Giáo trình Kỹ thuật xung số (Nghề Điện công nghiệp Cao đẳng)

1 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TĐH GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT XUNG – SỐ NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo định sô: QĐ-TrCDN Ngày tháng năm Hiệu Trưởng Trường cao đẳng điện xây dựng Việt Xơ) NINH BÌNH năm 2019 TUN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Trong năm gần công nghệ vi điện tử phát triển mạnh mẽ Sự đời vi mạch cỡ lớn, cực lớn với giá thành giảm nhanh, khả lập trình ngày cao mang lại thay đổi sâu sắc ngành kỹ thuật điện tử Ngày nay, kỹ thuật kỹ thuật vơ tuyến điện có nhiều thiết bị cơng tác chế độ đặc biệt chế độ xung Các thiết bị xung ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đại như: thơng tin, điều khiển, đa, vơ tuyến truyền hình, điện tử ứng dụng, điều khiển tự động hóa công nghiệp Ở mức độ khác chúng thâm nhập vào tất thiết bị điện tử thơng dụng chun dụng Giáo trình Kỹ thuật xung - số biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu tiếp cận kỹ thuật đại biên soạn theo chương trình khung Bộ lao động thương binh xã hội Giáo trình làm tài liệu giảng dạy cho nghề Sửa chữa lắp ráp máy tính cấp trình độ cao đẳng nghề Giáo trình làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên, công nhân ngành công nghệ tin học Nhằm trang bị cho bạn đọc kiến thức tốt để tiếp cận nhanh chóng với thiết bị xung số, kinh nghiệm tác giả đúc kết từ thực tiễn máy công nghệ điều khiển số đại từ thực tế giảng dạy tham khảo số tài liệu đáng tin cậy nước tài liệu dự án, tác giả biên soạn giáo trình Quá trình biên soạn giáo trình, khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp độc giả gần xa Tam Điệp, ngày……tháng… năm 2018 Tham gia biên soạn Trần Thế cương Vũ Xuân Thủy Đào Quang Thắng MỤC LỤC 10 11 12 13 14 15 Lời giới thiệu Mục lục Bài1: Kỹ thuật xung Bài 2:Cơ sở Kỹ thuật số Bài 3: Mạch mã hóa, giải mã Bài 4: Mạch dồn kênh, phân kênh Bài 5: FLIP- FLOP Bài 6: Mạch đếm Bài 7: Mạch ghi Bài 8: Bộ nhớ Bài 9: Mạch biến đổi D/A, A/D 02 03 08 26 46 60 71 79 93 98 107 CHƢƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Kỹ thuật xung số Mã số mô đun: MĐ 18 Thời gian mô đun: 90h (Lý thuyết : 24giờ ; Thực hành, thí nghiệm, tập, thảo luận: 60giờ; Kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất mơ đun: - Vị trí mơ đun: Mơ đun bố trí sau học sinh học xong mô đun Đo lường Điện – điện tử, Điện tử tử - Tính chất mơ đun: Là mô đun sở chuyên môn nghề II Mục tiêu mô đun : Học xong môn học học viên có khả năng: - Trình bày đƣợc sơ đồ mạch điện mạch tạo xung - Trình bày sơ đồ mạch điện nguyên lý làm việc mạch mã hoá, giải mã, dồn kênh, phân kênh, mạch đếm, ghi dịch, mạch chuyển đổi AD/DA, DA/AD nhớ ROM RAM cách nhanh chóng xác; - Lắp ráp, kiểm tra sửa chữa mạch đảm bảo tiêu: an toàn, hoạt động ổn định, thời gian quy định III Nội dung mô đun : Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Số TT Tên mô đun Bài : mạch dao động tạo xung Khái quát chung 1.1 Khái niệm 1.2 Các thông số 1.3 Phân loại Mạch tạo xung dùng BJT 2.1 Sơ đồ 2.2 Nguyên lý làm việc 2.3 Sơ đồ có điều chỉnh tần số 2.4 Thực hành lắp ráp Thời gian Thực hành Thí Tổng Lý nghiệm số thuyết tập Thảo luận 12 1 0.5 0.25 0.25 0.5 0.25 0.25 3 Kiểm tra* Mạch tạo sung dùng IC555 2.1 Sơ đồ 2.2 Nguyên lý làm việc 2.3 Sơ đồ có điều chỉnh tần số 2.4 Thực hành lắp ráp Mạch tạo xung dùng OA 3.1 Sơ đồ 3.2 Nguyên lý làm việc 3.3 Sơ đồ có điều chỉnh tần số 3.4 Thực hành lắp ráp Bài : Cơ sở kỹ thuật số Hệ đếm 1.1 Các hệ thống số đếm 1.2 Chuyển đổi hệ thống số đếm 1.3 Các phép tính hệ nhị phân Bộ mã hóa 2.1 Mã BCD 2.2 Mã Gray 2.3 Mã thừa 2.4 Mã Jonhson Các phép toán logic 3.1 Phép phủ định 3.2 Phép tuyển 3.3 Phép hội Các cổng logic thông dụng Hàm lô gic 4.1 Khái niệm 4.2.Các phương pháp biểu diễn hàm logic 4.3 Tối giản hóa hàm logic 4.4 Thiết kế mạch logic tổ hợp Bài : Mạch mã hóa, giải mã Mạch mã hóa 1.1 Khái niệm 1.2 Thiết kế mạch 1.3 Thực hành lắp ráp mạch Mạch giải mã 2.1 Khái niệm 2.2 Thiết kế mạch 2.3 Lắp ráp mạch 0.25 0.10 0.15 3.5 0.25 0.1 0.15 2.5 16 0.5 3.5 0.5 3.5 2.5 1 1 0.25 2 0.25 0.25 1.75 3.75 10 0.25 1.25 1.75 2.5 2.5 6 5 Kiểm tra Bài : Mạch dồn kênh , phân kênh Mạch dồn kênh 1.1 Khái niệm 1.2 Thiết kế mạch 1.3 Thực hành lắp ráp mạch mạch phân kênh 2.1 Khái niệm 2.2 Thiết kế mạch 2.3 Lắp ráp mạch Bài : Flíp- Flop FF RS FFRST FF JK FF T Bài : Mạch đếm Khái quát chung 1.1 Khái niệm 1.2 Phân loại Mạch đếm nhị phân 2.1 Thiết kế mạch 2.2 Thực hành lắp ráp mạch Mạch đếm BCD 3.1 Thiết kế mạch 3.2 Thực hành lắp ráp mạch Mạch đếm mô đun M 4.1 Thiết kế mạch 4.2 Lắp ráp mạch Kiểm tra Bài : Mạch ghi Mạch ghi nối tiếp 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu trúc mạch 1.3 Nguyên lý làm việc Mạch ghi song song 2.1 Khái niệm 2.2 Cấu trúc mạch 2.3 Nguyên lý làm việc 3.Mạch ghi vòng 4 0.5 0.5 20 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 7.5 0.5 4.5 4.5 0.5 4 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.5 0.5 16 7.5 7.5 4.5 4.5 4 0.5 3 7 3.1 Cấu trúc mạch 3.2 Thực hành lắp ráp Bài : Bộ nhớ ROM-RAM Bộ nhớ ROM 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu trúc 1.3 Các loại ROM thường gặp Bộ nhớ RAM 2.1 Khái niệm 2.2 Cấu trúc 2.3 Các loại RAM thường gặp Bài 9: Mạch chuyển đổi A/D, D/A Mạch chuyển đổi A/D 1.1 Khái niệm chung 1.2 Sơ đồ nguyên lý 1.3 Nguyên lý làm việc 1.4 Thưck hành lắp ráp mạch Mạch chuyển đổi D/A 2.1 Khái niệm chung 2.2 Sơ đồ nguyên lý 2.3 Nguyên lý làm việc 2.4 Thực hành lắp ráp mạch Kiểm tra Cộng 2 1 14 11 0.1 0.2 0.2 5.5 0.1 0.2 0.2 5.5 90 0.5 0.1 0.2 0.2 5.5 0.5 0.1 0.2 0.2 5.5 5.5 5.5 24 60 BÀI 1: MẠCH DAO ĐỘNG VÀ TẠO XUNG Mã bài: MĐ19.01 Giới thiệu: Trong kỹ thuật xung điện đóng vai trị quan trọng, đơi ngun nhân hệ thống điều khiển điện tử-số không hoạt động lắp ráp hư hỏng thiết bị vận hành tải, áp mà xung điều khiển không đạt thông số kỹ thuật Bài giới thiệu khái niệm, đặc trưng, đại lượng, ảnh hưởng xung mạch điện tử-số Học viên cần hiểu rõ vận dụng kiến thức xung vào mạch điện tử -số công nghiệp điều khiển xung điện Mục tiêu: - Trình bày khái niệm xung điện, dãy xung - Vẽ phân tích sơ đồ mạch điện mạch dao động tạo xung - lắp ráp mạch tạo xung hoạt động theo yêu cầu - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, xác Nội dung chính: Khái qt chung Mục tiêu: - Trình bày khái niệm tín hiệu, xung điện, dãy xung nêu tham số đặc trưng 1.1 Khái niệm 1.1.1 Định nghĩa tín hiệu Tín hiệu biến đổi đại lượng điện (dòng điện hay điện áp) theo thời gian, chứa đựng thơng tin Tín hiệu chia làm loại: tín hiệu liên tục (tín hiệu tuyến tính) tín hiệu gián đoạn (tín hiệu xung) Trong tín hiệu hình sin xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục ,có đường biểu diễn hình 1-1 Ngược lại tín hiệu hình vng xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu khơng liên tục hình 1-2 Hình 1-1: Tín hiệu hình sin Hình 1-2: Tín hiệu hình vng 1.1.2 Định nghĩa xung điện Xung điện tín hiệu điện có giá trị biến đổi gián đoạn khoảng thời gian ngắn so sánh với trình độ mạch điện Xung điện kỹ thuật chia làm loại: loại xung xuất ngẫu nhiên mạch điện, mong muốn, gọi xung nhiễu, xung nhiễu thường có hình dạng (Hình 1-3) (u,t (u,t (u,t t t t Hình 1-3: Các dạng xung nhiễu Các dạng xung tạo từ mạch điện thiết kế thường có số dạng bản: (u,t) (u,t) t (u,t ) (u,t) t t t Hình 1-4: Các dạng xung mạch điện thiết kế Dãy xung vng xuất hình máy sóng điều chỉnh tốc độ quét chậm., thấy có đường vạch ngang Khi điều chỉnh tốc độ qt nhanh, hình máy sóng xuất rõ đường vạch tạo nên hình dạng xung với đường dốc lên dốc xuống - Cạnh xuất trước xung gọi sườn trước xung - Cạnh nằm đỉnh có giá trị cực đại gọi đỉnh xung - Cạnh xuất sau xung để trở trạng thái ban đầu gọi sườn sau xung - Cạnh nối khỏang cách từ sườn trước sườn sau trục tọa độ xung gọi đáy xung 1.2 Các thông số xung điện dãy xung 1.2.1 Các tham số xung điện Dạng xung vng lý tưởng trình bày Hình 1-5 10 U, I off t on Hình 1-5: Các thơng số xung a Độ rộng xung thời gian xuất xung mạch điện, thời gian thường gọi thời gian mở ton Thời gian khơng có xuất xung gọi thời gian nghỉ t off b Chu kỳ xung khỏang thời gian lần xuất xung liên tiếp, tính theo cơng thức: T= t on + t off (1.1) Tần số xung tính theo cơng thức: f= T (1.2) c Độ rỗng hệ số đầy xung: - Độ rỗng xung tỷ số chu kỳ độ rộng xung, tính theo cơng thức: Q= T Ton (1.3) - Hệ số đầy xung nghịch đảo độ rỗng, tính theo cơng thức: n= Ton T (1.4) Trong thực tế, người ta quan tâm đến tham số này, người ta quan tâm thiết kế nguồn kiểu xung, để đảm bảo điện áp chiều tạo sau mạch chỉnh lưu, mạch lọc mạch điều chỉnh cho mạch điện cấp đủ dịng, đủ cơng suất, cung cấp cho tải d Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau: Trong thực tế, xung vuông, xung chữ nhật khơng có cấu trúc cách lí tưởng Khi đại lượng điện tăng hay giảm để tạo xung, thường có thời gian tăng trưởng (thời gian độ)nhất mạch có tổng trở vào nhỏ có thành phần điện kháng nên sườn trước sau khơng thẳng đứng cách lí tưởng Do thời gian xung tính theo cơng thức: ton = tt + tđ + ts (1.5) 10 100 Hình 8- 03: MROM có dung lượng 16x1 Trong thực tế, để đơn giản cho việc thực hiện, vị trí nhớ người ta cho vào transistor MOS Nhưng vị trí ứng với bit transistor MOS chế tạo với lớp SiO2 dầy làm tăng điện ngưỡng lên, kết transistor MOS ln ln khơng dẫn điện (Hình8-04) , Các transistor khác dẫn điện bình thường Hình – 04: Bộ nhớ MROM sử dụng Tranzitor MOS 2.3.2 Cấu trúc tế bào PROM Có cấu tạo giống MROM vị trí nhớ có linh kiện nối với cầu chì Như xuất xưởng ROM chứa loại bit (gọi ROM trắng), lúc sử dụng người lập trình thay đổi bit mong muốn cách phá vỡ cầu chì vị trí tương ứng với bit Một cầu chì bị phá vỡ 100 101 khơng thể nối lại loại ROM cho phép lập trình lần để sử dụng, bị lỗi khơng thể sửa chữa Hình 8-05: Cấu trúc nhánh PROM Người ta dùng diod mắc ngược chiều nhau, mạch không dẫn điện, để tạo bit 0, lập trình diod bị phá hỏng tạo mạch nối tắt, diod lại dẫn điện cho bit 2.3.3 EPROM Đây loại ROM tiện cho người sử dụng dùng nhiều lần cách xóa nạp lại Cấu tạo tế bào nhớ U.V EPROM dựa vào transistor MOS có cấu tạo đặc biệt gọi FAMOS (Floating Gate Avalanche Injection MOS) Hình 8-06: Cấu tạo tế bào nhớ EPROM + Trên chất bán dẫn N pha loãng, tạo vùng P pha đậm (P ) nối cho cực S (Source) D (Drain) Trong lớp cách điện SiO2 cực người ta cho vào thỏi Silicon khơng nối với bên ngồi gọi cổng Khi 101 102 nguồn VDD, phân cực ngược cực Drain nhỏ, transistor không dẫn, tăng VDD đủ lớn, tượng thác đổ (avalanche) xảy ra, electron đủ lượng chui qua lớp cách điện tới bám vào cổng+nổi Do tượng cảm ứng, điện lộ P hình thành nối hai vùng bán dẫn P , transistor trở nên dẫn điện Khi cắt nguồn, transistor tiếp tục dẫn điện electron trở để tái hợp với lỗ trống Để xóa EPROM, người ta chiếu tia U.V vào tế bào khoảng thời gian xác định để electron cổng nhận đủ lượng vượt qua lớp cách điện trở vùng tái hợp với lỗ trống xóa điện lộ P transistor trở trạng thái không dẫn ban đầu Mỗi tế bào nhớ EPROM gồm transistor FAMOS nối tiếp với transistor MOS khác mà ta gọi transistor chọn, vai trò FAMOS giống cầu chì phục hồi Để loại bỏ transistor chọn người ta dùng transistor SAMOS (Stacked Gate Avalanche Injection MOS) có cấu tạo tương tự transistor MOS có đến cổng nằm chồng lên nhau, nối cực Gate để Khi cổng tích điện làm gia tăng điện thềm khiến transistor trở nên khó dẫn điện Như ta chọn điện Vc khoảng VT1 VT2 giá trị điện thềm tương ứng với trạng thái transistor (VT1 Bƣớc 1: Lựa chọn linh kiện: Trong sơ đồ nguyên lý ta sử dụng mạch khuếch đại thuật tốn chuyển mạch điện tử Vì linh kiện sử dụng sơ đồ sau: - IC LM324 số lượng - IC D4066 số lương - R = 10KΩ số lượng - R = 20KΩ số lương - R = 40KΩ số lương - R = 80KΩ số lương - Biến trở 50KΩ số lương Só đồ chân IC chuyển mạch điện tử 4066 sau: Vcc 14 GN D Bƣớc 2: Vẽ sơ đồ mạch điện: - Sơ đồ mạch điện nguyên lý: 80KΩ Um A0 80KΩ A1 40KΩ A2 20KΩ A3 10KΩ + _ - Sơ đồ kết nối: 112 Tín hiệu Analog Đầu 113 5V 80KΩ 50KΩ 14 A0 40KΩ 20KΩ 4066 A1 GN D A2 10KΩ A3 80KΩ Ra 14 LM324 -5V Hình 9-05: Sơ đồ mạch điện mạch chuyển đổi D/A Bƣớc 3: Lắp ráp mạch điện: - Gắn vi mạch lên bo cắm đa năng; - Kết nối mạch điện theo sơ đồ mạch điện - Nguồn cấp lấy từ nguồn có sẵn mơ đun thực hành; - Các đầu vào A0÷ A3 kết nối với SW0 ÷ SW3 Bƣớc 4: Kiểm tra tính đắn sơ đồ Bƣớc : Bật công tắc nguồn, điều chỉnh biến trở chọn điện áp mầu có trị số nằm khoảng 0.1V – 0,2V.Dùng SW thay đổi mức logic đầu vào từ 0000 đến 1111, dùng đồng hồ đo điện áp chiều đầu ứng với mức só sánh với kết tính tốn để từ rút kết luận Bƣớc 6: Dùng biến trở thay đổi trị số điện áp chuẩn thực lại bước Và rút kết luận CÂU HỎI THẢO LUẬN VÀ BÀI TẬP 1, Trình bày cần thiết việc chuyển đổi A/D, D/A 2, Trình bày sở việc chuyển đổi D/A, A/D 3, Vẽ phân tích sơ đồ mạch điện mạch chuyển đổi D/A bít 113 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ xuân Thụ [2] Đỗ kim Bằng Kĩ thuật điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2005 Kỹ thuật số - lý thuyết ứng dụng, NXB LĐXH, Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Minh Giáp Giáo trình kĩ thuật xung – số, NXB Giáo dục, Vụ giáo dục chuyên nghiệp 8/2004.1 Bùi Minh Tiêu, Kỹ thuật [4] Bùi Minh Tiêu, Kỹ thuật số tập I, II, Nhà xuất Đại học [5] TS Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật số, Nhà xuất giáo dục [6] TS Lương Ngọc Hải, Kỹ thuật xung - số, Nhà xuất giáo dục [7] Trần Văn Trọng (1999), Giáo trình kỹ thuật số, Đại học sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh [8] Nguyễn Tấn Phước (1998), Giáo trình linh kiện điện tử, Nhà xuất giáo dục [9] Nguyễn Hữu Phương (1995), Giáo trình mạch số, Nhà xuất giáo dục 114 ... tọa độ xung gọi đáy xung 1.2 Các thông số xung điện dãy xung 1.2.1 Các tham số xung điện Dạng xung vng lý tưởng trình bày Hình 1-5 10 U, I off t on Hình 1-5: Các thông số xung a Độ rộng xung thời... nghĩa xung điện Xung điện tín hiệu điện có giá trị biến đổi gián đoạn khoảng thời gian ngắn so sánh với trình độ mạch điện Xung điện kỹ thuật chia làm loại: loại xung xuất ngẫu nhiên mạch điện, ... thông số kỹ thuật Bài giới thiệu khái niệm, đặc trưng, đại lượng, ảnh hưởng xung mạch điện tử -số Học viên cần hiểu rõ vận dụng kiến thức xung vào mạch điện tử -số công nghiệp điều khiển xung điện