(NB) Giáo trình Kỹ thuật xung-số cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản Kỹ thuật xung; Mạch dao động đa hài; Mạch hạn chế biên độ và ghim; Đại cương kỹ thuật số; Mạch logic MSI; Mạch đếm và thanh ghi;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 giáo trình sau đây.
PHẦN 2: KỸ THUẬT SỐ Bài Đại cương Giới thiệu: Trong mạch số, tín hiệu thường cho hai mức điện áp, ví dụ: 0v 5V Những linh kiện điện tử dùng mạch số làm việc hai trạng thái, ví dụ: trạng thái lưỡng cực làm việc chế dộ khóa tắt thơng Có hai cách biểu diễn đại lượng này: Biểu diễn dạng tương tự hàm biểu diễn đại lượng biến thiên liên tục theo thời gian với cách ta có tín hiệu tương tự hay tín hiệu analog mơ tả biểu diễn đại lượng cần xử lí Biểu diễn đại lượng dạng số: Khi hàm biểu diễn biến thiên không liên lục theo thời gian người ta dùng ký hiệu số để mô tả biểu diễn , ta nhận tín hiệu số hay tín hiệu digital Mục tiêu: - Trình bày khái niệm mạch tương tự mạch số - Trình bày cấu trúc hệ thống số mã số - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động cổng logic - Trình bày định luật kỹ thuật số, biểu thức toán học số - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc cơng việc Nội dung chính: 4.1 Tổng quan mạch tương tự số Mục tiêu: - Trình bày khái niệm mạch tương tự mạch số 4.1.1 Định nghĩa a Mạch tương tự (còn gọi mạch Analog) Là mạch dùng để xử lý tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian Việc xử lý bao gồm vấn đề: Chỉnh lưu, khuếch đại, điều chế, tách sóng Nhược điểm mạch tương tự : - Độ chống nhiễu thấp (nhiễu dễ xâm nhập) - Phân tích thiết kế mạch phức tạp Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng mạch số 42 b Mạch số (còn gọi mạch Digital) Là mạch dùng để xử lý tín hiệu số Tín hiệu số tín hiệu có biên độ biến thiên khơng liên tục theo thời gian hay cịn gọi tín hiệu gián đoạn, biểu diễn dạng sóng xung với mức điện cao thấp mà tương ứng với hai mức điện hai mức logic mạch số Việc xử lý bao gồm vấn đề: - Lọc số - Điều chế số /Giải điều chế số - Mã hóa 1.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự Ưu điểm mạch số so với mạch tương tự : - Độ chống nhiễu cao (nhiễu khó xâm nhập) - Phân tích thiết kế mạch số tương đối đơn giản Vì vậy, mạch số sử dụng phổ biến tất lĩnh vực : Đo lường số, truyền hình số, điều khiển số 4.1.2 Hệ thống số mã số Mục tiêu: - Trình bày cấu trúc hệ thống số mã số a Hệ thống thập phân Hệ thập phân hệ thống số quen thuộc, gồm 10 số mã nói Dưới vài ví dụ số thập phân: -1 -2 N = 199810 = 1x10 + 9x10 + 9x10 + 8x10 = 1x1000 + 9x100 + 9x10 + 8x1 N = 3,1410 = 3x10 + 1x10 +4x10 = 3x1 + 1x1/10 + 4x1/100 b hệ thống số nhị phân Khái niệm Hệ đếm nhị phân gọi hệ đếm số hệ đếm mà người ta sử dụng hai kí hiệu để biểu diễn tất số Hai ký hiệu gọi chung bit digit đặc trưng cho mạch điện tử có hai trạng thái ổn định hay gọi trạng thái bền FLIP- FLOP (ký hiệu FF) 43 Một nhóm bít gọi nibble Một nhóm bít gọi byte Nhóm nhiều bytes gọi từ (word) Xét số nhị phân bít: a a2a1a0 Biểu diễn dạng đa thức theo số là: 3 a a2a1a0 = a + a2 + a1.2 + a0 3 Trong đó: - , , , (hay 1, 2, 4, 8) gọi trọng số - a0 gọi bit có trọng số nhỏ nhất, hay cịn gọi bit có ý nghĩa nhỏ (LSB: Least Significant Bit) - a gọi bit có trọng số lớn nhất, hay cịn gọi bít có ý nghĩa lớn (MSB: Most Significant Bit) Như vậy, với số nhị phân bit a a2a1a0 mà chữ số nhận hai giá trị {0,1}, lúc ta có = 16 tổ hợp nhị phân Bảng 4.1 44 Chú ý: Khi biểu diễn số nhị phân nhiều bit máy tính thường để tránh sai sót, người ta thường biểu diễn thơng qua số thập phân thập lục phân, bát phân Ví dụ: Có thể biểu diễn : 137376( ) 0BEFE(H) Các phép tính số nhị phân + Phép cộng Phép cộng nhị phân tiến hành dựa qui tắc cộng sau: + = nhớ 0 + = nhớ + = nhớ + = nhớ + Phép trừ - = mượn 0 - = mươn 1 - = mượn - = mượn + Phép nhân 0.0=0 0.1=0 1.0=0 1.1=1 45 + Phép chia 0:0=0 1:1=1 c Hệ thống số bát phân Hệ bát phân gồm tám số tập hợp S8 = {0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} Số N hệ bát phân: N = (anan-1an-2 .ai a0 , a-1a-2 a-m)8 (với ∈ S8) Có giá trị là: n n-1 N = an + an-18 n-2 + an-28 i -1 -2 + + ai8 +a08 + a-1 + a-2 + .+ a-m8 -m -1 Thí dụ: N = 1307,18 = 1x8 + 3x8 + 0x8 + 7x8 + 1x8 = 711,12510 d Hệ thống số thập lục phân Hệ thập lục phân dùng thuận tiện để người giao tiếp với máy tính, hệ gồm mười sáu số tập hợp S16 ={0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F } (A tương đương với 10 10 , B =1110 , , F=15 10) Số N hệ thập lục phân: N = (anan-1an-2 .ai a0 , a-1a-2 a-m)16 (với ai∈ S16) 46 Có giá trị là: n n-1 n-2 i -1 -2 -m N = an 16 + an-116 + an-216 + + ai16 +a016 + a-1 16 + a-2 16 + .+ a-m16 Người ta thường dùng chữ H (hay h) sau số để số thập lục phân -1 Thí dụ: N = 20EA,8H = 20EA,816 = 2x16 + 0x16 + 14x16 + 10x16 + 8x16 = 4330,510 e MBCD + Khái niệm Mã BCD dùng số nhị phân bit có giá trị tương đương thay cho số hạng số thập phân Thí dụ: Số 62510 có mã BCD 0110 0010 0101 Mã BCD dùng thuận lợi : mạch điện tử đọc số BCD hiển thị đèn bảy đoạn (led LCD) hoàn toàn giống người đọc viết số thập phân Trong thực tế để mã hóa số thập phân, người ta sử dụng số nhị phân bit Việc sử dụng số nhị phân để mã hóa số thập phân gọi số BCD (Binary Code Decimal: Số thập phân mã hóa số nhị phân) + Phân loại Khi sử dụng số nhị phân bit để mã hóa số thập phân tương ứng với = 16 tổ hợp mã nhị phân phân biệt Do việc chọn 10 tổ hợp 16 tổ hợp để mã hóa ký hiệu thập phân từ đến mà thực tế xuất nhiều loại mã BCD khác Mặc dù tồn nhiều loại mã BCD khác nhau, thực tế người ta chia làm hai loại chính: BCD có trọng số BCD khơng có trọng số 47 - Mã BCD có trọng số: Gồm có mã BCD tự nhiên, mã BCD số học Mã BCD tự nhiên loại mã mà trọng số thường xếp theo thứ tự tăng dần Ví dụ: Mã BCD 8421 , mã BCD 5421 Mã BCD số học loại mã mà có tổng trọng số ln ln Ví dụ: Loại mã: BCD 2421, BCD 5121, BCD 4-2-1 Suy mã BCD số học có đặc trưng: Để tìm từ mã thập phân số thập phân ta lấy bù (đảo) từ mã nhị phân số bù tương ứng Ví dụ: Mà số bù 3: Lấy nghịch đảo ta có: 0011 = Vậy, đặc trưng mã BCD số học có tính chất đối xứng qua đường trung gian - Mã BCD khơng có trọng số: loại mã khơng cho phép phân tích thành đa thức theo số Ví dụ: Mã Gray, Mã Gray thừa Đặc trưng mã Gray loại mã mà hai từ mã nhị phân đứng khác bit Ví dụ: → Mã Gray: Cịn mã BCD 8421: Các bảng trình bày số loại mã thông dụng: 48 Bảng 4.2: Các mã BCD tự nhiên Bảng 4.3: Các mã BCD số học 49 Bảng 4.4: BCD tự nhiên mã Gray Chú ý: Mã Gray suy từ mã BCD 8421 cách: bit 0,1 đứng sau bit (ở mã BCD 8421) chuyển sang mã Gray giữ ngun, cịn bit 0,1 đứng sau bit (ở mã BCD 8421) chuyển sang mã Gray đổi ngược lại, nghĩa từ bit thành bit bit thành bit Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch nhận dạng số mã BCD + y = → a a a a số BCD 8421 + y = →a a a a số BCD 8421 Suy để nhận dạng số nhị phân bit số BCD 8421 ngõ y = 1, nghĩa là: bit a luôn bit a a2 Phương trình logic : y = a (a1 + a2 ) = a3a1 + a3 a2 50 Sơ đồ logic: Hình 4.2: Sơ đồ mạch logic Để nhập số BCD thập phân hai chữ số máy tính chia số thập phân thành đềcác đềcác biểu diễn số BCD tương ứng Ví dụ: 11 (thập phân) nhập vào máy tính theo cách: - Số nhị phân: 1011 - Mã BCD : 0001 0001 + Các phép tính số BCD - Phép cộng Số thập phân 128 thì: - Số nhị phân là: 10000000 - Số BCD là: 0001 0010 1000 Do số BCD có từ đến nên số thập phân lớn hơn, chia số thập phân thành nhiều đềcác, đềcác biểu diễn số BCD tương ứng + Phép trừ A-B 51 Bảng 9.1: Mối quan hệ đầu đầu vào Tổ hợp mã nhị Điện áp phân ngõ vào ngõ 000 0V 001 1V 010 2V 011 3V 100 4V 101 5V 110 6V 111 7V 9.1.2 Dạng tín hiệu Hình 9.2: a)Dạng điện áp thu sau ADC b)Dạng điện áp thu sau lọc b Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC Bit có ý nghĩa thấp (LSB) bit có ý nghĩa cao (MSB) Qua mạch biến đổi DAC kể ta thấy vị trí khác bit số nhị phân cho giá trị biến đổi khác nhau, nói cách khác trị biến đổi bit tùy thuộc vào trọng lượng bit Nếu ta gọi trị tồn giai VFS bit LSB có giá trị là: n LSB = VFS / (2 - 1) n-1 n bit MSB = VFS / (2 - 1) 158 Điều thể kết thí dụ (Hình 9: ) đặc tuyến chuyển đổi số nhị phân bit Hình9.3 a,b (Hình 9.3a) đặc tuyến lý tưởng, nhiên, thực tế để đường trung bình đặc tính chuyển đổi qua điểm điện tương tự làm lệch (1/2)LSB (Hình 9.3b) Như điện tương tự xem thay đổi hai mã số nhị phân vào kế Thí dụ mã số nhị phân vào 000 điện tương tự điện tương tự lên nấc kế 000+(1/2)LSB nấc 001+(1/2)LSB.v.v Trị tương tự ứng với 001 gọi tắt 1LSB trị toàn giai V FS = 7LSB tương ứng với số 111 c Sai số nguyên lượng hóa (quantization error) Trong biến đổi, ta thấy ứng với giá trị nhị phân vào, ta có khoảng điện tương tự Như có sai số biến đổi gọi sai số nguyên lượng hóa =(1/2)LSB d Độ phân giải (resolution) Độ phân giải hiểu giá trị thay đổi nhỏ tín hiệu tương tự có số nhị phân vào thay đổi Độ phân giải gọi trị bước (step size) trọng lượng bit LSB n n Số nhị phân n bit có giá trị - bước Hiệu tương tự xác định v0 = k.(B)2 159 Trong k độ phân giải (B) số nhị phân Người ta thường tính phần trăm phân giải: %res = (k / VFS)100 % Với số nhị phân n bit n %res = [1 / (2 - 1)]100 % Các nhà sản xuất thường dùng số bit số nhị phân biến đổi để độ phân giải Số bit lớn độ phân giải cao (finer resolution) e Độ tuyến tính (linearity) Khi điện tương tự thay đổi với số nhị phân vào ta nói mạch biến đổi có tính tuyến tính f Độ (accuracy) Độ (cịn gọi độ xác) tuyệt đối DAC hiệu số điện tương tự điện lý thuyết tương ứng với mã số nhị phân vào Hai số nhị phân kế phải cho hai điện tương tự khác 1LSB, không mạch tuyến tính khơng (Hình 9.4 a,b) Hình 9.4: a)Dạng truyến tính b) Tuyến tính khơng 160 9.1.3.Mạch DAC dùng mạng điện trở có trị số khác Hình 9.5: Sơ đồ mạch DAC dùng mạch điện trở Trong mạch trên, thay OP-AMP điện trở tải, ta có tín hiệu dịng điện Như OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện thành điện ra, đồng thời mạch cộng Ta có = -(2 v0 = -RF.I = -(2 b3 + b2 + 2b1+b0)Vr.RF/2 R n-1 n-2 bn-1 + n-1 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr.RF /2 R Nếu RF = R thì: v0 =-(2 n-1 n-2 bn-1 + n-1 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr /2 Thí dụ: 1/ Khi số nhị phân 0000 v0 = 1111 v0 = -15Vr / 2/ Với Vr = 5V ; R = RF = 1kΩ Ta có kết chuyển đổi sau: 161 Bảng 9.2: Kết chuyển đổi Mạch có số hạn chế: - Sự xác tùy thuộc vào điện trở mức độ ổn định nguồn tham chiếu Vr - Với số nhị phân nhiều bit cần điện trở có giá trị lớn, khó thực 9.1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dịng Hình 9.6: Sơ đồ mạch DAC sử dụng nguồn dòng 162 9.1.5 Mạch DAC dùng điện trở R 2R Hình 9.7: Sơ đồ mạch DAC dùng điện trở R 2R Cho RF = 2R Cho b3 = bit khác = 0, ta được: v0 = -8(Vr /24) Cho b2 = bit khác = 0, ta được: v0 = -4(Vr /24) Cho b1 = bit khác = 0, ta được: v0 = -2(Vr /24) Cho b0 = bit khác = 0, ta được: v0 = - (Vr /24) Ta thấy v0 tỉ lệ với giá trị B tổ hợp bit B = (b3 b2 b1 b0 )2 v0 = - B(Vr /24) 9.2 Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) Mục tiêu: - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng chuyển đổi D/A 9.2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC a Sơ đồ khối : 163 Hình 9.8: Sơ đồ khối chuyển đổi ADC b Dạng tín hiệu : t Hình 9.9 9.2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ (sample anh hold) Để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta khơng thể biến đổi giá trị tín hiệu tương tự mà biến đổi số gía trị cụ thể cách lấy mẫu tín hiệu theo chu kỳ xác định nhờ tín hiệu có dạng xung Ngoài ra, mạch biến đổi cần khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1μs - 1ms) cần giữ mức tín hiệu biến đổi khoảng thời gian để mạch thực việc biến đổi xác Đó nhiệm vụ mạch lấy mẫu giữ Hình 24-07-8 dạng mạch lấy mẫu giữ bản: Điện tương tự cần biến đổi lấy mẫu thời gian ngắn tụ nạp điện nhanh qua tổng trở thấp OP-AMP transistor dẫn giữ giá trị khoảng thời gian transistor ngưng (tụ phóng chậm qua tổng trở vào lớn OP-AMP) 164 Hình 9.10 9.2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang Hình 9.11: Sơ đồ mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang Một cách đơn giản để tạo điện tham chiếu có dạng nấc thang dùng mạch DAC mà số nhị phân vào lấy từ mạch đếm lên (H 8.8) Khi có xung bắt đầu FlipFlop mạch đếm đặt nên ngã Q FF lên 1, mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm Ngã mạch đếm tăng dần theo dạng nấc thang (VDAC), điện tham chiếu, Vr nhỏ va, ngã mạch so sánh mức thấp Q tiếp tục mức cao, Vr vùa vượt va ngã mạch so sánh lên cao khiến Q xuống thấp, đóng cổng AND khơng cho xung C K qua mạch đếm ngưng Đồng thời ngã Q lên cao báo kết thúc chuyển đổi Số đếm mạch đếm số nhị phân tương ứng với điện vào 165 Gọi thời gian chuyển đổi t c Thời gian chuyển đổi tùy thuộc điện cần chuyển đổi Thời gian lâu ứng với điện vào trị toàn giai: n n tc(max) = / fCK=2 TCK Mạch đổi có tốc độ chậm Một cách cải tiến thay mạch đếm lên mạch đếm lên/xuống (Hình 9.10) Nếu ngã mạch so sánh cho thấy Vr nhỏ va, mạch Logic điều khiển đếm lên ngược lai mạch đếm xuống Nếu va khơng đổi Vr dao động quanh trị va với hai trị số khác LSB Hình 9.12 9.2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp Hình 9.13: Sơ đồ mạch ADC gần lấy liên tiếp 166 Mạch đổi lấy gần dùng cách tạo điện tham chiếu cách có hiệu khiến việc chuyển đổi mã số n bit tốn n chu kỳ xung C K Mạch bao gồm: mạch so sánh, mạch ghi dịch đặc biệt (SAR) mạch DAC (Hình 9.14) Hình 9.14: Sơ đồ mạch SAR Mạch SAR (Hình 9.14) mạch ghi dịch có kết hợp điều khiển Logic Mạch gồm FF D mắc thành chuỗi, ngã FF cuối (F) hồi tiếp FF đầu (A) , khối điều khiển gồm cổng AND FF RS có ngã vào tác động mức cao, ngã Q FF RS đưa vào mạch DAC để tạo điện tương tự Vr (dùng so sánh với điện từ mạch lấy mẫu giữ va), đồng thới mã số biến đổi kết thúc Hoạt động: Lúc có xung bắt đầu, mạch SAR đặt Ngã DAC làm lệch 1/2 LSB để tạo đặc tính chuyển đổi nói phần trước, kế SAR đưa bit MSB lên cao (bằng cách preset FF A), bit khác 0, số đưa vào mạch DAC để tạo điện tham chiếu Vr để so sánh với va Tùy theo kết so sánh, Vr > va ngã mạch so sánh mức cao khiến SAR bỏ bit MSB có xung CK xuất hiện, Vr < va ngã mạch so sánh mức thấp, 167 khiến SAR giữ bit MSB lại (FF RS giữ nguyên trạng thái) đồng thời đưa bit có nghĩa lên cao (do FF set từ giá trị ngã FF B, trị chuyển từ FF A sang) Mạch so sánh tiếp tục làm việc kết định theo cách thức bit MSB Tiếp tục bit cuối SAR, lúc va gần Vr ta kết chuyển đổi thời gian tối đa n chu kỳ xung đồng hồ Mạch chuyển đổi chấm dứt ngã FF F lên mức cao cho phép mở đệm mã số 9.2.5 Mạch ADC gần lấy liên tiếp chuyển đổi song song Đây mạch đổi có tốc độ chuyển đổi nhanh, đạt vài triệu lần giây, áp dụng vào việc chuyển đổi tín hiệu hình kỹ thuật video Thí dụ để có mạch đổi bit, người ta dùng mạch so sánh ngã vào mạch mã hóa ưu tiên để tạo mã số nhị phân ngõ (Hình 9.13) - Khi va < Vr /10, ngã mạch so sánh lên cao khiến mã số 000 - Khi Vr /10