5.Ứng dụng mạch đếm.

Mạch đếm chia 2 hay không chia 2 ( đếm chia 10, đếm chia 6, đếm chia cho 12), không đồng bộ hay đồng bộ, được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực. Ỡ các ứng dụng như vậy mạch đếm được dùng kết hợp với nhiều loại mạch khác như dao động, so sánh , giải mã,.. Phần này chỉ nêu một số loại mạch ứng dụng chính của mạch đếm và để được đơn giản, chúng sẽ được trình bày ở dạng sở đồ khối. Hơn nữa, ngày nay có nhiều IC tích hợp quy mô lớn hay rất lớn (LSI, VLSI) kết hợp nhiều chức năng khiến mạch trở nên đơn giản hơn, nhưng ở đây chỉ dùng các IC rời vì dễ trình bày nguyên lí.

5.1 Đếm nhiều hàng hay chia tần số liên tiếp

Khi đếm số lượng để hiển thị ra số thập phân thường phải dùng nhiều mạch đếm chia 10, chẳng hạn 7490. Mạch đếm đầu tiên nơi có xung đếm vào là hàng đơn vị, mạch đếm tiếp theo là hàng chục, tiếp theo nữa là hàng trăm. Ta cũng có thể nói mạch đếm có nhiều số, số có giá trị thấp nhất là LSD và số có giá trị cao nhất là MSD. Ví dụ để đếm từ 0 lên đến 999 thì cần 3 mạch đếm mắc nối tiếp. Với số đếm tối đa là 999 thì tuỳ theo dấu thập phân nằm ở đâu mà có các trị số 999, 99.9, 9.99, .. Số đếm ở các mạch đếm được đưa vào khối hiển thị gồm mạch giải mã và các đèn hiển thị (xem chừng 9). Ở mạch hình khi mạch đếm 7490 thứ 1 đã đếm đầy tức đạt đến số đếm 1001 = 910, thì nếu có thêm một xung vào nữa mạch đếm sẽ tự động reset về 0 tức ngõ ra QD của nó sẽ từ 1 xuống 0 tạo cạnh xuống đến ngõ vào CLKB của mạch đếm 7490 thứ làm ngõ ra của mạch đếm này là 0001 = 1. Số đếm lúc bây giờ của 2 mạch đếm là 1010. Tiếp tục như thế mạch đếm lên 11 … 19 rồi 20 , 21 ….29, 30, 31…

Hình 3.3.32 Mạch đếm 2 hàng

Các chân IC đếm, sự nối mạch và các xung vào phải được thực hiện đồng bộ mạch mới hoạt động. Ngoài ra, còn phải sắp xếp ngõ xoá để xoá mạch khi cần. Ở hình vẽ là một cách như vậy : khi mới mở điện tụ chưa nạp điện nên ngõ xoá ở cao để xoá các mạch 5đếm, sau thời gian ngắn (vài us), tụ nạp gần đủ điện khiến ngõ xoá xuống thấp cho phép các mạch đêm đêm lên, mỗi khi cần xoá mạch thì ấn nút để đưa ngõ xoá lên cao trong chốc lát.

Mặt khác mạch đếm cơ bản là mạch chia tần nên trong nhiều ứng dụng mạch 5đếm được dùng như mạch 5chia tần. Ví dụ với hai mạch đếm thập giải mắc nối tiếp như hình trên thì tần số ngõ ra ở QD của 7490 thứ 2 là ¹/₁₀₀ tần số của xung vào. Dùng các ngõ ra khác thay vì QD hay dùng các IC đếm không phải thập giai (như 7493, 7492…) ta sẽ có sự chia tần mong muốn.

5.2 Mạch đếm sự kiện

Các IC đếm thường được coi là trung tâm của các mạch đếm biến cố hay sự kiện chẳng hạn đếm số xe vào bãi, số người đi qua cửa, số sản phẩm đi trên băng truyền được đóng gói. Hình dưới minh hoạ cho một mạch đếm như vậy

Ta sẽ phải cần mạch phát hiện hay cảm biến để chuyển đổi những thay đổi của các hiện tượng trên thành xung điện kích cho mạch đếm. Nếu cần, có thể thêm mạch lọc nhiễu, khuếch đại và chuyển đổi để phù hợp với ngõ vào IC đếm

Khi nhận được xung kích vào chân ck, IC đếm sẽ đếm lên ,tuỳ theo giới hạn số xung vào mà ta có thể nối chồng thêm nhiều IC đếm để cho số đếm lớn hơn.

Mạch giải mã và hiển thị như đã biết sẽ cho phép biết được số người đã đi vào cổng

Giả sử yêu cầu đề ra là chỉ cho phép 99 người vào, như vậy cũng cần thêm 1 mạch báo tràn để khi số người vượt quá số đếm của mạch (mạch sẽ reset) thì led sẽ sáng và như hình vẽ ta có thể lấy mức tín hiệu tràn này để điều khiển mở nguồn cho 1động cơ để đóng cửa lại. Ơ đây thiết kế tới số đếm là 99 bạn cũng có thể thiết kế số đếm tuỳ ý, khi này phải dùng các mạch đếm phù hợp, các cổng logic thêm vào cho phép báo tràn ở một số tuỳ ý (thiết kế tổ hợp ngõ ra)

Hình 3.3.33 Hình minh hoạ mạch đếm sự kiện

5.3 Mạch đếm tần

Máy đếm sự kiện (đếm tích luỹ) ở trên có thể được thêm một số mạch điện để trở thành máy đếm tần số (frequency counter). Máy đếm tần số đầy đủ khá phức tạp. Ở đây chỉ trình bày nguyên lí của máy đếm tần số đơn giản. Hình dưới là sơ đồ khối mà phần trung tâm gần giống như máy đếm sự kiện

Hình 3.3.34 Các khối mạch đếm tần

Trước tiên là mạch dao động, ví dụ dao động cổng logic mà ta đã được biết, và chia tần số xuống để có tín hiệu TTL đối xứng ở tần số 0,5Hz. Đây là tín hiệu điều khiển có chu kỳ là 2s với thời gian ở cao là 1w và ở thấp là 1s.

Ở đầu chu kỳ tín hiệu xung mở cổng(từ mạch dao động chia tần) lên cao mở cổng And cho xung vào khối đếm (sau khi đã được xử lí như khuếch đại, lọc, nắn dạng ở mạch giao tiếp) và mạch đếm đếm lên sau đúng 1s xung mở cổng xuống thấp ngăn không cho xung vào khối đếm. Đồng thời khi xung mở cổng vừa xuống thấp mạch tạo xung chốt sẽ tạo xung hướng dương hẹp để chốt số đếm của khối đếm vào khối chốt (khối chốt cơ bản là các FF D), ở đây số đếm được lưu giữ cho đến khi số đếm mới được chốt vào.

Số đếm đã chốt được giải mã và hiển thị. Vì cổng And chỉ mở đúng 1s nên nếu có n xung vào thì số đếm là n và tần số là n Hz. Do đó mạch ở hình trên cho phép đo tần số từ 0 Hz lên đến 9999 Hz. Trên tần số 9999 Hz (từ số xung vào khối đêm trong 1s lớn hơn 999 xung) đèn báo tràn sẽ sáng (hoặc một cách báo tràn nào khác ví dụ như nhảy toàn một số hay hiện lên số 1 ở hàng cao nhất tức MSD).

Khi xung mở cổng từ cao xuống thấp và số đếm được chốt vào như nói ở trên thì cạnh xuống của xung mở cổng qua mạch dao động đa hài đơn ổn để cho xung ra có cạnh xuống trì hoãn một thời gian ngắn so với cạnh xuống của xung vào, cạnh cuống của xung ra đến mạch tạo xung reset để phát ra xung reset thích hợp cho các mạch đếm và mạch báo tràn.

Sau đó xung mở cổng lại lên cao và xung vào được đếm trong đúng 1s . , sau đúng 1 s xung mở cổng xuống thấp và số đếm lần 2 được chốt vào. Trong suốt thời gian xuống thấp và ở cao trở lại, tổng cộng 2s, máy vẫn hiển thị số đếm lấn 1. Khi số đếm lần 2 được chốt vào máy sẽ hiển thị số đếm lần 2 mà có thể giống hay khác trước. Mạch tiếp tục hoạt động theo chu kì ở trên.

5.4 Đồng hồ số :

Phần này trình bày về đồng hồ số dạng linh kiện rời. Thực ra giờ đây mạch dạng này không còn được sử dụng nữa vì công nghệ tích hợp đã cho phép tạo ra các đồng hồ số nhỏ gọn đỡ tốn điện, nhiều chức năng hay có thể dùng vi điều khiển vi xử lí để lập trình cho đồng hồ số. Tuy nhiên đồng hồ số dạng này cho phép người học hiểu được nguyên lí và biết được ứng dụng thực tế của mạch đếm nên vẫn được nêu ra ở đây.

Sơ đố khối của mạch như hình dưới đây :

Hình 3.3.35 Khối đồng hồ số (kiểu cũ)

Nguồn dao động tần số 1 Hz cung cấp cho ngõ kích ck được lấy từ mạch dao động thạch anh kết hợp cổng logic (nếu muốn chính xác), lấy từ dao động 555 (nếu muốn tương đối chính xác) hay lấy từ lưới điện xoay chiều 220V/50Hz chia áp, lọc, nắn dạng và chia tần cũng được.

Tần số 1Hz kích cho mạch đếm 7490 cho phép hiển thị hàng giây ở led 7 đoạn cùng lúc chia 10 ở ngõ ra QD cung cấp xung cho mạch đếm sau, tức là tần số chia còn 0,1Hz

Tương tự tần số 0,1Hz kích cho 7492 đếm để hiển thị hàng chục giây ở led 7 đoạn, động thời chia 6 ở ngõ ra để tạo xung kích cho hàng phút

Cứ vậy cách chia và hiển thị ở trên cho phép chia tần số tới 1/giờ và hiển thị tới hàng giờ.

Để hiển thị hàng chục giờ (chỉ là 0 hay 1) thì cần dùng 1 FF JK là đủ (đếm mod 2 dùng 1 nửa IC 74LS73) : khi QD của 7490 kế trước từ cao xuồng thấp (sau khi đã đếm đủ 9) thì sẽ tạo xung kích cho FF JK này làm nó lật trạng thái ngõ ra, tức là Q lên cao làm sáng số 1. Khi ngõ ra Q0, Q1 của 7490 và ngõ ra Q của nửa 74LS73 đầu (FF JK đầu) đều lên 1 thì khi này đồng hồ chỉ báo 12 giờ 59 phút 69 giây cộng 1 giây và ngõ ra của cổng Nand xuống thấp xoá FF và xoá mạch đếm 7490 kế đó. Hai hiển thị gắn với 2 mạch này quay về 0. Để hiển thị chữ AM, FM ta dùng FF JK thứ 2 của 74LS73 : khi Q của FF JK đầu xuống thấp thì Q của FF JK thứ 2 lên cao, mức này cho phép hiển thị chữ AM, còn khi Q của FF JK đầu xuống thấp một lần nữa thì khi nàyĠ của FF JK thứ 2 sẽ lên cao tức là chữ PM được thấy còn chữ AM mất. Hiển thị AM/PM đơn giản chỉ là cấp mức áp cao để phân cực cho led hình AM/PM không phải dùng mạch giải mã như ở các hàng trước.