Giáo trình Kỹ thuật số (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng) - Trường CĐ Cơ điện-Xây dựng và Nông lâm Trung bộ

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VÀ NÔNG LÂM TRUNG BỘ GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT SỐ NGHỀ : ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số 77/QĐ-CĐTB-ĐT ngày 19 tháng 01 năm 2021 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện – Xây dựng Nông lâm Trung Năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc 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 Trong thiết bị điện tử công nghiệp đại ngƣời ta thƣờng dùng mạch điện tử - số Đặc trƣng mạch điện tử - số tín hiệu ngõ vào ngõ cổng logic, mạch tích hợp, ghi dịch đếm, chuyển đổi ADC DAC, nhớ dạng xung Các mạch điện tử-số đƣợc hoạt động đồng xung nhịp tác động Giáo trình Kỹ thuật số gồm 09 Nội dung giáo trình nhằm trang bị kiến thức kỹ cho học viên để hồn thành mơn học, học viên có khả : Phát biểu đƣợc khái niệm xung điện, thông số xung điện, ý nghĩa xung điện kỹ thuật điện tử; Trình bày đƣợc cấu tạo mạch dao động tạo xung mạch xử lí dạng xung ; Phát biểu khái niệm kỹ thuật số, cổng logic Kí hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng thật cổng lơgic ; Trình bày cấu tao, ngun lý mạch số thơng dụng nhƣ: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đổi, mạch ghi dịch, mạch điều khiển ; Lắp ráp, kiểm tra đƣợc mạch tạo xung xử lí dạng xung ; Lắp ráp, kiểm tra đƣợc mạch số panel thực tế Trong trình biên soạn giáo trình, chúng tơi có gắng tham khảo nhiều tài liệu chun ngành, tạp chí chào hàng, thiết bị chuyên dụng lĩnh vực kỹ thuật số, … với mong muốn cập nhật kịp thời tiến khoa học lĩnh vực cung cấp điện Tuy nhiên trình độ thời gian có hạn, giáo trình khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong đƣợc bạn đọc lƣợng thứ đóng góp ý kiến nhận xét để giáo trình ngày đƣợc hồn thiện Nhóm biên soạn : Ks Lê Kim Ngọc Ths Nguyễn Văn Loi MỤC LỤC TT NỘI DUNG Bài 1: Đại cƣơng kỹ thuật số Tổng quan mạch tƣơng tự số Hệ thống số mã số Chuyển đổi hệ số Cộng hai số hệ đếm Các cổng logic Đại số bool định lý Demorgan Bài 2: Họ vi mạch TTL-CMOS Cấu trúc thông số TTL Cấu trúc thông số CMOS Giao tiếp TTL CMOS Giao tiếp mạch logic tải công suất Bài 3: Flip – Flop Flip – Flop S-R Flip – Flop J-K Flip – Flop T Flip – Flop D Flip – Flop với ngõ vào Preset Clear Bài 4: Mạch mã hóa giải mã Mạch mã hóa 1.1 Sơ đồ khối tổng quát 1.2 Mạch mã hóa từ sang 1.3 Mạch mã hóa từ sang 1.4 Mạch mã hóa ƣu tiên Mạch giải mã 2.1 Sơ đồ khối tổng quát 2.2 Mạch giải mã sang 2.3 Mạch giải mã sang 2.4 Mạch giả mã BCD sang thập phân 2.5 Mạch giải mã BCD sang Led đoạn 2.6 Mạch giải mã BCD sang thị tinh thể lỏng Bài 5: Mạch ghép kênh tách kênh Mạch ghép kênh 1.1 Tổng quát 1.2 Mạch ghép kênh sang 1.3 Mạch ghép kênh sang TRANG 7 10 15 16 16 20 24 24 30 34 37 42 42 47 48 49 49 51 51 51 51 52 55 56 56 56 58 60 61 63 65 65 65 65 67 Mạch tách kênh 2.2 Tổng quát 2.2 Mạch tách kênh sang 2.3 Mạch tách kênh sang Bài 6: Mạch đếm ghi Mạch đếm 1.1 Mạch đếm lên không đồng 1.2 Mạch đếm xuống không đồng 1.3 Mạch đếm lên, đếm xuống không đồng 1.4 Mạch đếm không đồng chia n tần số 1.5 Mạch đếm đồng 1.6 Mạch đếm vòng 1.7 Mạch đếm vòng xoắn (Jonhson) 1.8 Mạch đếm với số đếm đặt trƣớc Thanh ghi 2.1 Thanh ghi vào nối tiếp song song dịch phải 2.2 Thanh ghi vào nối tiếp song song dịch trái 2.3 Thanh ghi vào song song song song Giới thiệu IC đếm ghi Bài 7: Bộ nhớ ROM 1.1 Cấu trúc ROM 1.2 Cấu trúc ma trận nhớ 1.3 Cấu trúc tế bào ROM 1.4 Cấu trúc tế bào PROM 1.5 EPROM RAM 2.1 Cấu trúc RAM 2.2 Cấu trúc tế bào RAM Mở rộng dung lƣợng nhớ 3.1 Phƣơng pháp mở rộng số đƣờng địa 3.2 Phƣơng pháp mở rộng số đƣờng liệu Bài 8: Kỹ thuật ADC-DAC Mạch chuyển đổi số - tƣơng tự (DAC) 1.1 Tổng quát chuyển đổi DAC 1.2 Thông số kỹ thuật chuyể đổi DAC 1.3 Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác 1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dòng 1.5 Mạch ADC dùng điện trở R 2R 69 69 69 71 73 73 73 75 76 77 78 78 80 81 82 83 83 83 83 84 84 84 85 87 87 89 90 90 92 93 93 94 96 96 96 96 99 101 102 Mạch chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) 2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC 2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ 2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp 2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song Bài 9: Bài tập lớn Chuyên đề : Mạch đếm có số đếm đặt trƣớc Phân tích u cầu cơng nghệ Thiết kế mạch Chọn linh kiện Phƣơng án bố trí linh kiện Lắp ráp mạch 103 103 104 105 106 108 109 109 109 109 109 109 109 Bài ĐẠI CƢƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ Mục tiêu: Học xong chƣơng học viên có khả năng: - Trình bày khái niệm mạch tƣơng tự mạch số - Trình bày cấu trúc hệ thống số mã số - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động cổng logic - Chuyển đổi đƣợc hệ số 10 - Thực đƣợc phép tính đại số Bool - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc công việc Nội dung Tổng quan mạch tƣơng tự số 1.1 Định nghĩa Tín hiệu biến thiến biên độ, mà thƣờng điện hay dòng điện, theo thời gian Đƣờng biểu diển tín hiệu dạng sóng Mạch tƣơng tự xử lý tín hiệu tƣơng tự Tín hiệu tƣơng ứng với tiếng nói, tín hiệu tâm điện, tín hiệu tƣơng ứng với biến thiên nhiệt độ vài ví dụ tín hiệu tƣơng tự Tín hiệu tƣơng tự có đặc tính: - Thƣờng tƣợng tự nhiên phát sinh đƣợc cảm biến chuyển thành tín hiệu điện, ví dụ tiếng nói, hình ảnh - Liên tục biên độ nghĩa có ttrị số khoảng biến thiên nó, ví dụ 1V; 1,1V;1,12V; 1,125V - Thƣờng liên tục thời gian Mặc khác mạch số xử lý tín hiệu số thƣờng tín hiệu nhị phân(gồm logic ) có dạng sóng xung với hai mức biên độ: mức cao ( logic 1) ví dụ 5V, mức thấp ( logic ) ví dụ 0V Thời gian biến thiên hai mức, gọi thời gian chuyển tiếp, đột biến ( vơ ngắn ) nên tín hiệu số xem nhƣ gián đoạn biên độ Tín hiệu tƣơng tự đƣợc chuyển đổi thành tín hiệu số mạch chuyển đổi tƣơng tự sang số ( Analog to Digital Conventer - ADC) Dĩ nhiên tín hiệu số đƣợc phát sinh mạch số ( kể máy tính) 1.2 Ƣu nhƣợc điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tƣơng tự * Ưu điểm mạch số Mạch số có nhiều ƣu điểm so với mạch tƣơng tự khiến mạch số ngày phổ biến Ơ gần nhu lãnh vực từ đo lƣờng, điều khiển đến tính tốn, thơng tin ( điện thoại số thay điện thoại tƣơng tự, truyền hình số thay truyền hình tƣơng tự vv ) Tuy mạch điện tƣơng tự thiết bị tƣơng tự có đặc tính riêng khiến khơng bị thay hồng tồn mạch số vác thiết bị số Sau số ƣu điểm mạch số: * Khả chống nhiều méo dạng cao: Nhiễu tín hiệu lộn xộn mạch điện tử tạo hay từ bên thâm nhập vào chồng lên tín hiệu đích thực biểu thị thơng tin mà ta cần xử lý hay truyền Ngồi tín hiệu truyền mạch điện tử môi trƣờng thông tin ( dây điện cáp, sợi quang, không gian vv ) cịn bị méo dạng Kết tín hiệu nhận đƣợc máy thu bị méo dạng bị nhiễu Ơ máy thu tín hiệu đƣợc so sánh với ngƣỡng ( thời điểm so sánh thời gian xung biểu thị 0) để xác định lại hai mức: tín hiệu nhỏ ngƣỡng mức thấp, cao ngƣỡng mức cao Sau dạng xung vng đƣợc tái tạo giống nhƣ đầu truyền Nhƣ vậy, nhiễu méo dạng, ngoại trừ trầm trọng, không ảnh hƣởng lên kết * Tự phát sai sửa sai: nhiểu hay méo dạng trầm trọng kết nhận đƣợc bị sai Điều cách mã hố liệu nhj phân cách thích hợp ngƣời ta lam hệ thống mạch số có khả tự biết chỗ sai tự sửa lại cho * Lƣu trữ truy cập dễ dàng nhanh chóng: Do tín hiệu số có hai mức nên việc lƣu trữ môi trƣờng khác ( nhơ bán dẫn ,băng từ, ), truy cập thận tiên * Tính tốn, lý luận nhanh chóng: Tính tốn ý nói phép tính cộng trừ nhân chia kết hợp phép toán để giải toán phức tạp Lý luận ( logic ) ý nói phép so sánh, dịch chuyển, phân loại, xếp hạng vv Máy tính kết hợp khả tính tốn, lý luận lƣu trữ * Độ xác độ phân giải cao: Trong việc đo đạc thời gian, tần số, điện vv kỹ thuật số cho độ xác độ phân giả cao kỹ thuật tƣơng tự * Thuận tiện cho cơng việc tích hợp: Mạch số dù máy tính , mạng điện thoại số, vv chủ yếu số mạch nhƣng đƣợc lập lập lại hàng ngàn, hàng ttriẹu lân tạo nên Chính lặp lặp lại thận lợi cho việc chế tạo mạch tích hợp ( Intergrated Circuit _ IC ) Thực tế có hàng ngàn IC số khác làm chức từ giản đơn đến vô tinh vi phức tạp * Dễ thiết kế, kắp ráp, sửa chữa: Do có nhiều mạch IC cho chức khác nhau, mà IC gần nhƣ không cần linh kiện thụ động hỗ trợ ( khác với IC tƣơng tự cần nhiều tụ điện, điện trở vv chung quanh ) điện nơi mạch số mức cao mức thấp khiến thiét kế, lắp ráp sửa chữa mạch số dễ dàng mạch tƣơng tự * Nhược điểm mạch số Chỉ nói ƣu điểm mà khơng nói nhƣợc điểm khơng cơng Mạch số có hai nhƣợc điểm lớn Trƣớc tiên giới vật lý ta sống chủ yếu giới tƣơng tự: nhiệt độ tăng lên giảm xuống liên tục không nhảy vọt, xe từ dừng đến lăn bánh nhanh dần khơng dột biến, dạng sóng biểu thị tiếng nói biến thiên liên tục từ biên độ sang biên độ khác vv Do để có lƣợng vật lý tự nhiên lọt đƣợc vào mạch số hay từ mạch số tác động trở lại giới tự nhiên phải có chuyển đổi Kế đến, vài trƣờng hợp mạch số tốn Ví dụ hệ thống truyền hình số, bên cạnh nhiều ƣu điểm, trƣớc mắt tốn nhiều so với hện thống truyền hình tƣơntg tự nhƣ Tuy nhiên hầu hết trƣờng hợp mạch số cá khả tốc độ, độ xác, mức độ phức tạp cần thiết, ví dụ máy tính số, bẳng đèn quang báo.vv Sự tiến triển nhanh chóng cơng nghệ mạch tích hợp khiến cho mạch số ngày cảng rẻ Hệ thống số mã số Nhu cầu định lƣợng quan hệ ngƣời với nhau, trao đổi thƣơng mại, có từ xã hội hình thành Đã có nhiều cố gắng việc tìm kiếm vật dụng, ký hiệu dùng cho việc định lƣợng nhƣ que gỗ, vỏ sò, số La mã Hiện số ả rập tỏ có nhiều ƣu điểm đƣợc sử dụng định lƣợng, tính tốn Việc sử dụng hệ thống số ngày trở nên quen thuộc khiến quên hình thành qui tắc để viết số Chƣơng nhắc lại cách sơ lƣợc nguyên lý việc viết số giới thiệu hệ thống số khác hệ thống thập phân quen thuộc, phƣơng pháp biến đổi qua lại số hệ thống khác Chúng ta đặc biệt quan tâm đến hệ thống nhị phân hệ thống đƣợc dùng lãnh vực điện tử-tin học nhƣ phƣơng tiện để giải vấn đề mang tính logic Phần cuối giới thiệu loại mã thông dụng để chuẩn bị cho Nguyên lý việc viết số Một số đƣợc viết cách đặt kề ký hiệu, đƣợc chọn tập hợp xác định Mỗi ký hiệu số đƣợc gọi số mã (số hạng, digit) Thí dụ, hệ thống thập phân (cơ số 10) tập hợp gồm 10 ký hiệu quen thuộc, số từ đến 9: 10 Bài KỸ THUẬT DAC VÀ ADC Mục tiêu bài: - Trình bày đƣợc cấu trúc, nguyên tắc hoạt động, phân loại phạm vi ứng dụng chuyển đổi AD-DA - Kết nối đƣợc ngõ vào/ra chuyển đổi AD-DA - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc công việc - Phát huy tính chủ động học tập công việc Nội dung bài: Mạch chuyển đổi số - tƣơng tự (DAC) 1.1 Tổng quát chuyển đổi DAC Chuyển đổi số sang tƣơng tự tiến trình lấy giá trị đƣợc biểu diễn dƣới dạng mã số ( digital code ) chuyển đổi thành mức điện dòng điện tỉ lệ với giá trị số Hình dƣới minh họa sơ đồ khối chuyển đổi DAC 1.2 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC 1.2.1 ÐỘ PHÂN GIẢI Độ phân giải (resolution) biến đổi DAC đƣợc định nghĩa thay đổi nhỏ xảy đầu tƣơng tự kết qua thay đổi đầu vào số 96 Độ phân giải DAC phụ thuộc vào số bit, nhà chế tạo thƣờng ấn định độ phân giải DAC dạng số bit DAC 10 bit có độ phân giải tinh DAC bit DAC có nhiều bit độ phân giải tinh Độ phân giải trọng số LSB Cịn gọi kích thƣớc bậc thang (step size), khoảng thay đổi Vout giá trị đầu vào số thay đổi từ bƣớc sang bƣớc khác Dạng sóng bậc thang có 16 mức với 16 thạng thái đầu vào nhƣng có 15 bậc mức mức cực đại Với DAC có N bit tổng số mức khác 2N, tổng số bậc 2N – Do độ phân giải với hệ số tỷ lệ mối quan hệ đầu vào đầu DAC Đầu tƣơng tự = K x đầu vào số Với K mức điện (hoặc cƣờng độ dòng điện) bậc Nhƣ ta có cơng thức tính độ phân giải nhƣ sau: Với đầu cực đại ( đầy thang ) N số bit 97 Nếu tính theo phần trăm ta có cơng thức nhƣ sau: Ví dụ nhƣ hình ta có: 1.2.2 ĐỘ CHÍNH XÁC Có nhiều cách đánh giá độ xác Hai cách thơng dụng sai số toàn thang (full scale error) sai số tuyến tính (linearity error) thƣờng đƣợc biểu biễn dạng phần trăm đầu cực đại (đầy thang) chuyển đổi Sai số toàn thang khoảng lệch tối đa đầu DAC so với giá trị dự kiến (lý tƣởng), đƣợc biểu diễn dạng phần trăm Sai số tuyến tính khoảng lệch tối đa kích thƣớc bậc thang so với kích thƣớc bậc thang lý tƣởng Điều quan trọng DAC độ xác độ phân giải phải tƣơng thích với 1.2.3 SAI SỐ LỆCH Theo lý tƣởng đầu DAC 0V tất đầu vào nhị phân toàn bit Tuy nhiên thực tế mức điện cho trƣờng hợp nhỏ, gọi sai số lệch ( offset error) Sai số không điều chỉnh đƣợc cộng vào đầu DAC dự kiến tất trƣờng hợp Nhiều DAC có tính điều chỉnh sai số lệch bên ngồi, cho phép triệt tiêu độ lệch cách áp bit đầu vào DAC theo dõi đầu Khi ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch đầu 0V 1.2.4 THỜI GIAN ỔN ĐỊNH Thời gian ổn định (settling time) thời gian cần thiết để đầu DAC từ zero đến bậc thang cao đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn đến chuổi bit toàn Thực tế thời gian ổn định thời gian để đầu vào DAC ổn định phạm vi ±1/2 kích thƣớc bậc thang (độ phân giải) giá trị cuối 98 Ví dụ: Một DAC có độ phân giải 10mV thời gian ổn định đƣợc đo thời gian đầu cần có để ổn định phạm vi 5mV giá trị đầy thang Thời gian ổn định có giá trị biến thiên khoảng 50ns đến 10ns DAC với đầu dịng có thời gian ổn định ngắn thời gian ổn định DAC có đầu điện 1.2.5 TRẠNG THÁI ĐƠN ĐIỆU DAC có tính chất đơn điệu ( monotonic) đầu tăng đầu vào nhị phân tăng dần từ giá trị lên giá trị Nói cách khác đầu bậc thang khơng có bậc xuống đầu vào nhị phân tăng dần từ zero đến đầy thang Tỉ số phụ thuộc dòng: DAC chất lƣợng cao yêu cầu ảnh hƣởng biến thiên điện áp nguồn điện áp đầu vô nhỏ Tỉ số phụ thuộc nguồn tỉ số biến thiên mức điện áp đầu với biến thiên điện áp nguồn gây Ngồi thông số cần phải quan tâm đên thông số khác DAC sử dụng nhƣ: mức logic cao, thấp, điện trở, điện dung, đầu vào; dải rộng, điện trở, điện dung đầu ra; hệ số nhiệt, … 1.3 Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác (Weighted resistor network) Trong mạch trên, thay OP-AMP điện trở tải, ta có tín hiệu dịng điện 99 Nhƣ vậy: OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện thành điện ra, đồng thời mạch cộng Ta có: 3 v0 = -RF.I = -(2 b3 + b2 + 2b1+b0)Vr.RF/2 R = -(2 n-1 n-2 bn-1 + n-1 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr.RF /2 R Nếu RF = R thì: v0 =-(2 n-1 bn-1 + n-2 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 = 1k? Ta có kết chuyển đổi nhƣ sau: b3 b2 b1 b0 v0 (V) 0 0 0 0 - 0,625 LSB 0 - 1,250 0 1 - 1,875 0 - 2.500 1 - 3,125 1 - 3,750 1 - 4,375 0 - 5,000 0 - 5,625 1 - 6,250 1 - 6,875 100 1 0 - 7,500 1 - 8,125 1 - 8,750 1 1 - 9,375  Full Scale (VFS) 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 ngƣời ta tạo DAC với ngõ dịng để đáp ứng u cầu Hình dƣới DAC với ngõ dòng tƣơng tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân Mạch DAC bit, có đƣờng dẫn dịng song song đƣờng có chuyển mạch điều khiển Trạng thái chuyển mạch bị chi phối mức logic đầu vào nhị phân Dòng chảy qua đƣờng mức điện quy chiếu V REF giá trị điện trở đƣờng dẫn định Giá trị điện trở có trọng số theo số 2, nên cƣờng độ dịng điện có trọng số theo hệ số tổng cƣờng độ dòng điện IOUT tổng dòng nhánh 101 DAC với đầu dịng chuyển thành DAC có đầu điện cách dùng khuếch đại thuật tốn (Op-Amp) nhƣ hình sau Ở hình IOUT từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” khuếch đại thuật toán Hồi tiếp âm khuếch đại thuật tốn buộc dịng I OUT phải chạy qua RF tạo điện áp ngõ VOUT đƣợc tính theo cơng thức: Do VOUT mức điện tƣơng tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân DAC 1.5 Mạch ADC dùng điện trở R 2R (mạng điện trở hình thang) 102 Cho RF = 2R lần lƣợt Cho b3 = bit khác = 0, ta đƣợc: v0 = -8(Vr /24) Cho b2 = bit khác = 0, ta đƣợc: v0 = -4(Vr /24) Cho b1 = bit khác = 0, ta đƣợc: v0 = -2(Vr /24) Cho b0 = bit khác = 0, ta đƣợc: v0 = - (Vr /24) Ta thấy: v0 tỉ lệ với giá trị B tổ hợp bit B = (b3 b2 b1b0)2 v0 = - B(Vr /24) Mạch chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) (analog to digital converter) 2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC Nguyên tắc làm việc adc đƣợc minh họa theo sơ đồ hình dƣới Trƣớc hết tín hiệu tƣơng tự VA đƣợc đƣa đến mạch lấy mẫu Mạch có nhiệm vụ: + Lấy mẫu tín hiệu tƣơng tự thời điểm khác cách (rời rạc hóa tín hiệu mặt thời gian) + Giữ cho biên độ điện áp thời điểm lấy mẫu khơng đổi q trình chuyển đổi (tức q trình lƣợng tử hóa mã hóa) Tín hiệu mạch lấy mẫu đƣợc đƣa đến mạch lƣợng tử hóa để thực làm trịn với độ xác ±Q/2 Vậy q trình lƣợng tử hóa thực chất q trình làm trịn số lƣợng tử hóthực theo ngun tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi đƣợc so sánh với loạt đơn vị chuẩn q Sau mạch lƣợng tử hóa mạch mã hóa mạch mã hóa, kết lƣợng tử hóa đƣợc xếp lại theo trật tự định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu đầu rabộ chuyển đổi Phép lƣợng tử hóa mã hóa gọi chung phép biến đổi AD 103 đồ thị thời gian điện áp vào mạch lấy mẫu Phân loại phƣơng pháp chuyển đổi tƣơng tự – số: Phân loại : có nhiều cách phân loại adc cách phân loại hay dùng phân loại theo trình chuyển đổi mặt thời gian cho phép phán đốn cách tổng quát tốc độ chuyển đổi có phƣơng pháp chuyển đổi sau : + Chuyển đổi song song : tín hiệu tƣơng tự đƣợc so sánh lúc với nhiều giá trị chuẩn tất bit đƣợc xác định đồng thời đƣa đến đầu + Chuyển đổi nối mã đếm : trình so sánh đƣợc thực bƣớc theo quy luật mã đếm kết chuyển đổi đƣợc xác định cách đếm số lƣợng giá trị chuẩn chứa đƣợc giá trị tín hiệu tƣơng tự cần chuyển đổi + Chuyển đổi song song- nối tiếp kết hợp : qua bƣớc so sánh xác định đƣợc tối thiểu bit đồng thời 2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ (sample anh hold) Để biến đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số, ngƣời ta khơng thể biến đổi giá trị tín hiệu tƣơng 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 1s - 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 104 Hình dƣới dạng mạch lấy mẫu giữ bản: Điện tƣơng tự cần biến đổi đƣợc lấy mẫu thời gian ngắn tụ nạp điện nhanh qua tổng trở thấp OP-AMP transistor dẫn giữ giá trị khoảng thời gian transistor ngƣng (tụ phóng chậm qua tổng trở vào lớn OP-AMP) 2.3 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 đƣợc lấy từ mạch đếm lên Khi có xung bắt đầu FlipFlop mạch đếm đƣợc 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, nhƣng Vr vùa vƣợt va ngã mạch so sánh lên cao khiến Q xuống thấp, đóng cổng AND khơng cho xung CK qua mạch đếm ngƣng Đồng thời ngã Q lên cao báo kết thúc chuyển đổi Số đếm mạch đếm số nhị phân tƣơng ứng với điện vào 105 Gọi thời gian chuyển đổi tc Thời gian chuyển đổi tùy thuộc điện cần chuyển đổi Thời gian lâu ứng với điện vào trị toàn giai: tc(max) = 2n / fCK=2n TCK Mạch đổi có tốc độ chậm Một cách cải tiến thay mạch đếm lên mạch đếm lên/xuống (H 8.9) Nếu ngã mạch so sánh cho thấy Vr nhỏ va, mạch Logic điều khiển đếm lên ngƣợc lai mạch đếm xuống Nếu va không đổi Vr dao động quanh trị va với hai trị số khác LSB 2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp 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 CK Mạch bao gồm: mạch so sánh, mạch ghi dịch đặc biệt (SAR) mạch DAC 106 Mạch SAR 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 đƣợc đƣa vào mạch DAC để tạo điện tƣơng tự Vr (dùng so sánh với điện từ mạch lấy mẫu giữ va), đồng thới mã số biến đổi kết thúc Vận hành: Lúc có xung bắt đầu, mạch SAR đƣợc đặt Ngã DAC đƣợc làm lệch 1/2 LSB để tạo đặc tính chuyển đổi nhƣ nói phần trƣớc, kế SAR đƣa bit MSB lên cao (bằng cách preset FF A), bit khác 0, số đƣợc đƣa 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, khiến SAR giữ bit MSB lại (FF RS giữ nguyên trạng thái) đồng thời đƣa bit có nghĩa lên cao (do FF đƣợc set từ giá trị ngã FF B, trị đƣợc chuyển từ FF A sang) Mạch so sánh tiếp tục làm việc kết đƣợc định theo cách thức nhƣ bit MSB Tiếp tục nhƣ bit cuối SAR, lúc va gần Vr ta đƣợc 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 107 2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song (parallel hay flash conversion) 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, ngƣời ta dùng mạch so sánh ngã vào mạch mã hóa ƣu tiên để tạo mã số nhị phân ngã - Khi va < Vr /10, ngã mạch so sánh lên cao khiến mã số 000 - Khi Vr /10 < va < 2Vr /10, ngã mạch so sánh xuống thấp khiến mã số 001 - Khi 2Vr /10 < va < 3Vr /10, ngã mạch so sánh xuống thấp khiến mã số 010 Cứ nhƣ thế, ta thấy mã số tỷ lệ với điện tƣơng tự vào 108 Bài BÀI TẬP LỚN Mục tiêu bài: - Xây dựng, phân tích đƣợc hệ điều khiển số ghép nhiều phần tử - Thiết kế, lắp ráp đƣợc mạch đếm có số đếm đặt trƣớc decade - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc công việc - Phát huy tính chủ động học tập công việc Nội dung bài: THIẾT KẾ, LẮP RÁP MẠCH ĐẾM CÓ SỐ ĐẾM ĐẶT TRƢỚC Phân tích u cầu cơng nghệ Thiết kế mạch Chọn linh kiện Phƣơng án bố trí linh kiện Lắp ráp mạch (GV giao tập cho SV tùy điều kiện cụ thể) 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO LINH KIỆN ĐIỆN TỬ; NXB TP Hồ Chí Minh- Nguyễn Phƣớc CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SỐ; Nhà xuất Giáo Dục-1999- Võ Đức Thọ, Đỗ xuân Thụ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SỐ; Chuyên ngành: KTVT, KTTT, ĐKH-THGT – HVBCVT, 2005-Đào Thanh Toản, Phạm Thanh Huyền KỸ THUẬT SỐ ỨNG DỤNG; NXB Thế giới, 2002 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SỐ; HVBCVT, 2000,Trần Văn Vinh MẠCH SỐ; nxb khoa học kỹ thuật 2004-Nguyễn Hữu Phƣơng GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT SỐ; ĐH SPKT TP HCM SỔ TAY VI MẠCH SỐ TTL VÀ CMOS; nxb khoa học KT 1989-Dƣơng Minh Trí DIGITAL ELECTRONICS; ISBN Editor, 1999-Roger L.Tokhenim KỸ THUẬT XUNG SỐ; NXB Khoa học Kỹ thuật 2004 PAL DEVICE DATA BOOK BIPOLAR AND CMOS; ISBN Editor, 1990 110