Giáo trình Kỹ thuật xung số (Nghề Điện công nghiệpCĐ)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI NINH BÌNH GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT XUNG – SỐ NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyếtđịnh số: /QĐ-TCGNB ngày…….tháng….năm 2017 Trường cao đẳng Cơ giới NinhBình Tháng 6, năm 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình 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 Nội dung môn học Kỹ thuật xung - số biên soạn theo chương trình khung đào tạo hệ Cao Đẳng nghề Điện công nghiệp Bộ Lao động thương binh - xã hội thông qua năm 2017 Môn Kỹ thuật xung - số môn học kỹ thuật sở quan trọng cho sinh viên ngành Điện Công Nghiệp Điện Dân Dụng mà dùng cho sinh viên ngành Cơ khí chế tạo, Cơ khí động lực, Cơng nghệ thơng tin… cịn dành cho học sinh thuộc bậc công nhân kỹ thuật, Trung cấp kỹ thuật … Môn học cần phải học sau môn Lý thuyết mạch (kỹ thuật điện), Vật liệu điện, Điện tử Đồng thời, cần giảng dạy trước môn Kỹ thuật vi xử lý, PLC mơn chun mơnkhác Tồn nội dung môn học giảng dạy 120 tiết, nhằm cung cấp cho sinh viên lý thuyết kỹ thuật xung kỹ thuật số, hướng dẫn sinh viên thực hành thiết kế, lắp ráp số mạch Trên sở giúp người học có khả học tốt mơn chun mơn tiến tới có khả thiết kế hệ thống Bao gồm 2phần: Phần I: Kỹ thuật xung Bài 1: Các khái niệm xung Bài 2: Mạch tạo xung tam giác Bài 3: Mạch tạo xung rang cưa Bài 4: Mạch tạo xung vuông Bài 5: Mạch dao động đa hài Phần II: Kỹ thuật số: Bài 1: Các cổng logic đại số Boolean Bài 2: Mã hóa giải mã hiển thị Bài 3: Mạch Flip – Flop ứng dụng Bài 4: Mạch chuyển đổi số - tương tự tương tự - số Ninh Bình,ngày tháng năm 2018 Tham gia biên soạn MỤC LỤC TRANG GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: KỸ THUẬT XUNG – SỐ NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN Mục tiêu mô đun: Phần 1: Kỹ thuật xung: Bài 1: Các khái niệm xung Mục tiêu: Nội dung chính: Bài 2: Mạch tạo xung tam giác 19 Mục tiêu: 19 Nội dung chính: 19 Mạch điện tạo xung tamgiác 19 Lắp ráp mạchđiện 20 Bài 3: Mạch tạo xung cƣa 22 Mục tiêu bài: 22 Nội dung bài: 22 Lắp ráp mạchđiện 24 Bài 4: Mạch tạo xung vuông 26 Mục tiêu bài: 26 Nội dung bài: 26 Bài 5: Mạch dao động đa hài 30 Mục tiêu: 30 Nội dung chính: 30 Lắp ráp mạchđiện 33 Phần 2: Kỹ thuật số: 35 Bài 1: Các cổng logic đại số Boolean 35 Nội dung bài: 35 Trạng thái logic mứclogic 35 Các định lý đại số Boolean 36 Đặc điểm ICsố 37 Các cổng logic cơbản 43 Thiết kế mạch điệnlogic 47 Bài 2: Mạch mã hóa giải mã hiển thị 48 Khái quát chung 48 Lắp mạch điện giải mã hiển thị dùng IC 4520 49 Bài 3: Mạch FLIP-FLOP ứng dụng 51 Khái quát chung vềFlip-Flop 51 Mạch điện ứng dụng Flip-Flop 53 Bài 4: Mạch chuyển đổi tương tự - số số - tương tự 55 Mạch chuyển đổi số - tương tự 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: - Vị trí: Mơ đun học sau mơn học, mơn đun sở học song song với môn Điện tử ứng dụng, Điện tử cơngsuất, - Tính chất: Là mô đun kỹ thuật sở, thuộc mô đun đào tạo nghề bắtbuộc - Ý nghĩa vaitrò GIÁO TRÌNH MƠN HỌC/MƠ ĐUN Tên mơ đun: Kỹ thuật xung – số Mã mô đun: MĐ 20 môn học/mô đun: Cung cấp cho sinh viên lý thuyết kỹ thuật xung kỹ thuật số, hướng dẫn sinh viên thực hành thiết kế, lắp ráp số mạch Trên sở giúp người học có khả học tốt mơn chun mơn tiến tới có khả thiết kế hệ thống Mục tiêu mô đun: - Về kiếnthức + 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 + Phát biểu khái niệm kỹ thuật số, cổng logic Kí hiệu, nguyên lí hoạt động, bảng thật cổng lôgic + Trình bày cấu tạo, nguyên lý mạch số thơng dụng như: Mạch đếm, mạch đóng ngắt, mạch chuyển đổi, mạch ghi dịch, mạch điều khiển - Về kỹnăng: + Lắp ráp, kiểm tra mạch tạo xung xử lí dạng xung + Lắp ráp, kiểm tra mạch số panel thực tế - Về lực tự chủ trách nhiệm: Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác học tập thực côngviệc Phần 1: Kỹ thuật xung: Bài 1: Các khái niệm xung Giới thiệu: Trong kỹ thuật vơ tuyến điện, có nhiều thiết bị hoạt động chế độ đặc biệt chế độ xung Khác với thiết bị điện tử làm việc chế độ liên tục, thiết bị làm việc chế độ xung dịng điện điện áp tác dụng lên mạch cách rời rạc theo quy luật Ở thời điểm đóng ngắt điện áp, mạch phát sinh q trình q độ phá hủy chế độ cơng tác tĩnh củamạch Các thiết bị xung ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đại :Thông tin , điều khiển, đa, vơ tuyến truyền hình, máy tính điện tử, điện tử ứngdụng Tùy theo nhiệm vụ mà thiết bị sử dụng nhiều loại sơ đồ xung khác nhau: Khác nguyên tắc cấu tạo, nguyên lý làmviệc tham số Tổ hợp phương pháp, thiết bị để tạo biến đổi dạng xung, để biểu thị chọn xung gọi kỹ thuật xung Mục tiêu: - Trình bày khái niệm xung điện, dãyxung; - Giải thích tác động linh kiện thụ động đến dạngxung; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chínhxác Nội dung chính: Định nghĩa xung điện, tham số dãyxung: Tín hiệu biến đổi đại lượng điện (dòng điện hay điện áp) theo thời gian, chứa đựng thông tin Tín hiệu chia làm loại: tín hiệu liên tục (tín hiệu tuyến tính) tín hiệu gián đoạn (tín hiệu xung) Trong tín hiệu hình sin xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục ,có đường biểu diễn hình 1-1 Ngược lại tín hiệu hình vng xem tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu khơng liên tục hình 1-2 Hình 1-1: Tín hiệuhìnhsin hình vng Hình 1-2: Tín hiệu 1.1 Địnhnghĩa: Xung điện tín hiệu điện có giá trị biến đổi gián đoạn khoảng thời gian ngắn so sánh với trình độ mạch điện Xung điện kỹ thuật chia làm loại: loại xung xuất ngẫu nhiên mạch điện, mong muốn, gọi xung nhiễu, xung nhiễu thường có hình dạng (Hình1.3) (u,t) (u,t) (u,t) t t t Hình 1.3: Các dạng xung nhiễu Các dạng xung tạo từ mạch điện thiết kế thường có số dạng bản: (u,t) (u,t) t (u,t (u,t) t t t Hình 1.4: Các dạng xung mạch điện thiết kế Dãy xung vuông xuất hình máy sóng điều chỉnh tốc độ quét chậm., thấy có đường vạch ngang Khi điều chỉnh tốc độ qt nhanh, hình máy sóng xuất rõ đường vạch tạo nên hình dạng xung với đường dốc lên dốcxuống - Cạnh xuất trước xung gọi sườn trước củaxung - Cạnh nằm đỉnh có giá trị cực đại gọi đỉnhxung - Cạnh xuất sau xung để trở trạng thái ban đầu gọi sườn sau củaxung 10 54 Bài 4: Mạch chuyển đổi tương tự - số số - tương tự Mục tiêu bài: - Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng chuyển đổi A/D D/A - Giới thiệu số IC chuyển đổi thôngdụng - Lắp mạch điện ứng dụng đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, mỹ thuật thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, xác Đảm bảo an tồn cho người trang thiếtbị Nội dung bài: Mạch chuyển đổi số - tương tự 1.1 Mạch dùng điện trở kiểu hìnhthang Các tín hiệu tự nhiên tín hiệu tương tự, thiết bị xử lý lại xử lý tín hiệu số Vì cần có chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý ngược lại Q trình biến đổi tương tự sang số có dạng: Tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu bậc thang với thang đại diện số thích hợp Các đại diện số rời rạc có nhiều cách biểu diễn Nếu theo hệ thập phân thường biểu diễn số đo, để xử lý số dùng mã nhị phân Tổng quát: gọi tín hiệu số Sn tương tự SA: 55 SD = bn-1 2n-1 + bn-2 2n-2 +… + b0 20 Hệ số bK = đến (n-1) gọi bít Bn-1 : bít có nghĩa lớn Với mạch biến đổi có N bít hay N số hạng dãy mã nhị phân (Trong ví dụ có bít) nấc Q bậc thang: UAmax: giá trị cực đại cho phép Q : mức lượng tử Do tín hiệu số rời rạc nên trình chuyển đổi A/D xuất sai số gọi sai số lượng tử hoá: Với tín hiệu tương tự thực A/D phải lấy mẫu tín hiệu nhằm rời rạchố tín hiệu thành điện áp chiều rời rạc Tín hiệu sau xử lý kỹ thuật số khơi phục lại thành tín hiệu tương tự Để đảm bảo khơi phục lại tín hiệu tương tự trung thực, tần số lấy mẫu fM phải thoả mãn: fM2 f thmax 2B fthmax: tần số cực đại tín hiệu B : dải tần số 1.2 Các đặc tính kỹ thuật chuyển đổiDAC - 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 - Độ sai 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 không 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 56 ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch đầu 0V - Thời gian ổn định (settling 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 chuổi 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 Ví dụ: Một DAC có độ phân giải 10mV thời gian ổn định đo thời gian đầu cần có để ổn định phạm vi 5mV giá trị đầy thang Thời gian ổn định có giá trị biến thiên khoảng 50ns đến 10ns DAC với đầu dịng có thời gian ổn định ngắn thời gian ổn định DAC có đầu điện - 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 - Tỷ số dòng: 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 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, … 1.3 Mạch chuyển đổi tương tự - số(ADC) Bộ chuyển đổi nhanh (flash converter) ADC tốc độ cao có mặt thị trường, sơ đồ mạch phức tạp loại khác Ví dụ ADC nhanh bit đòi hỏi 63 so sánh tương tự, ADC nhanh bit số lên đến 255, 10 bit lên đến 1023 Như số lượng so sánh lớn giới hạn kích cỡ ADC nhanh 57 ADC nhanh 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 VA nối đến đầu vào lại so sánh Với VA < 1V tất đầu so sánh lên mức cao Với VA > 1V từ đầu trở lên xuống mức thấp Đầu so sánh đưa vào mã hố ưu tiên tích cực mức thấp, sinh đầu ứng với đầu có số thứ tự cao mức thấp so sánh Lý luận tương tự ta có bảng giá trị : 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 Nói chung ADC nhanh N bit cần 2N – so sánh, 2N điện trở, logic mã hoá cần thiết Thời gian chuyển đổi Bộ chuyển đổi nhanh khơng 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 vô gắn Trong kỹ thuật số, ta thấy đại lượng số có giá trị xác định hai khả 1, cao hay thấp, sai, vv… Trong thực tế thấy đại lượng số (chẳng 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 đại lượng 58 tương tự là yếu tố quan trọng Hầu hết tự nhiên đại lượng tương tự nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, … Do muốn xử lý hệ thống kỹ thuật số, ta phải chuyển đổi sang dạng đại lượng số xử lý điều khiển hệ thống Và ngược lại có hệ thống tương tự cần điều khiển phải chuyển đổi từ số sang tương tự Trong phần tìm hiểu trình chuyển đổi từ số sang tương tự -DAC (Digital to AnalogConverter) 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 5.1 minh họa sơ đồ khối chuyển đổi DAC 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 trọng số LSB Cịn gọi kích thước bậc thang (step size), khoảng thay đổi Vout giá trị đầu vào số thay đổi từ bước sang bước khác 59 Dạng sóng bậc thang (hình 5.2) 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 2N – Do độ phân giải với hệ số tỷ lệ mối quan hệ đầu vào đầu DAC Đầu tương tự = K x đầu vào số Với K mức điện (hoặc cường độ dòng điện) bậc Như ta có cơng thức tính độ phân giải sau: Với đầu cực đại ( đầy thang ) N số bit Nếu tính theo phần trăm ta có cơng thức sau: Ví dụ hình 5.1 ta có Ví dụ 1: Một ADC 10 bit có kích thước bậc thang = 10mV Hãy xác định điện đầu cực đại ( đầy thang ) tỷ lệ % độ phân giải Giải: DAC có 10 bit nên ta có Số bậc 210 – = 1023 bậc Với bậc 10mV nên đầu cực đại 10mVx1023 = 10.23V 60 Từ ví dụ cho thấy tỷ lệ phần trăm độ phân giải giảm số bit đầu vào tăng lên Do ta cịn tính % độ phân giải theo công thức: Với mã đầu vào nhị phân N bit ta có tổng số bậc 2N – bậc 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 không 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 (settling 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 chuổi 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 Ví dụ: Một DAC có độ phân giải 10mV thời gian ổn định đo thời gian đầu cần có để ổn định phạm vi 5mV giá trị đầy thang Thời gian ổn định có giá trị biến thiên khoảng 50ns đến 10ns DAC với đầu dịng có thời gian ổn định ngắn thời gian ổn định DAC có đầu điện Trạng thái ổn định: 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 dòng: 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 thơng số cần phải quan tâm đên thông số khác 61 DAC sử dụng ng như: m mức logic cao, thấp, điện trở, điện dung, ung, c đầu vào; dải rộng, điện trở, điện dung củaa đđầu ra; hệ số nhiệt, … DAC dùng điện trở có tr trọng số nhị phân khuếch đại cộng ng Hình 5.3 sơ đồ mạch củaa m mạch DAC bit dùng điện trở b khuếch đại đảo Bốn đầu u vào A, B, C, D có giá trị tr giả định 0V 5V Bộ khuếch đại thuậtt toán (Operational Amplifier – Op Amp) đượcc dùng làm bbộ cộng đảo cho tổng trọng số bố ốn mức điện vào Ta thấy điện trở đầu vào giảm dần 1/2 lần điện trở trướcc Ngh Nghĩa đầu vào D (MSB) có RIN = 1k, vvậy khuếch đại cộng chuyển mức điện n th D mà khơng làm suy giảm m (vì Rf = 1k) Đầu vào C có R = 2k, suy giảm m 1/2, tương tự t đầu vào B suy giảm 1/4 đầầu vào A giảm 1/8 Do đầu khuếch đạii đư tính biểu thức: dấu âm (-) biểu thị khuếếch đại cộng khuếch đại cộng ng đđảo Dấu âm không cần n quan tâm Như ngõ khuếếch đại cộng mức điện tương tự, biểểu thị tổng trọng số đầu vào Dựaa vào bi biểu thức (4) ta tính mức điện n áp tương ứng với tổ hợp củaa ngõ vào (bảng (b 5.1) Bảng 5.1 Đầu ứng với điềều kiện đầu vào thích hợp 0V hoặcc 5V 62 Độ phân giải mạch DAC hình 5.2 với trọng số LSB, nghĩa x 5V = 0.625V Nhìn vào bảng 5.1 ta thấy đầu tương tự tăng 0.625V số nhị phân đầu vào tăng lên bậc Ví dụ 2: a Xác định trọng số bit đầu vào hình 5.2 b Thay đổi Rf thành 500W.Xác định đầu cực đại đầy thang Giải: a MSB chuyển với mức khuếch đại = nên trọng số đầu 5V Tương tự ta tính trọng số bit đầu vào sau: MSB # 5V MSB thứ # 2.5V (giảm 1/2) MSB thứ # 1.25V (giảm 1/4) MSB thứ (LSB) # 0.625V (giảm 1/8) b Nếu Rf = 500W giảm theo thừa số 2, nên trọng số đầu vào nhỏ lần so với giá trị tính Do đầu cực đại ( đầy thang) giảm theo thừa số, lại: -9.375/2 = -4.6875V 2.2 DAC R/2R ladder 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 Các điện trở mạch 63 biến thiên khoảng từ đ đến Hình 5.4 mạch ch DAC R/2R ladder bbản Từ hình 5.4 ta thấy đượcc cách ssắp xếp điện trở có hai giá trị sử dụng R 2R Dòng IOUT phụ thuộc thu vào vị trí chuyển mạch, ch, đđầu vào nhị phân B0B1B2B3 chi phối trạng ng thái c chuyển mạch Dòng IOUTđược phép chạy qua biến đổii dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện n th VOUT Điện ngõ VOUT đượcc tính theo cơng thức: th Với B giá trị đầu vào nhị phân, bi biến thiên từ 0000 (0) đếnn 1111(15) Ví dụ 3: Giả sử VREF = 5V ccủa DAC hình 5.4 Tính độ phân giảii đđầu cực đại DAC này? Giải Độ phân giải vớii tr trọng số LSB, ta xác định trọng số LSB bbằng cách gán B = 00012 = Theo cơng th thức (5), ta có: Đầu cực đại xác định đượ ợc B = 11112 = 1510 Áp dụng công thứ ức (5) ta có: 2.3 DAC với đầu dịng Trong thiết bị kỹ thuật thu số đơi lúc địi hỏi q trình điềều khiển dịng điện Do người ta tạo o DAC với v ngõ dịng để đáp ứng ng u ccầu Hình 5.5 DAC vớii ngõ dịng ttương tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân Mạch M DAC bit, có đường dẫn n dịng song song m đường có chuyển mạch ch điều khiển Trạng thái chuyển mạch bịị chi phối mức logic đầu vào nhị phân 64 Dòng chảy qua đường mức điện quy chiếu VREF 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 IOUT tổng dòng nhánh AC với đầu dịng chuyển thành DAC có đầu điện cách dùng khuếch đại thuật tốn (Op-Amp) hình 5.6 Ở hình IOUT từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” khuếch đại thuật toán Hồi tiếp âm khuếch đại thuật toán buộc dòng IOUT phải chạy qua RF tạo điện áp ngõ VOUT tính theo cơng thức: 65 Do VOUT mức điện n th tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân củủa DAC 2.4 DAC điện trở hình T Hình 5.7 sơ đồ DAC điện n tr trở hình T bit Trong sơ đồ có hai lo loại điện trở R 2R mắc thành cựcc hình T n nối dây chuyền Các S3, S2, S1, S0 chuyển chuy mạch điện tử Mạch ch DAC dùng b khuếch đại thuật toán (Op-Amp Amp) khuếch đại đảo VREF điện áp chuẩn n làm tham khảo kh B3, B2, B1, B0 mã nhị phân bit Vo điện áp tương tự ngõ Ta thấy y chuy chuyển mạch chịu điểu khiển củaa ssố nhị phân tương ứng với cơng tắc: Bi = cơng tắc Si đóng vào VREF, kho Bi = Si nối đất Nguyên lý làm việc củaa DAC ccũng đơn giản Người đọc giải gi thích hoạt động mạch dựaa hình vẽ v kiến thức học c Chúng ta ch cần cho bit Bi ng logic ta s tính VOUT sau dùng ùng nguyên xếp x chồng ta tính điện áp ra: Biểu thức (7) chứng tỏ ng biên độ đ điện áp tương tự đầu tỉ lệ thuận thu với giá trị tín hiệu số đầu u vào Chúng ta th 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 đổii nguyên nhân sau: K Sai lệch điện áp chuẩn n tham chiếu chi VREF Từ cơng thức (8) ta tính sai số s chuyển đổi DA riêng sai số llệch điện áp chuẩn tham chiếu VREF gây sau: 66 Biểu thức cho thấy sai số điện áp tương tự DVOUT tỉ lệ với sai lệch DVREF tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào K Sự trơi điểm khuếch đại thuật tốn Sự trơi điểm khuếch đại thuật toán ảnh hưởng giá trị tín hiệu số biến đổi Sai số DVOUT trôi điểm không phụ thuộc giá trị tín hiệu số K 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 trị tín hiệu sai số đưa đến đầu vào mạng điện trở hình T K 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 toán ổn định tín hiệu 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thúy Vân, Kỹ thuật số, Nxb KHKT, năm 2008 [2] Nguyễn Hữu Phương, Mạch số, NXB khoa học kỹ thuật 2004 [3] Nguyễn Thúy Vân, Giáo trình Kỹ thuật số, NXB Khoa học kỹ thuật 2004 [4] Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật 2005 68 ... 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 + Phát biểu khái niệm kỹ thuật số, cổng logic... độ xung gọi đáy xung Các tham số xung điện dãyxung: 2.1 Các tham số xung? ?iện: Dạng xung vng lý tưởng trình bày Hình 1.5 U,I off t on Hình 1.5: Các thơng số xung a Độ rộng xung thời gian xuất xung. .. môn học Kỹ thuật xung - số biên soạn theo chương trình khung đào tạo hệ Cao Đẳng nghề Điện công nghiệp Bộ Lao động thương binh - xã hội thông qua năm 2017 Môn Kỹ thuật xung - số môn học kỹ thuật