Giáo Trình Kỹ Thuật Số.pdf

Bµi 1 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ 1 LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Kỹ thuật số là một trong những giáo trình môn học trong BÀI trình đào tạo nghề Điện công nghiệp ở trình độ Cao đẳng nghề đượ[.]

KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Kỹ thuật số giáo trình mơn học BÀI trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao đẳng nghề biên soạn theo nội dung BÀI trình khung Bộ Lao động Thương binh Xã hội Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với Nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung BÀI trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 gồm có: MĐ37- Bài mở đầu :Tổng quan mạch tương tự mạch số MĐ37-01: Đại cương kỹ thuật số MĐ37-02: Flip-flop MĐ37-03: Mạch logic MSI MĐ37-04: Mạch đếm ghi MĐ37-05: Họ vi mạch TTL-CMOS MĐ37-06: Bộ nhớ MĐ37-07: Kỹ thuật ADC - DAC Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học củng cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ 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 Cần Thơ., ngày 15 tháng 12 năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Phương Uyên Vũ Đỗ Hữu Hậu KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ MỤC LỤC BÀI MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ MẠCH SỐ Định nghĩa 2.Ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự CHƯƠNG 01: ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ Hệ thống số mã số Các cổng logic 13 Biểu thức logic mạch điện 19 Đại số Booel định lý Demorgan 22 Đơn giản biểu thức logic 24 Thiết kế mạch logic 29 CHƯƠNG 2: FLIP-FLOP 35 Flip - Flop R-S 35 Flip - Flop J-K 38 Flip - Flop T 38 Flip - Flop D 39 Flip - Flop với ngõ vào Preset Clear 40 CHƯƠNG 3: MẠCH LOGIC MSI 42 Mạch mã hóa 42 Mạch giải mã 46 Mạch ghép kênh 52 Mạch tách kênh 55 CHƯƠNG 4: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 58 Mạch đếm thời gian 58 Thanh ghi 70 Giới thiệu IC đếm ghi: 73 BÀI 5: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS 77 Cấu trúc thông số TTL 77 Cấu trúc thông số CMOS 81 Giao tiếp TTL CMOS 83 CHƯƠNG 6: BỘ NHỚ 86 ROM 86 RAM 90 Mở rộng dung lượng nhớ 93 CHƯƠNG 7: KỸ THUẬT ADC – DAC 96 Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC) 96 Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: Kỹ thuật số Mã môn học: MH37 I Vị trí tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học học sau mơn học sở song song với môn Mạch điện, Vật liệu điện - Tính chất: Là mơn học kỹ thuật sở nghề II Mục tiêu môn học: - Kiến thức: + Trình bày khái niệm xung điện, thông số xung điện, ý nghĩa xung điện kỹ thuật điện tử + Trình bày khái niệm kỹ thuật số, cổng logic Kí hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng thật cổng lôgic - Kỹ năng: + Giải số biểu thức logic đơn giản + Phân tích nguyên lý hoạt động số mạch số thông dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đổi, mạch ghi dịch, mạch điều khiển - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Có thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập thực công việc Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo, tác phong cơng nghiệp Có trách nhiệm đạo đức với nghề nghiệp III Nội dung môn học: Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Thời gian (giờ) Thực hành, Sớ Lý Kiể Tên chương, mục Tổng thí nghiệm, TT thuyế m số thảo luận, t tra tập Bài mở đầu: Tổng quan mạch tương tự 1 mạch số Chương 1: Đại cương kỹ thuật số 1 Chương 2: FLIP-FLOP 1 Chương 3: Mạch logic MSI Chương 4: Mạch đếm ghi Chương 5: Họ vi mạch TTL-CMOS Chương 6: Bộ nhớ 2 Chương 7: Kỹ thuật ADC - DAC 2 Cộng 45 30 12 3 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ BÀI MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ MẠCH SỐ Mã bài: MH 37-Bài mở đầu Mục tiêu bài: - Trình bày khái niệm mạch tương tự mạch số - Phân tích ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, xác Nội dung bài: Định nghĩa Mạch tương tự (còn gọi mạch Analog) Là mạch dùng để xử lý tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian Việc xử lý bao gồm vấn đề: Chỉnh lưu, khuếch đại, điều chế, tách sóng Nhược điểm mạch tương tự : - Độ chống nhiễu thấp (nhiễu dễ xâm nhập) - Phân tích thiết kế mạch phức tạp Để khắc phục những nhược điểm người ta sử dụng mạch số Mạch số (còn gọi mạch Digital) Là mạch dùng để xử lý tín hiệu số Tín hiệu số tín hiệu có biên độ biến thiên không liên tục theo thời gian hay cịn gọi tín hiệu gián đoạn, biểu diễn dạng sóng xung với mức điện cao thấp mà tương ứng với hai mức điện hai mức logic mạch số Việc xử lý bao gồm vấn đề: - Lọc số - Điều chế số /Giải điều chế số - Mã hóa 2.Ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự Ưu điểm mạch số so với mạch tương tự : - Độ chống nhiễu cao (nhiễu khó xâm nhập) - Phân tích thiết kế mạch số tương đối đơn giản Vì vậy, mạch số sử dụng phổ biến tất lĩnh vực : Đo lường số, truyền hình số, điều khiển số KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ CHƯƠNG 01: ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ Mã bài: MH 37- 01 Mục tiêu bài: - Trình bày cấu trúc hệ thống số mã số - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động cổng logic - Trình bày định luật kỹ thuật số, biểu thức toán học số - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc công việc Nội dung bài: Hệ thống số mã số 1.1 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: -1 -2 N = 199810 = 1x10 + 9x10 + 9x10 + 8x10 = 1x1000 + 9x100 + 9x10 + 8x1 N = 3,1410 = 3x10 + 1x10 +4x10 = 3x1 + 1x1/10 + 4x1/100 1.2 Hệ thống số nhị phân 1.2.1Khái niệm Hệ đếm nhị phân gọi hệ đếm số hệ đếm mà người ta sử dụng hai kí hiệu để biểu diễn tất số Hai ký hiệu gọi chung bit digit đặc trưng cho mạch điện tử có hai trạng thái ổn định hay gọi trạng thái bền FLIP- FLOP (ký hiệu FF) Một nhóm bít gọi nibble Một nhóm bít gọi byte Nhóm nhiều bytes gọi từ (word) Xét số nhị phân bít: a a a a Biểu diễn dạng đa thức theo số là: 2 a a a a = a + a + a + a 2 Trong đó: - , , , (hay 1, 2, 4, 8) gọi trọng số - a gọi bit có trọng số nhỏ nhất, hay cịn gọi bit có ý nghĩa nhỏ (LSB: Least Significant Bit) - a gọi bit có trọng số lớn nhất, hay cịn gọi bít có ý nghĩa lớn (MSB: Most Significant Bit) Như vậy, với số nhị phân bit a a a a mà mỡi chữ số a nhận hai i giá trị {0,1}, lúc ta có = 16 tổ hợp nhị phân KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Chú ý: Khi biểu diễn số nhị phân nhiều bit máy tính thì thường để tránh sai sót, người ta thường biểu diễn thơng qua số thập phân thập lục phân, bát phân Ví dụ: Có thể biểu diễn : 137376 (8) 0BEFE (H) 1.2.2 Các phép tính số nhị phân a Phép cộng Phép cộng nhị phân tiến hành dựa qui tắc cộng sau: + = nhớ 0 + = nhớ + = nhớ + = nhớ b Phép trừ Phép trừ nhị phân tiến hành dựa qui tắc trừ sau: - = mượn 0 - = mươn KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ - = mượn - = mượn c Phép nhân Phép nhân nhị phân tiến hành dựa qui tắc nhân sau: 0.0=0 0.1=0 1.0=0 1.1=1 d Phép chia Phép chia nhị phân tiến hành dựa qui tắc chia sau 0:0=0 1:1=1 1.3 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 n-1 N = an + an-18 n-2 + an-28 i -1 -2 + + ai8 +a08 + a-1 + a-2 + .+ a-m8 -m -1 Thí dụ: N = 1307,18 = 1x8 + 3x8 + 0x8 + 7x8 + 1x8 = 711,12510 1.4 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: KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ N = (anan-1an-2 .ai a0 , a-1a-2 a-m)16 (với ai∈ S16) Có giá trị là: n n-1 N = an 16 + an-116 n-2 + an-216 i -1 -2 -m + + ai16 +a016 + a-1 16 + a-2 16 + .+ a-m16 Người ta thường dùng chữ H (hay h) sau số để số thập lục phân Thí dụ: N = 20EA,8H = 20EA,816 = 2x16 + 0x16 + 14x16 + 10x16 + 8x16 -1 = 4330,510 1.5 Mã BCD 1.5.1 Khái niệm Mã BCD dùng số nhị phân bit có giá trị tương đương thay cho số hạng số thập phân Thí dụ: Số 62510 có mã BCD 0110 0010 0101 Mã BCD dùng thuận lợi : mạch điện tử đọc số BCD hiển thị đèn bảy đoạn (led LCD) hoàn toàn giống người đọc viết số thập phân Trong thực tế để mã hóa số thập phân, người ta sử dụng số nhị phân bit Việc sử dụng số nhị phân để mã hóa số thập phân gọi số BCD (Binary Code Decimal: Số thập phân mã hóa số nhị phân) 1.5.2 Phân loại Khi sử dụng số nhị phân bit để mã hóa số thập phân tương ứng với = 16 tổ hợp mã nhị phân phân biệt Do việc chọn 10 tổ hợp 16 tổ hợp để mã hóa ký hiệu thập phân từ đến mà thực tế xuất nhiều loại mã BCD khác Mặc dù tồn nhiều loại mã BCD khác nhau, thực tế người ta chia làm hai loại chính: BCD có trọng số BCD khơng có trọng số a Mã BCD có trọng số: Gồm có mã BCD tự nhiên, mã BCD số học Mã BCD tự nhiên loại mã mà trọng số thường xếp theo thứ tự tăng dần Ví dụ: Mã BCD 8421 , mã BCD 5421 Mã BCD số học loại mã mà có tổng trọng số ln ln Ví dụ: Loại mã: BCD 2421, BCD 5121, BCD 4-2-1 Suy mã BCD số học có đặc trưng: Để tìm từ mã thập phân số thập phân ta lấy bù (đảo) từ mã nhị phân số bù tương ứng Ví dụ: KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Mà số bù 3: Lấy nghịch đảo ta có: 0011 = Vậy, đặc trưng mã BCD số học có tính chất đối xứng qua đường trung gian b Mã BCD khơng có trọng số: loại mã khơng cho phép phân tích thành đa thức theo số Ví dụ: Mã Gray, Mã Gray thừa Đặc trưng mã Gray loại mã mà hai từ mã nhị phân đứng khác bit Ví dụ: → Mã Gray: Cịn mã BCD 8421: Các bảng trình bày số loại mã thông dụng: Bảng 1.1: Các mã BCD tự nhiên Bảng 1.2: Các mã BCD số học KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Bảng 1.3: BCD tự nhiên mã Gray Chú ý: Mã Gray suy từ mã BCD 8421 cách: bit 0,1 đứng sau bit (ở mã BCD 8421) chuyển sang mã Gray thì giữ nguyên, bit 0,1 đứng sau bit (ở mã BCD 8421) chuyển sang mã Gray thì đổi ngược lại, nghĩa từ bit thành bit bit thành bit Hình 1-1: Sơ đồ khối mạch nhận dạng số mã BCD + y = → a a a a số BCD 8421 + y = →a a a a số BCD 8421 Suy để nhận dạng số nhị phân bit số BCD 8421 thì ngõ y = 1, nghĩa là: bit a luôn bit a a 1 10 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Một chu kỳ viết tWC bao gồm: - tAS (Address Setup time): Thời gian thiết lập địa : Thời gian để giá trị địa ổn định bus địa lúc tín hiệu CS tác động - tW (Write time): Thời gian từ lúc tín hiệu CS tác động đến lúc dữ liệu có giá trị bus dữ liệu - tDS tDH: Khoảng thời gian dữ liệu tồn bus dữ liệu bao gồm thời gian trước (tDS) sau (tDH) tín hiệu CS khơng cịn tác động - tAH (Address Hold time): Thời gian giữ địa chỉ: từ lúc tín hiệu CS khơng cịn tác động đến lúc xuất địa Hình 6-13 Giản đồ thời gian chu kỳ viết SRAM Mở rộng dung lượng nhớ 3.1 Phương pháp mở rộng địa Như nói trên, dung lượng DRAM lớn nên phải dùng phương pháp đa hợp để chọn vị trí nhớ DRAM Mỡi vị trí nhớ chọn địa hàng cột lần lượt xuất ngã vào địa Thí dụ với DRAM có dung lượng 16Kx1, thay vì phải dùng 14 đường địa ta cần dùng đường mạch đa hợp 14 → (7 đa hợp 2→1) để chọn 14 đường địa từ CPU (Hình 6-14) Bộ nhớ có cấu trúc ma trận 128x128 tế bào nhớ, xếp thành 128 hàng 128 cột, có ngã vào ngã dữ liệu, ngã vào R / W Hai mạch chốt địa (hàng cột) ghi bit có ngã vào nối với ngã mạch đa hợp ngã nối với mạch giải mã hàng cột Các tín hiệu RAS CAS dùng làm xung đồng hồ cho mạch chốt tín hiệu Enable cho mạch giải mã Như vậy 14 bit địa từ CPU lần lượt chốt vào ghi hàng cột tín hiệu RAS CAS giải mã để chọn tế bào nhớ Vận hành hệ thống thấy rõ xét giản đồ thời gian DRAM 93 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Hình 6-14 Mở rộng địa DRAM 3.2 Phương pháp mở rộng đường liệu DRAM phải làm tươi với chu kỳ khoảng 2ms để trì dữ liệu Trong phần trước ta thấy tế bào nhớ DRAM làm tươi tác vụ đọc thực Lấy thí dụ với DRAM có dung lượng 16Kx1 (16.384 tế bào) nói trên, chu kỳ làm tươi ms cho 16.384 tế bào nhớ nên thời gian đọc mỗi tế bào nhớ phải ms/16.384 = 122 ns Đây thời gian nhỏ không đủ để đọc tế bào nhớ điều kiện vận hành bình thường Vì lý hãng chế tạo thiết kế chip DRAM cho mỗi tác vụ đọc thực tế bào nhớ, tất tế bào nhớ hàng làm tươi Điều làm giảm lượng lớn tác vụ đọc phải thực để làm tươi tế bào nhớ Trở lại thí dụ trên, tác vụ đọc để làm tươi phải thực cho 128 hàng ms Tuy nhiên để vừa vận hành điều kiện bình thường vừa phải thực chức làm tươi người ta phải dùng thêm mạch phụ trợ, gọi điều khiển DRAM (DRAM controller) IC 3242 hảng Intel thiết kế để sử dụng cho DRAM 16K (Hình 6-15) Ngã 3242 địa bit đa hợp nối vào ngã vào địa DRAM Một mạch đếm bit kích xung đồng hồ riêng để cấp địa hàng cho DRAM suốt thời gian làm tươi 3242 lấy địa 14 bit từ CPU đa hợp với địa hàng cột dùng CPU thực tác vụ đọc hay viết Mức logic áp dụng cho ngã REFRESH ENABLE ROW ENABLE xác định bit địa xuất ngã mạch controller cho bảng 94 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Hình 6-15 IC 3242 hảng Intel thiết kế để sử dụng cho DRAM 16K * Bài tập mở rộng nâng cao Tiến hành vẽ sơ đồ mạch theo yêu cầu Tính chọn linh kiện phù hợp Lắp mạch theo yêu cầu Sinh viên thực thảo luận nhóm, kết hợp kỹ tìm kiếm tài liệu tham khảo từ giáo trình internet để viết báo cáo, thuyết trình mở rộng nội dung học theo hướng dẫn giáo viên * Những nội dung cần ý bài: - Nắm vững kiến thức, khái niệm liên quan đến linh kiện điện tử kỹ thuật số * Yêu cầu đánh giá kết học tập: - Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày khái niệm vfa nguyên lý hoạt động có liên quan + Về kỹ năng: Lựa chọn linh kiện phù hợp + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác - Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm, vấn đáp, báo cáo + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ luyện tập + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Quan sát sinh viên trình học tập để đánh giá 95 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ CHƯƠNG 7: KỸ THUẬT ADC – DAC Mã bài: MH 37-06 Mục tiêu chương: - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng chuyển đổi A/D D/A - Giới thiệu số IC chuyển đổi thông dụng - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, xác Nội dung chương: Giới thiệu: Có thể nói biến đổi qua lại giữa tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số cần thiết vì: - Hệ thống số xử lý tín hiệu số mà tín hiệu tự nhiên tín hiệu tương tự: cần thiết có mạch đổi tương tự sang số - Kết từ hệ thống số đại lượng số: cần thiết phải đổi thành tín hiệu tương tự để tác động vào hệ thống vật lý thể bên ngồi (thí dụ tái tạo âm hay hình ảnh) hay dùng vào việc điều khiển sau (thí dụ dùng điện tương tự để điều khiển vận tốc động cơ) Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC) 1.1 Tổng quát chuyển đổi DAC 1.1.1 Sơ đồ khối : Điện áp nhị phân ngõ vào Điện áp tương tự ngõ Va DAC Hình 7-1: Sơ đồ khối chuyển đổi DAC Bảng 7.1: Mối quan hệ giữa đầu đầu vào Tổ hợp mã nhị phân ngõ vào 000 001 010 011 100 101 110 111 1.1.2 Dạng tín hiệu 96 Điện áp ngõ 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ V V t t a)Dạng điện áp thu b)Dạng điện áp thu sau ADC sau lọc Hình 7-2: a) Dạng điện áp thu sau ADC b) Dạng điện áp thu sau lọc 1.2 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC 1.2.1 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 thì bit LSB có giá trị là: n LSB = VFS / (2 - 1) n-1 n bit MSB = VFS / (2 - 1) Điều thể kết thí dụ Hình 7-3Đặc tuyến chuyển đổi số nhị phân bit (Hình 7-3a) 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 7-3b) Như vậy điện tương tự xem thay đổi giữa hai mã số nhị phân vào kế Thí dụ mã số nhị phân vào 000 thì 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 97 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ 1.2.2 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 vậy có sai số biến đổi gọi sai số nguyên lượng hóa =(1/2)LSB 1.2.3 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 Trong k độ phân giải (B)2 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 thì độ phân giải cao (finer resolution) 1.2.4 Độ tuyến tính (linearity) Khi điện tương tự thay đổi với số nhị phân vào ta nói mạch biến đổi có tính tuyến tính 1.2.5 Độ (accuracy) Độ (cịn gọi độ xác) tuyệt đối DAC hiệu số giữa 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 7-4) Hình 7-4: a)Dạng truyến tính b) Tuyến tính khơng 1.3.Mạch DAC dùng mạng điện trở có trị số khác 98 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Hình 7-5: Sơ đồ mạch DAC dùng mạch điện trở Trong mạch trên, thay OP-AMP điện trở tải, ta có tín hiệu dịng điện Như vậy OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện thành điện ra, đồng thời mạch cộng Ta có v0 = -RF.I = -(2 b3 + b2 + 2b1+b0)Vr.RF/2 R n-1 = -(2 n-2 bn-1 + n-1 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr.RF /2 R Nếu RF = R thì: n-1 v0 =-(2 n-2 bn-1 + n-1 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr /2 Thí dụ: 1/ Khi số nhị phân 0000 thì v0 = 1111 v0 = -15Vr / 2/ Với Vr = 5V ; R = RF = 1kΩ Ta có kết chuyển đổi sau: Bảng 7.2: Kết chuyển đổi 99 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ 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 thì cần điện trở có giá trị lớn, khó thực 1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dịng Hình 7-6: Sơ đồ mạch DAC sử dụng nguồn dòng 1.5 Mạch DAC dùng điện trở R 2R 100 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Hình 7-7: Sơ đồ mạch DAC dùng điện trở R 2R Cho RF = 2R lần lượt 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) Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) 2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC 2.1.1 Sơ đồ khối : Điện áp tương tự ngõ vào Va DAC Điện áp nhị phân ngõ Hình 7-8: Sơ đồ khối chuyển đổi ADC 2.1.2 Dạng tín hiệu : V 010 010 101 011 010 Hình 7-9: Dạng số thu t 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 101 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ 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 7-10 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 OPAMP transistor dẫn giữ giá trị khoảng thời gian transistor ngưng (tụ phóng chậm qua tổng trở vào lớn OP-AMP) Hình 7-10 Dạng mạch lấy mẫu giữ 2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang Hình 7-11: 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 7-11) 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 cịn nhỏ va, ngã mạch so sánh mức 102 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ thấp Q tiếp tục mức cao, Vr vùa vượt va ngã mạch so sánh lên cao khiến Q xuống thấp, đóng cổng AND khơng cho xung CK 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 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: 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 7-12) Nếu ngã mạch so sánh cho thấy Vr nhỏ va, mạch Logic điều khiển đếm lên ngược lai thì mạch đếm xuống Nếu va không đổi Vr dao động quanh trị va với hai trị số khác LSB Hình 7-12 Mạch đếm lên/xuống 2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp Hình 7-13: Sơ đồ 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 (Hình 7-14) 103 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ Hình 7-14: Sơ đồ mạch SAR Mạch SAR (Hình 7-14) 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 thì ngã mạch so sánh mức cao khiến SAR bỏ bit MSB có xung CK xuất hiện, Vr < va thì ngã mạch so sánh mức thấp, 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 vậy 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 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 tḥt video Thí dụ để có 104 KHOA ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ mạch đổi bit, người ta dùng mạch so sánh ngã vào mạch mã hóa ưu tiên để tạo mã số nhị phân ngõ (Hình 7-15) - Khi va < Vr /10, ngã mạch so sánh lên cao khiến mã số 000 - Khi Vr /10