Giáo trình Kỹ thuật xung số (Trình độ: Cao đẳng) - Trường cao đẳng cơ giới Ninh Bình

g như hình1.16. 19 R1 R2 R3 R4 C1 C2 C3 T1 T2 T3 C4 Co 100500 100 Bài 2: Mạch tạo xung tam giác Giới thiệu: Mạch tạo dao dộng có thể phân làm hai loại. Mạch tạo ra tín hiệu sin gọi là mạch tạo dao dộng sin (hay dao dộng diều hoà). Mạch tạo ra tín hiệu xung nhu xung vuông, xung tam giác... gọi là mạch tạo xung. Mục tiêu: - Vẽ được sơ đồ nguyên lý và trình bày được nguyên lý hoạt động của mạch; - Lắp được mạch điện đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung chính: 1. Mạch điện tạo xung tamgiác 1.1. Sơ đồ nguyênlý +Ec Ura 1.2. Tác dụng linhkiện Trong đó: EC = 6V C0 =2F C3 =1F 20 C4 =1F IC =6mA min = 100 UCEbãohoà = 0,1V 0.2V UBEbãohoà = 0,6V 0.7V RE3 = 100 500 Các Transistor là loại: C828 Yêu cầu: - 4Vvà 5V xung vuông có độ rộng đồngđều. - 4Vvà 5V xung răng cưa truyềnthẳng. * Tính toán trị số của các điện trở RB và RC: R1 = R4 = (6V - 0.1 - 100.6.10 -3 )/(6.10-3)  883 Thực tế ta lấy: R1 = R2 = 1K R2 = R3min. R2 = 100.1K = 100K 1.3. Nguyên lý làmviệc 2. Lắp ráp mạchđiện 2.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị, vật liệu linhkiện - Các điện trở RB và RC sử dụng 2 khuyết và thẳng hàngnhau. - Các tụ C1 và C2 sử dụng 3khuyết. - Các Transsistor T1, T2,T3 sử dụng 3 khuyết thẳng hàngnhau. - RE và C0 sử dụng 2 khuyết và thẳnghàng. 2.2. Vẽ sơ đồ lắpráp R1 R3 R2 T1 e c b b c Lắp ráp mạchđiện + Xác định vị trí dương và âm ngu + Xác định vị trí chân b, c, e của các đ + Xác định vị trí các linh kiện từ chân đ linh kiện vào chân đèn. + Xác định vịt trí các linh kiện nối tầng Sau khi làm sạch panen ta h tráng dây bằng thiếc cho bóng để đảm bảo cho dây tiếp xúc tốt, các mối h cầu tròn bóng nhiều thiếc. Tiếp theo ta hàn các linh ki Transistor phải làm nhanh đ hỏng. Các mối hàn ở đây cũng phải chắc tr 21 R4 C4 C3 T2 T3 +6V e b c e C0 -6V ồn. èn. èn tới nguồn (không h àn các đường nét đứt trước. Trước khi h ện vào mặt trước của panen. Chú ý khi h ể tránh cho chúng phải chịu nhiệt quá lâu sẽ gây òn bóng và tiếp xúc tốt. àn trực tiếp àn ta phải àn yêu àn các 22 Bài 3: Mạch tạo xung răng cƣa Giới thiệu: Tín hiệu xung rang cua duợc sử dụng rộng rãi trong các thiết bị diện tử, chẳng hạn làm tín hiệu quét trong các máy hiện sóng, làm tín hiệu so sánh biến đổi điện áp hay thời gian... Mục tiêu của bài: - Vẽ được sơ đồ nguyên lý và trình bày được nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung răngcưa; - Lắp được mạch điện xung răng cưa đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung bài: 1. Mạch tạo xung răngcƣa 1.1. Sơ đồ nguyênlý Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung răng cưa 23 Hình 3.2: Dạng tín hiệu ra ở các chân IC 555 1.2. Tác dụng linhkiện Mạch định tần số của xung phụ thuộc vào trị các điện trở RV1, R1, R2 và các tụ C1, C2. Khi dùng tụ nhỏ C2, tín hiệu dạng xung có tần số cao, lúc này biến trở RV1 dùng để chỉnh chọn tần. Khi dùng tụ hóa C1 có trị điện dung lớn hơn, sẽ tạo ra xung có tần số thấp hơn, và cũng chỉnh tần với biến trởRV1 1.3. Nguyên lý làmviệc Xung lấy ra trên chân 2 và 6 có dạng răng cưa, khi chân 7 ở lúc hở masse, thì tụ C1 hay tụ C2 sẽ nạp điện nguồn, dòng nạp qua RV1, R1, R2, mức áp trên chân 2, 6 tăng dần lên, khi mức áp này bằng 2/3 mức nguồn thì chân 7 sẽ cho nối masse, lúc này tụ C1, hay C2 sẽ cho xả điện, dòng xả qua R2. Vậy công dụng của R2 là hạn chế không để dòng xả quá lớn sẽ làm hư ic 555, và khi mức áp trên chân 2, 6 xuống bằng 1/3 mức áp nguồn thì chân 7 lại hở masse, tụ lại chuyển qua thời kỳ nạpđiện. Công thức tính tần số và chu kỳ: ln2=0.693 T=0.693*(R1+2R2)*C f=1/T 24 Tn=0.693*(R1+R2)*C Tx=0.693*R2*C T=Tn+Tx 2. Lắp ráp mạchđiện 2.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị, vật liệu linhkiện Thứ tự Tên linh kiện Chủng loại Số lƣợng 1 Biến trở 100K 01 2 Điện trở 1K 04 3 Tụ điện hóa 10µF 01 4 Tụ điện hóa 0.01µF 01 5 Tụ điện gốm 104 01 6 Board cắm 01 7 Dây cắm 1 lõi 10 8 LED xanh 01 2.2. Vẽ sơ đồ lắpráp 25 2.3. Lắp ráp mạchđiện + Xác định vị trí dương và âm nguồn. + Xác định chân anode và cathode của LED + Xác định cực âm, dương của tụ điện. + Xác định chân IC 555. Khi lắp mạch phải đảm bảo tiếp xúc tốt, lắp theo thứ tự: lấy IC 555 làm trung tâm, lắp từ chân số 1 đến hết. 26 Bài 4: Mạch tạo xung vuông Giới thiệu: Mạch tạo dao dộng có thể phân làm hai loại. Mạch tạo ra tín hiệu sin gọi là mạch tạo dao dộng sin (hay dao dộng diều hoà). Mạch tạo ra tín hiệu xung nhu xung vuông, xung tam giác... gọi là mạch tạo xung. Mục tiêu của bài: - Vẽ được sơ đồ nguyên lý và trình bày được nguyên lý hoạt động của mạch điện tạo xungvuông; - Lắp được mạch điện tạo xung vuông đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung bài: 1. Mạch tạo xungvuông 1.1. Sơ đồ nguyênlý Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung vuông dùng 555 27 1.2. Tác dụng linhkiện Mạch định tần số của xung phụ thuộc vào trị các điện trở RV1, R1, R2 và các tụ C1, C2. Khi dùng tụ nhỏ C2, tín hiệu dạng xung có tần số cao, lúc này biến trở RV1 dùng để chỉnh chọn tần. Khi dùng tụ hóa C1 có trị điện dung lớn hơn, sẽ tạo ra xung có tần số thấp hơn, và cũng chỉnh tần với biến trởRV1 1.3. Nguyên lý làmviệc Xung ra lấy trên chân số 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp, 0V, thì Led xanh D1 sáng và khi chân 3 ở mức áp cao gần bằng 12V thì Led đỏ D2 sáng. Điện trở R3, R4 dùng để hạn dòng làm việc của các Led. Xung ra trên chân 3 là dạng xung vuông với bờ lên và bờ xuống rất thẳng, dùng dạng xung này kích thích các mạch số là rấttốt. Khi chân 7 ở lúc hở masse, thì tụ C1 hay tụ C2 sẽ nạp điện nguồn, dòng nạp qua RV1, R1, R2, mức áp trên chân 2, 6 tăng dần lên, khi mức áp này bằng 2/3 mức nguồn thì chân 7 sẽ cho nối masse, lúc này tụ C1, hay C2 sẽ cho xả điện, dòng xả qua R2. Công dụng của R2 là hạn chế không để dòng xả quá lớn sẽ làm hư ic 555, và khi mức áp trên chân 2, 6 xuống bằng 1/3 mức áp nguồn thì chân 7 lại hở masse, tụ lại chuyển qua thời kỳ nạp điện. Để tín hiệu ra có dạng xung vuông với hệ số duty = 50%, Bạn lấy trị R2 đủ nhỏ so với trị của RV1 + R1. Công thức tính tần số và chu kỳ: ln2=0.693 T=0.693*(R1+2R2)*C f=1/T Tn=0.693*(R1+R2)*C Tx=0.693*R2*C T=Tn+Tx 2. Lắp ráp mạchđiện 2.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị, vật liệu linhkiện Thứ tự Tên linh kiện Chủng loại Số lƣợng 28 1 Biến trở 100K 01 2 Điện trở 1K 04 3 Tụ điện hóa 10µF 01 4 Tụ điện hóa 0.01µF 01 5 Tụ điện gốm 104 01 6 Board cắm 01 7 Dây cắm 1 lõi 10 8 LED xanh 01 2.2. Vẽ sơ đồ lắpráp 2.3. Lắp ráp mạchđiện + Xác định vị trí dương và âm nguồn. + Xác định chân anode và cathode của LED + Xác định cực âm, dương của tụ điện. + Xác định chân IC 555. Khi lắp mạch phải đảm bảo tiếp xúc tốt, lắp theo thứ tự: lấy IC 555 làm trung tâm, lắp từ chân số 1 đến hết. 29 30 Bài 5: Mạch dao động đa hài Giới thiệu: Mạch da hài dợi có hai trạng thái, trong dó có một trạng thái ổn dịnh vàmột trạng thái không ổn dịnh. Khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn dịnh. Có xung kích thích mạch chuyển sang trạng thái không ổn dịnh một thời gian rồi tự trở về trạng thái ổn dịnh ban dầu chờ xung kích thích tiếp. Nhu vậy cứ một xung vào mạch chuyển dổi trạng thái hai lần cho một xung vuông ra. Mạch có thể dùng tranzito hay IC thuậttoán. Mục tiêu: - Vẽ được sơ đồ nguyên lý và trình bày được nguyên lý hoạt động của mạch dao động đahài; - Lắp được mạch điện dao động đa hài đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung chính: 1. Mạch dao động đahài 1.1. Sơ đồ nguyênlý Vcc Q1 Vi Hình 5-1: Mạch dao động đa hài đơn ổn Rc1 Rb2 Rb1 Rc2 C1 C2 Q2 Rb C'2 -Vb 31 1.2. Tác dụng linhkiện Điều kiện làm việc của mạch đơn ổn: a) Chế độ phân cực: Đảm bảo sao cho tranzito dẫn phải dẫn bão hòa và trong sơđồ Hình 3.1 Q2 phải dẫn bão hòanên: Ic2= IB2= Vcc Vcesat  Vcc Rc2 Rc2 Vcc Vbesat  Vcc Rb2 Rb2 với (VCEsat0,2v) (5.1) với (Vbesat0,7v) (5.2) IB2> Ic2   sat Ic2 sat thường chọn IB2 =k Ic2. sat (k là hệ số bão hòa sâu và k = 2 4 ) b) Thời gian phân cách: là khoảng thời gian nhỏ nhất cho phép giữa 2 xung kích mở. Mạch dao động đa hài đơn ổn có thể làm việc được. Nếu các xung kích thích liên tiếp có thời gian quá ngắn sẽ làm cho mạch dao động không làm việc được trong trường hợp này người ta nói mạch bịnghẽn. Nếugọi: Ti: là thời gian lặp lại xung kích Tx: là thời gianxung Th: là thời gian phục hồi Tacó: Ti> Tx+ Th (5.3) Các thông số kỹ thuật cơ bản củamạch: - Độ rộng xung là thời gian tạo xung ở ngõ ra mạch có xung kích thích, phụ thuộc chủ yếu vào tụ hồi tiếp và điện trở phân cựcRb2. Ta có công thức sau: tx =0,69Rb2.C1 (5.4) - Thời gian hồi phục là thời gian mạch chuyển từ trạng thái xung trở về trạng thái ban đầu, phụ thuộc chủ yếu vào thời gian nạp điện quatụ. Vì trong thực tế sau khi hết thời gian xung mạch không trở về trạng thái ban đầu ngay do tụ C1 nạp điện qua Rc1 tăng theo côngthức nạp = Rc1.C1 Tụ nạp đầy trong thời gian 5, nhưng thường chỉ tính Th=4.Rc1 ( 5.5 ) Độ rộng xung t= tx+ th ( 5.6) - Biên độ xungra: ở trạng thái ổn định, Q1 ngưng dẫn, Q2 bão hòa nên ta có: Vc1  Vcc Vc2 = Vcesat 0,2 v Vc2 = Vcc Rb2 Rc1Rb2 =Vx Như vậy, biên độ xung vuông âm do Q1 tạo ra: V1 =Vcc - 0,2v  Vcc và biên độ xung vuông dương do Q2 tạo ra: V2 =Vx - 0,2v  Vx 1.3. Nguyên lý làmviệc - Khi cấp nguồn chomạch: Vcc cấp dòng qua điện trở Rb2 làm cho điện áp tại cực B của Q2 tăng cao hơn 0,6V dẫn điện bão hòa điện áp trên cực C của Q2 0V. Đồng thời điện trở Rb nhận điện áp âm -VB đặt vào cực B tranzito Q1 cùng với điện áp Vcc lấy từ điện trở Rb1 làm cho cực B tranzito Q1 có giá trị nhỏ hơn 0,3v tranzito Q1 ngưng dẫn, điện áp trên cực C của Q1 tăng cao  Vcc.tụ C1 được nạp điện từ nguồn qua điện trở Rc1 qua mối nối BE của Q2 . Mạch giữ nguyên trạng thái này nếu không có xung âm tác động từ bên ngoài vào cực B Tranzito Q2 qua tụ C2. - Khi có xung âm tác động vào cực B của Tranzito Q2 làm cho Q2 từ trạng thái dẫn bão hoà chuyển sang trạng thái ngưng dẫn, điện áp tại cực C Q2tăng cao, qua tụ liên lạc C2 làm cho điện áp phân cực BQ1 tăng cao làm cho Q1 từ trạng thái ngưng dẫn sang trạng thái, lúc này tụ C1xả điện qua Q1 làm cho điện áp phân cực B của Q2 càng giảm, tranzito Q2 chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn, lúc này điện thế tại cực C của Q2 tăng cao qua tụ C2 làm cho điện áp tại cực B của Q1 tăng, tranzito Q1 dẫn bão hoà. Mạch được chuyển trang thái Q1 dẫn bãohoà. - Khi chấm dứt xung kích vào cực B của Q2, tụ C1 nạp điện nhanh từ Rc1 qua tiếp giáp BEQ2, làm cho điện áp tại cực BQ2 tăng cao Q2 nhanh chóng chuyển trạng thái từ ngưng dẫn sang trạng thái dẫn bão hoà, còn Q1chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn trở về trạng thái banđầu. VB1 t Vcc t VB2 t t 32 Hình 5.1: Dạng điện áp tại chân B v 2. Lắp ráp mạchđiện 2.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị, vật liệu linhkiện - Các điện trở RB và RC sử dụng 2 khuyết v - Các tụ C1 và C - Các Transsistor T - RE và C0 sử dụng 2 khuyết v 2.2. Vẽ sơ đồ lắpráp R1 R3 R2 T1 e c b b c 2.3. Lắp ráp mạchđiện + Xác định vị trí dương và âm ngu + Xác định vị trí chân b, c, e của các đ + Xác định vị trí các linh kiện từ chân đ linh kiện vào chân đèn. + Xác định vịt trí các linh kiện nối tầng Sau khi làm sạch panen ta h tráng dây bằng thiếc cho bóng để đảm bảo cho dây tiếp xúc tốt, các mối h cầu tròn bóng nhiều thiếc. 33 à C của Q1 và Q2 à thẳng hàngnhau. 2 sử dụng 3khuyết. 1, T2,T3 sử dụng 3 khuyết thẳng hàngnhau. à thẳnghàng. R4 C4 C3 T2 T3 +6V e b c e C0 -6V ồn. èn. èn tới nguồn (không h àn các đường nét đứt trước. Trước khi h àn trực tiếp àn ta phải àn yêu 34 Tiếp theo ta hàn các linh kiện vào mặt trước của panen. Chú ý khi hàn các Transistor phải làm nhanh để tránh cho chúng phải chịu nhiệt quá lâu sẽ gây hỏng. Các mối hàn ở đây cũng phải chắc tròn bóng và tiếp xúc tốt. 35 Phần 2: Kỹ thuật số: Bài 1: Các cổng logic cơ bản và đại số Boolean Mục tiêu của bài: - Vẽ được ký hiệu, trình bày được hàm và bảng chân lý của các cổng logic cơ bản; - Trình bày được các bước thiết kế mạch điện dùng các cổng logic cơbản; - Lắp được mạch điện ứng dụng của các cổng logic cơ bản đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung bài: 1. Trạng thái logic và mứclogic Tín hiệu số là tín hiệu mà biên độ chỉ có hai mức là mức cao (high): 1 và mức thấp (low):0 Mức logic: có hai loại mức logic là mức logic dương và mức logic âm. Nếu mức logic biểu diễn số nhị phân nằm trên trục hoành thì gọi là mức logic dương. Ngược lại những mức logic biểu diễn số nhị phân nằm dưới trục hoành thì gọi là mức logic âm. Nếu mạch có mức logic dương thì gọi là tích cực cao Nếu mạch có mức logic âm thì gọi là tích cực mức thấp Lôgíc được chia làm 2 loại : Lôgíc dương Điệnáp dương ứngvới Trạng thái "1" Điện ápâm ứngvới Trạng thái"0" 36 Lôgíc âm thì ngược lại. Trong chương trình này chúng ta chỉ xét đến Lôgíc dương với giá trị điện áp 0 - 5V hoặc 0 - 12V ứng với từng họ IC Đối với họIC 74XX TTL (Transistor - Transistor - Logic) điện áp nguồn cung cấp là+5V Đối với họIC 40XX CMOS điện áp nguồn cung cấp là +12V. Như vậy trạng thái trong mạch điện sẽ được xác định nhưsau: Trạngthái "0" ứngvới 0V Trạngthái "1" ứngvới +Vcc Và trạng thái của tín hiệu số có thể biểu diễn bằng giản đồ thời gian như sau: +Vcc 0V t Hình 1.1: Dạng tín hiệu số Các giá trị 0 và 1 được dùng để biểu thị các giá trị trong hệ thống số (Các hệ thống mã hoá). 2. Các định lý cơ bản của đại số Boolean 2.1. Quan hệ giữa các hằngsố. 0 . 0 =0 1 + 1 =1 0 . 1 =0 1 + 0 =1 1 . 1 =1 0 + 0 =0 0 =1 1 = 0 2.2. Quan hệ giữa biến số và hằngsố. A . 1= A A + 0 =A A . 0=0 A + 1 =1 A . A=0 A + A =1 1 0 1 0 1 37 2.3. Các địnhlý. Luậtgiaohoán: A . B = B . A A + B = B +A Luậtkếthợp: (A . B) . C = A . (B . C) (A + B) + C = A + (B +C) Luậtphânphối: A . (B + C) = A . B + A . C A + BC = (A + B) . ( A +C) 2.4. Các định lý đặc thù chỉ có trong đạisốlôgíc. Luật đồngnhất: A . A=A A + A =A Định lýDeMorgan: A . B = A + B A + B = A .B Luậthoànnguyên: A =A 3. Đặc điểm ICsố 3.1. Đặc điểm IC số họTTL TTL bắt đầu bằng mã số 54 hay 74. Mã 54 được dùng trong quân sự hay công nghệ cao nên không trình bày, ở đây chỉ nói đến mã 74 dùng trong dân sự hay thương mại. Theo công nghệ chế tạo, các loại 74 khác nhau bao gồm: TTL loại thường 74XX : Loại này được ra đời sớm nhất ngay từ năm 1964, là sản phẩm của tập đoàn Texas Instruments. Ngày nay vẫn còn dùng. Loại này dung hoà giữa tốc độ chuyển mạch và mất mát năng lượng (công suất tiêu tán). Nền tảng bên trong mạch thường là loại ngõ ra cột chạm như đã nói ở phần trước. Một số kí hiệu cho cổng logic loại này như 7400 là IC chứa 4 cổng nand 2 ngõ vào, 7404 là 6 cổng đảo, Cần để ý là khi tra IC, ngoài mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức năng logic, còn có một số chữ cái đứng trước mã 74 để chỉ nhà sản xuất như SN là của Texas Instrument, DM là của NationalSemiconductor, TTL công suất thấp 74LXX và TTL công suất cao 74HXX 38 Loại 74LXX có công suất tiêu tán giảm đi 10 lần so với loại thường nhưng tốc độ chuyển mạch cũng giảm đi 10 lần. Còn loại 74HXX thì tốc độ gấp đôi loại thường nhưng công suất cũng gấp đôi luôn. Hai loại này ngày nay không còn được dùng nữa, công nghệ schottky và công nghệ CMOS (sẽ học ở bài sau) đã thay thếchúng TTL schottky 74SXX và 74LSXX Hai loại này sử dụng công nghệ schottlky nhằm tăng tốc độ chuyển mạch như đã nói ở phần trước. Với loại 74LSXX, điện trở phân cực được giảm xuống đáng kể so với loại 74SXX nhằm giảm công suất tiêu tán của mạch. 74LSXX được coi là CHỦ LỰC của họ TTL trong những năm 1980 và ngày nay mặc dù không còn là loại tốt nhưng nó vẫn là loại phổdụng. TTL shorttky tiên tiến 74ASXX và 74ALSXX Hai loại này được phát triển từ 74SXX và 74LSXX nhưng có thêm nhiều sửa đổi mới trong mạch do đó có nhiều đặc điểm nổi bật hơn hẳn các loạitrước - Có hoạt động logic và chân ra nói chung là giống như các loạitrước - Giập dao động trên đường dẫn tốthơn - Chống nhiễu và ổn định cao hơn trong suốt cả khoảng nhiệt độchạy - Dòng ngõ vào giảm đi một nửa - Sức thúc tải gấpđôi - Tần số hoạt động tăng lên trong khi công suất tiêu tán lại giảmxuống Điểm mạnh của nó thì có nhiều nhưng giá thành còn khá cao, nên chúng dùng chưa rộng rãi bằng 74LSXX, thường được dùng trong máy vi tính hay các ứng dụng đòi hỏi tần số cao. TTL nhanh 74FXX Đây là loại TTL mới nhất sử dụng kĩ thuật làm mạch tích hợp kiểu mới nhằm giảm bớt điện dung giữa các linh kiện hầu rút ngắn thời gian trễ do truyền, tức tăng tốc độ chuyển mạch. Loại này do hãng Motorola sản xuất và thường được dùng trong máy vi tính nơi cần tốc độ rất rất nhanh. Bảng sau so sánh một số thông số chất lượng của các loại TTL kể trên 39 Còn bảng dưới đây tóm tắt các thông số điện thế và dòng điện ở ngõ vào và ngõ ra của các loại TTL kể trên Theo kiểu ngõ ra, như đã tìm hiểu ở trên TTL gồm loại: Ngõ ra cột chạm Ngõ ra cực thu để hở Ngõ ra 3 trạng thái Ngoài ra cũng có một số loại TTL được chế tạo dùng cho chức năng riêng như cổng đệm, cổng thúc, cổng nảy schmitt trigger, cổng AOI,... Cổng đệm cổng thúc: là những cổng mạch logic có cấu trúc không khác mấy các loại cổng logic thông thường nhưng được tích hợp sẵn transistor ở bên trong nhờ đó áp ra lẫn dòng ra đều có thể tăng, ta có thể dùng để giao tiếp với tải có áp lên đến 30V hay dòng lên hàng chục mA Một số cổng đệm thúc là loại có ngõ ra cực thu để hở cho phép ta chọn điện trở kéo lên phù hợp với tải như đã thấy ở phần trước Một số cổng đệm thúc là loại có ngõ ra 3 trạng thái, nhiều cổng song song dùng cho truyền dữ liệu, phát thu bus-đệm thúc bus 2 chiều Nhiều cổng đệm thúc không thực hiện chức năng logic mà đơn giản chỉ để đệm và thúc cho tải 40 3.2. Đặc điểm IC số CMOS (Compementary Metall OxideSilicol) - Công suất tiêután Khi mạch CMOS ở trạng thái tĩnh (không chuyển mạch) thì công suất tiêu tán PD của mạch rất nhỏ. Có thể thấy điều này khi phân tích mạch mạch cổng nand hay nor ở trước. Với nguồn 5V, PD của mỗi cổng chỉ khoảng 2,5nW. Tuy nhiên PD sẽ gia tăng đáng kể khi cổng CMOS phải chuyển mạch nhanh. Chẳng hạn tần số chuyển mạch là 100KHz thì PD là 10 nW, còn f=1MHz thì PD= 0,1mW. Đến tần số cỡ 2 hay 3 MHz là PD của CMOS đã tương đương với PD của 74LS bên TTL, tức là mất dần đi ưu thế của mình. Lý do có điều này là vì khi chuyển mạch cả 2 transistor đều dẫn khiến dòng bị hút mạnh để cấp cho phụ tải là các điện dung (sinh ra các xung nhọn làm biên độ của dòng bị đẩy lên có khi cỡ 5mA và thời gian tồn tại khoảng 20 đến 30 ns). Tần số chuyển mạch càng lớn thì sinh ra nhiều xung nhọn làm I càng tăng kéo theo P tăng theo. P ở đây chính là công suất động lưu trữ ở điện dung tải. Điện dung ở đây bao gồm các điện dung đầu vào kết hợp của bất kỳ tải nào đang được kích thích và điện dung đầu ra riêng của thiết bị. Hình 1. 2: Ảnh hưởng của tải điện dung - Tốc độ chuyển mạch (tần số chuyểnmạch) Cũng giống như các mạch TTL, mạch CMOS cũng phải có trì hoãn truyền để thực hiện chuyển mạch. Nếu trì hoãn này làm tPH bằng nửa chu kì tín hiệu vào thì dạng song vuông sẽ trở thành xung tam giác khiến mạch có thể mất tác dụng logic Tuy nhiên tốc độ chuyển mạch của CMOS thì nhanh hơn hẳn loại TTL do điện trở đầu ra thấp ở mỗi trạng thái. Tốc độ chuyển mạch sẽ tăng lên khi tăng nguồn nhưng điều này cũng sẽ làm tăng công suất tiêu tán, ngoài ra nó cũng còn ảnh hưởng bởi tải điện dung. Giới hạn tốc độ chuyển mạch cho phép làm nên tần số chuyển mạch tối đa được tính dựa trên tPH. Bảng sau cho phép so sánh fmax của một số loại cổng nand loại TTL với CMOS 41 Trong việc sử dụng các IC logic CMOS ta phải biết nhiều đặc tính và giới hạn của chúng. Các đặc tính thông dụng như áp nuôi, số toả ra, khả năng dòng ra,... thường dễ vận dụng. Tất cả các IC logic đều dùng được ở nguồn nuôi 5V. Số toả ra với cùng loại logic ít nhất là gần chục trong lúc thường chì cần vài. Tuy nhiên đôi khi có nghi ngờ hay sử dụng ở trường hợp áp cấp Vmax, fmax, tải thuần dung thuần cảm... hay giao tiếp giữa các IC khác loại, khác áp nguồn, nói chung là các trường hợp đặc biệt. thì ta phải tham khảo tài liệu ở data sheet hay data book. Cũng như ở bên TTL, một số đặc tính chính của CMOS được nói đến ở đây là: Áp nguồn nuôi ký hiệu là Vdd (khác với bên TTL ký hiệu là Vcc) rất khác nhau do đó cần rất cẩn thận với nó, có thể dùng nguồn 5V là tốt nhất. Bảng sau đưa ra các khoảng áp nguồn cho từng loại CMOS. - Điện áp vào và ra của các loạiCMOS Cũng giống như bên TTL về kí hiệu, tên gọi nhưng ở bên CMOS có phức tạp hơn do nguồn nuôi cho các loại IC thì khác nhau, ta chỉ có thể rút ra tương đối ở điều kiện nguồn Vdd = 5V. Hình và bảng ở dưới nêu ra các thông số áp ra và vào. Riêng loại 74HCT là CMOS tốc độ cao tương thích với TTL nên thông số cũng giống như bên TTL. 42 Hình 1.3: Thông số điện áp vào/ra của CMOS - Dòng điện ngõ vào và ngõra bảng so sánh dòng vào ra của một số loại CMOS với một số loại TTL Nói chung ta quan tâm đến dòng ra nhiều hơn vì đó là dòng ra max cho phép mà vẫn đảm bảo các mức logic ra đúng như ở phần trên. Còn các áp ra cũng chỉ quan tâm khi tính đến việc giao tiếp cổng khác loại khác ápnuôi. - Hệ số tải Dòng ra của các CMOS khá lớn trong lúc điện trở vào của các CMOS lại rất lớn (thường khoảng 1012 ohm) tức dòng vào rất rất nhỏ nên số toả ra rất lớn. Nhưng mỗi cổng CMOS có điện dung ngõ vào thường cũng khoảng 5pF nên khi có nhiều cổng tải mắc song song số điện dung tăng lên làm tốc độ chuyển mạch chậm lại khiến số toả ra ở tần số thấp (dưới 1MHz) là vài chục, còn ở tần số cao số tạo ra giảm chỉ còn dưới 10. - Tính khángnhiễu 43 Về đặc tính chuyển (trạng thái) nói chung các loại CMOS đều chuyển trạng thái khá dứt khoát trừ loại 4000A bởi vì chúng có tầng đệm ở trước ngõ ra Về giới hạn nhiễu nói chung là tốt hơn các loại TTL. Tốt nhất là loại 4000A,B. Giới hạn nhiễu sẽ còn tốt hơn nếu ta tăng nguồn nuôi lớn hơn 5V, tuy nhiên lúc này tổn hao cũng vì thế tăng theo. Cách tính lề nhiễu mức cao và mức thấp vẫn như trước, tức là: VNH = VOH(min) – VIH(min) VNL = VIL(max) – VIH(max) 4. Các cổng logic cơbản 4.1. Cổng đệm (Buffergate) - Cổng BUFFER có 1 đầu vào và 1 đầu ra. Dùng như mạch khuếch đại logic. Tín hiệu qua cổng đệm không làm thay đổi trạng tháilogic - Dùng để sửa dạng tín hiệu vuông hơn, đưa điện thế tín hiệu về đúng mứclogic. 4.1.1 Tra cứu sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạngthái - Sơ đồ chân và bảng trạng thái: IC74LS125 Hình 1.4 Sơ đồ chân và bảng trạng thái IC 74LS125 4.1.2 Lắp mạch điện ứng dụng cổngđệm 44 Hình 1.5: Mạch ứng dụng 74LS125 4.2. Cổng NOT (Buffer gate) - IC7404(74LS04). 4.2.1. Tra cứu sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạngthái - Sơ đồ chân và bảng trạng thái: IC74LS04 Hình 1.6: Sơ đồ chân và vị trí các cổng NOT IC 74LS04 - Bảng trạngthái: Đầu vào Đầu ra X Y 0 1 1 0 45 4.2.2. Lắp mạch điện ứng dụng cổngNOT Hình 1.7: Ứng dụng của 74LS04 4.3. Cổng AND (AND gate) - IC7408(74LS08). 4.3.1. Tra cứu sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạng thái của IC7408 - Sơ đồ chân và bảng trạng thái: IC74LS08 Hình 1.8: Sơ đồ chân và vị trí các cổng NOT IC 74LS04 - Bảng trạngthái: Đầu vào Đầu ra X1 X2 Y 0 0 0 0 1 0 46 1 0 0 1 1 1 4.3.2. Lắp mạch điện ứng dụng cổngAND Hình 1.9: Ứng dụng 74LS08 trong trigơ D 4.4. Cổng NAND (NAND gate) - IC7400(74LS00). 4.4.1. Tra cứu sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạng thái của IC7400 - Sơ đồ chân và bảng trạng thái: IC74LS00 Hình 1.10: Sơ đồ chân và logic của 74LS00 4.4.2. Lắp mạch điện ứng dụng cổngNAND 47 4.5. Cổng OR (OR gate) - IC7432(74LS32). 4.5.1. Tra cứu sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạng thái của IC7432 - Sơ đồ chân và bảng trạng thái: IC74LS32 4.5.2. Lắp mạch điện ứng dụng cổngOR 4.6. Cổng NOR ( NOR gate) - IC7402(74LS02). 4.6.1. Tra cứu sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạng thái của IC7402 - Sơ đồ chân và bảng trạng thái: IC74LS02 4.6.2. Lắp mạch điện ứng dụng cổngNOR 4.7. Cổng EXOR ( Exclusive OR gate) - IC7486(74LS86). 4.7.1. Tra cứu sơ đồ chân, sơ đồ logic, bảng trạng thái của IC7486 - Sơ đồ chân và bảng trạng thái: IC74LS86 4.7.2. Lắp mạch điện ứng dụng cổngEX-OR 5. Thiết kế mạch điệnlogic. 48 Bài 2: Mạch mã hóa và giải mã hiển thị Mục tiêu của bài: - Vẽ được sơ đồ nguyên lý và trình bày được nguyên lý hoạt động của mạch điện dùng IC đếm giải mã hiểnthị; - Lắp được mạch điện dùng IC đếm giải mã hiển thị đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung bài: 1. Khái quát chung 1.1. Mạch mãhóa Mã hoá là dùng văn tự, ký hiệu hay mã để biểu thị một đối tượng xác định. Ví dụ như tên đặt cho trẻ sơ sinh, các thí sinh tham gia các môn thi có một số báo danh để thay thế. Văn tự và hệ đếm thập phân không tiện dùng cho mạch số. Mã hoá nhị phân là quá trình dùng mã nhị phân để biểu thị đối tượng xét đến (đối tượng này là tín hiệu). Biểu thị số lượng nhiều thì tăng số bit( Binary digiT). Mã nhị phân có n bit thì có 2n trạng thái, có thể biểu thị được 2n tín hiệu. Vậy để mã hoá N tín hiệu cần sử dụng n bit, theo công thức 2n ≥ N. Bộ mã hoá là mạch điện thực hiện thao tác mã hoá. Căn cứ vào yêu cầu đặc điểm khác nhau của tín hiệu được mã hoá, chúng ta có các bộ mã hoá khác nhau: Bộ mã hoá nhị phân, bộ mã hoá nhị - thập phân, bộ mã hoá ưu tiên v.v... 1.2. Mạch giảimã Giải mã là quá trình phiên dịch hàm ý đã gán cho mã. Mạch điện thực hiện việc giải mã được gọi là bộ giải mã. Giải mã là quá trình ngược với mã hoá. Nghĩa là từ một tổ hợp giá trị của nhóm mã n chữ số hệ 2 ta tìm lại được 1 trong N ký hiệu hoặc số tương ứng với tổ hợp đó. Về thực chất các bộ giải mã cũng là các bộ biến đổi mã, chúng biến đổi từ các mã nhị phân, BCD sang mã thập phân hay mã 7 đoạn. Để xây dựng các bộ giải mã chúng ta có thể áp dụng phương pháp thiết kế logic chúng ta đã làm quen ở các bài học trước để tạo thành các bộ giải mã từ các phần tử logic cơ bản. Thực tế 49 hiện nay người ta không làm như vậy mà thường dùng các vi mạch giải mã có sẵn trên thị trường. 2. Lắp mạch điện giải mã hiển thị dùng IC 4520 2.1. Sơ đồ nguyênlý 2.2. Tác dụng linhkiện 2.3. Nguyên lý làmviệc 50 2.4. Lắp ráp mạchđiện 51 Bài 3: Mạch FLIP-FLOP và ứng dụng Mục tiêu của bài: - Vẽ được sơ đồ nguyên lý và trình bày được nguyên lý hoạt động của mạchFlip-Flop; - Lắp được mạch điện ứng dụng dùng IC ghi dịch 74164 đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung bài: 1. Khái quát chung vềFlip-Flop Khác với mạch tổ hợp, trạng thái ngõ ra của mạch tuần tự tuỳ thuộc không những vào các trạng thái ngõ vào mà còn vào cả 2 trạng thái trước đó của ngõ ra. Không những thế, trạng thái ngõ ra sẽ không thay đổi ngay khi ngõ vào thay đổi mà lại còn phải đợi đến khi có xung lệnh gọi là xung đồng hồ (clock). Như vậy mạch tuần tự vừa có tính nhớ vừa có tính đồng bộ. Cả mạch tổ hợp và tuần tự đều được sử dụng nhiều trong các hệ thống số. Một hệ tuần tự có thể biểu diễn một cách tổng quát như sau: Phần tổ hợp sẽ nhận tín hiệu logic từ đầu vào bên ngoài và từ đầu ra của các phần tử nhớ, nó tính toán dựa vào các đầu vào này để cho ra các đầu ra khác nhau, trong đó một phần được đem sang khối các phần tử nhớ để cất giữ đi; đầu ra của phần tử nhớ có thể đưa ra ngoài hay đưa điều khiển phần tổ hợp. Phần điều khiển sẽ cho phép 52 phần nhớ và tổ hợp hoạt động theo một số yêu cầu đề ra. Như vậy, các đầu ra của hệ thống số vừa phụ thuộc vào các đầu vào vừa liên quan đến thông tin đã lưu trữ bên trong của phần tử nhớ. Phần tử nhớ có thể là một mạch logic nhưng có khi chỉ là một đường nối phản hồi từ ngõ ra về ngõ vào. Trigơ trong tiếng Anh gọi là Flip – Flop viết tắt là FF. Nó là một phần tử nhớcó hai trạng thái cân bằng ổn định tương ứng với 2 mức logic 0 và 1. Dưới tác động của các tín hiệu điều khiển ở lối vào, trigơ có thể chuyển về một trong hai trạng thái cân bằng, và giữ nguyên trạng thái đó chừng nào chưa có tín hiệu điều khiển làm thay đổi trạng thái của nó. Trạng thái tiếp theo của trigơ phụ thuộc không những vào tín hiệu ở lối vào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái đang hiện hành của nó. Đang chạy, nếu ngừng các tín hiệu điều khiển ở lối vào nó vẫn có khả năng giữ trạng thái hiện hành của mình trong một thời gian dài, chừng nào mà nguồn điện nuôi mạch trigơ không bị ngắt thì thông tin dưới dạng nhị phân lưu giữ trong trigơ vẫn được duy trì. Như vậy, nó được sử dụng như một phần tử nhớ. Trigơ được cấu thành từ 1 nhóm các cổng logic, mặc dù cổng logic tự thân nó không có khả năng lưu trữ, nhưng có thể nối nhiều cổng với nhau theo cách thức cho phép lưu giữ được thông tin. Mỗi sự sắp xếp cổng khác nhau sẽ cho ra các trigơ khác nhau. Trigơ có nhiều đầu vào điều khiển và chỉ có hai đầu ra luôn luôn ngược nhau là Q và Q. Trong đó, Q là đầu ra thường; Q là đầu ra đảo. Sơ đồ khối tổng quát của một trigơ: - Khi Q = 1, Q = 0 ta nói FF ở trạng thái 1 hay trạng thái cao; trạng thái này còn được gọi là trạng thái Set (thiết lập). 53 - Khi Q = 0,Q =1 ta nói FF ở trạng thái 0 hay trạng thái thấp; trạng thái này còn gọi là trạng thái Reset (tái thiết lập hay xoá). 2. Mạch điện ứng dụng về Flip-Flop 2.1. Lắp mạchchốt 2.2. Mạch ghidịch 2.3. Mạchđếm 54 55 Bài 4: Mạch chuyển đổi tương tự - số và số - tương tự Mục tiêu của bài: - Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của các bộ chuyển đổi A/D và D/A - Giới thiệu được một số IC chuyển đổi thôngdụng - Lắp được mạch điện ứng dụng đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, mỹ thuật và thờigian; - Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác. Đảm bảo an toàn cho người và trang thiếtbị. Nội dung bài: 1. Mạch chuyển đổi số - tương tự 1.1. Mạch dùng điện trở kiểu hìnhthang Các tín hiệu tự nhiên là tín hiệu tương tự, trong khi đó các thiết bị xử lý lại xử lý các tín hiệu số. Vì vậy cần có bộ chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lý và ngược lại. Quá trình biến đổi tương tự sang số có dạng: Tín hiệu analog được chuyển thành tín hiệu bậc thang với mỗi thang là 1 đại diện số thích hợp. Các đại diện số rời rạc có nhiều cách biểu diễn. Nếu theo hệ thập phân thì thường biểu diễn số đo, nếu để xử lý số dùng mã nhị phân. Tổng quát: gọi là tín hiệu số là Sn tương tự là SA: 56 SD = bn-1 2 n-1 + bn-2 2 n-2 + + b0 2 0 Hệ số bK = 0 đến (n-1) gọi là bít. Bn-1 : bít có nghĩa lớn nhất. Với mạch biến đổi có N bít hay N số hạng trong dãy mã nhị phân (Trong ví dụ trên có 3 bít) thì mỗi nấc Q trên bậc thang: UAmax: giá trị cực đại cho phép. Q : mức lượng tử. Do tín hiệu số là rời rạc nên trong quá trình chuyển đổi A/D xuất hiện sai số gọi là sai số lượng tử hoá: Với một tín hiệu tương tự khi thực hiện A/D phải lấy mẫu tín hiệu nhằm rời rạchoá tín hiệu thành các điện áp một chiều rời rạc. Tín hiệu sau khi xử lý bằng kỹ thuật số sẽ được khôi phục lại thành tín hiệu tương tự. Để đảm bảo khôi 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 của tín hiệu. B : dải tần số. 1.2. Các đặc tính kỹ thuật chuyển đổiDAC - Độ chính xác: Có nhiều cách đánh giá độ chính xác. Hai cách thông dụng nhất là sai số toàn thang (full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) thường được biểu biễn ở dạng phần trăm đầu ra cực đại (đầy thang) của bộ chuyển đổi. Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đầu ra DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng), được biểu diễn ở dạng phần trăm. Sai số tuyến tính là khoảng lệch tối đa ở kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang lý tưởng. Điều quan trọng của một DAC là độ chính xác và độ phân giải phải tương thích với nhau. - Độ sai lệch: Theo lý tưởng thì đầu ra của DAC sẽ là 0V khi tất cả đầu vào nhị phân toàn là bit 0. Tuy nhiên trên thực tế thì mức điện thế ra cho trường hợp này sẽ rất nhỏ, gọi là sai số lệch ( offset error). Sai số này nếu không điều chỉnh thì sẽ được cộng vào đầu ra DAC dự kiến trong tất cả các trường hợp. Nhiều DAC có tính năng điều chỉnh sai số lệch ở bên ngoài, sẽ cho phép chúng ta triệt tiêu độ lệch này bằng cách áp mọi bit 0 ở đầu vào DAC và theo dõi đầu ra. Khi 57 đó ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch cho đến khi nào đầu ra bằng 0V. - Thời gian ổn định (settling time) là thời gian cần thiết để đầu ra DAC đi từ zero đến bậc thang cao nhất khi đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn 0 đến chuổi bit toàn là 1. Thực tế thời gian ổn định là thời gian để đầu vào DAC ổn định trong phạm vi ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) của giá trị cuối cùng. Ví dụ: Một DAC có độ phân giải 10mV thì thời gian ổn định được đo là thời gian đầu ra cần có để ổn định trong phạm vi 5mV của giá trị đầy thang. Thời gian ổn định có giá trị biến thiên trong khoảng 50ns đến 10ns. DAC với đầu ra dòng có thời gian ổn định ngắn hơn thời gian ổn định của DAC có đầu ra điện thế. - DAC có tính chất đơn điệu ( monotonic) nếu đầu ra của nó tăng khi đầu vào nhị phân tăng dần từ giá trị này lên giá trị kế tiếp. Nói cách khác là đầu ra bậc thang sẽ không có bậc đi xuống khi đầu vào nhị phân tăng dần từ zero đến đầy thang. - Tỷ số dòng: DAC chất lượng cao yêu cầu sự ảnh hưởng của biến thiên điện áp nguồn đối với điện áp đầu ra vô cùng nhỏ. Tỉ số phụ thuộc nguồn là tỉ số biến thiên mức điện áp đầu ra với biến thiên điện áp nguồn gây ra nó. Ngoài các thông số trên chúng ta cần phải quan tâm đên các thông số khác của một DAC khi sử dụng như: các mức logic cao, thấp, điện trở, điện dung, của đầu vào; dải rộng, điện trở, điện dung của đầu ra; hệ số nhiệt, 1.3. Mạch chuyển đổi tương tự - số(ADC) Bộ chuyển đổi nhanh (flash converter) là ADC tốc độ cao nhất hiện nay có mặt trên thị trường, nhưng sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác. Ví dụ một ADC nhanh 6 bit đòi hỏi 63 bộ so sánh tương tự, còn ADC nhanh 8 bit thì con số này lên đến 255, 10 bit thì lên đến 1023. Như vậy số lượng bộ so sánh quá lớn đã giới hạn kích cỡ của ADC nhanh. 58 ADC nhanh ở trên có độ phân giải 3 bit. Kích thước bậc thang là 1V. Bộ chia điện thế thiết lập mức quy chiếu cho từng bộ so sánh để có được 7 mức ứng với 1V (trọng số của LSB), 2V, 3V, 7V (đầy thang). Đầu vào tương tự VA được nối đến đầu vào còn lại của từng bộ so sánh. Với VA 1V thì từ một đầu ra trở lên sẽ xuống mức thấp. Đầu ra của bộ so sánh được đưa vào bộ mã hoá ưu tiên tích cực ở mức thấp, sinh đầu ra ứng với đầu ra có số thứ tự cao nhất ở mức thấp của bộ so sánh. Lý luận tương tự ta sẽ có được bảng giá trị : ADC nhanh có độ phân giải 1V vì đầu vào tương tự phải thay đổi mỗi lần 1V mới có thể đưa đầu ra số lên bậc kế tiếp. Muốn có độ phân giải tinh hơn thì phải tăng tổng số mức điện thế vào (nghĩa là sử dụng nhiều điện trở chia thế hơn) và tổng số bộ so sánh. Nói chung ADC nhanh N bit thì cần 2N – 1 bộ so sánh, 2N điện trở, và logic mã hoá cần thiết. Thời gian chuyển đổi Bộ chuyển đổi nhanh không cần thiết tín hiệu xung nhịp vì tiến trình này xảy ra liên tục. Khi giá trị đầu vào thay đổi thì đầu ra của bộ so sánh sẽ thay đổi làm cho ngõ ra của bộ mã hóa thay đổi theo. Như vậy thời gian chuyển đổi là thời gian cần thiết để xuất hiện một đầu ra số mới đáp lại một thay đổi ở VA. Thời gian chuyển đổi chỉ phụ thuộc vào khoảng trể do truyền của bộ so sánh và bộ mã hóa. Vì vậy mà ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vô cùng gắn. Trong kỹ thuật số, ta thấy đại lượng số có giá trị xác định là một trong hai khả năng là 0 hoặc 1, cao hay thấp, đúng hoặc sai, vv Trong thực tế chúng ta thấy rằng một đại lượng số (chẳng hạn mức điện thế) thực ra có thể có một giá trị bất kỳ nằm trong khoảng xác định và ta định rõ các giá trị trong phạm vi xác định sẽ có chung giá trị dạng số. Ví dụ: Với logic TTL ta có: Từ 0V đến 0,8V là mức logic 0, từ 2V đến 5V là mức logic 1 Như vậy thì bất kỳ mức điện thế nào nằm trong khoảng 0 – 0,8V đều mang giá trị số là logic 0, còn mọi điện thế nằm trong khoảng 2 – 5V đều được gán giá trị số là 1. Ngược lại trong kỹ thuật tương tự, đại lượng tương tự có thể lấy giá trị bất kỳ trong một khoảng giá trị liên tục. Và điều quan trọng hơn nữa là giá trị chính xác của đại lượng 59 tương tự là là yếu tố quan trọng. Hầu hết trong tự nhiên đều là các đại lượng tương tự như nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, Do đó muốn xử lý trong một hệ thống kỹ thuật số, ta phải chuyển đổi sang dạng đại lượng số mới có thể xử lý và điều khiển các hệ thống được. Và ngược lại có những hệ thống tương tự cần được điều khiển chúng ta cũng phải chuyển đổi từ số sang tương tự. Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về quá trình chuyển đổi từ số sang tương tự -DAC (Digital to AnalogConverter). Chuyển đổi số sang tương tự là tiến trình lấy một giá trị được biểu diễn dưới dạng mã số ( digital code ) và chuyển đổi nó thành mức điện thế hoặc dòng điện tỉ lệ với giá trị số. Hình 5.1 minh họa sơ đồ khối của một bộ chuyển đổi DAC. Độ phân giải (resolution) của bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết qua của một thay đổi ở đầu vào số. Độ phân giải của DAC phụ thuộc vào số bit, do đó các nhà chế tạo thường ấn định độ phân giải của DAC ở dạng số bit. DAC 10 bit có độ phân giải tinh hơn DAC 8 bit. DAC có càng nhiều bit thì độ phân giải càng tinh hơn. Độ phân giải luôn bằng trọng số của LSB. Còn gọi là kích thước bậc thang (step size), vì đó là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị của đầu vào số thay đổi từ bước này sang bước khác. 60 Dạng sóng bậc thang (hình 5.2) có 16 mức với 16 thạng thái đầu vào nhưng chỉ có 15 bậc giữa mức 0 và mức cực đại. Với DAC có N bit thì tổng số mức khác nhau sẽ là 2N, và tổng số bậc sẽ là 2N – 1. Do đó độ phân giải bằng với hệ số tỷ lệ trong mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của DAC. Đầu ra tương tự = K x đầu vào số Với K là mức điện thế (hoặc cường độ dòng điện) ở mỗi bậc. Như vậy ta có công thức tính độ phân giải như sau: Với là đầu ra cực đại ( đầy thang ) N là số bit Nếu tính theo phần trăm ta có công thức như sau: Ví dụ như hình 5.1 ta có Ví dụ 1: Một ADC 10 bit có kích thước bậc thang = 10mV. Hãy xác định điện thế đầu ra cực đại ( đầy thang ) và tỷ lệ % độ phân giải. Giải: DAC có 10 bit nên ta có Số bậc là 210 – 1 = 1023 bậc Với mỗi bậc là 10mV nên đầu ra cực đại sẽ là 10mVx1023 = 10.23V 61 Từ ví dụ trên cho thấy tỷ lệ phần trăm độ phân giải giảm đi khi số bit đầu vào tăng lên. Do đó ta còn tính được % độ phân giải theo công thức: Với mã đầu vào nhị phân N bit ta có tổng số bậc là 2N – 1 bậc. Độ chính xác: Có nhiều cách đánh giá độ chính xác. Hai cách thông dụng nhất là sai số toàn thang (full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) thường được biểu biễn ở dạng phần trăm đầu ra cực đại (đầy thang) của bộ chuyển đổi. Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đầu ra DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng), được biểu diễn ở dạng phần trăm. Sai số tuyến tính là khoảng lệch tối đa ở kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang lý tưởng. Điều quan trọng của một DAC là độ chính xác và độ phân giải phải tương thích với nhau. Sai số lệch: Theo lý tưởng thì đầu ra của DAC sẽ là 0V khi tất cả đầu vào nhị phân toàn là bit 0. Tuy nhiên trên thực tế thì mức điện thế ra cho trường hợp này sẽ rất nhỏ, gọi là sai số lệch ( offset error). Sai số này nếu không điều chỉnh thì sẽ được cộng vào đầu ra DAC dự kiến trong tất cả các trường hợp. Nhiều DAC có tính năng điều chỉnh sai số lệch ở bên ngoài, sẽ cho phép chúng ta triệt tiêu độ lệch này bằng cách áp mọi bit 0 ở đầu vào DAC và theo dõi đầu ra. Khi đó ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch cho đến khi nào đầu ra bằng 0V. Thời gian ổn định (settling time) là thời gian cần thiết để đầu ra DAC đi từ zero đến bậc thang cao nhất khi đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn 0 đến chuổi bit toàn là 1. Thực tế thời gian ổn định là thời gian để đầu vào DAC ổn định trong phạm vi ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) của giá trị cuối cùng. Ví dụ: Một DAC có độ phân giải 10mV thì thời gian ổn định được đo là thời gian đầu ra cần có để ổn định trong phạm vi 5mV của giá trị đầy thang. Thời gian ổn định có giá trị biến thiên trong khoảng 50ns đến 10ns. DAC với đầu ra dòng có thời gian ổn định ngắn hơn thời gian ổn định của DAC có đầu ra điện thế. Trạng thái ổn định: DAC có tính chất đơn điệu ( monotonic) nếu đầu ra của nó tăng khi đầu vào nhị phân tăng dần từ giá trị này lên giá trị kế tiếp. Nói cách khác là đầu ra bậc thang sẽ không có bậc đi xuống khi đầu vào nhị phân tăng dần từ zero đến đầy thang. Tỉ số phụ thuộc dòng: DAC chất lượng cao yêu cầu sự ảnh hưởng của biến thiên điện áp nguồn đối với điện áp đầu ra vô cùng nhỏ. Tỉ số phụ thuộc nguồn là tỉ số biến thiên mức điện áp đầu ra với biến thiên điện áp nguồn gây ra nó. Ngoài các thông số trên chúng ta cần phải quan tâm đên các thông số khác của một DAC khi sử dụng như: các m rộng, điện trở, điện dung của đ DAC dùng điện trở có tr Hình 5.3 là sơ đồ mạch của m Bốn đầu vào A, B, C, D có giá tr Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier đảo cho tổng trọng số của bố 1/2 lần điện trở trước nó. Ngh cộng chuyển ngay mức điện th C có R = 2k, suy giảm đi 1/2, tương t Do đó đầu ra bộ khuếch đại đư dấu âm (-) biểu thị bộ khuế chúng ta không cần quan tâm. Như vậy ngõ ra của bộ khuế của các đầu vào. Dựa vào bi các tổ hợp của các ngõ vào (b Bảng 5.1 Đầu ra ứng với điề 62 ức logic cao, thấp, điện trở, điện dung, c ầu ra; hệ số nhiệt, ọng số nhị phân và bộ khuếch đại cộng. ột mạch DAC 4 bit dùng điện trở và b ị giả định lần lượt là 0V và 5V. – Op Amp) được dùng làm b n mức điện thế vào. Ta thấy các điện trở ĩa là đầu vào D (MSB) có RIN = 1k, vì v ế tại D đi mà không làm suy giảm (vì R ự đầu vào B suy giảm 1/4 và đầ ợc tính bởi biểu thức: ch đại cộng ở đây là khuếch đại cộng đ ch đại cộng là mức điện thế tương tự, biể ểu thức (4) ta tính được các mức điện áp ảng 5.1). u kiện các đầu vào thích hợp ở 0V hoặc 5V. ủa đầu vào; dải ộ khuếch đại đảo. ộ cộng đầu vào giảm dần ậy bộ khuếch đại f = 1k). Đầu vào u vào A giảm 1/8. ảo. Dấu âm này u thị tổng trọng số ra tương ứng với 63 Độ phân giải của mạch DAC hình 5.2 bằng với trọng số của LSB, nghĩa là bằng x 5V = 0.625V. Nhìn vào bảng 5.1 ta thấy đầu ra tương tự tăng 0.625V khi số nhị phân ở đầu vào tăng lên một bậc. Ví dụ 2: a. Xác định trọng số của mỗi bit đầu vào ở hình 5.2 b. Thay đổi Rf thành 500W.Xác định đầu ra cực đại đầy thang. Giải: a. MSB chuyển đi với mức khuếch đại = 1 nên trọng số của nó ở đầu ra là 5V. Tương tự như vậy ta tính được các trọng số của các bit đầu vào như sau: MSB # 5V MSB thứ 2 # 2.5V (giảm đi 1/2) MSB thứ 3 # 1.25V (giảm đi 1/4) MSB thứ 4 (LSB) # 0.625V (giảm đi 1/8) b. Nếu Rf = 500W giảm theo thừa số 2, nên mỗi trọng số đầu vào sẽ nhỏ hơn 2 lần so với giá trị tính ở trên. Do đó đầu ra cực đại ( đầy thang) sẽ giảm theo cùng thừa số, còn 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 từng bit vào. Tuy nhiên có nhiều hạn chế trong thực tế. Hạn chế lớn nhất đó là khoảng cách chênh lệch đáng kể ở giá trị điện trở giữa LSB và MSB, nhất là trong các DAC có độ phân giải cao (nhiều bit). Ví dụ nếu điện trở MSB = 1k trong DAC 12 bit, thì điện trở LSB sẽ có giá trị trên 2M. Điều này rất khó cho việc chế tạo các IC có độ biến thiên rộng về điện trở để có thể duy trì tỷ lệ chính xác. Để khắc phục được nhược điểm này, người ta đã tìm ra một mạch DAC đáp ứng được yêu cầu đó là mạch DAC mạng R/2R ladder. Các điện trở trong mạch này chỉ biến thiên trong khoảng từ 2 đ Từ hình 5.4 ta thấy được cách s và 2R. Dòng IOUT phụ thu B0B1B2B3 chi phối trạng thái c qua bộ biến đổi dòng thành thế ngõ ra VOUT được tính theo công th Với B là giá trị đầu vào nhị phân, bi Ví dụ 3: Giả sử VREF = 5V c của DAC này? Giải Độ phân giải bằng với tr B = 00012 = 1. Theo công th Đầu ra cực đại xác định đượ 2.3 DAC với đầu ra dòng Trong các thiết bị kỹ thu điện. Do đó người ta đã tạo ra các DAC v 5.5 là một DAC với ngõ ra dòng t bit, có 4 đường dẫn dòng song song m thái của mỗi chuyển mạch bị 64 ến 1. Hình 5.4 là một mạch DAC R/2R ladder cơ b ắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị ộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đ ủa các chuyển mạch này. Dòng ra IOUT điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện th ức: ến thiên từ 0000 (0) đến 1111(15) ủa DAC ở hình 5.4. Tính độ phân giải và đ ọng số của LSB, ta xác định trọng số LSB b ức (5), ta có: c khi B = 11112 = 1510. Áp dụng công thứ ật số đôi lúc cũng đòi hỏi quá trình điề ới ngõ ra dòng để đáp ứng yêu c ương tự tỷ lệ với đầu vào nhị phân. M ỗi đường có một chuyển mạch đi chi phối bởi mức logic đầu vào nhị phân. ản. được sử dụng là R ầu vào nhị phân được phép chạy ế ra VOUT. Điện ầu ra cực đại ằng cách gán c (5) ta có: u khiển bằng dòng ầu đó. Hình ạch DAC này 4 ều khiển. Trạng 65 Dòng chảy qua mỗi đường là do mức điện thế quy chiếu VREF và giá trị điện trở trong đường dẫn quyết định. Giá trị điện trở có trọng số theo cơ số 2, nên cường độ dòng điện cũng có trọng số theo hệ số 2 và tổng cường độ dòng điện ra IOUT sẽ là tổng các dòng của các nhánh. AC với đầu dòng ra có thể chuyển thành DAC có đầu ra điện thế bằng cách dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) như hình 5.6. Ở hình trên IOUT ra từ DAC phải nối đến đầu vào “ – ” của bộ khuếch đại thuật toán. Hồi tiếp âm của bộ khuếch đại thuật toán buộc dòng IOUT phải chạy qua RF và tạo điện áp ngõ ra VOUT và được tính theo công thức: Do đó VOUT sẽ là mức điện th 2.4 DAC điện trở hình T Hình 5.7 là sơ đồ DAC điện tr 2R được mắc thành 4 cực hình T n điện tử. Mạch DAC này dùng b VREF là điện áp chuẩn làm tham kh tương tự ngõ ra. Ta thấy các chuy ứng với các công tắc: khi B đất. Nguyên lý làm việc của DAC này c động của mạch dựa trên hình v lượt các bit Bi bằng logic 1 và 0 ta s sẽ tính được điện áp ra: Biểu thức (7) chứng tỏ rằng biên đ hiệu số đầu vào. Chúng ta có th áp tương tự đầu ra VOUT sẽ là: Sai Số Chuyển Đổi Đối với mạch DAC điện trở K Sai lệch điện áp chuẩn tham chi Từ công thức (8) ta có thể tính sai s tham chiếu VREF gây ra như sau: 66 ế tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân củ ở hình T 4 bit. Trong sơ đồ có hai lo ối dây chuyền. Các S3, S2, S1, S0 là các chuy ộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp ảo. B3, B2, B1, B0 là mã nhị phân 4 bit. Vo là đi ển mạch chịu sự điểu khiển của s i = 1 thì công tắc Si đóng vào VREF, kho ũng đơn giản. Người đọc có thể gi ẽ và những kiến thức đã học. Chúng ta ch ẽ tính được VOUT sau đó dùng nguyên x ộ điện áp tương tự đầu ra tỉ lệ thu ể thấy rằng đối với DAC điện trở hình T N bit thì hình T thì sai số chuyển đổi do các nguyên nhân sau: ếu VREF . ố chuyển đổi DA do riêng sai số l a DAC. ại điện trở là R và ển mạch ) khuếch đại đảo. ện áp ố nhị phân tương Bi = 0 thì Si nối ải thích được hoạt ỉ cần cho lần ếp chồng ta ận với giá trị tín điện ệch điện áp chuẩn 67 Biểu thức trên cho thấy sai số của điện áp tương tự DVOUT tỉ lệ với sai lệch DVREF và tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào. K Sự trôi điểm 0 của khuếch đại thuật toán. Sự trôi điểm 0 của bộ khuếch đại thuật toán ảnh hưởng như nhau đối với mọi giá trị tín hiệu số được biến đổi. Sai số DVOUT do trôi điểm 0 không phụ thuộc giá trị tín hiệu số. K Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm chuyển mạch. Các chuyển mạch không phải là lý tưởng, thực tế điện áp rơi khi nối thông của mạch điện chuyển mạch không thể tuyệt đối bằng 0. Vậy điện áp rơi này đóng vai trò tín hiệu sai số đưa đến đầu vào mạng điện trở hình T. K Sai số của điện trở . Sai số điện trở cũng gây ra sai số phi tuyến. Sai số của các điện trở không như nhau, tác động gây sai số chuyển đổi DA của những điện trở khác nhau về vị trí là khác nhau. Tốc độ chuyển đổi: DAC điện trở hình T công tác song song (các bit tín hiệu số đầu vào được đưa vào song song) nên có tốc độ chuyển đổi cao. Thời gian cần thiết cho một lần chuyển đổi gồm hai gai đoạn: thời gian trể truyền đạt của bit tín hiệu vào xa nhất đến bộ khuếch đại thuật toán và thời gian cần thiết để bộ khuếch đại thuật toán ổn định tín hiệu ra. 68 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.