Giáo trình kỹ thuật số (nghề điện công nghiệp trình độ cao đẳng)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT SỐ NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo định số 546 ngày 11 tháng năm 2020) NĂM 2020 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 Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng Nghề, giáo trình Kỹ Thuật Số giáo trình mơ đun đào tạo chuyên ngành biên soạn theo nội dung chương trình Nhà trường Hiệu trưởng phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logíc Kỹ thuật số Bài MĐ30-01: Đại cương Bài MĐ30-02: FLIP – FLOP Bài MĐ30-03: Mạch logic MSI Bài MĐ30-04: Mạch đếm ghi Bài MĐ30-05: Họ vi mạch TTL – CMOS Bài MĐ30-06: Bộ nhớ Bài MĐ30-07: Kỹ thuật ADC – DAC Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học cơng nghệ phát triển điều chỉnh thời gian, bổ sung kiến thức trang thiết bị phù hợp với điều kiện giảng dạy Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hồn thiện MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG 1.1 TỔNG VỀ MẠCH TƯƠNG TỤ VÀ SỐ: 1.1.1 Định nghĩa: 1.1.2: Ưu nhược điểmcủa kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự: 1.2.HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ SỐ: 1.2.1 Hệ thống số thập phân: 1.2.2 Hệ thống số nhị nhân: 1.2.3 Hệ thống số bát phân: 1.2.4 Hệ thống số thập lục phân: 1.2.5 Mã BCD: 1.2.6 Mã ASC II: 1.3.CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN: 11 1.3.1 Cổng AND 11 1.3.2 Cổng OR: 12 1.3.3 Cổng NOT: 12 1.3.4 Cổng NAND: 13 1.3.5 Cổng NOR: 14 1.3.6.Cổng EX-OR: 15 1.3.7 Cổng EX – NOR: 16 1.3.8 Cổng BUFFER 17 1.4 BIỂU THỨC LOGIC VÀ MẠCH ĐIỆN: 17 1.4.1 Mạch điện biểu diễn biểu thức Logic: 17 1.4.2 Xây dựng biểu thức logic theo mạch điện cho trước: 18 1.5 ĐẠI SỐ BOOL VÀ ĐỊNH LÝ DEMORGAN: 19 1.5.2 Hàm Bool nhiều biến 20 1.5.3 Định lý Demorgan 20 1.6 ĐƠN GIẢN BIỂU THỨC LOGIC: 20 1.6.1.Đơn giản biểu thức logic phương pháp đại số 21 1.6.2 Rút gọn biểu thức logic bìa Karnaugh: 21 1.7 THIẾT KẾ MẠCH LOGIC: 24 1.8 GIỚI THIỆU IC: 25 BÀI TẬP CHƯƠNG 1: 27 BÀI 2: FLIP – FLOP 29 2.1 FLIP - FLOP S –R: 29 2.1.1 FF sử dụng cổng NAND 29 2.1.2 FF S- R dùng cổng NOR: 30 2.1.3 FF S-R tác động xung lệnh: 31 2.2 FLIP-FLOP J-K: 32 2.3 FLIP –FLOP T: 34 2.4 FLIP - FLOP D: 35 2.5 FLIP - FLOP VỚI NGÕ VÀO PRESET VÀ CLEAR: 36 BÀI TẬP: 36 BÀI 3: MẠCH LOGIC MSI 39 3.1 MẠCH MÃ HÓA: 39 3.1.1.Sơ đồ khối tổng quát 39 3.1.2 Mạch mã hóa từ sang 39 3.1.3 Mạch mã hóa từ sang 40 3.1.4 Mạch mã hóa ưu tiên 42 3.2 MẠCH GIẢI MÃ: 43 3.2.1 Đặc điểm chung: 43 3.2.2 Mạch giải sang 4: 43 3.2.3 Giải mã đường sang đường 45 3.2.4 Giải mã BCD sang thập phân: 47 3.2.5 Mạch giải mã BCD sang led đoạn 48 3.2.6 Mạch giải mã BCD sang thị tinh thể lỏng: 50 3.3 MẠCH GHÉP KÊNH: 51 3.3.1 Tổng quát: 51 3.3.2 Mạch ghép kênh sang (mux : 1) 52 3.3.3 Mạch ghép kênh sang 1(mux : 1) 53 3.4 MẠCH TÁCH KÊNH: 54 3.4.1 Tổng quát: 54 3.4.2 Mạch tách kênh sang 2: 55 3.4.3 Mạch tách kênh sang (Dmux : 8) 56 3.5 MỞ RỘNG NGÕ VÀO VÀ RA CHO MẠCH TỔ HỢP: 55 3.6 TẠO KIỂM PARITY 59 3.7 PHÉP TOÁN LOGIC: 59 3.7.1 Phép so sánh (comparator) 59 3.7.2 Phép cộng: 62 3.7.3 Mạch trừ : 64 3.7.4 Phép nhân: 65 BÀI TẬP : 67 BÀI 4: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 69 4.1 MẠCH ĐẾM: 69 4.1.1 Mạch đếm lên không đồng bộ: 69 4.1.2 Mạch đếm xuống không đồng bộ: 71 4.1.3 Mạch đếm lên, đếm xuống không đồng bộ: 72 4.1.4 Mach đếm không đồng chia N tần số (Vd N=10) 74 4.1.5 Mạch đếm đồng bộ: 75 4.1.6 Mạch đếm vòng: 78 4.1.7 Mạch đếm vòng xoắn (jonhson): 81 4.1.8 Mạch đếm với số đặt trước: 81 4.2 THANH GHI: 82 4.2.1 Thanh ghi vào nối tiếp song dịch phải: 83 4.2.2 Thanh ghi vào nối tiếp song dịch trái: 84 4.2.3 Thanh ghi vào song song song dịch trái: 84 4.3 GIỚI THIỆU IC: 85 BÀI TẬP: 86 BÀI 5: HỌ VI MẠCH TTL VÀ CMOS 88 5.1 CẤU TRÚC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TTL: 88 5.1.1 Cơ sở việc hình thành cổng logic họ TTL: 88 5.1.2 Cấu trúc họ TTL: 88 5.1.3 Nhận dạng, đặc điểm thông số bản: 88 5.1.4 TTL Schottky: 89 5.1.5 TTL có cực thu hở: 90 5.1.6 TTL có ngõ ba trạng thái: 91 5.2.CẤU TRÚC VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CMOS: 92 5.2.1 Đặc trưng vi mạch số họ CMOS: 92 5.2.2 Cấu trúc COMS cổng logic bản: 92 5.2.3 Các thông số vi mạch số họ CMOS: 93 5.3 GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỌ IC SỐ 94 5.3.1 TTL kích thích CMOS: 95 5.3.2 CMOS thích TTL: 95 5.4 GIAO TIẾP GIỮA MẠCH LOGIC VÀ TẢI CÔNG SUẤT……………………… 90 5.3.1 Giao tiếp với tải DC 96 5.3.2.Giao tiếp sử dụng nối quang 100 5.3.4 Giao tiếp sử dụng rơ le 100 BÀI 6: BỘ NHỚ 103 6.1 ROM (Read Only Memory) 104 6.1.1 Cấu trúc ROM 104 6.1.2 Cấu trúc ma trận nhớ 107 6.1.3 Cấu trúc tế bào ROM 109 6.1.4 Cấu trúc tế bào PROM 111 6.1.5 EPROM 112 6.2 RAM 113 6.2.1 Cấu trúc RAM 113 6.2.2 Cấu trúc tế bào RAM 115 6.3 MỞ RỘNG DUNG LƯỢNG BỘ NHỚ 116 6.3.1 Phương pháp mở rộng số đường địa 116 6.3.2 Phương pháp mở rộng số đường liệu 117 6.3.4 Giới thiệu IC 119 BÀI TẬP 121 BÀI 7: KỸ THUẬT ADC - DAC 123 7.1 MẠCH CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ (DAC) 123 7.1.1 Tổng quát chuyển đổi DAC: 123 7.1.2 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC: 123 7.1.3 Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác 124 7.1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dòng 124 7.1.5 Mạch DAC dùng mạng điện trở R – 2R 126 7.2 MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ (ADC) 127 7.2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC 127 7.2.2 Vấn đề lấy mẫu trì mẫu 127 7.2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang: 128 7.2.4 Mạch ADC gần liên tiếp: 128 7.2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song: 129 BÀI TẬP : 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG 1.1 TỔNG VỀ MẠCH TƯƠNG TỤ VÀ SỐ: 1.1.1 Định nghĩa: + Số tương tự: Trong khoa học, công nghệ hay sống đời thường, ta thường xuyên phải tiếp xúc với số lượng Số lượng đo, quản lý, ghi chép, tính tốn nhằm giúp cho xử lý, ước đốn phức tạp Có cách biểu diễn số lượng: - Dạng tương tự (Analog) - Dạng số (Digital) Dạng tương tự:Là dạng biểu diễn với biến đổi liên tục giá trị (continuous) VD: Nhiệt độ, tốc độ, điện đầu micro… Dạng số:Là dạng biểu diễn giá trị thay đổi nấc rời rạc (discrete) VD: Thời gian đồng hồ điện tử + Hệ thống số tương tự: - Hệ thống số (Digital system): Là tổ hợp thiết bị thiết kế để xử lý thông tin logic số lượng vật lý dạng số VD: Máy vi tính, máy tính, thiết bị hình ảnh âm số, hệ thống điện thoại… Ứng dụng: lĩnh vực điện tử, khí, từ… - Hệ thống tương tự (Analog system): Là hệ thống chứa thiết bị cho phép xử lý số lượng vật lý dạng tương tự VD: Hệ thống âm-ly, ghi băng từ… 1.1.2: Ưu nhược điểmcủa kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự: a Ưu điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự: - Do sử dụng chuyển mạch nên nhìn chung thiết bị số dễ thiết kế - Thông tin lưu trữ dễ dàng - Tính xác độ tin cậy cao - Có thể lập trình để điều khiển hệ thống số - Ít ảnh hưởng nhiễu - Nhiều mạch số tích hợp chíp ic b Giới hạn kỹ thuật số: Mặc dù hệ thống số có nhiều ưu điểm, bên cạnh có số hạn chế hầu hết đại lượng vật lý có chất tương tự, nên muốn tận dụng hệ thống kỹ thuật số phải thực bước sau: - Biến đổi đầu vào dạng tương tự thành dạng số (a/d) - Xử lý tín hiệu số - Biến đổi đầu dạng số thành dạng tương tự (d/a) - Tuy nhiên, trình coi trình tất yếu hệ thống số Ở số hệ thống, để tận dụng ưu điểm kỹ thuật số kỹ thuật tương tự người ta dùng hai hệ thống hệ thống lai ghép việc quan trọng phải xác định phần hệ thống nê sử dụng kỹ thuật số phần nên sử dụng kỹ thuật tương tự 1.2.HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ SỐ: 1.2.1 Hệ thống số thập phân: Hệ thập phân hệ thống số quen thuộc, gồm 10 số mã nói Dưới vài ví dụ số thập phân: N = (1998)10 = 1*103 + 9*102 + 9*101 + 8*100 = 1*1000 + 9*100 + 9*10+ 8x1 N = (3,14)10 = 3*101 + 1*10-1 +4*10-2 = 3*1 + 1*1/10 + 4*1/100 1.2.2 Hệ thống số nhị nhân: Hệ nhị phân gồm hai số mã tập hợp S2 = {0, 1} Mỗi số mã số nhị phân gọi bit (viết tắt binary digit) Số N hệ nhị phân: N = (anan-1an-2 .ai a0 , a-1a-2 a-m)2 (với S2) Có giá trị là: N = an 2n + an-1.2n-1 + + ai.2i + + a0.20 + a-1 2-1 + a-2 2-2+ + a-m.2-m an bit có trọng số lớn nhất, gọi bit MSB (Most significant bit) a-m bit có trọng số nhỏ nhất, gọi bit LSB (Least significant bit) Thí dụ: N = (1010,1)2 = 1x23 + 0x22 + 1x21 + 0x20 + 1x2-1 = (10,5)10 1.2.3 Hệ thống số bát phân: Hệ bát phân gồm tám số tập hợp S8 = {0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} Số N hệ bát phân: N = (anan-1an-2 .ai a0 , a-1a-2 a-m)8 (với S8) Có giá trị là: N = an 8n + an-18n-1 + an-28n-2 + + ai8i +a080 + a-1 8-1 + a-2 8-2 + .+ a-m m8 Thí dụ: N = (1307,1)8 = 1x83 + 3x82 + 0x81 + 7x80 + 1x8-1 = (711,125)10 1.2.4 Hệ thống số thập lục phân: Hệ thập lục phân dùng thuận tiện để người giao tiếp với máy tính, hệ gồm mười sáu số tập hợp S16 ={0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F } (A tương đương với 1010 , B =1110 , , F=1510) Số N hệ thập lục phân: N = (anan-1an-2 .ai a0 , a-1a-2 a-m)16 (với S16) Có giá trị là: N = an 16n + an-116n-1 + an-216n-2 + + ai16i +a0160+ a-1 16-1 + a-2 16-2 + .+ a-m16-m Người ta thường dùng chữ H (hay h) sau số để số thập lục phân Thí dụ: N = (20EA,8)H = (20EA,8)16 = 2x163 + 0x162 + 14x161 + 10x160 + 8x16-1 = (4330,5)10 1.2.5 Mã BCD: Thông tin xử lí mạch số điều số nhị phân nên thông tin liệu dù số lượng, chữ, dấu, mệnh lệnh sau phải dạng nhị phân mạch số hiểu xử lí Do phải qui định cách thức mà số nhị phân dùng để biểu diễn liệu khác từ xuất mã số Trước tiên mã thập phân thông dụng mã BCD (Binary code decimal: mã số thập phân mã hóa theo số nhị phân) Vì ký số thập phân lớn nên ta cần bit để mã hóa kí số thập phân Ví du: Để minh họa mã BCD ta tiến hành mã hóa số thập phân 2352sang mã BCD Trong kí số hệ thập phân biểu diễn tổ hợp mã BCD sau: Mỗi số thập phân đổi sang số nhị phân tương đương ln ln dùng bít cho số thập phân Mã BCD biểu diễn số thập phân số nhị phân bit ta nhận thấy có số từ 0000 đến 1001 sử dụng, ngồi nhóm số nhị phân bit không dùng làm mã BCD 1.2.6 Mã ASC II: Ngồi liệu dạng số máy tính cịn có khả thao tác thơng tin khác số mã biểu thị mẫu tự abc, dấu chấm câu, ký tự đặc biệt ký tự số Những mã gọi chung mã chữ số Bộ mã chữ số hoàn chỉnh bao gồm 26 chữ thường, 26 chữ hoa, 10 ký tự số, dấu chấm câu chừng độ 20 đến 40 ký tự khác Ta nói mã chữ số biểu diễn ký tự chữ số có bàn phím máy tính Mã chữ số sử dụng rộng rãi mã ASCII( American Standard Code Information Interchange) Mã ASCII mã có bit nên có 27= 128 nhóm mã đủ để biểu thị tất ký tự bàn phím máy tính Bảng danh sách bảng mã ASCII Ký tự Mã ASCII bit Octal Hexa A 100 0001 101 41 B 100 0010 102 42 Hình 6.16: Kết hợp hai RAM 16x4 thành mo-đun 16x8 Bởi chip lưu trữ 16 từ bit nên ta xem sử dụng chip để lưu trữ phân từ Có nghĩa RAM-0 chứa bit cao từ số 16 từ, RAM-1 chứa bit thấp từ số 16 từ Một từ có đủ bit có mặt đầu RAM nối với bus liệu Như từ số 16 từ chọn cách đưa mã địa tương ứng vào đường bus địa Điều có nghĩa là, đặt lên bus địa chỉ, mã địa áp vào hai chip, cho chip truy xuất vị trí đồng thời Khi có địa chọn, ta đọc ghi địa điều khiển đường đường chung - Để đọc phải mức cao, cịn mức thấp Điều làm đường I/O RAM hoạt động đầu RAM-0 đặt từ bit chọn lên đường bus liệu, RAM -1 đặt từ bit chọn lên đường bus liệu Lúc bus liệu chứa từ bit hồn chỉnh chọn - Để ghi mức thấp mức thấp, làm cho đường I/O RAM hoạt động đầu vào Từ bit cần ghi đặt lên bus liệu, bit cao ghi vào vị trí chọn RAM-0 bit thấp ghi vào vị trí chọn RAM-0 6.4 Giới thiệu IC - Mục tiêu: Phân biệt họ IC, ưu nhược điểm ứng dụng mạch Chip EPROM M2732A Hiện thị trường có nhiều loại EPROM với dung lượng thời gian truy xuất khác IC 2732A loại EPROM NOMS nhỏ có dung lượng 4Kx8 hoạt động với nguồn điện +5V suốt tiến trình vận hành bình thường Hình 6.18 minh họa sơ đồ chân chế độ hoạt động IC IC M2732A có 12 đầu vài địa đầu liệu Hai đầu vào điều khiển đầu vào cho phép chip, sử dụng để đặt thiết bị vào chế độ có đợi lượng tiêu thụ giảm Chân đầu vào hai mục đích, có chức phụ thuộc vào chế độ hoạt động thiết bị cho phép đầu sử dụng để kiểm soát vùng đệm đầu liệu thiết bị, cho nối thiết bị với bus liệu vi xử lý mà không xảy chanh chấp bus Vpp điện lập trình đặt biệt bắt buộc phải có suốt giai đoạn lập trình Dạng Đọc Chương trình VIL VIL Pulse VIL VPP VPP VCC VCC Q0 – Q7 Dữ liệu Dữ liệu vào Xác định Chương trình hãm Chuẩn VIL VIH VIH VIL VPP X VCC VCC VCC Dữ liệu Hi-Z Hi-Z (d) Chi chú: VIL = TTL LOW; VIH = TTL HIGH; X = Không quan tâm; VPP = 21V danh định Hình 6.18: (a) Kí hiệu logic EPROM M2732A; (b) Sơ đồ chân; (c) Vỏ EPROM với cửa sổ tia tử ngoại; (d) Chế độ hoạt động EPROM M2732A Chip EPROM M27C64A IC EPROM M27C62A loại EPROM có dung lượng lớn 8Kx8 thời gian truy xuất 150ns Đây loại EPROM phổ biến thị trường, có hai dạng vỏ khác để người dùng chọn lựa tuỳ theo nhu cầu Hình 6.19 minh họa ký hiệu logic chức chân EPROM M27C64A Hình 6.19 Chức chân A0 – A12 Địa ngõ vào Q – Q7 Dữ liệu Kích hoạt chíp Kích hoạt ngõ Chương trình VPP Cung cấp chương trình VCC Điện áp cung cấp VSS Nhóm Hình 6.20: Ký hiệu logic EPROM chức chân EPROM M27C64A Chế độ hoạt động EPROM M27C64A bảng hình 6.21 Dạng A9 VPP Q0 – Q7 Đọc VIL VIL VIH X VCC Dữ liệu Khóa ngõ VIL VIH VIH X VCC Hi-Z Chương trình VIL VIH VIL Pulse X VCC Dữ liệu vào Xác định VIL VIL VIH X VPP Dữ liệu Chương trình hãm VIH X X X VPP Hi-Z Chuẩn VIH X X X VCC Hi-Z Tín hiệu điện VIL VIL VIH VID VCC Mã Hình 6.21: Các chế độ hoạt động EPROM M27C64A Hình 6.22: Các dạng vỏ sơ đồ chân tương ứng BÀI TẬP Dùng IC PROM ngã vào ngã thiết kế mạch chuyển mã từ Gray sang nhị phân số bit Dùng IC PAL ngã vào ngã thiết kế mạch chuyển từ mã Excess-3 sang mã Aiken số từ đến Dưới bảng mã Thiết kế mạch để mở rộng nhớ từ 2Kx4 lên 2Kx8 Thiết kế mạch để mở rộng nhớ từ 1Kx4 lên 8Kx4 Cho biết địa cụ thể IC Thiết kế mạch để mở rộng nhớ từ 2Kx4 lên 6Kx8 Cho biết địa cụ thể IC BÀI 7: KỸ THUẬT ADC - DAC 7.1 MẠCH CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ (DAC) 7.1.1 Tổng quát chuyển đổi DAC: DAC tiếp nhận mã số n bit song song lối vào biến đổi dịng điện điện áp tương tự lối Dòng điện điện áp lối DAC hàm số mã số lối vào phải biến thiên phù hợp với biến thiên mã số Sơ đồ khối biến đổi DAC hoàn chỉnh bao gồm phần tử hình 7.1: điện áp chuẩn (referent voltage) ổn định bên ngoài, DAC sở mch khuch i thut toỏn Các lối vào số RF Điện áp chuẩn Vref I0 - DAC sở + +E V0 OA -E Hình 7.1: Sơ đồ khối chuyển đổi DAC Với mã số nhị phân tự nhiên lối vào DAC, ta có điện áp V0 lối là: V0 = -Vref(B1.2-1+ B22-2… + Bn2-n) Trong đó: Bn bit có trọng số nhỏ B1 bit có trọng số lớn Vref điện áp chuẩn 7.1.2 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC: Khi sử dụng hay thiết kế DAC ta cần phải quan tâm đến thông số kỹ thuật sau: a Độ phân giải: Độ phân giải liên quan đến số bít DAC.Nếu số n trạng thái tín hiệu số nhị phân đưa vào 2n, tương ứng với tín hiệu có 2n mức điện khác nhau, độ phân giải machjlaf 1/2n Độ phân giải bé điện đầu có dạng liên tục gần với thực tế Thí dụ mootjDAC 10 bít có 210 = 1024 mức điện khác đầu độ phân giải mạch 1/1024 b Độ tuyến tính: Trong DAC lý tưởng tăng tín hiệu đầu vào số tỷ lệ với tăng tín hiệu tương tự đầu Độ tuyến tính DAC phản ánh tính xác yêu cầu c Độ xác: Độ xác DAC cho biết khác biệt trị số thực tế Ura trị số lý thuyết cho giá trị tín hiệu số đầu vào, khác biệt bé xác cao d Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu đầu vào số DAC thay đổi, tín hiệu đầu thay đổi mà phải qua thời gian gọ thời gian thiết lập Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh mạch, bé hoạt động nhanh e Độ nhạy nhiệt: Với giá trị đầu vào cố định, tín hiệu đầu DAC thường hay thay đổi theo nhiệt độ, tính chất gọi độ nhậy nhiệt DAC 7.1.3 Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác Hình 7.2: Sơ đồ mạch DAC có trị số điện trở khác Trên hình 7.2 trình bày sơ đồ nguyên lý DAC bit dùng mạng điện trở trọng số Trong phương pháp để thực biến đổi số – tương tự, người ta tạo dòng điện I0 tổng dòng thành phần tương ứng Ik chọn tương thích với mã số lối vào nhờ điều khiển trạng thái bit mã số Dòng I0 tỷ lệ với mã số lối vào chuyển thành điện áp tỷ lệ với mã số nhị phân lối vào nhờ mạch khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu cộng đảo pha Điện áp lối DAC điện áp lối khuếch đại thuật tốn Các dịng thành phần IK xác định theo giá trị điện trở trọng số 2R, 4R, 8R, 16R bit nhị phân Bk theo hệ thức sau đây: I1 = B1 Vref/2R; I2 = B2 Vref/4R; I3 = B3 Vref/8R; I4 = B4 Vref/16R; Từ sơ đồ ta có: V0 = - I R I0 = Vref(B1/2 + B2/4 + B3/8 + B4/16)/R V0 = Vref(B1/2 + B2/4 + B3/8 + B4/16) Như vậy, điện áp tỷ lệ thuận với mã số lối vào theo hệ số tỷ lệ điện áp chuẩn Nhược điểm mạch số bit tăng số điện trở khác giá trị tăng, việc chọn điện trở xác khó khăn Để khắc phục nhược điểm người ta đưa loại DAC dùng mạng điện trở R– 2R loại dùng có hai loại điện trở 7.1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dịng Trong thiết bị kỹ thuật số đơi lúc địi hỏi q trình điều khiển dịng điện Do người ta tạo DAC với ngõ dịng để đáp ứng u cầu Hình vẽ DAC với ngõ dòng tương tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân Mạch DAC bit, có đường dẫn dịng song song đường có chuyển mạch điều khiển Trạng thái chuyển mạch bị chi phối mức logic đầu vào nhị phân Hình 7.3: DAC có đầu dịng - Dòng chảy qua đường mức điện quy chiếu VREF giá trị điện trở đường dẫn định Giá trị điện trở có trọng số theo số 2, nên cường độ dịng điện có trọng số theo hệ số tổng cường độ dòng điện I0 tổng dòng nhánh I  B3 I B2 Vi I  I0 I I  B1  B0 (7.5) VREF (7.6) R - DAC với đầu dịng chuyển thành DAC có đầu điện cách dùng khuếch đại thuật tốn (Op-Amp) hình 7.6 Hình 7.4: Nối với chuyển đổi dịng thành điện - Ở hình I0 từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” khuếch đại thuật toán Hồi tiếp âm khuếch đại thuật tốn buộc dịng I0 phải chạy qua RF tạo điện áp ngõ VO tính theo công thức: V0   I RF (7.7) Do VO mức điện tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân DAC 7.1.5 Mạch DAC dùng mạng điện trở R – 2R Khác với DAC dùng điện trở trọng số, mạch DAC sử dụng mạng điện trở R–2R cần dùng loại giá trị điện trở Nhưng so với DAC dùng điện trở trọng số có số bit số lượng điện trở đòi hỏi phải nhiều Sơ đồ nguyên lý DA dùng mạng điện trở R – 2R vẽ hình 7.3 Hình 7.5: Sơ đồ mạch DAC dùng mạng điện trở R – 2R Đối với DAC loại R – 2R, chuyển mạch điện tử dù vị trí hay nối đất: nối đất thực (vị trí 0), nối đất qua điểm đất ảo lối vào N (VN = 0) mạch khuếch đại thuật tốn (ở vị trí 1) Như vậy, dịng qua điện trở nối với chuyển mạch có giá trị cố định cho trở, không phụ thuộc vào trạng thái mạch Qua nút mạng điện trở dòng điện lại giảm nửa với quy luật mã nhị phân hình vẽ Chỉ mạng điện trở R – 2R, cộng thêm khuếch đại thuật tốn, ta xây dựng chuyển đổi DAC Điện trở phản hồi âm mạch khuếch đại thuật toán chọn R vùng biến thiên điện áp phù hợp với kết tính tốn cho DAC dùng điện trở trọng số Điện áp trường hợp xác định theo hệ thức (1) Tuy nhiên tuỳ theo yêu cầu cụ thể ta chọn giá trị xung quanh giá trị R 7.2 MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ (ADC) 7.2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC Bộ biến đổi tương tự số ADC mạch biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số có mã số tỉ lệ với giá trị biên độ tín hiệu tương tự lối vào Giá trị mã nhị phân lối DAC biễu diễn độ lớn tín hiệu tương tự thời điểm thực phép biến đổi 7.2.2 Vấn đề lấy mẫu trì mẫu Một vài loại DAC địi hỏi tín hiệu giữ ngun khơng đổi thời gian thực q trình biến đổi, số khác điều kiện khơng cần thiết Đối với loại DAC địi hỏi tín hiệu khơng đổi q trình biến đổi dùng mạch lấy mẫu trì mẫu đặt vào lối vào DAC Mạch trì mẫu lấy mẫu có chức sau: lấy mẫu thời điểm xác định trì giá trị thời điểm lấy mẫu U t U t U t Hình 7.6: Dạng tín hiệu vào Hình 7.6 Trình bày dạng tín hiệu lối vào mạch lấy mẫu trì mẫu Trong đó: hình 7.6.a tín hiệu tương tự, hình 7.b.b dãy xung điều khiển hoạt động lấy mẫu, hình 7.6.c tín hiệu lấy mẫu 7.2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang: Trên hình 7.7 giới thiệu sơ đồ khối ADC kiểu bậc thang Nguyên tắc hoạt động sau: Chu trình biến đổi bắt đầu xung start xoá đếm nhị phân n bit Với Vo nhỏ Vi lối so sánh mức 1, cổng AND mở cho xung Clock vào đếm Số đếm tăng dần tới Vo bắt đầu vượt VI, lối so sánh trở khoá cổng Đầu số n bit AND lại DAC Vo Bộ so sánh -OA VI + Bộ đếm n bit Clock Start (Reset) Hình 7.7: Sơ đồ khối ADC Mã số lối đếm lúc tương ứng với độ lớn điện tương tự cần biến đổi Nếu đo dạng sóng Vo chu kỳ biến đổi, ta thấy sóng hình bậc thang ADC loại có kết cấu đơn giản có nhược điểm thời gian biến đổi phụ thuộc vào độ lớn điện cần biến đổi Đầu số n bit 7.2.4 Mạch ADC gần liên tiếp: DAC Vo VI Bộ so sánh OA1 + U/D Clock Bộ đếm tiến/lùi n bit Trên hình 7.8 vẽ sơ đồ khối ADC bám sát Nếu giá trị V I biến đổi quanh giá trị loại ADC tiện lợi ngun tắc dùng đếm lên/xuống Mạch thiết kế cho VoVI (thế lối so sánh 0) đếm trạng thái đếm xuống Như lối DAC có xu hướng bám sát lối vào cần biến đổi 7.2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song: Xét biến đổi bit thực theo phương pháp song song hình 7.13 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 7.14 cho quan hệ trạng thái so sánh với số nhị phân tương ứng Nếu điện áp vào bị thay đổi nhận kết sai mã hố ưu tiên đấu trực tiếp đến lối so sánh Ta xét đến chẳng hạn việc chuyển từ số sang số (do đó, mã nhị phân từ 011 đến 100) Nếu bit già thời gian trễ giảm mà thay đổi trạng thái sớm bít khác xuất số 111, tức số Trị số sai tương ứng với nửa dải đo Bởi kết biến đổi A/D, biết, ghi vào nhớ, tồn xác xuất định để nhận trị số hồn tồn sai Có thể giải vấn đề cách, chẳng hạn, dùng nhớ - trích mẫu để ngăn biến động điện áp vào thời gian đo Tuy nhiên, phương pháp hạn chế tần số cho phép điện áp vào, cần phải có thời gian xác lập cho mạch nhớ - trích mẫu Ngồi khơng thể loại bỏ hồn tồn xác xuất thay đổi trạng thái so sánh, mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có độ trơi đáng kể Hình 7.9: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp song song 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 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 thấy rõ bảng 1, so sánh xác lập trạng thái “1” theo trình tự từ lên Trình tự khơng đảm bảo sườn xung dựng đứng Bởi có khác thời gian trễ so sánh nên chuyển sang trình khác Trong tình xác định, trạng thái độ ghi vào trigơ sườn xung khởi động trigơ sườn tín hiệu trùng Tuy nhiên, mã hố ưu tiên cho phép tránh điều nhờ tính chất là: khơng ý đến bít trẻ “1” Bảng 7.14: Sự biến đổi trạng thái biến đổi A/D song song tuỳ thuộc vào điện áp lối vào Số thập phân Điện áp vào Trạng thái so sánh Số nhị phân tương ứng Ue/ULSB K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 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 so sánh, cịn điểm bắt đầu xác định sườn xung khởi động Sự khác thời gian trễ gây độ bất định thời gian(khe) mẫu Để giảm nhỏ trị số đến mức 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 BÀI TẬP: Giả sử ADC dạng sóng bậc thang hình 5.20 có thông số 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 chuyển đổi So sánh thời gian chuyển đổi ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang SAC 10 bit Giả thiết hai áp dụng tần số xung nhịp 500kHz Hãy nêu nguyên nhân cách làm nhỏ sai số lượng tử cảu ADC Hãy trình bày giải thích tiêu kỹ thuật chủ yếu biến đổi DAC 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 ... Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng Nghề, giáo trình Kỹ Thuật Số giáo trình mơ đun đào tạo chun ngành biên soạn theo nội dung chương trình Nhà trường Hiệu... điểmcủa kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự: a Ưu điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự: - Do sử dụng chuyển mạch nên nhìn chung thiết bị số dễ thiết kế - Thơng tin lưu trữ dễ dàng - Tính xác độ. .. hệ thống số Ở số hệ thống, để tận dụng ưu điểm kỹ thuật số kỹ thuật tương tự người ta dùng hai hệ thống hệ thống lai ghép việc quan trọng phải xác định phần hệ thống nê sử dụng kỹ thuật số phần