Giáo trình Kỹ thuật số (Nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí Cao đẳng)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT SỐ NGÀNH, NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định Số: 257/QĐ-TCĐNĐT ngày 13 tháng 07 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 nguyên 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 số mô đun sở của nghề Điện tử cơng nghiệp biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng ban hành năm 2017 của trường Cao đẳng nghề Đồng Tháp trước dành cho nghề Điện tử công nghiệp hệ Cao đẳng Trung cấp Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 90 giờ gồm có: Bài MĐ34-01: Đại cương kỹ thuật số Bài MĐ34-02: FLIP – FLOP Bài MĐ34-03: Mạch đếm ghi Bài MĐ34-04: Mạch logic MSI Bài MĐ34-05: Họ vi mạch TTL – CMOS Bài MĐ34-06: Bộ nhớ Bài MĐ34-07: Kỹ thuật ADC – DAC Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho nghề Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử, Điện tử dân dụng, Điện công nghiệp, Kỹ thuật máy lạnh & Điều hịa khơng khs Mặc dù đã cớ gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo khơng tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến của thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hoàn thiện Tham gia biên soạn Chủ biên: Lâm Văn Vũ MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI 01: ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ 1.Tổng quan mạch tương tự mạch số Hệ thống số mã số Các cổng Logic 13 Biểu thức Logic mạch điện 18 Đại số Boole định lý Demorgan 23 Đơn giản biểu thức logic 23 Giới thiệu số IC số bản: 28 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 sớ mạch ứng dụng 38 BÀI 03: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 43 Mạch đếm 43 Thanh ghi 51 Giới thiệu số IC đếm ghi thông dụng 52 Tính tốn, lắp ráp sớ mạch ứng dụng 54 BÀI 04: MẠCH LOGIC MSI 68 Mạch mã hóa (Encoder) 68 Mạch giải mã (Decoder) 72 Mạch ghép kênh 78 Mạch tách kênh 80 Giới thiệu số IC mã hóa giải mã thơng dụng 82 Tính tốn, lắp ráp sớ mạch ứng dụng 85 BÀI 05: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS 96 Cấu trúc thông số của TTL 96 Cấu trúc thông số của CMOS 105 Giao tiếp TTL CMOS 113 Giao tiếp mạch logic tải công suất 115 Tính tốn, lắp ráp sớ mạch ứng dụng 117 BÀI 06: BỘ NHỚ 119 ROM 120 RAM 127 Mở rộng dung lượng nhớ 129 Giới thiệu IC 131 BÀI 07: KỸ THUẬT ADC – DAC 133 Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 133 Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 139 Giới thiệu IC 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO 157 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mơ đun: MƠ ĐUN KỸ THUẬT SỐ Mã mơ đun: MĐ 34 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun:: -Vị trí: Mơ đun bớ trí dạy sau học xong mơn linh kiện diện tử, đo lường điện – điện tử, điện tử tương tự, mạch điện tử bản… -Tính chất của mơ đun: Là mơ đun kỹ thuật sở -Ý nghĩa: Kỹ thuật số môn học sở của ngành Ðiện – Ðiện tử có vị trí quan trọng tồn chương trình học của sinh viên học sinh, nhằm cung cấp kiến thức liên quan đến phương pháp đổi số, cổng logic, mạch số Công nghệ kỹ tḥt sớ đã đóng vai trị quang trọng cách mạng khoa học kỹ thuật công nghệ Ngày nay, công nghệ số ứng dụng rộng rãi có mặt hầu hết thiết bị dân dụng đến thiết bị công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực thông tin liên lạc, phát thanh, kỹ thuật số đã thay dần kỹ thuật tương tự Mục tiêu Mô đun: Sau học xong mô đun học viên có lực -Về kiến thức: + Phát biểu khái niệm kỹ thuật số, cổng logic Kí hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng thật của cổng lơgic + Trình bày cấu tao, nguyên lý mạch số thông dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đổi, mạch ghi dịch, mạch điều khiển - Về kỹ năng: + Lắp ráp, kiểm tra mạch số panel thực tế - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập thực công việc Nội dung mô đun: BÀI 01: ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ Mã Bài: MĐ34- 01 Giới thiệu: Trong khoa học, công nghệ hay sống đời thường, ta thường xuyên phải tiếp xúc với sớ lượng Sớ lượng đo, quản lý, ghi chép, tính tốn nhằm giúp cho xử lý, ước đốn trở nên phức tạp Mục tiêu: -Trình bày khái niệm mạch tương tự mạch sớ - Trình bày cấu trúc của hệ thớng sớ mã sớ -Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cổng logic -Trình bày định luật kỹ tḥt sớ, biểu thức tốn học của số - Chủ động, sáng tạo đảm bảo trình học tập Nội dung 1.Tổng quan mạch tương tự mạch số 1.1 Định nghĩa -Tín hiệu Tín hiệu biến thiên của biên độ, thường điện áp hay dòng điện theo thời gian Đường biểu diễn của tín hiệu dạng sóng - Tín hiệu tương tự ( hình 4.1) Tín hiệu tương tự tín hiệu có biên độ liên tục theo thời gian Trong thực tế đại lượng vật lý vận tớc, nhiệt độ mơi trường, tiếng nói…đều tín hiệu tương tự Hình 4.1 Trong kỹ thuật điện tử mạch tương tự mạch xử lý tín hiệu tương tự có dạng hình vẽ có nghĩa khoảng thời gian xác định mạch phải xử lý n mức tín hiệu khác - Tín hiệu số ( hình 4.2 ) Tín hiệu sớ tín hiệu có biên độ gián đoạn theo thời gian Biên độ 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 sớ xử lý hai mức tín hiệu hoặc1 khoảng thời gian mà 1.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự Kỹ tḥt sớ có nhiều ưu điểm so với kỹ thuật mạch tương tự khiến cho kỹ thật số ngày phổ biến gần hầu hết lĩnh vực như: đo lường, điều khiển tính tốn, thơng tin…Tuy nhiên kỹ tḥt mạch tương tự có đặc tính riêng mà mạch sớ khơng thể thay ❖ Ưu điểm: Nhìn chung thiết bị sớ dễ thiết kế hơn: Đó mạch sử dụng vi mạch chuyên dùng đã thiết kế với chức định trước Khả chống nhiễu méo dạng cao: Do đặc thù của hệ thống xử lí hai mức tín hiệu và thời gian chuyển tiếp chúng nhanh nên khả chống nhiễu cao, biên độ của tín hiệu nhiễu khơng đủ khả làm thay đổi hai mức tín hiệu từ sang ngược lại từ sang Trong thiết bị tương tự độ xác bị giới hạn mạch phải xử lí tín hiệu liên tục theo thời gian, linh kiện sử dụng khơng thực tuyến tính Do biên độ của tín hiệu nhiễu dễ dàng xâm nhập vào hệ thớng làm tính ổn định của hệ thớng Lưu trữ truy cập dễ dàng, nhanh chóng: Do tín hiệu sớ có hai mức nên việc lưu trữ môi trường khác (bộ nhớ bán dẫn, băng từ…) truy cập thuận tiện Độ xác độ phân giải cao: Trong việc đo đạc thời gian, tần số , điện v.v…kỹ tḥt sớ cho độ xác độ phân giải cao kỹ tḥt tương tự Có thể lập trình hoạt động của hệ thống kỹ thuật số: Hoạt động của hệ thớng kỹ tḥt điều khiển theo qui luật định trước tập lệnh gọi chương trình Cùng với việc đời của vi xử lí vi điều khiển làm cho việc tự động điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng ❖ Nhược điểm Hầu hết đại lượng vật lý điều mang chất của tín hiệu tương tự Chính đại lượng thường đầu vào đầu của hệ thớng điều khiển Ví dụ đại lượng nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vận tớc…Phân tích đại lượng theo thời gian đại lượng tương tự Trong kỹ thuật người ta thường phải thực biến đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu sớ ngược lại Điều làm cho thiết bị thêm phức tạp giá thành cao Tuy nhiên bất lợi bị lấn lướt ưu điểm của kỹ thuật số nên việc chuyển đổi qua lại kỹ thuật số kỹ thuật tương tự việc cần thiết trở nên phổ biến công nghệ ngày Để tận dụng ưu điểm của kỹ thuật số kỹ thuật tương tự người ta sử dụng hai loại vào hệ thống Ở hệ thống khâu thiết kế cần định khâu dùng kỹ thuật tương tự khâu dùng kỹ thuật số Hệ thống số mã số 2.1 Hệ thống số thập phân (Decimal system) Trong hệ thập phân người ta sử dụng 10 ký tự từ đến kết hợp với dấu chấm, dấu phẩy để lượng: Trong dãy số thập phân: dn-1…d2d1d0 theo qui ước từ phải qua trái vị trí của chúng thể hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn với phần nguyên ngược lại từ trái qua phải phần chục, phần trăm, phần nghìn đới với phần lẻ sau dấu phẩy Nói tóm lại sớ tổng tích giá trị của chữ số với giá trị (gọi trọng sớ) của Hình 4.3 Đới với dãy sớ thập phân có n sớ hạng có 10n giá trị hai giá trị liền kề chênh lệch 10 lần 2.2 Hệ thống số nhị phân (Binary system) - Ký tự số : 0,1 - Cơ số: Để biểu diễn số nhị phân người ta dùng hai kí sớ (digit) để diễn tả lượng của đại lượng đó.Một dãy sớ nhị phân tính phần ngun biểu diễn sau: bn-1bn-2 .b2b1b0 Qui ước số 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 nhỏ nhất) Như vậy sớ nhị phân có n bit có 2n giá trị khác Giá trị nhỏ .000 giá trị lớn .111 Trọng số bit từ thấp đến cao lần lượt 1, 2, 4, hai bit kề chênh lệch lần ❖ 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 số A10 lấy phần dư - Phần dư đầu tiên của phép chia bit LSB - Phần dư cuối cùng của phép chia bit MSB 2.3 Hệ thống số bát phân (Octal system) - Ký tự số : 0,1,2,3,4,5,6,7 - số: Trong hệ thống số bát phân người ta dùng số từ đến để mô tả lượng của đại lượng theo luật vị trí trọng số của 8m (m= .-2,-1,0,1,2 .) Một dãy số octal biểu diễn sau:0n-10n-2 .020100 Trong dãy sớ bát phân có n sớ hạng có 8n giá trị khác nhau, giá trị thấp .000 giá trị lớn .777 Trọng số bit từ thấp đến cao lần lượt 1, 8, 64 .và hai số liền kề chênh lệch lần ❖ Chuyển đổi từ bát phân sang thập phân Quy tắc chuyển sau: 0n-10n-2 .020100 ❖ Chuyển đổi số thập phân sang biểu diễn số bát phân Quy tắc chuyển sau: Để thực chuyển từ A10 sang A8 ta thực phép chia của A10 cho A8 lấy phần dư ❖ Chuyển đổi số bát phân sang số nhị phân Để thực chuyển đổi ta thay ký tự số số nhị phân bit tương ứng theo bảng sau: Bảng hình 4.1 2.4 Hệ thống số thập lục phân (Hexadecimal system) - Ký tự số : 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F - Cơ số: 16 Hệ HEX sử dụng 16 kí tự bao gồm 10 sớ tự nhiên từ đến chữ in hoa gồm A, B, C, D, E, F để diễn tả 16 số thập phân từ đến 15 Lý dùng hệ thập lục phân sớ nhị phân bit diễn tả = 16 giá trị khác nên thuận lợi cho hệ thớng sớ dùng ký tự mà tương ứng với sớ nhị phân bit, hệ thập lục phân Một dãy Hex biểu diễn sau: hn-1hn-2 .h2h1h0 Như vậy dãy sớ Hex có n sớ hạng có 16n giá trị khác nhau, giá trị nhỏ .000 giá trị lớn F .FFF Trọng số bit lần lượt 1, 16, 256 trọng số của hai số hạng kề chênh lệch 16 lần ❖ 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: số thập lục phân bắt đầu chữ viết phải thêm sớ vào trước, ví dụ: EF → 0EF ❖ Chuyễn đổi số thập phân sang số thập lục phân - Thực theo quy tắc lấy A10 chia cho A16 lấy phần dư ❖ Chuyển đổi thập lục phân sang biểu diễn số nhị phân - Thực theo quy tắc biểu diễn ký số thập lục phân nhóm tổ hợp bit nhị phân Ví dụ: Với A16 = 4EFB suy A2 = 0100 1110 1111 1011 Với A16 = BCD2 suy A2 = 1011 1100 1101 0010 Bảng hình 4.2 mô tả quan hệ hệ thập phân, thập lục phân nhị phân bit Thập phân Thập lục phân Nhị phân 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 A 1010 10 Giả sử VA, tức mức điện cần chuyển đổi dương tiến trình hoạt động diển sau: - Xung Khởi Động đưa vào để Reset đếm Mức cao của xung Khởi Động cấm không cho xung nhịp qua cổng AND vào đếm - Nếu đầu của DAC tồn bit đầu của DAC VAX = 0V Vì VA>VAX nên đầu so sánh EOC lên mức cao - Khi xung Khởi Động thấp cổng AND cho phép xung nhịp qua cổng vào đếm - Khi giá trị đếm tăng lên đầu DAC VAX tăng lần bậc, minh họa hình 10.11 - Tiến trình tiếp tục VAX lên đến bậc vượt VA khoảng VT Tại thời điểm ngõ của so sánh EOC thấp cấm không cho xung nhịp vào đếm nên đếm ngừng đếm Tiến trình chuyển đổi hồn tất tín hiệu EOC chuyển từ trạng thái cao xuống thấp nội dung của đếm biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào VA Bộ đếm trì giá trị sớ xung Khởi Động vào bắt đầu tiến trình chuyển đổi 2.3.3 Độ phân giải độ xác ADC dạng sóng bậc thang Trong ADC dạng sóng bậc thang có nhiều yếu tớ ảnh hưởng đến sai sớ của q trình chuyển đổi như: kích cở bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài đơn vị nhỏ Nếu giảm kích cở bậc thang ta hạn chế bớt sai sớ ln có khoảng cách chênh lệch đại lượng thức tế và giá trị gán cho Đây gọi sai số lượng tử Cũng DAC, độ xác khơng ảnh hưởng đến độ phân giải lại tùy thuộc vào độ xác của linh kiện mạch như: so sánh, điện trở xác chuyển mạch dịng của DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang) cho biết kết từ ADC sai biệt khoảng thế, linh kiện khơng lý tưởng Ví dụ Giả sử ADC dạng sóng bậc thang hình 11 có thơng sớ sau đây: tần số xung nhịp = 1Mz; VT = 0.1mV; DAC có đầu cực đại = 10.23V đầu vào 10 bit Hãy xác định: a Giá trị số tương đương cho VA = 3.728V b Thời gian chuyển đổi c Độ phân giải của chuyển đổi Bài giải: a DAC có đầu vào 10 bit đầu cực đại = 10.23V nên ta tính tổng sớ bậc thang có là: 210 – = 1023 Suy kích cở bậc thang là: 10.23V = 10mV 1023 Dựa thông số ta thấy VAX tăng 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 vậy phải có sớ bậc: 3.728 = 372,8  373 bậc 10 143 ći tiến trình chuyển đổi, đếm trì sớ nhị phân tương đương 37310, tức 0101110101 Đây giá trị số tương đương của VA = 3.728V ADC tạo nên b Ḿn hồn tất q trình chuyển đổi địi hỏi dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc, có nghĩa 373 xung nhịp áp với tốc độ xung 1ms, tổng thời gian chuyển đổi 373ms c Độ phân giải của ADC với kích thước bậc thang của DAC tức 10mV Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm là: x100% = 0.1% 1023 2.3.4 Thời gian chuyển đổi Thời gian chuyển đổi khoảng thời gian điểm ći của xung khởi động đến thời điểm kích hoạt đầu của EOC Bộ đếm bắt đầu đếm từ lên VAX vượt VA, thời điểm EOC x́ng mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đổi Như vậy giá trị của thời gian chuyển đổi tC phụ thuộc vào VA Thời gian chuyển đổi cực đại xảy VA nằm bậc thang cao Sao cho VAX phải tiến lên bậc ći để kích hoạt EOC - Với chuyển đổi N bit, ta có: - tC(max) = (2N – 1) chu kỳ xung nhịp ADC hình 10.11 có thời gian chuyển đổi cực đại - tC(max) = (210 – 1)x1ms = 1023ms Đơi thời gian chuyển đổi trung bình quy định ½ thời gian chuyển đổi cực đại Với chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có: tc (avg ) = tc (max)  N −1 chu kỳ xung nhịp ( 10.11) Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với bit thêm vào đếm Do vậy ADC loại khơng thích hợp với ứng dụng địi hỏi phải liên tục chuyển đổi tín hiệu tương tự thay đổi nhanh thành tín hiệu sớ Tuy nhiên với ứng dụng tớc độ chậm chất tương đối đơn giản của ADC dạng sống bậc thang ưu điểm so với loại ADC khác 2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp Bộ chuyển đổi gần lấy liên tiếp ( Successive Approximation Convetr SAC) loại ADC thông dụng SAC có sơ đồ phức tạp nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang Ngồi SAC cịn có giá trị tC cớ định, khơng phụ thuộc vào giá trị của đầu vào tương tự 144 Hình 10.12: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ Hình 10.12 cấu hình của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng sóng bậc thang Tuy nhiên SAC không sử dụng đếm cung cấp đầu vào cho DAC mà thay vào ghi Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu ghi theo bit dử liệu ghi biến thành giá trị số tương đương với đầu vào tương tự VA phạm vi độ phân giải của chuyển đổi Ví dụ SAC bit có độ phân giải 20mV Với đầu vào tương tự 2.17V, hãy tính đầu sớ tương ứng Giải Số bậc của SAC: 2.17 = 108.5 20mV Như vậy bậc thứ 108 có VAX = 2,16V, bậc 109 có VAX = 2.18V SAC ln sinh đầu VAX cuối bậc thang bên VA Do vậy, trường hợp VA = 2.17, đầu số 10810 = 011011002 Thời gian chuyển đổi Logic điều khiển đếm bit ghi, gán cho nó, định có cần trì chúng mức hay không chuyển sang bit Thời gian xử lý bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, nghĩa tổng thời gian chuyển đổi của SAC N bit N chu kỳ xung nhịp Ta có: tC cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp Thời gian chuyển đổi bất chấp giá trị của VA Điều đo logic điều khiển phải xử lý bit dể xem có cần đến mức hay khơng Ví dụ So sánh thời gian chuyển đổi của ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang SAC 10 bit Giả thiết hai áp dụng tần sớ xung nhịp 500kHz Giải - Với ADC dạng sóng bậc thang, thời gian cực đại là: (2N – 1) x (1 chu kỳ xung nhịp) = 1023 x 2ms = 2046ms - Với SAC, thời gian chuyển đổi 10 chu kỳ xung nhịp tức 10 x 2ms = 20ms Vậy với SAC thời gian chuyển đổi nhanh gấp 100 lần ADC dạng sóng bậc thang 145 2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song Xét biến đổi bit thực theo phương pháp song song hình 10.13 Với bít biểu diễn 23=8 số khác nhau, kể số (khơng) Do cần có so sánh, điện áp chuẩn nấc tạo phân áp Nếu điện áp vào không vượt khỏi 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 cần thiết để diễn đạt trạng thái thành số Theo bảng trạng thái bên cho quan hệ trạng thái của so sánh với số nhị phân tương ứng Nếu điện áp vào bị thay đổi nhận kết sai mã hố ưu tiên khơng thể đấu trực tiếp đến lối của so sánh Ta hãy xét đến chẳng hạn việc chuyển từ số sang sớ (do đó, mã nhị phân từ 011 đến 100) Nếu bit già thời gian trễ giảm mà thay đổi trạng thái của sớm bít khác xuất số 111, tức số Trị số sai tương ứng với nửa dải đo Bởi kết biến đổi A/D, đã biết, ghi vào nhớ, vậy tồn xác xuất định để nhận trị sớ 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, phương pháp đã hạn chế tần sớ cho phép của điện áp vào, cần phải có thời gian xác lập cho mạch nhớ - trích mẫu Ngồi khơng thể loại bỏ hồn toàn xác xuất thay đổi trạng thái của 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 146 Nhược điểm khắc phục cách sau so sánh, ta dùng trigơ với tư cách nhớ đệm lật theo sườn để nhớ trị analog Trigơ này, tác dụng của tín hiệu nhịp khởi động cho trigơ tiếp sau Ở trường hợp bảo đảm giữ nguyên trạng thái dừng lối mã hoá ưu tiên tác động sườn xung để khởi động trigơ Như đã thấy rõ bảng 1, so sánh xác lập trạng thái “1” theo trình tự từ lên Trình tự không đảm bảo sườn xung dựng đứng Bởi có khác thời gian trễ của so sánh nên chuyển sang trình khác Trong tình h́ng xác định, trạng thái q độ ghi vào trigơ sườn xung khởi động trigơ sườn tín hiệu trùng Tuy nhiên, mã hoá ưu tiên đã cho phép tránh điều nhờ tính chất là: khơng ý đến bít trẻ “1” Sự biến đổi trạng thái biến đổi A/D song song tuỳ thuộc vào điện áp lối vào theo bảng sau Số thập phân Điện áp vào Trạng thái của so sánh Số nhị phân tương 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 cần phải nhỏ thời gian trễ của so sánh, điểm bắt đầu của xác định sườn xung khởi động Sự khác thời gian trễ đã gây độ bất định thời gian(khe) của mẫu Để giảm nhỏ trị sớ của đến mức đã tính tốn mục trước, tốt sử dụng so sánh có khả giảm nhỏ thời gian trễ Nhờ tầng làm việc song song nên phương pháp biến đổi A/D vừa mô tả nhanh Giới thiệu IC Hiện thị trường có nhiều loại IC có chức chuyển đổi từ sớ sacng tương tự Ở giới thiệu loại IC thông dụng, loại khác bạn đọc tham khảo Datasheet hay Internet 3.1 IC AD7524 IC AD7524 ( IC CMOS) IC chuyên dụng dùng để chuyển đổi từ số sang tương tự AD7524 chuyển đổi D/A bit, dùng mạng R/2R ladder Có sơ đồ bên hình 10.14 147 Hình 10.14: Sơ đồ bên IC AD7524 AD7524 có đầu vào bit, bị chớt điều khiển của đầu vào CHỌN CHIP ( CS ) đầu vào ghi ( WR ) hai đầu vào điều khiển mức thấp, đầu vào liệu D7 ÷ D0 sinh dịng tương tự OUT1 OUT2 (thường OUT2 nối đất) Nếu hai đầu vào điều khiển lên cao lúc liệu vào bị chốt lại đầu tương tự trì mức ứng với liệu sớ bị chớt Những thay đổi đầu vào không tác động đến ngõ tương tự OUT1 trạng thái chốt Các thông số của IC liệt kê bảng sau: Bảng thông số của IC DA7524 VDD = 5V VDD = 15V Đơn 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 đầu vào mức cao, VIH 2,4 13,5 V Điện áp đầu vào mức thấp, VIL 0,8 1,5 V 40 40 ns CS thời gian cài đặc, tSU(CS) 0 ns CS thời gian giữ, th(CS) Cài đặc thời gian liệu đầu 25 25 ns vào, tSU(CS) Giữ thời gian liệu đầu 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 tương ứng trình bày bảng sau: Bảng quan hệ ngõ vào ngõ Đầu vào số (Digital input) Đầu tương tự (Xem ý 1) (Analog output) MSB LSB 148 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 Đầu vào số (Digital input) Đầu tương 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 của IC AD7524 thường dùng giao tiếp với vi xử lý vi điều khiển để chuyển đổi tín hiệu sớ sang tương tự nhằm điều khiển đối tượng cần điều khiển Sau số ứng dụng của 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 149 Hình 10.15c: Giao tiếp AD7524 với Z-80A IC DAC0830 DAC 0830 IC thuộc họ CMOS Là chuyển đổi D/A bit dùng mạng R/2R ladder Có thể giao tiếp trực tiếp với vi xử lý để mở rộng hoạt động chuyển đổi D/A Sơ đồ chân cấu trúc bên của DAC0830 hình 10.16 Hình 10.16: Cấu trúc bên ICDAC0804 Hoạt động của chân 150 - ( CS )( CHIP SELECT) chân chọn hoạt động mức thấp Được kết hợp với chân ITL để viết liệu - ITL (INPUT LACTH ENABLE) chân cho phép chốt 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 liệu ngõ vào chốt Dữ liệu chốt WR1 mức cao Để chốt liệu vào ( CS ) WR1 phải mức thấp ITL phải mức cao - WR1 (WRITE) tác động mức thấp Chân kết hợp với chân WR1 cho phép liệu chốt ngõ vào mạch chốt truyền tới nghi DAC IC - WR1 (TRANSFER CONTROL SIGNAL) tác động mức thấp Cho phép WR1 viết - DI0 – DI7 ngõ vào sớ DI0 LSB DI7 MSB - I01 ngõ dịng DAC1 Có trị sớ cực đại tất bit vào 1, 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 -10 đến +10V - VCC điện áp nguồn cấp cho IC hoạt động từ đến 15V - GND (mass) chung cho I01 I02 Sau số ứng dụng của DAC0830 chuyển đổi từ số sang tương tự + Điều khiển volume số hình 10.17 Hình 10.17: Ứng dụng DAC0830 để điều khiển Volume + Điều khiển máy phát sóng sớ hình 10.18 151 Hình 10.18: Ứng dụng DAC 0830 để điều khiển máy phát sóng + Bộ Điều khiển dịng sớ hình 10.19 152 Hình 10.19: Bộ điều khiển dịng số Cơng thức tính dịng ra: 1 D   R2  I OUT = VREF  +  1 +  R 256 R R3   FB   + DAC8030 điều khiển dòng thay đổi theo liệu sớ vào Dịng thay đổi 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 đổi giá trị dòng * Lắp ráp mạch + Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC) Thực tế có số IC chuyển đổi số - tương tự như: DAC 0808, DAC 0806, Ở ta khảo sát IC DAC 0808 Lắp ráp, kiểm tra: Sơ đồ mạch +5 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 +5V 10 11 12 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 VREF+ VREFIOUT COMP VEE 14 15 4k7 R1 4k7 R2 4k7 16 C1 DAC0808 0.1u SW7 -5V SW8 153 R3 +88.8 Volts * Yêu cầu: - Lắp mạch hình vẽ - Nới ngõ vào từ A1 đến A8 lên 1, đo điện áp Vo bao nhiêu? - Nối ngõ vào từ A1 đến A8 x́ng 0, đo điện áp Vo có không? (lý tưởng 0) - Như vậy mạch đã cân chỉnh xong Bây giờ ta thay đổi từ 00000000 đến 11111111 điện áp thay đổi nấc từ 0V đến 5V + Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) Hiện thị trường có nhiều loại ADC của nhiều hãng sản xuất khác nhau, Ở giới thiệu IC ADC080x, cụ thể IC ADC0804: IC ADC0804 chuyển đổi tương tự sang số thuộc họ ADC800 của hãng National Semiconductor Chip nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện áp ni +5V độ phân giải bit Ngồi độ phân giải thời gian chuyển đổi tham số quan trọng đánh giá ADC Thời gian chuyển đổi định nghĩa thời gian mà ADC cần để chuyển đầu vào tương tự thành số nhị phân Đối với ADC0804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ cấp tới chân CLK CLK IN không bé 110s * Chứa chân của ADC0804: - CS (Chip select) : Chân sớ 1, chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấp sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 chân phải mức thấp - RD (Read): Chân sớ 2, tín hiệu vào, tích cực mức thấp Các chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân giữ ghi RD sử dụng để có liệu đã chuyển đổi tới đầu của ADC0804 Khi CS = có xung cao x́ng thấp áp đến chân RD liệu dạng số bit đưa tới chân liệu (DB0 – DB7) - WR (Write): Chân sớ 3, chân vào tích cực mức thấp dùng để báo cho ADC biết bắt đầu trình chuyển đổi Nếu CS = WR tạo xung cao x́ng thấp ADC0804 bắt đầu trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin số nhị phân bit Khi việc chuyển đổi hồn tất chân INTR ADC hạ xuống thấp 154 - CLK IN CLK R : CLK IN (chân số 4), chân vào nối tới đồng hồ sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 có tạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng chân CLK IN CLK R (chân số 19) nối với tụ điện điện trở (như hình vẽ) Khi tần số xác định biểu thức: f = 1,1RC - Ngắt INTR (Interupt): Chân sớ 5, chân tích cực mức thấp Bình thường chân trạng thái cao việc chuyển đổi hồn tất x́ng thấp để báo cho CPU biết liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy Sau INTR xuống thấp, cần đặt CS = gửi xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa liệu - Vin (+) Vin (-): Chân số chân số 7, đầu vào tương tự vi sai, Vin = Vin (+) – Vin (-) Thơng thường Vin (-) nối tới đất Vin (+) dùng làm đầu vào tượng tự chuyển đổi dạng số - Vcc: Chân số 20, chân nguồn ni +5V Chân cịn dùng làm điện áp tham chiếu đầu vào VREF/2 để hở - VREF/2: Chân số 9, chân điện áp đầu vào dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân hở điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm dải ÷ +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải ÷ +5V Chân VREF/2 dùng để thực điện áp đầu khác ÷ +5V - D0 - D7: chân sớ 18 – 11, chân liệu số (D7 bit cao MSB D0 bit thấp LSB) Các chân đệm ba trạng thái liệu đã chuyển đổi truy cập chân CS = chân RD đưa x́ng mức thấp Để tính điện áp đầu ta tính theo cơng thức sau: Dout = Vin kichthuocb i \ uochhhhh Kích thước bước Lắp mạch, kiểm tra: Sơ đồ mạch +5 R1 U1 10k 10 19 CS RD WR CLK IN INTR A GND D GND VREF/2 CLK R VCC DB0(LSB) DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7(MSB) 20 18 17 16 15 14 13 12 11 ? ? ? ? ? VIN+ VIN- ? ADC0804 ? R2 ? 10k RV1 RV2 10k 10k +88.8 C2 Volts 33p 155 +88.8 +88.8 Volts Volts Yêu cầu: Lắp mạch hình vẽ Đo thơng sớ của mạch: - Chỉnh VR1 cho điện áp vào chân số 0V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào chân số 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? - Chỉnh VR1 cho điện áp vào chân số 2,5V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào chân số 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? - Chỉnh VR1 cho điện áp vào chân số 0V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào chân số 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? - Chỉnh VR1 cho điện áp vào chân số 5V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào chân số 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? 156 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạch điện tử (tập – 2), Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2005 [2] Kỹ thuật xung nâng cao, Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2002 [3] Kỹ thuật số, Nguyễn Thuý Vân, NXB KHKT, 2004 [4] Kỹ thuật điện tử số, Đặng Văn Chuyết, NXB Giáo dục [5] Cơ sở kỹ thuật điện tử số, Vũ Đức Thọ, NXB Giáo dục [6] Mạch số - Nguyễn Hữu Phương NXB khoa học kỹ thuật 2004 157 ... mức cao - VOL (max): Điện ngõ mức thấp (Low level output voltage): Điện lớn của ngõ thấp - IIH : Dòng điện ngõ vào mức cao (High level input current): Dòng điện lớn vào ngõ vào IC ngõ vào mức cao. .. ( hình 6.6) , ngõ điều khiển C nối vào ngõ vào cổng EX-OR, ngõ vào cịn lại nới với ngõ Q của FF ngõ của cổng EX-OR nối vào ngõ vào C của FF sau, mạch đếm lên/xuống tùy vào C=0 hay C=1 Hình... ngõ vào mức cao (High level input voltage): Đây điện ngõ vào nhỏ xem mức - VIL (max): Điện ngõ vào mức thấp (Low level input voltage): Điện ngõ vào lớn xem mức - VOH (min): Điện ngõ mức cao (High