Bài giảng Thiết kế bộ đếm không đồng bộ mod 10

PHẦN II: THIẾT KẾ BỘ ĐẾM KHÔNG ĐỒNG BỘ MOD 10 I. Giới thiệu chung về bộ đếm. 1.Định nghĩa - Bộ đếm là một dãy tuần hoàn có một đầu vào đếm và một đầu ra, mạch có số trạng thái trong bằng chính hệ số đếm (ký hiệu là Kđ). Dưới tác dụng của tín hiệu vào đếm mạch sẽ chuyển từ trạng thái trong này tới một trạng thái trong khác theo một thứ tự nhất định. Cứ sau Kđ tín hiệu vào đếm, mạch lại trở về trạng thái xuất phát ban đầu. - Theo cách làm việc, bộ đếm được phân làm hai loại: Bộ đếm đồng bộ (song song): Là bộ đếm mà các FF dùng để mã hóa cho các trạng thái trong của bộ đếm thay đổi trạng thái cùng một lúc khi có tín hiệu vào đếm và sự chuyển trạng thái không qua các trạng thái trung gian. Đặc điểm của bộ đếm này là tín hiệu xung nhịp Ck được đưa vào đồng thời tới các FF. Bộ đếm không đồng bộ (nối tiếp): Là bộ đếm mà trong đó tồn tại ít nhất một cặp chuyển trạng thái từ Si -> Sj mà trong đó các FF không thay đổi trạng thái cùng một lúc. - Ở đây ta xét bộ đếm không đồng bộ Mod 10 (MOD là số trạng thái trong một chu trình Bộ đếm). 2. Các bước thiết kế bộ đếm - B1: Vẽ đồ hình trạng thái của bộ đếm: Căn cứ vào yêu cầu của bộ đếm cần thiết kế như Kđ và một số yêu cầu khác để xây dựng đồ hình mô tả hoạt động của bộ đếm. - B2: Xác định số FF của bộ đếm: Mã hóa các trạng thái trong của bộ đếm theo mã đã cho. Trước tiên ta phải xác định được n là số FF cần thiết kế để mã hóa cho Kđ trạng thái trong của bộ đếm. Sau đó mã hóa các trạng thái trong của bộ đếm theo mã đã cho. B3: Xác định các hàm kích và hàm ra của các FF B4: Sơ đồ mạch thực hiện Từ các phương trình đầu vào kích các FF và phương trình hàm ra, đưa ra sơ đồ mạch thức hiện. 3. Các phần tử sử dụng trong bộ đếm. 3.1. Phần tử nhớ JKFF JKFF Hình 3.1.1 Cấu trúc mạch của FF JK + JKFF có một đầu vào điều khiển Ck để thiết lập trạng thái đầu ra Q theo tín hiệu đầu vào hai chân điều khiển là J và K. + Có hai tìn hiệu đầu ra tương ứng là Q và Q luôn có giá trị ngược nhau. + Có một chân Reset để cài đặt giá trị đầu ra Q về 0 khi có xung vào tích cực. + Có một chân vào thiết lập để thiết lập giá trị đầu ra Q lên 1 khi có tín hiệu vào tích cực. Một JKFF làm việc dựa trên nguyên lý sau: + Bảng chức năng Q J K Q’ 0 1 0 1 1 Q 1 0  + Phương trình trạng thái Q = J + Q + Bảng ứng dụng Q Q’ J K 0 0 0 X 0 1 1 X 1 0 X 1 1 1 X 0 3.2. Cổng NAND + Bảng chức năng Đầu vào A B Đầu ra Q= 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 II. Thiết lập bộ đếm không đồng bộ Mod 10. 1. Đồ hình trạng thái S0 S1 S2 S3 S4 0000 0001 0010 0011 0100 Ck Ck S9 S8 S7 S6 S5 1001 1000 0111 0110 0101 2. Xác định số FF - Vì số đếm hệ thập phân có Kđ = 10 nên ta phải sử dụng ít nhất 4FF vì 4FF mã hóa được 16 trạng thái. - Sáu trạng thái thừa sẽ dùng cổng NAND để khóa và không đếm hết số trạng thái. - Chọn 4 JKFF 3. Lập bảng bảng mã hóa và bảng kích. S D C B A D’ C’ B’ A’ JD KD JC KC JB KB JA KA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 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 0 0 0 1 0 0 1 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 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 X 0 X 0 X 0 X 0 X 0 X 0 X 1 X X 0 X 1 0 X 0 X 0 X 1 X X 0 X 0 X 0 X 1 0 X 0 X 0 X 1 X X 0 X 1 0 X 1 X X 0 X 1 0 X 0 X 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 1 X X 1 + Tối thiểu các hàm kích - sử dụng bìa Cacno. -Từ bảng kích nhận thấy: JA = KA = 1(Vì tất cả các giá trị đều =1&X). JB BA DC 00 01 11 10 0000 1 X X 1 X X X X X X X X 00 01 11 10 JB =A KB BA DC 00 01 11 10 XX X X 1 X X 1 X X X X X X X X 00 01 11 10 KB = A JC BA DC 00 01 11 10 0000 1 X X X X X X X X X X 00 01 11 10 JC = AB KC BA DC 00 01 11 10 0000 X X X X X 1 X X X X X X X X 00 01 11 10 KC = AB JD BA DC 00 01 11 10 0000 1 X X X X X X X X 00 01 11 10 JD = ABC KD BA DC 00 01 11 10 0000 X X X X X X X X X X X X 1 X X 00 01 11 10 KD = A Ở bộ đếm không đồng bộ, sự thay đổi của FF này lại dẫn đến sự thay đổi trạng thái của FF khác...,nên thường chỉ lấy xung đếm (Xđ) đưa vào Ck đầu tiên FF-A còn các FF sau được điều khiển bởi các FF trước. Từ các hàm J, K ở trên ta có phương trình Ck cho từng FF như sau: CKA = Xđ CKB = A CKC = B CKD = A 4. Sơ đồ mạch thực hiện đếm và dạng sóng trên các đầu ra của FF. - Sơ đồ nguyên lý bộ đếm 4bit: - Sơ đồ thực hiện đếm mod 10: - Đồ hình dạng xung đếm : III. Thiết kế bộ đếm không đồng bộ Mod 10. 1. Sơ đồ khối. Xung clock Mã BCD Mã 7 thanh Khối tạo Khối bộ khối giải mã Khối hiển Xung clock đếm led 7 thanh thị 2. Chức năng từng khối. 2.1. Khối tạo xung - Khối tạo xung có chức năng tạo ra xung nhịp chuẩn để kích cho bộ đếm hoạt động ở sườn âm. - Có thể dùng Transistor hoặc IC ... để tạo xung nhưng thông thường ta dùng mạch dao đông tạo xung sử dụng IC NE555. Sơ đồ mạch tạo xung: -Vcc -Nguyên lý : + Vcc cung cấp cho IC có thể sử dụng từ 4,5V đến 15V . + Tụ 103 (10nF) từ chân 5 xuống mass là cố định (có thể bỏ qua). + Khi thay đổi các điện trở R1, R2 và giá trị tụ C1 sẽ thu được dao động có tần số và độ rộng xung theo ý muốn theo công thức: T = 0.7 × (R1 + 2R2) × C1 và f = 1.4 (R1 + 2R2) × C1 Trong đó: T = Thời gian của một chu kỳ toàn phần tính bằng (s) f = Tần số dao động tính bằng (Hz) R1 = Điện trở tính bằng ohm (W ) R2 = Điện trở tính bằng ohm ( W ) C1 = Tụ điện tính bằng Fara ( F ) 2.2. Khối bộ đếm. - Chọn IC 74ls76 là loại IC tích hợp 2 bộ đếm JK FF trong cùng một vỏ, nó có 2 ngõ vào cho xung clock (CK) và có 2 ngõ vào trực tiếp là Preset (SD) và Clear (CD) để thiết lập giá trị đầu ra Q khi có xung đầu vào tích cực. Chi tiết thông tin IC 74ls76 có thể xem thêm ở phần Datasheet 74LS76. - Sơ đồ bố trí chân IC và sơ đồ logic của mạch tổ hợp: 7476 + sử dụng IC 7476 có các chân chức năng sau: Chân 1 & 6: 2 chân vào xung đếm của JK1, JK2 tích cực ở mức thấp. Chân 2 & 7: 2 chân thiết lập hoạt động ở mức thấp, dùng để thiết lập đầu ra bộ đếm lên 1 khi có xung vào tích cực. Chân 3 & 8: 2 chân Reset hoạt động ở mức thấp, dùng để reset bộ đếm về trạng thái 0 khi có xung vào tích cực. Chân 5: chân cấp nguồn cho IC hoạt động. Chân 4, 9, 12, 16: các chân đầu vào điều khiển của bộ đếm đều được đặt ở giá trị 1. Chân 10,11,14,15: các chân tín hiệu ra ( Q,) của bộ đếm. Chân 13: nối Mass. + Hình dạng thực tế của IC 74ls76. + Bảng trạng thái: 2.3: Khối giải mã Led 7 thanh. - Mạch giải mã sử dụng IC 74LS47 - Sơ đồ bố trí chân IC và sơ đồ logic của mạch tổ hợp Các số thập phân được giải mã như sau: - Chức năng của IC 7447 là bộ giả mã và kích thích hiển thị, trong đó các chân A0, A1, A2, A3 là các chân đầu vào mã BCD trong đó A3 có trọng số lớn nhất. Các chân đầu ra a,b,c,d,e,f,g tích cực mức thấp được nối với Led 7 thanh loại anode chung. Chức năng từng chân như sau: Chân 1, 2, 6, 7: chân dữ liệu BCD vào dưc liệu này được lấy từ xung đếm. Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân ra tác động tích cực mức thấp và được nối với Led 7 thanh theo các chân tương ứng. Chân 8: nối Mass Chân 16: chân nối nguồn Vcc=5v. Chân 3,4: có thể nối lên Vcc. Chân 5: ngõ vào xóa dơn sóng RBI có thể không nối hoặc nối lên cao khi không được dùng để xóa số 0 (số 0 ở trước số có nghĩa hoặc số 0 thừa ở bên trái dấu chấm thập phân. 2.4. Khối hiển thị. -Sử dụng Led 7 thanh: Có hai loại Led 7 thanh thông thường là Anode chung và Cathode chung. Vì IC 74ls47 có ngõ ra tích cực mức thấp nên ở đây ta sử dụng Led 7 thanh loại anode chung. - Cấu tạo: Chân 3, 8 nối với Vcc. Chân 5: hiển thị dấu chấm thập phân. Các chân 1(e), 2(d), 4(c), 6(b), 7(a), 9(f), 10(g) được nối với các chân tương ứng của IC 74LS47. Các từ mã đầu vào của BCD quyết định số được hiển thị, nhưng do cấu trúc của các Led a,b,..g mà giá trị tín hiệu đầu ra bộ giải mã được xác định sao cho: Mức logic thấp 0 (L): Led sáng Mức logic cao 1 (H): Led tắt Các Led sáng theo trình tự nhất đinh sẽ hình thành số được hiển thị. - Bảng giải mã IC 74LS47 cho led 7 thanh : Mã BCD Led 7 thanh Số A0 A1 A2 A3 a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 4 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 5 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 6 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 9 - Cần chú ý với điện áp Vcc 5v điện trở hạn dòng phải tính sao cho mỗi thanh của led hiển thị có dòng điện từ 10 -> 20mA.