Giáo trình Kỹ thuật số (Nghề Công nghệ kỹ thuật ĐiệnĐiện tử CĐTC)

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: KỸ THUẬT SỐ NGÀNH, NGHỀ: CNKT ĐI N ĐI N T TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG/TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số: /QĐ-CĐNĐT ngày… tháng…năm 2018 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp) Đồng Tháp, năm 2018 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 Kỹ thuật s nh ng mô đun c sở c a nghề Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử biên soạn d a theo chư ng trình khung đ x y d ng ban hành n m 2017 c a trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp trước đ y dành cho nghề Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập giảng dạy nên giáo trình đ x y d ng mức độ đ n giản dễ hiểu m i học có thí dụ tập tư ng ứng để áp dụng làm sáng t ph n l thuyết Khi biên soạn nhóm biên soạn đ d a kinh nghiệm th c tế giảng dạy tham khảo đồng nghiệp tham khảo giáo trình có cập nhật 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 th c tế Mặc dù đ c gắng t chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo khơng tránh nh ng thiếu sót Rất mong nhận s đóng góp kiến c a th y bạn đọc để nhóm biên soạn điều ch nh hoàn thiện h n Đồng Tháp, ngày tháng n m 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên: Lâm Văn Vũ Trần Thế Thông MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THI U MỤC LỤC BÀI 01: ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ 1.T ng quan mạch tư ng t mạch s Hệ th ng s mã s Các c ng Logic c 12 Biểu thức Logic mạch điện 17 Đại s Boole định lý Demorgan 22 Đ n giản biểu thức logic 22 Giới thiệu s IC s c bản: 27 BÀI 02: FLIP –FLOP 32 Flip - Flop R-S: 32 FF R-S tác động theo xung lệnh 33 Flip - Flop J-K 35 Flip - Flop T 35 Flip - Flop D 36 Flip - Flop M-S ( Master – Slaver): 36 Flip - Flop với ngõ vào Preset Clear 37 Tính tốn, lắp ráp s mạch ứng dụng c 38 BÀI 03: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 41 Mạch đếm 41 Thanh ghi 49 Giới thiệu s IC đếm ghi thông dụng 50 Tính tốn, lắp ráp s mạch ứng dụng c 52 BÀI 04: MẠCH LOGIC MSI 55 Mạch mã hóa (Encoder) 55 Mạch giải mã (Decoder) 59 Mạch ghép kênh 65 Mạch tách kênh 67 Giới thiệu s IC mã hóa giải mã thơng dụng 69 Tính tốn, lắp ráp s mạch ứng dụng c 72 BÀI 05: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS 75 Cấu trúc thông s c c a TTL 75 Cấu trúc thông s c c a CMOS 84 Giao tiếp TTL CMOS 92 Giao tiếp gi a mạch logic tải công suất 94 Tính tốn, lắp ráp s mạch ứng dụng c 96 BÀI 06: BỘ NHỚ 98 ROM 99 RAM 106 Mở rộng dung lượng nhớ 108 Giới thiệu IC 110 BÀI 07: KỸ THUẬT ADC – DAC 112 Mạch chuyển đ i s sang tư ng t (DAC) 112 Mạch chuyển đ i tư ng t sang s (ADC) 118 Giới thiệu IC 126 TÀI LI U THAM KHẢO 133 BÀI 01: ĐẠI CƢƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ Mã Bài: MH15- 01 Giới thiệu: Trong khoa học công nghệ hay s ng đời thường ta thường xuyên phải tiếp xúc với s lượng S lượng đo quản l ghi chép tính tốn nhằm giúp cho xử l ước đốn trở nên phức tạp h n Mục tiêu: -Trình bày khái niệm c mạch tư ng t mạch s - Trình bày cấu trúc c a hệ th ng s m s -Trình bày cấu tạo nguyên l hoạt động c a c ng logic c -Trình bày định luật c kỹ thuật s biểu thức toán học c a s - Ch động sáng tạo đảm bảo trình học tập Nội dung 1.Tổng quan mạch tƣơng tự mạch số 1.1 Định nghĩa -Tín hiệu Tín hiệu biến thiên c a biên độ thường điện áp hay dòng điện theo thời gian Đường biểu diễn c a tín hiệu dạng sóng - Tín hiệu tƣơng tự ( hình 4.1) Tín hiệu tư ng t tín hiệu có biên độ liên tục theo thời gian Trong th c tế đại lượng vật l vận t c nhiệt độ mơi trường tiếng nói…đều tín hiệu tư ng t Hình 4.1 Trong kỹ thuật điện tử mạch tư ng t mạch xử l tín hiệu tư ng t có dạng hình vẽ có nghĩa khoảng thời gian xác định mạch phải xử l n mức tín hiệu khác - Tín hiệu số ( hình 4.2 ) Tín hiệu s tín hiệu có biên độ gián đoạn theo thời gian Biên độ ch có hai mức hình vẽ mức (1) đại diện cho biên độ cao mức (0) đại diện cho biên độ thấp Hình 4.2 Mạch s ch xử l hai mức tín hiệu hoặc1 khoảng thời gian mà 1.2 Ƣu nhƣợc điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tƣơng tự Kỹ thuật s có nhiều ưu điểm so với kỹ thuật mạch tư ng t khiến cho kỹ thật s ngày ph biến g n h u hết lĩnh v c như: đo lường điều khiển tính tốn thơng tin…Tuy nhiên kỹ thuật mạch tư ng t có nh ng đặc tính riêng mà mạch s thay  Ưu điểm: Nhìn chung thiết bị s dễ thiết kế h n: Đó mạch sử dụng vi mạch chuyên dùng đ thiết kế với chức n ng định trước Khả n ng ch ng nhiễu s méo dạng cao: Do đặc thù c a hệ th ng ch xử lí hai mức tín hiệu và thời gian chuyển tiếp gi a chúng nhanh nên khả n ng ch ng nhiễu cao h n n a biên độ c a tín hiệu nhiễu khơng đ khả n ng làm thay đ i gi a hai mức tín hiệu từ sang ngược lại từ sang Trong thiết bị tư ng t độ xác bị giới hạn mạch phải xử lí tín hiệu liên tục theo thời gian h n n a linh kiện sử dụng không th c s tuyến tính Do biên độ c a tín hiệu nhiễu dễ dàng x m nhập vào hệ th ng làm tính n định c a hệ th ng Lưu tr truy cập dễ dàng nhanh chóng: Do tín hiệu s ch có hai mức nên việc lưu tr nh ng môi trường khác (bộ nhớ bán dẫn b ng từ…) truy cập thuận tiện Độ xác độ ph n giải cao: Trong việc đo đạc thời gian t n s điện v.v…kỹ thuật s cho độ xác độ ph n giải cao h n kỹ thuật tư ng t Có thể lập trình hoạt động c a hệ th ng kỹ thuật s : Hoạt động c a hệ th ng kỹ thuật điều khiển theo qui luật định trước tập lệnh gọi chư ng trình Cùng với việc đời c a vi xử lí vi điều khiển làm cho việc t động điều khiển hệ th ng trở nên dễ dàng h n  Nhược điểm H u hết đại lượng vật l điều mang chất c a tín hiệu tư ng t Chính nh ng đại lượng thường đ u vào đ u c a hệ th ng điều khiển Ví dụ đại lượng nhiệt độ áp suất lưu lượng vận t c…Ph n tích đại lượng theo thời gian đại lượng tư ng t Trong kỹ thuật người ta thường phải th c biến đ i từ tín hiệu tư ng t sang tín hiệu s 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 c a kỹ thuật s nên việc chuyển đ i qua lại gi a kỹ thuật s kỹ thuật tư ng t việc c n thiết trở nên ph biến công nghệ ngày Để tận dụng nh ng ưu điểm c a kỹ thuật s kỹ thuật tư ng t người ta sử dụng hai loại vào hệ th ng Ở nh ng hệ th ng kh u thiết kế c n định kh u dùng kỹ thuật tư ng t kh u dùng kỹ thuật s Hệ thống số mã số 2.1 Hệ thống số thập phân (Decimal system) Trong hệ thập ph n người ta sử dụng 10 k t từ đến kết hợp với dấu chấm dấu phẩy để ch lượng: Trong d y s thập ph n: dn-1…d2d1d0 theo qui ước từ phải qua trái vị trí c a chúng thể hàng đ n vị hàng chục hàng tr m hàng nghìn với ph n nguyên ngược lại từ trái qua phải ph n chục ph n tr m ph n nghìn đ i với ph n lẻ sau dấu phẩy Nói tóm lại s t ng tích gi a giá trị c a m i ch s với giá trị (gọi trọng s ) c a Hình 4.3 Đ i với d y s thập ph n có n s hạng có 10n giá trị gi a hai giá trị liền kề chênh lệch 10 l n 2.2 Hệ thống số nhị phân (Binary system) -K t s :01 -C s :2 Để biểu diễn s nhị ph n người ta dùng hai kí s (digit) để diễn tả lượng c a đại lượng đó.Một d y s nhị ph n ch tính ph n nguyên biểu diễn sau: bn-1bn-2 .b2b1b0 Qui ước m i s hạng bit Bit tận bên trái gọi MSB (tức bit có giá trị lớn nhất) bit tận bên phải gọi LSB (tức bit có giá trị nh nhất) Như s nhị ph n có n bit có n giá trị khác Giá trị nh .000 giá trị lớn .111 Trọng s bit từ thấp đến cao l n lượt gi a hai bit kề chênh lệch l n  Chuyển đổi từ số nhị phân sang thập phân Quy tắc chuyển sau: bn-1bn-2 .b2b1b0 = bn-1.2n-1+bn-2.2n-2 b2.22+b1.21+b0.20  Chuyển đổi từ số thập phân sang nhị phân Quy tắc chuyển sau: Sử dụng qui tắc chia liên tiếp s A10 lấy ph n dư - Ph n dư đ u tiên c a phép chia bit LSB - Ph n dư cu i cùng c a phép chia bit MSB 2.3 Hệ thống số bát phân (Octal system) -K t s :01234567 -c s :8 Trong hệ th ng s bát ph n người ta dùng s từ đến để mô tả lượng c a đại lượng theo luật vị trí trọng s c a m (m= .-2,-1,0,1,2 .) Một d y s octal biểu diễn sau:0n-10n-2 .020100 Trong d y s bát ph n có n s hạng có 8n giá trị khác giá trị thấp .000 giá trị lớn .777 Trọng s bit từ thấp đến cao l n lượt 64 .và gi a hai s liền kề chênh lệch l n  Chuyển đổi từ bát phân sang thập phân Quy tắc chuyển sau: 0n-10n-2 .020100  Chuyển đ i s thập ph n sang biểu diễn s bát ph n Quy tắc chuyển sau: Để th c chuyển từ A10 sang A8 ta th c phép chia c a A10 cho A8 lấy ph n dư  Chuyển đổi số bát phân sang số nhị phân Để th c chuyển đ i ta thay k t s s nhị ph n bit tư ng ứng theo bảng sau: Bảng hình 4.1 2.4 Hệ thống số thập lục phân (Hexadecimal system) -K t s :0123456789ABCDEF - C s : 16 Hệ HEX sử dụng 16 kí t bao gồm 10 s t nhiên từ đến ch in hoa gồm A B C D E F để diễn tả 16 s thập ph n từ đến 15 L dùng hệ thập lục ph n s nhị ph n bit diễn tả = 16 giá trị khác nên thuận lợi cho hệ th ng s ch dùng k t mà tư ng ứng với s nhị ph n bit hệ thập lục ph n Một d y Hex biểu diễn sau: hn-1hn-2 .h2h1h0 Như d y s Hex có n s hạng có 16n giá trị khác giá trị nh .000 giá trị lớn F .FFF Trọng s bit l n lượt 16 256 trọng s c a hai s hạng kề chênh lệch 16 l n  Chuyển đổi số thập lục phân sang số thập phân Ví dụ: E16 = 2.161 + 14.160 = 4610 C , D16 = 0.163 + 1.162 + 2.161 + 12.160 + 13.16-1 =0 + 256 + 32 + 12 + 0,0625 = 300,06510 Ghi chú: s thập lục ph n bắt đ u ch viết phải thêm s vào trước ví dụ: EF → 0EF  Chuyễn đổi số thập phân sang số thập lục phân - Th c theo quy tắc lấy A10 chia cho A16 lấy ph n dư  Chuyển đổi thập lục phân sang biểu diễn số nhị phân - Th c theo quy tắc biểu diễn k s thập lục ph n nhóm t hợp bit nhị ph n Ví dụ: Với A16 = 4EFB suy A2 = 0100 1110 1111 1011 Với A16 = BCD2 suy A2 = 1011 1100 1101 0010 Bảng hình 4.2 mơ tả quan hệ hệ thập phân, thập lục phân nhị phân bit Thập ph n Thập lục ph n Nhị ph n 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 A 1010 11 B 1011 12 C 1100 13 D 1101 14 E 1110 15 F 1111 2.5 Mã BCD (Binary code decimal) Thông tin xử lí mạch s điều s nhị ph n nên thông tin d liệu dù s lượng ch dấu mệnh lệnh sau phải dạng nhị ph n mạch s hiểu xử lí Do phải qui định cách thức mà s nhị ph n dùng để biểu diễn d liệu khác từ xuất m s Trước tiên m thập ph n thông dụng m BCD (Binary code decimal: m c a s thập ph n m hóa theo s nhị ph n) Vì k s thập ph n lớn nên ta c n bit để m hóa m i kí s thập ph n M i s thập ph n đ i sang s nhị ph n tư ng đư ng ln ln dùng bít cho s thập ph n M BCD biểu diễn m i s thập ph n s nhị ph n bit ta nhận thấy ch có s từ 0000 đến 1001 sử dụng nhóm s nhị ph n bit khơng dùng làm m BCD  Ƣu điểm: Chính c a m BCD dễ dàng chuyển đ i từ m thập ph n sang nhị ph n ngược lại cách ch c n nhớ nhóm m bit ứng với kí s thập ph n từ đến - So sánh mã BCD mã nhị phân Ta c n phải hiểu m BCD hệ th ng s hệ th ng s thập ph n nhị ph n bát ph n thập lục ph n Mà thật BCD hệ thập ph n với kí s m hóa thành giá trị nhị ph n tư ng ứng phải hiểu m BCD m nhị ph n quy ước M nhị ph n quy ước biểu diễn s thập ph n hồn ch nh dạng nhị ph n cịn m BCD ch chuyển đ i k s thập ph n sang s nhị ph n tư ng ứng 2.6 Mã ASCII Ngồi d liệu dạng s máy tính cịn có khả n ng thao tác thơng tin khác s m biểu thị mẫu t abc dấu chấm c u nh ng k t đặc biệt k t s Nh ng m gọi chung m ch s Bộ m ch s hoàn ch nh bao gồm 26 ch thường 26 ch hoa 10 k t s dấu chấm c u chừng độ 20 đến 40 k t khác Ta nói m ch s biểu diễn k t ch s có bàn phím máy tính M ch s sử dụng rộng r i m ASCII( American Standard Code Information Interchange) M ASCII m có bit nên có 27= 128 nhóm m đ để biểu thị tất k t bàn phím máy tính Ngồi d liệu dạng s máy tính cịn có khả n ng thao tác thông tin khác s m biểu thị mẫu t abc dấu chấm c u nh ng k t đặc biệt k t s Nh ng m gọi chung m ch s Bộ m ch s hoàn ch nh bao gồm 26 ch thường 26 ch hoa 10 k t s dấu chấm c u chừng độ 20 đến 40 k t khác Ta nói m ch s biểu diễn k t ch s có bàn phím máy tính Các phép tính hệ thống số  Cộng trừ hai số nhị phân  Cộng hai s nhị ph n 10 Tiến trình có nhiều thay d i đ i với s loại ADC khác ch yếu s khác cách thức điều khiển sửa đ i s nhị ph n ghi 2.1.2 Các tiêu kỹ thuật chủ yếu ADC - Độ ph n giải Độ ph n gải c a ADC biểu thị s bit c a tín hiệu s đ u S lượng bit nhiều sai s lượng tử nh độ xác cao - Dải động điện trở đ u vào Mức logic c a tín hiệu s đ u khả n ng chịu tải (n i vào đ u vào) - Độ xác tư ng đ i Nếu l tưởng hóa tất điểm chuyển đ i phải nằm đường thẳng Độ xác tư ng đ i sai s c a điểm chuyển đ i th c tế so với đặc tuyến chuyển đ i l tưởng Ngồi cịn u c u ADC khơng bị bit tồn phạm vi công tác - T c độ chuyển đ i T c độ chuyển đ i xác định thời gian thời gian c n thiết hoàn thành l n chuyển đ i A/D Thời gian tính từ xuất tín hiệu điều khiển chuyển đ i đến tín hiệu s đ u đ n định - Hệ s nhiệt độ Hệ s nhiệt độ biến thiên tư ng đ i tín hiệu s đ u nhiệt độ biến đ i 10C phạm vi nhiệt độ công tác cho ph ép với điều kiện mức tư ng t đ u vào không đ i - T s phụ thuộc công suất Giả sử điện áp tư ng t đ u vào không đ i nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu s đ u lớn t s phụ thuộc nguồn lớn - Công suất tiêu hao 2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ Quá trình chuyển đ i A/D nhìn chung th c qua bước c là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lượng tử hóa m hóa Các bước ln ln kết hợp với trình th ng 2.2.1 Định lý lấy mẫu Đ i với tín hiệu tư ng t VI tín hiệu lấy mẫu VS sau q trình lấy mẫu khơi phục trở lại VI cách trung th c điều kiện sau đ y th a mản: f s  f max (10.9) Trong đó: - fS : t n s lấy mẫu - fmax : giới hạn c a giải t n s tư ng t Hình 10.8: Biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tư ng t 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 s 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 t đ u vào th c chuyển đ i A/D th c tế giá trị VI đại diện giá trị kết c a m i l n lấy mẫu 119 Hình 10.8: Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào 2.2.2 Lượng tử hóa mã hóa Tín hiệu s khơng nh ng rời rạc thời gian mà cịn khơng liên tục biến đ i giá trị Một giá trị c a tín hiệu s phải biểu thị bội s nguyên l n giá trị đ n vị giá trị nh chọn Nghĩa dùng tín hiệu s biểu thị điện áp lấy mẫu phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội s nguyên l n giá trị đ n vị Q trình gọi lượng tử hóa Đ n vị chọn theo qui định gọi đ n vị lượng tử kí hiệu D Như giá trị bit c a LSB tín hiệu s D Việc dùng m nhị ph n biểu thị giá trị tín hiệu s mã hóa M nhị ph n có sau q trình tín hiệu đ u c a chuyên đ i A/D 2.2.3 Mạch lấy mẫu nhớ mẫu Khi n i tr c tiếp điện tư ng t với đ u vào c a ADC tiến trình biến đ i bị tác động ngược điện tư ng t thay đ i tiến trình biến đ i Ta cải thiện tính n định c a tiến trình chuyển đ i cách sử dụng mạch lấy mẫu nhớ mẫu để ghi nhớ điện tư ng t không đ i chu kỳ chuyển đ i diễn Hình 7.9 s đồ c a mạch lấy mẫu nhớ mẫu Hình 10.9: Mạnh lấy mẫu nhớ mẫu Khi đ u vào điều khiển = lúc chuyển mạch đóng mạch chế độ lấy mẫu Khi đ u vào điều khiển = lúc chuyển mạch hở mạch chế độ gi mẫu Chuyển mạch đóng thời gian đ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dịng điện c a tín hiệu tư ng t Ví dụ chuyển mạch đóng thời điểm t0 đ u A 120 nạp nhanh tụ Ch lên đến điện tư ng t V0 chuyển mạch mở tụ Ch trì điện để đ u c a A2 cung cấp mức điện cho ADC Bộ khuếch đại đệm A2 đặt trở kháng cao đ u vào nhằm không xả điện tụ cách đáng kể thời gian chuyển đ i c a ADC ADC ch yếu nhận đ c điện DC vào tức V0 Trong th c tế người ta sử dụng vi mạch LF198 (hình 10.10) mạch S/H tích hợp có thời gian thu nhận d liệu tiêu biểu 4ms ứng với Ch = 1000pF 20ms ứng với Ch = 0.01mF Tín hiệu máy tính sau mở chuyển mạch phép C h trì giá trị c a cung cấp mức điện tư ng t tư ng đ i 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 c a lớp ADC hình 10.7 sử dụng đếm nhị ph n làm ghi cho phép xung nhịp đẩy đếm t ng m i bước VAX > VA Đ y gọi ADC sóng dạng bậc thang dạng sóng VAX có bậc lên Người ta cịn gọi ADC loại đếm S đồ biểu diễn ADC dạng sóng bậc thang Hình 10.11: DAC dạng sóng bậc thang Các thành ph n c a DAC dạng sóng bậc thang hình 10.11 gồm: đếm DAC so sánh tư ng t c ng NAND ngõ vào điều khiển Đ u c a 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 121 Giả sử VA tức mức điện c n chuyển đ i dư ng tiến trình hoạt động diển sau: - Xung Khởi Động đưa vào để Reset đếm Mức cao c a xung Khởi Động cấm không cho xung nhịp qua c ng AND vào đếm - Nếu đ u c a DAC tồn bit đ u c a DAC VAX = 0V Vì VA>VAX nên đ u so sánh EOC lên mức cao - Khi xung Khởi Động thấp c ng AND cho phép xung nhịp qua c ng vào đếm - Khi giá trị đếm t ng lên đ u DAC VAX t ng m i l n m i bậc minh họa hình 10.11 - Tiến trình tiếp tục VAX lên đến bậc vượt VA khoảng VT Tại thời điểm ngõ c a so sánh EOC thấp cấm không cho xung nhịp vào đếm nên đếm ngừng đếm Tiến trình chuyển đ i hồn tất tín hiệu EOC chuyển từ trạng thái cao xu ng thấp nội dung c a đếm biểu thị dạng s c a điện áp tư ng t vào VA Bộ đếm trì giá trị s xung Khởi 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 bậc thang có nhiều yếu t ảnh hưởng đến sai s c a trình chuyển đ i như: kích cở bậc thang tức độ ph n giải c a DAC cài đ n vị nh Nếu giảm kích cở bậc thang ta hạn chế bớt sai s ln có khoảng cách chênh lệch gi a đại lượng thức tế và giá trị gán cho Đ y gọi sai s lượng tử Cũng DAC độ xác khơng ảnh hưởng đến độ ph n giải lại tùy thuộc vào độ xác c a linh kiện mạch như: so sánh điện trở xác chuyển mạch dòng c a DAC nguồn điện quy chiếu …Mức sai s = 0.01% giá trị c c đại (đ y thang) cho biết kết từ ADC sai biệt khoảng linh kiện khơng l tưởng Ví dụ Giả sử ADC dạng sóng bậc thang hình 11 có thơng s sau đ y: t n s xung nhịp = 1Mz; VT = 0.1mV; DAC có đ u c c đại = 10.23V đ u vào 10 bit Hãy xác định: a Giá trị s tư ng đư ng cho VA = 3.728V b Thời gian chuyển đ i c Độ ph n giải c a chuyển đ i Bài giải: a DAC có đ u vào 10 bit đ u c c đại = 10.23V nên ta tính t ng s bậc thang có là: 210 – = 1023 Suy kích cở bậc thang là: 10.23V  10mV 1023 D a thông s ta thấy VAX t ng theo bậc 10mV 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 phải có s bậc: 3.728  372,8  373 bậc 10 122 cu i tiến trình chuyển đ i đếm trì s nhị ph n tư ng đư ng 37310 tức 0101110101 Đ y giá trị s tư ng đư ng c a VA = 3.728V ADC tạo nên b Mu n hồn tất q trình chuyển đ i địi h i dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc có nghĩa 373 xung nhịp áp với t c độ xung 1ms t ng thời gian chuyển đ i 373ms c Độ ph n giải c a ADC với kích thước bậc thang c a DAC tức 10mV Nếu tính theo t lệ ph n tr m là: x100%  0.1% 1023 2.3.4 Thời gian chuyển đổi Thời gian chuyển đ i khoảng thời gian gi a điểm cu i c a xung khởi động đến thời điểm kích hoạt đ u c a EOC Bộ đếm bắt đ u đếm từ lên VAX vượt VA thời điểm EOC xu ng mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đ i Như giá trị c a thời gian chuyển đ i tC phụ thuộc vào VA Thời gian chuyển đ i c c đại xảy VA nằm bậc thang cao Sao cho VAX phải tiến lên bậc cu i để kích hoạt EOC - Với chuyển đ i N bit ta có: - tC(max) = (2N – 1) chu kỳ xung nhịp ADC hình 10.11 có thời gian chuyển đ i c c đại - tC(max) = (210 – 1)x1ms = 1023ms Đôi thời gian chuyển đ i trung bình quy định ½ thời gian chuyển đ i c c đại Với chuyển đ i dạng sóng bậc thang ta có: tc (avg )  tc (max)  N 1 chu kỳ xung nhịp ( 10.11) Nhược điểm c a ADC dạng sóng bậc thang thời gian chuyển đ i t ng gấp đôi với bit thêm vào đếm Do ADC loại khơng thích hợp với nh ng ứng dụng đòi h i phải liên tục chuyển đ i tín hiệu tư ng t thay đ i nhanh thành tín hiệu s Tuy nhiên với ứng dụng t c độ chậm chất tư ng đ i đ n giản c a ADC dạng s ng bậc 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 Approximation Convetr SAC) nh ng loại ADC thơng dụng SAC có s đồ phức tạp h n nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang Ngồi SAC cịn có giá trị tC c định không phụ thuộc vào giá trị c a đ u vào tư ng t 123 Hình 10.12: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ Hình 10.12 cấu hình c c a SAC tư ng t cấu hình c a ADC dạng sóng bậc thang Tuy nhiên SAC khơng 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 s tư ng đư ng với đ u vào tư ng t VA phạm vi độ ph n giải c a chuyển đ i Ví dụ SAC bit có độ ph n giải 20mV Với đ u vào tư ng t 2.17V h y tính đ u s tư ng ứng Giải S bậc c a SAC: 2.17  108.5 20mV Như bậc thứ 108 có VAX = 16V bậc 109 có VAX = 2.18V SAC ln sinh đ u VAX cu i bậc thang bên VA Do trường hợp VA = 2.17 đ u s 10810 = 011011002 Thời gian chuyển đ i Logic điều khiển đếm bit ghi gán cho định có c n trì chúng mức hay không chuyển sang bit Thời gian xử l m i bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp nghĩa t ng thời gian chuyển đ i c a SAC N bit N chu kỳ xung nhịp Ta có: tC cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp Thời gian chuyển đ i bất chấp giá trị c a VA Điều đo logic điều khiển phải xử l m i bit dể xem có c n đến mức hay khơng Ví dụ So sánh thời gian chuyển đ i c a ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang SAC 10 bit Giả thiết hai áp dụng t n s xung nhịp 500kHz Giải - Với ADC dạng sóng bậc thang thời gian c c đại là: (2N – 1) x (1 chu kỳ xung nhịp) = 1023 x 2ms = 2046ms - Với SAC thời gian chuyển đ i 10 chu kỳ xung nhịp tức 10 x 2ms = 20ms Vậy với SAC thời gian chuyển đ i nhanh gấp 100 l n ADC dạng sóng bậc thang 124 2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song Xét biến đ i bit th c theo phư ng pháp song song hình 10.13 Với bít biểu diễn 23=8 s khác kể s (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 xác lập trạng thái “1” so sánh từ thứ đến thứ xác lập trạng thái “0” Các mạch logic c n thiết để diễn đạt trạng thái thành s Theo bảng trạng thái bên cho quan hệ gi a trạng thái c a so sánh với s nhị ph n tư ng ứng Nếu điện áp vào bị thay đ i nhận kết sai m hố ưu tiên khơng thể đấu tr c tiếp đến l i c a so sánh Ta h y xét đến chẳng hạn việc chuyển từ s sang s (do m nhị ph n từ 011 đến 100) Nếu bit già thời gian trễ giảm mà thay đ i trạng thái c a sớm h n bít khác xuất s 111 tức s Trị s sai tư ng ứng với nửa dải đo Bởi kết biến đ i A/D đ biết ghi vào nhớ tồn xác xuất định để nhận trị s hồn tồn sai Có thể giải vấn đề cách chẳng hạn dùng nhớ - trích mẫu để ng n s biến động điện áp vào thời gian đo Tuy nhiên phư ng pháp đ hạn chế t n s cho phép c a điện áp vào c n phải có thời gian xác lập cho mạch nhớ - trích mẫu Ngồi khơng thể loại b hồn tồn xác xuất thay đ i trạng thái c a 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 125 Nhược điểm khắc phục cách sau m i so sánh ta dùng trig với tư cách nhớ đệm lật theo sườn để nhớ trị analog Trig tác dụng c a tín hiệu nhịp khởi động cho trig tiếp sau Ở trường hợp bảo đảm gi nguyên trạng thái dừng l i m hoá ưu tiên tác động sườn xung để khởi động trig Như đ thấy rõ bảng so sánh xác lập trạng thái “1” theo trình t từ lên Trình t khơng đảm bảo sườn xung d ng đứng Bởi có s khác thời gian trễ c a so sánh nên chuyển sang trình khác Trong tình hu ng xác định trạng thái độ ghi vào trig sườn xung 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 “1” S biến đ i trạng thái biến đ i A/D song song tuỳ thuộc vào điện áp l i vào theo bảng sau S thập ph n Điện áp vào Trạng thái c a so sánh S nhị ph n tư ng ứng Ue/ULSB K K K K K K K Z2 Z1 Z0 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 trễ c a so sánh cịn điểm bắt đ u c a xác định sườn xung khởi động S khác thời gian trễ đ g y độ bất định thời gian(khe) c a mẫu Để giảm nh trị s c a đến mức đ tính tốn mục trước t t sử dụng so sánh có khả n ng giảm nh thời gian trễ 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 n ng chuyển đ i từ s sacng tư ng t 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 s sang tư ng t AD7524 chuyển đ i D/A bit dùng mạng R/2R ladder Có s đồ bên hình 10.14 126 Hình 10.14: Sơ đồ bên IC AD7524 AD7524 có đ u vào bit bị ch t s điều khiển c a 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 dòng tư ng t OUT1 OUT2 (thường OUT2 n i đất) Nếu hai đ u vào điều khiển lên cao lúc d liệu vào bị ch t lại đ u tư ng t trì mức ứng với d liệu s bị ch t Nh ng thay đ i đ u vào không tác động đến ngõ tư ng t OUT1 trạng thái ch t Các thông s c a IC liệt kê bảng sau: Bảng thông s c a 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 xung 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 s (Digital input) Đ u tư ng t (Xem ý 1) (Analog output) MSB LSB 127 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 s (Digital input) Đ u tư ng t (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 c a IC AD7524 thường dùng giao tiếp với vi xử l vi điều khiển để chuyển đ i tín hiệu s sang tư ng t nhằm điều khiển đ i tượng c n điều khiển Sau đ y s ứng dụng c a 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 128 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 R/2R ladder Có thể giao tiếp tr c tiếp với vi xử l để mở rộng hoạt động chuyển đ i D/A S đồ ch n cấu trúc bên c a DAC0830 hình 10.16 Hình 10.16: Cấu trúc bên ICDAC0804 Hoạt động c a ch n 129 - ( 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 ch t ngõ vào hoạt động mức cao ITL kết hợp với ( CS ) phép viết - WR1 (WRITE) hoạt động mức thấp Được sử dụng để nạp bit d liệu ngõ vào ch t D liệu ch t WR1 mức cao Để ch t d liệu vào ( CS ) WR1 phải mức thấp ITL phải mức cao - WR1 (WRITE) tác động mức thấp Ch n kết hợp với ch n WR1 cho phép d liệu ch t ngõ vào mạch ch t truyền tới nghi DAC IC - WR1 (TRANSFER CONTROL SIGNAL) tác động mức thấp Cho phép WR1 viết - DI0 – DI7 ngõ vào s DI0 LSB cịn DI7 MSB - I01 ngõ dịng DAC1 Có trị s c c đại tất bit vào tất bit vào - I02 ngõ dòng DAC2 Nếu I01 t ng từ c c đại I02 giảm từ c c đại để cho I01 + I02 = s - 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 -10 đến +10V - VCC điện áp nguồn cấp cho IC hoạt động từ đến 15V - GND (mass) chung cho I01 I02 Sau đ y s ứng dụng c a DAC0830 chuyển đ i từ s sang tư ng t + Điều khiển volume s hình 10.17 Hình 10.17: Ứng dụng DAC0830 để điều khiển Volume + Điều khiển máy phát sóng s hình 10.18 130 Hình 10.18: Ứng dụng DAC 0830 để điều khiển máy phát sóng + Bộ Điều khiển dịng s hình 10.19 131 Hình 10.19: Bộ điều khiển dịng số Cơng thức tính dòng ra: 1 D   R2  I OUT  VREF    1   R 256 R R3   FB   + DAC8030 điều khiển dịng thay đ i theo d liệu s vào Dòng thay đ i từ 4mA (khi D = 0) đến 19.9mA (khi D = 255) + Mạch điện sử dụng cho mức điện áp vào khác từ 16V 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 s gi a mạch chuyển đ i s - tư ng t mạch tư ng t - s hiểu chức n ng c a họ c a IC + Về kỹ n ng: sử dụng thành thạo dụng cụ đo để đo ch n tín hiệu điện áp ngõ vào – c a IC lắp ráp s mạch c + N ng l c t ch trách nhiệm: Đảm bảo an toàn vệ sinh công nghiệp Phư ng pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết trắc nghiệm + Về kỹ n ng: Đánh giá kỹ n ng th c hành đo thông s mạch điện theo yêu c u c a lắp ráp s mạch c + N ng l c t ch trách nhiệm: T m cẩn thận xác ng n nắp cơng việc 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạch điện tử (tập – 2), Nguyễn Tấn Phước NXB TP HCM, 2005 [2] Kỹ thuật xung c n ng cao Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2002 [3] Kỹ thuật s Nguyễn Thu V n NXB KHKT, 2004 [4] Kỹ thuật điện tử s Đặng V n Chuyết NXB Giáo dục [5] C sở kỹ thuật điện tử s Vũ Đức Thọ NXB Giáo dục [6] Mạch s Nguyễn H u Phư ng NXB khoa học kỹ thuật 2004 133 ... lướt ưu điểm c a kỹ thuật s nên việc chuyển đ i qua lại gi a kỹ thuật s kỹ thuật tư ng t việc c n thiết trở nên ph biến công nghệ ngày Để tận dụng nh ng ưu điểm c a kỹ thuật s kỹ thuật tư ng t người... hoặc1 khoảng thời gian mà 1.2 Ƣu nhƣợc điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tƣơng tự Kỹ thuật s có nhiều ưu điểm so với kỹ thuật mạch tư ng t khiến cho kỹ thật s ngày ph biến g n h u hết lĩnh v c... thời gian t n s điện v.v? ?kỹ thuật s cho độ xác độ ph n giải cao h n kỹ thuật tư ng t Có thể lập trình hoạt động c a hệ th ng kỹ thuật s : Hoạt động c a hệ th ng kỹ thuật điều khiển theo qui