Bài tập lớn Thiết kế hệ thống đèn trang trí hiển thị dòng chữ mang họ và tên

Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 1 BÀI TẬP LỚN MÔN : VI MẠCH ỨNG DỤNG GVHD : Th.Sỹ Lê Xuân Hải Họ và Tên : Nguyễn Bá Cường Lớp : CĐ CNKTĐ1 – K4 Năm Học : 2011 -2012 Ngày hoàn thành : 8/3/2011 NỘI DUNG BÀI TẬP Thiết kế hệ thống đèn trang trí hiển thị dòng chữ mang họ và tên mình theo những yêu cầu sau : + Thứ nhất : Từng kí tự được sáng và giữ nguyên trạng thái cho tới khi ký tự cuối cùng được sáng. + Thứ hai : Khi tất cả các ký tự sáng hết thì sau đó cùng tắt rồi lại cùng sáng và lại tắt hết để sang một chu kỳ mới bắt đầu từ yêu cầu thứ nhất. Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 2 Trong thực tế chúng ta thường hay bắt gặp các hệ thống đèn nhấp nháy trang trí cho các biểu tượng hay một dãy ký tự nào đó theo các quy luật khác nhau , ví dụ như : Các biển quảng cáo ở các trung tâm vui chơi,giải trí , các hộp đêm … Để tạo ra được các hệ thống như vậy , người ta thực hiện ghép nhiều bóng đèn lại với nhau , sau đó điều khiển sáng , tắt của bóng đèn trong hệ thống theo quy luật nào đó. Một hệ thống như vậy bao gồm hai phần chính là phần hiển thị và điều khiển hiển thị .Phần hiển thị chính là các bóng đèn được ghép lại thành các biểu tượng hoặc các dãy kí tự ,còn phần điều khiển hiển thị là mạch điện tạo quy luật và đóng cắt nguồn cung cấp cho các bóng đèn. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này ta xét một hệ thống đèn trang trí cho dòng chữ “ NGUYỄN BÁ CƯỜNG”. Ta có sơ đồ khối như sau Hình 1 : Sơ đồ hệ thống đèn trang trí + Khối phát xung chủ đạo (PXCĐ) : có chức năng tạo ra dãy xung vuông liên tục cung cấp cho khối đếm. + Khối Đếm : thực hiện đếm số lượng xung tới đầu vào và cho kết quả ở các đầu ra Q dưới dạng mã nhị phân tương ứng gửi đến khối giải mã. PXCĐ ĐẾM GIẢI MÃ KĐ –H.THỊ Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 3 + Khối Giải mã : Từ các mã nhị phân nhận được từ khối đếm , khối giải mã tạo ra các hàm tương ứng với 13 ký tự của dòng chữ “ NGUYỄN BÁ CƯỜNG” để đưa đến khối khuếch đại – hiển thị (KĐ – H.Thị ). + Khối khuếch đại – hiển thị (KĐ – H.Thị ): sẽ điều khiển sự sáng ,tắt của các bóng đèn tạo nên các ký tự theo luật của tín hiệu điều khiển với công suất phát quang theo yêu cầu . Quy luật của tín hiệu điều khiển được xây dựng dựa trên cơ sở các kiểu hiển thị của dòng chữ theo ý muốn chủ quan của người thiết kế .Ta tiến hành phân tích nguyên lý làm việc tính chọn thông số kỹ thuật cho từng khối của hệ thống. I – KHỐI PHÁT XUNG VUÔNG CHỦ ĐẠO Để tạo ra dãy xung vuông liên tục có thể điều chỉnh một cách dễ dàng biên độ cũng như tần số người ta thường sử dụng các mạch đa hài tự kích dùng tranzitor hay IC tuyến tính hoặc IC chuyên dụng như IC555. ở đây ta chỉ xét vai trò của 8 chân trên vỏ IC ở hình 2. Chân 8 để đặt nguồn cung cấp 5 15ccU V  . Chân số 1 là chân nối mass , chân số 2 là đầu vào kích khởi (trigơ) , dùng để đặt xung kích thích bên ngoài khi mạch làm việc ở chế độ đa hài .Chân số 3 là đầu ra của IC , Chân số 4 là chân reset ,nó có thể điều khiển xóa điện áp đầu ra khi điện áp đặt vào chân 4 là 0,7V trở xuống .Vì vậy để có thể phát xung đầu ra chân số 4 phải đặt ở mức cao .Chân số 5 là chân điện áp điều khiển .ta có thể đưa 1 điện áp ngoài để thay đổi việc định thời của mạch, nghĩa là làm thay đổi tần số dãy xung phát ra khi không được thì chân 5 nối mass Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 4 thông qua một tụ khoảng 0,1 F ,chân 6 là chân điện áp ngưỡng , chân 7 là chân phóng điện . Hình 2 Mạch dùng IC 555 II - THIẾT KẾ BỘ ĐẾM NHỊ PHÂN Moodul của bộ đếm được đưa vào trạng thái của dòng chữ cần hiển thị trong một chu kỳ nháy giả sử ta cần tạo ra 14 trạng thái khác nhau trong 1D 1C 2R 2WR 1R 1WR 5V 8 4 3 6 2 555 7 1 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 5 một chu kỳ nháy của dòng chữ thì tương ứng ta cần thiết kế bộ đếm nhị phân moodul 14 . Bộ đếm nhị phân có thể được xây dựng từ Trigơ đồng bộ J-K Hình 3 Trigo J-K Bảng 1 Bảng trạng thái nK nJ 1nQ  0 0 nQ 0 1 1 1 0 0 1 1 nQ J K C Q Q Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 6 Bảng 2 Bảng chuyển tiếp Bảng 3 Bảng vào đầu kích Bộ đếm nhị phân môdul 16 được xây dựng trên cơ sở bộ đếm nhị phân 4 bít môdul 16 sau khi đã loại 2 trạng thái d nhờ các mạch vòng hồi tiếp thích nQ 1nQ  nK nJ 0 0 _ 0 0 1 _ 1 1 0 1 _ 1 1 0 _ nK nJ nQ1nQ  00 01 11 10 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 7 hợp mà đến sung thứ 14 sẽ đưa bộ đếm về trạng thái ban đầu ( các đầu ra đều nhận các giá trị 0 ) Để số trạng thái d là ít nhất ta dùng 4 trigơ vạn năng JK để xây dựng bộ đếm dựa vào kích của trigơ JK ( hình 6 ) và bảng trạng thái ( hình 5 ) ta đưa ra bảng trạng thái ( hình 8 ) minh họa quá trình hoạt động của các trigơ trong bộ đếm nhị phân môdul 16. Bảng trạng thái của bộ đếm nhị phân môdul 16 Trạng thái các trigo đếm Số xung vào F3 F2 F1 F0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 0 3 0 0 1 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 1 8 1 0 0 0 9 1 0 0 1 10 1 0 1 0 11 1 0 1 1 12 1 1 0 0 13 1 1 0 1 14 1 1 1 0 15 1 1 1 1 Bảng 4 : Trạng thái của bộ đếm môdul nhị phân 16 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 8 Ta có xung vào : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Hình 4 Xung vào 1Q 0Q 3Q 2Q 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 9 Hình 5 : Hình chuyển đổi trạng thái của bộ đếm môdul 16 Để xây dựng các mạch hồi tiếp điều khiển sự hoạt động của các trigo , ta coi J0 J3 ;K0K3 là các hàm ra , Q0Q3 là các biến vào . Để tìm quan hệ giữa các hàm ra với các biến vào đồng thời đưa chúng về dạng tối giản ta dùng phương pháp bìa Karnaugh (có 16 trạng thái để tối giản hàm ). 3Q 2Q 1Q 0Q 0 0 0 0 3Q 2Q 1Q 0Q 0 1 1 1 3Q 2Q 1Q 0Q 1 0 0 0 3Q 2Q 1Q 0Q 0 0 0 1 3Q 2Q 1Q 0Q 0 0 1 0 3Q 2Q 1Q 0Q 0 0 1 1 3Q 2Q 1Q 0Q 0 1 0 0 3Q 2Q 1Q 0Q 0 1 0 1 3Q 2Q 1Q 0Q 0 1 1 0 3Q 2Q 1Q 0Q 1 0 0 1 3Q 2Q 1Q 0Q 1 0 1 0 3Q 2Q 1Q 0Q 1 0 1 1 3Q 2Q 1Q 0Q 1 1 1 0 3Q 2Q 1Q 0Q 1 1 0 1 3Q 2Q 1Q 0Q 1 1 0 0 3Q 2Q 1Q 0Q 1 1 1 1 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 10 Bảng 5 Bảng trạng thái minh họa quá trình làm việc của bộ đếm nhị phân moodul 16 được xây dựng từ 4 trigo vạn năng JK. Trạng thái các trigơ đếm Hiện tại Tiếp theo Trạng thái các hàm đầu vào kích của các trigơXĐ Q3 Q2 Q1 Q0 Q'3 Q'2 Q'1 Q'0 J3 K3 J2 K2 J1 K1 J0 K0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 - 0 - 0 - 1 - 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 - 0 - 1 - - 1 2 0 0 1 0 0 0 1 1 0 - 0 - - 0 1 - 3 0 0 1 1 0 1 0 0 0 - 1 - - 1 - 1 4 0 1 0 0 0 1 0 1 0 - - 0 0 - 1 - 5 0 1 0 1 0 1 1 0 0 - - 0 1 - - 1 6 0 1 1 0 0 1 1 1 0 - - 0 - 0 1 - 7 0 1 1 1 1 0 0 0 1 - - 1 - 1 - 1 8 1 0 0 0 1 0 0 1 - 0 0 - 0 - 1 - 9 1 0 0 1 1 0 1 0 - 0 0 - 1 - - 1 10 1 0 1 0 1 0 1 1 - 0 0 - - 0 1 - 11 1 0 1 1 1 1 0 0 - 0 1 - - 1 - 1 12 1 1 0 0 1 1 0 1 - 0 - 0 0 - 1 - 13 1 1 0 1 1 1 1 0 - 0 - 0 1 - - 1 14 1 1 1 0 1 1 1 1 - 0 - 0 - 0 1 - 15 1 1 1 1 0 0 0 0 - 1 - 1 - 1 - 1 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 11 0 0-- 01-- 0 0-- 0 0-- 1Q 1Q 2Q 3Q 0K 00 01 11 10 00 01 11 10 -- 0 0 -- 1 0 --00 -- 0 0 0Q 1Q 2Q 3Q 0J 00 01 11 10 00 01 11 10 K0 = Q1.Q2.Q3 J0 =Q1.Q2.Q3 - 0 0- -1 1- - 0 0- -0 0- 1Q 1Q 2Q 3Q 1K 00 01 11 10 00 01 11 10 0-- 0 1-- 1 0--0 0-- 0 0Q 1Q 2Q 3Q 1J 00 01 11 10 00 01 11 10 K1 = Q2.Q3 J1 = Q2.Q3 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 12 00 01 11 10 1 1 1 1 ---- ---- 1 1 1 1 0Q 1Q 2Q 3Q 3J 00 01 11 10 ---- 11 11 1111 ---- 0Q 1Q 2Q 3Q 3K 00 01 11 10 00 01 11 10 0 1 2 3 1 2 3 2 3 3 . . . 1 J Q Q Q J Q Q J Q J     0 1 2 3 1 2 3 2 3 3 . . . 1 K Q Q Q K Q Q K Q K     Quan hệ của các hàm ra với các biến vào của mạch hồi tiếp: :như sau: 00 0 0 11 11 ---- ---- 0Q 1Q 2Q 3Q 2K 00 01 11 10 00 01 11 10 ---- ---- 1111 0000 0Q 1Q 2Q 3Q 2J 00 01 11 10 00 01 11 10 K2 = Q3 J2 = Q3 Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 13 J0 K0 Q0 Q0 CK CK Q1 Q1K1 J1 CK Q2 Q2K2 J2 CK Q3 Q3K3 J3 CLOCK 5V Q0 Q1 Q2 Q3 Hình 6 Trigo vạn năng JK Trên sơ đồ nguyên lý ta thấy trạng thái kể từ 0 đến 16 bộ đếm làm việc giống như bộ đếm nhị phân 4 bit moodul 16 . khi xung nhịp thứ 13 kết thúc trạng thái của trigo sẽ là : = 1 ; = 0 ; ; Như vậy , sau xung nhịp thứ 14 thì đa bộ đếm về trạng thái ban đầu III-KHỐI GIẢI MÃ Khối giải mã nhận các biến vào là các đầu ra của bộ đếm, tùy theo yêu cầu đặt ra của đề bài mà ta cho ra các hàm với quy luật phù hợp, các hàm đó tương ứng với các ký tự thuộc dòng chữ ta cần trang trí.khối giải mã có thể xây dựng tới các cổng logic cơ bản , Diot bán dẫn hoặc bộ nhớ chỉ đọc ( ROM ). 1_ Mạch giải mã sử dụng các cổng logic cơ bản Trang trí dòng chữ “NGUYỄN BÁ CƯỜNG” theo yêu cầu sau: + Thứ nhất : Từng kí tự được sáng và giữ nguyên trạng thái cho tới khi ký tự cuối cùng được sáng. + Thứ hai : Khi tất cả các ký tự sáng hết thì sau đó cùng tắt rồi lại cùng sáng và lại tắt hết để sang một chu kỳ mới bắt đầu từ yêu cầu thứ 3Q 2Q 0 1.Q 1 0Q  Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 14 nhất.Xuất phát từ yêu cầu trên ta có bảng trạng thái của các kí tự trong 1 chu kì làm việc của dòng chữ như sau: Trạng thái ký tự thuộc dòng chữ “NGUYỄN BÁ CƯỜNG” trong 1 chu kỳ từ Bảng 6 ta có Bảng 7 mô tả trạng thái các ký tự với trạng thái sáng “1” , trạng thái tắt nhận trị “0”. STT N G U Y Ễ N B Á C Ư Ờ N G 1 Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 2 Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 3 Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 4 Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 5 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 6 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 7 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 8 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 9 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt Tắt 10 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt Tắt 11 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt Tắt 12 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Tắt 13 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng 14 Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt 15 Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng Sáng 16 Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Tắt Bảng 6 Trạng thái ký tự thuộc dòng chữ “NGUYỄN BÁ CƯỜNG” mô tả trạng thái các ký tự với trạng thái Sáng – Tắt Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 15 STT 3Q 2Q 1Q 0Q N G U Y Ễ N B Á C Ư Ờ N G 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 6 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 7 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 9 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 10 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 11 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 12 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 13 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Bảng 7 Trạng thái ký tự thuộc dòng chữ “NGUYỄN BÁ CƯỜNG” mô tả trạng thái các ký tự với trạng thái 1- 0 Để hiểu rõ quan hệ của hàm ra với các biến vào Q đồng thời đưa về dạng tối giản ta dùng phương pháp bìa karnaugh. Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 16 0 0 1 0 3N Q Q Q Q Q   2 3 0 3 0 2 3G QQ QQ QQQ   2 3 0 2 3 0 2 3U QQ QQQ QQQ   0 3 0 2 3Y Q Q Q Q Q   0 3E Q Q 0 1 2 0 1 3 0 1 0 3N QQQ QQQ QQ QQ    Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 17 0 1 2 0 1 0 3B QQQ QQ QQ   2 3 0 1 0 3A QQ QQ QQ   0 1 3 0 2 3 0 1 3U Q Q Q Q Q Q Q QQ   0 3 0 1C Q Q Q Q  0 1 3 0 1 2O Q Q Q Q Q Q  0 1 3 0 1 2 3N QQQ QQ QQ   Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 18 0 1 3G Q Q Q Ta có : 0 0 1 0 3N Q Q Q Q Q   ; 0 1 2 0 1 0 3B QQQ QQ QQ   2 3 0 3 0 2 3G QQ QQ QQQ   ; 2 3 0 1 0 3A QQ QQ QQ   2 3 0 2 3 0 2 3U QQ QQQ QQQ   ; 0 3 0 1C Q Q Q Q  0 3 0 2 3Y Q Q Q Q Q   ; 0 1 3 0 2 3 0 1 3U Q Q Q Q Q Q Q QQ   0 3E Q Q ; 0 1 3 0 1 2O Q Q Q Q Q Q  0 1 2 0 1 3 0 1 0 3N QQQ QQQ QQ QQ    ; 0 1 3 0 1 2 3N QQQ QQ QQ   0 1 3G Q Q Q Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 19 N G U Y E N B A C U O N G Q3 Q3 Q2 Q2 Q1 Q0 Q1 Q0 IV - KHỐI KHUẾCH ĐẠI HIỂN THỊ Khi muốn hiển thị với công suất phát quang nhỏ người ta dùng LED. Khi đó trong mạch khuếch đại dùng tranzitor có thể áp dụng công suất mạch hiển thị này. Để làm rõ khối này ta đi xét cụ thể cho mạch khuếch đại hiển thị ký tự C; Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại hiển thị ký tự Trên sơ đồ ta thấy ký tự C được ghép bởi các đèn LED,. Mỗi dãy gồm 9 LED mắc nối tiếp với nhau, chúng được cấp nguồn thông qua tranzitor T (N-P-N). Tranzitor T đóng vai trò như một khóa điện tử đóng, mở dưới sự điều khiển của tín hiệu ra bộ giải mã. Khi có tín hiệu mở, dòng sẽ đi từ +Ucc qua các đèn LED qua T về mass và các LED sáng. Khi T khóa thì Trường CĐ CN & CN Bài Tập Lớn Môn Vi Mạch Ứng Dụng 20 cắt dòng chạy qua các LED nên chúng đều tắt. Muốn chữ C sáng, tắt theo yêu cầu đặt ra thì ta phải điều khiển T đóng cắt theo quy luật đó. Do đó trên nguyên lý ta thấy tranzitor T được điều khiển bởi hàm C. Hàm C được mắc giải mã tạo ra, thực chất nó là một dãy xung dương có quy luật biến thiên theo yêu cầu đặt ra. Khi C có mức logic “1” thì T mở bão hòa nên các đèn LED sáng, còn khi C ở mức logic “0” thì LED tắt. Điện áp +Ucc được tính sao cho khi T mở điện áp trên mỗi đèn là 2v. Nếu ta bỏ qua sụt áp trên tranzitor thì Ucc được tính như sau: Ucc = 12.2 = 24V Điện trở R được mắc ở đầu vào T dùng để hạn chế dòng cực gốc. Trên đây ta chỉ xét mạch hiển thị cho ký tự C, còn mạch hiển thị cho các ký tự khác tương tự, chỉ khác cách sắp xếp đèn LED.