Giáo trình Kỹ thuật xung số (Ngành Điện công nghiệp)

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHỊNG TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHIỆP HẢI PHỊNG GIÁO TRÌNH Mơn học/Mơ đun: Kỹ thuật xung số NGHỀ:ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG Hải Phịng, 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc 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 Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng, giáo trình Kỹ thuật xung số giáo trình mơn học đào tạo chuyên ngành đƣợc biên soạn theo nội dung chƣơng trình đào tạo trƣờng Cao đẳng Cơng nghiệp Hải Phịng phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logic Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chƣơng trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết tập đƣợc biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao Nội dung giáo trình đƣợc biên soạn với dung lƣợng thời gian đào tạo Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu nhƣ khoa học cơng nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực hành để ngƣời học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trƣờng có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng đƣợc mục tiêu đào tạo nhƣng không tránh đƣợc khiếm khuyết Rất mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hồn thiện Tổ mơn MỤC LỤC PHẦN : KỸ THUẬT XUNG Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung 1.1 Định nghĩa xung điện 1.2 Các thông số xung điện dãy xung Tác dụng R-C xung 11 2.1 Tác dụng mạch RC xung 11 2.2 Tác dụng mạch RL xung 23 Tác dụng mạch R.L.C xung 25 Bài2: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI 48 Mạch dao động đa hài không ổn 48 1.1 Mạch dao động đa hài dùng Transistor 48 1.2 Mạch dao động đa hài dùng IC 555 51 1.3 Mạch dao động đa hài dùng cổng logic 54 Mạch đa hài đơn ổn 57 2.1 Mạch đa hài đơn ổn dùng Transistor 57 2.2 Mạch đa hài đơn ổn dùng IC 555 59 Mạch đa hài lƣỡng ổn 59 3.1 Mạch đa hài lƣỡng ổn dùng Transistor 60 3.2 Mạch đa hài lƣỡng ổn dùng IC 555 61 Mạch Schmitt-trigger 63 4.1 Mạch Schmitt-trigger dùng Transistor 63 4.2 Mạch Schmitt-trigger dùng cổng logic 65 PHẦN : KỸ THUẬT SỐ 79 Bài 1: ĐẠI CƢƠNG 79 1.Tổng quan mạch tƣơng tự mạch số 79 1.1 Định nghĩa 79 1.2 Ƣu nhƣợc điểm kỹ thuật số so với kỹ thuật tƣơng tự 80 Hệ thống số mã số 81 2.1 Hệ thống số thập phân (Decimal system) 81 2.2 Hệ thống số nhị phân (Binary system) 82 2.3 Hệ thống số bát phân (Octal system) 83 2.4 Hệ thống số thập lục phân (Hexadecimal system) 84 2.5 Mã BCD (Binary code decimal) 86 2.6 Mã ASCII 87 Các cổng Logic 93 3.1 Cổng AND 93 3.2 Cổng OR 94 3.3 Cổng NOT 95 3.4 Cổng NAND 95 3.5 Cổng NOR 97 3.6 Cổng EX-OR 98 3.7 Cổng EX-NOR 98 3.8 Cổng đệm (Buffer) 99 Biểu thức Logic mạch điện 100 4.1 Mạch điện biểu diễn biểu thức Logic 100 4.2 Xây dựng biểu thức Logic theo mạch điện cho trƣớc 103 Đại số Boole định lý Demorgan 106 5.1 Hàm Bool biến 107 5.2 Hàm Bool nhiều biến 107 5.3 Định lý Demorgan 108 Đơn giản biểu thức logic 108 6.1 Đơn giản biểu thức logic phƣơng pháp đại số 110 6.2 Rút gọn biểu thức logic biểu đồ Karnaugh 111 Giới thiệu số IC số 119 Bài 2: FLIP - FLOP 130 Flip - Flop R-S 130 1.1 FF R-S sử dụng cổng NAND 130 1.2 Mạch FF R-S sử dụng cổng NOR 131 1.3 FF R-S tác động theo xung lệnh 131 Flip - Flop J-K 133 Flip - Flop T 136 Flip - Flop D 137 Flip - Flop với ngõ vào Preset Clear 138 Bài 3: MẠCH LOGIC MSI 156 Mạch mã hóa (Encoder) 156 1.1 Sơ đồ khối tổng quát 156 1.2 Mạch mã hóa từ sang 157 1.3 Mạch mã hóa từ sang 158 1.4 Mạch mã hóa ƣu tiên 159 Mạch giải mã (Decoder) 161 2.1 Đặc điểm chung 162 2.2 Mạch giải mã sang 162 2.3 Mạch giải mã sang 163 2.5 Mạch giải mã BCD sang Led đoạn 166 2.6 Mạch giải mã BCD sang thị tinh thể lỏng (LCD) 173 Mạch ghép kênh 174 3.1 Tổng quát 174 3.2 Mạch ghép kênh sang 175 3.3 Mạch ghép kênh sang 176 Mạch tách kênh 177 4.2 Mạch tách kênh sang 177 4.3 Mạch tách kênh sang 178 5 Giới thiệu số IC mã hóa giải mã thơng dụng 179 5.1 IC giải mã 179 5.2.Một số IC ghép kênh hay dùng 182 5.3 Một số IC giải mã tách kênh hay dùng 185 5.4 Mạch ghép kênh 187 Tính tốn, lắp ráp số mạch ứng dụng 188 6.1 Mạch ghép kênh 188 6.2 Dùng mạch ghép kênh để thiết kế tổ hợp 189 Bài 4: MẠCH ĐẾM VÀ THANH GHI 191 Mạch đếm 191 1.1 Mạch đếm lên không đồng 191 1.2 Mạch đếm xuống không đồng 193 1.3 Mạch đếm lên, đếm xuống không đồng (n=4) 195 1.4 Mạch đếm không đồng chia n tần số 196 1.5 Mạch đếm đồng 197 1.6 Mạch đếm vòng 198 1.7 Mạch đếm vòng xoắn (Jonhson) 200 1.8 Mạch đếm với số đếm đặt trƣớc 200 Thanh ghi 201 2.1 Thanh ghi vào nối tiếp song song dịch phải 201 2.2 Thanh ghi vào nối tiếp song song dịch trái 202 2.3 Thanh ghi vào song song song song 203 Giới thiệu số IC đếm ghi thông dụng 203 Bài 5: HỌ VI MẠCH TTL – CMOS 216 Cấu trúc thông số TTL 216 1.1 Cơ sở việc hình thành cổng logic họ TTL 216 1.2 Cấu trúc TTL 218 Cấu trúc thông số CMOS 233 2.1 Đặc trƣng vi mạch số họ CMOS 235 2.2 Cấu trúc CMOS cổng logic 236 2.3 Các thông số vi mạch số họ CMOS 241 Giao tiếp TTL CMOS 244 3.1 TTL kích thích CMOS 244 3.2 CMOS kích thích TTL 245 Giao tiếp mạch logic tải công suất 246 4.1 Giao tiếp với tải DC 246 4.2 Giao tiếp với tải AC 249 4.3 Giao tiếp sử dụng nối quang 250 4.4 Giao tiếp sử dụng rơ le 250 Bài 6: BỘ NHỚ 253 ROM 255 1.1 Cấu trúc ROM 255 1.2 Cấu trúc ma trận nhớ 259 1.3 Cấu trúc tế bào ROM 261 1.4 Cấu trúc tế bào PROM 263 1.5 EPROM 264 RAM 265 2.1 Cấu trúc RAM 265 2.2 Cấu trúc tế bào RAM 267 Mở rộng dung lƣợng nhớ 268 3.1 Phƣơng pháp mở rộng số đƣờng địa 268 3.2 Phƣơng pháp mở rộng số đƣờng liệu 269 Giới thiệu IC 271 4.1 Chip EPROM M2732A 271 4.2 Chip EPROM M27C64A 272 4.3 IC SRAM MCM6264C 273 4.4 IC DRAM TMS44100 275 Bài 7: KỸ THUẬT ADC – DAC 278 Mạch chuyển đổi số sang tƣơng tự (DAC) 278 1.1 Tổng chuyển đổi DAC 278 1.2 Thông số kỹ thuật chuyển đổi DAC 279 1.3 Mạch DAC dùng điện trở có trị số khác 282 1.4 Mạch DAC sử dụng nguồn dòng 283 1.5 Mạch ADC dùng điện trở R 2R 285 Mạch chuyển đổi tƣơng tự sang số (ADC) 286 2.1 Tổng quát chuyển đổi ADC 286 2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ 288 2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 290 2.4 Mạch ADC gần lấy liên tiếp 293 2.5 Mạch ADC chuyển đổi song song 294 Giới thiệu IC 296 3.1 IC AD7524 296 3.2 IC DAC0830 299 TÀI LIỆU THAM KHẢO 302 PHẦN : KỸ THUẬT XUNG Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 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: Trình bày đƣợc khái niệm xung điện, dãy xung Giải thích đƣợc tác động linh kiện thụ động đến dạng xung Rèn luyện tính tƣ duy, tác phong cơng nghiệp Nội dung Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung 1.1 Định nghĩa xung điện Xung tín hiệu tạo nên thay đổi mức điện áp hay dòng điện khoảng thời gian ngắn, so sánh với thời gian độ 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 Các tín hiệu xung đƣợc sử dụng rộng rãi mạch điện tử: truyền thông, công nghệ thông tin, vô tuyến, hữu tuyến… 1.2 Các thông số xung điện dãy xung Tín hiệu xung vng nhƣ hình 1.3 tín hiệu xung vng lý tƣởng, thực tế khó có xung vng có biên độ tăng giảm thẳng đứng nhƣ vậy: u u Um 0.9Um tx u Um tng Um 0.1Um t T A, xung vuông lý tưởng ttr tđ tx ts t B, xung vuông thực tế Hình 1.3: Dạng xung Xung vng thực tế với đoạn đặc trƣng nhƣ: sƣờn trƣớc, đỉnh, sƣờn sau Các tham số biên độ Um, độ rộng xung tx, độ rộng sƣờn trƣớc ttr sau ts, độ sụt đỉnh ∆u Biên độ xung Um xác định giá trị lớn điện áp tín hiệu xung có đƣợc thời gian tồn Độ rộng sƣờn trƣớc ttr, sƣờn sau ts xác định khoảng thời gian tăng thời gian giảm 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 tƣơng tứng từ 0.9Um đến Um   Với dãy xung tuần hồn ta có tham số đặc trƣng nhƣ sau: Chu kỳ lặp lại xung T khoảng thời gian điểm tƣơng ứng xung kế tiếp, thời gian tƣơng ứng với mức điện áp cao t x 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= T (1.2) 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 t x chu kỳ xung T (1.3)  tx T (1.3) Do T = tx + tng , ta ln có   - Độ rỗng xung Q tỷ số chu kỳ xung T độ rộng xung tx (1.4) T Q  tx (1.4) kỹ thuật xung - số, sử  dụng phƣơng pháp số tín hiệu xung vớiTrong quy ƣớc có trạng thái phân biệt - Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn ngƣỡng UH gọi trạng thái cao hay mức “1”, mức U thƣờng chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc H - Trạng thái khơng có xung (tng) với biên độ nhỏ ngƣỡng UL gọi trạng thái thấp hay mức “0”, U đƣợc chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC) L  - Các mức điện áp dải UL < U < UH đƣợc gọi trạng thái cấm  Dãy xung : Kỹ thuật xung không phát xung đơn mà phát đƣợc dãy xung liên tiếp tuần hoàn với chu kỳ T, nghĩa sau thời gian T lại có xung lăp lại hồn tồn giống nhƣ xung trƣớc  - Các dạng dãy xung tuần hồn thƣờng gặp: Dãy xung vng góc dạng dãy xung thƣờng gặp kỹ thuật điện tử Các thông số đặc trƣng cho dãy xung gồm: biên độ UM, độ rộng xung tx, thời gian nghỉ tn, chu kỳ T= tx + tn, tần số f=1/T Ngoài cịn có thơng số phụ đặc trƣng khác hệ số lấp đầy  = tx/T độ hổng (rỗng) Q= 1/  = T/tx Nếu Q = 2, (tx = tn) dãy xung gọi dãy xung vng góc đối xứng Dãy xung cƣa túy (tf = 0), chu kỳ T Mạch phát dãy xung thƣờng dùng thiết bị dao động kí điện tử, với vai trị tạo sóng qt ngang Dãy xung tuần hồn Nó thƣờng dùng để kích khởi hoạt động có tính chu kỳ Các mạch phát xung tuần hồn thƣờng mạch hoạt động khơng chịu điều khiển xung kích Dãy xung khơng tuần hồn Mạch phát xung thƣờng mạch hoạt động theo điều khiển xung kích khởi bên ngồi, gọi mạch kích khởi Ứng với xung kích thích bên ngồi, mạch cho xung có biên độ độ rộng xung không thay đổi, nghĩa dạng xung đƣa hoàn toàn lặp lại giống sau xung kích thích Các dạng hàm tín hiệu xung Hàm đột biến (hình 1.5) v(t) = a.1(t - t0) Đột biến xảy thời điểm t = t0 với biên độ a 1(t – t0) : Hàm đột biến đơn vị 288 2.2 Vấn đề lấy mẫu giữ Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung đƣợc thực qua bƣớc bản, là: lấy mẫu; nhớ mẫu; lƣợng tử hóa mã hóa Các bƣớc ln ln kết hợp với trình thống 2.2.1 Định lý lấy mẫu Đối với tín hiệu tƣơng tự V I tín hiệu lấy mẫu VS sau q trình lấy mẫu khơi phục trở lại V I cách trung thực điều kiện sau thỏa mản: f s  f max (7.9) Trong đó: fS : tần số lấy mẫu fmax : giới hạn giải tần số tƣơng tự Hình 7.8: Biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tƣơng tự đầu vào Nếu biểu thức (7.8) đƣợc 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 số tƣơng ứng cần có thời gian định nên phải nhớ mẫu khoảng thời gian cần thiết sau lần lấy mẫu Điện áp tƣơng tự đầu vào đƣợc thực chuyển đổi A/D thực tế giá trị VI đại diện, giá trị kết lần lấy mẫu Hình 7.8: Lấy mẫu tín hiệu tƣơng tự đầu vào 2.2.2 Lƣợng tử hóa mã hóa Tín hiệu số khơng rời rạc thời gian mà cịn khơng liên tục biến đổi giá trị Một giá trị tín hiệu số phải biểu thị bội số nguyên lần giá trị đơn vị đó, giá trị nhỏ đƣợc chọn Nghĩa dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị Quá trình gọi lượng tử hóa Đơn vị đƣợc chọn theo qui định gọi đơn vị lƣợng tử, kí hiệu D Nhƣ giá trị bit LSB tín hiệu số 289 D Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số mã hóa Mã nhị phân có đƣợc sau q trình tín hiệu đầu chuyên đổi A/D 2.2.3 Mạch lấy mẫu nhớ mẫu Khi nối trực tiếp điện tƣơng tự với đầu vào ADC, tiến trình biến đổi bị tác động ngƣợc điện tƣơng tự thay đổi tiến trình biến đổi Ta cải thiện tính ổn định tiến trình chuyển đổi cách sử dụng mạch lấy mẫu nhớ mẫu để ghi nhớ điện tƣơng tự không đổi chu kỳ chuyển đổi diễn Hình 7.9 sơ đồ mạch lấy mẫu nhớ mẫu Hình 7.9: 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 đƣợc đóng thời gian đủ dài để tụ C h nạp đến giá trị dịng điện tín hiệu tƣơng tự Ví dụ chuyển mạch đƣợc đóng thời điểm t0 đầu A1 nạp nhanh tụ C h lên đến điện tƣơng tự V0 chuyển mạch mở tụ Ch trì điện để đầu 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 ADC ADC chủ yếu nhận đựơc điện DC vào, tức V0 Trong thực tế ngƣời ta sử dụng vi mạch LF198 (hình 7.10) 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 cung cấp mức điện tƣơng tự tƣơng đối ổn định đầu A2 290 Hình 7.10: Sơ đồ chân LF198 2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 2.3.1 Sơ đồ khối Phiên đơn giản lớp ADC hình 7.7 sử dụng đếm nhị phân làm ghi cho phép xung nhịp đẩy đếm tăng bƣớc, VAX > VA Đây gọi ADC sóng dạng bậc thang, dạng sóng V AX có bậc lên Ngƣời ta cịn gọi ADC loại đếm Hình 7.11: Là sơ đồ biểu diễn ADC dạng sóng bậc thang Hình 7.11: DAC dạng sóng bậc thang Các thành phần DAC dạng sóng bậc thang hình 7.11 gồm: đếm, DAC, so sánh tƣơng tự, cổng NAND ngõ vào điều khiển Đầu so sánh dùng l àm tín hiệu (End Of C onversion – kết thúc chuyển đổi) 2.3.2 Hoạt động ADC dạng sóng bậc thang Giả sử VA, tức mức điện cần chuyển đổi dƣơng tiến trình hoạt động diển nhƣ sau: Xung Khởi Động đƣợc đƣa vào để Reset đếm Mức cao xung Khởi Động cấm không cho xung nhịp qua cổng AND vào đếm 291 - Nếu đầu DAC tồn bit đầu DAC V AX = 0V 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, nhƣ minh họa hình 7.11 Tiến trình tiếp tục VAX lên đến bậc vƣợt VA khoảng Vì VA>VAX nên đầu so sánh Tại t hời ểm nàyngõ r a bộs os ánh t hấp cấm không cho xung T nhịp vào đếm nên đếm ngừng đếm thấp nội dung đếm biểu thị dạng số điện áp tƣơng tự vào V A Bộ đếm trì giá trị số 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 tố ảnh hƣởng đến sai số trình chuyển đổi nhƣ: kích cở bậc thang, tức độ phân giải DAC cài đơn vị nhỏ Nếu giảm kích cở bậc thang ta hạn chế bớt sai số nhƣng ln có khoảng cách chênh lệch đại lƣợng thức tế và giá trị gán cho Đây gọi sai số lƣợng tử Cũng nhƣ DAC, độ xác khơng ảnh hƣởng đến độ phân giải nhƣng lại tùy thuộc vào độ xác linh kiện mạch nhƣ: so sánh, điện trở xác chuyển mạch dịng DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang) cho biết kết từ ADC sai biệt khoảng nhƣ thế, linh kiện khơng lý tƣởng Ví dụ Tiến trình chuyển đổi hồn tất tín hiệu chuyển từ trạng thái cao xuống Giả sử ADC dạng sóng bậc thang hình 11 có thơng 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 tƣơng đƣơng cho VA = 3.728V b Thời gian chuyển đổi c Độ phân giải chuyển đổi Bài giải: a DAC có đầu vào 10 bit đầu cực đại = 10.23V nên ta tính đƣợc tổng số bậc thang có là: 210 – = 1023 Suy kích cở bậc thang là: 10,23 1023 = 10 292 Dựa thông số ta thấy V AX tăng theo bậc 10mV đếm đếm lên từ VA = 3.728, VT = 0.1mV nên VAX phải đạt từ 3.728 trở lên trƣớc so sánh chuyển sang trạng thái mức thấp Nhƣ phải có số bậc: 3.728  372,8  373 bậc 10 cuối tiến trình chuyển đổi, đếm trì số nhị phân tƣơng đƣơng 37310, tức 0101110101 Đây giá trị số tƣơng đƣơng V A = 3.728V ADC tạo nên b Muốn 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 ADC với kích thƣớc bậc thang DAC tức 10mV Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm là: 1023 × 100% ≈ 0,1% 2.3.4 Thời gian chuyển đổi Thời gian chuyển đổi khoảng thời gian điểm cuối xung khởi động đến thời điểm kích hoạt đầu Bộ đếm bắt đầu đếm từ lên kh i vƣợt V, tạ i t hời ểm xuống m ức t hấpđể kết t húc t i ếnt ìr nh chuyển AXA đổi Nhƣ giá trị thời gian chuyển đổi tC phụ thuộc vào VA Thời gian chuyển đổi cực đại xảy VA nằm dƣới bậc thang cao Sao cho VAX phải tiến lên bậc cuối để kích hoạt Với chuyển đổi N bit, ta có: N tC(max) = (2 – 1) chu kỳ xung nhịp ADC hình 7.11 có thời gian chuyển đổi cực 10 đại - tC(max) = (2 – 1)x1ms = 1023ms Đôi thời gian chuyển đổi trung bình đƣợc quy định ½ thời gian chuyển đổi cực đại Với chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có: t c ( avg)  t c (max)  N 1 chu kỳ xung nhịp ( 7.11) Nhƣợc điểm ADC dạng sóng bậc thang thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với bit thêm vào đếm Do ADC loại khơng thích hợp với ứng dụng địi hỏi phải liên tục chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số Tuy nhiên với ứng dụng tốc độ chậm chất tƣơng đối đơn giản ADC dạng sống bậc thang ƣu điểm so với loại ADC khác 293 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 t C cố định, không phụ thuộc vào giá trị đầu vào tƣơng tự Hình 7.12 cấu hình SAC, tƣơng tự cấu hình 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 lƣu ghi theo bit dử liệu ghi biến thành giá trị số tƣơng đƣơng với đầu vào tƣơng tự VA phạm vi độ phân giải chuyển đổi Hình 7.12: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ Ví dụ 2: SAC bit có độ phân giải 20mV Với đầu vào tƣơng tự 2.17V, tính đầu số tƣơng ứng Giải Số bậc SAC: 2,1 = 108,5 Nhƣ bậc thứ 108 có VAX = 2,16V, bậc 109 có V AX = 2.18V SAC sinh đầu VAX cuối bậc thang bên dƣới VA Do vậy, trƣờng hợp VA = 2.17, đầu số 10810 = 011011002 Thời gian chuyển đổi Logic điều khiển đếm bit ghi, gán cho nó, định có cần trì chúng mức hay khơng chuyển sang bit Thời gian xử lý 294 bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, nghĩa tổng thời gian chuyển đổi SAC N bit N chu kỳ xung nhịp Ta có: tC cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp Thời gian chuyển đổi nhƣ bất chấp giá trị V A 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 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: N (2 – 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 phƣơng pháp song song nhƣ hình 7.13 Với bít biểu diễn 23=8 số khác nhau, kể số (khơng) Do cần có so sánh, điện áp chuẩn nấc đƣợc tạo phân áp Nếu điện áp vào không vƣợt 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 7.14 cho quan hệ trạng thái so sánh với số nhị phân tƣơng ứng Nếu điện áp vào bị thay đổi nhận đƣợc kết sai mã hố ƣu tiên khơng thể đấu trực tiếp đến lối so sánh Ta xét đến chẳng hạn việc chuyển từ số sang số (do đó, mã nhị phân từ 011 đến 100) Nếu bit già thời gian trễ giảm mà thay đổi trạng thái sớm bít khác xuất số 111, tức số Trị số sai tƣơng ứng với nửa dải đo Bởi kết biến đổi A/D, nhƣ biết, đƣợc ghi vào nhớ, nhƣ tồn xác xuất định để nhận đƣợc trị số 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, phƣơng pháp hạn chế tần số cho phép 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 so sánh, mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có độ trơi đáng kể 295 Hình 7.13: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phƣơng pháp song song Nhƣợc điểm đƣợc khắc phục cách sau so sánh, ta dùng trigơ với tƣ cách nhớ đệm lật theo sƣờn để nhớ trị analog Trigơ này, dƣới tác dụng tín hiệu nhịp khởi động cho trigơ tiếp sau Ở trƣờng hợp bảo đảm giữ nguyên trạng thái dừng lối mã hoá ƣu tiên tác động sƣờn xung để khởi động trigơ Nhƣ thấy rõ bảng 1, so sánh xác lập trạng thái “1” theo trình tự từ dƣới lên Trình tự không đƣợc đảm bảo sƣờn xung dựng đứng Bởi có khác thời gian trễ so sánh nên chuyển sang trình khác Trong tình xác định, trạng thái q độ đƣợc ghi vào trigơ nhƣ sƣờn xung khởi động trigơ sƣờn tín hiệu trùng Tuy nhiên, mã hoá ƣu tiên cho phép tránh đƣợc điều nhờ tính chất là: khơng ý đến bít trẻ “1” Bảng 7.14: Sự biến đổi trạng thái biến đổi A/D song song tuỳ thuộc vào điện áp lối vào Điện áp Số thập phân vào Trạng thái so sánh Số nhị phân tƣơng ứng Ue/ULSB K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 Z2 Z1 Z0 0 0 0 0 0 0 296 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 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 so sánh, điểm bắt đầu đƣợc xác định sƣờn xung khởi động Sự khác thời gian trễ gây độ bất định thời gian(khe) mẫu Để giảm nhỏ trị số đến mức tính tốn mục trƣớc, tốt sử dụng so sánh có khả giảm nhỏ thời gian trễ Nhờ tầng làm việc song song nên phƣơng pháp biến đổi A/D vừa mô tả nhanh Giới thiệu IC Mục tiêu: Đo kiểm tra, xác định lỗi số IC Thay IC vào mạch điện cách xác Hiện thị trƣờng có nhiều loại IC có chức chuyển đổi từ số sacng tƣơng tự Ở giới thiệu loại IC thông dụng, loại khác bạn đọc tham khảo Datasheet hay Internet 3.1 IC AD7524 IC AD7524 ( IC CMOS) IC chuyên dụng dùng để chuyển đổi từ số sang tƣơng tự AD7524 chuyển đổi D/A bit, dùng mạng R/2R ladder Có sơ đồ bên nhƣ hình 7.15 Hình 7.15: Sơ đồ bên IC AD7524 297 AD7524 có đầu vào bit, bị chốt dƣới điều khiển đầu vào CHỌN CHIP ( ) đầu vào ghi () hai đầu vào điều khiển vào liệu D7 ÷ D0 sinh dịng tƣơng tự OUT1 mức thấp, đầu OUT2 (thƣờng OUT2 nối đất) Nếu hai đầu vào điều khiển lên cao lúc liệu vào bị chốt lại đầu tƣơng tự trì mức ứng với liệu số bị chốt Những thay đổi đầu vào không tác động đến ngõ tƣơng tự OUT1 trạng thái chốt Các thông số IC đƣợc liệt kê bảng hình 7.16 Bảng 7.16 Các thơng số IC DA7524 VDD = 5V VDD = 15V Đơn MIN NOM MAX MIN NOM MAX vị 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 cao, 2,4 13,5 V VIH Điện áp đầu vào mức thấp, 0,8 1,5 V VIL thời gian cài đặc, tSU(CS) 40 40 ns thời gian giữ, th(CS) 0 ns Cài đặc thời gian liệu đầu 25 25 ns vào, tSU(CS) Giữ thời gian liệu đầu 10 10 ns vào, tSU(CS) 40 40 ns Chu kỳ xung, C Nhiệt độ môi trƣờng hoạt -55 125 -55 125 động, TA Quan hệ ngõ vào ngõ tƣơng ứng đƣợc trình bày bảng hình 7.16 Bảng 7.16a: Quan hệ ngõ vào ngõ Đầu vào số (Digital input) Đầu tƣơng tự (Xem ý 1) (Analog output) MSB LSB -Vref (255/256) 11111111 -Vref (129/256) 10000001 -Vref (128/256) = -Vref /2 10000000 -Vref (1/256) 01111111 00000000 Chú ý 1: LSB = 1/256 (Vref ) Bảng 7.16b: Quan hệ ngõ vào ngõ low, tw(WR) 298 Đầu vào số (Digital input) (Xem ý 2) MSB LSB Đầu tƣơng tự (Analog output) Vref (127/128) 11111111 Vref (128) 10000001 10000000 -Vref (128) 01111111 -Vref (127/128) 00000001 -Vref 00000000 Chú ý 2: LSB = 1/128 (Vref ) Ứng dụng IC AD7524 thƣờng dùng giao tiếp với vi xử lý vi điều khiển để chuyển đổi tín hiệu số sang tƣơng tự nhằm điều khiển đối tƣợng cần điều khiển Sau số ứng dụng IC AD7524 giao tiếp với IC khác nhƣ hình 7.17 Hình 7.17a: Giao tiếp AD7524 với 6800 Hình 7.17b: Giao tiếp AD7524 với 8051 299 Hình 7.17c: Giao tiếp AD7524 với Z-80A 3.2 IC 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 Sơ đồ chân cấu trúc bên DAC0830 nhƣ hình 7.18 Hình 7.18: Cấu trúc bên ICDAC0804 300 Hoạt động chân chân ITL để viết liệu ITL (INPUT LACTH ENABLE) chân cho phép chốt ngõ vào, hoạt động ( ) ( CHI P SELECT) l chânchọn hoạt động ởm ức t hấp Đƣợc kết hợp với mức cao ITL kết hợp với ( ) phép vi ết t hì )( phải ởm ức t hấpt r ong đóI TL phải ởm ức cao (WRITE) hoạt động mức thấp Đƣợc sử dụng để nạp bit liệu ngõ vào chốt Dữ liệu đƣợc chốt mức cao Để chốt đƣợc liệu vào (WRITE) tác động m ức thấp Chân kết hợp với chân cho phép liệu chốt ngõ vào mạch chốt đƣợc truyền tới nghi DAC IC 1 (TRANSFER CONTROL SIGNAL) tác động mức thấp Cho phép đƣợc viết DI0 – DI7 ngõ vào số DI0 LSB cịn DI7 MSB I01 ngõ dịng DAC1 Có trị số cực đại tất bit vào 1, tất bit vào I02 ngõ dòng DAC2 Nếu I01 tăng từ cực đại I02 giảm từ cực đại để cho I01 + I02 = số Rfb điện trở hồi tiếp nằm IC Luôn đƣợc sử dụng để hồi tiếp cho Op Amp mắc Vref ngõ vào điện áp tham chiếu từ -10 đến +10V VCC điện áp nguồn cấp cho IC hoạt động từ đến 15V GND (mass) chung cho I01 I02 Sau số ứng dụng DAC0830 chuyển đổi từ số sang tƣơng tự Điều khiển volume số nhƣ hình 7.19 Hình 7.19: Ứng dụng DAC0830 để điều khiển Volume 301 Điều khiển máy phát sóng số nhƣ hình 7.20 Hình 7.20: Ứng dụng DAC 0830 để điều khiển máy phát sóng Bộ Điều khiển dịng số nhƣ hình 7.21 Hình 7.21: Bộ điều khiển dịng só Cơng thức tính dịng ra: = [ + ][1 + ] 256 DAC8030 điều khiển đƣợc dòng thay đổi theo liệu số vào Dòng thay đổi từ 4mA (khi D = 0) đến 19.9mA (khi D = 255) Mạch điện sử dụng cho mức điện áp vào khác từ 16V đến 55V P2 thay đổi giá trị dòng 302 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Kỹ thuật xung - số, Tổng cục dạy nghề, 2013 Mạch điện tử (tập – 2), Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2005 Kỹ thuật xung nâng cao, Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2002 Kỹ thuật số, Nguyễn Thuý Vân, NXB KHKT, 2004 Kỹ thuật điện tử số, Đặng Văn Chuyết, NXB Giáo dục Cơ sở kỹ thuật điện tử số, Vũ Đức Thọ, NXB Giáo dục ... thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng, giáo trình Kỹ thuật xung số giáo trình mơn học đào tạo chun ngành đƣợc biên soạn theo nội dung chƣơng trình đào tạo trƣờng... xung T (1.3)  tx T (1.3) Do T = tx + tng , ta ln có   - Độ rỗng xung Q tỷ số chu kỳ xung T độ rộng xung tx (1.4) T Q  tx (1.4) kỹ thuật xung - số, sử  dụng phƣơng pháp số tín hiệu ? ?xung. .. dung Định nghĩa xung điện, tham số dãy xung 1.1 Định nghĩa xung điện Xung tín hiệu tạo nên thay đổi mức điện áp hay dịng điện khoảng thời gian ngắn, so sánh với thời gian độ mạch điện mà chúng