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

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI ĐẶNG ĐÌNH NHIÊN (Chủ biên) NGUYỄN VĂN SÁU – NGUYỄN ĐỨC NAM GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT XUNG – SỐ Nghề: Điện cơng nghiệp Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2018 LỜI NÓI ĐẦU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh - sinh viên tài liệu cho giáo viên giảng dạy, Khoa Điện Tử Trường CĐN Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình “KỸ THUẬT XUNG-SỐ” dành riêng cho học sinh - sinh viên nghề Điện công nghiệp Đây mơ – đun bắt buộc chương trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao đẳng Nhóm biên soạn tham khảo tài liệu: “Kỹ thuật xung nâng cao, Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2002,”Kỹ thuật số”, Nguyễn Thuý Vân, NXB KHKT, 2004 nhiều tài liệu khác Mặc dù nhóm biên soạn có nhiều cố gắng khơng tránh thiếu sót Rất mong đồng nghiệp độc giả góp ý kiến để giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Chủ biên: Đặng Đình Nhiên MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT XUNG – SỐ PHẦN 1:KỸ THUẬT XUNG Bài Các khái niệm 1.1 Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung Bài Mạch dao động đa hài 18 2.1 Mạch dao động đa hài đơn ổn 18 2.2 Mạch dao động đa hài dùng cổng logic 22 2.3 Mạch dao động đa hài đơn ổn 23 2.4 Mạch dao động đa hài lưỡng ổn 25 2.5 Mạch dao động đa hài lưỡng ổn dùng cổng logic 29 2.6 Mạch schmitt – Triger 31 Bài Mạch hạn chế biên độ ghim áp 35 3.1 Mạch hạn chế biên độ: 35 3.2 Mạch ghim áp 38 PHẦN 2: KỸ THUẬT SỐ 42 Bài Đại cương 42 4.1 Tổng quan mạch tương tự số 42 4.4 Các phương pháp biểu diễn hàm logic 66 4.5 Đại số Booel định lý Demorgan 70 4.6 Đơn giản biểu thức logic 71 4.7 Thiết kế mạch logic 79 Bài Flip-Flop 83 5.1 Flip – Flop S-R 83 5.2 Flip - Flop J -K 90 5.3 Flip - Flop T 93 5.4 D Flip-Plop 94 5.5 FLip-Flop với đầu vào Preset clear 94 Bài Mạch logic MSI 97 6.1 Mạch mã hóa 97 6.2 Mạch giải mã 103 6.3 Mạch ghép kênh 117 6.4 Mạch tách kênh 122 Bài Mạch đếm ghi 127 7.1 Mạch đếm 127 7.2 Thanh ghi 141 Bài Bộ nhớ 146 8.1 ROM 146 8.2 RAM 151 8.3 Mở rộng dung lượng nhớ 154 Bài Kỹ thuật adc – dac 157 9.1 Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC) 157 9.2 Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO 172 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT XUNG – SỐ Tên mô đun: Kỹ thuật xung số Mã số mô đun: MĐ 18 Thời gian mô đun: 60 (LT : 24 ; TH 32 giờ; KT: giờ) I Vị trí, tính chất mơ đun: - Vị trí mơ đun: Mơ đun bố trí sau học sinh học xong mô đun Đo lường Điện – Điện tử, Điện tử - Tính chất mô đun: Là mô đun sở chuyên môn nghề bắt buộc II Mục tiêu mô đun : Học xong mơn học học viên có khả năng: - Trình bày sơ đồ mạch điện nguyên lý làm việc mạch mã hoá, giải mã, dồn kênh, phân kênh, mạch đếm, ghi dịch, mạch chuyển đổi AD/DA, DA/AD nhớ ROM RAM cách nhanh chóng xác; - Lắp ráp, kiểm tra sửa chữa mạch đảm bảo tiêu: an toàn, hoạt động ổn định, thời gian quy định III Nội dung mô đun : Nội dung tổng quát phân phối thời gian: Thời gian (giờ) Số TT Tên mô đun I Kỹ thuật Xung Các khái niệm Tổng số Lý thuyết Thực hành Bài tập - Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung - Tác dụng R,C xung - Tác dụng R,L,C cácxung Kiểm tra Mạch dao động đa hài - Mạch đa hài không ổn 0,5 - Mạch đa hài đơn ổn 0,5 - Mạch đa hài lưỡng ổn 0,5 - Mạch Schmitt – trigger 0,5 - Mạch hạn chế biên độ 1 - Mạch ghim áp Mạch hạn chế biên độ ghim II Kỹ thuật số Đại cương 10 - Tổng quan mạch tương tự mạch số - Hệ thống số mã số - Các cổng logic - Biểu thức logic mạch điện - Đại số Bool định Demorgan - Đơn giản biểu thức logic phương pháp đại số - Thiết kế mạch logic - Giới thiệu IC FLIP – FLOP - FLIP - FLOP RS 0,5 - FLIP - FLOP J-K 0,5 - FLIP - FLOP T 0,5 - FLIP - FLOP D 0,5 - FLIP - FLOP với ngõ vào Preset Clear 0,5 1,5 Mạch mã hóa 1 Mạch giả mã (Decoder) 1 Mạch ghép kênh 1 Mạch logic MSI 10 Mạch tách kênh 1 Mở rộng số ngõ vào - ngõ cho mạch tổ hợp 1 1 Mạch đếm 0,5 Thanh ghi 0,5 Tạo - Kiểm Parity Phép toán logic Mạch đếm ghi 10 Giới thiệu IC Đếm ghi Bộ nhớ - ROM (ReadOnly Memory) 0,5 - RAM (Random Access Memory) 0,5 - Mở rộng dung lượng nhớ 0,5 1,5 - Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC) 0,5 - Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) 0,5 Kỹ thuật ADC – DAC Cộng 60 24 32 * Ghi chú: Thời gian kiểm tra tích hợp lý thuyết với thực hành tính vào thực hành PHẦN 1:KỸ THUẬT XUNG Bài Các khái niệm Giới thiệu: Trong kỹ thuật xung điện đóng vai trị quan trọng, đơi ngun nhân hệ thống điều khiển điện tử-số không hoạt động lắp ráp hư hỏng thiết bị vận hành tải, áp mà xung điều khiển không đạt thông số kỹ thuật Bài giới thiệu khái niệm, đặc trưng, đại lượng, ảnh hưởng xung mạch điện tử-số Học viên cần hiểu rõ vận dụng kiến thức xung vào mạch điện tử -số công nghiệp điều khiển xung điện Mục tiêu: - Trình bày khái niệm xung điện, dãy xung - Giải thích tác động linh kiện thụ động đến dạng xung - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, xác Nội dung chính: 1.1 Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung Mục tiêu: - Trình bày kháiniệmvề tín hiệu, xung điện, dãy xung nêu tham số đặc trưng 1.1.1 Định nghĩa a Định nghĩa tín hiệu Hình 1.1: Tín hiệu hình sin Hình 1.2: Tín hiệu hình vng Tín hiệu biến đổi đại lượng điện (dòng điện hay điện áp) theo thời gian, chứa đựng thông tin Tín hiệu chia làm loại: tín hiệu liên tục (tín hiệu tuyến tính) tín hiệu gián đoạn (tín hiệu xung) Trong tín hiệu hình sin xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục ,có đường biểu diễn hình 1.1 Ngược lại tín hiệu hình vng xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu khơng liên tục hình 1.2 b Định nghĩa xung điện Xung điện tín hiệu điện có giá trị biến đổi gián đoạn khoảng thời gian ngắn so sánh với q trình q độ mạch điện Xung điện kỹ thuật chia làm loại: loại xung xuất ngẫu nhiên mạch điện, mong muốn, gọi xung nhiễu, xung nhiễu thường có hình dạng (Hình 1.3) Hình 1.3: Các dạng xung nhiễu Các dạng xung tạo từ mạch điện thiết kế thường có số dạng bản: Hình 1.4: Các dạng xung mạch điện thiết kế Dãy xung vng xuất hình máy sóng điều chỉnh tốc độ quét chậm., thấy có đường vạch ngang Khi điều chỉnh tốc độ qt nhanh, hình máy sóng xuất rõ đường vạch tạo nên hình dạng xung với đường dốc lên dốc xuống - Cạnh xuất trước xung gọi sườn trước xung - Cạnh nằm đỉnh có giá trị cực đại gọi đỉnh xung - Cạnh xuất sau xung để trở trạng thái ban đầu gọi sườn sau xung - Cạnh nối khỏang cách từ sườn trước sườn sau trục tọa độ xung gọi đáy xung c Các tham số xung điện dãy xung Các tham số xung điện Dạng xung vng lý tưởng trình bày Hình 1.5 Hình 1.5: Các thông số xung Độ rộng xung thời gian xuất xung mạch điện, thời gian thường gọi thời gian mở t on Thời gian khơng có xuất xung gọi thời gian nghỉ t off Chu kỳ xung khỏang thời gian lần xuất xung liên tiếp, tính theo cơng thức: T= t on + t off (1.1) Tần số xung tính theo cơng thức: f= T (1.2) Độ rỗng hệ số đầy xung: - Độ rỗng xung tỷ số chu kỳ độ rộng xung, tính theo cơng thức: Q= T Ton (1.3) - Hệ số đầy xung nghịch đảo độ rỗng, tính theo cơng thức: n= Ton T (1.4) Trong thực tế, người ta quan tâm đến tham số này, người ta quan tâm thiết kế nguồn kiểu xung, để đảm bảo điện áp chiều tạo sau mạch chỉnh lưu, mạch lọc mạch điều chỉnh cho mạch điện cấp đủ dịng, đủ cơng suất, cung cấp cho tải Bảng 9.1: Mối quan hệ đầu đầu vào Tổ hợp mã nhị Điện áp phân ngõ vào ngõ 000 0V 001 1V 010 2V 011 3V 100 4V 101 5V 110 6V 111 7V 9.1.2 Dạng tín hiệu Hình 9.2: a)Dạng điện áp thu sau ADC b)Dạng điện áp thu sau lọc b Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC Bit có ý nghĩa thấp (LSB) bit có ý nghĩa cao (MSB) Qua mạch biến đổi DAC kể ta thấy vị trí khác bit số nhị phân cho giá trị biến đổi khác nhau, nói cách khác trị biến đổi bit tùy thuộc vào trọng lượng bit Nếu ta gọi trị tồn giai VFS bit LSB có giá trị là: n LSB = VFS / (2 - 1) n-1 n bit MSB = VFS / (2 - 1) 158 Điều thể kết thí dụ (Hình 9: ) đặc tuyến chuyển đổi số nhị phân bit Hình9.3 a,b (Hình 9.3a) đặc tuyến lý tưởng, nhiên, thực tế để đường trung bình đặc tính chuyển đổi qua điểm điện tương tự làm lệch (1/2)LSB (Hình 9.3b) Như điện tương tự xem thay đổi hai mã số nhị phân vào kế Thí dụ mã số nhị phân vào 000 điện tương tự điện tương tự lên nấc kế 000+(1/2)LSB nấc 001+(1/2)LSB.v.v Trị tương tự ứng với 001 gọi tắt 1LSB trị toàn giai V FS = 7LSB tương ứng với số 111 c Sai số nguyên lượng hóa (quantization error) Trong biến đổi, ta thấy ứng với giá trị nhị phân vào, ta có khoảng điện tương tự Như có sai số biến đổi gọi sai số nguyên lượng hóa =(1/2)LSB d Độ phân giải (resolution) Độ phân giải hiểu giá trị thay đổi nhỏ tín hiệu tương tự có số nhị phân vào thay đổi Độ phân giải gọi trị bước (step size) trọng lượng bit LSB n n Số nhị phân n bit có giá trị - bước Hiệu tương tự xác định v0 = k.(B)2 159 Trong k độ phân giải (B) số nhị phân Người ta thường tính phần trăm phân giải: %res = (k / VFS)100 % Với số nhị phân n bit n %res = [1 / (2 - 1)]100 % Các nhà sản xuất thường dùng số bit số nhị phân biến đổi để độ phân giải Số bit lớn độ phân giải cao (finer resolution) e Độ tuyến tính (linearity) Khi điện tương tự thay đổi với số nhị phân vào ta nói mạch biến đổi có tính tuyến tính f Độ (accuracy) Độ (cịn gọi độ xác) tuyệt đối DAC hiệu số điện tương tự điện lý thuyết tương ứng với mã số nhị phân vào Hai số nhị phân kế phải cho hai điện tương tự khác 1LSB, khơng mạch tuyến tính khơng (Hình 9.4 a,b) Hình 9.4: a)Dạng truyến tính b) Tuyến tính khơng 160 9.1.3.Mạch DAC dùng mạng điện trở có trị số khác Hình 9.5: Sơ đồ mạch DAC dùng mạch điện trở Trong mạch trên, thay OP-AMP điện trở tải, ta có tín hiệu dịng điện Như OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện thành điện ra, đồng thời mạch cộng = -(2 v0 = -RF.I = -(2 b3 + b2 + 2b1+b0)Vr.RF/2 R Ta có n-1 n-2 bn-1 + n-1 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr.RF /2 R Nếu RF = R thì: v0 =-(2 n-1 n-2 bn-1 + n-1 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr /2 Thí dụ: 1/ Khi số nhị phân 0000 v0 = 1111 v0 = -15Vr / 2/ Với Vr = 5V ; R = RF = 1kΩ Ta có kết chuyển đổi sau: 161 Bảng 9.2: Kết chuyển đổi Mạch có số hạn chế: - Sự xác tùy thuộc vào điện trở mức độ ổn định nguồn tham chiếu Vr - Với số nhị phân nhiều bit cần điện trở có giá trị lớn, khó thực 9.1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dịng Hình 9.6: Sơ đồ mạch DAC sử dụng nguồn dòng 162 9.1.5 Mạch DAC dùng điện trở R 2R Hình 9.7: Sơ đồ mạch DAC dùng điện trở R 2R Cho RF = 2R Cho b3 = bit khác = 0, ta được: v0 = -8(Vr /24) Cho b2 = bit khác = 0, ta được: v0 = -4(Vr /24) Cho b1 = bit khác = 0, ta được: v0 = -2(Vr /24) Cho b0 = bit khác = 0, ta được: v0 = - (Vr /24) Ta thấy v0 tỉ lệ với giá trị B tổ hợp bit B = (b3 b2 b1 b0 )2  v0 = - B(Vr /24) 9.2 Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) Mục tiêu: - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng chuyển đổi D/A 9.2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC a Sơ đồ khối : 163 Hình 9.8: Sơ đồ khối chuyển đổi ADC b Dạng tín hiệu : t Hình 9.9 9.2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ (sample anh hold) Để biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta biến đổi giá trị tín hiệu tương tự mà biến đổi số gía trị cụ thể cách lấy mẫu tín hiệu theo chu kỳ xác định nhờ tín hiệu có dạng xung Ngồi ra, mạch biến đổi cần khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1μs - 1ms) cần giữ mức tín hiệu biến đổi khoảng thời gian để mạch thực việc biến đổi xác Đó nhiệm vụ mạch lấy mẫu giữ Hình 24-07-8 dạng mạch lấy mẫu giữ bản: Điện tương tự cần biến đổi lấy mẫu thời gian ngắn tụ nạp điện nhanh qua tổng trở thấp OP-AMP transistor dẫn giữ giá trị khoảng thời gian transistor ngưng (tụ phóng chậm qua tổng trở vào lớn OP-AMP) 164 Hình 9.10 9.2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang Hình 9.11: Sơ đồ mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang Một cách đơn giản để tạo điện tham chiếu có dạng nấc thang dùng mạch DAC mà số nhị phân vào lấy từ mạch đếm lên (H 8.8) Khi có xung bắt đầu FlipFlop mạch đếm đặt nên ngã Q FF lên 1, mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm Ngã mạch đếm tăng dần theo dạng nấc thang (VDAC), điện tham chiếu, Vr nhỏ va, ngã mạch so sánh mức thấp Q tiếp tục mức cao, Vr vùa vượt va ngã mạch so sánh lên cao khiến Q xuống thấp, đóng cổng AND không cho xung C K qua mạch đếm ngưng Đồng thời ngã Q lên cao báo kết thúc chuyển đổi Số đếm mạch đếm số nhị phân tương ứng với điện vào 165 Gọi thời gian chuyển đổi t c Thời gian chuyển đổi tùy thuộc điện cần chuyển đổi Thời gian lâu ứng với điện vào trị toàn giai: n n tc(max) = / fCK=2 TCK Mạch đổi có tốc độ chậm Một cách cải tiến thay mạch đếm lên mạch đếm lên/xuống (Hình 9.10) Nếu ngã mạch so sánh cho thấy Vr nhỏ va, mạch Logic điều khiển đếm lên ngược lai mạch đếm xuống Nếu va không đổi Vr dao động quanh trị va với hai trị số khác LSB Hình 9.12 9.2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp Hình 9.13: Sơ đồ mạch ADC gần lấy liên tiếp 166 Mạch đổi lấy gần dùng cách tạo điện tham chiếu cách có hiệu khiến việc chuyển đổi mã số n bit tốn n chu kỳ xung C K Mạch bao gồm: mạch so sánh, mạch ghi dịch đặc biệt (SAR) mạch DAC (Hình 9.14) Hình 9.14: Sơ đồ mạch SAR Mạch SAR (Hình 9.14) mạch ghi dịch có kết hợp điều khiển Logic Mạch gồm FF D mắc thành chuỗi, ngã FF cuối (F) hồi tiếp FF đầu (A) , khối điều khiển gồm cổng AND FF RS có ngã vào tác động mức cao, ngã Q FF RS đưa vào mạch DAC để tạo điện tương tự Vr (dùng so sánh với điện từ mạch lấy mẫu giữ va), đồng thới mã số biến đổi kết thúc Hoạt động: Lúc có xung bắt đầu, mạch SAR đặt Ngã DAC làm lệch 1/2 LSB để tạo đặc tính chuyển đổi nói phần trước, kế SAR đưa bit MSB lên cao (bằng cách preset FF A), bit khác 0, số đưa vào mạch DAC để tạo điện tham chiếu Vr để so sánh với va Tùy theo kết so sánh, Vr > va ngã mạch so sánh mức cao khiến SAR bỏ bit MSB có xung CK xuất hiện, cịn Vr < va ngã mạch so sánh mức thấp, 167 khiến SAR giữ bit MSB lại (FF RS giữ nguyên trạng thái) đồng thời đưa bit có nghĩa lên cao (do FF set từ giá trị ngã FF B, trị chuyển từ FF A sang) Mạch so sánh tiếp tục làm việc kết định theo cách thức bit MSB Tiếp tục bit cuối SAR, lúc va gần Vr ta kết chuyển đổi thời gian tối đa n chu kỳ xung đồng hồ Mạch chuyển đổi chấm dứt ngã FF F lên mức cao cho phép mở đệm mã số 9.2.5 Mạch ADC gần lấy liên tiếp chuyển đổi song song Đây mạch đổi có tốc độ chuyển đổi nhanh, đạt vài triệu lần giây, áp dụng vào việc chuyển đổi tín hiệu hình kỹ thuật video Thí dụ để có mạch đổi bit, người ta dùng mạch so sánh ngã vào mạch mã hóa ưu tiên để tạo mã số nhị phân ngõ (Hình 9.13) - Khi va < Vr /10, ngã mạch so sánh lên cao khiến mã số 000 - Khi Vr /10