Thiết kế đồng hồ số báo giờ

6. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 28 - 2 -2000 Thông qua bộ môn Ngày.........tháng........năm....... Chủ nhiệm bộ môn Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN  LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ điện tử đã đang và sẽ phát triển ngày càng rộng rãi đặc biệt là trong kỹ thuật số. Mạch số ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật cũng như đời sống xã hội. Các ứng dụng của mạch số như đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm, mạch đo nhiệt độ... Trong các trường học công sở, cơ quan xí nghiệp... đồng hồ số được dùng để xem giờ và báo giờ. Mục đích chính của tập đồ án này là thiết kế một đồng hồ sốcó chức năng xem giờ và báo giờ theo yêu cầu ngườ sử dụng. Luận án gồm 2 phần Lý thuyết và Thi công nhưng người thực hiện gặp hạn chế về thời gian và tài chính nên chỉ thi công phần đồng hồ còn mạch báo giờ chỉ là thiết kế. Vì kiến thức và thời gian hạn chế kinh nghệm còn yếu nên luận án không tránh được sai sót, rất mong sự đánh giá của Quý Thầy Cô và góp ý của các bạn sinh viên. Người thực hiện HỒ NGỌC VŨLỜI CẢM TẠ Chúng em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu và các thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã chỉ dẫn chúng em trong những tháng năm học tập tại trường. Trong quá trình thực hiện tập luận văn tốt nghiệp chúng em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN PHƯƠNG QUANG, giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong Khoa điện và các bạn trong và ngoài lớp đã động viên giúp đỡ chúng em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tuy nhiên, do khả năng còn hạn chế và thời gian có hạn, chắc chắn trong tập luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để tập luận văn hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Người thực hiện HỒ NGỌC VŨ Mục lục Phần giới thiệu Tựa đề tài Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Nhận xét của giáo viên phản biện Nhiệm vụ luận văn Lơiø nói đầu Cảm tạ Mục lục Phần nội dung Chương dẫn nhập I. Đặt vấn đề Trang 1 II. Mục đích yêu cầu 1 III. Giới hạn đề tài 1 IV. Nội dung đề tài 1 V. Phương pháp nghiên cứu 2 Chương 1 : Lý thuyết cơ bản A. Giới thiệu các mạch logic I. Giới thiệu 3 II. Các cổng logic 4 III. Flip-Flop 8 B. Mạch đếm I. Giới thiệu 16 II. Phân loại 16 III. Mạch ghi 19 C. Bộ nhớ I. Khái niệm 21 II. RAM 21 III. ROM 22 D. Mạch dao dđộng I. Dao động dịch pha 24 II. Dao động cầu Wien 24 III. Dao động Colpitt 25 IV. Dao động Hartley 25 V. Dao động thạch anh 25 E. Nguồn cung cấp I. Mạch ổn áp dùng Diode Zener 26 II.Mạch ổn áp dùng IC ổn áp 26 Chương 2 : Thiết kế tính toán A. Giới thiệu linh kiện 28 B. Sơ đồ khối 35 C. Thiết kế I. Khối tạo xung chuẩn 37 II. Khối giải mã địa chỉ 37 III. Bộ nhớ 38 IV. Khối đệm 42 V.Khối hiển thị 42 VI. Khối điều chỉnh 43 VII. Khối báo chuông 44 VIII. Khối nguồn 45 D. Sơ đồ nguyên lý I. Sơ đồ 47 II. Nguyên lý hoạt động 49 Chương 3 : Thi công I. Sơ đồ bố trí linh kiện 50 II. Sơ đồ mạch in 51 III. Quá trình thi công 53 Chương 4 :Kết luận 54 Phần phụ lục 55 Tài liệu tham khảo PHẦN NỘI DUNGCHƯƠNG DẪN NHẬP I. ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự tiến triển khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đã, đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như đời sống xã hội. Việc gia công, xử lý các tín hiệu điện từ hiện đại đêu dựa trên cơ sở nguyên lý số vì các thiết bị làm việc dựa trên cơ sở nguyên lý số có ưu điểm hơn hẳn so với các thiết bị làm việc dựa trên cơ sở tương tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán. Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử đã cho ra đời nhiều vi mạch số cỡ lớn, cực lớn với giá thành hạ, khả năng lập trình cao đã mang lại những thay đổi lớn trong ngành điện tử. Mạch số ở những mức khác nhau đã, đang thâm nhập các lĩnh vực điện tử thông dụng và chuyên dụng một cách nhanh chóng. Các trường kỹ thuật là nơi mạch số thâm nhập mạnh mẽ và được học sinh, sinh viên ưa chuộng do lợi ích và tính khả thi của nó. Vì thế sự hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật số là không thể thiếu được đối với sinh viên kỹ sư điện tử hiện nay. Nhu cầu hiểu biết về kỹ thuật số không chỉ riêng đối với những người theo chuyên ngành điện tử mà còn với nhiều cán bộ kỹ thuật các ngành khác cớ sử dụng thiết bị điện tử. II. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU Sự cần thiết, quan trọng cũng như tính khả thi và lợi ích của mạch số cũng chính là lý do để chọn và thực đề tài tốt nghiệp “THIẾT KẾ MẠCH BÁO GIỜ” nhằm ứng dụng các kiến thức đã học về kỹ thuật số vào thực tế. Đề tài thục hiện thiết kế mạch số họat động như một đồng hồ số và có chức năng báo giờ ở những thời điểm cần thiết theo yêu cầu sử dụng. III. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Trong phạm vi tập luận văn này, người thực hiện chỉ thiết kế và thi công mạch đồng hồ số gọn, đơn giản còn mạch báo giờ chỉ thiết kế. Ngoài ra, luận án cũng không thực hiện các chức năng phúc tạp khác của một đồng hồ số. IV. NỘI DUNG ĐỀ TÀI Tập luận án này gồm các phần sau: Phần giới thiệu Phần nội dung Chương 1 : Lý thuyết cơ bản Chương 2 : Thiết kế Chương 3 : Thi công Chương 4 : Kết luận Phụ lục V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU + Thu thập tài liệu + Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn + Thực hiện đồ án theo hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn Do kiến thức còn hạn chế, thực tiễn chưa sâu nên tập luận án chắc chắn sẽ không tránh được những sai sót. Vì vậy, người hiện rất mong sự đánh giá, hướng dẫn thêm của quý Thầy Cô cũng như sự góp ý chân thành của các bạn sinh viên để đầ tài được hoàn thiện hơn. Ngày ......... tháng .......... năm .......... Sinh viên thực hiện HỒ NGỌC VŨ CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN A. GIỚI THIỆU MẠCH LOGIC I. GIỚI THIỆU : 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 Đúng (mức 1) và sai (mức 0). Vì các cổng logic hoạt động với các số nhị phân (0, 1) nên có đôi khi còn được mang tên là 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 của 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 gaí trị (mức 1) và sai (mức 0) có hai phương pháp biểu diễn hai giá trị này: + Phương pháp logic dương (hình 1.a) Điện thế dương hơn là mức 1 Điện thế âm hơn là mức 0 1 0 1 0 1 0 t u (Hình 1.a) + Phương pháp logic âm ( hình 1.b) Điện thế âm hơn là mức 1 Điện thế dương hơn là mức 0 0 1 0 1 0 1 t u (Hình b) Hình 1.1a, b : Biểu diễn dữ liệu bằng tín hiệu thế * Biểu diễn bằng tín hiệu xung: Hai giá trị logic 1 và 0 tương ứng với sự xuất hiện hay không xuất của xung trong dãy tín hiệu theo một chu kỳ T nhất định (Hình 1,1c) t u 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 giới hạn cho phép nào đó tùy từng trường hợp cụ thể II. CÁC CỔNG LOGIC: 1.Cổng AND: Mạch điện thực hiện quan hệ logic AND (phép nhân logic) gọi là cổng AND. Ta ký hiệu như sau: a. Cổng AND 2 ngõ vào b. Cổng AND 3 ngõ vào Hình 1.2.1 Ký hiệu cổng AND Bảng 1.2.1.a : Bảng chân lý cổng AND 2 ngõ vào A B X = A.B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Bảng 1.2.1.b. Bảng chân lý cổng AND 3 ngõ vào A B C X 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 * Nhận xét: A, B, C: Là các ngõ vào tín hiệu hiệu logic X : Làø các ngõ ra logic 0 : Mức logic thấp ( mức 0) 1 : Mức logic cao ( mức 1) Ngõ ra cổng AND chỉ lên 1 khi tất cả các ngõ vào lên 1, mức 0 khi có ít nhất 1 ngõ vào. 2. Cổng OR: Mạch điện thực hiện chức năng quan hệ logic OR (cộng logic) gọi là cổng OR. Ký hiệu X = A+B hay X =A + B + C + .... (a) (b) Hình 1.2.2. Ký hiệu cổng OR a. 2 ngõ vào b, 3 ngõ vào A B X=A+B A B C X + A+B+C 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 * Nhận xét: Ngõ ra cổng OR ở mức 0 khi tất cả các ngõ vào ở mức 0, lên mức 1 khi có ít nhất một ngõ vào ở mức 1. 3. Cổng NOT: Mạch điện thực hiện chức năng quan hệ logic NOT (đảo logic) gọi là cổng NOT. Cổng NOT chỉ có 1 ngõ vào và 1 ngõ ra. * Nhận xét: Tín hiệu ngõ ra cổng NOT là đảo của tín hiệu ngõ ra. Khi ngõ vào ở mức 0 thì ngõ ra ở mức 1 và ngược lại. Ký hiệu : X = A A X = A 0 1 1 0 Hình 1.2.3. Ký hiệu và bảng chân lý cổng NOT 4. Cổng NAND: Mạch điện thực hiện phép đảo của phép nhân logic gọi là cổng NAND. Cổng NAND là sự kết hợp 2 cổng AND và NOT. Hình 1.2.4. Ký hiệu cổng NAND Bảng 1.2.4. Bảng chân lý cổng NAND A B X=A.B 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 (a) : 2 ngõ vào * Nhận xét: Ngõ ra cổng NAND ở mức 0 khi tất cả các ngõ vào ở mức 1 khi có ít nhất một ngõ vào mức 0 A B C X=A.B.C 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 b. 3 Ngõ vào 5. Cổng NOR: Mạch điện thực hiện phép đảo của phép cộng logic (cổng OR) gọi là NOR. Cổng NOR là sự kết hợp 2 cổng OR và NOT Ký hiệu. Bảng 1.2.5. Bảng chân lý cổng NOR. B X A B C X 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 * Nhận xét: Ngõ ra cổng NOR ở mức 1 khi tất cả các ngõ vào ở mức 0 và ngỏ ra ở mức 0 khi có ít nhất 1 ngõ vào ở mức 1. * Trên đây là một số cổng logic: NOT, AND, OR, NAND, NOR, EX, NOR nhưng ta chỉ cần các cổng cơ bản AND, OR, NOT là có thể tạo ra các cổng còn lại. Các cổng logic này ngày nay đã được tích trong các vi mạch (IC). Các IC chứa các cổng logic như : Cổng AND : 4073B, 4081B, 4082b Cổng OR : 4071B, 4072B, 4075b Cổng NAN : 4011, 4012B, 4023B, 406B Cổng NOR : III. FLIP - FLOP: 1. Định nghĩa: Mạch lấy được chia làm 2 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 nđể xây dựng nên mạch tổ hợp là các mạch logic AND, OR, NOT, NPR ... Mạch dãy là mạch mà tín hiệu ra phụ thuộc không những vào tín hiệu vào mà còn phụ thuộc trạng thái trong của mạch nghĩa là mạch có lưu trữ, nhớ các trạng thái. Như vậy, để xây dựng mạch dãy, ngoài các mạch tổ hợp cơ bản còn phải có các 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 tin hiệu nhị phân có thể nhận một trong 2 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 Q FF Q Q\ Các ngõ vào điều khiển Hình 1.3.1. Sơ đồ tổng quát 1 FF 2. Phân loại : Có nhiều cách phân loại FF Theo chức năng làm việc của các đầu vào điều khiển : FF một đầu vào điều khiển D.FF, T. FF; EF hai đầu vào điều khiển RS, FF, JK, FF. - 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. Chủ tớ FF Thường FF-T FF-D FF-JK Đồng boÄ FF-RS Không đồng bộ Hình 1.3.2. Sơ đồ khối phân loại FF a. FF dạng chủ tớ ( MS) 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 có quan hệ với nhau. Một FF gọi là FF chủ tớ (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 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” thực hiện qua A 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 đờ trên hình 1.3.2.a đáp ứng việc ghi thông tin theo 4 bước trên. Vì dưới tác dụng của của xung nhịp Cx, thông tin được đưa vào FF chủ nhưng đồng thời qua cổng NOT đầu vào khối điều khiên 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 đời bộ nên hệ chuyển thông tin từ FF chủ tớ 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 trễ khá lớn. Nhưng FF “ chủ tớ” có ưu điểm là chống nhiểu tố, khả năng đồng bộ tốt. b. FF - RS : FF - RS là FF có 2 đầu vào điều khiển R,S. Đầu vào (set) là đầu vào đặt, đầu vào R ( Rerset) là đầu vào xóa ( Hình 1.3.2.1) Mạch không có đầu vào điều khiển và xung nhịp Cx. Bảng trạng thái của FF - RS : Bảng 1.3.2.1. - S luôn đưa Q về 1, Q về 0 - R luôn đưa Q về 0, Q về 1 FF chủ FF tớ X1 X2 Ck Q’ X1’ Q’\ X2’ Q Q\ Hình 1.3.2.a S R QnH Qn+1 0 0 Qn Qn 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 Cấm Cấm Bảng 1.3.2.a: Bảng chân lý FF.RS R Q S Q\ R Q S Q\ Hình 1.3.2.b :FF-RS Người ta có thể chế tạo FF - RS bằng cổng logic * Bằng cổng NAND FF-RS R S Q Q\ Hình 1.3.2.3. : FF - RS dùng cổng NAND - Bằng cổng NOR FF-RS R S Q Q\ Hình 1.3.2.4. RS - FF dùng cổng NOR c. FF - RST: Gọi là FF - RS nhịp (clocked RS). Mạch vẫn có đầu vào điều khiển trực tiếp nhưng bây giờ ta ký hiệu SD, RD để phân biệt với các đầu vào điều khiển đồng bộ là R và S. Đầu vào xung nhịp ký hiệu là Ck. FF-RST Sd Rd R S Ck Q Q\ Hình 1.3.2.4. FF - RST Điện thế kích thích tại S,R phải có trước khi có xung nhịp. Q và Q chỉ chịu sự điều khiển của S và R khi có xung nhịp. Hình 1.3.2.6: FF - RST dùng cổng logic (cổng NAND) d. 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 J,K có đặc tính như S,R FF-JK Q\ Q Sd Rd J K Ck - Tuy nhiên khi J = K = 1 thì mạch hoạt động bình thường, không có trạng thái cấm, ngõ ba luôn lật trạng thái. J K Qn+1 Qn+1 0 0 Qn Qn 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 Qn Qn Hình 1.3.2.7. : FF - JK Hình : 1.3.2.8. Sơ đồ mạch FF.JK dùng cổng NAND a. Không đồng bộ , (b). Đồng bộ e. FF.T FF.T là loại FF có đầu vào điều khiển I FF thường không có các đầu vào đồng bộ mà chỉ có SD và RD. FF-T T Ck Sd Rd Q Q\ T Qn+1 Qn+1 0 Qn Qn 1 Qn Qn Hình 1.3.2.9. Ký hiệu và bảng chân lý FF-T Như vậy FF-T tuần tự thay đổi trạng thái Q mỗi lần có xung kích. Như vậy với kích thích liên tục của Ck thì Q và Q cũng liên tục thay đổi trạng thái. Ta có thể chế tạo FF-T từ FF JK và FF - RST. FF-JK Q Q\ J K T Ck FF-RS Sd Rd Ck Q Q\ R S T Hình 1.3.2.10. FF - T chế tạo từ FFRs và JK. f. FF- D FF-D Q Q\ Sd Rd Ck D FF - D là FF có một đầu vào dữ liệu Ta nhận thấy rằng trạng thái đầu ra của FF - D lặp lại trạng thái đầu vào D tại thời điểm 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 thời gian trễ do thông số của mạch quyết định. Còn đồi với FF - D đồng bộ thì thời gian trễ đúng bằng chu kỳ của xung nhịp Ck. Do tính chất này của FF-D mà người ta thường dùng chúng để làm trể tín logic Ta có thể chế tạo FF-D từ FF- RST. R S Ck D Sd Rd Q Q\ * 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 cac FF được chế tạo từ các logic chỉ là lý thuyết cơ bản, thực tế, chúng đã được tích hợp trong các IC. Các IC chứa FF như : FF: JK : 740, 7472, 7473, 7476,7478,74301,74102,4027 FF: RS : 7471 FF: D : 7474, 74171, 74175, 4013 B : MẠCH ĐẾM - MẠCH GHI I. MỞ ĐẦU: Mạch đếm là mạch dãy được xây dựng từ các phần tử nhớ và FF và các phần tử tổ hợp. Mạch có một đầu vào cho xung đến và nhiều đầu ra, những điều kiện thường là đầu ra Q của các FF. Điều kiện để một mạch gọi là mạch đếm là nó có các trạng thái khác nhau mỗi khi có xung nhịp vào. Nhưng vì số FF là có giới hạn nên số trạng thái khác nhau tối đa của mạch cũng bị giới hạn số xung đếm tối đa được gọi là dung lượng của mạch đếm. Nếu cứ tiếp tục kích thích khi đã tới giới hạn mạch thường trở về trạng thái khởi đầu, tức là mạch có tính chất tuần hoàn. Mạch đếm là thành phần cơ bản của hệ thống số, chúng được sử dụng để đếm thời gian, chia tần số, điều khiển các mạch khác. Mạch đếm dùng rất nhiều trong máy tính, trong thông tin. Để xây dựng mạch đếm, người ta dùng mã nhị phân hoặc các mã khác như mã BCD, mã vòng ... II. PHÂN LOẠI: Có nhiều phương pháp kết nối các FF trong mạch đếm nên có các tình huống chuyển đổi các FF khác nhau. Dựa vào sự khác biệt của tình huống chuyển đổi trạng thái của FF người ta phân bộ đếm thành đếm đồng boộ và không đồng bộ. + Trong bộ đếm đồng bộ, các FF chịu tác động của một xung nhịp Ck duy nhất đó đếm đầu vào nên sự chuyển đổi trạng thái là đồng bộ. + Trọng bộ đếm không đồng bộ, chỉ có một FF nhận xung nhịp Ck nối các FF tự kích thích lẩn nhau (Xung nhịp cho FF này là đầu ra của FF kia). Vậy sự chuyển đổi các trạng thái không cùng lúc tức là không đồng bộ. Dựa vào sự khác nhau giữa các hệ số đếm người ta phân thành các loại : + Mạch đếm hệ 2 : (mạch đếm nhị phân) là mạch đếm trong đó các trạng thái của mạch được trình bày dưới dạng hệ số 2 tự nhiện. Mạch đếm sử dụng n FF sẽ có dung lượng là 2n. + Mạch đếm BCD : thường dùng 1FF nhưng chỉ có 10 trạng thái khác nhau để biểu diển các trạng thái từ 0 - 9. Trạng thái của mạch được trình bày dưới dạng mả BCD. + Mạch đếm MOD M (Moudulo M): có dung lượng là M với M là số nguyên dương bất kỳ. Mạch thường dùng cổng logic với FF và các cổng hồi tiếp đặc biệt để trình bày dưới các dạng mã khác nhau. Dựa vào tác động của xung đếm ta phân thành các loại. + Đếm lên (Up - Counter) : còn gọi là mạch đếm thuận. + Đếm xuống (Up - Down Couter) : Còn gọi là mạch đếm thuận nghịch, đếm hỗ hợp. FF2 FF1 FFn Ck Q1 Q2 Qn + Đếm vòng (Ring - Counter) FF2 FFn FF1 Ck Q1 Q2 Qn (a) (b) Hình 1.2.2.1. Sơ đồ mạch đếm (a) đồng bộ, (b) không đồng bộ Q FF2 Q\ Q FF3 Q\ Q FF1 Q\ Ck Q1 Q2 Q3 1 2 3 4 5 6 7 8 Ck Q1 Q2 Q3 (a) (b) Xung số Q3 Q2 Q1 0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 6 1 1 0 7 1 1 1 8 0 0 0 (c) Hình 1.2.2.2. Mạch đếm lên hệ 2 (a) Sơ đồ mạch, (b) giản đồ thời gian, (c) Bảng trạng thái 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ck Q1 Q2 Q3 J Q FF2 K J Q FF3 K J Q FF1 K J Q FF4 K Ck Q1 Q2 Q3 Q4 (a) (b) Hình 1.2.2.3. Mạch đếm BCD (a) Sơ đồ mạch, (b) Giản đồ thời gian FF2 FF3 FF1 Ck Q1 Q2 Q3 (a) 1 2 3 4 5 6 Ck Q1 Q1\ Q2 Q2\ (b) Xung số Q3 Q2 Q1 0 0 0 0 1 1 1 1 2 1 1 0 3 1 0 1 4 1 0 1 5 0 0 0 6 1 1 1 (c) Hình 1.2.2.2. Mạch đếm xuống MOD 5 (a) Sơ đồ mạch, (b) giản đồ thời gian, (c) Bảng trạng thái * Các mạch đếm bên trên chỉ trình bày dạng cơ bản. Thực tế, các mạch đếm này đã được tích hợp trong các IC, gọn, dễ sử dụng, ta chỉ dùng xung kích đúng, dùng các cổng logic để giới hạn MOD đếm... III. MẠCH GHI : Mỗi FF có 2 trạng thái ổn định và ta có thể kích thích để tạo ra ac1c trạng thái như ý muốn. Sau khi kích thích FF sẽ giữ trạng thái này cho đến khi nó bị buộc phải thay đổi. Vì vậy ta bảo FF là mạch có tính nhớ hay mạch nhớ. Nếu dùng nhiều FF ta có thể ghi vào đó nhiều dữ liệu đã được mã hóa nhân FF như vậy gọi là thanh ghi. Để ghi n bịt thông tin, người ta dùng n FF, thanh ghi như vậy gọi là thanh ghi n bit. Dựa vào phương pháp đưa dữ liệu vào mạch ta có các mạch ghi nối //. + Mạch ghi nối tiếp : Dữ liệu n bịt sẽ được dịch chuyển hoàn toàn vào thanh ghi sau n xung nhịp, mỗi xung nhịp sẽ ghi 1 bit vào thanh ghi. Thanh ghi m bịt chỉ chứa được m bit của một hay nhiều dữ liệu nối tiếp nhau. + Mạch ghi song song : Các bit của một dữ liệu được đưa vào các FF cùng lúc kiểu này thường phải dùng đầu vào điều khiển trực tiếp SD, RD. Dựa vào các thức dịch chuyển sữ liệu trong thanh ghi ta có mạch ghi dịch phải và mạch ghi dịch trái. Mạch ghi dịch là phần tử quan trọng trong các thiết bị số. Ngoài nhiệm vụ ghi đã dữ liệu chúng còn thực hiện một số chức năng khác như mạch đếm đặc biệt, mạch tạo sóng dùng cho điều khiển mạch số... Các thanh ghi đã được tích hợp các IC. C: BỘ NHỚ BÁN DẪN I. KHÁI NIỆM : Đối với thiết bị số, khả năng lưu trữ số liệu, thông tin là một yêu cầu, các số cần thiết cho phép toán phải được lưu trữ ngay trong máy. Lệnh điều khiển cũng phải được lưu trữ và thực hiện lần lượt trong các thiết bị điều khiển. Do vậy, bộ nhớ là thành phần không thể thiếu trong các mạch số. Thông tin lưu trữ trong các thiết bị số phải ở dạng mã hệ 2 (hệ nhị phân). Thông thường, thông tin, dữ liệu được tạo thành từ một đơn vị cơ bản là từ (word). Một từ có chiều dài nhất định 8 bit, 12bit, 16 bit, 32 bit ... Các bộ phận của thiết bị thường chỉ truyền đi hay nhận vào nguyên một từ hay nhiều từ chứ không phải vài bít của một từ. Vì từ được tạo thành từ nhiều bit nên đơn vị cơ bản của bộ nhớ là đơn vị lưu trữ được 1 bít. Khi so sánh bộ nhớ, người ta thường chú ý đến các đặc tính : - Dung lượng (capacity) dung lượng nhớ là khối lượng thông tin hay dữ liệu có thể lưu trữ được trong bộ nhớ. Để xác định dung lượng bộ nhớ liên quan mật thiết đến giá thành. Bộ nhớ dung lượng càng lớn thì giá thành càng cao (nếu xét các yếu tố khác không đổi) Thời gian thâm nhập (access time): thời gian này gồm 2 phần: phần 1 là thời gian cần thiết để xác định vị trí của từ, phần 2 là thời gian cần thiết để lấy từ ra, khỏi bộ nhớ. Thời gian thâm nhập là thông sốquan trọng của bộ nhớ, nếu thời gian này kéo dài sẽ làm giảm khả năng làm việc của thiết bị. Bộ nhớ thường được chia làm 2 loại căn cứ vào 2 tính chất vừa nêu trên là bộ nhớ chính và bộ nhớ phụ. - Bộ nhớ chính: bộ nhớ chính nằm gần các bộ phận xử lý dữ liệu và cần thời gian thâm nhập với dung lượng không cần lớn lắm. Phần này chứa các dữ liệu, thông tin hoặc các lệnh cần ngay cho công tác. - Bộ nhớ phụ: Không cần thiết phải nằm gần thiết bị, thời gian thâm nhập có thể lớn nhưng cần lại có dung lượng lớn để lưu trữ các thông tin chưa cần ngay hoặc kết quả của các công việc vừa được xử lý xong. II. BỘ NHỚ RAM (Random Access Memry): Bộ nhớ Ram thường được gọi là bộ nhớ đọc viết. Bộ nhớ Ram dùng để lưu trữ các kết quả trung gian hay tạm thời trong khi thực hiện các chương trình điều kiện . Ram có ưu điểm là có thể đọc hay viết dữ liệu lưu trữ trong nó bất cứ lúc nào nhưng nó có nhược điểm là dữ liệu sẽ bị xóa khi mất điện do đó cần nguồn nuôi pin dự phòng. 0.0 1.n 1.1 m.1 1.0 m.2 m.n 0.1 0.n giải mã hàng giải mã cột Hình 1.3.2.1. Ma trận nhớ của RAM - Cấu trúc Ram: Ram có ít nhất 2 đường điều khiển: Đọc/ viết (R/W) và chọn chip (CS) và các đường địa chỉ, đường dữ liệu. Ram gồm 2 loại Ram tĩnh và Ram động. 1. Ram tĩnh hay Sram (Static Ram) - Ram tĩnh lưu trữ dữ liệu ổn định trong mạch khi nào còn cung cấp nguồn cho nó. Các đường điều khiển không cần một xung nào. - Ram tương đối rẻ vì phương pháp chế tạo đơn giản, kích thước đơn vị nhớ nhỏ nên có thể chế tạo bộ nhớ dung lượng lớn nhưng kích thước nhỏ Dram có thời gian thâm nhập lớn. 2. Ram động hay Dram (Dynamic Ram) - DRAM tiêu thụ công suất nhỏ, khi không đọc viết, mạch hầu như không tiêu thụ công suất. - DRAM có thể được chế tạo với dung lượng lớn. - Thời gian thâm nhập bé hơn Ram tĩnh - DRAM phải luôn luôn được làm tươi nên việc sử dụng rắc rối hơn. III. ROM (Read Only Memory) ROM Các ngõ vào địa chỉ Các ngõ ra dữ liệu Các ngõ vào điều khiển ROM là bộ nhớ chỉ được ROM có đặc tính là lưu trữ sẵn dữ liệu, khi cần chỉ đọc, chứ không viết ngay vào được. Dữ liệu trong nhớ đã được ghi. Ma trận nhớ của ROM được tổ chức theo loại chọn tuyến tính hoặc tổ chức theo loại chọn trùng phùng. 1. ROM (Programble ROM) PROM là loại ROM chỉ có thể viết một lần. Ban đầu, khi chưa sử dụng các phần tử nhớ đều là 1, người sử dụng căn cứ vào nội dung lưu trữ mà chọn nội dung nào không thay đồi (1) và thay đồi (0) để tháo tác viết vào bộ nhớ. Người sử dụng muốn ghi bít 1 vào bộ nhớ thì giữ nguyên cầu chì, muốn ghi bit 0 thì cung cấp dòng đủ lớn để lànm đứt cầu chì khi cầu chì đã đứt thì không nối lại được do đó nội dung không thể thay đổi nên ta chỉ có thể lập trình cho PROM 1 lần. Người ta còn có thể chế tạo PROM dùng diode schottky thay cho cầu chì, ban đầu tất cả các diode đều ngắt tương ứng bit 0. Để tạo bit 1, người sử dụng phải đặt điện áp ngược đủ lớn để đánh thủng diode tạo ra sự thông mạch vĩnh viễn. 2. EPROM (Erasable PROM) PROM chỉ có thể nạp một lần nên khi nạp chương trình sai muốn đổi chương trình phải dùng 1 PROM mới. Do đó, người ta chế tạo PROM xóa được gọi là EPROM, EPROM có thể nạp trình, xóa và nạp lại được khi xoá EPROM phải dùng tia cực tím chiếu vào nó. 3. EEPROM: EPROM tuy khắc phục được nhược điểm của PROM nhưng sự nạp và xoá chưa thuận tiện, phải tháo EPPROM ra khỏi mạnh để xóa rồi mới nạp trình lại, không thể xóa hay thay đổi một từ mà xóa hết và nạp lại từ đâu. Để khắc phục nhược điểm này, người ta cho ra đời EEPROM. EEPROM xóa và nạp rất nhanh và có khả năng nạp từ riêng lẻ. Ứng dụng của bộ nhớ ROM: - Chuyển đổi mã: khi cho vào đầu vào một từ mã nào đó từ đầu ra bộ nhớ ROM sẽ là 1 từ dưới dạng mã khác. - Chứa các lệnh điều khiển cho các thiết bị làm việc Cx khởi động máy. - Chứa dữ liệu mà máy thường cần dùng. D : MẠCH DAO ĐỘNG Mạch dao động là các mạnh tạo ra tín hiệu ngõ ra mà không có tín hiệu ngõ vào. Các mạch dao động có thể tạp ra xung, sóng sin, sóng vuông, sóng chữ nhật hay sóng răng cưa. Các mạch dao động hoạt động dựa trên nguyên lý của phản hồi dương. Tín hiệu ngõ ra sẽ được phản hồi về ngõ vào, được tăng cường và tiếp tục tạo tín hiệu ở ngõ ra. Mạch dao động tạo ra dạng sóng ngõ ra mà chỉ dùng nguồn DC như một tín hiệu ngõ vào. Mạch dao động được sử dụng rộng rãi trong các hệ số để các mạch logic hoạt động đồng bộ với nhau. Nếu không có các mạch dao động tạo xung thì hệ thống số xem như tê liệt. Phản hồi b b Vout Mạch dao động cơ bản gồm 1 mạch KĐ và mạch phản hồi dương để tạo lệch pha và gây suy hao. Sơ đồ khối1 mạch dao động Điều kiện mạch dao động Arctg bAv = 00 bav = 1 Các dạng mạch dao động 1. Dao động dịch pha hay dao động RC Tần số dao động lý tưởng của mạch 1 Là : f0 = ------------------- 2­Ư 6 RC 2. Dao động cầu Wien Với R1 và R2, C1, C2 tạo ra tần số dao động R3, R4, và mạch phản hồi. Với R1 = R2 = R . R3 = 2R4 C1 = C2 = C f0 = f/2 l RC 3. Mạch dao động Colpitts: 4. Mạch dao động Hartley: 5. Mạch dao động thạch anh: Dao động thạch anh là mạch dao động cộng hưởng cơ bản. Tinh thể thạch anh có tần số dao động rất ổn định, nó thường được dùng trong kỹ thuật phát nhận thông tin được dùng ở nơi có tần số dao động ổn định. Có 2 tần số cộng hưởng: cộng hưởng song song và cộng hưởng nối tiếp. - Tần số cộng hưởng nối tiếp xảy ra ở tần số thấp và có tổng trở mạch rất nhỏ. - Tần số cộng hưởng song song xảy ra ở tần số cao hơn và tổng trở rất lớn. E : NGUỒN CUNG CẤP Trong kỹ thuật số, nguồn cung cấp cho các IC hoạt động là nguồn 1 chiều ổn áp để đảm bảo cho IC hoạt động ổn định. Có nhiều dạng mạch ổn áp. Ổn áp dùng diode zeners, dùng OPEM hay dùng vi mạch ổn áp. 1. MẠCH ỔN DÙNG DIODE ZENER: a. Dạng mạch cơ bản: Mạch dùng diode Zener 02 để ổn định áp ngõ ra. Ưu điểm của mạch là rẻ tiền, đơn giản, dễ thực hiện nhưng có độ ổn định kém và dòng nhỏ, phụ thuộc tải. b. Dạng mạch có dùng transitor: Dạng mạch này ổn định hơn mạch bên trên và cũng để thực hiện tuy nhiên, độ ổn định cũng phụ thuộc nhiều vào sự ổn định của Diode Zener và dòng áp ra nhỏ. II. MẠCH ỔN ÁP DÙNG IC ỔN ÁP: Do công nghệ vì điện tử phát triển ngày càng mạnh nên các nhà sản xuất đã cho ra đời hàng loạt các IC ổn áp chuyên dùng có độ ổn định cao cho phép thiết kế và thi công bộ nguồn dễ dàng hơn. Các IC ổn áp này còn có cả các mạnh bảo vệ quá dòng, quá áp bên trong nó. Các mạch ổn áp dùng IC ổn áp thông dụng như 78xx, 79xx, LM 109, LM 209, LM307. Dạng mạch ổn áp cơ bản dùng IC ổn áp. CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ TÍNH TOÁN A : GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG I. HEF 4040B: HEF4040 VDD O10 O9 O7 O8 MR CK\ O0 O11 O5 O4 O6 O3 O2 O1 VSS 16 15 14 13 12 11 10 9 1 2 3 4 5 6 7 8 HEF 4040B là IC đếm nhị phân 12 tầng nối tiếp. IC có một ngõ vào xung clock (CK), một ngõ vào ưu tiên Masterreset (MR) và 12 tầng đệm ngõ ra. Bộ đếm hoạt động ở mức thấp của xung Ck tức khi xung Ck từ mức cao xuống thấp sẽ tác động đến bộ đếm. Mỗi tầng đếm là 1 FF tĩnh hoạt động theo kiểu trigger hoạt động trigger sẽ làm giảm sai số mạch và giảm thời gian trễ. II. HEF 4060B: IC HEF 4060B là IC đếm chia và dao động nhị phân 14 tầng với 3 chân của bộ dao động (Rs, RTC, CTC), 10 tầng đệm ngõ ra (03 - 09 và 011 đến 013) và một ngõ vào ưu tiên Master Reset (MR) cấu hình bộ dao động cho phép thiết kế cả dao động RC lẩn dao động thạch anh. Bộ dao động có thể được thay thế bằng một xung đồng hồ bên ngoài tại ngõ ra RC. Bộ đếm hoạt động ở mức thấp của xung CK và RS. Mức cao của MR reset bộ đếm bất chấp trạng thái ngõ vào hoạt động schmitt - trigger sẽ làm cho mạch giảm sai số và thời gian trễ. HEF 4060B ._.