC 7490 ……………………………………………………………… 27
Hình 2.26: Cấu trúc IC 7490 …………………………………………………………………. 27
Hình 2.27: Dạng xung đầu ra của 2 mạch đếm 2×5 và 2×5 …………………………. 29
Hình 3.1: Led 7 thanh và dạng kí tự hiển thị
…………………………………………….. 30
Hình 3.2: Sơ đồ chân IC giải mã 74LS47 ………………………………………………… 31
Hình 3.3: Cấu trúc IC giải mã 74LS47 ……………………………………………………. 32
Hình 4.1: Dạng chữ và số hiển thị được trên Led 7 thanh
…………………………… 34
Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc Led 7 thanh loại Cathode chung và Anode chung…… 35
Hình 4.3: Led 7 thanh loại Anode chung …………………………………………………. 35
Hình 5.1: Phương pháp tạo xung ……………………………………………………………. 38
Hình 6.1: Sơ đồ đưa điện áp 6V từ pin về điện áp chuẩn ……………………………. 39
Hình 6.2: Sơ đồ mắc mạch chuyển đổi nguồn AC thành DC ………………………. 40
Hình 6.3: IC ổn áp 7805 ……………………………………………………………………….. 40
Hình 6.4: Mạch ổn áp 5V DC
………………………………………………………………… 41
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý
…………………………………………………………………….. 42
Hình 1.2: Dạng xung đầu ra tại chân 3 của IC 555 ……………………………………. 42
Hình 1.3: Sơ đồ khối giây
……………………………………………………………………… 44
Hình 1.4: Sơ đồ khối phút …………………………………………………………………….. 45
Hình 1.5: Sơ đồ khối giờ ………………………………………………………………………. 47
Hình 1.6: Sơ đồ kết hợp khối ngày với khối tháng và năm …………………………. 53
Hình 1.7: Sơ đồ khối tháng
……………………………………………………………………. 55
Hình 1.8: Sơ đồ khối năm
……………………………………………………………………… 56
Hình 1.9: Sơ đồ khối nguồn
…………………………………………………………………… 57
Hình 1.10: Sơ đồ khởi tạo giá trị đếm ban đầu cho khối ngày và tháng ………… 58
Hình 2.1: Sơ đồ mạch nguyên lý đồng hồ số ……………………………………………. 60
Hình 2.2: Sơ đồ mạch in khối Giờ – Phút – Giây ………………………………………. 61
Hình 2.3: Sơ đồ mạch in khối Ngày – Tháng – Năm …………………………………. 61
Hình 2.4: Sơ đồ mạch in khối thông số thời gian
………………………………………. 62
Hình 2.5: Sơ đồ mạch in nguồn ……………………………………………………………… 62
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
8
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng trạng thái của mạch đếm 2×5 và 2×5 ………………………………… 28
Bảng 2.2: Bảng giá trị cho các ngõ vào Reset IC 7490 ………………………………. 29
Bảng 3.1: Bảng trạng thái của IC 74LS47 ……………………………………………….. 33
Bảng 4.1: Bảng mã cho Led Anode chung (a là MSB, dp là LSB) ………………. 36
Bảng 4.2: Bảng mã cho Led Anode chung (a là LSB, dp là MSB) ………………. 36
Bảng 4.3: Bảng mã cho Led Cathode chung (a là MSB, dp là LSB)
…………….. 37
Bảng 4.4: Bảng mã cho Led Anode chung (a là LSB, dp là MSB) ………………. 37
Bảng 1.1: Bảng mã khối giây ………………………………………………………………… 43
Bảng 1.2: Bảng mã khối phút ………………………………………………………………… 45
Bảng 1.3: Bảng mã khối giờ ………………………………………………………………….. 46
Bảng 1.4: Bảng mã khối 31 ngày
……………………………………………………………. 48
Bảng 1.5: Bảng mã khối 30 ngày trong tháng 4, 6, 9 …………………………………. 49
Bảng 1.6: Bảng mã khối 30 ngày trong tháng 11 ………………………………………. 50
Bảng 1.7: Bảng mã khối 29 ngày
……………………………………………………………. 51
Bảng 1.8: Bảng mã khối 28 ngày
……………………………………………………………. 52
Bảng 1.9: Bảng mã khối tháng ………………………………………………………………. 54
Bảng 1.10: Bảng mã khối năm ………………………………………………………………. 56
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
9
PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1: KHỐI TẠO DAO ĐỘNG
1.1. Tìm hiểu IC tạo dao động: IC 555.
Đây là IC loại 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn ổn,
mạch dao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ, … Nhưng trong mạch này, IC 555
được sử dụng làm bộ phát xung.
Thời gian được xác lập theo mạch định thời R, C bên ngoài. Dãy thời gian
tác động hữu hiệu từ vài micrô giây đến vài giờ.
IC này có thể nối trực tiếp với các loại IC: TTL/ CMOS/ DTL.
1.2. Sơ đồ chân và chức năng các chân.
Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555
Hình 1.2: Cấu trúc IC 555
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
10
Chức năng các chân:
+ Chân 1 : ( GND ) Nối mass.
+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.
+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra.
+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.
+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao động.
+ Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh.
+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) Đường xả điện cho tụ trong mạch định thời
+ Chân 8 : ( Vcc ) Nối với nguồn dương.
1.3. Nguyên lý hoạt động.
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý tạo dao động
Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch FF là
loại RS Flip-flop.
Khi S = [1] thì Q = [1] và = [0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0].
Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].
Tóm lại: khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0], = [1], transistor mở
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
11
dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không
vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.
– Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:
Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0.
Vì điện áp ở chân 2(V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1
nên S = [1], Q = [1] và = [0]. Ngõ ra của IC ở mức 1.
Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng.
Khi nhả công tắc, Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở
mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi. Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF
vẫn giữ nguyên trạng thái đó.
– Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:
Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- (= 2/3 VCC), R = [1] nên
Q = [0] và = [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0.
Vì = [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của
Op-amp 2 ở mức 0. Vì vậy Q và
không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua
transistor.
Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu
kỳ ổn định.
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
12
1.4. Thiết kế và tính toán mạch tạo dao động 1Hz.
Hình 1.4: Mạch tạo dao động
Hình 1.5: Dạng xung ra
– Công thức tính:
Tm = ln(2) . ( R1 + R2 ) . C1 : thời gian điện áp mức cao.
Ts = ln(2) . R2 . C1 : thời gian điện áp mức thấp.
T = Tm + Ts : chu kỳ toàn phần.
Tần số dao động:
Ta chọn C1=100uF, R1=10K, R2=2,2K. Vậy ta có xung ra với chu kì:
T = ln(2) . 100 . 10-6 . (10 . 103 + 2 . 2,2 . 103) ~ 1(s).
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
13
CHƯƠNG 2: KHỐI ĐẾM XUNG
2.1. Các mạch logic cơ bản.
2.1.1. Giới thiệu chung.
Các cổng logic cơ bản là các phần tử đóng vai trò chủ yếu thực hiện các
chức năng logic đơn giản nhất trong các sơ đồ logic (là các sơ đồ thực hiện một
hàm logic nào đó).
Các cổng logic cơ bản thường có một hoặc nhiều đầu vào và một đầu ra.
Từ các cổng logic cơ bản, ta có thể kết hợp lại để tạo ra nhiều mạch logic thực
hiện các hàm logic phức tạp hơn. Những dữ liệu ngõ vào, ra chỉ nhận các giá trị
logic là Truse (mức 1) và Fail (mức 0). Vì các cổng logic hoạt động với các số
nhị phân (0, 1) nên có đôi khi còn được mang tên là các cổng logic nhị phân.
Người ta thường dùng tín hiệu điện để biểu diễn dữ liệu vào ra của các
cổng logic nói riêng và các mạch logic nói chung. Chúng có thể là tín hiệu xung
và tín hiệu thế.
* Biểu diễn bằng tín hiệu thế:
Dùng hai mức điện thế khác nhau để biểu diễn hai giá trị Truse (mức 1)
và Fail (mức 0), có hai phương pháp để biểu diễn hai giá trị này:
– Phương pháp logic dương:
+ Điện thế dương hơn là mức 1.
+ Điện thế âm hơn là mức 0.
0
0
1
u
1
1
0
t
Hình 2.1: Dạng tín hiệu logic dương
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
14
– Phương pháp logic âm:
+ Điện thế dương hơn là mức 0.
+ Điện thế âm hơn là mức 1.
0
0
1
u
1
1
0
t
Hình 2.2: Dạng tín hiệu logic âm
* Biểu diễn bằng tín hiệu xung:
Hai giá trị logic 1 và 0 tương ứng với sự xuất hiện hay không xuất hiện
của xung trong dãy tín hiệu theo một chu kỳ T nhất định.
Trong các mạch logic sử dụng dữ liệu là tín hiệu xung, các xung thường
có độ rộng sườn và biên độ ở trong một mức giới hạn cho phép nào đó tùy từng
trường hợp cụ thể.
Hình 2.3: Mã hóa xung
2.1.2. Các cổng Logic.
a. Cổng AND.
Dùng để thực hiện phép nhân logic.
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
15
A
B
Y
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
Hình 2.4: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng AND
Nhận xét: Ngõ ra của cổng logic AND chỉ lên mức 1 khi các ngõ vào là mức 1.
+ A,B: ngõ vào tín hiệu logic
+ 0: mức logic thấp
+ 1: mức logic cao
+ Y: đáp ứng ngõ ra
Một số IC chứa cổng AND: 4081, 74LS08, 4073, 74HC11.
Hình 2.5: IC 4073 và IC 74LS08
b. Cổng NOT.
Dùng để thực hiện phép đảo logic.
A
Y
0
1
1
0
Hình 2.6: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NOT
A
B
Y
A
Y
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
16
Một số IC chứa cổng NOT: 7414, 4069.
Hình 2.7: IC 7414
Nhận xét: Tín hiệu giữa ngõ ra và ngõ vào luôn ngược mức logic nhau.
c. Cổng NAND.
Dùng để thực hiện phép đảo của phép nhân logic.
A
B
Y
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
Hình 2.8: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NAND
Nhận xét: Ngõ ra của cổng NAND ở mức 1 khi tất cả các ngõ vào là mức 0.
Một số IC chứa cổng NAND: 4011,74HC00, 74HC10, 74HC20.
Hình 2.9: IC 4011 và IC 74HC20
Y
B
A
A
B
Y
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
17
d. Cổng OR.
Dùng để thực hiện chức năng cộng logic.
A
B
Y
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
Hình 2.10: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng OR
Nhận xét: Ngõ ra cổng OR ở mức 1 khi ngõ vào có ít nhất một ngõ ở mức 1.
Một số IC chứa cổng OR: 74HC32, 74HC4075.
Hình 2.11: IC 74HC32
e. Cổng NOR.
Dùng để thực hiện phép đảo cổng OR.
A
B
C
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
Hình 2.12: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng NOR
Nhận xét: Ngõ ra cổng NOR sẽ ở mức 1 khi tất cả các ngõ vào ở mức 0.
B
A
Y
B
A
Y
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
18
Một số IC chứa cổng NOR: 4001, 4025, 74HC02.
Hình 2.13: IC 4001
f. Cổng EX-OR.
Dùng để tạo ra tín hiệu mức 0 khi các đầu vào cùng trạng thái.
A
B
Y
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
Hình 2.14: Kí hiệu và bảng trạng thái cổng EX-OR
Nhận xét: Ngõ ra cổng EX-OR ở mức 1 khi các đầu vào ngược mức logic.
Một số IC chứa cổng EX-OR: 74HC86, 4070.
Hình 2.15: 74HC86
B
A
Y
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
19
Tóm lại: Trên đây giới thiệu 6 loại cổng logic: AND, NOT, NAND, OR, NOR,
EX-OR. Nhưng thực tế chỉ cần 4 cổng AND, OR, EX-OR, NOT thì có thể có
được các cổng còn lại. Hiện nay các cổng logic được tích hợp trong các IC. Một
số IC thông dụng chứa các cổng thông dụng là:
+ 4 AND 2 ngõ vào: 7408, 4081.
+ 6 NOT: 7404, 4051.
+ 4 NAND 2 ngõ vào: 7400, 4071.
+ 4 NOR 2 ngõ vào: 7402, 4001.
+ 4 EX-OR 2 ngõ vào: 74136, 4030.
2.2. Mạch Flip-Flop (FF).
2.2.1. Định nghĩa.
Các mạch thực tế được chia thành hai loại là mạch tổ hợp và mạch tuần tự
(mạch dãy). Mạch tổ hợp là mạch mà tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào tín hiệu vào.
Các phần tử cơ bản để xây dựng nên mạch tổ hợp là mạch logic AND, OR,
NOT, … Mạch dãy là mạch mà tín hiệu ra phụ thuộc không những vào tín hiệu
vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái trong của mạch nghĩa là có mạch lưu trữ,
nhớ các trạng thái. Như vậy, để xây dựng mạch dãy, ngoài các mạch tổ hợp cơ
bản còn phải là các mạch phần tử nhớ. Các phần tử nhớ cơ bản tạo nên mạch
dãy gọi là Flip – Flop (FF), chúng lưu trữ các tín hiệu nhị phân. Vì bít tín hiệu
nhị phân có thể nhận một trong hai giá trị 0,1 nên FF tối thiểu cần 2 chức năng:
– Có hai trạng thái ổn định chức năng.
– Có thể tiếp thu, lưu trữ, đưa tới tín hiệu và FF có từ 1 đến vài đầu vào
điều khiển có 2 đầu ra luôn ngược nhau là Q và .
Hình 2.16: Kí hiệu Flip-Flop
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
20
Hình 2.17: Ký hiệu về tính tích cực trong mạch FF
2.2.2. Phân loại FF.
Có nhiều cách phân loại FF:
– Theo chức năng làm việc của các đầu vào điều khiển: FF một đầu vào
điều khiển FF-D, FF-T; FF hai đầu vào điều khiển FF-RS, FF-JK.
– Theo cách làm việc ta có loại FF đồng bộ và không đồng bộ. FF đồng bộ
lại gồm loại thường và loại chủ tớ. Đối với loại không đồng bộ, các tín hiệu điều
khiển vẫn điều khiển được hoạt động của FF mà không cần tín hiệu đồng bộ.
Hình 2.18: Sơ đồ phân loại FF
a. FF dạng chủ – tớ (MS).
Hình 2.19: FF chủ – tớ
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
21
FF dạng chủ tớ là FF xung nhịp rất phổ biến đối với các FF chế tạo theo
phương pháp mạch tích hợp. Mạch của FF này gồm 2 phần là 2 khối FF có khối
điều khiển riêng nhưng lại không có quan hệ với nhau. Một FF gọi là FF chủ
(M: master), một FF gọi là FF tớ (S: Slave), FF chủ thực hiện chức năng logic
của hệ còn FF tớ dùng để nhớ trạng thái của hệ sau khi hệ đã hoàn thành việc
ghi thông tin. Đầu vào của hệ là đầu vào FF chủ, đầu ra của hệ là đầu ra FF tớ.
Cả 2 FF đều được điều khiển theo xung nhịp Ck. Dưới sự điều khiển của
xung nhịp, việc ghi thông tin vào FF chủ – tớ được thực hiện qua các bước:
-Bước 1: Cách ly giữa 2 FF chủ – tớ.
-Bước 2: Ghi thông tin vào FF chủ.
-Bước 3: Cách ly giữa đầu vào và FF chủ.
-Bước 4: Chuyển thông tin từ FF chủ sang FF tớ.
Sơ đồ hình 2.21 trên đáp ứng việc ghi thông tin theo 4 bước trên. Vì dưới
tác dụng của xung nhịp Ck, thông tin được đưa vào FF chủ nhưng đồng thời qua
cổng NOT đầu vào của khối điều khiển FF tớ không có xung đồng bộ nên tạo sự
cách ly giữa FF chủ và tớ. Sau khi kết thúc xung đồng bộ Ck không còn nên
giữa đầu vào và FF chủ được cách ly đồng thời qua cổng NOT đầu vào khối
điều khiển FF tớ có xung đồng bộ nên hệ chuyển thông tin từ FF chủ sang FF tớ.
Quá trình ghi thông tin vào FF chủ – tớ khá phức tạp và đòi hỏi xung nhịp Ck
chính xác, cấu trúc sơ đồ khá phức tạp nên gây ra trễ khá lớn. Nhưng FF chủ – tớ
có ưu điểm là chống nhiễu tốt, khả năng đồng bộ tốt.
b. FF-RS.
FF-RS là FF đơn giản nhất có hai đầu vào điểu khiển R, S. Đầu vào S là
đầu đặt, đầu vào R là đầu xóa.
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
22
Hình 2.20: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-RS
c. FF- JK.
FF-JK là loại FF 2 đầu vào điều khiển J và K, 2 đầu kích thích trực tiếp SD
và RD, FF-JK được dùng rất nhiều trong các mạch số.
Về cấu tạo FF-JK phức tạp hơn FF-RS và FF-RST nhưng có khả năng
hoạt động rộng lớn vì:
– Vẫn điều khiển trực tiếp qua SD, RD.
– Các đầu ra J, K có đặc tính như S, R.
Tuy nhiên khi J = K = 1 thì mạch hoạt động bình thường, không có trạng
thái cấm, ngõ ra luôn lật trạng thái.
0
1
K
1
Q
Q
J
K
Ck
0
1
1
1
J
0
Qn
0
Qn\
0
Q
Hình 2.21: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-JK
Chú ý: khi Flip – Flop kích bằng xung clock ta cần chú ý: Flip – Flop tác động
bằng mức điện thế hay bằng cạnh (sườn).
d. FF-T.
FF-T là loại FF có đầu vào điều khiển T, FF này thường không có đầu vào
đồng bộ.
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
23
1
T
Qn
0
Qn\
Q
Q
Q
T
Ck
Hình 2.22: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-T
Như vậy FF-T tuần tự thay đổi trạng thái đầu ra Q khi mỗi lần thay đổi
xung kích Ck. Với kích thích liên tục của Ck thì Q và Q\ cũng liên tục thay đổi
trạng thái.
e. FF-D.
FF-D là FF có một đầu vào dữ liệu D.
D
Q
Q
D
Ck
0
1
0
Q
1
Hình 2.23: Kí hiệu và bảng trạng thái FF-D
Ta nhận thấy rằng trạng thái đầu ra của FF-D lặp lại trạng thái đầu vào tại
thời điểm hiện tại trước đó. Nghĩa là tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào một
khoảng thời gian nào đó. Đối với FF-D không đồng bộ thì thời gian trễ do thông
số của mạch quyết định. Còn đối với FF-D đồng bộ thì thời gian trễ đúng bằng
chu kì của xung nhịp Ck. Do tính chất này của FF-D mà người ta thường dùng
chúng để là trễ tín hiệu logic.
Tóm lại: FF là phần tử cơ bản để chế tạo các mạch ứng dụng quan trọng trong
hệ thống số như mạch đếm, mạch ghi, bộ nhớ… Nhưng thực tế các FF được chế
tạo từ các cổng logic chỉ là lý thuyết cơ bản, thực tế chúng đã được tích hợp
trong các IC.
Các IC chứa FF như:
+ FF-JK: 7472, 7473, 7476, 7478, 74301, 74102, 4027.
+ FF-RS: 7471.
+ FF-D: 7474, 74171, 74175, 4013.
Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Điện Tử
SVTH: Nguyễn Mạnh Cường Lớp: LT CĐ-ĐH Điện tử 2-K2
24
2.3. Mạch đếm.
Mạch đếm xung là một hệ logic dãy được tạo thành từ sự kết hợp của các
Flip – Flop. Mạch có một đầu vào cho xung đếm và nhiều đầu ra. Các đầu ra này
thường là các đầu ra Q cho các FF. Vì Q chỉ có thể có hai trạng thái là 1 và 0
cho nên sự sắp xếp các đầu ra này cho phép ta biểu diễn kết quả dưới dạng một
số hệ hai có số bit bằng số FF dùng trong mạch đếm.
Điều kiện cơ bản để một mạch được gọi là mạch đếm là nó có các trạng
thái đầu ra khác nhau, tối đa đầu ra của mạch cũng bị giới hạn. Số xung đếm tối
đa được gọi là dung lượng của mạch đếm.
Hình 2.24: Sơ đồ chung mạch đếm
Nếu cứ tiếp tục kích thích khi đã tới hạn mạch sẽ trở về trạng thái khởi
đầu, tức là mạch có tính chất tuần hoàn.
Có nhiều phương pháp kết hợp các Flip-Flop cho nên có rất nhiều loại
mạch đếm. Tuy nhiên, chúng ta có thể sắp chúng vào ba loại chính là: mạch đếm
nhị phân, mạch đếm BCD, và mạch đếm modul M.
Phân loại :
– Mạch đếm nhị phân:
Là loại mạch đếm trong đó có trạng thái của mạch được trình bày dưới
dạng số nhị phân. Một mạch đếm nhị phân sử dụng n Flip-Flop sẽ có dung
lượng là 2n.
– Mạch đếm BCD:
Thường dùng 4 FF nhưng chỉ cho mười trạng thái khác nhau để biểu diễn
các số hệ 10 từ 0 đến 9.
– Mạch đếm modul M:
