Báo cáo môn Thiết kế mạch tương tự

BÁO CÁO MÔN Thiết kế mạch tương tự ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH TƯƠNG TỰ Mục lục I. Lời mở đầu II. Giới thiệu chức năng của hệ thống III. Phân tích bài toán IV. Sơ đồ khối V. Thiết kế cụ thể cho từng khối : 1. Thiết kế khối nguồn 2. Thiết kế khối tạo xung chuẩn 1 Hz 3. Thiết kế khối đồng hồ số 4. Thiết kế khối khối hiển thị 5. Thiết kế khối giải mã đổ chuông 6. Thiết kế khối chuông VI. Một số linh kiện thông dụng được dùng trong hệ thống : 1. IC giải mã 7 đoạn 74LS47 2. IC đếm mode 10 74HC192 3. IC giải mã BCD sang mã 10 74HC4028 4. IC tích hợp phần tử OR 74LS32P 5. IC tích hợp phần tử AND 74LS08 6. Led 7 đoạn chung Anot VII. Sơ đồ mạch của hệ thống VIII. Lời kết IX. Tài liệu tham khảo I. Lời mở đầu : Các hệ thống điện tử ngày nay đã 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 tạo chuông báo giờ vào học, ra chơi tại các trường học. 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 tốt đề tài này chúng ta phải có kiến thức về môn điện tử số, hiểu được cấu trúc và chức năng của một số IC đếm, mạch giải mã, các cổng logic và một số kiến thức về các linh kiện điện tử như tụ điện, transistor, diode… Trong đề tài môn học này chúng em làm về đề tài thiết kế mạch đồng hồ báo giờ các tiết học của Khoa Công Nghệ Điện Tử-Thông Tin,trường Viện đại học Mở Hà Nội, với mục đích là củng cố và vận dụng một số kiến thức đã học từ môn điên tử số, mạch tương tự…Và cuối cùng là mong muốn ứng dụng mạch vào trong thực tế… II. Giới thiệu chức năng : Đồng hồ số báo chuông hoàn toàn tự động, có khả năng báo giờ vào học, ra chơi, ra về của trường, có khả năng hiển thị thời gian hiện tại, có khả năng chỉnh giờ, hoặt động với độ tin cậy cao sử dụng nguồn Pin, Ắc quy và điện lưới 220v với một lần khởi động hệ thống và chỉnh thời gian duy nhất. III. Phân tích bài toán : Qua tìm hiểu thời gian ra chơi, vào học của trường nhóm em thấy: Khối tạo xung 1Hz Khối đồng hồ Khối giải mã đổ chuông Khối chuông Khối chỉnh thời gian Khối nguồn 5v Khối hiển thị Khoa Công Nghệ Điện Tử-Thông Tin ,trường Viện đại học Mở Hà Nội tổ chức 3 buổi học, mỗi buổi học kéo dài 4 tiết, xen kẽ giữa các tiết học là thời gian ra chơi, thời gian ra chơi sau tiết 1,2 là 10 phút, sau tiết 3 là 15 phút. thời gian đổ chuông báo ra chơi là 10s, thời gian đổ chuông báo vào học là 5s. thời gian vào học ca sáng là 7h15, ca chiều là 13h15, ca tối 19h15 ứng với giờ mùa đông. Còn vào mùa hè thời gian vào học ca sáng là 7h00’, ca chiều 13h00’, ca tối 19h00’ . Với thời gian phức tạp như thế ta phải thiết kế được một đồng hồ số hoàn chỉnh, trên cơ sở đó thiết kế thêm module giải mã thời gian, để nhận biết từng thời điểm đổ chuông đúng giờ và hợp lý. Khi thiết kế đồng hồ số ta lại phải thiết kế bộ đếm 24 cho khối giờ, bộ đếm 60 cho khối phút và khối giây. Xây dụng bộ giải mã để giải mã tín hiệu BCD từ các IC đếm để hiển thị trên led 7 đoạn, ngoài ra còn phải có một khối chỉnh thời gian, khối nguồn và khối tạo xung. IV. Sơ đồ khối : V. Thiết kế cụ thể cho từng khối 1. Khối nguồn Trong hầu hết các mạch logic số nguồi nuôi thường duy trì ổn định ở mức +5V. Do yêu cầu cao của hệ thống các nguồn nuôi thường được chế tạo một cách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả, và tính ổn định cao. Thông thường có 2 kiều nguồn chính: + Dùng pin hoặc ắc quy cho điện áp tương đối ổn định, mặc dù trên thị trường không có loại pin hoặc ắc quy chuẩn 5V cho nên nếu dùng nó thì phải qua một bộ biến đổi điện áp để đưa điện áp về dạng chuẩn hơn nữa trong quá trình sử dụng, năng lượng trong pin, ắc quy hết đi hệ thống sẽ bị gián đoạn. - Sơ đồ đưa điện áp 6V từ pin về điện áp chuẩn như sau: + Trên thực tế để có nguồn điện đáng tin cậy người ta hay dùng phương pháp ổn áp dòng điện một chiều từ cuộn sơ cấp của biến áp sau khi đã chỉnh lưu bằng cách sử dụng một IC loại 7805. - Sơ đồ mắc mạch ổn áp dùng IC 7805 như sau: 2. Khối tạo xung chuẩn 1Hz Có nhiều cách để tạo ra xung chuẩn 1Hz như dùng dao động đa hài, dùng mạch khuyếch đại có hồi tiếp dương, dùng thạch anh, và IC tạo dao động chuyên dụng 555. Trong các cách đó nếu dùng thạch anh là chính xác hơn cả bởi sai số của nó rất nhỏ, tuy nhiên khi dùng thạch anh ta lại phải tạo ra một mạch tương đối phức tạp đó là khuyếch đại dao động nội từ thạch anh sau đó lại phải tiến hành chia tần nhiều lần rất phức tạp. Để có một mạch dao động tạo xung chuẩn tương đối chính xác người ta hay dùng IC555 bởi giá thành rẻ, lắp ráp và vận hành tương đối đơn giản. trong đề tài này nhóm em đã sử dụng loại IC này để tạo dao động. - Sơ đồ của chân của IC này như sau: - Cách mắc IC để tạo ra xung chuẩn: Trong đó tần số của xung ra được tính theo công thức: Hay t=ln2.C.(R1+2R2) Trong qua trình thiết kế mạch ta chọn C=100uf, R1=10K, R2=2,2K. vậy ta có xung ra là: t=ln2.100.10-6(10.10-3+2,2.2.10-3)≈1s - Dạng xung ra ở chân số 3: - Sơ đồ mạch trong thực tế như sau: 3. Khối đồng hồ Trong khi thiết kế đông hồ chúng ta thấy: Đồng hồ sử dụng 6 bộ đếm trong đó có 3 bộ đếm mod 10, 2 bộ đếm mod 6 và 1 bộ đếm mod 3. Các bộ đếm này được thiết kế dựa trên các triger như JK, RS, D…và được hiết kế theo kiểu đếm đồng bộ hay không đồng bộ. Để thiết kế bộ đếm 24 cho khối đếm giờ ta ghép nối 2 bộ đếm mod 3 và bộ đếm mod 10 sau đó sử dụng mạch logic để khử trạng thái thừa. Để thiết kế bộ đếm 60 ta nghép 2 bộ đếm 6 và bộ đếm 10. - Thiết kế bộ đếm mod 3: Bộ đếm mod 3 có 3 trạng thái là: (0, 1, 2) do đó cần số triger N>Log23 hay N=2, dùng 2 triger ta lại có thể mã hoá đến 22 trạng thái do đó ta thiết kế bộ đếm mod 4 sau đó loại bỏ đi một trạng thái thừa. - Sơ đồ bộ đếm mod 3: Kiểu không đồng bộ: -Kiểu đồng bộ: Clock - Bảng trạng thái của bộ đếm: Đếm TP B A Trạng thái trong bộ đếm 0 0 0 00 1 0 1 01 2 1 0 10 3 1 1 11 0 0 0 00 - Nguyên lý hoạt động: Có thể biểu diễn thông qua giản đồ sóng sau: Qa Clock Qb Ck - Thiết kế bộ đếm mod 6: Tương tự như bộ đếm mod 3, để thiết kế bộ đếm mod 6(đếm từ 0 đếm 5) ta phải dùng n triger sao cho n thoả mãn n>=log26, do đó chon n=3, và số trạng thái có thể có là: 23 = 8 như vậy là thừa 2 trạng thái. - Bảng đếm: Đếm TP Đếm nhị phân Trạng thái trong của bộ đếm A B C 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 2 0 1 0 0 1 0 3 1 1 0 0 1 1 4 0 0 1 1 0 0 5 1 0 1 1 0 1 6 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 - Từ bảng trạng thái ta có sơ đồ nguyên lý: Bộ đếm hoặt động bình thường cho đến xung thứ 6(đếm từ 0 đến 5). Vì triger JK này hoạt động tích cực ở sườn âm của xung nhịp nên đến sườn sau xung thứ sáu cả Clock hai đầu B, C đều có mức tích cực cao qua cổng AND để đưa vào kích hoạt reset làm trở lại trạng thái ban đầu. -Nguyên lý hoạt động có thể mô tả băng giản đồ sóng: - Thiết kế bộ đếm mod 10: Để đếm từ 0 đên 9 tức là có 10 trạng thái ta phải dùng số triger n>=log210, do đó ta chon n=4. 4 triger có thể mã hoá được 24=16 trạng thái trong khi đó ta chỉ dùng 10 trạng thái đầu tiên. - Ta có bảng đếm: Đếm TP Đếm nhị phân Trạng thái trong của bộ đếm A B C D 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 2 0 1 0 0 0 0 1 0 3 1 1 0 0 0 0 1 1 4 0 0 1 0 0 1 0 0 1 2 5 6 4 3 Ck 7 A B C 5 1 0 1 0 0 1 0 1 6 0 1 1 0 0 1 1 0 7 1 1 1 0 0 1 1 1 8 0 0 0 1 1 0 0 0 9 1 0 0 1 1 0 0 1 10 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 - Sơ đồ nguyên lý của bộ đếm thập phân: - Nguyên lý hoạt động: Đây là bộ đếm không đồng bộ, bộ đếm hoạt động bình thường cho đếm xung thứ 10, tại sườn âm của xung thứ 10 thông qua cổng AND hệ thống bị reset về trạng thái ban đầu. - Giản đồ sóng : Clock A B C D Trên thực tế ta không thiết kế từng bộ đếm bằng các triger mà dùng các IC đếm mod 10 để thiết kế bộ đếm mod 3, mod 6, mod 10 Cụ thể là khi thiết kế bộ đếm 60 cho khối giây và khối đếm phút ta dùng IC74HC192 với sơ đồ sau: - Để thiết kế bộ đếm 24 giờ ta ghép nối như sau: - Nguyên tắc hoạt động: Khi có xung clock đặt vào lối vào xung đếm thuận của IC đếm hàng đơn vị của khối đếm giây, IC này sẽ đếm từ 0 đếm 9 cho ra mã BCD ở đầu ra của nó. Khi IC này đếm lên đên 9 thì chân tín hiệu TC U sẽ chuyển về mức thấp, ta dùng chân này để nối với lối vào xung clock của IC đếm hàng chục giây. Khi 2 IC đếm giây đếm đến 60 thì lập tức tạo ra 1 xung thông qua cổng AND đưa vào chân reset của 2 IC đếm giây, 2 IC này bị reset về 0 đồng thời tạo xung kích vào lối vào xung clock của IC đếm hàng đơn vị phút. Các IC đếm phút vào đếm giờ hoạt động tương tự như IC đếm giây. 4. Khối giải mã hiển thị Để hiển thị được kết quả của bộ đếm ta dùng 6 con led 7 đoạn có chung anot và 6 IC giải mã 7 đoạn 74LS47, các chân đầu ra của bộ giải mã 7 đoạn được nối với các chân của led 7 đoạn với thứ tự tương ứng, các chân đầu vào của bộ giải mã được nối với các đầu ra của bộ đếm thời gian theo thứ tự chân tương ứng. 5. Khối điều chỉnh thời gian Khối điều chỉnh thời gian đơn giản là các phím bấm chỉnh phút và chỉnh giờ. Các phím bấn này kết hợp với công OR để tạo xung đưa vào các lối vào clock của khối đếm phút và khối đếm giờ. Trong mạch không dùng đến nút chỉnh giây bởi đơn vị thời gian của nó nhỏ. Còn nếu muốn chỉnh chính xác đếm đơn vị giây ta chỉ cần khởi động mạch vào thời điểm có số giây là 00. - Sơ đồ bộ chỉnh thời gian: