Giáo trình kỹ thuật xung số (nghề điện tử dân dụng trình độ trung cấp)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin 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 Kỹ thuật xung – số mô đun sở của nghề Điện tử dân dụng biên soạn dựa theo chương trình khung đã xây dựng ban hành năm 2017 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Điện tử dân dụng hệ Trung cấp Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 120 giờ gồm có: Bài MĐ14-01: Các khái niệm Bài MĐ14-02: Mạch dao động đa hài Bài MĐ14-03: Mạch hạn chế biên độ ghim áp Bài MĐ14-04: Đại cương kỹ thuật số Bài MĐ14-05: FLIP – FLOP Bài MĐ14-06: Mạch đếm ghi Bài MĐ14-07: Mạch logic MSI Bài MĐ14-08: Họ vi mạch TTL – CMOS Bài MĐ14-09: Bộ nhớ Bài 10 MĐ14-10: Kỹ thuật ADC – DAC Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho nghề điện tử công nghiệp, điện tử, điện công nghiệp điện dân dụng Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo khơng tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến của thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hoàn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên: Đỗ Hữu Hậu Nguyễn Tuấn Khanh MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung Tác dụng của R-C đối với xung 11 3.Tác dụng của mạch R.L.C đối với xung 13 Khảo sát dạng xung (Đo, đọc thông số của xung) 14 BÀI 2: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI 16 Mạch dao động đa hài không ổn 16 Mạch đa hài đơn ổn 20 Mạch đa hài lưỡng ổn 22 Mạch Schmitt-trigger 24 BÀI 3: MẠCH HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ VÀ GHIM ĐIỆN ÁP 26 Mạch hạn biên 26 Mạch ghim áp 29 BÀI 4: ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT SỐ 34 1.Tổng quan mạch tương tự mạch số 34 Hệ thống số mã số 35 Các cổng Logic 40 Biểu thức Logic mạch điện 44 Đại số Boole định lý Demorgan 47 Đơn giản biểu thức logic 47 Giới thiệu số IC số bản: 51 BÀI 5: FLIP –FLOP 54 Flip - Flop R-S: 54 FF R-S tác động theo xung lệnh 55 Flip - Flop J-K 57 Flip - Flop T 57 Flip - Flop D 58 Flip - Flop M-S ( Master – Slaver): 58 Flip - Flop với ngõ vào Preset Clear 59 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng 60 BÀI 6: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 63 Mạch đếm 63 Thanh ghi 70 Giới thiệu số IC đếm ghi thông dụng 72 Tính tốn, lắp ráp sớ mạch ứng dụng 72 BÀI 7: MẠCH LOGIC MSI 75 Mạch mã hóa (Encoder) 75 Mạch giải mã (Decoder) 78 Mạch ghép kênh 85 Mạch tách kênh 87 Giới thiệu sớ IC mã hóa giải mã thông dụng 88 Tính tốn, lắp ráp sớ mạch ứng dụng 89 BÀI 8: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS 92 Cấu trúc thông số của TTL 92 Cấu trúc thông số của CMOS 98 3 Giao tiếp TTL CMOS 101 Giao tiếp mạch logic tải công suất 103 BÀI 9: BỘ NHỚ 107 ROM 107 RAM 114 Mở rộng dung lượng nhớ 116 Giới thiệu IC 118 BÀI 10: KỸ THUẬT ADC – DAC 120 Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 120 Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 125 Giới thiệu IC 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 137 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: MƠ ĐUN KỸ THUẬT XUNG – SỐ Mã mô đun: MĐ 14 Thời gian thực mô đun: 75 giờ; (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, tập: 57 giờ; Kiểm tra: 03 giờ) Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun:: -Vị trí: Mơ đun bớ trí dạy sau học xong mơn linh kiện diện tử, đo lường điện tử, mạch điện tử bản… -Tính chất của mơ đun: Là mô đun kỹ thuật sở -Ý nghĩa: Kỹ thuật xung môn học sở của ngành Ðiện – Ðiện tử có vị trí quan trọng tồn chương trình học của sinh viên học sinh, nhằm cung cấp kiến thức liên quan đến phương pháp để tạo tín hiệu xung biến đổi dạng tín hiệu xung, phương pháp tính tốn thiết kế cơng cụ tốn học hỗ trợ việc biến đổi, hình thành dạng xung mong muốn… Công nghệ kỹ thuật số đã đóng vai trị quang trọng cách mạng khoa học kỹ thuật công nghệ Ngày nay, cơng nghệ sớ ứng dụng rộng rãi có mặt hầu hết thiết bị dân dụng đến thiết bị công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực thông tin liên lạc, phát thanh, kỹ thuật số đã thay dần kỹ thuật tương tự Mục tiêu Mô đun: Sau học xong mơ đun học viên có lực -Về kiến thức: + Phát biểu khái niệm xung điện, hệ thông số của xung điện, ý nghĩa của xung điện kỹ thuật điện tử + Trình bày 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 của cổng lơgic + Trình bày cấu tao, nguyên lý mạch số thông dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đổi, mạch ghi dịch, mạch điều khiển - Về kỹ năng: + Lắp ráp, kiểm tra mạch tạo xung xử lí dạng xung + Lắp ráp, kiểm tra mạch số panel thực tế - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập thực công việc Nội dung mô đun: Thời gian (giờ) STT Tên mô đun Tổng số Bài 1: Các khái niệm Định nghĩa xung điện, tham Thực hành, Số TT thí nghiệm, Lý thuyết thảo luận, tập 0.5 0.5 Kiểm tra số dãy xung Tác dụng của R-C đối với xung Tác dụng của mạch R.L.C đối với xung 0.5 0.5 1 Khảo sát dạng xung Bài 2: Mạch dao động đa hài Mạch dao động đa hài không ổn 0.25 1.75 Mạch đa hài đơn ổn 0.25 1.75 Mạch đa hài lưỡng ổn 0.25 1.75 Mạch schmitt - trigger 0.25 1.75 Bài 3: Mạch hạn chế biên độ ghim áp Mạch hạn biên 0.5 1.5 Mạch ghim áp 0.5 1.5 Bài 4: Đại cương kỹ thuật số 1 Tổng quan mạch tương tự mạch số 0.25 0.25 Hệ thống số mã số 0.25 0.25 Các cổng logic 0.5 Biểu thức logic mạch điện 0.25 0.25 Đại số bool định lý Demorgan 0.25 0.25 Đơn giản biểu thức logic 0.75 0.25 Giới thiệu số IC số 0.25 0.25 0.5 0.5 Kiểm tra Bài 5: Flip – Flop Flip - Flop R-S 0.75 0.25 0.5 FF R-S tác động theo xung lệnh 0.75 0.25 0.5 Flip - Flop J -K 1.25 0.25 Flip - Flop T 1.25 0.25 Flip - Flop D 1.25 0.25 Flip - Flop M-S 1.25 0.25 Flip - Flop với ngõ vào Preset Clear 0.75 0.25 0.5 0.75 0.25 0.5 Tính tốn, lắp ráp sớ mạch ứng dụng 1 Bài 6: Mạch đếm ghi 12 Mạch đếm 0.5 3.5 Thanh ghi 0.5 3.5 1.5 0.5 1.5 0.5 Giới thiệu số IC đếm ghi thơng dụng Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng Kiểm tra Bài 7: Mạch logic MSI 16 14 Mạch mã hóa 0.5 3.5 Mạch giải mã 0.25 2.75 Mạch ghép kênh 0.25 2.75 Mạch tách kênh 0.25 2.75 Giới thiệu sớ IC mã hóa giải mã thơng dụng 0.25 0.25 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng 2.75 0.5 2.25 0.25 0.25 0.25 0.25 Giao tiếp TTL CMOS 0.25 0.25 Giao tiếp mạch logic tải cơng suất 0.25 0.25 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng Bài 9: Bộ nhớ 1 ROM 0.25 0.25 RAM 0.25 0.25 Mở rộng dung lượng nhớ 2.25 0.25 Giới thiệu IC 1.25 0.25 Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC) 2.5 0.5 2 Mạch chuyển đổi tương tự - số 2.5 0.25 2.25 Bài 8: Họ vi mạch TTL - CMOS Cấu trúc thông số của TTL Cấu trúc thông số của CMOS 10 Bài 10: Kỹ thuật ADC - DAC 1 (ADC) Giới thiệu IC Kiểm tra Cộng 75 0.25 0.75 15 57 03 BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mã bài: MĐ14-01 Giới thiệu Tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian chia làm hai loại tín hiệu liên tục tín hiệu gián đoạn Tín hiệu liên tục cịn gọi tín hiệu tuyến tính hay tương tự, tín hiệu gián đoạn cịn gọi tín hiệu xung sớ Tín hiệu sóng sin xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục, ta tính biên độ của thời điểm Ngược lại tín hiệu sóng vng xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn biên độ của có hai giá trị mức cao mức thấp, thời gian để chuyển từ mức biên độ thấp lên cao ngược lại ngắn xem tức thời Một chế độ mà thiết bị điện tử thường làm việc chế độ xung Mục tiêu: - Trình bày khái niệm xung điện, dãy xung - Giải thích tác động của linh kiện thụ động đến dạng xung - Rèn luyện tính tư duy, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung 1.1.Định nghĩa - Xung điện tín hiệu tạo nên thay đổi mức của điện áp hay dòng điện khoảng thời gian ngắn, so sánh với thời gian độ của mạch điện mà chúng tác động Thời gian độ thời gian để hệ vật lý chuyển từ trạng thái vật lý sang trạng thái vật lý khác ❖ Một số dạng xung Hình 1.1a Tín hiệu sin Asin  t Hình 1.1b Tín hiệu xung vng Hình 1.1c Tín hiệu xung tam giác 1.2.Các thông số xung điện dãy xung 1.2.1 Các thơng số xung điện Tín hiệu xung vng hình 1.2 tín hiệu xung vng lý tưởng, thực tế khó có xung vng có biên độ tăng giảm thẳng đứng vậy: u u Um 0.9Um tx Δu Um tng Um T 0.1Um t A, xung vuông lý tưởng ttr tđ tx ts t B, xung vuông thực tế Hình 1.2: Dạng xung Xung vng thực tế với đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau Các tham số biên độ Um, độ rộng xung tx, độ rộng sườn trước ttr sau ts, độ sụt đỉnh ∆u - Biên độ xung Um xác định giá trị lớn của điện áp tín hiệu xung có thời gian tồn của - Độ rộng sườn trước ttr, sườn sau ts xác định khoảng thời gian tăng thời gian giảm của biên độ xung khoảng giá trị 0.1Um đến 0.9Um - Độ rộng xung Tx xác định khoảng thời gian có xung với biên độ mức 0.1Um (hoặc 0.5Um) - Độ sụt đỉnh xung ∆u thể mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9Um đến Um ❖ Với dãy xung tuần hồn ta có tham sớ đặc trưng sau: - Chu kỳ lặp lại xung T khoảng thời gian điểm tương ứng của xung kế tiếp, thời gian tương ứng với mức điện áp cao tx mức điện áp thấp tng , biểu thức (1.1) T = tx + tng (1.1) - Tần số xung số lần xung xuất đơn vị thời gian (1.2) F= (1.2) T - Thời gian nghỉ tng khoảng thời gian trống xung liên tiếp có điện áp nhỏ 0.1Um (hoặc 0.5Um) - Hệ số lấp đầy γ tỷ số độ rộng xung tx chu kỳ xung T (1.3)  = tx T (1.3) Do T = tx + tng , vậy ta ln có   - Độ rỗng của xung Q tỷ số chu kỳ xung T độ rộng xung tx (1.4) T Q= (1.4) tx ❖ Trong kỹ thuật xung - số, sử dụng phương pháp số đới với tín hiệu xung với quy ước có trạng thái phân biệt - Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn ngưỡng UH gọi trạng thái cao hay mức “1”, mức UH thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc - Trạng thái xung (tng) với biên độ nhỏ ngưỡng UL gọi trạng thái thấp hay mức “0”, UL chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC) - Các mức điện áp dải UL < U < UH gọi trạng thái cấm 1.2.2 Dãy xung 10 Hình 10.3 DAC dùng điện trở trị số khác - Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) dùng làm cộng đảo cho tổng trọng số của bốn mức điện vào −(2n−1 bn−1 + 2n−2 b + + 2b1 + b0 )Vr RF (10.4) Ta có: V0 = − RF I = 2n−1 R - Nếu R = RF −(2n −1 bn −1 + 2n −2 b + + 2b1 + b0 )Vr V0 = − RF I = (10.5) 2n −1 1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dịng Trong thiết bị kỹ tḥt sớ đơi lúc địi hỏi q trình điều khiển dịng điện Do người ta đã tạo DAC với ngõ dịng để đáp ứng u cầu Hình 10.4 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 của chuyển mạch bị chi phối mức logic đầu vào nhị phân Hình 10.4: 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 sớ theo sớ 2, nên cường độ dịng điện có trọng sớ theo hệ sớ tổng cường độ dòng điện I0 tổng dòng của nhánh 123 I = B3 I B2 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 tḥt tốn (Op-Amp) hình 10.5 Vi I = Hình 10.5: Nối với chuyển đổi dịng thành điện - Ở hình I0 từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” của khuếch đại thuật toán Hồi tiếp âm của khuếch đại tḥt tốn buộc dịng I0 phải chạy qua RF tạo điện áp ngõ VO tính theo cơng thức: V0 = − I RF (10.7) Do VO mức điện tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân của DAC 1.5 Mạch ADC dùng điện trở R 2R Mạch DAC ta vừa khảo sát sử dụng điện trở có trọng sớ nhị phân tạo trọng sớ thích hợp cho bit vào Tuy nhiên có nhiều hạn chế thực tế Hạn chế lớn khoảng cách chênh lệch đáng kể giá trị điện trở LSB MSB, DAC có độ phân giải cao (nhiều bit) Ví dụ điện trở MSB = 1k DAC 12 bit, điện trở LSB có giá trị 2M Điều khó cho việc chế tạo IC có độ biến thiên rộng điện trở để trì tỷ lệ xác Để khắc phục nhược điểm này, người ta đã tìm mạch DAC đáp ứng yêu cầu mạch DAC mạng R/2R ladder Các điện trở mạch biến thiên khoảng từ đến Hình 10.6 mạch DAC R/2R ladder Hình 10.6: DAC R/2R ladder 124 - Từ hình 10.6 ta thấy cách xếp điện trở có hai giá trị sử dụng R 2R Dòng I0 phụ thuộc vào vị trí của chuyển mạch, đầu vào nhị phân B0B1B2B3 chi phối trạng thái của chuyển mạch Dòng I0 phép chạy qua biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện VO Điện ngõ VO tính theo cơng thức: V0 = −VREF  B (10.8) - Với B giá trị đầu vào nhị phân, biến thiên từ 0000 (0) đến 1111(15) Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC 2.1.1 Giới thiệu Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy mức điện vào tương tự sau thời gian sinh mã đầu dạng sớ biểu diễn đầu vào tương tự Tiến trình biến đổi A/D thường phức tạp nhiều thời gian tiến trình chuyển đổi D/A Do có nhiều phương pháp khác để chuyển đổi từ tương tự sang sớ Hình vẽ 10.7 sơ đồ khới của lớp ADC đơn giản Hình 10.7: Sơ đồ tổng quát lớp ADC Hoạt động của lớp ADC thuộc loại sau: - Xung lệnh START khởi đợng hoạt động của hệ thớng - Xung Clock định điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu ghi - Số nhị phân ghi DAC chuyển đổi thành mức điện tương tự VAX - Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA Nếu VAX < VA đầu của so sánh lên mức cao Nếu VAX > VA khoảng VT (điện ngưỡng), đầu của so sánh x́ng mức thấp ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ghi Tại thời điểm VAX xấp xỉ VA giá dtrị nhị phân ghi đại lượng số tương đương VAX đại lượng số tương đương VA, giới hạn độ phân giải độ xác của hệ thớng - Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO chu kỳ chuyển đổi kết thúc Tiến trình có nhiều thay dổi đới với số loại ADC khác, chủ yếu khác cách thức điều khiển sửa đổi số nhị phân ghi 2.1.2 Các tiêu kỹ thuật chủ yếu ADC - Độ phân giải 125 Độ phân gải của ADC biểu thị số bit của tín hiệu sớ đầu Sớ lượng bit nhiều sai sớ lượng tử nhỏ, độ xác cao - Dải động, điện trở đầu vào Mức logic của tín hiệu sớ đầu khả chịu tải (nới vào đầu vào) - Độ xác tương đới Nếu lý tưởng hóa tất điểm chuyển đổi phải nằm đường thẳng Độ xác tương đối sai số của điểm chuyển đổi thực tế so với đặc tuyến chuyển đổi lý tưởng Ngồi cịn u cầu ADC khơng bị bit tồn phạm vi cơng tác - Tớc độ chuyển đổi Tốc độ chuyển đổi xác định thời gian thời gian cần thiết hoàn thành lần chuyển đổi A/D Thời gian tính từ xuất tín hiệu điều khiển chuyển đổi đến tín hiệu sớ đầu đã ổn định - Hệ số nhiệt độ Hệ số nhiệt độ biến thiên tương đới tín hiệu sớ đầu nhiệt độ biến đổi 10C phạm vi nhiệt độ công tác cho ph ép với điều kiện mức tương tự đầu vào không đổi - Tỉ số phụ thuộc công suất Giả sử điện áp tương tự đầu vào không đổi, nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu sớ đầu lớn tỉ số phụ thuộc nguồn lớn - Công suất tiêu hao 2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung thực qua bước bản, là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lượng tử hóa mã hóa Các bước ln ln kết hợp với q trình thớng 2.2.1 Định lý lấy mẫu Đới với tín hiệu tương tự VI tín hiệu lấy mẫu VS sau q trình lấy mẫu khơi phục trở lại VI cách trung thực điều kiện sau thỏa mản: f s  f max (10.9) Trong đó: - fS : tần sớ lấy mẫu - fmax : giới hạn của giải tần số tương tự Hình 10.8: Biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào Nếu biểu thức (10.8) thỏa mản ta dùng tụ lọc thơng thấp để khơi phục VI từ VS Vì lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu sớ tương ứng cần có thời gian định nên phải nhớ mẫu khoảng thời gian cần thiết sau lần lấy mẫu Điện áp tương tự đầu vào thực chuyển đổi A/D thực tế giá trị VI đại diện, giá trị kết của lần lấy mẫu Hình 10.8: Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào 126 2.2.2 Lượng tử hóa mã hóa Tín hiệu sớ khơng rời rạc thời gian mà cịn khơng liên tục biến đổi giá trị Một giá trị của tín hiệu sớ phải biểu thị bội sớ ngun lần giá trị đơn vị đó, giá trị nhỏ chọn Nghĩa dùng tín hiệu sớ biểu thị điện áp lấy mẫu phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội sớ ngun lần giá trị đơn vị Q trình gọi lượng tử hóa Đơn vị chọn theo qui định gọi đơn vị lượng tử, kí hiệu D Như vậy giá trị bit của LSB tín hiệu sớ D Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu sớ mã hóa Mã nhị phân có sau q trình tín hiệu đầu của chuyên đổi A/D 2.2.3 Mạch lấy mẫu nhớ mẫu Khi nối trực tiếp điện tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến đổi bị tác động ngược điện tương tự thay đổi tiến trình biến đổi Ta cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi cách sử dụng mạch lấy mẫu nhớ mẫu để ghi nhớ điện tương tự không đổi chu kỳ chuyển đổi diễn Hình 7.9 sơ đồ của mạch lấy mẫu nhớ mẫu Hình 10.9: Mạnh lấy mẫu nhớ mẫu Khi đầu vào điều khiển = lúc chuyển mạch đóng mạch chế độ lấy mẫu Khi đầu vào điều khiển = lúc chuyển mạch hở mạch chế độ giữ mẫu Chuyển mạch đóng thời gian đủ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dịng điện của tín hiệu tương tự Ví dụ chuyển mạch đóng thời điểm t0 đầu A1 nạp nhanh tụ Ch lên đến điện tương tự V0 chuyển mạch mở tụ Ch trì điện để đầu của A2 cung cấp mức điện cho ADC Bộ khuếch đại đệm A2 đặt trở kháng cao đầu vào nhằm không xả điện tụ cách đáng kể thời gian chuyển đổi của ADC ADC chủ yếu nhận đựơc điện DC vào, tức V0 Trong thực tế người ta sử dụng vi mạch LF198 (hình 10.10) mạch S/H tích hợp có thời gian thu nhận liệu tiêu biểu 4ms ứng với Ch = 1000pF, 20ms ứng với Ch = 0.01mF Tín hiệu máy tính sau mở chuyển mạch phép Ch trì giá trị của cung cấp mức điện tương tự tương đối ổn định đầu A2 Hình 10.10: Sơ đồ chân LF198 127 2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 2.3.1 Sơ đồ khối Phiên đơn giản của lớp ADC hình 10.7 sử dụng đếm nhị phân làm ghi cho phép xung nhịp đẩy đếm tăng bước, V AX > VA Đây gọi ADC sóng dạng bậc thang, dạng sóng VAX có bậc lên Người ta gọi ADC loại đếm Sơ đồ biểu diễn ADC dạng sóng bậc thang Hình 10.11: DAC dạng sóng bậc thang Các thành phần của DAC dạng sóng bậc thang hình 10.11 gồm: đếm, DAC, so sánh tương tự, cổng NAND ngõ vào điều khiển Đầu của so sánh dùng làm tín hiệu EOC (End Of Conversion – kết thúc chuyển đổi) 2.3.2 Hoạt động ADC dạng sóng bậc thang Giả sử VA, tức mức điện cần chuyển đổi dương tiến trình hoạt động diển sau: - Xung Khởi Động đưa vào để Reset đếm Mức cao của xung Khởi Động cấm không cho xung nhịp qua cổng AND vào đếm - Nếu đầu của DAC tồn bit đầu của DAC VAX = 0V Vì VA>VAX nên đầu so sánh EOC lên mức cao - Khi xung Khởi Động thấp cổng AND cho phép xung nhịp qua cổng vào đếm - Khi giá trị đếm tăng lên đầu DAC VAX tăng lần bậc, minh họa hình 10.11 - Tiến trình tiếp tục VAX lên đến bậc vượt VA khoảng VT Tại thời điểm ngõ của so sánh EOC thấp cấm không cho xung nhịp vào đếm nên đếm ngừng đếm Tiến trình chuyển đổi hồn tất tín hiệu EOC chuyển từ trạng thái cao xuống thấp nội dung của đếm biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào VA Bộ đếm trì giá trị sớ xung Khởi Động vào bắt đầu tiến trình chuyển đổi 2.3.3 Độ phân giải độ xác ADC dạng sóng bậc thang Trong ADC dạng sóng bậc thang có nhiều yếu tớ ảnh hưởng đến sai sớ của q trình chuyển đổi như: kích cở bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài đơn vị nhỏ Nếu giảm kích cở bậc thang ta hạn chế bớt sai sớ ln có khoảng cách chênh lệch đại lượng thức tế và giá trị gán cho Đây gọi sai sớ lượng tử 128 Cũng DAC, độ xác khơng ảnh hưởng đến độ phân giải lại tùy thuộc vào độ xác của linh kiện mạch như: so sánh, điện trở xác chuyển mạch dịng của DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang) cho biết kết từ ADC sai biệt khoảng thế, linh kiện khơng lý tưởng Ví dụ Giả sử ADC dạng sóng bậc thang hình 11 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 của chuyển đổi Bài giải: a DAC có đầu vào 10 bit đầu cực đại = 10.23V nên ta tính tổng sớ bậc thang có là: 210 – = 1023 Suy kích cở bậc thang là: 10.23V = 10mV 1023 Dựa thông số 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 vậy phải có sớ bậc: 3.728 = 372,8  373 bậc 10 ći tiến trình chuyển đổi, đếm trì sớ nhị phân tương đương 37310, tức 0101110101 Đây giá trị số tương đương của VA = 3.728V ADC tạo nên b Ḿn hồn tất q trình chuyển đổi địi hỏi dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc, có nghĩa 373 xung nhịp áp với tốc độ xung 1ms, tổng thời gian chuyển đổi 373ms c Độ phân giải của ADC với kích thước bậc thang của DAC tức 10mV Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm là: x100% = 0.1% 1023 2.3.4 Thời gian chuyển đổi Thời gian chuyển đổi khoảng thời gian điểm cuối của xung khởi động đến thời điểm kích hoạt đầu của EOC Bộ đếm bắt đầu đếm từ lên VAX vượt q VA, thời điểm EOC x́ng mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đổi Như vậy giá trị của thời gian chuyển đổi tC phụ thuộc vào VA Thời gian chuyển đổi cực đại xảy VA nằm bậc thang cao Sao cho VAX phải tiến lên bậc ći để kích hoạt EOC - Với chuyển đổi N bit, ta có: - tC(max) = (2N – 1) chu kỳ xung nhịp ADC hình 10.11 có thời gian chuyển đổi cực đại - tC(max) = (210 – 1)x1ms = 1023ms Đơi thời gian chuyển đổi trung bình quy định ½ thời gian chuyển đổi cực đại 129 Với chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có: tc (avg ) = tc (max)  N −1 chu kỳ xung nhịp ( 10.11) Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với bit thêm vào đếm Do vậy ADC loại khơng thích hợp với ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi tín hiệu tương tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số Tuy nhiên với ứng dụng tốc độ chậm chất tương đới đơn giản của ADC dạng sống bậc thang ưu điểm so với loại ADC khác 2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp Bộ chuyển đổi gần lấy liên tiếp ( Successive Approximation Convetr SAC) loại ADC thơng dụng SAC có sơ đồ phức tạp nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang Ngồi SAC cịn có giá trị tC cớ định, khơng phụ thuộc vào giá trị của đầu vào tương tự Hình 10.12: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ Hình 10.12 cấu hình của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng sóng bậc thang Tuy nhiên SAC không sử dụng đếm cung cấp đầu vào cho DAC mà thay vào ghi Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu ghi theo bit dử liệu ghi biến thành giá trị số tương đương với đầu vào tương tự VA phạm vi độ phân giải của chuyển đổi Ví dụ SAC bit có độ phân giải 20mV Với đầu vào tương tự 2.17V, hãy tính đầu sớ tương ứng Giải Số bậc của SAC: 2.17 = 108.5 20mV Như vậy bậc thứ 108 có VAX = 2,16V, bậc 109 có VAX = 2.18V SAC ln sinh đầu VAX cuối bậc thang bên VA Do vậy, trường hợp VA = 2.17, đầu số 10810 = 011011002 Thời gian chuyển đổi 130 Logic điều khiển đếm bit ghi, gán cho nó, định có cần trì chúng mức hay khơng chuyển sang bit Thời gian xử lý bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, nghĩa tổng thời gian chuyển đổi của SAC N bit N chu kỳ xung nhịp Ta có: tC cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp Thời gian chuyển đổi bất chấp giá trị của VA Điều đo logic điều khiển phải xử lý bit dể xem có cần đến mức hay khơng Ví dụ So sánh thời gian chuyển đổi của ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang SAC 10 bit Giả thiết hai áp dụng tần số xung nhịp 500kHz Giải - Với ADC dạng sóng bậc thang, thời gian cực đại là: (2N – 1) x (1 chu kỳ xung nhịp) = 1023 x 2ms = 2046ms - Với SAC, thời gian chuyển đổi 10 chu kỳ xung nhịp tức 10 x 2ms = 20ms Vậy với SAC thời gian chuyển đổi nhanh gấp 100 lần ADC dạng sóng bậc thang 2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song Xét biến đổi bit thực theo phương pháp song song hình 10.13 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 trạng thái bên cho quan hệ trạng thái của so sánh với số nhị phân tương ứng Nếu điện áp vào bị thay đổi nhận kết sai mã hố ưu tiên khơng thể đấu trực tiếp đến lối của so sánh Ta hãy xét đến chẳng hạn việc chuyển từ số sang sớ (do đó, mã nhị phân từ 011 đến 100) Nếu bit già thời gian trễ giảm mà thay đổi trạng thái của sớm bít khác xuất số 111, tức số Trị số sai tương ứng với nửa dải đo Bởi kết biến đổi A/D, đã biết, ghi vào nhớ, vậy tồn xác xuất định để nhận trị sớ 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 đã hạn chế tần sớ cho phép của điện áp vào, cần phải có thời gian xác lập cho mạch nhớ - trích mẫu Ngồi khơng thể loại bỏ hồn toàn xác xuất thay đổi trạng thái của so sánh, mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có độ trơi đáng kể 131 Hình 10.13: 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 của 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 đã thấy rõ bảng 1, so sánh xác lập trạng thái “1” theo trình tự từ lên Trình tự không đảm bảo sườn xung dựng đứng Bởi có khác thời gian trễ của so sánh nên chuyển sang trình khác Trong tình h́ng xác định, trạng thái q độ ghi vào trigơ sườn xung khởi động trigơ sườn tín hiệu trùng Tuy nhiên, mã hoá ưu tiên đã cho phép tránh điều nhờ tính chất là: khơng ý đến bít trẻ “1” Sự biến đổi trạng thái biến đổi A/D song song tuỳ thuộc vào điện áp lối vào theo bảng sau Số thập phân Điện áp vào Trạng thái của so sánh Số nhị phân tương ứng Ue/ULSB K K K K K K K Z2 Z1 Z0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 132 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 của so sánh, điểm bắt đầu của xác định sườn xung khởi động Sự khác thời gian trễ đã gây độ bất định thời gian(khe) của mẫu Để giảm nhỏ trị sớ của đến mức đã 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 Giới thiệu IC Hiện thị trường có nhiều loại IC có chức chuyển đổi từ sớ sacng tương tự Ở giới thiệu loại IC thơng dụng, loại khác bạn đọc tham khảo Datasheet hay Internet IC AD7524 IC AD7524 ( IC CMOS) IC chuyên dụng dùng để chuyển đổi từ số sang tương tự AD7524 chuyển đổi D/A bit, dùng mạng R/2R ladder Có sơ đồ bên hình 10.14 Hình 10.14: Sơ đồ bên IC AD7524 AD7524 có đầu vào bit, bị chớt điều khiển của đầu vào CHỌN CHIP ( CS ) đầu vào ghi ( WR ) hai đầu vào điều khiển mức thấp, đầu vào liệu D7 ÷ D0 sinh dịng tương tự OUT1 OUT2 (thường OUT2 nối đất) Nếu hai đầu vào điều khiển lên cao lúc liệu vào bị chốt lại đầu tương tự trì mức ứng với liệu sớ bị chớt Những thay đổi đầu vào không tác động đến ngõ tương tự OUT1 trạng thái chốt Các thông số của IC liệt kê bảng sau: Bảng thông số của IC DA7524 VDD = 5V VDD = 15V Đơn vị MIN NOM MAX MIN NOM MAX Điện áp nguồn cấp, VDD 4,75 5,25 14,5 15 15,5 V Điện áp tham chiếu, Vref +10 +10 V Điện áp đầu vào mức 2,4 13,5 V cao, VIH 133 Điện áp đầu vào mức 0,8 1,5 V thấp, VIL 40 40 ns CS thời gian cài đặc, tSU(CS) 0 ns CS thời gian giữ, th(CS) Cài đặc thời gian liệu 25 25 ns đầu vào, tSU(CS) Giữ thời gian liệu 10 10 ns đầu vào, tSU(CS) 40 ns Chu kỳ xung, WR low, 40 tw(WR) Nhiệt độ môi trường -55 125 -55 125 C hoạt động, TA Quan hệ ngõ vào ngõ tương ứng trình bày bảng sau: Bảng quan hệ ngõ vào ngõ Đầu vào số (Digital input) Đầu tương tự (Xem ý 1) (Analog output) MSB LSB 11111111 -Vref (255/256) 10000001 -Vref (129/256) 10000000 -Vref (128/256) = -Vref /2 01111111 -Vref (1/256) 00000000 Chú ý 1: LSB = 1/256 (Vref ) Bảng quan hệ ngõ vào ngõ Đầu vào số (Digital input) Đầu tương tự (Xem ý 2) (Analog output) MSB LSB 11111111 Vref (127/128) 10000001 Vref (128) 10000000 01111111 -Vref (128) 00000001 -Vref (127/128) 00000000 -Vref Chú ý 2: LSB = 1/128 (Vref ) Ứng dụng của IC AD7524 thường dùng giao tiếp với vi xử lý vi điều khiển để chuyển đổi tín hiệu sớ sang tương tự nhằm điều khiển đối tượng cần điều khiển Sau số ứng dụng của IC AD7524 giao tiếp với IC khác hình 10.15 134 Hình 10.15a: Giao tiếp AD7524 với 6800 Hình 10.15b: Giao tiếp AD7524 với 8051 Hình 10.15c: Giao tiếp AD7524 với Z-80A YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 10 Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày khái niệm, cấu trúc thông số mạch chuyển đổi số - tương tự mạch tương tự - số, hiểu chức của họ của IC 135 + Về kỹ năng: sử dụng thành thạo dụng cụ đo để đo chân tín hiệu điện áp ngõ vào – của IC, lắp ráp số mạch bản, + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp Phương pháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành đo thông số mạch điện theo yêu cầu của bài, lắp ráp số mạch + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác, ngăn nắp công việc 136 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 137