Thạc Sĩ Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện từ ứng dụng của nó

Đề tài: Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện từ ứng dụng của nó
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy Phan Thanh Vân –giảng viên Trường Đại học
Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, hiệu chính nội dung và
hướng dẫn thực hành để em có thể hoàn thành luận văn này.
Em xin cảm ơn thầy Cao Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn em làm mạch điện để em có thể hoàn
thành tốt phần thực hành của mình.
Có lẽ không một ai có thể quên được những mái trường mà mình đã đi qua, những mái trường đã
dạy dỗ mình từ thời thơ ấu cho đến lúc trưởng thành. Cứ sau mỗi chặng đường đi qua chúng em lại
thấy mình trưởng thành và vững vàng hơn trong kiến thức và năng lực. Chặng đường em vừa đi qua
là chặng đường với bốn năm đại học đầy khó khăn và thử thách dưới mái trường Đại học Sư phạm
TP. HCM. Nơi đây không chỉ trang bị cho em những kiến thức khoa học mà còn tạo cho em một
niềm tin sâu sắc vào nghề giáo và rèn luyện cho em một nghị lực để làm hành trang bước vào đời.
Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tập thể các thầy cô trường Đại học Sư phạm TP. HCM đặc biệt là
các thầy cô khoa VẬT LÝ đã dìu dắt và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể học tập tốt;
Bên cạnh đó, gia đình luôn là nguồn động lực to lớn giúp em vững bước trên con đường mình đã
chọn. Xin cảm ơn ba, mẹ đã luôn đồng hành cùng với con trong cuộc sống.
Sau cùng là lời cảm ơn chân thành đến bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện giúp đỡ
trong suốt thời gian hoàn thành đề tài. MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản
phẩm mới với công nghệ cao đã ra đời, từ những thiết bị phổ biến như máy vi tính, điện thoại, máy
nghe nhạc, máy chụp hình kĩ thuật số . cho đến các vật dụng trong gia đình như tivi, tủ lạnh hay
máy giặt . những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý
nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới
đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ "bé nhỏ" nhưng những con Chip lại có một sức mạnh
không hề "nhỏ" chút nào.
Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ ấy chính là
các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ máy này.
Trong triều đại mạch tích hợp (Intergrated Circuit – IC) hơn nửa thế kỷ qua xuất hiện nhiều con
Chip tuyệt vời, nhưng chỉ một số ít thật sự nổi bật bởi tính sáng tạo, đi trước thời đại. Những con
Chip này tạo nên xu hướng công nghệ và góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta thêm thú vị.
Một trong số những con Chip lừng danh đó là Chip 555, nó đã gây chấn động khi ra mắt thị trường
vào năm 1971.
Vi mạch định thời 555 (Chip 555) và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử
dân dụng cũng như điện tử công nghiệp, vì nếu kết hợp với các linh kiện ngoại vi thích hợp thì nó
có thể thực hiện nhiều chức năng như định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích hay điều khiển các
linh kiện bán dẫn công suất như transistor, Triac . Đã có hàng tỉ IC định thời 555 được bán ra, đến
nay Chip này vẫn còn được dùng. Xuất phát từ những đặc điểm nổi bật của Chip 555 cùng với sự
hứng thú, muốn tìm hiểu em đã chọn đề tài luận văn:
“Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó”.
Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu về IC định thời 555; một số mạch điện tử ứng dụng của nó;
chương trình vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in được coi là mạnh nhất hiện nay: OrCad.
Đối tượng nghiên cứu: Vi mạch định thời 555 và phần mềm OrCad
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, thực hành trên máy vi tính và thực hành
lắp ráp một số mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 trên thực tế.
Nội dung đề tài: Căn cứ vào mục tiêu như trên nên đề tài tập trung nghiên cứu vào ba nội dung
chính đó là:
Nghiên cứu IC định thời 555 và các mạch ứng dụng của nó trên cơ sơ lý thuyết. Nghiên cứu và thực hành phần mềm mô phỏng mạch điện tử “OrCad”.
Thực hành lắp ráp một số mạch định thời sử dụng IC định thời 555 trên thực tế.
Là một sinh viên khoa Vật lý thuộc ngành sư phạm, ít được làm quen với kỹ thuật điện tử vì vậy
việc nghiên cứu đề tài về lĩnh vực điện tử đối với em gần như bước vào một thế giới kiến thức mới,
rất đa dạng và phong phú. Em hy vọng qua đề tài này có thể giúp các bạn sinh viên không chuyên
về điện tử có thể hiểu được phần nào về kỹ thuật điện tử vô cùng hấp dẫn và những ứng dụng rất
rộng rãi của nó, qua đó hình thành lòng say mê và hứng thú tìm hiểu về kỹ thuật điện tử.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện đề tài, nhưng do đây là lần đầu nghiên cứu về kỹ
thuật điện tử và thời gian có hạn nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong
được sự thông cảm, giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè và hội đồng bảo vệ. Em xin chân thành cảm ơn!
I. Một số loại linh kiện điện tử có liên quan:
Bất cứ một mạch điện điện tử nào đều dùng nhiều linh kiện điện tử khác nhau để tạo thành và
các mạch điện có các công dụng khác nhau. Trong đó một số loại linh kiện được xem là cơ bản, vì
nó thường được sử dụng trong các mạch điện. Ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, transistor,
Trong phạm vi đề tài đang xét về cấu tạo và các mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555
cũng không thể thiếu các loại linh kiện cơ bản trên. Trong đề tài này, ta sẽ không xét đến những linh
kiện cơ bản trên nữa mà chỉ xét đến hai loại mạch đóng vai trò khá quan trọng trong hoạt động của
IC định thời 555, đó là Flip – Flop và Op-Amp.
I.1. Flip – Flop:
I.1.1. Khái niệm
Trong kỹ thuật số, sử dụng các tín hiệu nhị phân. Các phần tử Flip-Flop (FF) là các phần tử có
khả năng truyền đạt và lưu trữ các tín hiệu nhị phân này (khả năng nhớ).
Flip-Flop (viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở
các cổng logic và hoạt động theo một bảng trạng thái cho trước.
Flip-Flop có đặc điểm sau:
Có hai trạng thái bền: Trạng thái 0 và trạng thái 1.
Có thể tiếp nhận, lưu trữ, đưa tín hiệu ra để sử dụng. Vì vậy, nó rất thuận lợi trong kỹ thuật số. Tuỳ theo đặc tính làm việc mà người ta chia làm
nhiều loại Flip- Flop khác nhau.
I.1.2. Phân loại
Có hai cách phân loại :
Phân loại theo tín hiệu điều khiển.
Phân loại theo chức năng.
a) Phân loại FF theo tín hiệu điều khiển đồng bộ:
Xét về tín hiệu điều khiển có thể chia các FF thành 2 loại là: FF không đồng bộ (không có tín hiệu
điều khiển đồng bộ Clock) và FF đồng bộ (có tín hiệu Clock). Thực tế các FF được sử dụng thường
là FF đồng bộ.
Tín hiệu đồng bộ Clock (Ck) có thể kích khởi theo mức hay theo sườn của tín hiệu. Nếu kích khởi
theo sườn tín hiệu ta có: FF được kích khởi theo sườn lên của tín hiệu Ck và FF được kích khởi
theo sườn xuống của tín hiệu Ck (gọi tắt là sườn lên và sườn xuống, hoặc sườn trước và sườn sau).
Flip - Flop cơ bản (Flip - Flop không đồng bộ):
Cấu trúc:
Các mạch FF cơ bản (FF không đồng bộ) được cấu trúc từ các mạch NAND và mạch NOR.
Cấu trúc của chúng như hình 1.1 và hình 1.2.
Hình 1.1: FF cấu trúc từ cổng NAND Hình 1.2: FF cấu trúc từ cổng NOR
Trong đó: R, S hay S , R là các tín hiệu đầu vào, còn Q, Q là các tín hiệu đầu ra.
Với FF cấu trúc từ cổng NAND:
Dựa vào bảng chân trị của cổng NAND để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này:
S = 0, R = 1  Q = 1. Q = 1 hồi tiếp về cổng NAND B làm cho cổng NAND B có hai ngõ
vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 1 và Q = 0.
S = 1, R = 0  Q = 1. Q = 1  hồi tiếp về cổng NAND A làm cho cổng NAND A có hai
ngõ vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 0 và Q = 1.
S = R = 0  Q = Q = 1 đây là trạng thái cấm.
S = R = 1 : Giả sử trạng thái trước đó có Q = 1 và Q = 0  hồi tiếp về cổng NAND A nên
cổng vào NAND A có một ngõ vào bằng 0 vậy Q = 1.
Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó.
R Q
0 0 X
0 1 1
1 0 0
1 1
Q
0
SFF hoạt động với 2 trạng thái là trạng thái 0 và trạng thái 1.
*Trạng thái 0: Là trạng thái có Q = 0; Q= 1.
Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng B làm cổng B cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác,
Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng A, cùng với tín hiệu S = 1 làm cho cổng A thông và lối ra Q = 0 được
duy trì.
Như vậy trạng thái 0 có Q = 0; Q = 1 được duy trì bền vững.
*Trạng thái 1: Là trạng thái có Q = 1; Q= 0.
Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng A làm cổng A cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác,
Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng B, cùng với tín hiệu R = 1 làm cho cổng B thông và lối ra Q = 0 được
duy trì.
Như vậy trạng thái 1 có Q = 1, Q = 0 được duy trì bền vững.
Biểu đồ tín hiệu qua FF:
S - Gọi là đầu thiết lập: Start – Set
R - Gọi là đầu xoá: Clear – Reset
Trạng thái cấm: Khi sử dụng FF có một trạng thái mà FF không hoạt động được đó là khi tín hiệu vào S , R đồng
thời bằng 0. Khi đó các lối vào Q và Q đồng thời bằng 1 như vậy FF không ổn định.
Trạng thái cấm: S = R = 0.
Bảng trạng thái:
S
n
R
n
Q
n+1
0 0 Cấm
0 1 1
1 0 0
1 1 Q
n
Phương trình đặc trưng cho FF-RS là:
Q
n+1
= S + R Q
n
và RS = 0.
Với FF cấu trúc từ cổng NOR:
Cấu trúc:
Phương trình:
Dựa vào bảng chân trị của cổng NOR để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này:
S = 0, R = 1  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR A làm cho cổng NOR A có hai ngõ vào
bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 0 và Q = 1.
S R Q
0 0 Q
0
0 1 0
1 0 1
1 1 XS = 1, R = 0  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR B làm cho cổng NOR B có hai ngõ vào
bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 1 và Q = 0.
Giả sử ban đầu S = 0, R = 1  Q = 0 và Q = 1.
Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành S = 0, R = 0 (R chuyển từ 1  0) ta có:
+ S = 0 và Q = 0  Q = 1.
+ R = 0 và Q = 1  Q = 0.
Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó.
Giả sử ban đầu S = 1, R = 0  Q = 1 và Q = 0.
Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành R = 0, S = 0 (S chuyển từ 1  0) ta có:
+ R = 0 và Q = 0  Q = 1.
+ S = 0 và Q = 1  Q = 0.
Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó.
Các trạng thái đầu ra của FF là:
Trạng thái 0: Q = 0; Q = 1.
Trạng thái 1: Q=1; Q = 0.
Trạng thái cấm đầu vào là: R = S = 1.
Bảng trạng thái của FF: S
n
R
n
Q
n+1
0 0 Q
n
0 1 0
1 0 1
1 1 Cấm
Biểu đồ tín hiệu qua FF:
Nhận xét chung cho các loại FF cấu trúc từ cổng NAND và NOR:
Mạch cấu trúc từ cổng NAND lật trạng thái khi có sườn âm xung đến.
Mạch cấu trúc từ cổng NOR lật trạng thái khi có sườn dương xung đến.
Nhược điểm của FF-RS là điều khiển trực tiếp do xung đến.
Trạng thái Cấm không thuận lợi cho sử dụng.