Thông tin tài liệu
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chủ biên: VŨ QUANG VINH *** GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT SỐ ( Lưu hành nội bộ) HÀ NỘI 2012 LỜI NĨI ĐẦU Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề Điện tử dân dụng thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành địi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với u cầu thực tế Nội dung của giáo trình “KỸ THUẬT SỐ” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng u cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ sự nghiệp cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,. Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp và khơng trái với quy định của chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự tham gia đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và các chun gia kỹ thuật đầu ngành Xin trân trọng cảm ơn! Tun bố bản quyền Tài liệu này là loại giáo trình nội bộ dùng trong nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên và học sinh, sinh viên nên các nguồn thơng tin có thể được tham khảo Tài liệu phải do trường Cao đẳng nghề Cơng nghiệp Hà Nội in ấn và phát hành. Việc sử dụng tài liệu này với mục đích thương mại hoặc khác với mục đích trên đều bị nghiêm cấm và bị coi là vi phạm bản quyền Trường Cao đẳng nghề Cơng nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn các thơng tin giúp cho nhà trường bảo vệ bản quyền của mình Nội dung t ổng quát và phân bổ thời gian:MĐ 15 Số TT 10 11 12 Tên chươ ng mục Tổng quan về kỹ thuật số Các cổng logic cơ bản Biểu diễn hàm đại số logic Biểu thức logic và mạch điện Các phần tử logic thơng dụng Mạch mã hóa giải mã Mạch dồn kênh phân kênh Các phần tử FLIPFLOP Mạch đếm nhị phân Mạch ghi dịch Bộ nhớ bán dẫn Mạch ADC DAC Tổng số Thời gian Thực Tổ n Lý hành g số thuyết (Bài tập) 6 0 15 11 9 9 15 12 12 9 120 48 68 Kiểm tra* 1 MỤC LỤC TRANG BÀI 1 : CƠ SỞ KỸ THUẬT SỐ Mục tiêu: Kiến thức: Nắm vững được khái niệm tín hiệu số, tín hiệu tương tự Trình bày được khái niệm mã và hệ đếm Kỹ năng: Thực hiện được các phép tốn cộng, trừ, nhân, chia số nhị phân và cách chuyển đổi giữa các hệ đếm Giải được các hàm số logic Thái độ: Rèn luyện kỹ năng tính tốn Rèn luyện khả năng tư duy sáng tạo của học viên Nội dung chính: 1.1 Khái niệm tín hiệu số, tín hiệu tương tự 1.1.1 Tín hiệu số Tín hiệu số (digital) là tín hiệu có biên độ và thời gian đều rời rạc Hình 1. 1:Tín Hiệu số Hệ thống số (digital system): Là tập hợp các thiết bị được thiết kế để thao tác thơng tin logic hay đại lương vật lý được biểu diển dưới dạng số, tức là những đại lượng chỉ có giá trị rời rạc. Đây thường là các hệ thống điện tử nhưng đơi khi cũng có hệ thống từ, cơ hay khí nén. Một vài hệ thống kỹ thuật số ta thường gặp là: máy vi tính, máy tính tay, thiết bị nghe nhìn số và hệ thống điện thoại. 1.1.2 Tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự (analog) là tín hiệu có biên độ và thời gian liên tục Hình 1. 2:Tín hiệu tương tự Hệ thống tương tự (Analog System): Là thiết bị thao tác các đại lượng vật lý được biểu diễn dưới dạng tương tự. Trong hệ thống tương tự các đại lượng có thể thay đổi trong một khoảng giá trị liên tục. Một vài hệ thống tương tự thường gặp như: bộ khuếch đại âm tần, thiết bị thu phát băng từ,… 1.2.Khái niệm mã và hệ đếm 1.2.1 Phân loại mã Mã nhị phân là một mã sử dụng hệ thống nhị phân và được sắp xếp theo một cấu trúc nào đó.Trong các máy tính hoặc các mạch số ln làm việc hệ thống nhị phân. Các thiết bị xuất hay nhập (hiển thị) thường làm việc hệ thống thập phân. Vì thế các giá trị thập phân phải được mã hóa bằng các giá trị nhị phân.Ta có các loại mã sau: Mã BCD (Binary Coded Decimal) Mã q 3 Mã q 6 Mã Gray (mã vịng) Mã ký tự (alphanumeric) 1.2.2 Phân loại hệ đếm 1.2.2.1 Hệ thống số đếm thập phân (Decimal) : Ký tự số : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Cơ số : 10 Ví dụ: Vị trí của kí tự: 3 2 1 0 A = 1 9 9 9[10] Vị trí của kí tự: 0 1 2 B = 1 , 2 5[10] 1.2.2.2 Hệ thống số nhị phân (Binary) Ký tự số : 0, 1 Cơ số : 2 Mỗi con số trong số nhị phân (0 hoặc 1) đưực gọi là một bit (viết tắt của binary digit) Các đơn vị khác : Tên gọi Viết tắt Giá trị Byte Kilo Byte Mega Byte Giga B KB MB GB 8 bit 1024 byte = 210 B 1024 KB = 220 B 1024 MB = 230 B Ví dụ 1 : Vị trí 4 3 2 1 0 A = 1 0 1 0 1[2] (Số nhị phân trên có 5 bit) Ví dụ 2 : 1 0 1 2 3 B = 1 1 , 1 0 1[2] (Số nhị phân trên có 5 bit) Nhận xét : Nếu bit cuối cùng là 0 số nhị phân đó là số chẳn Nếu bit cuối cùng là 1 số nhị phân đó là số lẻ 1.2.2.3 Hệ thống số bát phân (Octal) Ký tự số : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Cơ số : 8 Ví dụ : Vị trí: 1 0 A = 4 6[8] Vị trí: 0 1 2 B = 2 , 3 7[ 8] 1.2.2.4 Hệ thống số thập lục phân (Hexadecimal) Ký tự số : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Cơ số : 16 Ví dụ : Vị trí: 1 0 A = 2 E[16] Vị trí: 3 2 1 0 1 B = 0 1 2 C , D[16] 1.3.Thực hiện các phép tính và chuyển đổi mã 1.3.1 Các phép tính trong hệ nhị phân Cũng như số học thập phân, số học nhị phân cũng có bốn phép tính cơ bản là : Cộng (+), Trừ (), Nhân (*), Chia (/) 1.3.1.1 Phép cộng nhị phân Nguyên tắc : 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 0 nhớ 1 (carry) Ví dụ : 100110 + 001 100111 1010110 + 1000101 1001010 + 1010010 10011011 10011100 1.3.1.2 Phép trừ nhị phân Nguyên tắc chung : 0 – 0 = 0 0 – 1 = 1 mượn 1 (borrow) 1 – 0 = 1 1 –1 = 0 Ví dụ : 1111 0110 1001 1000 0011 0101 Phép trừ nhị phân cịn có thể thực hiện thong qua phép cộng sau: A = B – C = B + Bù 2 (C) = B + Bù 1 (C) + 1 1.3.1.3 Phép nhân nhị phân Ngun tắc : 0 x 0 = 0 0 x 1 = 0 1 x 0 = 0 x 1 = 1 10 Hình 11.5 Giản đồ xung theo thời gian 11.2.3 hồi tiếp Chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp dùng vịng Q trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật của mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có trọng số lớn nhất (MSB) đến bit có trọng số nhỏ nhất (LSB) 11.2.4 kết hợp Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song – nối tiếp Phương pháp này kết hợp cả dạng biến đổi song song và nối tiếp, do đó qua mỗi bước so sánh, có thể xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời 11.3 Lắp ráp và sửa chữa các mạch chuyển đổi thơng dụng 11.3.1 Chuẩn bị thiết bị Mơ hình điện tử số Đồng hồ đo Dây có chốt cắm hai đầu Dao động ký 11.3.2 Ráp mạch Cấp nguồn và MASS cho các khối DS109 Nối dây theo sơ đồ ngun lý hình 11.6 11.3.3 Cân chỉnh mạch Cấp nguồn +5V cho khối D109 Đặt thang đo lối vào dao động ký 2V/cm Đặt thời gian quét dao động ký 0,1ms/cm Dao động ký để ở chế độ đồng bộ ngoại với xung 50Hz TTL từ máy phát chuẩn DTS21 156 Chỉnh cho cả hai tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao động ký. Sử dụng các nút chỉnh vị trí để dịch tia theo chiều X và Y vềvị trí dễ quan sát Sử dụng dao động ký để quan sát dạng tín hiệu tại các điểm của sơ đồ mạch Vặn biến trở P1 để thay đổi giá trị của ngõ ra ADC Dùng dao động ký quan sát ngõ ra của mạch ADC Ráp mạch như hình 11.6 Hình 11.6. Bộ biến đổi tương tựsố (ADC) Thực hiện các bước như trong bảng 11.1. Dùng đồng hồ đo thế để đo giá trị thế tương tự tại lối vào IN và ghi giá trị chỉ trên LED 7 đoạn vào bảng 11.1 157 Thế vào Số đếm 100m V 500m V Bảng 11.1 750m 1V 1.25V 1.5V 1.75V 1.99V V Vẽ đồ thị biểu diễn số đếm lối ra (trục y) theo điện thế lối vào (trục x) Xác định độ phi tuyến đặc trưng ( độ lệch cực đại của đồ thị thu được khỏi đường thẳng).Giải thích ngun nhân có thể gây ra sai số đó 11.3.4 Kết luận tóm tắt về mạch chuyển đổi D/A đã khảo sát 158 BÀI 12: MẠCH CHUYỂN ĐỔI D/A Mục tiêu: Kiến thức: Có thể hiểu được đặc tính, cấu trúc, ngun lý hoạt động và ứng dụng của mạch D/A Kỹ năng: Lắp ráp và cân chỉnh được mạch chuyển đổi D/A Thái độ: Rèn luyện kỹ năng lắp ráp và sửa chữa mạch, nâng cao tay nghề Rèn luyện khả năng tư duy sáng tạo, đức tính cẩn thận, tỉ mỉ của học viên Nội dung chính: 12.1 Mạch chuyển đổi D/A 12.1.1 Khái niệm chung Chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (Analog to Digital Converter (D/A)) là q trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N bit đã biết của tín hiệu số, với độ chính xác là một mức lượng tử từ 1 LSB Chuyển đổi D/A khơng phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi A/D, vì khơng thể thực hiện phép nghịch đảo của q trình lượng tử hóa 12.1.2 Các tham số cơ bản Độ phân giải Là lượng biến thiên của điện áp ngõ ra đối với mỗi thay đổi của LSB trong tín hiệu ngõ vào. Bộ biến đổi D/A có độ phân giải càng cao thì càng chính xác, thang chia điện áp nhỏ hơn Các bộ biến đổi D/A thơng dụng thường có độ phân giải từ 812 bit. 159 Với N là số bit của bộ biến đổi Hình 12.1 Độ phân giải bộ biến đổi D/A 1 bit Hình 12.2 Độ phân giải bộ biến đổi D/A 3 bit Điện áp chuẩn Là một điện áp xác định được sử dụng để xác định giá trị điện áp gán cho mỗi giá trị ngõ vào số Các kiểu điện áp chuẩn: Khơng ghép kênh: điện áp chuẩn nội bên trong, cố định và được định nghĩa bởi nhà sản xuất 160 Ghép kênh: nguồn bên ngồi, thay đổi và phụ thuộc vào người sử dụng Hình 12.3 Khơng ghép kênh (Vref=C) (DAC 2 bit) Hình 12.4: Có ghép kênh (Vref=Asinwt) (DAC 2 bit) Thời gian xác lập Là thời gian cần thiết để tìn hiệu điện áp ngõ vào xác lập tới giá trị điện áp ngõ ra mong muốn (trong phạm vi ±VLSB) Bất kỳ thay đổi nào điện áp ngõ vào sẽ khơng ảnh hưởng đến giá trị ngõ ran gay tức thời, có một khoảng thời gian trễ để giá trị ngõ ra xác lập tương ứng với mỗi giá trị ngõ vào 161 Hình 12.5 Thời gian xác lập của bộ D/A Độ tuyến tính Là độ sai lệch giữa giá trị ngõ ra mong muốn và giá trị ngõ ra thực trong phạm vi giá trị của bộ biến đổi Một bộ biến đổi D/A lý tưởng sẽ có mối quan hệ tuyến tính giữa ngõ vào số và ngõ ra tương tự Hình 12.6: Độ tuyến tính lý tưởng 162 Hình 12.7: Độ tuyến tính khơng lý tưởng (phi tuyến) Tốc độ biến đổi Là tốc độ biến đổi của một ngõ vào số thành giá trị ngõ ra analog tương ứng Tốc độ biến đổi phụ thuộc vào tốc độ xung nhịp của tín hiệu ngõ vào và thời gian xác lập của bộ biến đổi Sai số Sai số của bộ biến đổi D/A bao gồm: Sai số phi tuyến: bao gồm sai số vi phân và sai số tích phân + Sai số vi phân: Là sự khác biệt về độ lớn của bước điện áp từ ngõ ra DAC trước đó Hình 12.8: Sai số vi phân 163 + Sai số tích phân: Là độ sai lệch của ngõ ra DAC thực với giá trị lý tưởng Hình 12.9: Sai số tích phân Sai số độ lợi: Là sự khác biệt về độ dốc của đường ngõ ra lý tưởng và ngõ ra DAC thực Hình 12.10: Sai số độ lợi Sai số offset: Là sự khác biệt cố định của điện áp giữa ngõ ra DAC lý tưởng và ngõ ra DAC thực 164 Hình 12.11: Sai số offset 12.1.3 Ngun lý hoạt động Để lấy lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu số, sử dụng ngun lý sau: Hình 12.12 Sơ đồ khối ngun lý chuyển đổi D/A Theo sơ đồ ngun lý trên thì q trình chuyển đổi sốtương tự là q trình tìm lại tín hiệu tương tự đã lấy mẫu được. Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian, tín hiệu này được đưa qua một bộ lọc thơng thấp lý tưởng. Ngõ ra bộ lọc là tín hiệu UA biến thiên liên tục theo thời gian Hình 12.13: Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A 165 12.2 Các phương pháp chuyển đổi 12.2.1 Chuyển đổi D/A theo phương pháp thang điện trở Đầu vào bộ khuếch đại thuật tốn là một thang điện trở, giá trị của chúng phân bố theo mã nhị phân. Hai điện trở kế tiếp nhau hơn kém nhau 2 lần. Tín hiệu điều khiển là tín hiệu số cần chuyển đổi. Bit có trọng số nhỏ nhất (LSB) đưa đến điều khiển khóa nối với điện trở có giá trị lớn nhất R, bit có trọng số lớn hơn kế tiếp được đưa đến điều khiển khóa nối với điện trở kế tiếp có giá trị R/2, bit có trọng số cao nhất MSB điều khiển khóa nối với điện trở nhỏ nhất Bit có giá trị “0” thì khóa tương ứng nối đất, bit có giá trị “1” thì khóa tương ứng nối với nguồn điện áp chuẩn Uch để tạo nên một dịng điện tỷ lệ nghịch với giá trị điện trở của nhánh đó, nghĩa là I0 có giá trị nhỏ nhất, IN1 có giá trị lớn nhất. Dịng sinh ra trong các nhánh điện trở được đưa đến ngõ vào của bộ khuếch đại, ngõ ra bộ khuếch đại có giá trị điện áp: Hình 12.14: Biến đổi D/A theo phương pháp thang điện trở 166 Chuyển đổi D/A theo phương pháp này yêu cầu trị số của các điện trở phải rất chính xác. Ví dụ, điện trở nhỏ nhất phải chính xác đến mức sai số dịng điện qua nó khơng vượt q 1 LSB, với N=16 thì sai số này khoảng 0,5% 12.2.2 Chuyển đổi D/A theo phương pháp mạch điện trở Theo phương pháp này, các nguồn dịng được tạo ra bởi nguồn điện áp chuẩn Uch. Dịng điện của chúng bằng nhau và bằng I0. Tín hiệu cần chuyển đổi được đưa đến chuyển mạch K. Khi một bit nào đó của tín hiệu cần chuyển đổi là “0” thì I 0 tương ứng với bit đó bị ngắn mạch qua khóa xuống đất. Ngược lại, khi một bit nào đó của tín hiệu cần chuyển đổi là “1” thì I0 tương ứng với bit đó được đưa đến ngõ vào của bộ khuếch đại qua mạng điện trở. Hình sau đây biểu diễn sơ đồ khối và ngun tắc làm việc của bộ biến đổi A/D theo phương pháp nối tiếp theo mã nhị phân Hình 2.15: Sơ đồ khối và ngun tắc làm việc của bộ biến đổi A/D theo phương pháp nối tiếp theo mã nhị phân Trong sơ đồ này, mạch điện trở làm nhiệm vụ phân dịng. Vì điện trở nhánh ngang bằng một nửa điện trở nhánh dọc nên dịng đi qua một khâu điện trở giảm đi một nửa. Dịng điện ứng với LSB đi qua N1 khâu, dịng điện của bit kế tiếp đi qua N2 khâu…và dịng tương ứng với MSB được đưa trực tiếp đến ngõ vào của bộ khuếch đại. Kết quả là các dịng điện ở ngõ vào bộ khuếch đại có trị số tương ứng với bit mà nó đại diện, có trị số giảm dần từ MSB đến LSB theo mã nhị phân. Điện 167 trở nhánh ngang cuối cùng có trị số là 2R bằng điện trở nhánh dọc để đảm bảo cho sự phân dịng ở khâu cuối cùng cũng giống như các khâu trước Theo phương pháp này thì số lượng điện trở phải khá lớn. Nếu chuyển đổi cho N bit thì số lượng điện trở phải sử dụng là 2(N1), trong khi với phương pháp thang điện trở chỉ sử dụng N điện trở 12.2.3 Chuyển đổi D/A theo phương pháp mã hóa Shannon Theo lý thuyết Shannon, tốc độ lấy mẫu của tín hiệu để mạch DAC có thể hoạt động phải lớn hơn 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu mong muốn. Ví dụ, để tạo ra tín hiệu trong phổ âm thanh bao gồm các tần số lên đến 20kHz, cần sử dụng bộ ADC hoạt động ở tốc độ trên 40kHz. 12.3 Lắp ráp và sửa chữa các mạch chuyển đổi thơng dụng 12.3.1 Chuẩn bị thiết bị Mơ hình điện tử số Đồng hồ đo Dây có chốt cắm hai đầu Dao động ký 12.3.2 Ráp mạch Cấp nguồn và MASS cho các khối DS111 Nối dây theo sơ đồ ngun lý hình 12.14 12.3.3 Cân chỉnh mạch Lối vào (Input ) : nối với bộ cơng tắc logic Nối lối vào CLEAR với cơng tắc xung PS1 chốt A/TTL Nối các lối ra bộ đệm A1D1,A2D2 với các led0led7 của bộ chỉ thị 168 Nhấn PS1 để số đếm ghi trong thanh ghi IC1 là 15 (các led03 đều sáng, các led47 tắt).Sử dụng dồng hồ đo để đo giá trị thế tương tự tại lối ra OUT.Chỉnh biến trở P1 để định gí trị thế ra tương ứng. Ví dụ, V(16)=0.16V Máy phát xung CLOCK GENERATOR đặt ở tần số phát 10kHz. Sử dụng lối ra TTL của máy phát xung cho thí nghiệm.Nối lối ra máy phát xung với lối vào CLOCK.Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 2V/cm. Đặt thời gian quét của dao động ký ở 0,1ms/cm.Chỉnh cho cả hai tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao động ký. Sử dụng các nút chỉnh vị trí để dịch tia theo chiều X và Y về vị trí dễ quan sát Nối kênh 1 dao động ký với lối vào CLOCK. Sử dụng kênh 2 dao động ký để quan sát dạng tín hiệu tại các lối ra bộ đếm IC1, IC2 và lối ra OUT Vẽ lại dạng tín hiệu ra.Xác định biên độ của mỗi bậc thang của tín hiệu ra Tính giá trị thế ra ứng với giá trị ngõ vào Hình 12.16. Bộ biến đổi sốtương tự DAC 8 bit loại vi mạch 169 12.3.4 sát Kết luận tóm tắt về mạch chuyển đổi D/A đã khảo 170 ... Lấy N chia cho cơ? ?số? ?(2 hoặc 8 hoặc 16), thương? ?số? ?là N0,? ?số? ?dư là n0 Lấy N0 chia cho cơ? ?số? ?(2 hoặc 8 hoặc 16), thương? ?số? ?là N1,? ?số? ?dư là n1 Lấy N1 chia cho cơ? ?số? ?(2 hoặc 8 hoặc 16), thương? ?số? ?là N2,? ?số? ?dư là n2... Nếu bit cuối cùng là 0 ? ?số? ?nhị phân đó là? ?số? ?chẳn Nếu bit cuối cùng là 1 ? ?số? ?nhị phân đó là? ?số? ?lẻ 1.2.2.3 Hệ thống? ?số? ?bát phân (Octal) Ký tự? ?số? ?: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Cơ? ?số? ?: 8 Ví dụ : Vị trí: 1 0... tay nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành địi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần một? ?giáo? ?trình? ?nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với u cầu thực tế Nội dung của? ?giáo? ?trình? ?“KỸ THUẬT SỐ” đã được xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với những nội dung
Ngày đăng: 23/03/2022, 23:07
Xem thêm: