Đồ án: thiết kế mạch chuyển đổi ADC với yêu cầu đầu vào tín hiệu tương tự đầu bit liệu ,hiển thị dạng LED Mục Lục: Nội Dung Lời Mở Đầu PHẦN I : Các kiến thức kĩ thuật xung số .3 Chương I: Hệ thống số đếm .3 Tổng quan logic số Hàmlogic Chương II: Các cổng logic mạch tổ hợp 14 Các cổng logic 14 Thiết kế mạch logic 17 Chương III: FipFop ứng dụng 23 FipFop 23 Mạch đếm .30 Chương IV: Chuyển đổi ADC DAC 41 Mạch chuyển đổi DAC 41 Mạch chuyển đổi ADC 44 Chương V: Mạch tạo xung 50 PHẦN II : ĐỒ ÁN KĨ THUẬT SỐ MACH CHUYEN DOI ADC Lời mở đầu Từ đời kĩ thuật số ứng dụng nhiều vào thực tế từ tivi số ,máy ảnh số ,camera số ,điện thoại số,truyền hình số nhiều lĩnh vực khác Kĩ thuật số có ưu điểm dễ xử lí,lưu trữ ,ít bị méo tín hiệu truyền,thiết bị đơn giản ngày sử dụng phổ biến.Tuy số lại có ưu điểm khơng hiển thị thiết bị đo tương tự ,phải dùng thiết bị số chuyên dụng,hơn thực tế tín hiệu thường tín hiệu tương tự.Tuy nhiên với ưu điểm kĩ thuật số ngày thay kĩ thuật tương tự Trải qua trình học tập, nghiên cứu em chọn đề : “ thiết kế mạch chuyển đổi ADC với yêu cầu đầu vào tín hiệu tương tự đầu bit liệu ,hiển thị dạng LED thanh” làm đồ án Em hy vọng sau hồn thành đồ án giúp em củng cố lại kiến thức mà em tích luỹ suốt thời gian học tập, với ước mong điểm tựa (về kiến thức) cho em sau trường Trong trình làm đồ án khả hạn chế thời gian cón hạn chế ,hơn lĩnh vực chúng em nên em cố gắng chắn khơng tránh khỏi thiếu sót nội dung phương pháp trình bày em mong sư bảo,hướng dẫn thầy cô bạn đẻ tập em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên: NHÓM Lớp : ĐKKTĐ1 Chương I : Hệ thống số đếm I Tỗng quan logic số I.1 Mạch tương tự tín hiệu tương tự (Analog circuit) a.Mạch tương tự (Analog ) *Định nghĩa : Mạch tương tự mạch xử lý tín hiệu tương tự -Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu có biên độ biến đổi liên tục theo thời gian xác định theo quan hệ hàm số -Đặc điểm : Mạch tương tự có khả chống nhiễu độ ỗn định , phân tích thiết kế phức tạp b Mạch số tín hiệu số *Định nghĩa :Là mạch điện xử lý tín hiệu số mạch logic số -Tín hiệu số : tín hiệu có mức logic phân biệt Trong kỹ thuật số mức logic đươc gọi mức cao(H) mức thấp (L) , gọi mức “1” mức “0” *Đặc điễm: -Tín hiệu số đươc phát sinh mạch thích hợp Gián đoạn thời gian biên độ Sự chuyển tiếp từ mức thấp lên mức cao xảy nhanh chóng -Khả chống nhiễu tốt -Thiết kế, phân tích mạch đơn gian dễ làm -Thuận lợi cho mạch lưu chữ thông tin 1.2 Các hệ thống đếm (Number systems) 1.2.1.Hệ thống số thập phân(Decimal System) - Sử dụng mười chữ số từ đến ghép lại với tạo thành số đếm, số sau lớn số trước đơn vị Mỗi chữ số có mặt số thập phân gọi bit tính từ phải sang trái, bit gọi hàng đơn vị , bit hàng chục, bit hàng trăm, bit hàng nghìn 168 = 1.10 + 6.101 + 8.10 Ví Dụ: = 100 + 60 + = 168 D Tổng quát: X D = a n 10 n−1 + a n−1 10 n −2 + + a1 10 2.Hệ thống số nhị phân(Binery) *Định nghĩa:hệ thống số nhị phân loại số đếm sử dụng kí tự số ghép lại với tạo thành số đếm -Tổng quát: n −1 n −2 X D = a n + a n −1 + + a1 3.Hệ thống số thập lục phân (Hexa) *Định nghĩa:Hệ thống số thập lục phân hệ thống số sử dụng 16 kí tự 10 kí tự đầu số từ → ,6 kí tự sau chữ A,B,C,D,E,F ghép với tạo thành số đếm 225 h = 2.16 + 2.161 + 5.16 Ví dụ: = 512 + 32 + = 549 D -Tổng quát: X D = a n 16 n −1 + a n −1 16 n −2 + + a1 16 I.1.3.Chuyển đổi hệ thống số đếm 1.Chuyển từ số thập phân sang số nhị phân *Cách làm:Muốn chuyển từ số thập phân sang số nhị phân người ta lấy số thập phân cần chuyển đổi chia liên tiếp cho để tìm số dư Số dư phép chia bít có nghĩa nhỏ số nhị phân số dư cuối phép chia kết bít có nghĩa lớn số nhị phân cần tìm -Ví dụ: 69 D = ? D 69/2=34 dư 1 34/2=17 dư 0 17/2=8 dư 1 8/2=4 dư 0 4/2=2 dư 0 2/2=1dư 0 1/2=0 dư 1 → 69 D = 1000101B 2.Chuyển từ số nhị phân sang số thập phân *Cách làm:Muốn chuyển từ số nhị phân sang số thập phân ta khai triển công thức tổng quát số nhị phân với số kết tìm số thập phân cần chuyển đổi - Tổng quát: X D = a n n−1 + a n−1 n −2 + + a1 -Ví dụ: 1000101B = 1.2 + 1.2 + 1.2 = 69 D 3.Chuyển từ số thập phân sang thập lục phân *Cách làm:Muốn chuyển từ số thập phân sang thập lục phân ta lấy số thập phân cần chuyển đổi chia lien tiếp cho 16 để tìm số dư.Số dư phép chia bit có trọng số nhỏ nhất, số dư cuối phép chia bít có trọng số lớn số thập lục phân cần tìm Ví dụ: 69 D = ( ?) H 69/16 = dư 5(LBS) 4/16 = dư 4(MSB) ⇒ 69 D = 45 H Chuyển đổi từ số thập lục phân sang hệ thập phân *Cách làm: Muốn chuyển từ hệ thập lục phân sang hệ thập phân ta sử dụng công thức khai triển tổng quát số thập lục phân với số 16, kết tìm số thập phân cần chuyển đổi Ví Dụ: 45 H = ? D 45 H = 4.161 + 5.16 = 64 + = 69 D 5.Chuyển đổi từ số thập lục phân sang số nhị phân *Cách làm:Muốn chuyển từ số thập lục phân sang số nhị phân ta tính từ tráI qua phảI số thập lục phân bít số thập lục phân tương đương với bít số nhị phân có vị trí tương ứng Chuyển từ nhị phân sang thập lục phân *Cách làm: Muốn chuyển từ nhị phân sang thập lục phân ta tính từ phải qua tráI bít số nhị phân tương đương với bít số thập lục phân Những số cuối nằm phía bên tráI thiếu số lượng bít ta thêm “0” vào phía bên trước I.2 Các loại mã thông dụng Khái niệm:mã số tập hợp hệ thống số đếm theo qui luật định dùng để biểu diễn thông tin theo qui luật Mã số phương tiện giao tiếp hệ thống thông tin + Đơn vị tính: byte (B) - Trong thực tế có nhiều loại mã khác chủ yếu sử dụng mã: + BCD (Binery Code Decimal ) + ASC II +Mã GRAY(mã vịng) Các loại mã thơng dụng a.Mã BCD: - Cách thành lập:được thành lập dựa cở sở bít số nhị phân ghép lại với - Có dạng để thể mã số BCD + BCD khơng gói: BCD thể tất trạng thái mà biểu diễn (16 trạng thái ) + BCD gói: mã số mà BCD thể nằm 10 kí tự hệ số đếm thập phân Các mã lớn 10 cần biểu diễn dạng BCD ta dùng nhiều tổ hợp BCD ghép lại với - Qui ước: Mã BCD mã số thuộc 10 kí tự số thập phân b Mã thập lục phân(Hexa) - Cách thành lập: thành lập sở hệ thống số đếm thập lục phân - Dạng thể giống thập lục phân: gồm 16 kí tự để biểu diễn mã số gồm 10 kí tự số từ đến kí tự chữ A,B,C,D,E,F Bảng 1.1: Các dạng mã số tự nhiên từ ÷ 15 Mã thập phân Mã BCD Mã thập lục 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 10 1010 A 11 1011 B 12 1100 C 13 1101 D 14 1110 E 15 1111 F - Bảng mã số chuyển đổi tương ứng hệ thống số: c.Mã ASC II - Là hệ thống mã số dùng để mã hóa phần cứng với thiết bị vào ra: bàn phím, chuột Bảng 1.2: bảng mã số tự nhiên Hexa Decimal Hệ D Hệ B 0 00000 16 32 48 00001 ! 00010 17 33 49 00011 // 00100 18 34 50 00101 # 19 00110 51 35 00111 4 $ 20 01000 52 36 01001 5 % 10 21 01010 53 37 11 01011 6 & 12 22 01100 54 38 13 01101 / 14 23 01110 55 39 15 01111 16 10000 ( 8 17 24 40 10001 56 18 ) 10010 19 25 41 10011 57 A 20 * : 10100 10 26 42 58 21 10101 B + ; 22 10110 11 27 43 59 23 10111 C , < 24 11000 12 28 44 60 25 11001 D = 26 11010 13 29 45 61 27 11011 E > …… ……… 14 30 46 62 F / ? 15 31 47 63 Hệ H @ 64 A 65 B 66 C 67 D 68 E A 69 BF C 70 D G E 71 F 10 H 11 72 12 I 13 73 14 J 74 15 K 16 75 17 L 18 76 19 M 1A 77 1B N ……… 78 O 79 Hệ O P \ 80 96 Q a 81 97 R b 82 98 S c 99 83 T d 84 10 100 U 11 e 85 12 101 V 13 f 86 14 102 15 W g 16 103 87 17 X20 h 88 21 104 Y22 I 89 22 105 Z23 j 90 106 24 [ k 25 91 107 26 \ l 27 92 108 30 ] m 31 93 109 32 ^ n ………… 94 110 o 95 111 p 112 q 113 r 114 s 115 t 116 u 117 v 118 W 119 x 120 y 121 z 122 { 123 l 124 } 125 ~ 126 127 Bảng 1.3: bảng mã ASCII d.Mã GRAY (Mã vòng ) -Là loại mã số viết theo qui luật vòng tròn mã liên tiếp sai khác bit e.Mã thừa 3(EXCESS - 3) - Mã thừa loại mã số sử dụng với số thập phân cộng thêm sau chuyển sang dạng BCD khơng gói 3.Chuyển đổi loại mã *Chuyển đổi từ mã BCD sang mã Hexa: Tính từ phải qua trái tổ hợp bit mã BCD bit mã Hexa *Chuyển đổi từ mã thừa sang mã thập phân:Lấy mã thừa chuyển sang BCD sang số thập phân trừ đơn vị đươc kết I.3.Đại số Boolean 1.Các định lí đại số Boolean a.Cơ sở đại số Boolean - Đại số Boolean phép tính đại số dựa phép tính nhị phân với giá trị “0” “1” - Một biến A nhận giá trị A=0 A=1 +Nếu cho A=0 phủ định A: A = A =1⇒ A = A = ⇒ A =1⇒ A = ⇒A=A Kết luận: Phủ định lần 1+ = 1+1 = 1.0 = 1.1 = b.Các định lí bản: - Ta có biến A A A A A = A + = 1 + = A + = A A A+ = A A.0 = A.1 = A A A = A A A = 2.Các tính chất đại số Boolean A.B.C = B.C A = C.B A A+ B+C = B+C + A = C + A+ B *Phép kết hợp: A + B + C = ( A + B) + C = ( A + C ) + B = ( B + C ) + A *Phép phân kì: A.( B + C ) = A.B + A.C *Phép hoán vị: 3.Các định lý đại số Boolean *Phép phủ định:Phủ định lần ( A = A) *Định lí Dermorgan: -Phủ định tổng tích phủ định thành phần ( A + B + C ) = A.B C -Phủ định tích tổng phủ dịnh thành phần ( A.B.C = A + B + C ) 4.Các định lí đại số Boolean A.( A + B ) = A A.( A + B) = A.B 3.( A + B ).( A + B ) = A 4.( A + B ).( A + C ) = A.C + A.B A.B + A.C = ( A + C ).( A _ B ) 6.( A + B ).( A + C ).( B + C ) = ( A + B ).( A + C ) A.B + A.C + B.C = A.B + A.C A + A.B = A A + A.B = A + B 10 A.( B + B C ) = A( B + C ) I.4 Hàm logic Định nghĩa hàm logic - Là dạng hàm số dùng để biểu diễn mối quan hệ logic tín hiệu tín hiệu vào - Hàm logic biểu diễn dạng chữ số Ví Dụ: Y = A.B.C + A.B.C + A.B C dạng chữ Y = ∑ { 0,1,3,7,9,11} dạng số -Thể dạng: + Dạng hội chuẩn + Dạng tuyển chuẩn + Bảng trạng thái + Bìa Karnough dạng biểu diễn hàm logic a biểu diễn dạng tuyển chuẩn( tổng tích) - Đây dạng biểu diễn hàm logic, biểu diễn trạng thái logic đầu mức cao toàn hàm số tổng nhiều thành phần.Mỗi thành phần tổ hợp trạng thái đầu vào tương ứng với dạng tích Ví Dụ: Y = A.B.C + A.B.C + A.B C + A.B C Y = 1+1+1+1 -Để xác định dạng phải dựa vào yêu cầu điều khiện toán b Biểu diễn dạng hội chuẩn( tích tổng) -Là hàm quan hệ tín hiệu với tổ hợp tín hiệu vào tích nhiều thành phần, thành phần chứa tổ hợp biến dạng tổng c.Biểu diễn dạng bảng trạng thái Chương V: Mạch tạo xung Ta sử dụng mạch tạo xung đơn giản mạch tạo xung dùng IC 555 Mạch tạo xugn dùng IC 555 có ưu điểm rẻ tiền ,đơn giản lắp ráp mạch ,cho xung vuông mạch tạo xung khác dugn TRANSISTOR hay OPAM Sơ đồ chân IC555 chức chân sau -1 :là chân nối mass cho IC (GND) -2 chân nảy (TRIGGER –TR) -3 chân (output-Q) -4 chân đặt lại (R) -5 chân điều khiển (CV) -6 chân thềm (TH) -7 chân xả (DC) -8 chân cấp nguồn cho IC (VCC) Cấu trúc bên IC 555 Sơ đồ mạch tạo xung dùng IC 555 sau Nguyên lí hoạt động mạch sau: Khi cấp nguồn cho mạch ta có: PHẦN II : ĐỒ ÁN KĨ THUẬT SỐ MẠCH CHUYỂN ĐỔI ADC I.YÊU CẦU CỦA ĐỒ ÁN Thiết kế mạch chuyển đổi ADC với yêu cầu sau: -Đầu vào tín hiệu tương tự -Đầu bit liệu -Hiển thị dạng LED -Thiết kế không dùng IC chuyên dụng(ADC) Dựa vào kiến thức kĩ thuật xung số mà em trình bày phần I em tiến hành xây dựng mạch chuyển đổi ADC theo yêu cầu đầu sau: II.SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH CHUYỂN ĐỔI ADC III.NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH CHUYỂN ĐỔI ADC Mạch đếm có biến đếm U/D.Mạch đếm lên U/D=1 thực đếm xuống U/D=0 Ban đầu cho mạch hoạt động ,mạch so sánh (dùng OPAM ) so sánh tín hiệu đầu vào với tín hiệu lấy từ chuyển đổi DAC Giả sử tín hiệu đầu vào lớn tín hiệu từ chuyển đổi DAC đầu OPAM có U/D=1 mạch đếm thực đếm lên Khi mạch thực đếm đếm từ 0000==>1111,khi mạch đếm đến mã số đầu DAC có mức điện áp tương ứng với mã số nhị phân.Khi điện áp đầu cua DAC lớn điện áp đầu vào đầu mạch so sánh có U/D=0==>mạch đếm thực đếm xuống mạch đếm xuống ==>tín hiệu đầu DAC nhỏ tín hiệu đầu vào đầu mạch so sánh co U/D=1 ==>mạch lại thực đếm lên Quá trình lặp lại liên tục đầu mạch đếm thay đổi mã số nhị phân liên tục VD 1000 1001 1000 1001 tương ứng với giá trị hiển thị LED thay đổi liên tục khoảng 9 Để cho người sử dụng dễ quan sát đọc giá trị hiển thị ta phải dùng mạch chốt liệu.mạch chốt liệu cho tín hiệu chân cho phép có L=1,ngược lại giữ nguyên giá trị ban đầu IV.SƠ ĐỒ MẠCH CỦA CÁC KHỐI TRONG BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC 1.MẠCH ĐẾM UP DOWN Mạch đếm updown có bit đầu tương ứng với mã số từ 0000 ==>1111 tức có 16 trạng thái ==>cần FLIPFLOP T Mạch đếm có chân đếm hướng U/D.Mạch thực đếm lên U/D=1 thực đếm xuống U/D=0 Bảng trạng thái Hướng DIR=P=U/ Trạng thái Trạng thái tương lai Q3 Q2 Q1 Q0 Q3+1 Q2+1 Q1+1 Đầu vào kick Q0+1 T3 T2 T1 T0 D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 Rút gọn hàm : Từ bảng trạng thái ta nhận thấy T0=”1” 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 +) Rút gọn T3 P.Q3 00 01 11 10 000 1 0 001 0 0 011 0 0 Q2.Q1.Q0 010 110 0 0 0 0 100 0 0 101 0 0 111 0 1 Q2.Q1.Q0 010 110 0 0 0 0 100 1 0 101 0 0 111 0 1 T3=P.Q3.Q2.Q1.Q0+P.Q’3.Q’2.Q’1.Q’0 +)Rút gọn T2 P.Q3 00 01 11 10 000 1 0 001 0 0 011 0 1 T2=P’.Q’2.Q’1.Q’0+P’.Q2.Q’1.Q’0+(P.Q’2.Q1.Q0+P.Q2.Q1.Q0) T2=P.Q1.Q0+P’.Q’1.Q’0 +)Rút gọn T1 P.Q3 00 01 11 10 000 1 0 001 0 1 011 0 1 Q2.Q1.Q0 010 110 1 1 0 0 100 1 0 T1=P.Q’2.Q0+P.Q2.Q0+P’.Q’2.Q’1.Q’0+P’.Q’1.Q’0+P’.Q2.Q’0 T1=P.Q0+P’.Q’0(Q1+Q2)+P’.Q’2.Q’1.Q’0 T1=P.Q0+P’.Q’0(Q1+Q2+Q’1.Q’2) T1=P.Q0+P’.Q’0 Xây dựng mạch dùng phần mềm mô mạch điện PROTEUS Ta sử dụng FLIP FLOP JK nối thành T với J=K=T Sơ đồ mạch sau 101 0 1 111 0 1 2.Mạch chuyển đổi DAC Kế thừa mạch chuyển đổi DAC xây dựng PHẦN I ta có mạch chuyển đổi DAC sau R9 ứng với biet có trọng số cao Q3 (S3) R8 ứng với bit có trọng số Q2 (S2) R7 ứng với bit có trọng số Q1 (S1) R6 ứng với bit có số Q0 (S0) R0 ứng với tín hiệu điện áp tương tự đầu Mạch chốt liệu Ta sử dụng FLIP FLOP D với đầu vào D đầu vào liệu ,xung CK đầu vào cho phép ,đầu Q đầu liệu Bảng chân lí FLIP FLOP D CK Q D J x Q0 Q0 1 K O có x ↑↓ ↑↓ Q Khi CK chuyển từ >1 đầu vào =đầu tức FFD cho phép liệu truyền qua ==> CK tương ứng với đầu so sánh OPAM Mạch hiển thị Ta sử dụng linh kiện dùng để mô 7SEG BCD(dàn liệu) phần mềm mô mạch điện PROTUES Có tác dụng đưa bit nhị phân đầu vào hiển thị kết dạng số thập phân 5.Mạch so sánh Sử dụng OPAM lí tưởng dùng trogn phần mềm mơ mạch (OPAM coi lí tưởng với trở kháng vơ lớn ,hệ số khuếch đại vơ lớn) Đưa tín hiệu đầu vào vào chân khơng đảo Tín hiệu lấy từ mạch DAC đưa vào chân đảo Khi tín hiệu đầu vào lớn tín hiệu lấy từ mạch DAC đầu OPAM lên mức cao “1” Khi tín hiệu đầu vào nhỏ tín hiệu lấy từ mạch DAC đầu OPAM xuống mức thấp “0” V.SƠ ĐỒ MẠCH THỰC HIỆN CHUYỂN ĐỔI ADC BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROTEUS NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN Tài liệu tham khảo làm đồ án 1.Giáo trình kĩ thuật số Trần Văn Hào 2.Kĩ thuật số ứng dụng –Đỗ Thanh Hải 3.Kĩ thuật số Nguyễn Thúy Vân 4.Kĩ thuật điện tử Đỗ Xuân Thụ 5.Giáo trình điện tử lấy từ website ebook.com 6.Phần mềm vẽ mạch Circuit Maker, Proteus 7.Bài tập dài lớp điện tử K34B Ngoài phải kể đến hướng dẫn chu đáo ,nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn đồ án Trần Thanh Sơn ... cho mạch ta có: PHẦN II : ĐỒ ÁN KĨ THUẬT SỐ MẠCH CHUYỂN ĐỔI ADC I.YÊU CẦU CỦA ĐỒ ÁN Thiết kế mạch chuyển đổi ADC với yêu cầu sau: -Đầu vào tín hiệu tương tự -Đầu bit liệu -Hiển thị dạng LED -Thiết. .. 0.b1 ) 48 R IV.3 Mạch chuyển đổi ADC Đặc điểm mạch chuyển đổi - Chuyển đổi ADC mạch điện thực chuyển đổi tín hiệu tương tự đầu vào thành tín hiệu dạng số đầu để phục vụ cho xử lý - Giống mạch chuyển. .. I.1 Mạch tương tự tín hiệu tương tự (Analog circuit) a .Mạch tương tự (Analog ) *Định nghĩa : Mạch tương tự mạch xử lý tín hiệu tương tự -Tín hiệu tương tự : Là tín hiệu có biên độ biến đổi liên