Giáo trình Vi mạch số

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại phát triển mạnh công nghệ số nay, việc truyền dẫn thông tin thu phát cần mã hóa tích hợp cao nhằm tiết kiệm băng tần, hạn chế nhiễu, giảm thiểu rủi ro nhờ tính bảo mật tốt Vi mạch số mơn học hữu ích cho sinh viên khối kỹ thuật sinh viên ngành điện - điện tử Mọi sinh viên ngành điện cần nắm vững sở lý thuyết để tạo tảng cho việc học tiếp môn chuyên ngành vi xử lý Từ thiết kế mạch ứng dụng mạch đồng hồ, mạch đếm sản phẩm, mạch đèn giao thông, mạch quang báo … Trên thị trường tài liệu vi mạch số nhiều, nhiên lại đề cập đến nhiều mảng nội dung khác nhau, sách viết kiểu, điều gây khơng khó khăn cho sinh viên việc tìm kiếm tài liệu phù hợp Nhằm giúp sinh viên Khoa Điện Điện tử Trường Cao đẳng Giao thông vận tải TP Hồ Chí Minh có tài liệu tham khảo học tập theo sát chương trình mục tiêu đào tạo Trường, quan tâm Trưởng khoa, Ban Giám hiệu, Thầy, Cô khoa KT Điện - Điện tử tiến hành biên soạn “Giáo trình Vi mạch số” Nội dung giáo trình vi mạch số gồm chương giảng dạy thời lượng 60 tiết Trong chủ biên Thầy Nguyễn Trọng Trung biên soạn chương đầu Chương 1: Hệ thống số mã số Giới thiệu số 2,8,10,16 phép tính, chuyển đổi số, đồng thời trình bày mã BCD , mã ASSCI ứng dụng máy tính giải, mã Led đoạn Chương : Cổng logic đại số BOOLE Chương lại cho biết ký hiệu, phương trình cổng NOT, AND, OR… từ dùng phép tốn đại số BOOLE lập bìa Karnaugh để rút gọn hàm logic nhằm đơn giản hóa sơ đồ Chương : Cổng logic TTL Trong chương trình bày đặc điểm cấu tạo cổng logic với cơng nghệ Transistor – Transistor Qua xác định tầm giá trị điện áp mức cao, mức thấp cho biết cách giao tiếp với tải AC / DC Nội dung ba chương biên soạn Thầy Võ Minh Trí Khoa KT Điện - Điện tử Trang Chương : Cổng logic CMOS Cho biết đặc tính điện cơng nghệ CMOS, có nhiều ưu điểm bậc khả chống nhiễu khả giao tiếp tải AC / DC Chương 5: Mạch Flip-Flop ghi dịch Trình bày mạch điện có đặc tính nhớ nghĩa ngỏ phụ thuộc vào trạng thái ngỏ vào trạng thái ngỏ trước đó mạch RS – FF; JK – FF; T – FF; D – FF đồng thời cho biết ứng dụng việc thiết kế mạch đếm, ghi dịch Chương 6: Dao động Định Trong chương cho sơ đồ mạch tạo xung dao động, đặc biệt mạch tạo xung vuông dùng làm xung kích, xung đồng hồ ( xung Clock) mạch đơn ổn dùng cổng logic NAND , NOR Tiếp theo, ba chương cuối biên soạn Thầy Nguyễn Đức Lợi Chương 7: Mạch tổ hợp MSI Giới thiệu mạch tổ hợp từ cổng logic, đặc tính ngỏ phụ thuộc vào ngỏ vào, qua giúp sinh viên tìm hiểu cách mã hóa, giải mã tín hiệu việc truyền thơng tin, kết hợp với mạch đa hợp (ghép kênh) giải đa hợp ( phân kênh) Chương 8: Bộ nhớ ROM RAM Chương giới thiệu nhớ dùng lưu trữ truy xuất thông tin, nhằm giúp sinh viên xác định dung lượng nhớ, cách thức ghi/ đọc liệu phương pháp mở rộng nhớ Qua trình bày đặc điểm nhớ MROM; PROM; EPROM; EEPROM, loại RAM tĩnh, RAM động cách làm tươi RAM Chương 9: Ứng dụng chuyển đổi số – tương tự, tương tự – số Đây nơi dung quan trọng việc xử lý tín hiệu, tự nhiên tín hiệu nhiệt độ, âm thanh, ánh sáng, hình ảnh tín hiệu tương tự việc xử lý phức tạp việc thiết kế mạch chuyển sang tín hiệu số, sau biến đổi ngược lại thành tín hiệu ban đầu Chương giúp sinh viên xác định thông số đặc trưng mạch ADC/ DAC, từ tính tốn, thiết kế mạch theo u cầu Trong trình thực giáo trình vi mạch số nhóm tác giả có tham khảo tài liệu từ trường đại học khu vực nhận nhiều đóng góp ý kiến từ đồng nghiệp nhằm giúp giáo trình hồn thiện hơn, nhóm tác giả chân thành cảm ơn Khoa KT Điện - Điện tử Trang Do Trường vừa chuyển lên cao đẳng đối tượng sinh viên cao đẳng ngành điện đến khóa thứ 2, nên giáo trình khơng tránh khỏi thiếu xót, nhóm tác giả mong đón nhận góp ý từ Hội đồng bạn đọc gần xa TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 Nhóm tác giả Chương I: HỆ THỐNG SỐ VÀ MÃ SỐ Chương giới thiệu hệ thống số khác hệ thống thập phân quen thuộc biết, đồng thời trình bày phép toán phương pháp biến đổi qua lại hệ thống số Trong đề cập nhiều đến hệ nhị phân - Binary, hệ thường dùng để diễn tả vấn đề mang tính logic sử dụng lĩnh vực Điện tử - Tin học cơng nghệ số Ngồi chương giới thiệu mã khác mã BCD, mã ACCI dùng nhiều mạch mã hóa giải mã giới thiệu chương sau Nội dung chương I gồm phần: Hệ thống số nhị phân Hệ thống bát phân Hệ thống số thập phân Hệ thống số thập lục phân Chuyển đổi hệ đếm Mã BCD, ASSCI Khoa KT Điện - Điện tử Trang Hệ số nhị phân (BINARY SYSTEM) Hệ thống số nhị phân sử dụng số tự nhiên dùng để diễn tả đại lượng Một dãy số nhị phân biểu diễn sau: bn-1bn-2…b1b0 , b-1b-2…b-m Nếu tính phần nguyên ta có dãy số nhị phân n số hạng sau: bn-1bn-2…b1b0 Theo qui ước số hạng đươc gọi bit ( binary digit), bit tận bên trái gọi bit có giá trị cao (MSB - Most Significant Bit), bit tận bên phải gọi bit có giá trị thấp (LSB -Least Significant Bit ) Trong dãy số nhị phân gồm n số hạng có 2n giá trị khác với giá trị thấp 0…000 giá trị cao 1…111; Trọng số bit từ thấp đến cao 1,2,4,8…Như trọng số hai số hạng kề cận chênh lần Người ta thường dùng chữ b (hay số chân) sau số để số nhị phân Ví dụ : 11011b = (11011)2 Một nhóm bit gọi theo tên riêng sau: Crum = 2bit Nibble = 4bit Byte = 8bit Deckte = 10bit Dynner = 32bit Nickle = 5bit Khoa KT Điện - Điện tử Trang Word = 16bit/8bit Các phép toán hệ số nhị phân  Phép cộng : Là phép tính nhất, làm tảng cho phép toán khác Lưu ý: + = ; + = ; + = nhớ ( GỞI qua BIT cao hơn) Khi cộng nhiều số nhị phân lúc ta nên thực nhanh cách : - Đếm số bit chẵn, kết 0; ví dụ: + + + = - Đếm số bit lẻ kết 1; ví dụ: + + = - Đồng thời cặp số cho ta số nhớ ; ví dụ: + + + + 1= nhớ số Ví dụ : cộng hai số nhị phân :  Phép trừ : Thực sau 0-0=0; 1-0=1; 1-1=0; - = (nhớ cho bit cao hơn) Ví dụ: trừ hai số nhị phân  Phép nhân :Thực nhân từ trái sang phải bit cộng lại, cần lưu ý = 0; = 0; = 1; Ví dụ: nhân hai số nhị phân Hệ thống số bát phân (OCTAL SYSTEM) Hệ OCTAL sử dụng chữ số tự nhiên đầu tiên: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, tuân theo luật vị trí xác định số thập phân 8k (k=…-2,-1,0,1,2…) Một dãy Octal biểu diễn sau: On-1On-2…O1O0 , O-1O-2…O-m Theo dãy số bát phân có n số hạng có 8n giá trị khác với giá trị thấp 0…000 giá trị cao 7…777 Trọng số số hạng từ thấp đến cao 1, 8, 64… trọng số hai số hạng kề cận chênh lần Người ta thường dùng chữ Þ (hay số chân) sau số để số bát phân Ví dụ : (34,76)8 = 34,76Þ Các phép tốn hệ số bát phân : tương tự hệ nhị phân Ví dụ 1: Cộng hai số bát phân Khoa KT Điện - Điện tử Trang Ví dụ 2: Trừ hai số bát phân Ví dụ 3: Nhân hai số bát phân Hệ thống số thập phân ( DECIMAL SYSTEM ) Trong hệ thập phân người ta sử dụng gồm 10 ký số tự nhiên từ đến Một dãy số thập phân biểu diễn: dn-1…d2d1d0 , d-1d-2…d-m Qui ước với phần nguyên từ phải sang trái vị trí hạng tử thể hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn…và ngược lại phần thập phân từ trái qua phải phần chục,phần trăm, phần nghìn… Ví dụ: Cho số 267,81 số thập phân với phần nguyên 267 phần lẻ 0,81 biểu diễn sau: 261,81(10)=2.102+6.101+7.100+8.10-1+1.10-2 = 261,81 Trong dãy số thập phân có n số hạng có 10n giá trị khác với giá trị thấp 0…000 giá trị cao 9…999; trọng số hai số hạng kề cận chênh 10 lần Hệ thống số thập lục phân (Hexadecimal system) Hệ HEX sử dụng 16 ký tự bao gồm 10 số tự nhiên chữ in hoa đầu tiên: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F để diễn tả 16 số thập phân từ đến 15 Trong A tương đương 1010, …, F tương đương 1510 Lý dùng hệ thập lục phân số nhị phân bit diễn tả 4=16 giá trị khác nhau, nên thuận tiện có hệ thống số dùng ký tự mà tương ứng với số nhị phân bit,giúp việc viết đơn giản Vị trí ký tự với số thập lục phân thể trọng số 16 n (n =0, 1, 2…).Một dãy hn-1hn-2…h1h0 số Hex biểu diễn: Như dãy số Hexa gồm n số hạng có 16 n giá trị khác với giá trị thấp 0…000 giá trị cao F…FFF: Trọng số bit từ thấp đến cao 1, 16, 256, 4096…như trọng số hai số hạng kề chênh 16 lần Người ta thường dùng chữ H (h) số 16 chân để số thập lục phân Ví dụ : 23A,B5h ; 45A8,FD1CH ; (AD9,80B)16 Các phép toán hệ số thập lục phân tương tự hệ thập phân Khoa KT Điện - Điện tử Trang Ví dụ 1: Cộng hai số thập lục phân Ví dụ 2: Trừ hai số thập lục phân Ví dụ 3: Nhân hai số thập lục phân Chuyển đổi hệ đếm  Chuyển đổi số nhị phân sang số thập phân Qui tắc: bn-1bn-2…b1b0,b-1b-2…b-m = bn-12n-1+…+b1.21+b0.20+b-1.2-1+b-22-2+b-m2-m = A(10) Ví dụ: Tìm giá trị thập phân tương ứng số nhị phân sau 11011(2) = 1.24+1.23+0.22+1.21+1.20 = 16+8+0+2+1 = (27)10 = 27 Chuyển đổi số thập phân sang số nhị phân + Chuyển đổi phần nguyên  Qui tắc: Lấy phần nguyên số A(10) chia lấy phần dư - Phần dư cuả phép chia bit LSB - Phần dư cuối phép chia bit MSB Ví dụ: Tìm giá trị nhị phân tương ứng phần nguyên số thập phân sau A(10)=11,25 ; A(2) =? Phần nguyên A(10) 11 11 : = dư 1, LSB tiếp tục lấy phần nguyên chia : = dư : = dư : = dư MSB Vậy A(2) =1011 + Chuyển đổi phần thập phân (phần lẻ): Quy tắc: Lấy phần thập phân số thập phân tương ứng nhân ghi phần nguyên kết phép nhân, sau lấy phần lẻ tiếp tục nhân phần lẻ Ví dụ : Đổi phần lẻ số thập phân A10 = 34, 47 Khoa KT Điện - Điện tử Trang - Phần nguyên ta tiến hành trên, nên không nhắc lại Phần lẻ 0,47, ta thực nhân 0,47 = 0,94 ghi phần nguyên : ( phần lẻ 0,94 ) 0,94 = 1,88 : 1, phần lẻ 0,88 0,88 = 1,76 : 1, phần lẻ 0,76 0,76 = 1, 52 : 1, phần lẻ 0,52 0,52 = 1,04 :1, phần lẻ 0,04 0,04 = 0,08 :0, phần lẻ 0,08 MSB LSB Nhận xét: Không thể kết thúc để có kết phép nhân khơng phần lẻ, chuyển từ hệ 10 sang hệ ta lấy gần đúng, vậy: 0,4710 = 0,011112 : làm tròn chữ số  Chuyển đổi bát phân sang thập phân Về nguyên tắc giống cách thức chuyển đổi hệ nhị phân sang thập phân 0n-10n-2…0100 = 0n-18n-1+…+01.81+00.80 = A(10) Ví dụ: Chuyển số bát phân sang thập phân 2345(8) = 2.83+3.82+4.81+5.80 =1024+192+32+5 = 1253  Chuyển đổi số thập phân sang số bát phân Tương tự qui luật làm hệ 10 sang hệ 2, ta thay thành Ví dụ: Tìm giá trị bát phân tương ứng số thập phân sau A(10) =40 ; A(8) =? 400 : = 50 dư LSB 50 : = dư : = dư MSB Vậy A(8) = (620)8  Chuyển đổi qua lại số bát phân số nhị phân Vì 23 = ta phân tích số hạng bát phân thành bit nhị phân ngược lại Chúng ta cần ghi nhớ Bảng 1.1 Hệ thập phân Hệ nhị phân Hệ bát phân Thập lục phân 0000 00 Khoa KT Điện - Điện tử Trang 8 10 11 12 13 14 15 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 01 02 03 04 05 06 07 10 11 12 13 14 15 16 17 A B C D E F Bảng 1.1 : Bảng chuyển đổi hệ thống số Ví dụ: Chuyển số bát phân sau sang hệ nhị phân (37,52)8 , 011 111 , 101 010 Kết quả: (37,52)8 = (11111, 10101)2  Chuyển đổi hệ thập lục phân sang thập phân Tương tự hệ 2, hệ đổi sang thập phân Ví dụ: Tìm giá trị thập phân số thập lục phân sau 12A16 = 1.162+2.161+10.160 = 256+256+10 = 522(10)  Chuyển đổi số thập phân sang số thập lục phân Tương tự thực chuyển đổi từ A (10) sang A(2), A(8) ta tuân thủ nguyên tắc chia A(10) cho 16 lấy phần dư Ví dụ: Tìm giá trị thập lục phân số thập phân: A(10) =90 ; A(16) =? A(10) /16 90/16 = dư 10=A LSB 5/16 = dư MSB Vậy A(16) = 5A Khoa KT Điện - Điện tử Trang  Chuyển đổi số thập lục phân sang số nhị phân Tương tự chuyển đổi từ A(8) sang A(2) ta tiến hành biểu diễn nhóm bit tương ứng với kí tự hệ thập lục phân Ví dụ: A(16)= 2C3E => A(2)= 0010 1100 0011 1110; A(16)= 97BF => A(2)= 1001 0111 1011 1111; Mã BCD (Binary - Code – Decimal) Nếu biểu diễn số hạng số thập phân giá trị nhị phân tương đương, kết mã thập phân mã hóa thành mã nhị phân (Binary - Code – Decimal, viết tắt BCD), kí số thập phân lớn 9, nên cần bit để mã hóa số thập phân Ví dụ: Đổi số thập phân 2564 sang mã BCD 2564 0010 0101 0110 0100 Mỗi số thập phân đổi sang nhị phân tương đương dùng bit cho số thập phân Mã BCD biểu diễn số số thập phân số nhị phân bit Nhận thấy có số nhị phân từ 0000 tới 1001 sử dụng ngồi nhóm số nhị phân bit hồn tồn khơng sử dụng làm mã BCD Ví dụ: Đổi số mã BCD sang hệ thập phân 0010 1000 0001 0010(BCD) 2812(10) 0001 1001 1100 0011(BCD) có lỗi số BCD Ưu điểm mã BCD dễ dàng chuyển đổi từ số thập phân sang nhị phân ngược lại Chỉ cần nhớ nhóm mã bit ứng với kí số từ đến Ưu điểm đặc biệt quan trọng xét từ góc độ phần cứng, thiết bị số, mạch logic thực tất chuyển đổi qua lại hệ thập phân  So sánh BCD nhị phân: Cần phải nhận BCD hệ thống số hệ thống số thập phân Thật ra, BCD hệ thập phân với kí số mã hóa thành giá trị nhị phân tương ứng Mã nhị phân quy ước biểu diễn số thập phân hồn chỉnh dạng nhị phân; mã BCD chuyển đổi kí số thập phân sang số nhị phân tương ứng Ví dụ: lấy số 40 so sánh mã BCD với mã nhị phân Khoa KT Điện - Điện tử Trang 10 Hình 9.4 Cấu trúc ADC nhanh ADC nhanh hình 9.4 có độ phân giải bit Kích thước bậc thang 1V Bộ chia điện thiết lập mức quy chiếu cho so sánh để có mức ứng với 1V ( trọng số LSB ), 2V, 3V, …7V (đầy thang) Đầu vào tương tự V A nối đến đầu vào lại so sánh Với VA < 1V tất đầu so sánh lên mức cao Với V A > 1V từ đầu trở lên xuống mức thấp Đầu so sánh đưa vào mã hố ưu tiên tích cực mức thấp, đầu ứng với đầu có số thứ tự cao mức thấp so sánh Lý luận tương tự ta có bảng giá trị bảng 9.1 Bảng 9.1: Bảng giá trị ngỏ so sánh ADC nhanh có độ phân giải 1V đầu vào tương tự phải thay đổi lần 1V đưa đầu số lên bậc Muốn có độ phân giải tinh phải tăng tổng số mức điện vào (nghĩa sử dụng nhiều điện trở chia hơn) tổng số so sánh ADC nhanh N bit cần 2N – so sánh, 2N điện trở, logic mã hoá cần thiết Thời gian chuyển đổi : Bộ chuyển đổi nhanh không cần thiết tín hiệu xung nhịp tiến trình xảy liên tục Khi giá trị đầu vào thay đổi đầu so sánh thay đổi làm cho ngõ mã hóa thay đổi theo Như thời gian chuyển đổi thời gian cần thiết để xuất đầu số đáp lại thay đổi VA Thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào khoảng trể truyền so sánh mã hóa Vì mà ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vơ ngắn Chuyển đổi số sang tương tự (ADC) 2.1 Khái niệm : Bộ biến đổi ADC 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 Vdd Binnary input D A C Hình 9.5 Sơ đồ khối DAC 2.2 Các thông số :  Độ phân giải : Analog signal output Độ phân giải (Resolution) biến đổi DAC định nghĩa thay đổi nhỏ xảy đầu tương tự kết qua thay đổi đầu vào số Độ phân giải DAC phụ thuộc vào số bit, nhà chế tạo thường 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 ln trọng số LSB Còn gọi kích thước bậc thang (Step size), khoảng thay đổi VOUT giá trị đầu vào số thay đổi từ bước sang bước khác Dạng sóng bậc thang (hình 9.6) có 16 mức với 16 thạng thái đầu vào có 15 bậc mức mức cực đại Với DAC có N bit tổng số mức khác 2N, tổng số bậc N-1 Do độ phân giải với hệ số tỷ lệ mối quan hệ đầu vào đầu DAC Hình 9.6 Dạng sóng bậc thang Khi : Đầu tương tự = K x Đầu vào số ( Với K mức điện cường độ dòng điện bậc ) Như ta có cơng thức tính độ phân giải sau: ( Với Afs đầu cực đại (đầy thang), N số bit ) Nếu tính theo phần trăm ta có cơng thức sau:  Độ 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) thường 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 tưởng), biểu diễn dạng phần trăm Sai số tuyến tính khoảng lệch tối đa kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang lý tưởng Điều quan trọng DAC độ xác độ phân giải phải tương thích với  Sai số lệch : Theo lý tưởng đầu DAC 0V tất đầu vào nhị phân toàn bit Tuy nhiên thực tế mức điện cho trường hợp nhỏ, gọi sai số lệch ( offset error) Sai số khơng điều chỉnh cộng vào đầu DAC dự kiến tất trường hợp Nhiều DAC có tính điều chỉnh sai số lệch bên ngoài, 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 Thời gian ổn định : Thời gian ổn định (Setting 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 chuỗi bit toàn Thực tế thời gian ổn định thời gian để đầu vào DAC ổn định phạm vi ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) giá trị cuối 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 nguồn : DAC chất lượng cao yêu cầu ảnh hưởng 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 trên, cần phải quan tâm đên thông số khác DAC sử dụng như: mức logic cao, thấp, điện trở, điện dung, đầu vào; dải rộng, điện trở, điện dung đầu ra; hệ số nhiệt, … 2.2 Các loại DAC : 2.2.1 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân (mạng điện trở) : Hình 9.7 sơ đồ mạch mạch DAC bit dùng điện trở khuếch đại đảo Bốn đầu vào A, B, C, D có giá trị giả định 0V 5V D 1k Rf=1k MSB 2k C - +Vcc op Amp 4k B + - Vcc 8k A LSB Hình 9.7 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân & khuếch đại cộng Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) dùng làm cộng đảo cho tổng trọng số bốn mức điện vào Ta thấy điện trở đầu vào giảm dần 1/2 lần điện trở trước Nghĩa đầu vào D (MSB) có R IN = 1k, khuếch đại cộng chuyển mức điện D mà khơng làm suy giảm (vì R f = 1k) Đầu vào C có R = 2k, suy giảm 1/2, tương tự đầu vào B suy giảm 1/4, đầu vào A giảm 1/8 Do đầu khuếch đại tính biểu thức: ( dấu âm (-) biểu thị khuếch đại cộng khuếch đại cộng đảo) Như ngõ khuếch đại cộng mức điện tương tự, biểu thị tổng trọng số đầu vào Dựa vào biểu thức ta tính mức điện áp tương ứng với tổ hợp ngõ vào (bảng 9.2) D 0 0 0 0 1 1 1 1 ĐẦU VÀO C B 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 A 1 1 1 1 NGÕ RA VOUT (v) -0.625 (LSB) -1.250 -1.875 -2.500 -3.125 -3.750 -4.375 -5.000 -5.625 -6.625 -6.875 -7.500 -8.125 -8.750 -9.375(MSB) Bảng 9.2 Bảng quy đổi áp tương tự với ngỏ vào số Độ phân giải mạch DAC hình 9.7 với trọng số LSB, nghĩa 0,125x 5V = 0.625V Nhìn vào bảng 9.2 ta thấy đầu tương tự tăng 0.625V số nhị phân đầu vào tăng lên bậc Hình 9.8: Sơ đồ tổng quát mạch DAC mạng điện trở Trong A,B, C, D khóa khóa khí khóa điện tử dùng BJT hay FET, điện áp ngỏ tính: A) 2.2.2 DAC R/2R ladder ( DAC kiểu bậc thang): 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 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 tìm mạch DAC đáp ứng yêu cầu mạch DAC mạng R/2R ladder hay gọi mạng bậc thang Các giá trị điện trở mạng kiểu bậc thang có giá trị R 2R (nghĩa giá trị điện trở gấp đôi điện trở kia) Xét sơ đồ đồ mạng R/2R ladder, điện trở 2R nối với V vào , khóa đóng (mức logic 1) nối đất khóa ngắt (logic 0) Với bit b0, b1, b2, b3 tương ứng với giá trị A, B, C, D Hình 9.9: DAC R\2R ladder Từ hình 9.9 ta thấy cách xếp điện trở có hai giá trị sử dụng R 2R Dòng IOUT phụ thuộc vào vị trí chuyển mạch, đầu vào nhị phân B B1 B2 B3 chi phối trạng thái chuyển mạch Dòng I OUT phép chạy qua biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện V OUT Điện ngõ VOUT tính theo cơng thức: A) Với B giá trị đầu vào nhị phân, biến thiên từ 0000 (0) đến 1111 (15) Cho RF = 2R cho b3 = = D bit khác = 0, ta được: v0 = -8(VIN /24) Cho b2 = 1= C bit khác = 0, ta được: v0 = -4(VIN /24) ; b1 = 1= B bit khác = 0, ta được: v0 = -2(VIN /24) ; b0 = 1= A bit khác = 0, ta được: v0 = -(VIN /24) Biểu thức xác định điện áp ngỏ RF = 2R viết gọn lại Trong B tổ hợpc bit (b3b2b1b0) 2.2.3 DAC với đầu dòng : Trong thiết bị kỹ thuật số đơi lúc đòi hỏi q trình điều khiển dòng điện Do người ta tạo DAC với ngõ dòng để đáp ứng u cầu Hình 1.5 DAC với ngõ dòng tương tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân Mạch DAC bit, có đường dẫn dòng song song đường có chuyển mạch điều khiển Trạng thái chuyển mạch bị chi phối mức logic đầu vào nhị phân Hình 9.10: DAC đầu dòng Dòng chảy qua đường mức điện quy chiếu V REF giá trị điện trở đường dẫn định Giá trị điện trở có trọng số theo số 2, nên cường độ dòng điện có trọng số theo hệ số tổng cường độ dòng điện I OUT tổng dòng nhánh ; với DAC với đầu dòng chuyển thành DAC có đầu điện cách dùng khuếch đại thuật tốn (Op-Amp) hình 9.10 + I out O U T R f V out Hình 9.11: DAC - mạch đổi dòng thành áp Ở hình 9.11 ta có IOUT từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” khuếch đại thuật toán Hồi tiếp âm khuếch đại thuật tốn buộc dòng I OUT phải chạy qua RF tạo điện áp ngõ VOUT tính theo cơng thức: Do VOUT mức điện tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân DAC 2.2.4 DAC điện trở hình T: Hình 9.12 sơ đồ DAC điện trở hình T bit Trong sơ đồ có hai loại điện trở R 2R mắc thành cực hình T nối dây chuyền Các S , S2 , S1 , S0 chuyển mạch điện tử Mạch DAC dùng khuếch đại thuật toán (Op-Amp) khuếch đại đảo VREF điện áp chuẩn làm tham khảo B , B2 , B1 , B0 mã nhị phân bit V OUT điện áp tương tự ngõ Ta thấy chuyển mạch chịu điểu khiển số nhị phân tương ứng với công tắc: Bi = cơng tắc Si đóng vào VREF , Bi = Si nối đất + V REF 3R 2R 2R 2R 2R 2R 2R R B3 LSB R B2 R B1 + B0 V out MSB Hình 9.12: DAC điện trở hình T Chúng ta cần cho bit B i logic ta tính V OUT sau dùng nguyên xếp chồng ta tính điện áp ra: Biên độ điện áp tương tự đầu tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào Chúng ta thấy DAC điện trở hình T N bit điện áp tương tự đầu VOUT là: (-) Sai Số Chuyển Đổi Đối với mạch DAC điện trở hình T sai số chuyển đổi nguyên nhân sau: - Sai lệch điện áp chuẩn tham chiếu V REF Từ công thức (-) ta tính sai số chuyển đổi DA riêng sai số lệch điện áp chuẩn tham chiếu VREF gây - Sự trôi điểm khuếch đại thuật tốn Sự trơi điểm khuếch đại thuật toán ảnh hưởng giá trị tín hiệu số biến đổi Sai số DV OUT - trôi điểm không phụ thuộc giá trị tín hiệu số Điện áp rơi điện trở tiếp xúc tiếp điểm chuyển mạch Các chuyển mạch lý tưởng, thực tế điện áp rơi nối thông mạch điện chuyển mạch tuyệt đối Vậy điện áp rơi đóng vai trò tín hiệu sai số đưa đến - đầu vào mạng điện trở hình T Sai số điện trở Sai số điện trở gây sai số phi tuyến Sai số điện trở không nhau, tác động gây sai số chuyển đổi DA điện trở khác vị trí khác Tốc độ chuyển đổi: DAC điện trở hình T cơng tác song song (các bit tín hiệu số đầu vào đưa vào song song) nên có tốc độ chuyển đổi cao Thời gian cần thiết cho lần chuyển đổi gồm hai gai đoạn: thời gian trể truyền đạt bit tín hiệu vào xa đến khuếch đại thuật toán thời gian cần thiết để khuếch đại thuật tốn ổn định tín hiệu BÀI TẬP CHƯƠNG Câu 1: Trình bày thông số chuyển đổi DAC Câu 2:Trình bày mạch DAC bậc thang cơng thức xác định mức điện áp ngỏ Câu 3: Mạch DAC R/2R bits với điện áp tham chiếu 3V a Cho biết độ phân giải b Tính điện áp đầy thang c Điện áp ngỏ ngỏ vào trạng thái 11011 Câu 4: Mạch DAC có trọng số bits với điện áp tham chiếu 3V, biết R = 20KΩ = 2R F a Cho biết độ phân giải b Tính điện áp đầy thang c Điện áp ngỏ ngỏ vào trạng thái 11011 Câu 5: Cho biết ứng dụng mạch DAC thực tế Câu 6: Liệt kê IC DAC sơ đồ chân thông số Câu 7: So sánh đặc điểm ADC DAC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kỹ thuật số tập - tổng hợp biên dịch VN GUIDE - NXB ĐH Thống kê – Năm 2001 [2] Kỹ thuật số tập - tổng hợp biên dịch VN GUIDE - NXB ĐH Thống kê – Năm 2001 [3] Kỹ thuật số tập - tổng hợp biên dịch VN GUIDE - NXB ĐH Thống kê – Năm 2001 [4] Kỹ thuật số tập - tổng hợp biên dịch VN GUIDE - NXB ĐH Thống kê – Năm 2001 [5] Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn – Dương Minh Trí – NXB Khoa học Kỹ Thuật – Năm 2002 [6] Nguyễn Hữu Phương, Mạch số, NXB Thống kê năm 2001 [7] Nguyễn Tấn Phước, Mạch số tập 1, NXB Trẻ, năm 2006 [8] K.J Breeding , Digital Design Fundamentals, Prentice Hall 1989 Trang web alldatasheet.com MỤC LỤC ... tương tự – số Đây nôi dung quan trọng vi c xử lý tín hiệu, tự nhiên tín hiệu nhiệt độ, âm thanh, ánh sáng, hình ảnh tín hiệu tương tự vi c xử lý phức tạp vi c thiết kế mạch chuyển sang tín hiệu... mạch tổ hợp từ cổng logic, đặc tính ngỏ phụ thuộc vào ngỏ vào, qua giúp sinh vi n tìm hiểu cách mã hóa, giải mã tín hiệu vi c truyền thơng tin, kết hợp với mạch đa hợp (ghép kênh) giải đa hợp ( phân... thành tín hiệu ban đầu Chương giúp sinh vi n xác định thơng số đặc trưng mạch ADC/ DAC, từ tính tốn, thiết kế mạch theo u cầu Trong q trình thực giáo trình vi mạch số nhóm tác giả có tham khảo tài