Giáo trình kỹ thuật điện – điện tử (nghề quản trị mạng trình độ cao đẳng)

TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT 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 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT LỜI GIỚI THIỆU Kỹ thuật điện – điện tử mô đun sở c a nghề Quản trị mạng máy tính biên soạn dựa theo chương tr nh khung đ x y dựng an hành n m 2017 c a trư ng Cao đ ng nghề C n Thơ dành cho nghề Quản trị mạng máy tính tr nh độ Cao đ ng Giáo tr nh biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo tr nh đ xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, ài học c thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ ph n l thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đ dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo tr nh c cập nhật kiến thức c liên quan để phù hợp với nội dung Bài trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu c u thực tế Nội dung giáo tr nh biên soạn với lượng th i gian đào tạo 90 gi gồm có: Bài 1: Các khái niệm định luật ản mạch điện Bài 2: Linh kiện điện tử Bài 3: Các module chức n ng Bài 4: Các mạch điện tử ứng dụng Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu c u khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh th i gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập c a ài để ngư i học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ n ng Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sơ vật chất trang thiết bị, trư ng có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù đ cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đ ng g p ý kiến c a th y, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện C n Thơ, ngày 16 tháng 04 n m 2018 Tham gia biên soạn Chủ biên Đ H u Hậu Nguyễn Tuấn Khanh TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC MÔ ĐUN KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ B I C C KH I NIỆM V ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.Điện tích Mạch điện đại lượng đặc trưng Các định luật ản mạch điện B I 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 13 Điện trở 13 Tụ điện 15 Cuộn cảm 16 Diode 17 Transistor 27 Thyristor 44 BÀI 3: CÁC Module CHỨC NĂNG 58 Mạch chuyển đổi BCD (Module BCD) 58 Mạch tách kênh, chọn kênh (Module Mux) 63 Mạch chuyển đổi A/D, D/A (Module D/A, A/D) 69 Mạch ghi dịch (Module Resgistor) 73 Rom (Module Rom) 78 BÀI 4: CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 84 Mạch Flip-Flop 84 Bộ đếm 90 Mạch ghi dịch 95 Mạch AD-DA 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT MÔ ĐUN KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Tên mô đun KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Mã mơ đun MĐ 33 Vị trí, tính chất, ý nghĩa, vai trị mơ đun Vị trí: Mơ đun bố trí sau mơ đun chung Học trước mơn học/ mơ đun đào tạo chun ngành Tính chất: Là mô đun tiền đề cho môn học chuyên ngành, mơ đun buộc Ý nghĩa, vai trị mô đun: Là mô đun cung cấp kiến thức ản linh kiện điện tử, kỹ thuật số mạch điện tử, mạch số ứng dụng ản Mục tiêu mơđun Trình bày xác khái niệm, kí hiệu qui ước, tính chất, nguyên lý làm việc tượng điện điện tử phạm vi sử dụng c a linh kiện điện tử thơng dụng + Tr nh ày xác định luật, đại lượng ản c a mạch điện + Nhận diện, kiểm tra hiểu nguyên lý hoạt động c a linh kiện điện tử + Chọn lựa, sử dụng ch ng loại mỏ hàn thực hàn mối hàn tốt không gây hư hỏng linh kiện điện tử + Lắp mạch điện, điện tử ản + Bố trí làm việc khoa học đảm bảo an tồn cho ngư i phương tiện học tập Nội dung môđun Thời gian Số Thực Kiểm tra * Tên chƣơng, mục Tổng Lý TT hành Bài (LT số thuyết tập hoặcTH) I Các khái niệm định luật 14 mạch điện Điện tích 2 Mạch điện đại lượng đặc trưng Các định luật ản mạch điện II III Linh kiện điện tử Điện trở Tụ điện Cuộn cảm Diode Transistor Thyristor Các module chức Module Mux Module BCD Module D/A Module Resgistor Module Rom 22 4 3 4 1 1 14 2 25 6 5 2 16 4 1 1 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT IV Các mạch điện tử ứng dụng Mạch FLIP_FLOP Mạch đếm Mạch ghi dịch Mạch A/D - D/A Cộng 29 7 2 18 5 90 30 56 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT B I : C C KH I NIỆM V ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mã ài MĐ -01 Giới thiệu: Mạch điện khái niệm quan trọng sử dụng rộng r i điện- điện tử nói chung, học sinh c n có kiến thức khái niệm định luật mạch điện để phân tích, nghiên cứu mạch điện Mục tiêu: - Tr nh ày khái niệm ản, định luật mạch điện; - Ứng dụng định luật để ph n tích mạch điện ản; - Thực thao tác an toàn với mạch điện tử Nội dung chính: Điện tích Cơ sở vật chất Nguyên tử hạt ản cấu tạo nên vật chất, đơn vị nhỏ c đ y đ tính chất c a chất Chúng có khối lượng, kích thước nhỏ é c cấu tạo phức tạp Cấu tạo c a nguyên tử gồm: Hạt nh n: Tích điện dương (+), chiếm g n trọn khối lượng c a nguyên tử, chứa hạt ch yếu proton neutron Lớp vỏ điện tử: tích điện âm (-), khối lượng khơng đáng kể, chứa hạt electron Hình 1.1 Cấu tạo nguyên tử B nh thư ng số lượng điện tích dương nh n ằng số lượng điện tích âm c a điện tử ao quanh, ngư i ta nói nguyên tử trung hòa điện .2 Định luật Coublong lực tƣơng tác gi a hai điện tích Những vật nhiễm điện gọi điện tích Có loại điện tích: điện tích dương điện tích m Các điện tích dấu th đẩy điện tích trái dấu hút Những vật nhiễm điện c kích thước nhỏ ta gọi chúng điện tích điểm Định luật Coulomb: Độ lớn c a lực tương tác hai điện tích điểm tỉ lệ với tích độ lớn c a hai điện tích đ tỉ lệ nghịch với nh phương khoảng cách chúng Phương c a lực tương tác hai điện tích điểm đư ng th ng nối hai điện tích điểm đ Hai điện tích điểm dấu th đẩy nhau, hai điện tích điểm khác dấu hút Biểu thức: | | Trong đ : k: hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào hệ đơn vị, hệ SI: TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT q1 q2: điện tích (C) r: khoảng cách q1 q2 (m2) ɛ: Hằng số điện môi c a môi trư ng (Chân ɛ = 1) Hằng số điện mơi c a mơi trư ng cho biết: đặt điện tích môi trư ng đ th lực tương chúng giảm ao nhiêu l n so với chúng đặt chân không Mạch điện đại lƣợng đặc trƣng 2.1 Dòng điện Dòng diện dòng electron tự chuyển d i theo hướng vật dẫn điện lực hút c a vật mang điện tích dương lực đẩy c a vật mang điện tích m Đại lượng đặc trưng cho dịng điện cư ng độ dòng điện Cư ng độ dòng điện qua bề mặt lượng electron di chuyển qua bề mặt đ đơn vị th i gian, hay n i cách khác cư ng độ dịng điện tỉ số điện tích Q c a lượng electron di chuyển th i gian t Trong hệ SI, cư ng độ dòng điện c đơn vị ampe (A) Ta có cơng thức: Q: điện tích (culơng-C) I: cư ng độ dịng điện (ampe - A) t: th i gian (giây- s) Tuy nhiên, mạch điện tử th cư ng độ dịng điện có trị số A lớn nên ngư i ta thư ng dùng ước số c a A là: 1mA = 10-3 A µA = 10-3 mA = 10-6 A 2.2 Điện áp Khái niệm điệp áp rút từ khái niệm điện vật lý, hiệu số điện hai điểm khác c a mạch điện Thư ng điểm đ c a mạch chọn làm điểm gốc c điện (điểm nối đất) Khi đ , điện c a điểm khác mạch có giá trị dương hay m mang so sánh với điểm gốc hiểu điện áp điểm tương ứng Trong hệ SI, điện áp c đơn vị voltage (V) 1KV = 103 V 1V = 103 mV 1mV = 103 µA 2.3 Nguồn điện Nguồn điện chiều nguồn điện phát dòng điện chiều, dòng điện có chiều xác định Các nguồn điện chiều là: pin, ắc quy, hay chỉnh lưu Dung lượng điện áp đ nạp chứa nguồn gọi điện lượng Kí hiệu Q, đơn vị Ampe gi (Ah) Th i gian sử dụng c a nguồn tùy thuộc cư ng độ dòng điện tiêu thụ, tính theo cơng thức: Q: điện lượng (Ah) TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT I: cư ng độ dòng điện (A) t: th i gian (h) Pin Có nhiều loại pin, c hai loại pin thông dụng pin khô (không nạp lại được) pin Nicken- Cadmi (Ni- Cd), loại pin có khả n ng nạp lại nhiều l n Pin khơ có cỡ, thư ng gọi là: + Pin đại có V = 1,5V; Q = 4Ah + Pin trung có V = 1,5V; Q = 2,5Ah + Pin tiểu có V = 1,5V; Q = 0,5Ah Pin Nicken- Cadmi (Ni- Cd) c điện áp 1,2V điện lượng lớn hay nhỏ tùy thuộc kích thước pin Ắc quy Có hai loại ắcquy ắcquy chì ắcquy kiềm: Ắcquy chì có điện cực chì nhúng dung dịch axít sunfuric (H2SO4) Ắcquy kiềm c điện cực làm sắt kền, nhúng dung dịch Pôtáthidroxit (KOH) Mỗi đơn vị c a ắcquy (mỗi hộc) c điện áp 2V, có nhiều hộc ghép nối tiếp Ắcquy có khả n ng nạp lại nhiều l n có tuổi thọ 1- n m tùy chất lượng cách sử dụng Các định luật ản mạch điện 3.1 Định luật Ohm Định luật: Cư ng độ dòng điện đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp hai đ u đoạn mạch tỷ lệ nghịch với điện trở c a đoạn mạch đ Công thức: Trong đ : I: cư ng độ dòng điện (A) U: hiệu điện hai đ u đoạn mạch (V) R: điện trở c a đoạn mạch (Ω) 2.Định luật Kirchhoff (Định luật Kirchhoff dòng điện) Một mạch điện gồm hai hay nhiều ph n tử nối với nhau, ph n tử mạch tạo thành nhánh Giao điểm c a hai hay nhiều nhánh gọi nút R1 v(t) L C R2 Hình 1.2 Nếu xem ph n tử mạch nhánh mạch gồm nhánh nút Nếu xem nguồn hiệu nối tiếp với R1 nhánh ph n tử L R2 nhánh (trên ph n tử c dịng điện chạy qua) mạch gồm nhánh nút Cách giúp việc giải mạch đơn giản TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Định luật Kirchhoff 1: Tổng đại số dịng điện nút khơng ∑ Trong đ : ij: dòng điện nhánh gặp nút j Với qui ước: Dịng điện r i khỏi nút có giá trị m dịng điện hướng vào nút có giá trị dương (hay ngược lại) i1 i2 A i4 i3 Hình 1.3 Theo định luật Kirchhoff 1, ta c phương tr nh nút A: i1 + i - i + i = Nếu ta qui ước dấu ngược lại ta kết quả: - i - i + i - i =0 Hay ta viết: i3=i1+i2+i4 Ta có phát biểu khác c a định luậtKirchhoff 1: Tổng dòng điện chạy vào nút tổng dòng điện chạy khỏi nút đ Định luật Kirchhoff dòng điện hệ c a ngun lý bảo tồn điện tích: Tại nút điện tích khơng sinh khơng ị .Định luật Kirchhoff (Định luật Kirchhoff điện thế) Định luật Kirchhoff 2: Tổng đại số hiệu c a nhánh theo vịng kín khơng ∑ () Để áp dụng định luật Kirchhoff 2, ta chọn chiều cho vòng dùng qui ước: Hiệu có dấu (+) theo vịng theo chiều giảm c a điện (tức gặp cực dương trước) ngược lại Định luật Kirchhoff hiệu viết cho vịng abcd c a hình vẽ sau: b v2 c v1 v3 a d Hình 1.4 Ta c thể viết định luật Kirchhoff cho mạch cách chọn hiệu điểm xác định hiệu đ theo đư ng khác c a vòng: TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Định luật Kirchhoff hiệu hệ c a ngun lý bảo tồn n ng lượng: Cơng đư ng cong kín khơng Bài tập thực hành c a học viên Bài 1: Cho mạch điện có sơ đồ h nh vẽ: i1 U1 R1 i6 (a) e1 C U2 A (d) R2 (b) e2 U6 R6 U5 U4 i4 i2 D R4 (c) R3 U3 B i5 R5 i3 H nh Viết phương tr nh dòng điện nút A,B,C,D Viết phương tr nh điện áp cho vòng mạch (a),(b),(c),(d) Bài 2: Cho mạch điện c sơ đồ h nh vẽ: Tính dịng áp 10Ω 60Ω 30Ω 4,5v Hình 1.6a i1 8Ω 30 i2 3Ω Hình 1.6b 10 i3 6Ω TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT hoạt động theo xung nhịp ck Có thể lấy ngõ t ng FF (gọi ngõ song song) hay t ng cuối (ngõ nối tiếp) Như mạch ghi lại liệu (nhớ) dịch chuyển (truyền) nên mạch gọi ghi dịch Ghi dịch c nhiều ứng dụng đặc biệt máy tính, tên c a n : lưu trữ liệu dịch chuyển liệu ứng dụng bật Mạch AD-DA 4.1 Mạch chuyển đổi số sang tƣơng tự (DAC) 4.1.1 Tổng chuyển đổi DAC Trong kỹ thuật số, ta thấy đại lượng số có giá trị xác định hai khả n ng 1, cao hay thấp, sai, vv… Trong thực tế thấy đại lượng số (ch ng hạn mức điện thế) thực có giá trị nằm khoảng xác định ta định rõ giá trị phạm vi xác định có chung giá trị dạng số Ví dụ: Với logic TTL ta có: Từ 0V đến 0,8V mức logic 0, từ 2V đến 5V mức logic Như mức điện nằm khoảng – 0,8V mang giá trị số logic 0, điện nằm khoảng – 5V gán giá trị số Ngược lại kỹ thuật tương tự, đại lượng tương tự lấy giá trị khoảng giá trị liên tục Và điều quan trọng giá trị xác c a đại lượng tương tự là yếu tố quan trọng H u hết tự nhiên đại lượng tương tự nhiệt độ, áp suất, cư ng độ ánh sáng, … Do đ muốn xử lý hệ thống kỹ thuật số, ta phải chuyển đổi sang dạng đại lượng số xử l điều khiển hệ thống Và ngược lại có hệ thống tương tự c n điều khiển phải chuyển đổi từ số sang tương tự Trong ph n tìm hiểu trình chuyển đổi từ số sang tương tự -DAC (Digital to Analog Converter) Chuyển đổi số sang tương tự tiến trình lấy giá trị biểu diễn dạng mã số (digital code ) chuyển đổi thành mức điện dòng điện tỉ lệ với giá trị số Hình 4.28 minh họa sơ đồ khối c a chuyển đổi DAC Hình 4.28: Sơ đồ khối DAC 4.1.2 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC 4.1.2.1 Độ phân giải Độ phân giải (resolution) c a biến đổi DAC định nghĩa thay đổi nhỏ xảy đ u tương tự kết qua c a thay đổi đ u vào số Độ phân giải c a DAC phụ thuộc vào số it, đ nhà chế tạo thư ng ấn định độ phân giải c a DAC dạng số it DAC 10 it c độ phân giải tinh DAC it DAC có nhiều it th độ phân giải tinh 99 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Độ phân giải trọng số c a LSB Cịn gọi kích thước bậc thang (step size), v đ khoảng thay đổi c a Vout giá trị c a đ u vào số thay đổi từ ước sang ước khác Độ phân giải = kích bậc thang = 1V Hình 4.29 Dạng sóng bậc thang DAC Dạng sóng bậc thang (hình 4.29) có 16 mức với 16 thạng thái đ u vào có 15 bậc mức mức cực đại Với DAC có N bit tổng số mức khác 2N, tổng số bậc 2N – - Do đ độ phân giải với hệ số tỷ lệ mối quan hệ đ u vào đ u c a DAC Đ u tương tự = K x đ u vào số + Với K mức điện (hoặc cư ng độ dòng điện) bậc - Như ta có cơng thức tính độ phân giải sau: Afs x 100 0 (10.1) Độ phân giải K  N 1 Với : - Afs đ u cực đại (đ y thang) - N số bit - K: mức điện (hoặc cư ng độ dòng điện) bậc - Nếu tính theo ph n tr m ta c công thức sau: A x 100 0 (10.2) %  Afs Trong đ : - % : % độ phân giải c a DAC - A: Kích thước bậc thang - Afs : Đ u cực đại (đ y thang) 4.1.2.2 Độ xác - Có nhiều cách đánh giá độ xác Hai cách thơng dụng sai số tồn thang (full scale error) sai số tuyến tính (linearity error) thư ng biểu biễn dạng ph n tr m đ u cực đại (đ y thang) c a chuyển đổi - Sai số toàn thang khoảng lệch tối đa đ u DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng), biểu diễn dạng ph n tr m - Sai số tuyến tính khoảng lệch tối đa kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang l tưởng Điều quan trọng c a DAC độ xác độ phân giải phải tương thích với 4.1.2.3 Sai số lệch 100 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT - Theo l tưởng th đ u c a DAC 0V tất đ u vào nhị phân toàn bit Tuy nhiên thực tế mức điện cho trư ng hợp nhỏ, gọi sai số lệch ( offset error) Sai số không điều chỉnh cộng vào đ u DAC dự kiến tất trư ng hợp - Nhiều DAC có tính n ng điều chỉnh sai số lệch bên ngoài, cho phép triệt tiêu độ lệch cách áp bit đ u vào DAC theo dõi đ u Khi đ ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch đ u 0V 4.1.2.4 Thời gian ổn định - Th i gian ổn định (settling time) th i gian c n thiết để đ u DAC từ zero đến bậc thang cao đ u vào nhị phân biến thiên từ chuỗi it toàn đến chuổi bit toàn Thực tế th i gian ổn định th i gian để đ u vào DAC ổn định phạm vi ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) c a giá trị cuối - Ví dụ: Một DAC c độ phân giải 10mV th i gian ổn định đo th i gian đ u c n c để ổn định phạm vi 5mV c a giá trị đ y thang Th i gian ổn định có giá trị biến thiên khoảng 50ns đến 10ns DAC với đ u dòng có th i gian ổn định ngắn th i gian ổn định c a DAC c đ u điện 4.1.3 Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác - Hình 4.30 sơ đồ mạch c a mạch DAC it dùng điện trở khuếch đại đảo Bốn đ u vào A, B, C, D có giá trị giả định l n lượt 0V 5V Hình 4.30 D C dùng điện trở trị số khác - Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) dùng làm cộng đảo cho tổng trọng số c a 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 Thí dụ: 1/ Khi số nhị phân 0000 V0 = 1111 V0 = -15Vr/8 2/ Với Vr = 5V, R = RF ta có bảng kết bảng sau: b3 b2 b1 b0 V0 (V) 0 0 LSB 0 -0,625 0 -1,25 101 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT 0 1 -1,875 -2,5 0 1 -3,125 1 -3,75 1 -4,375 -5 0 0 -5,625 1 -6,25 1 -6,875 -7,5 1 0 -8,125 1 -8,75 1 1 1 -9,375 Full scale (VFS) - Độ phân giải c a mạch DAC hình 10.3 với trọng số c a LSB, nghĩa x 5V = 0.625V Nhìn vào bảng ta thấy đ u tương tự t ng 0.625V số nhị phân đ u vào t ng lên bậc 4.1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dòng Trong thiết bị kỹ thuật số đơi lúc địi hỏi q tr nh điều khiển dòng điện Do đ ngư i ta đ tạo DAC với ngõ dòng để đáp ứng yêu c u đ Hình 4.31 DAC với ngõ dòng tương tự tỷ lệ với đ u vào nhị phân Mạch DAC it, c đư ng dẫn dòng song song đư ng có chuyển mạch điều khiển Trạng thái c a chuyển mạch bị chi phối mức logic đ u vào nhị phân Hình 4.31: D C có đầu dịng - Dịng chảy qua đư ng mức điện quy chiếu VREF giá trị điện trở đư ng dẫn định Giá trị điện trở có trọng số theo số 2, nên cư ng độ dòng điện c trọng số theo hệ số tổng cư ng độ dòng điện I0 tổng dòng c a nhánh I  B3 I B2 Vi I  I0 I I  B1  B0 (7.5) VREF (7.6) R 102 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT - DAC với đ u dịng chuyển thành DAC c đ u điện cách dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) h nh 4.32 Hình 4.32: Nối v i chuyển đổi dịng thành điện - Ở hình I0 từ DAC phải nối đến đ u vào “ – ” c a khuếch đại thuật toán Hồi tiếp âm c a khuếch đại thuật tốn buộc dịng I0 phải chạy qua RF tạo điện áp ngõ VO tính theo cơng thức: V0   I RF (10.7) Do đ VO mức điện tương tự, tỷ lệ với đ u vào nhị phân c a DAC 4.1.5 Mạch ADC dùng điện trở R 2R Mạch DAC ta vừa khảo sát sử dụng điện trở có trọng số nhị phân tạo trọng số thích hợp cho bit vào Tuy nhiên có nhiều hạn chế thực tế Hạn chế lớn đ khoảng cách chênh lệch đáng kể giá trị điện trở LSB MSB, DAC c độ phân giải cao (nhiều bit) Ví dụ điện trở MSB = 1k DAC 12 it, th điện trở LSB có giá trị 2M Điều khó cho việc chế tạo IC c độ biến thiên rộng điện trở để trì tỷ lệ xác Để khắc phục nhược điểm này, ngư i ta đ t m mạch DAC đáp ứng yêu c u đ mạch DAC mạng R/2R ladder Các điện trở mạch biến thiên khoảng từ đến Hình 4.33 mạch DAC R/2R ladder Hình 4.33: D C R/2R ladder - Từ hình 4.33 ta thấy cách xếp điện trở có hai giá trị sử dụng R 2R Dòng I0 phụ thuộc vào vị trí c a chuyển mạch, đ u vào nhị phân B0B1B2B3 chi phối trạng thái c a 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: 103 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT V0  VREF  B (10.8) - Với B giá trị đ u vào nhị phân, biến thiên từ 0000 (0) đến 1111(15) Ví dụ: Giả sử VREF = 5V c a DAC hình 10.6 Tính độ phân giải đ u cực đại c a DAC này? Giải - Độ phân giải với trọng số c a LSB, ta xác định trọng số LSB cách gán B = 00012 = Theo công thức (10.9), ta có: Độ phân giải  VREF B 5V 1  0, 625 - Đ u cực đại xác định B = 11112 = 1510 Áp dụng cơng thức (10.9) ta có: 5 15   9, 376V Đ u cực đại 4.2 Mạch chuyển đổi tƣơng tự sang số (ADC) 4.2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC 4.2.1.1 Giới thiệu Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy mức điện vào tương tự sau đ th i gian sinh m đ u dạng số biểu diễn đ u vào tương tự Tiến trình biến đổi A/D thư ng phức tạp nhiều th i gian tiến trình chuyển đổi D/A Do đ c nhiều phương pháp khác để chuyển đổi từ tương tự sang số Hình vẽ 4.34 sơ đồ khối c a lớp ADC đơn giản  Hình 4.34: Sơ đồ tổng quát l p ADC Hoạt động ản c a lớp ADC thuộc loại sau: - Xung lệnh START khởi đợng hoạt động c a hệ thống Xung Clock định điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị ph n lưu ghi Số nhị ph n ghi DAC chuyển đổi thành mức điện tương tự VAX Bộ so sánh so sánh VAX với đ u vào trương tự VA Nếu VAX < VA đ u c a so sánh lên mức cao Nếu VAX > VA khoảng VT (điện ngưỡng), đ u c a so sánh xuống mức thấp ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ghi Tại th i 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 c a hệ thống 104 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO chu kỳ chuyển đổi kết thúc Tiến trình có nhiều thay dổi số loại ADC khác, ch yếu khác cách thức điều khiển sửa đổi số nhị phân ghi 4.2.1.2 Các tiêu kỹ thuật chủ yếu ADC - Độ phân giải Độ phân gải c a ADC biểu thị số bit c a tín hiệu số đ u Số lượng bit nhiều sai số lượng tử nhỏ, độ xác cao - Dải động, điện trở đ u vào Mức logic c a tín hiệu số đ u khả n ng chịu tải (nối vào đ u vào) - Độ xác tương đối Nếu l tưởng hóa tất điểm chuyển đổi phải nằm đư ng th ng Độ xác tương đối sai số c a điểm chuyển đổi thực tế so với đặc tuyến chuyển đổi l tưởng Ngồi cịn u c u ADC khơng bị bit tồn phạm vi cơng tác - Tốc độ chuyển đổi Tốc độ chuyển đổi xác định th i gian th i gian c n thiết hoàn thành l n chuyển đổi A/D Th i gian tính từ xuất tín hiệu điều khiển chuyển đổi đến tín hiệu số đ u đ ổn định - Hệ số nhiệt độ Hệ số nhiệt độ biến thiên tương đối tín hiệu số đ u nhiệt độ biến đổi 10C phạm vi nhiệt độ công tác cho ph ép với điều kiện mức tương tự đ u vào không đổi - Tỉ số phụ thuộc công suất Giả sử điện áp tương tự đ u vào không đổi, nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đ u lớn tỉ số phụ thuộc nguồn lớn - Công suất tiêu hao 4.2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ Quá trình chuyển đổi A/D nh n chung thực qua ước ản, đ là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lượng tử h a m h a Các ước đ luôn kết hợp với trình thống 4.2.2.1 Định lý lấy mẫu Đối 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 đ y thỏa mản: f s  f max Trong đ : - fS: t n số lấy mẫu - fmax : giới hạn c a giải t n số tương tự Hình 4.35: Biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đ u vào Nếu biểu thức thỏa mản ta dùng tụ lọc thơng thấp để khơi phục VI từ VS Vì l n chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng c n có th i gian định nên phải nhớ mẫu khoảng th i gian c n thiết sau l n lấy mẫu Điện áp tương tự đ u vào thực chuyển đổi A/D thực tế giá trị VI đại diện, giá trị kết c a l n lấy mẫu 105 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Hình 4.35: Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào 4.2.2.2 Lượng tử hóa mã hóa Tín hiệu số khơng r i rạc th i gian mà cịn khơng liên tục biến đổi giá trị Một giá trị c a tín hiệu số phải biểu thị bội số nguyên l n giá trị đơn vị đ , giá trị nhỏ chọn Nghĩa dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội số nguyên l n 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 giá trị bit c a LSB tín hiệu số D Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số mã hóa Mã nhị ph n c sau q trình tín hiệu đ u c a chuyên đổi A/D 4.2.2.3 Mạch lấy mẫu nhớ mẫu Khi nối trực tiếp điện tương tự với đ u vào c a ADC, tiến trình biến đổi bị tác động ngược điện tương tự thay đổi tiến trình biến đổi Ta cải thiện tính ổn định c a 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 4.36 sơ đồ c a mạch lấy mẫu nhớ mẫu Hình 4.36: Mạnh lấy mẫu nh mẫu Khi đ u vào điều khiển = lúc chuyển mạch đ ng mạch chế độ lấy mẫu Khi đ u vào điều khiển = lúc chuyển mạch hở mạch chế độ giữ mẫu Chuyển mạch đ ng th i gian đ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dịng điện c a tín hiệu tương tự Ví dụ chuyển mạch đ ng th i điểm t0 th đ u A1 nạp nhanh tụ Ch lên đến điện tương tự V0 chuyển mạch mở tụ Ch tr điện để đ u c a A2 cung cấp mức điện cho ADC Bộ khuếch đại đệm A2 đặt trở kháng cao đ u vào nhằm không xả điện tụ cách đáng kể 106 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT th i gian chuyển đổi c a ADC đ ADC ch yếu nhận đựơc điện DC vào, tức V0 4.2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 4.2.3.1 Sơ đồ khối Phiên đơn giản c a lớp ADC hình 4.37 sử dụng đếm nhị phân làm ghi cho phép xung nhịp đẩy đếm t ng ước, VAX > VA Đ y gọi ADC sóng dạng bậc thang, dạng sóng VAX có bậc lên Ngư i ta cịn gọi ADC loại đếm Sơ đồ biểu diễn ADC dạng sóng bậc thang Hình 4.37: DAC dạng sóng bậc thang Các thành ph n c a DAC dạng sóng bậc thang hình 10.11 gồm: đếm, DAC, so sánh tương tự, cổng NAND ngõ vào điều khiển Đ u c a so sánh dùng làm tín hiệu EOC (End Of Conversion – kết thúc chuyển đổi) 4.2.3.2 Hoạt động ADC dạng sóng bậc thang Giả sử VA, tức mức điện c n chuyển đổi dương th tiến trình hoạt động diển sau: Xung Khởi Động đưa vào để Reset đếm Mức cao c a xung Khởi Động cấm không cho xung nhịp qua cổng AND vào đếm Nếu đ u c a DAC toàn it th đ u c a DAC VAX = 0V Vì VA>VAX nên đ u 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 t ng lên th đ u DAC VAX t ng l n bậc, minh họa hình 10.11 Tiến trình tiếp tục VAX lên đến bậc vượt VA khoảng VT Tại th i điểm ngõ c a 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 c a đếm biểu thị dạng số c a điện áp tương tự vào VA Bộ đếm trì giá trị số xung Khởi Động vào bắt đ u tiến trình chuyển đổi 4.2.3.3 Độ phân giải độ xác ADC dạng sóng bậc thang 107 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Trong ADC dạng sóng bậc thang có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số c a trình chuyển đổi như: kích cở bậc thang, tức độ phân giải c a DAC cài đơn vị nhỏ Nếu giảm kích cở bậc thang ta hạn chế bớt sai số c khoảng cách chênh lệch đại lượng thức tế và giá trị gán cho n Đ y gọi sai số lượng tử Cũng DAC, độ xác khơng ảnh hưởng đến độ phân giải lại tùy thuộc vào độ xác c a linh kiện mạch như: ộ so sánh, điện trở xác chuyển mạch dịng c a DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đ y thang) cho biết kết từ ADC sai biệt khoảng thế, linh kiện khơng l tưởng Ví dụ Giả sử ADC dạng sóng bậc thang hình 11 có thơng số sau đ y: t n số xung nhịp = 1Mz; VT = 0.1mV; DAC c đ u cực đại = 10.23V đ u vào 10 bit Hãy xác định: a Giá trị số tương đương cho VA = 3.728V b Th i gian chuyển đổi c Độ phân giải c a chuyển đổi Bài giải: a DAC c đ u vào 10 it đ u cực đại = 10.23V nên ta tính tổng số bậc thang có là: 210 – = 1023 Suy kích cở bậc thang là: 10.23V  10mV 1023 Dựa thông số ta thấy VAX t ng 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 phải có số bậc: 3.728  372,8  373 bậc 10 đ cuối tiến trình chuyển đổi, đếm trì số nhị ph n tương đương 37310, tức 0101110101 Đ y giá trị số tương đương c a VA = 3.728V ADC tạo nên b Muốn hồn tất q trình chuyển đổi th địi hỏi dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc, c nghĩa 373 xung nhịp áp với tốc độ xung 1ms, tổng th i gian chuyển đổi 373ms c Độ phân giải c a ADC với kích thước bậc thang c a DAC tức 10mV Nếu tính theo tỉ lệ ph n tr m là: x100%  0.1% 1023 4.2.3.4 Thời gian chuyển đổi Th i gian chuyển đổi khoảng th i gian điểm cuối c a xung khởi động đến th i điểm kích hoạt đ u c a EOC Bộ đếm bắt đ u đếm từ lên VAX vượt VA, th i điểm đ EOC xuống mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đổi Như giá trị c a th i gian chuyển đổi tC phụ thuộc vào VA Th i gian chuyển đổi cực đại xảy VA nằm bậc thang cao Sao cho VAX phải tiến lên bậc cuối để kích hoạt EOC - Với chuyển đổi N bit, ta có: - tC(max) = (2N – 1) chu kỳ xung nhịp 108 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT ADC hình 10.11 có th i gian chuyển đổi cực đại - tC(max) = (210 – 1)x1ms = 1023ms Đôi th i gian chuyển đổi trung nh quy định ½ th i gian chuyển đổi cực đại Với chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có: tc (avg )  tc (max)  N 1 chu kỳ xung nhịp Nhược điểm c a ADC dạng sóng bậc thang th i gian chuyển đổi t ng gấp đôi với bit thêm vào đếm Do ADC loại không thích hợp với ứng dụng địi 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 đối đơn giản c a ADC dạng sống bậc thang ưu điểm so với loại ADC khác 4.2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp Bộ chuyển đổi g n lấy liên tiếp (Successive Approximation Convetr SAC) loại ADC thông dụng SAC c sơ đồ phức tạp nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang Ngồi SAC cịn có giá trị tC cố định, không phụ thuộc vào giá trị c a đ u vào tương tự Hình 4.38: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ Hình 4.38 cấu h nh ản c a SAC, tương tự cấu hình c a ADC dạng sóng bậc thang Tuy nhiên SAC không sử dụng đếm cung cấp đ u vào cho DAC mà thay vào đ ghi Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu ghi theo bit dử liệu ghi biến thành giá trị số tương đương với đ u vào tương tự VA phạm vi độ phân giải c a chuyển đổi Ví dụ SAC it c độ phân giải 20mV Với đ u vào tương tự 2.17V, h y tính đ u số tương ứng Giải Số bậc c a SAC: 2.17  108.5 20mV Như bậc thứ 108 có VAX = 2,16V, bậc 109 có VAX = 2.18V SAC ln sinh đ u VAX cuối bậc thang ên VA Do vậy, trư ng hợp VA = 2.17, đ u số 10810 = 011011002 109 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Th i gian chuyển đổi Logic điều khiển đếm bit ghi, gán cho nó, định có c n trì chúng mức hay khơng chuyển sang bit Th i gian xử lý bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, nghĩa tổng th i gian chuyển đổi c a SAC N bit N chu kỳ xung nhịp Ta có: tC cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp Th i gian chuyển đổi ất chấp giá trị c a VA Điều đo logic điều khiển phải xử lý bit dể xem có c n đến mức hay khơng Ví dụ So sánh th i gian chuyển đổi c a ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang SAC 10 bit Giả thiết hai áp dụng t n số xung nhịp 500kHz Giải - Với ADC dạng sóng bậc thang, th i gian cực đại là: (2N – 1) x (1 chu kỳ xung nhịp) = 1023 x 2ms = 2046ms - Với SAC, th i gian chuyển đổi 10 chu kỳ xung nhịp tức 10 x 2ms = 20ms Vậy với SAC th i gian chuyển đổi nhanh gấp 100 l n ADC dạng sóng bậc thang 4.2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song Xét biến đổi bit thực theo phương pháp song song h nh 4.39 Với bít biểu diễn 23=8 số khác nhau, kể số (không) Do đ c n 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”, ộ so sánh từ thứ đến thứ xác lập trạng thái “0” Các mạch logic c n thiết để diễn đạt trạng thái thành số Theo bảng trạng thái ên cho quan hệ trạng thái c a so sánh với số nhị ph n tương ứng Nếu điện áp vào bị thay đổi c thể nhận kết sai đ ộ m hố ưu tiên khơng thể đấu trực tiếp đến lối c a so sánh Ta h y xét đến ch ng hạn việc chuyển từ số sang số (do đ , m nhị phân từ 011 đến 100) Nếu bit già th i gian trễ giảm mà thay đổi trạng thái c a sớm khác th xuất số 111, tức số Trị số sai tương ứng với nửa dải đo Bởi kết biến đổi A/D, đ iết, ghi vào nhớ, tồn xác xuất định để nhận trị số hồn tồn sai Có thể giải vấn đề cách, ch ng hạn, dùng nhớ - trích mẫu để ng n biến động điện áp vào th i gian đo Tuy nhiên, phương pháp đ hạn chế t n số cho phép c a điện áp vào, c n phải có th i gian xác lập cho mạch nhớ - trích mẫu Ngồi khơng thể loại bỏ hoàn toàn xác xuất thay đổi trạng thái c a so sánh, mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh c độ trơi đáng kể 110 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT Hình 4.39: 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 sư n để nhớ trị analog Trigơ này, tác dụng c a tín hiệu nhịp khởi động cho trigơ tiếp sau Ở trư ng hợp bảo đảm giữ nguyên trạng thái dừng lối m hoá ưu tiên tác động sư n xung để khởi động trigơ Như đ thấy rõ bảng 1, so sánh xác lập trạng thái “1” theo tr nh tự từ lên Trình tự khơng đảm bảo sư n xung dựng đứng Bởi có khác th i gian trễ c a so sánh nên chuyển sang trình khác Trong tình xác định, trạng thái độ ghi vào trigơ sư n xung khởi động trigơ sư n tín hiệu trùng Tuy nhiên, m hoá ưu tiên đ cho phép tránh điều nh tính chất là: khơng 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 tương ứng Điện áp vào Trạng thái c a so sánh Số nhị phân 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 1 111 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Th i gian lấy mẫu c n phải nhỏ th i gian trễ c a so sánh, điểm bắt đ u c a n xác định sư n xung khởi động Sự khác th i gian trễ đ g y độ bất định th i gian (khe) c a mẫu Để giảm nhỏ trị số c a n đến mức đ tính tốn mục trước, tốt sử dụng so sánh có khả n ng giảm nhỏ th i gian trễ Nh t ng làm việc song song nên phương pháp iến đổi A/D vừa mô tả nhanh Bài tập thực hành Bài 1: Trình bày ký hiệu, bảng trạng thái nguyên lý hoạt động c a loại Flip Flop đ học? Bài 2: Hãy nêu ứng dụng c a Flip Flop mà em biết? Bài 3: Hãy nêu định nghĩa c a đếm phân loại nó? Bài 4: Hãy sử dụng IC 74191 để thực việc chia t n số Lắp mạch thực chức n ng Kỹ năng: Đọc sơ đồ chân linh kiện c a IC 74191 Hiểu cách kết nối mạch nguyên lý Lắp sơ đồ mạch điện Bài 5: Hãy sử dụng IC 7490 để thực đếm Lắp mạch thực chức n ng Kỹ năng: Đọc sơ đồ chân linh kiện c a IC 7490 Hiểu cách kết nối mạch nguyên lý Lắp sơ đồ mạch điện 112 TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CẦN THƠ KHOA CNTT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Phi Yến, Lưu Phú, Nguyễn Như Anh, Kỹ thuật điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật., 2005 [2].Lê Tiến Thư ng, Điện tử 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [3].Trương V n Tám, Giáo trình Mạch điện tử, Đại học C n Thơ, 2009 [4].Lương Ngọc Hải, Giáo trình Kỹ Thuật Xung Số, NXB Giáo Dục, 2009 113