NGUYÊN LÝ VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐẾM

Tuy thiết kế không phải là nội dung chính mà tài liệu phải đề cập như ở đây sẽ nêu một vài bài toán thiết kế điển hình giúp sinh viên có thể hiểu sâu hơn về mạch logic tuần tự.

Trở lại hình 3.3.19 đấy là mạch đếm đồng bộ chia 10 (MOD 10). Người ta đã dùng mạch đếm mod 16 kết hợp với một số cổng logic để tạo việc reset khi ngõ ra hiển thị số 10. Quá trình đếm chỉ diễn ra theo thứ tự trong các trạng thái từ 0 đến 9, như vậy mạch đến với chu kỳ đếm là 10.

Có thể thiết kế mạch đếm theo cách khác với cách ở trên theo dạng lập bảng trạng thái kết hợp với bìa Karnaugh. Cách này rất rõ ràng trình tự, nó có thể thiết kế với số mod bất kì, dạng FF tuỳ ý, đếm lên hay đếm xuống cũng được, thậm chí số đếm không theo trình tự gì cả. Minh hoạ việc thiết kế qua ví dụ sau.

I.BÀI TOÁN 1:

Ví dụ thiết kế mạch đếm lên đồng bộ mod 8 dùng FF JK minh hoạ như hình sau:

hình 3.3.27 giản đồ mạch đếm lên mod 8

Trước hết hãy cùng tìm hiểu về sự chuyển tiếp trạng thái ở ngõ ra Q:

Giả sử ngõ ra Q đang ở 0, bây giờ ta muốn khi có xung ck thì Q lên 1. Dựa vào bảng trạng thái của FF JK thì J = 1, K = 0 hay J = 1, K = 1 (trường hợp Qⁿ⁺¹ = 1 với Qⁿchính là Q đang ở 0 trước đó). Tóm lại khi Q từ 0 chuyển lên 1 thì cần J = 1, K = X (X bằng 0 hay 1). Lý luận tương tự thì :

Q từ 1 chuyển về 0 cần J = X, K = 1

Q từ 0 giữ nguyên là 0 cần J = 0, K = X

Q từ 1 giữ nguyên là 1 cần J = X, K = 0

Cả bốn trường hợp chuyển trạng thái của Q được tóm tắt như bảng dưới đây (được gọi là bảng trạng thái kích ngõ vào của FF JK ) :

Giống như vầy, bạn có thể lập được bảng trạng thái kích ngõ vào của các FF SR, FF D, FF T

Sau khi đã nắm vững quy tắc chuyển trạng thái của FF ở trên ta mới bắt đầu đi vào bài toán ở ví dụ trên :

Do mạch đếm có tất cả 8 trạng thái ngõ ra nên ta cần 3 FF, chọn FF JK. Có thể tóm lượt nội dung cần thiết kế qua mạch logic sau:

Nhiệm vụ của bài toán là tìm ra mạch logic X để mạch trên thoả mãn các yếu tố:

Mạch có số đếm từ 000 đến 111 nên Qⁿ⁺¹ sẽ là 001 đến 000 (111 reset về 000)
Từ trạng thái ra dựa vào bảng trạng thái kích ngõ vào ở phần trên ta có thể xác định được logic cần thiết ở ngõ vào J, K của 3 tầng FF để khi có xung kích ck thì chuyển lên trạng thái tiếp theo.

Với các ngõ vào của X là các ngõ ra của các FF và các ngõ ra của X lại là các ngõ vào kích của các FF, ta có bảng chuyển trạng thái của X khi đếm:

Bây giờ, lập bìa K với Q0, Q1, Q2 là các biến ngõ vào trong khi các ngõ J, K của 3 tầng FF lại trở thành ngõ ra. Bìa K cho 6 ngõ ra như sau :

Từ đây, rút gọn biểu thức ta được các hàm logic diễn tả mạch logic X:

J0 = K0 = 1

J1 = K1 = Q0

J2 = K2 = Q0Q1

Nối mạch X vừa tìm được vào mạch trên cụ thể: hai ngõ vào J, K của mỗi FF được nối chung với nhau (thành ngõ vào T), FF 0 có ngõ T nối lên cao, FF1 có ngõ vào T nối đến ngõ ra Q0 còn FF 2 có ngõ vào T là ngõ ra cổng And mà 2 ngõ vào là Q0 và Q1. Kết quả cuối cùng là mạch đếm như hình sau

Hình 3.3.28 mạch đếm mod 8

II.BÀI TOÁN 2:

Thiết kế mạch đếm lên/xuống mod 4 dùng FF JK để điều khiển động cơ bước.

Trên thực tế, người ta đã chế tạo được các vi mạch đếm rất đa dạng và có thể đáp ứng được một cách khá đầy đủ các nhu cầu thực tiễn và làm việc rất ổn định. Do đó, việc thiết kế mạch đếm sẽ chỉ mang yếu tố củng cố kiến thức về FF nếu như không có các ứng dụng như ví dụ sau: Thiết kế mạch điều khiển tốc độ và đảo chiều quay động cơ bước.

1)Tìm hiểu động cơ bước (step motor)

Động cơ bước là động cơ quay từng bước thay vì chuyển động liên tục. Các cuộn dây cảm trong động cơ sẽ cần được cấp dòng và ngắt dòng theo một trình tự cụ thể để hình thành nên bước quay; và tín hiệu điều khiển dạng số điều khiển đóng cắt dòng điện trong các cuộn dây của động cơ. Động cơ bước rất thông dụng và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt đòi hỏi điều khiển chính xác như đầu đọc ghi ở đĩa từ, điều khiển đầu in ở máy in, trong tay máy, người máy (có công suất bé) …

Hình 3.3.29 Động cơ bước

Hình trên là sơ đồ một động cơ bước đặc trưng với 4 cuộn dây từ tính. Để cho chính xác, cuộn 1 và 2 phải luôn ở trạng thái ngược nhau (tức là cuộn 1 được cấp điện thì cuộn 2 ngắt và ngược lại như vậy ta có thể nối tới 2 đầu ra Q vào của một FF JK. Tương tự với cuộn 3 và 4 cũng phải ngược trạng thái như giữa cuộn 1 và 2.

Để đảo chiều quay người ta dùng một ngõ điều khiển chọn chiều quay cho động cơ và kí hiệu là C. Ngõ C độc lập với việc chuyển trạng thái hiện tại và kế tiếp của các ngõ ra.

2)Thiết kế mạch điều khiển

Như vậy có thể tóm lượt bài toán như sau:

Tín hiệu điều khiển tốc độ là f_x và đảo chiều quay là C, khi thay đổi hai tín hiệu này mạch sẽ thay đổi tốc độ và chiều quay tương ứng. Dùng 2 FF JK để thiết kế mạch đếm lên/xuống tương ứng với đảo chiều quay nhớ vào mạch giải mã 4555/4556 (lựa chọn một trong hai IC này tuỳ thuộc vào mạch đệm lái các cuộn dây động cơ bước). Như vậy mạch đếm cần thiết kế có thể tóm lược như sau: