Thiết kế đồng hồ số báo giờ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Sinh viên thực hiện : HỒ NGỌC VŨ Ngành : ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Lớp : 95 KĐĐ TÊN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ĐỒNG HỒ SỐ BÁO GIỜ 1. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU:...................................................................................... 2. NỘI DUNG THUYẾT MINH TÍNH TOÁN: ........................................................... ...................................................................................................................................... 3. CÁC BẢN VẼ : ........................................................................................................ 4. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN PHƯƠNG QUANG 5. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 13 -12 - 1999 6. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 28 - 2 -2000 Giáo viên hướng dẫn Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Thông qua bộ môn Ngày.........tháng........năm....... Chủ nhiệm bộ môn 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 (Hình 1.a) + Phương pháp logic âm ( hình 1.b) Điện thế âm hơn là mức 1 Điện thế dương hơn là mức 0 1 0 1 0 1 0 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) 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 t u 0 1 0 1 0 1 t u 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 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. * 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 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 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. Hình 1.3.2. Sơ đồ khối phân loại FF a. FF dạng chủ tớ ( MS) FF Q Q\ Các ngõ vào điều khiển Chủ tớ FF Thường FF-T FF-D FF-JK Đồng boÄ FF-RS Không đồng bộ 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 riên