Giáo trình Kỹ thuật xung số (Nghề Điện tử công nghiệp CĐTC)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN: KỸ THUẬT XUNG - SỐ NGÀNH, NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG, TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số:257 /QĐ- TCĐNĐT ngày 13 tháng năm 2017 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU thu t số nh ng mô đun c sở nghề Điện tử công nghiệp biên soạn dựa theo chư ng trình khung đ y dựng ban hành năm 20 trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp trước đ y dành cho nghề Điện tử công nghiệp hệ Cao đẳng Trung cấp Giáo trình biên soạn làm tài liệu học t p, giảng dạy nên giáo trình đ y dựng mức độ đ n giản d hiểu, m i học có thí dụ t p tư ng ứng để áp dụng làm sáng t ph n l thuyết hi biên soạn, nhóm biên soạn đ dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có c p nh t nh ng kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chư ng trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu c u thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 90 gồm có: Bài MĐ 4-01: Đại cư ng k thu t số Bài MĐ 4-02: FLIP – FLOP Bài MĐ 4-03: Mạch đếm ghi Bài MĐ 4-04: Mạch logic MSI Bài MĐ 4-05: Họ vi mạch TTL – CMOS Bài MĐ 4-06: Bộ nhớ Bài MĐ 4-07: thu t ADC – DAC Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho nghề Công nghệ k thu t Điện – Điện tử, Điện tử d n dụng, Điện công nghiệp Mặc dù đ cố gắng t chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh nh ng thiếu sót ất mong nh n đóng góp kiến th y, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều ch nh hoàn thiện h n Đồng Tháp, ngày tháng 10 năm 2017 Tham gia biên soạn Chủ biên: Lâm Văn Vũ Trần Thế Thông MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI : ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ 1.T ng quan mạch tư ng tự mạch số Hệ thống số mã số 10 Các c ng Logic c 15 Biểu thức Logic mạch điện 20 Đại số Boole định lý Demorgan 25 Đ n giản biểu thức logic 25 Giới thiệu số IC số c bản: 30 BÀI 02: FLIP –FLOP 35 Flip - Flop R-S: 35 FF R-S tác động theo xung lệnh 36 Flip - Flop J-K 38 Flip - Flop T 38 Flip - Flop D 39 Flip - Flop M-S ( Master – Slaver): 39 Flip - Flop với ngõ vào Preset Clear 40 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng c 41 BÀI 03: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 44 Mạch đếm 44 Thanh ghi 52 Giới thiệu số IC đếm ghi thơng dụng 53 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng c 55 BÀI 04: MẠCH LOGIC MSI 58 Mạch mã hóa (Encoder) 58 Mạch giải mã (Decoder) 62 Mạch ghép kênh 68 Mạch tách kênh 70 Giới thiệu số IC mã hóa giải mã thông dụng 72 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng c 75 BÀI 05: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS 78 Cấu trúc thông số c TTL 78 Cấu trúc thông số c CMOS 87 Giao tiếp TTL CMOS 95 Giao tiếp gi a mạch logic tải công suất 97 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng c 99 BÀI 06: BỘ NHỚ 101 ROM 102 RAM 109 Mở rộng dung lượng nhớ 111 Giới thiệu IC 113 BÀI 07: KỸ THUẬT ADC – DAC 115 Mạch chuyển đ i số sang tư ng tự (DAC) 115 Mạch chuyển đ i tư ng tự sang số (ADC) 121 Giới thiệu IC 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: MƠ ĐUN KỸ THUẬT SỐ M mô đun: MH 13 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun:: -Vị trí: Mơ đun bố trí dạy sau học ong môn c linh kiện diện tử, đo lường điện – điện tử, điện tử tư ng tự, mạch điện tử c bản… -Tính chất mô đun: Là mô đun k thu t c sở - ngh a: thu t số môn học c sở ngành Ðiện – Ðiện tử có vị trí quan trọng tồn chư ng trình học sinh viên học sinh, nhằm cung cấp kiến thức liên quan đến phư ng pháp đ i số, c ng logic, mạch số Công nghệ k thu t số đ đóng vai trị quang trọng cách mạng khoa học k thu t công nghệ Ngày nay, công nghệ số ứng dụng rộng r i có mặt h u hết thiết bị d n dụng đến thiết bị công nghiệp, đặc biệt l nh vực thông tin liên lạc, phát thanh, k thu t số đ thay d n k thu t tư ng tự Mục tiêu Mô đun: Sau học ong mô đun học viên có lực -Về kiến thức: + Phát biểu khái niệm k thu t số, c ng logic c í hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng th t c ng lôgic + Trình bày cấu tao, nguyên l mạch số thơng dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đ i, mạch ghi dịch, mạch điều khiển - Về k năng: + Lắp ráp, kiểm tra mạch số c panel thực tế - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + èn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, t m , ác học t p thực công việc Nội dung mô đun: Thời gian (giờ) Thực hành, Số Kiể Tên mô đun Lý thí nghiệm, TT Tổng số m thuyết thảo luận, tra tập Bài 1: Đại cương kỹ thuật số 12 10 T ng quan mạch tư ng tự mạch số Hệ thống số m số Thời gian:2 Các c ng logic c Thời gian:2 Biểu thức logic mạch điện 5.Đại số bool định l Demorgan Thời gian: ,5giờ Đ n giản biểu thức logic Thời gian:2 Giới thiệu số IC số c Thời gian: Bài 2: Flip - Flop 4 Flip - Flop R-S Thời gian: FF R-S tác động theo ung lệnh Flip - Flop J -K Thời gian: 6 Flip - Flop T Flip - Flop D Flip - Flop M-S Flip - Flop với ngõ vào Preset Clear Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng c Bài 3: Mạch đếm ghi Mạch đếm Thanh ghi Giới thiệu số IC đếm ghi thông dụng Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng c Kiểm tra Thời gian: Thời gian: Thời gian: Thời gian: 30 Thời gian:2 Thời gian: 0giờ 2 Bài 4: Mạch logic MSI Mạch m hóa Mạch giải m Mạch ghép kênh Mạch tách kênh Giới thiệu số IC m hóa giải m thơng dụng Tính toán, lắp ráp số mạch ứng dụng c Bài 5: Họ vi mạch TTL - CMOS Cấu trúc thông số c TTL Cấu trúc thông số c CMOS Giao tiếp TTL CMOS Giao tiếp gi a mạch logic tải cơng suất Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng c Bài 6: Bộ nhớ ROM RAM Mở rộng dung lượng nhớ Giới thiệu IC Bài 7: Kỹ thuật ADC - DAC Mạch chuyển đ i số - tư ng tự (DAC) Mạch chuyển đ i tư ng tự - số (ADC) Giới thiệu IC Kiểm tra 20 Thi kết thúc mô đun Thời gian:3giờ 26 Thời gian: Thời gian:4 gi 16 Thời gian: 4giờ Thời gian: 4giờ Thời gian:4 Thời gian:4 Thời gian:2 Thời gian:7 Thời gian: Thời gian:2 Thời gian:2 4 Thời gian:6 Thời gian: 3giờ Thời gian: 2giờ Thời gian: 2giờ Thời gian: Thời gian:3 Thời gian:3 2 Cộng 90 30 56 BÀI 01: ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ Mã Bài: MĐ14- 01 Giới thiệu: Trong khoa học, công nghệ hay sống đời thường, ta thường uyên phải tiếp úc với số lượng Số lượng đo, quản l , ghi chép, tính tốn nhằm giúp cho l , ước đốn trở nên phức tạp h n Mục tiêu: -Trình bày khái niệm c mạch tư ng tự mạch số - Trình bày cấu trúc hệ thống số m số -Trình bày cấu tạo, nguyên l hoạt động c ng logic c -Trình bày định lu t c k thu t số, biểu thức toán học số - Chủ động, sáng tạo đảm bảo trình học t p Nội dung 1.Tổng quan mạch tương tự mạch số 1.1 Định nghĩa -Tín hiệu Tín hiệu biến thiên biên độ, thường điện áp hay dòng điện theo thời gian Đường biểu di n tín hiệu dạng sóng - Tín hiệu tương tự ( hình 4.1) Tín hiệu tư ng tự tín hiệu có biên độ liên tục theo thời gian Trong thực tế đại lượng v t l v n tốc, nhiệt độ mơi trường, tiếng nói…đều tín hiệu tư ng tự Hình 4.1 Trong k thu t điện tử mạch tư ng tự mạch l tín hiệu tư ng tự có dạng hình vẽ có ngh a khoảng thời gian ác định mạch phải l n mức tín hiệu khác - Tín hiệu số ( hình 4.2 ) Tín hiệu số tín hiệu có biên độ gián đoạn theo thời gian Biên độ ch có hai mức hình vẽ, mức ( ) đại diện cho biên độ cao, mức (0) đại diện cho biên độ thấp Hình 4.2 Mạch số ch l hai mức tín hiệu khoảng thời gian mà 1.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự thu t số có nhiều ưu điểm so với k thu t mạch tư ng tự khiến cho k th t số ngày ph biến g n h u hết l nh vực như: đo lường, điều khiển tính tốn, thơng tin…Tuy nhiên k thu t mạch tư ng tự có nh ng đặc tính riêng mà mạch số thay  Ưu điểm: Nhìn chung thiết bị số d thiết kế h n: Đó mạch sử dụng vi mạch chuyên dùng đ thiết kế với chức định trước chống nhi u méo dạng cao: Do đặc thù hệ thống ch lí hai mức tín hiệu và thời gian chuyển tiếp gi a chúng nhanh nên khả chống nhi u cao, h n n a biên độ tín hiệu nhi u khơng đủ khả làm thay đ i gi a hai mức tín hiệu từ sang ngược lại từ sang Trong thiết bị tư ng tự độ ác bị giới hạn mạch phải lí tín hiệu liên tục theo thời gian, h n n a linh kiện sử dụng không thực tuyến tính Do biên độ tín hiệu nhi u d dàng m nh p vào hệ thống làm tính n định hệ thống Lưu tr truy c p d dàng, nhanh chóng: Do tín hiệu số ch có hai mức nên việc lưu tr nh ng môi trường khác (bộ nhớ bán dẫn, băng từ…) truy c p thu n tiện Độ ác độ ph n giải cao: Trong việc đo đạc thời gian, t n số , điện v.v…k thu t số cho độ ác độ ph n giải cao h n k thu t tư ng tự Có thể l p trình hoạt động hệ thống k thu t số: Hoạt động hệ thống k thu t điều khiển theo qui lu t định trước t p lệnh gọi chư ng trình Cùng với việc đời vi lí vi điều khiển làm cho việc tự động điều khiển hệ thống trở nên d dàng h n  Nhược điểm H u hết đại lượng v t l điều mang chất tín hiệu tư ng tự Chính nh ng đại lượng thường đ u vào đ u hệ thống điều khiển Ví dụ đại lượng nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v n tốc…Ph n tích đại lượng theo thời gian đại lượng tư ng tự Trong k thu t người ta thường phải thực biến đ i từ tín hiệu tư ng tự sang tín hiệu số ngược lại Điều làm cho thiết bị thêm phức tạp giá thành cao h n Tuy nhiên nh ng bất lợi bị lấn lướt ưu điểm k thu t số nên việc chuyển đ i qua lại gi a k thu t số k thu t tư ng tự việc c n thiết trở nên ph biến công nghệ ngày Để t n dụng nh ng ưu điểm k thu t số k thu t tư ng tự người ta sử dụng hai loại vào hệ thống Ở nh ng hệ thống kh u thiết kế c n định kh u dùng k thu t tư ng tự kh u dùng k thu t số Hệ thống số m số 2.1 Hệ thống số thập phân (Decimal system) Trong hệ th p ph n người ta sử dụng k tự từ đến kết hợp với dấu chấm, dấu phẩy để ch lượng: Trong d y số th p ph n: dn- …d2d1d0 theo qui ước từ phải qua trái vị trí chúng thể hàng đ n vị, hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn với ph n nguyên ngược lại từ trái qua phải ph n chục, ph n trăm, ph n nghìn ph n lẻ sau dấu phẩy 10 Tiến trình có nhiều thay d i số loại ADC khác, chủ yếu khác cách thức điều khiển sửa đ i số nhị ph n ghi 2.1.2 Các tiêu kỹ thuật chủ yếu ADC - Độ ph n giải Độ ph n gải ADC biểu thị số bit tín hiệu số đ u Số lượng bit nhiều sai số lượng tử nh , độ ác cao - Dải động, điện trở đ u vào Mức logic tín hiệu số đ u khả chịu tải (nối vào đ u vào) - Độ ác tư ng đối Nếu l tưởng hóa tất điểm chuyển đ i phải nằm đường thẳng Độ ác tư ng đối sai số điểm chuyển đ i thực tế so với đặc tuyến chuyển đ i l tưởng Ngồi cịn u c u ADC khơng bị bit tồn phạm vi công tác - Tốc độ chuyển đ i Tốc độ chuyển đ i ác định thời gian thời gian c n thiết hoàn thành l n chuyển đ i A/D Thời gian tính từ uất tín hiệu điều khiển chuyển đ i đến tín hiệu số đ u đ n định - Hệ số nhiệt độ Hệ số nhiệt độ biến thiên tư ng đối tín hiệu số đ u nhiệt độ biến đ i 0C phạm vi nhiệt độ công tác cho ph ép với điều kiện mức tư ng tự đ u vào không đ i - T số phụ thuộc công suất Giả sử điện áp tư ng tự đ u vào không đ i, nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đ u lớn t số phụ thuộc nguồn lớn - Cơng suất tiêu hao 2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ Quá trình chuyển đ i A/D nhìn chung thực qua bước c bản, là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lượng tử hóa m hóa Các bước ln ln kết hợp với q trình thống 2.2.1 Định lý lấy mẫu Đối với tín hiệu tư ng tự VI tín hiệu lấy mẫu VS sau q trình lấy mẫu khơi phục trở lại VI cách trung thực điều kiện sau đ y th a mản: f s  f max (10.9) Trong đó: - fS : t n số lấy mẫu - fmax : giới hạn giải t n số tư ng tự Hình 10.8: Biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tư ng tự đ u vào Nếu biểu thức (10.8) th a mản ta dùng tụ lọc thơng thấp để khơi phục VI từ VS Vì m i l n chuyển đ i điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tư ng ứng c n có thời gian định nên phải nhớ mẫu khoảng thời gian c n thiết sau m i l n lấy mẫu Điện áp tư ng tự đ u vào thực chuyển đ i A/D thực tế giá trị VI đại diện, giá trị kết m i l n lấy mẫu 122 Hình 10.8: Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào 2.2.2 Lượng tử hóa mã hóa Tín hiệu số khơng nh ng rời rạc thời gian mà cịn khơng liên tục biến đ i giá trị Một giá trị tín hiệu số phải biểu thị bội số nguyên l n giá trị đ n vị đó, giá trị nh chọn Ngh a dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội số nguyên l n giá trị đ n vị Quá trình gọi lượng tử hóa Đ n vị chọn theo qui định gọi đ n vị lượng tử, kí hiệu D Như v y giá trị bit LSB tín hiệu số D Việc dùng m nhị ph n biểu thị giá trị tín hiệu số mã hóa M nhị ph n có sau q trình tín hiệu đ u chuyên đ i A/D 2.2.3 Mạch lấy mẫu nhớ mẫu hi nối trực tiếp điện tư ng tự với đ u vào ADC, tiến trình biến đ i bị tác động ngược điện tư ng tự thay đ i tiến trình biến đ i Ta cải thiện tính n định tiến trình chuyển đ i cách sử dụng mạch lấy mẫu nhớ mẫu để ghi nhớ điện tư ng tự không đ i chu kỳ chuyển đ i di n Hình 7.9 s đồ mạch lấy mẫu nhớ mẫu Hình 10.9: Mạnh lấy mẫu nhớ mẫu hi đ u vào điều khiển = lúc chuyển mạch đóng mạch chế độ lấy mẫu hi đ u vào điều khiển = lúc chuyển mạch hở mạch chế độ gi mẫu Chuyển mạch đóng thời gian đủ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dịng điện tín hiệu tư ng tự Ví dụ chuyển mạch đóng thời điểm t0 đ u A 123 nạp nhanh tụ Ch lên đến điện tư ng tự V0 chuyển mạch mở tụ Ch trì điện để đ u A2 cung cấp mức điện cho ADC Bộ khuếch đại đệm A2 đặt trở kháng cao đ u vào nhằm không ả điện tụ cách đáng kể thời gian chuyển đ i ADC ADC chủ yếu nh n đự c điện DC vào, tức V0 Trong thực tế người ta sử dụng vi mạch LF 98 (hình 10.10) mạch S/H tích hợp có thời gian thu nh n d liệu tiêu biểu 4ms ứng với Ch = 000pF, 20ms ứng với Ch = 0.0 mF Tín hiệu máy tính sau mở chuyển mạch phép C h trì giá trị cung cấp mức điện tư ng tự tư ng đối n định đ u A2 Hình 10.10: Sơ đồ chân LF198 2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 2.3.1 Sơ đồ khối Phiên đ n giản lớp ADC hình 10.7 sử dụng đếm nhị ph n làm ghi cho phép ung nhịp đẩy đếm tăng m i bước, VAX > VA Đ y gọi ADC sóng dạng b c thang, dạng sóng VAX có b c lên Người ta gọi ADC loại đếm S đồ biểu di n ADC dạng sóng b c thang Hình 10.11: DAC dạng sóng bậc thang Các thành ph n DAC dạng sóng b c thang hình 10.11 gồm: đếm, DAC, so sánh tư ng tự, c ng NAND ngõ vào điều khiển Đ u so sánh dùng làm tín hiệu EOC (End Of Conversion – kết thúc chuyển đ i) 2.3.2 Hoạt động ADC dạng sóng bậc thang 124 Giả sử VA, tức mức điện c n chuyển đ i dư ng tiến trình hoạt động diển sau: - Xung hởi Động đưa vào để eset đếm Mức cao ung hởi Động cấm không cho ung nhịp qua c ng AND vào đếm - Nếu đ u DAC tồn bit đ u DAC VAX = 0V Vì VA>VAX nên đ u so sánh EOC lên mức cao - hi ung hởi Động thấp c ng AND cho phép ung nhịp qua c ng vào đếm - Khi giá trị đếm tăng lên đ u DAC VAX tăng m i l n m i b c, minh họa hình 10.11 - Tiến trình tiếp tục VAX lên đến b c vượt VA khoảng VT Tại thời điểm ngõ so sánh EOC thấp cấm không cho ung nhịp vào đếm nên đếm ngừng đếm Tiến trình chuyển đ i hồn tất tín hiệu EOC chuyển từ trạng thái cao uống thấp nội dung đếm biểu thị dạng số điện áp tư ng tự vào VA Bộ đếm trì giá trị số ung hởi Động vào bắt đ u tiến trình chuyển đ i 2.3.3 Độ phân giải độ xác ADC dạng sóng bậc thang Trong ADC dạng sóng b c thang có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số trình chuyển đ i như: kích cở b c thang, tức độ ph n giải DAC cài đ n vị nh Nếu giảm kích cở b c thang ta hạn chế bớt sai số ln có khoảng cách chênh lệch gi a đại lượng thức tế và giá trị gán cho Đ y gọi sai số lượng tử Cũng DAC, độ ác không ảnh hưởng đến độ ph n giải lại tùy thuộc vào độ ác linh kiện mạch như: so sánh, điện trở ác chuyển mạch dòng DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.0 % giá trị cực đại (đ y thang) cho biết kết từ ADC sai biệt khoảng thế, linh kiện khơng l tưởng Ví dụ Giả sử ADC dạng sóng b c thang hình 11 có thơng số sau đ y: t n số ung nhịp = Mz; VT = mV; DAC có đ u cực đại = 0.23V đ u vào 10 bit Hãy ác định: a Giá trị số tư ng đư ng cho VA = 3.728V b Thời gian chuyển đ i c Độ ph n giải chuyển đ i Bài giải: a DAC có đ u vào bit đ u cực đại = 0.23V nên ta tính t ng số b c thang có là: – = 1023 Suy kích cở b c thang là: 10.23V  10mV 1023 Dựa thông số ta thấy VAX tăng theo b c 0mV đếm đếm lên từ VA = 3.728, VT = 0.1mV nên VAX phải đạt từ 3.728 trở lên trước so sánh chuyển sang trạng thái mức thấp Như v y phải có số b c: 3.728  372,8  373 b c 10 125 cuối tiến trình chuyển đ i, đếm trì số nhị ph n tư ng đư ng 37310, tức 0 0 Đ y giá trị số tư ng đư ng VA = 3.728V ADC tạo nên b Muốn hoàn tất trình chuyển đ i địi h i dạng sóng db c thang phải lên 373 b c, có ngh a 373 ung nhịp áp với tốc độ ung ms, t ng thời gian chuyển đ i 373ms c Độ ph n giải ADC với kích thước b c thang DAC tức 0mV Nếu tính theo t lệ ph n trăm là: x100%  0.1% 1023 2.3.4 Thời gian chuyển đổi Thời gian chuyển đ i khoảng thời gian gi a điểm cuối ung khởi động đến thời điểm kích hoạt đ u EOC Bộ đếm bắt đ u đếm từ lên VAX vượt VA, thời điểm EOC uống mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đ i Như v y giá trị thời gian chuyển đ i tC phụ thuộc vào VA Thời gian chuyển đ i cực đại ảy VA nằm b c thang cao Sao cho VAX phải tiến lên b c cuối để kích hoạt EOC - Với chuyển đ i N bit, ta có: - tC(max) = (2N – ) chu kỳ ung nhịp ADC hình 10.11 có thời gian chuyển đ i cực đại - tC(max) = (210 – 1)x1ms = 1023ms Đôi thời gian chuyển đ i trung bình quy định ½ thời gian chuyển đ i cực đại Với chuyển đ i dạng sóng b c thang, ta có: tc (avg )  tc (max)  N 1 chu kỳ ung nhịp ( 10.11) Nhược điểm ADC dạng sóng b c thang thời gian chuyển đ i tăng gấp đôi với bit thêm vào đếm Do v y ADC loại khơng thích hợp với nh ng ứng dụng đòi h i phải liên tục chuyển đ i tín hiệu tư ng tự thay đ i nhanh thành tín hiệu số Tuy nhiên với ứng dụng tốc độ ch m chất tư ng đối đ n giản ADC dạng sống b c thang ưu điểm so với loại ADC khác 2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp Bộ chuyển đ i g n lấy liên tiếp ( Successive Appro imation Convetr SAC) nh ng loại ADC thơng dụng SAC có s đồ phức tạp h n nhiều so với ADC dạng sóng b c thang Ngồi SAC cịn có giá trị tC cố định, không phụ thuộc vào giá trị đ u vào tư ng tự 126 Hình 10.12: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ Hình 10 cấu hình c SAC, tư ng tự cấu hình ADC dạng sóng b c thang Tuy nhiên SAC không sử dụng đếm cung cấp đ u vào cho DAC mà thay vào ghi Logic điều khiển sửa đ i nội dung lưu ghi theo bit dử liệu ghi biến thành giá trị số tư ng đư ng với đ u vào tư ng tự VA phạm vi độ ph n giải chuyển đ i Ví dụ SAC bit có độ ph n giải 20mV Với đ u vào tư ng tự 7V, h y tính đ u số tư ng ứng Giải Số b c SAC: 2.17  108.5 20mV Như v y b c thứ 08 có VAX = 2, 6V, b c 09 có VAX = 2.18V SAC ln sinh đ u VAX cuối b c thang bên VA Do v y, trường hợp VA = 7, đ u số 08 = 0 002 Thời gian chuyển đ i Logic điều khiển đếm bit ghi, gán cho nó, định có c n trì chúng mức hay không chuyển sang bit Thời gian l m i bit kéo dài môky chu kỳ ung nhịp, ngh a t ng thời gian chuyển đ i SAC N bit N chu kỳ ung nhịp Ta có: tC cho SAC = N chu kỳ ung nhịp Thời gian chuyển đ i bất chấp giá trị VA Điều đo logic điều khiển phải l m i bit dể em có c n đến mức hay khơng Ví dụ So sánh thời gian chuyển đ i ADC bit có dạng sóng b c thang SAC bit Giả thiết hai áp dụng t n số ung nhịp 500kHz Giải - Với ADC dạng sóng b c thang, thời gian cực đại là: (2N – ) ( chu kỳ ung nhịp) = 023 2ms = 2046ms - Với SAC, thời gian chuyển đ i chu kỳ ung nhịp tức 10 x 2ms = 20ms V y với SAC thời gian chuyển đ i nhanh gấp 00 l n ADC dạng sóng b c thang 127 2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song Xét biến đ i bit thực theo phư ng pháp song song hình 10.13 Với bít biểu di n 23=8 số khác nhau, kể số (khơng) Do c n có so sánh, điện áp chuẩn nấc tạo ph n áp Nếu điện áp vào không vượt kh i giới hạn dải từ 5/2 ULSB đến 7/2 ULSB sánh từ thứ đến thứ ác l p trạng thái “ ”, so sánh từ thứ đến thứ ác l p trạng thái “0” Các mạch logic c n thiết để di n đạt trạng thái thành số Theo bảng trạng thái bên cho quan hệ gi a trạng thái so sánh với số nhị ph n tư ng ứng Nếu điện áp vào bị thay đ i nh n kết sai m hố ưu tiên đấu trực tiếp đến lối so sánh Ta h y ét đến chẳng hạn việc chuyển từ số sang số (do đó, m nhị ph n từ đến 00) Nếu bit già thời gian tr giảm mà thay đ i trạng thái sớm h n bít khác uất số , tức số Trị số sai tư ng ứng với nửa dải đo Bởi kết biến đ i A/D, đ biết, ghi vào nhớ, v y tồn ác uất định để nh n trị số hồn tồn sai Có thể giải vấn đề cách, chẳng hạn, dùng nhớ - trích mẫu để ngăn biến động điện áp vào thời gian đo Tuy nhiên, phư ng pháp đ hạn chế t n số cho phép điện áp vào, c n phải có thời gian ác l p cho mạch nhớ - trích mẫu Ngồi khơng thể loại b hồn tồn ác uất thay đ i trạng thái so sánh, mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có độ trơi đáng kể Hình 10.13: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp song song 128 Nhược điểm khắc phục cách sau m i so sánh, ta dùng trig với tư cách nhớ đệm l t theo sườn để nhớ trị analog Trig này, tác dụng tín hiệu nhịp khởi động cho trig tiếp sau Ở trường hợp bảo đảm gi nguyên trạng thái dừng lối m hoá ưu tiên tác động sườn ung để khởi động trig Như đ thấy rõ bảng , so sánh ác l p trạng thái “ ” theo trình tự từ lên Trình tự khơng đảm bảo sườn ung dựng đứng Bởi có khác thời gian tr so sánh nên chuyển sang trình khác Trong tình ác định, trạng thái độ ghi vào trig sườn ung khởi động trig sườn tín hiệu trùng Tuy nhiên, m hoá ưu tiên đ cho phép tránh điều nhờ tính chất là: khơng đến bít trẻ “ ” Sự biến đ i trạng thái biến đ i A/D song song tuỳ thuộc vào điện áp lối vào theo bảng sau Số th p ph n Điện áp vào Trạng thái so sánh Số nhị ph n tư ng ứng Ue/ULSB K K K K K K K1 Z Z Z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Thời gian lấy mẫu c n phải nh h n thời gian tr so sánh, điểm bắt đ u ác định sườn ung khởi động Sự khác thời gian tr đ g y độ bất định thời gian(khe) mẫu Để giảm nh trị số đến mức đ tính tốn mục trước, tốt sử dụng so sánh có khả giảm nh thời gian tr Nhờ t ng làm việc song song nên phư ng pháp biến đ i A/D vừa mô tả nhanh Giới thiệu IC Hiện thị trường có nhiều loại IC có chức chuyển đ i từ số sacng tư ng tự Ở đ y ch giới thiệu loại IC thơng dụng, loại khác bạn đọc tham khảo Datasheet hay Internet 3.1 IC AD7524 IC AD7524 ( IC CMOS) IC chuyên dụng dùng để chuyển đ i từ số sang tư ng tự AD7524 chuyển đ i D/A bit, dùng mạng /2 ladder Có s đồ bên hình 10.14 129 Hình 10.14: Sơ đồ bên IC AD7524 AD7524 có đ u vào bit, bị chốt điều khiển đ u vào CHỌN CHIP ( CS ) đ u vào ghi ( WR ) hai đ u vào điều khiển mức thấp, đ u vào d liệu D7 ÷ D0 sinh dịng tư ng tự OUT1 OUT2 (thường OUT2 nối đất) Nếu hai đ u vào điều khiển lên cao lúc d liệu vào bị chốt lại đ u tư ng tự trì mức ứng với d liệu số bị chốt Nh ng thay đ i đ u vào không tác động đến ngõ tư ng tự OUT1 trạng thái chốt Các thông số IC liệt kê bảng sau: Bảng thông số IC DA7524 VDD = 5V VDD = 15V Đ n vị MIN NOM MIN NOM MAX MAX Điện áp nguồn cấp, VDD 4,75 14,5 15 15,5 V 5,25 Điện áp tham chiếu, Vref +10 +10 V Điện áp đ u vào mức cao, VIH 2,4 13,5 V Điện áp đ u vào mức thấp, VIL 0,8 1,5 V 40 40 ns CS thời gian cài đặc, tSU(CS) 0 ns CS thời gian gi , th(CS) Cài đặc thời gian d liệu đ u 25 25 ns vào, tSU(CS) Gi thời gian d liệu đ u vào, 10 10 ns tSU(CS) 40 40 ns Chu kỳ ung, WR low, tw(WR) Nhiệt độ môi trường hoạt động, -55 -55 125 0C TA 125 Quan hệ ngõ vào ngõ tư ng ứng trình bày bảng sau: Bảng quan hệ ngõ vào ngõ Đ u vào số (Digital input) Đ u tư ng tự (Xem ý 1) (Analog output) MSB LSB 130 11111111 -Vref (255/256) 10000001 -Vref (129/256) 10000000 -Vref (128/256) = -Vref /2 01111111 -Vref (1/256) 00000000 Chú ý 1: LSB = 1/256 (Vref ) Bảng quan hệ ngõ vào ngõ Đ u vào số (Digital input) Đ u tư ng tự (Xem ý 2) (Analog output) MSB LSB 11111111 Vref (127/128) 10000001 Vref (128) 10000000 01111111 -Vref (128) 00000001 -Vref (127/128) 00000000 -Vref Chú ý 2: LSB = 1/128 (Vref ) Ứng dụng IC AD7524 thường dùng giao tiếp với vi l vi điều khiển để chuyển đ i tín hiệu số sang tư ng tự nhằm điều khiển đối tượng c n điều khiển Sau đ y số ứng dụng IC AD7524 giao tiếp với IC khác hình 10.15 Hình 10.15a: Giao tiếp AD7524 với 6800 Hình 10.15b: Giao tiếp AD7524 với 8051 131 Hình 10.15c: Giao tiếp AD7524 với Z-80A IC DAC0830 DAC 0830 IC thuộc họ CMOS Là chuyển đ i D/A bit dùng mạng /2 ladder Có thể giao tiếp trực tiếp với vi l để mở rộng hoạt động chuyển đ i D/A S đồ ch n cấu trúc bên DAC0830 hình 0.16 Hình 10.16: Cấu trúc bên ICDAC0804 Hoạt động ch n 132 - ( CS )( CHIP SELECT) ch n chọn hoạt động mức thấp Được kết hợp với ch n ITL để viết d liệu - ITL (INPUT LACTH ENABLE) ch n cho phép chốt ngõ vào, hoạt động mức cao ITL kết hợp với ( CS ) phép viết - WR1 (W ITE) hoạt động mức thấp Được sử dụng để nạp bit d liệu ngõ vào chốt D liệu chốt WR1 mức cao Để chốt d liệu vào ( CS ) WR1 phải mức thấp ITL phải mức cao - WR1 (W ITE) tác động mức thấp Ch n kết hợp với ch n WR1 cho phép d liệu chốt ngõ vào mạch chốt truyền tới nghi DAC IC - WR1 (T ANSFE CONT OL SIGNAL) tác động mức thấp Cho phép WR1 viết - DI0 – DI7 ngõ vào số DI0 LSB DI7 MSB - I01 ngõ dòng DAC1 Có trị số cực đại tất bit vào , tất bit vào - I02 ngõ dòng DAC2 Nếu I01 tăng từ cực đại I02 giảm từ cực đại để cho I01 + I02 = số - Rfb điện trở hồi tiếp nằm IC Luôn sử dụng để hồi tiếp cho Op Amp mắc - Vref ngõ vào điện áp tham chiếu từ - đến + 0V - VCC điện áp nguồn cấp cho IC hoạt động từ đến 5V - GND (mass) chung cho I01 I02 Sau đ y số ứng dụng DAC0830 chuyển đ i từ số sang tư ng tự + Điều khiển volume số hình Hình 10.17: Ứng dụng DAC0830 để điều khiển Volume + Điều khiển máy phát sóng số hình 10.18 133 Hình 10.18: Ứng dụng DAC 0830 để điều khiển máy phát sóng + Bộ Điều khiển dịng số hình 10.19 134 Hình 10.19: Bộ điều khiển dịng số Cơng thức tính dịng ra: 1 D   R2  I OUT  VREF    1   256 R R R3   FB   + DAC8030 điều khiển dịng thay đ i theo d liệu số vào Dòng thay đ i từ 4mA (khi D = 0) đến 9.9mA (khi D = 255) + Mạch điện sử dụng cho mức điện áp vào khác từ 6V đến 55V + P2 thay đ i giá trị dòng  YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày khái niệm, cấu trúc thông số gi a mạch chuyển đ i số - tư ng tự mạch tư ng tự - số, hiểu chức họ IC + Về k năng: sử dụng thành thạo dụng cụ đo để đo ch n tín hiệu điện áp ngõ vào – IC, lắp ráp số mạch c bản, + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp Phư ng pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về k năng: Đánh giá k thực hành đo thông số mạch điện theo yêu c u bài, lắp ráp số mạch c + Năng lực tự chủ trách nhiệm: T m , cẩn th n, ác, ngăn nắp cơng việc 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạch điện tử (t p – 2), Nguy n Tấn Phước, NXB TP HCM, 2005 [2] thu t ung c n ng cao, Nguy n Tấn Phước, NXB TP HCM, 2002 [3] thu t số, Nguy n Thu V n, NXB KHKT, 2004 [4] thu t điện tử số, Đặng Văn Chuyết, NXB Giáo dục [5] C sở k thu t điện tử số, Vũ Đức Thọ, NXB Giáo dục [6] Mạch số - Nguy n H u Phư ng NXB khoa học k thu t 2004 136 ... 4-06: Bộ nhớ Bài MĐ 4-07: thu t ADC – DAC Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho nghề Công nghệ k thu t Điện – Điện tử, Điện tử d n dụng, Điện công nghiệp Mặc dù đ cố gắng t chức biên soạn... THIỆU thu t số nh ng mô đun c sở nghề Điện tử cơng nghiệp biên soạn dựa theo chư ng trình khung đ y dựng ban hành năm 20 trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp trước đ y dành cho nghề Điện tử công nghiệp. .. Tổng số m thuyết thảo luận, tra tập Bài 1: Đại cương kỹ thuật số 12 10 T ng quan mạch tư ng tự mạch số Hệ thống số m số Thời gian:2 Các c ng logic c Thời gian:2 Biểu thức logic mạch điện 5.Đại số