Giáo trình Kỹ thuật số (Nghề Kỹ thuật máy lạnh và điều hòa không khí Trung cấp)

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH ĐỒNG THÁP TRƢỜNG CAO ĐẲNG CỘNG ĐỒNG ĐỒNG THÁP GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT SỐ NGÀNH, NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHƠNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định Số: ……… ngày … tháng … năm …… 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 Kỹ thuật s nh ng mô đun c sở c a nghề Điện tử công nghiệp biên soạn d a theo chư ng trình khung đ x y d ng ban hành năm 2017 c a trường Cao đ ng nghề Đồng Tháp trước đ y dành cho nghề Điện tử công nghiệp hệ Cao đ ng Trung cấp 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 Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 90 gồm có: Bài MĐ28-01: Đại cư ng kỹ thuật s Bài MĐ28-02: FLIP – FLOP Bài MĐ28-03: Mạch đếm ghi Bài MĐ28-04: Mạch logic MSI Bài MĐ28-05: Họ vi mạch TTL – CMOS Bài MĐ28-06: Bộ nhớ Bài MĐ28-07: Kỹ thuật ADC – DAC Giáo trình c ng tài liệu giảng dạy tham khảo t t cho nghề Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử, Điện tử d n dụng, Điện cơng nghiệp, Kỹ thuật máy lạnh & Điều hịa không khs 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, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hoàn thiện h n 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.T ng quan mạch tư ng t mạch s Hệ th ng s m s Các c ng Logic c 13 Biểu thức Logic mạch điện 18 Đại s Boole định l Demorgan 23 Đ n giản biểu thức logic 23 Giới thiệu s IC s c 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 s mạch ứng dụng c 38 BÀI 03: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 43 Mạch đếm 43 Thanh ghi 51 Giới thiệu s IC đếm ghi thông dụng 52 Tính tốn, lắp ráp s mạch ứng dụng c 54 BÀI 04: MẠCH LOGIC MSI 68 Mạch m hóa (Encoder) 68 Mạch giải m (Decoder) 72 Mạch ghép kênh 78 Mạch tách kênh 80 Giới thiệu s IC m hóa giải m thơng dụng 82 Tính tốn, lắp ráp s mạch ứng dụng c 85 BÀI 05: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS 96 Cấu trúc thông s c c a TTL 96 Cấu trúc thông s c c a CMOS 105 Giao tiếp TTL CMOS 113 Giao tiếp gi a mạch logic tải công suất 115 Tính tốn, lắp ráp s mạch ứng dụng c 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 đ i s sang tư ng t (DAC) 133 Mạch chuyển đ i tư ng t sang s (ADC) 139 Giới thiệu IC 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO 157 GIÁO TRÌNH M ĐUN Tên mơ đun: M ĐUN KỸ THUẬT SỐ M mơ đun: MĐ 28 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun:: -Vị trí: Mơ đun b trí dạy sau học xong môn c linh kiện diện tử, đo lường điện – điện tử, điện tử tư ng t , mạch điện tử c bản… -Tính chất c a mô đun: Là mô đun kỹ thuật c sở - ngh a: Kỹ thuật s môn học c sở c a ngành Ðiện – Ðiện tử có vị trí quan trọng tồn chư ng trình học c a sinh viên học sinh, nhằm cung cấp kiến thức liên quan đến phư ng pháp đ i s , c ng logic, mạch s Công nghệ kỹ thuật s đ đóng vai trị quang trọng cách mạng khoa học kỹ thuật công nghệ Ngày nay, công nghệ s ứng dụng rộng r i có mặt h u hết thiết bị d n dụng đến thiết bị công nghiệp, đặc biệt l nh v c thông tin liên lạc, phát thanh, kỹ thuật s đ thay d n kỹ thuật tư ng t Mục tiêu Mô đun: Sau học xong mô đun học viên có l c -Về kiến thức: + Phát biểu khái niệm kỹ thuật s , c ng logic c Kí hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng s thật c a c ng lơgic + Trình bày cấu tao, ngun l mạch s thơng dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đ i, mạch ghi dịch, mạch điều khiển - Về kỹ năng: + Lắp ráp, kiểm tra mạch s c panel th c tế - Năng l c t ch trách nhiệm: + Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập th c công việc Nội dung mô đun: BÀI 01: ĐẠI CƢƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ M Bài: MĐ28- 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 ngh a 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 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 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 l nh v c như: đo lường, điều khiển tính tốn, thông tin…Tuy nhiên kỹ thuật mạch tư ng t c ng có nh ng đặc tính riêng mà mạch s khơng thể 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 định trước Khả ch ng nhiễu s méo dạng cao: Do đặc thù c a hệ th ng xử lí hai mức tín hiệu và thời gian chuyển tiếp gi a chúng nhanh nên khả ch ng nhiễu cao, h n n a biên độ c a tín hiệu nhiễu khơng đ khả 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 có hai mức nên việc lưu tr nh ng môi trường khác (bộ nhớ bán dẫn, băng 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 m 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 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 trăm, hàng nghìn với ph n nguyên ngược lại từ trái qua phải ph n chục, ph n trăm, ph n nghìn đ i với ph n lẻ sau dấu phẩy Nói tóm lại s c ng 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 : 0,1 -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 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 1, 2, 4, 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 : 0,1,2,3,4,5,6,7 -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 c ng 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 nhau, giá trị thấp .000 giá trị lớn .777 Trọng s bit từ thấp đến cao l n lượt 1, 8, 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 : 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F - 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 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 nhau, giá trị nh .000 giá trị lớn F .FFF Trọng s bit l n lượt 1, 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 10 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 tăng lên đ u DAC VAX tăng 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 p ân g ả độ c ín xác AD dạng sóng bậc t ang 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 C ng 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 thế, 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 H y 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 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 phải có s bậc: 3.728  372,8  373 bậc 10 143 cu i tiến trình chuyển đ i, đếm trì s nhị ph n tư ng đư ng 37310, tức 0101110101 Đ y c ng 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 ngh a 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 tỉ lệ ph n trăm là: x100%  0.1% 1023 2.3.4 T g an c uyển đổ 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 tăng 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 thông 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, khơng phụ thuộc vào giá trị c a đ u vào tư ng t 144 Hình 10.12: Sơ đồ khối ADC li n 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 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 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 = 2,16V, bậc 109 có VAX = 2.18V SAC sinh đ u VAX cu i bậc thang bên VA Do vậy, trường hợp VA = 2.17, đ u s 10810 = 011011002 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 xử l m i bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, ngh a 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 145 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 nhau, kể s (không) 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 ch ng hạn việc chuyển từ s sang s (do đó, 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 hoàn toàn sai Có thể giải vấn đề cách, ch ng hạn, dùng nhớ - trích mẫu để ngăn 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 hoàn toàn 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 146 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 này, 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 1, so sánh xác lập trạng thái “1” theo trình t từ lên Trình t không 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 Z 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, 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 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 chuyển đ i từ s sacng tư ng t Ở đ y 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 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 10.14 147 Hình 10.14: Sơ đồ b n 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 dịng 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 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 1: LSB = 1/256 (Vref ) Bảng quan hệ ngõ vào ngõ Đ u vào s (Digital input) Đ u tư ng t (Xem 2) (Analog output) MSB LSB 11111111 Vref (127/128) 10000001 Vref (128) 10000000 01111111 -Vref (128) 00000001 -Vref (127/128) 00000000 -Vref Chú 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 149 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 b n ICDAC0804 Hoạt động c a ch n 150 - ( 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 1, tất bit vào - I02 ngõ dòng DAC2 Nếu I01 tăng 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 10.18 151 Hình 10.18: Ứng dụng DAC 0830 để điều khiển máy phát sóng + Bộ Điều khiển dịng s 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 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 * Lắp ráp mạch + Mạch chuyển đổi số - tƣơng tự (DAC) Th c tế có s IC chuyển đ i s - tư ng t như: DAC 0808, DAC 0806, Ở đ y ta khảo sát IC DAC 0808 Lắp ráp, kiểm tra: S 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 c u: - Lắp mạch hình vẽ - N i ngõ vào từ A1 đến A8 lên 1, đo điện áp Vo bao nhiêu? - N i ngõ vào từ A1 đến A8 xu ng 0, đo điện áp Vo có khơng? (l tưởng 0) - Như mạch đ c n chỉnh xong B y ta thay đ i từ 00000000 đến 11111111 điện áp thay đ i nấc từ 0V đến 5V + Mạch chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) Hiện thị trường có nhiều loại ADC c a nhiều h ng sản xuất khác nhau, Ở đ y giới thiệu IC ADC080x, cụ thể IC ADC0804: IC ADC0804 chuyển đ i tư ng t sang s thuộc họ ADC800 c a h ng National Semiconductor Chip c ng nhiều h ng khác sản xuất Chip có điện áp nuôi +5V độ ph n giải bit Ngồi độ ph n giải thời gian chuyển đ i c ng tham s quan trọng đánh giá ADC Thời gian chuyển đ i định ngh a thời gian mà ADC c n để chuyển đ u vào tư ng t thành s nhị ph n Đ i với ADC0804 thời gian chuyển đ i phụ thuộc vào t n s đồng hồ cấp tới ch n CLK CLK IN không bé h n 110s * Chứa ch n c a ADC0804: - CS (Chip select) : Ch n s 1, ch n chọn Chip, đ u vào tích c c mức thấp sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 ch n phải mức thấp - RD (Read): Ch n s 2, tín hiệu vào, tích c c mức thấp Các chuyển đ i đ u vào tư ng t thành s nhị ph n gi ghi RD sử dụng để có d liệu đ chuyển đ i tới đ u c a ADC0804 Khi CS = có xung cao xu ng thấp áp đến ch n RD d liệu dạng s bit đưa tới ch n d liệu (DB0 – DB7) - WR (Write): Ch n s 3, đ y ch n vào tích c c mức thấp dùng để báo cho ADC biết bắt đ u trình chuyển đ i Nếu CS = WR tạo xung cao xu ng thấp ADC0804 bắt đ u trình chuyển đ i giá trị đ u vào tư ng t Vin s nhị ph n bit Khi việc chuyển đ i hồn tất ch n INTR ADC hạ xu ng thấp 154 - CLK IN CLK R : CLK IN (ch n s 4), ch n vào n i tới đồng hồ sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 c ng có tạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng ch n CLK IN CLK R (ch n s 19) n i với tụ điện điện trở (như hình vẽ) Khi t n s xác định biểu thức: f  1,1RC - Ngắt INTR (Interupt): Ch n s 5, ch n tích c c mức thấp Bình thường ch n trạng thái cao việc chuyển đ i hồn tất xu ng thấp để báo cho CPU biết d liệu chuyển đ i sẵn sàng để lấy Sau INTR xu ng thấp, c n đặt CS = gửi xung cao xu ng thấp tới ch n RD để đưa d liệu - Vin (+) Vin (-): Ch n s ch n s 7, đ y đ u vào tư ng t vi sai, Vin = Vin (+) – Vin (-) Thông thường Vin (-) n i tới đất Vin (+) dùng làm đ u vào tượng t chuyển đ i dạng s - Vcc: Ch n s 20, ch n nguồn ni +5V Ch n cịn dùng làm điện áp tham chiếu đ u vào VREF/2 để hở - VREF/2: Ch n s 9, ch n điện áp đ u vào dùng làm điện áp tham chiếu Nếu ch n hở điện áp đ u vào tư ng t cho ADC0804 nằm dải ÷ +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đ u vào tư ng t áp đến Vin khác với dải ÷ +5V Ch n VREF/2 dùng để th c điện áp đ u khác ÷ +5V - D0 - D7: ch n s 18 – 11, ch n d liệu s (D7 bit cao MSB D0 bit thấp LSB) Các ch n đệm ba trạng thái d liệu đ chuyển đ i truy cập ch n CS = ch n RD đưa xu ng mức thấp Để tính điện áp đ u ta tính theo công thức sau: Dout  Vin kichthuocb i \ uochhhhh Kích thước bước Lắp mạch, kiểm tra: S 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 c u: Lắp mạch hình vẽ Đo thông s c a mạch: - Chỉnh VR1 cho điện áp vào ch n s 0V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào ch n s 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? - Chỉnh VR1 cho điện áp vào ch n s 2,5V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào ch n s 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? - Chỉnh VR1 cho điện áp vào ch n s 0V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào ch n s 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? - Chỉnh VR1 cho điện áp vào ch n s 5V, Chỉnh VR2 cho điện áp vào ch n s 0V D0D1D2D3D3D5D6D7= ? 156 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 Văn Chuyết, NXB Giáo dục [5] C sở kỹ thuật điện tử s , V Đức Thọ, NXB Giáo dục [6] Mạch s - Nguyễn H u Phư ng NXB khoa học kỹ thuật 2004 157 ... 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 m số 2.1 Hệ thống số. .. 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 l nh v c như: đo lường, điều khiển tính... 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