TỔNG QUAN VỀ MẠCH LOGIC
Khái niệm cơ bản
Mạch logic bao gồm các phân tử như AND, OR, NOR, NOT, NAND, XOR, và XNOR để giải quyết các bài toán cụ thể Dù mạch logic có cấu trúc đơn giản hay phức tạp, kết quả đầu ra luôn chỉ có hai mức logic là “0” hoặc “1”.
Biến logic là đại lượng biểu diễn bằng ký hiệu, chỉ có giá trị "1" hoặc "0" Hàm logic là tập hợp các biến logic liên kết với nhau qua các phép toán logic, và bất kỳ hàm logic nào, dù đơn giản hay phức tạp, cũng chỉ nhận giá trị "1" hoặc "0".
- Các phép toán logic: có 3 phép toán cơ bản
Phép nhân (và)- kí hiệu là AND
Phép cộng (hoặc) - kí hiệu là OR
Phép phủ định (đảo) - kí hiệu là NOT
Các bược thiết mạch
Quy trình thiết kế mạch logic như sau:
+ Xây dựng phương trình logic sử dụng các phương trình theo CTT, hay CTH hoặc có thể sử dụng bảng chân lý để biểu diễn
+ Sử dụng bảng karnaugh hoặc các phương pháp đại số để tối thiểu hóa hàm logic hoặc đưa hàm logic về dạng mà dễ thiết kế mạch
+Thiết kế mạch cho chạy thử
+ Đánh giá tính ổn định của mạch
Các khối trong bộ mạch
Hình 1.1 Sơ đồ khối của mạch
Ngày nay, máy vi tính đã trở thành một phần quen thuộc trong cuộc sống, với vi xử lý (VXL) là hệ thống hoàn hảo, trong đó ALU (bộ logic và số học) đóng vai trò quan trọng ALU có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính trong một giây, nhờ vào cấu trúc bao gồm mạch đếm, thanh ghi, cổng logic và các mạch làm toán như cộng, trừ, nhân, chia Ngoài việc sử dụng trong vi xử lý, các mạch làm toán còn được áp dụng rộng rãi trong điện tử, bao gồm cả điều khiển tự động và truyền dữ liệu, nơi mà mạch tính toán và so sánh cần thiết để xử lý tín hiệu phản hồi từ môi trường bên ngoài.
Phần này sẽ khám phá các mạch toán cơ bản và giới thiệu về ALU, một kiến thức thiết yếu trong học mạch số Đây là nền tảng quan trọng để tiếp cận lĩnh vực máy tính và vi xử lý, cũng như trong các môn học liên quan đến vi điều khiển, cấu trúc máy tính và truyền số liệu.
• Đây là ic so sánh 4 bit
• Chân 2 3 4 là chân giá trị ngõ vào ban đầu của IC để thự hiện phép so sánh
• Chân 5 6 7 là chân gi giá trị ra
• Chân 8 nối mass chân 16 nối Vcc
• Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70 o C
• Dòng điện ngõ ra: IOH = -0.4mA, IOL: 8mA
IC 74LS85 là một bộ so sánh hai số nhị phân 8 bit, với bốn đầu vào song song cho mỗi số (A0 - A3, B0 - B3), trong đó A3 và B3 là các đầu vào quan trọng nhất Bộ IC này cung cấp ba đầu ra để biểu diễn kết quả so sánh.
“Một lớn hơn B” (OA> B), “Một ít hơn B” (OA B đều ở mức cao Để mạch so sánh đúng 4 bit, nên nối ngõ nối chồng A.
- Dải điện áp hoạt động: 4.5 ~ 5.5V
- Dòng điện hoạt động: 39mA
- Dòng điện qua OS: -20 ~ -100mA
- Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70 độ C
- Chu kỳ máy: 16ns ~ 24ns
Trong đó 2 số 4 bit vào là A4A3A2A1 và B4B3B2B1
Số nhớ ban đầu là C0
Vậy tổng ra sẽ là C4S4S3S2S1, với C4 là số nhớ của phép cộng
Có thể nối chồng IC lại với nhau để tăng gấp đôi số bit Trong trường hợp này, bit MSB (C4) của tầng đầu sẽ được kết nối với ngõ vào nhớ ban đầu (C0) của tầng sau.
Hình 1.4 Sơ đồ logic
Bảng 1.2 Bảng sự thật của IC 7483
Khối giải mã sử dụng IC 74LS47 là mạch giải mã BCD ra led 7 thanh
IC tích cực ở mức 1 thì ta sẽ dùng led 7 thanh loại Anot chung
Thông số kĩ thuật Đầu ra: Chịu được 15V
Hình 1.5 Sơ đồ kết nối chân của mạch giải mã
• : Đầu vào Blanking hoặc đầu vào Ripple-Blanking
Mạch nhận 4-bit BCD sẽ giải mã dữ liệu dựa trên trạng thái đầu vào và chuyển đổi thành chỉ số hiển thị cho đèn LED 7 thanh Mức logic đầu ra tương ứng với điều kiện đầu vào được thể hiện trong bảng sự thật.
Bảng 1.3 Bảng sự thật của mạch giải mã
Đầu ra của IC được thiết kế để chịu được điện áp cao, đáp ứng yêu cầu cho LED 7 thanh, giúp hiển thị số và biểu diễn kết quả hiệu quả.
Chân kiểm tra LED 7 đoạn, được gọi là LT (Lamp Test), cho phép xác định tình trạng hoạt động của các đèn LED Khi chân này được kết nối với mass, bộ giải mã sẽ kích hoạt tất cả các đèn LED cùng lúc Tuy nhiên, chân này chủ yếu được sử dụng để kiểm tra xem có đèn LED nào bị hỏng hay không và không được sử dụng trong thực tế hàng ngày.
Các chế độ hoạt động
1 Sáng bình thường đủ các trạng thái từ 0 ÷ 9 (thường dùng nhất) Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao, chân RBI phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao, chân LT phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao
2 Chân BI/RBO nối xuống mức thấp thì tất các các đoạn của LED đều không sáng bất chấp trạng thái của các ngõ vào còn lại
3 Bỏ trạng thái số 0 (khi giá trị BCD tại ngõ vào bằng 0 thì tất cả các đoạn của LED 7 đoạn đều tắt) Chân RBI ở mức thấp và chân BI/RBO phải bỏ trống (và nó đóng vai trò là ngõ ra)
4 Chân BI/RBO phải bỏ trống hoặc nối lên mức cao và chân LT phải nối xuống mức thấp Tất cả các thanh của LED 7 đoạn đều sáng, bất chấp các ngõ vào BCD Dùng để Kiểm tra các đoạn của LED 7 đoạn (còn sáng hay đã chết)
Hình 1.7 Sơ đồ chân led 7 thanh
Có hai loại Led 7 thanh phổ biến là Anot chung và Katot chung Do IC 7447 có ngõ ra tích cực mức thấp, nên Led 7 thanh loại Anot chung được sử dụng trong trường hợp này.
+ 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 7447
Các từ mã đầu vào của BCD xác định số hiển thị, trong khi cấu trúc của các LED a, b, …g quyết định giá trị đầu ra của bộ giải mã.
+ Mức logic thấp 0 (L): Led sáng
+ Mức logic cao 1 (H): Led tắt
Bảng 1.4 Bảng giải mã IC7447 cho led 7 thanh
Mã BCD Led 7 thanh Số
Hình 1.8 Sơ đồ chân Transistor C1815
Tính năng / thông số kỹ thuật:
• Loại bóng bán dẫn: NPN
• Bộ IC dòng điện tối đa (I C ): 150mA
• Điện áp cực đại Collector-Emitter (V CE ): 50V
• Điện áp cực đại Collector-Base (V CB ): 60V
• Điện áp cực đại cực phát (VEBO): 5V
• Max Collector Dissestion (Pc): 400 miliWatt
• Tần số chuyển đổi tối đa (fT): 80 MHz
• Mức tăng dòng DC tối thiểu và tối đa (h FE ): 70 – 700
• Lưu trữ tối đa và nhiệt độ hoạt động phải là: -55 đến +150 C
Bổ sung PNP của C1815 là A1015
Thay thế và tương đương
Các bóng bán dẫn như 2N2222, 2N3904, C945 và 2SC3198 có cấu hình chân khác với C1815 Do đó, trước khi thay thế bóng bán dẫn trong mạch, cần kiểm tra kỹ cấu hình chân của bóng để đảm bảo sự tương thích.
Bộ tiền khuếch đại âm thanh
Giai đoạn khuếch đại âm thanh
Chuyển đổi tải dưới 150mA
Nguyên lý hoạt động của opto là khi có dòng điện nhỏ chạy qua hai đầu của LED, LED sẽ phát sáng Sự phát sáng này mở thông hai cực của phototransistor hoặc photodiode, cho phép dòng điện chạy qua.
Các phần mạch thường dùng
1.4.1.1 Mạch trừ bán phần( mạch trừ 1 bit)
Hình 1.12 bảng sự thật và sơ đồ mạch của Mạch trừ bán phần
1.4.1.2 Mạch trừ có số nhớ (mạch trừ toàn phần)
Là mạch trừ 2 bit có quan tâm tới số nhớ mang từ bit trước
Bảng 1.5 bảng sự thật của mạch trừ có nhớ số
Dùng bảng Karnaugh xác định được các hàm D n và R n
Hình 1.13 Sơ đồ mạch của mạch trừ có nhớ số
Nhận thấy cấu tạo mạch trừ giống như mạch cộng, chỉ khác ở mạch tạo số nhớ
Ta có mạch trừ số nhiều bit bằng cách mắc song song các mạch trừ 1 bit
1.4.1.4 Cộng và trừ số nhiều bit trong một mạch
Để thực hiện phép trừ, ta có thể cộng với số bù 1 và thêm 1, hoặc sử dụng số bù 2 Cụ thể, để tính A - B, ta thực hiện phép tính A + (B) 1 + 1 Hình 1 đã được điều chỉnh để cho phép thực hiện cả phép cộng và trừ tùy thuộc vào ngã điều khiển C.
- Khi C=0, ta có mạch cộng
- Khi C =1, ta có mạch trừ
Hình 1.14 Sơ đồ mạch trừ và cộng nhiều bit
1.4.1.5 Mạch trừ bốn bít song song
Hình 1.15 Sơ đồ mạch trừ 4 bit song song
1.4.1.6 Mạch trừ 4 bit nối tiếp
Hình 1.16 sơ đồ mạch trừ 4 bit nối tiếp
Một cổng AND có 2 đầu vào và 1 đầu ra Mỗi giá trị này có thể có giá trị 0 hoặc
Đầu ra chỉ có giá trị 1 khi cả hai giá trị đầu vào đều là 1, tương tự như mạch điện với hai công tắc nối tiếp và một bóng đèn; chỉ khi cả hai công tắc đóng, bóng đèn mới phát sáng.
Dưới đây là kí hiệu và bảng chân lý cho một cổng AND
Bảng 1.6 Bảng chân lý của cổng AND
Hình 1.17 Kí hiệu của một cổng AND
THIẾT KẾ MẠCH TRỪ
Nguyên lý hoạt động
IC555 được sử dụng để tạo xung clock cho bộ đếm, giúp đầu ra BCD của IC7473 tăng thêm một bit cho mỗi xung clock Sau đó, IC7447 sẽ giải mã đầu ra BCD thành dạng bảy đoạn, điều khiển màn hình LED 7 đoạn để hiển thị các chữ số tương ứng.
Hình 2.1 Sơ đồ mạch trừ
cấu tạo mạch
- Tụ, led, led 7 thanh, và trở, điot
Hình 2.2 Sơ đồ mạch mô phỏng trên phần mềm Altium design
Hình 2.3 Sơ đồ nối chân của bo mạch
Mô phỏng
Hình 2.4 Mô phỏng mạch trên Proteus
KẾT QUẢ VÀ HẠN CHẾ
Kết quả đạt được
Thử nghiệm vào hiệu chỉnh:
1 Hình ảnh thực tế khi kết nối nguồn
Hình 3.1 Hình ảnh thực tế khi kết nối nguồn
2 Nhập 7 trừ 3 cho ra kết quả dương 4 hiển thị trên Led 7 thanh và đèn báo giá trị âm ko sáng
3 Nhập giá trị 3 trừ 7 cho ra kết quả âm 4 hiển thị trên Led 7 thanh và đèn báo giá trị âm sáng
Hình 3.2 Mạch hiển thị kết quả dương
Hình 3.3 Mạch hiển thị kết quả âm
Những mặt hạn chế
- Cách sắp xếp linh kiện và vẽ mạch in chưa được tối ưu
- Mất nhiều thời gian trong quá trình thiết kế do phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ra ban đầu
- vấn đề cần giải quyết là tính ổn định và nhiệt độ của mạch đếm sau khoảng thời gian dài làm việc
Tên linh kiện Số Lượng Đơn giá Tổng
LED đơn 5mm 1 3000 3000 Điện trở 6.8kΩ 1 2000 2000 Điện trở 1MΩ 1 2000 2000 Điện trở 330Ω 1 2000 2000
