Giáo trình mô đun Kỹ thuật xung số (Nghề Điện công nghiệp Trình độ cao đẳng)

BM/QT10/P.ĐTSV/04/04 Ban hành lần: ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT TRƢỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT XUNG SỐ NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-KTCN ngày….tháng….năm 2020 Hiệu trưởng trường Cao đẳng KTCN tỉnh BR – VT Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập nghiên cứu cho giảng viên sinh viên nghề điện tử trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu Chúng thực biên soạn tài liệu kỹ thuật xung số Tài liệu biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy học tập, lưu hành nội nhà trường nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Trong chương trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trường cao đẳng Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa Vũng Tàu mô đun môn học kỹ thuật xung số mơ đun giữ vị trí quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần giáo trình nội bộ, mang tính khoa học đáp ứng với yêu cầu thực tế Nội dung giáo trình “kỹ thuật xung số” bao gồm bài: Bài 1: Tổng quan kỹ thuật xung Bài 2: Mạch đa hài tự dao động Bài : Tổng quan kỹ thuật số Bài : Các cổng logic Bài : Biểu diễn hàm đại số logic Bài : Mạch mã hóa – giải mã Bài : Mạch đếm nhị phân Bài 8: Mạch ADC - DAC Đã xây dựng sở kế thừa nội dung giảng dạy trường, kết hợp với nội dung nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ nghiệp công nghiệp hóa, đại hóa đất nước, Giáo trình biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập nội dung bản, cốt yếu để tùy theo tính chất ngành nghề đào tạo mà giảng viên tự điều chỉnh ,bổ xung cho thích hợp khơng trái với quy định chương trình đào tạo cao đẳng Tuy tác giả có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận tham gia đóng góp ý kiến đồng nghiệp chuyên gia kỹ thuật đầu ngành Xin trân trọng cảm ơn! Bà Rịa , ngày….tháng… năm 2020 Tham gia biên soạn: Bùi Văn Vinh MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT XUNG Định nghĩa, tham số xung đơn dãy xung 1.1 Định nghĩa 1.2 Các thông số xung đơn dãy xung 8 Tác dụng mạch R-C xung 10 2.1 Mạch R-C với bước nhảy dương 10 2.2 Mạch R-C với bước nhảy âm 11 2.3 Mạch R-C với xung dương Khảo sát dạng xung 12 13 3.1 Nội dung: 13 3.2 Tổ chức thực hiện: 13 3.3 Bảng thiết bị, vật tư 13 3.4 Quy trình thực 13 BÀI : MẠCH ĐA HÀI TỰ DAO ĐỘNG Mạch dao động đa hài dùng Transistor 16 16 1.1 Sơ đồ nguyên lý 16 1.2 Nguyên lý làm việc 17 1.3 Lắp ráp mạch 18 Mạch dao động đa hài dùng cổng logic 2.1 Sơ đồ nguyên lý 20 20 2.2 Nguyên lý làm việc 20 2.3 Lắp ráp mạch 22 Mạch dao động đa hài dùng IC 555 23 3.1 Giới thiệu IC555 23 3.3 Nguyên lý làm việc 3.4 Lắp ráp mạch 25 26 CÂU HỎI ÔN TẬP 28 BÀI : TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SỐ Khái quát chung 29 29 1.1 Khái niệm 29 1.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tương tự 31 Hệ thống số mã số 32 2.1 Hệ thống số thập phân 32 2.2 Hệ thống số nhị phân 32 2.3 Hệ thống số thập lục phân 2.4 Chuyển đổi hệ đếm 35 36 Đại số Bool hàm logic 39 3.2 Các phép tính biến logic 39 3.3 Các định luật đại số logic 40 3.4 Biến số hàm số đại số logic 41 BÀI : CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN Khái quát chung 45 45 Cổng NOT 46 2.1 Ký hiệu, nguyên lý hoạt động, bảng chân lý 46 2.2 Lắp ráp, khảo sát cổng NOT 46 Cổng OR 3.1 Ký hiệu, nguyên lý hoạt động, bảng chân lý 49 49 3.2 Lắp ráp, khảo sát cổng OR 49 Cổng AND 51 4.1 Ký hiệu, nguyên lý hoạt động, bảng chân lý 51 4.2 Lắp ráp, khảo sát cổng AND 51 Cổng NOR 5.1 Ký hiệu, nguyên lý hoạt động, bảng chân lý 52 52 5.2 Lắp ráp, khảo sát cổng NOR 53 Cổng NAND 54 6.1 Ký hiệu, nguyên lý hoạt động, bảng chân lý 54 6.2 Lắp ráp, khảo sát cổng NAND 55 BÀI 5: BIỂU DIỄN HÀM ĐẠI SỐ LOGIC Biểu diễn bảng chân lý 57 57 2.1 Định lý 58 2.2 Chuyển đổi từ bảng chân lý sang biểu thức đại số 58 Biểu diễn bảng các-nô 60 3.1 Khái quát chung 60 3.2 Chuyển đổi từ bảng chân lý sang bảng các-nô 60 3.3 Bài tập 61 Tối thiểu hàm đại số logic 4.1 Tối thiểu phương pháp đại số 62 62 4.2 Tối thiểu bảng các-nơ 63 BÀI 6: MẠCH MÃ HĨA – GIẢI MÃ Mạch mã hóa 66 66 1.1 Khái quát chung 66 1.2 Mạch mã hóa từ sang Mạch giải mã 70 73 2.1.Khái quát chung 73 2.2 Mạch giải mã BCD sang thập phân 73 2.3 Mạch giải mã BCD sang Led đoạn 77 Mạch đếm không đồng 1.1 Khái quát chung 81 81 1.2 Mạch đếm tăng (4 bit) 82 Mạch đếm đồng 85 2.1 Khái quát chung 85 2.2 Mạch đếm tăng (4 bit) 86 2.3 Mạch đếm giảm (4 bit) Lắp ráp, khảo sát mạch đếm dùng IC 88 89 3.1 Mạch đếm 10 89 3.4 Mạch đếm vòng (4 bit) 91 BÀI 8: MẠCH ADC – DAC Mạch chuyển đổi số - tương tự ( DAC - Digital to Analog Converter ) 99 99 1.1 Khái quát chung 1.2 Mạch DAC điện trở hình T 99 100 1.3 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC 103 Mạch chuyển đổi tương tự - số ( ADC - Analog to Digital Convert ) 104 2.1.Mạch điện ADC chuyển đổi song song 104 2.2 Nguyên lý làm việc 105 2.3 Giới thiệu IC, khảo sát mạch chuyển đổi 106 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mô đun: Kỹ Thuật Xung – Số Mã mơ đun: MĐ 29 *Vị trí, tính chất,ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: + Mơ đun bố trí sau mơn học chung + Học trước môn học/ mô đun đào tạo chuyên ngành - Tính chất: + Là mơ đun tiền đề cho môn học chuyên ngành + Là mô đun tự chọn - Ý nghĩa vai trị mơ đun: Giúp cho người học có khả lắp ráp, kiểm tra sửa chữa số mạch xung - số thường gặp thực tế * Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Nhận biết ký hiệu, phân tích nguyên lí hoạt động bảng thật cổng lơgic + Trình bày cấu tao, nguyên lý mạch số thông dụng như: Mạch mã hóa-giải mã, mạch dồn kênh-phân kênh, mạch đếm, mạch ghi dịch, mạch chuyển đổi tín hiệu + Phát biểu khái niệm xung điện, thông số xung điện, ý nghĩa xung điện kỹ thuật điện tử + Trình bày cấu tạo mạch dao động tạo xung mạch xử lí dạng xung - Về kỹ năng: + Lắp ráp, kiểm tra mạch số panel thực tế + Lắp ráp, kiểm tra mạch tạo xung xử lí dạng xung - Về lục tự chủ trách nhiệm: Người học có khả làm việc độc lập làm nhóm, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn học tập rèn luyện, có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm công việc * Nội dung mô đun: BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT XUNG Giới thiệu: Các 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 số Tín hiệu sóng sin xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục, ta tính biên độ thời điểm Ngược lại tín hiệu sóng vng xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn biên độ 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: * Kiến thức: - Trình bày khái niệm xung điện, dãy xung - Giải thích tác động linh kiện thụ động đến dạng xung * Kỹ năng: - Đo, đọc thông số tín hiệu xung * Thái độ: - Chủ động, sáng tạo trình học tập Nội dung: Định nghĩa, tham số xung đơn dãy xung 1.1 Định nghĩa Xung điện tín hiệu tạo nên thay đổi mức điện áp hay dòng điện khoảng thời gian ngắn 1.2 Các thông số xung đơn dãy xung 1.2.1 Xung đơn Hình 1.1: Xung đơn hình thang lý tưởng (a) xung thực tế (b) - Đối với xung điện áp đơn lý tưởng (hình a) ta có thông số + Đáy xung: T2 [s] khoảng thời gian mức điện áp xung bắt đầu biến thiên tăng, giảm từ xung biến thiên trở + Đỉnh xung: T1 [s] khoảng thời gian tồn xung giá trị ổn định + Biên độ xung: U m [V] mức giá trị điện áp lớn mà xung đạt được, tính từ đáy xung đến đỉnh xung + Độ rộng sườn trước xung: t s1 [s] khoảng thời gian xung biến thiên từ giá trị đến đỉnh xung + Độ rộng sườn sau xung: t s2 [s] khoảng thời gian xung biến thiên từ giá trị đỉnh - Trong thực tế, truyền xung qua mạch điện, ảnh hưởng thông số mạch điện nên xung khơng cịn giữ ngun hình dạng ban đầu mà bị biến dạng đi, vài thơng số xung khơng cịn giữ nguyên chất xung lý tưởng có thêm vài thơng số khác (hình b) + Độ sụt đỉnh xung : ΔU [V] mức điện áp chênh lệch đỉnh xung, nằm giá trị Um 0,9Um + Độ rộng sườn trước xung: t s1 [s] tính từ giá trị 0,1Um đến 0,9Um + Độ rộng sườn sau xung: t s2 [s] tính từ giá trị 0,9Um 0,1Um + Độ rộng xung: t x [s] khoảng thời gian tính hai thời điểm tương ứng với giá trị 0,5Um + Bướu đỉnh xung: B đ giá trị điện áp đỉnh xung tăng bất thường + Bướu chân xung: B c giá trị điện áp chân xung tăng bất thường 1.2.2 Chuỗi xung Mạch sử dụng thể loại FF D/FF; JK/FF hình vẽ - Nguyên lý làm việc (Sơ đồ dùng D/FF) + Các lối vào D D/FF lấy từ lối Q phía trước + Giả sử thời điểm ban đầu, lối Q 0Q1Q2Q3 = 0000 Ta có: D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 1000 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 1100 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 1110 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 1111 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 0111 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 0011 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 0001 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = + Xung đếm thứ đưa vào, kết thúc xung - thời điểm sườn âm xung -> Ta có Q0Q1Q2Q3 = 0000 > D0 = ; D1 = ; D2 = ; D3 = Mạch lại trở trạng thái đầu Nếu xung đếm tiếp tục đưa vào mạch lại tiếp tục chu trình đếm lặp lại 3.4.3 Lắp ráp, khảo sát mạch đếm vịng a Nội dung: - Tìm hiểu cấu trúc, chức chân IC 74175, IC 7427 - Lắp mạch, khảo sát nguyên lý hoạt động mạch đếm vòng bit b Tổ chức thực hiện: Chia lớp thành nhóm với sinh viên/nhóm c Bảng thiết bị, vật tư TT Thiết bị - Vật tƣ Thông số kỹ thuật 95 Số lƣợng Máy thực tập số IC D/FF ED-1100A 1máy / nhóm IC 74175 tương IC/ nhóm đương IC cổng NOR đầu vào IC 7427 tương IC/ nhóm đương Dây cắm đấu nối bọc L=15cm; D=1mm / nhóm nhựa Ổ tiếp nguồn 220V/5A bộ/ nhóm Bảng 7.3: Bảng thiết bị, vật tư khảo sát mạch đếm vòng bit d Quy trình thực - Chuẩn bị kiểm tra thiết bị, vật tư theo bảng thống kê - Tìm hiểu cấu trúc IC 74175 IC 7427 + IC 74175 có chứa phần tử D/FF đồng có chung lối vào Clr (Clear) lối vào cho xung nhịp Clock (Ck) Trong tín hiệu xóa có mức tích cực thấp, xung kích thích có mức tích cực sườn dương + PIN 16 : Vcc = +5V + PIN : GND + PIN : Vcc = +5V + PIN : Lối vào xóa (Clr) + PIN : Lối Q1 FF-1 Hình 7.15 : Cấu trúc IC 74175 IC 7427 + PIN : Lối đảo Q1 FF-1 + PIN : Lối vào D1 FF-1 + PIN : Lối vào D2 FF-2 96 + PIN : Lối đảo Q2 FF-2 + PIN : Lối Q2 FF-2 + PIN : Lối vào cho xung nhịp (Ck) + PIN 10 : Lối Q4 FF-4 + PIN 11 : Lối đảo Q4 FF-4 + PIN 12 : Lối vào D4 FF-4 + PIN 13 : Lối vào D3 FF-3 + PIN 14 : Lối đảo Q3 FF-3 + PIN 15 : Lối Q3 FF-3 - Lắp mạch, khảo sát nguyên lý hoạt động mạch đếm vòng bit theo hai sơ đồ mạch đếm mạch đếm vịng (Hình 8.14) mạch đếm vịng xoắn (Hình 8.15) * Mạch đếm vịng (Hình 8.14) + Kết nối chân vào/ra IC 7427 với IC 74175 sơ đồ cấu trúc + Đưa chân Clr lên mức lên mức cao (H) mức cho phép mạch hoạt động + Kết nối chân (Clock) IC 74175 với Jắc cấp sườn dương xung kích thích + Kích thích mạch xung cách nhấn nút khóa K + Quan sát hiển thị LED chân IC 75175 ứng với lối Q :- Q1 ( PIN 10 ; 15 ; ; ) - Lập bảng chân lý mô tả hoạt động mạch ứng với xung kích thích Thứ tự xung kích Ra Q4 Q3 Q2 Q1 - Nhận xét mã tổ hợp đếm so sánh với bảng mã vòng theo lý thuyết * Mạch đếm vịng xoắn (Hình 8.15) + Kết nối chân vào/ra IC 75175 sơ đồ cấu trúc mạch 97 + Đưa chân Clr lên mức lên mức cao (H) mức cho phép mạch hoạt động + Kết nối chân (Clock) IC 74175 với Jắc cấp sườn dương xung kích thích + Kích thích mạch xung cách nhấn nút khóa K + Quan sát hiển thị LED chân IC 75175 ứng với lối Q4 :- Q1 ( PIN 10 ; 15 ; ; ) - Lập bảng chân lý mô tả hoạt động mạch ứng với xung kích thích Thứ tự xung kích Ra Q4 Q3 Q2 Q1 Câu hỏi ôn tập Câu 1: có loại đếm ? Câu 2: Thế đếm tăng , Thế đếm giảm? Câu 3: Thế đếm đồng Thế đếm bất đồng bộ? 98 BÀI 8: MẠCH ADC – DAC * Giới thiệu Trong hệ thống VXL đa phần nguồn tín hiệu thường dạng số để hiểu tín hiệu cần thiết phải chuyển đổi chúng sang tín hiệu tương tự (DAC) Mục tiêu: * Kiến thức: - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng chuyển đổi ADC DAC - Giải thích chức số IC chuyển đổi thông dụng ứng dụng chúng * Kỹ năng: - Kiểm tra, khảo sát số ứng dụng IC chuyển đổi thông dụng * Thái độ: - Chủ động, sáng tạo trình học tập Nội dung: Mạch chuyển đổi số - tƣơng tự ( DAC - Digital to Analog Converter ) 1.1 Khái quát chung - Hầu hết tín hiệu tự nhiên đại lượng tương tự nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, … Do muốn xử lý hệ thống kỹ thuật số (VD: máy tính số ), ta phải chuyển đổi tín hiệu dạng tương tự sang dạng tín hiệu số, có xử lý điều khiển hệ thống - Ngược lại, thường có u cầu biến đổi tín hiệu số (thường kết xử lý) thành tín hiệu tương tự tương ứng để đưa sử dụng - Chúng ta gọi chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số chuyển đổi AD, mạch điện làm nhiệm vụ công việc chuyển đổi gọi ADC - Chúng ta gọi chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự chuyển đổi DA, mạch điện làm nhiệm vụ công việc chuyển đổi gọi DAC - Để kết xử lý nhận cách xác chuyển đổi AD DA phải có độ xác đủ cao Mặt khác, muốn dùng hệ thống số để điều khiển, giám sát trình biến đổi nhanh ADC DAC phải có tốc độ đủ lớn Vậy độ xác tốc độ chuyển đổi đặc trưng kỹ thuật chủ yếu để đánh giá chất lượng ADC DAC 99 - Mạch ADC DAC có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau, nhiên thông dụng loại mạch điển hình DAC điện trở hình T ADC xấp xỉ tiệm cận 1.2 Mạch DAC điện trở hình T 1.2.1 Cấu trúc mạch - Mạch có loại giá trị điện trở R 2R mắc thành mạng cực hình T kết nối dây chuyền - Mạch điện trở mắc vào khuếch đại đảo dùng KĐTT - B3, B2, B1, B0 bit nhị phân đưa vào chuyển đổi với B = LSB - Vref nguồn điện áp chuẩn có nội trở coi - Vin điện áp đưa từ mạch điện trở để đưa vào khuếch đại đảo - Vout điện áp tương tự đưa sau chuyển đổi - S3, S2, S1, S0 chuyển mạch điện tử khái quát hóa Chúng chịu điều khiển tín hiệu nhị phân B 3, B2, B1, B0 tương ứng + Khi B i = Si đấu với nguồn điện áp chuẩn V ref + Khi B i = Si nối với đất (GND) Hình 8.1: Cấu trúc mạch DAC điện trở hình T 1.2.2 Nguyên lý làm việc a Nguyên lý * Xét mạch làm việc với đóng mở đơn lẻ chuyển mạch S i - Cho B3B2B1B0 = 0001 > lúc có S đấu vào nguồn V ref, cịn S3S2S1 nối đất Ta có mạch tương đương 100 Hình 8.2: Mạch tương đương mạch điện trở hinh T - Nguồn Vref chuyền qua mắt mạch để đưa vào KĐTT - Áp dụng định lý Thevenin cách qua mắt mạch A, B, C, D, với nội trở điểm nút nhìn phía trái ln R Ta có: - Như ta thấy rằng, sau mắt mạch, điện áp giảm nửa - Với phương pháp trên, ta tính cho trường hợp B 3B2B1B0 = 0010 ; 0100 ; 1000 tức tương ứng với chuyển mạch đơn lẻ S1 ; S2 ; S3 nối với Vref Tương ứng với trường hợp ta có điện áp đưa mạch điện trở hình T : * Xét mạch làm việc với đóng mở chuyển mạch S i - Áp dụng nguyên lý xếp chồng giá trị điện áp trên, ta có mạch tương đương mạng điện trở hình T, nội trở tương đương R, sức điện động nguồn tương đương V e (Ve điện áp cuối đưa mạch điện trở hình T) 101 Hình 8.3: Mạch tương đương mạch DAC điện trở hinh T - Giá trị Ve phụ thuộc việc đóng mở chuyển mạch S 3, S2, S1, S0 tức phụ thuộc vào giá trị bit nhị phân đưa vào chuyển đổi B 3B2B1B0 - Mạch KĐTT với điện trở đầu vào (R +2R) điện trở hồi tiếp 3R nên có hệ số khuếch đại K=1 > Vout = - Ve (dấu trừ thể điện áp vào ngược pha khuếch đại đảo) - Vậy, ta có : - Tổng qt cho mạch chuyển đổi tín hiệu số n bit B n-1 .B1B0 b 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 Vref - Từ cơng thức tổng qt, ta tính sai số chuyển đổi DA riêng sai số lệch điện áp chuẩn tham chiếu Vref gây sau: - Biểu thức cho thấy sai số điện áp tương tự ΔVOUT tỉ lệ với sai lệch ΔVref tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào ( Bn-1 B2 B1 B0) b Sự trơi điểm "0" khuếch đại thuật tốn Sự trơi điểm "0" khuếch đại thuật tốn ảnh hưởng giá trị tín hiệu số biến đổi Sai số ΔVOUT trôi điểm "0" khơng phụ thuộc giá trị tín hiệu số * Điện áp rơi điện trở tiếp xúc tiếp điểm chuyển mạch 102 Các chuyển mạch lý tưởng, thực tế điện áp rơi nối thông mạch điện chuyển mạch tuyệt đối Vậy điện áp rơi đóng vai trị 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 b 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 1.3 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC 1.3.1 Độ phân giải (Solution) - Độ phân giải tỷ số giá trị cực tiểu giá trị cực đại điện áp đầu ra, trị số tỷ số tương ứng tỷ số giá trị cực tiểu giá trị cực đại tín hiệu số đầu vào - Ví dụ : Đối với DAC 10 bit, độ phân giải là: - 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 1.3.2 Độ tuyến tính (Linearity) Độ tuyến tính DAC biểu thị sai số phi tuyến Sai số phi tuyến số % giá trị lệch cực đại khỏi đặc tính vào/ra lý tưởng so với giá trị cực đại đầu 1.3.3 Độ xác chuyển đổi (Accuracy) - Độ xác chuyển đổi xác định sai số chuyển đổi tĩnh cực đại Sai số phải bao gồm sai số phi thuyến, sai số tỷ lệ sai số trôi v.v Trong số trường hợp cụ thể, ngời ta tính riêng sai số mà khơng cho sai số tổng hợp - 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 103 - 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 1.3.4 Thời gia xác lập dòng, áp đầu (Settling time) Thời gian xác lập thời gian từ tín hiệu số đưa vào đến dòng áp đầu ổn định Hoặc xem thời gian xác lập thời gian cần thiết để mức dòng, áp đầu đạt đến số % quy định mức dòng, áp cực đại 1.3.5 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 Nguồn xét để cung cấp cho chuyển mạch cho KĐTT 1.3.6 Các thông số khác Ngồi thơng số cần phải quan tâm đên thông số khác DAC sử dụng như: - Các mức logic cao, thấp, điện trở, điện dung, đầu vào; - Dải động, điện trở, điện dung đầu ra; - Hệ số nhiệt độ Mạch chuyển đổi tƣơng tự - số ( ADC - Analog to Digital Convert ) 2.1.Mạch điện ADC chuyển đổi song song Hình 8.4: Mạch ADC kiểu so sánh song song 104 - Trên hình 11.6 mạch ADC so sánh kiểu song song n bit (Parallel Comparator) - Mạch có 2n-1 so sánh, ký hiệu từ (C -:- C2n-1) - Có 2n điện trở, ký hiệu từ (R -:- R2n) mắc nối tiếp vào nguồn điện áp chuẩn Uref - Đầu so sánh đưa vào mã hóa ưu tiên thơng qua hệ thống nhớ đệm - Đầu mã hóa đầu ADC - Đầu vào Uin để đưa mẫu tín tương tự cần chuyển đổi sang tín hiệu số 2.2 Nguyên lý làm việc - Mức điện áp chuẩn chia điện trở (2 n điện trở) Mỗi mức điện áp U ref / 2n = 1Δ (mức điện áp lượng tử) Như vậy, lối vào không đảo so sánh từ C -:- C2n-1 giá trị điện áp lượng tử 1Δ - Mẫu điện áp đưa vào chuyển đổi U in đưa vào tất lối vào đảo so sánh từ (C -:- C2n-1) so sánh với mức điện áp lượng tử tương ứng lối vào so sánh - Kết đưa so sánh đưa vào mã hóa ưu tiên theo thuật tốn thích hợp cho kết tín hiệu số dạng mã nhị phân đầu - Ví dụ cho mạch ADC bit, Hình 8.5: Phương pháp phân chia mức lượng tử với mức - Giả thiết điện áp chuẩn U ref = 1V, điện áp chia cho khoảng, khoảng có điện áp (1/8)V Như bước lượng tử 1Δ = (1/8)V - Điện áp mẫu tín hiệu tương tự đưa vào lối vào đảo để so sánh với bước điện áp lối vào không đảo so sánh Kết so sánh 105 đưa vào mã hóa ưu tiên theo thuật tốn biểu diễn hình 11.7 có kết số đưa dạng mã nhị phân 2.3 Giới thiệu IC, khảo sát mạch chuyển đổi 2.3.1 Nội dung: - Tìm hiểu cấu trúc, chức chân DAC0830 - Lắp mạch, khảo sát nguyên lý hoạt động DAC0830 cho ứng dụng 2.3.2 Tổ chức thực hiện: Chia lớp thành nhóm với sinh viên/nhóm 2.3.3 Bảng thiết bị, vật tư TT Thiết bị - Vật tƣ Board mạch Thông số kỹ thuật Board cắm dây Số lƣợng 1board / nhóm IC DAC 0830 tương đương IC/ nhóm IC KĐTT LF 351 tương IC/ nhóm đương Biến trở 10 K Nguồn DC ± 15 VDC/1A Bộ đếm số (4-:- 8) bit /nhóm Dây cắm đấu nối bọc L=15cm; D=1mm / nhóm nhựa Ổ tiếp nguồn 220V/5A bộ/ nhóm Đồng hồ VOM Tiêu chuẩn đo lường VN Bảng 8.1: Bảng thiết bị, vật tư khảo sát mạch dùng DAC0830 2.3.4 Quy trình thực a Chuẩn bị kiểm tra thiết bị, vật tư theo bảng thống kê b Tìm hiểu cấu trúc DAC0830 DAC 0830 IC thuộc họ CMOS Là chuyển đổi D/A bit dùng mạng R/2R ladder Có thể giao tiếp trực tiếp với vi xử lý để mở rộng hoạt động chuyển đổi D/A 106 Hình 8.6: Sơ đồ chân cấu trúc bên DAC0830 Chức chân * ( CHIP SELECT) chân chọn hoạt động mức thấp Được kết hợp với chân ITL để viết liệu * ITL (INPUT LACTH ENABLE) chân cho phép chốt ngõ vào, hoạt động mức cao ITL kết hợp với * phép viết (WRITE) hoạt động mức thấp Được sử dụng để nạp bit liệu ngõ vào chốt Dữ liệu chốt mức cao Để chốt liệu vào phải mức thấp ITL phải mức cao * (WRITE) tác động mức thấp Chân kết hợp với chân cho phép liệu chốt ngõ vào mạch chốt truyền tới nghi DAC IC * (TRANSFER CONTROL SIGNAL) tác động mức thấp Cho phép viết * DI0 – DI7 ngõ vào số DI0 LSB DI7 MSB * IOUT1 ngõ dịng DAC1 Có trị số cực đại tất bit vào 1, tất bit vào * IOUT2 ngõ dòng DAC2 Nếu IOUT1 tăng từ cực đại IOUT2 giảm từ cực đại để cho IOUT1 + IOUT2 = số * Rfb điện trở hồi tiếp nằm IC Luôn sử dụng để hồi tiếp cho Op Amp mắc * Vref ngõ vào điện áp tham chiếu từ -10 đến +10V 107 * VCC điện áp nguồn cấp cho IC hoạt động từ đến 15V * GND (mass) chung cho IOUT1 IOUT2 c Lắp mạch điều khiển volume số dùng DAC8030 - Nghiên cứu mạch đấu nối (Hình 8.7) + Mạch sử dụng nguồn nuôi lưỡng cực ± 15VDC + Điện áp biến đổi từ -:- +15V Điện áp cung cấp cho tầng tiền khuếch tăng giảm hệ số khuếch đại cho tầng công suất - Lắp mạch Hình 8.7: Ứng dụng DAC0830 để điều khiển volume + Cắm IC DAC0830 lên bảng mạch + Căm IC LF 351lên bảng mạch + Cắm biến trở 10K + Mạch sử dụng nguồn nuôi lưỡng cực ± 15VDC + Điện áp biến đổi từ -:- +15V Điện áp cung cấp cho tầng tiền khuếch tăng giảm hệ số khuếch đại cho tầng công suất - Lắp mạch + Cắm IC DAC0830 lên bảng mạch + Căm IC LF 351lên bảng mạch + Cắm biến trở 10K + Kết nối mạch điện dây cắm + Kết nối đầu đếm số tới lối vào tương ứng IC DAC0830 108 + Cấp nguồn ±15VDC từ nguồn + Mắc đồng hồ đo VOM thang đo VDC tới lối Vout + Khởi phát đếm hoạt động chế độ nhân công + Quan sát kết điện áp kích thích đếm theo xung nhịp Câu hỏi ơn tập Câu 1: Trình bày nguyên lý làm việc chuyển đổi ADC ? Câu 2: Trình bày nguyên lý làm việc chuyển đổi DAC ? Tài liệu tham khảo: [1] Đỗ Xuân Thụ – Kỹ thuật điện tử – NXB Giáo dục – 1995 [2] Đặng Văn Chuyết – Kỹ thuật điện tử số – NXB giáo dục – 1997 [3] Võ Trí An – Kỹ thuật điện tử số ứng dụng – NXBKHKT – 1994 [4] Nguyễn Thúy Vân – Kỹ thuật số – NXBKHKT – 1996 [5] Nguyễn Thúy Vân – Thiết kế lôgic mạch số – NXBKHKT – 1996 [6] Dương Minh Trí – Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn – NXB Khoa học kỹ thuật 1997 [7] ELWE Digital experiment [8] TS Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình kỹ thuật số - NXB Giáo dục 2002 109 ... nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Trong chương trình đào tạo nghề Điện công nghiệp trường cao đẳng Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa Vũng Tàu mô đun môn học kỹ thuật xung số mô đun giữ vị trí quan trọng: rèn luyện... dạng xung xung vuông, xung tam giác, xung kim - Quan sát ảnh hưởng dạng nhiễu tín hiệu xung - Đo, đọc thông số xung chu kỳ xung, độ rộng xung, độ nghỉ xung, độ rộng sườn trước, sườn sau xung. .. thơng số mạch R-C để quan sát dạng sóng - Đo, đọc thông số xung 13 + Mỗi thực nghiệm với dạng xung, đo xác định xác thơng số xung: Chu kỳ xung, độ rộng xung, độ nghỉ xung, biên độ xung tính tần số