Mạch giao diện máy tính (tài liệu cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để ghép nối máy vi tính với thiết bị ngoại vi và các hệ thống chuyên biệt theo yêu cầu)

Nội dung bài giảng Mạch giao diện máy tính có 7 chương, được biên soạn cho hệ Đại học chính qui ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử nhằm giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản về ghép n

Trang 1

ThS LÊ MINH ĐỨC

M¹CH GIAO DIÖN M¸Y TÝNH

Trang 2

ThS LÊ MINH ĐỨC

BÀI GIẢNG MẠCH GIAO DIỆN MÁY TÍNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2021

Trang 4

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ kỹ thuật số đã và đang đóng vai trò then chốt trong cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật và công nghệ Ngày nay, công nghệ số có mặt trong hầu hết các thiết bị từ thiết bị dân dụng đến thiết bị công nghiệp, đặc biệt trong các lĩnh vực điều khiển tự động, cơ điện tử, thông tin liên lạc và kỹ thuật số đã và đang thay thế dần kỹ thuật tương tự

Vấn đề ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi tổng hợp xây dựng hệ thống phần cứng cần sử dụng các kiến thức về kỹ thuật điện tử, điện tử số, kỹ thuật vi xử

lý, kiến trúc máy tính và kỹ năng lập trình qua mạng máy tính

Mạch giao diện máy tính là môn học chuyên ngành của ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử, cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để ghép nối máy vi tính với thiết bị ngoại vi và các hệ thống chuyên biệt theo yêu cầu

Nội dung bài giảng Mạch giao diện máy tính có 7 chương, được biên soạn cho

hệ Đại học chính qui ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử nhằm giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản về ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi, các kỹ thuật biến đổi tín hiệu, kỹ thuật truyền số liệu song song, nối tiếp và đặc biệt là phương thức truyền số liệu qua cổng giao tiếp vạn năng USB đang rất phổ biến trong các hệ

thống thông tin số và dây truyền sản xuất tự động Bài giảng Mạch giao diện máy

tính là tài liệu học tập chính thức cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện

tử và là tài liệu tham khảo cho các đối tượng khác quan tâm tới kỹ thuật truyền số liệu và ghép nối thiết bị ngoại vi

Nội dung bài giảng bao gồm:

- Kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu tương tự - số, số - tương tự được trình bày ở các chương 1, 2;

- Giao thức ghép nối qua các rãnh cắm mở rộng được trình bày ở các chương 3, 4;

- Kỹ thuật truyền dữ liệu song song, nối tiếp, USB và mô phỏng ghép nối thiết

bị cơ bản chuột và bàn phím được trình bày ở chương 5, 6 và 7

Bài giảng được biên soạn phù hợp với chương trình môn học Mạch giao diện máy tính đã được Trường Đại học Lâm nghiệp phê duyệt

Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn và chỉnh sửa nội dung, song đây là lần biên soạn đầu tiên nên chắc chắn không thể tránh được sai sót, rất mong nhận được sự góp ý của các đồng nghiệp và các sinh viên để bài giảng được hoàn thiện hơn trong những lần tái bản sau Các ý kiến góp ý xin gửi về: Bộ môn Kỹ thuật điện & Tự động hóa, Khoa Cơ điện & Công trình, Trường Đại học Lâm nghiệp

Tác giả

Trang 6

MỤC LỤC

Lời nói đầu i

Mục lục iii Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI MÁY TÍNH 1

1.1 Cấu trúc chung của hệ thống 1

1.2 Yêu cầu trao đổi tin của máy vi tính đối với môi trường bên ngoài 3

1.2.1 Yêu cầu trao đổi tin với người điều hành 3

1.2.2 Yêu cầu trao đổi tin với thiết bị ngoài trong hệ đo lường - điều khiển 3

1.2.3 Yêu cầu trao đổi tin trong mạng máy tính 3

1.3 Dạng và các loại tin trao đổi giữa máy vi tính và thiết bị ngoài (TBN) 3

1.3.1 Dạng tin (số) 3

1.3.2 Các loại tin 3

1.4 Vai trò và nhiệm vụ của khối ghép nối (KGN) 4

1.4.1 Vai trò 4

1.4.2 Nhiệm vụ 4

1.5 Cấu trúc chung của một hệ ghép nối máy tính 6

1.5.1 Mô hình chung của một khối ghép nối 6

1.5.2 Cấu tạo và nhiệm vụ các khối 7

1.6 Phần mềm phục vụ điều khiển giữa máy tính và khối ghép nối 18

1.6.1 Lập trình hợp ngữ (assembly) 19

1.6.2 Lập trình Pascal 20

1.6.3 Lập trình C/C++ 20

Câu hỏi và bài tập chương 1 21

Tài liệu tham khảo chương 1 23

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU 24

2.1 Khái niệm tín hiệu analog và hệ đo lường điều khiển số 24

2.2 Chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DAC 25

2.2.1 Các tham số chính của một bộ DAC 26

2.2.2 Các phương pháp biến đổi số - tương tự 30

2.2.3 Một số vi mạch DAC thông dụng 39

2.3 Chuyển đổi tín hiệu tương tự - số ADC 46

2.3.1 Các tham số chính của một ADC 46

2.3.2 Các bước chuyển đổi AD 47

Trang 7

2.3.3 Các phương pháp AD 48

2.3.4 Một số vi mạch ADC thông dụng 57

Chương 3 THỦ TỤC TRAO ĐỔI DỮ LIỆU CỦA MÁY TÍNH 67

3.1 Các chế độ trao đổi dữ liệu của máy tính 67

3.1.1 Chế độ trao đổi tin của máy tính với thiết bị ngoài 68

3.1.2 Thủ tục trao đổi tin trong chế độ chương trình 68

3.2 Trao đổi tin ngắt vi xử lý 70

3.2.1 Các loại ngắt của máy vi tính PC 71

3.2.2 Xử lý ngắt cứng trong IBM - PC 75

3.2.3 Lập trình xử lý ngắt cứng 79

3.3 Trao đổi tin trực tiếp bộ nhớ 82

3.3.1 Cơ chế họat động 82

3.3.2 Họat động của DMAC 83

3.3.3 Chip điều khiển truy nhập bộ nhớ trực tiếp DMAC 8237 84

Chương 4 GHÉP NỐI QUA RÃNH CẮM MỞ RỘNG 93

4.1 Đặt vấn đề 93

4.2 Bus PC 94

4.3 Bus ISA 16 bit 95

4.4 Bus PCI 98

4.5 Bus AGP (Accelerated Graphics Port) 104

Chương 5 GHÉP NỐI TRAO ĐỔI TIN SONG SONG 109

5.1 Khối ghép nối song song đơn giản 109

5.1.1 Cổng vào đơn giản 109

5.1.2 Cổng ra đơn giản 109

5.2 Các vi mạch đệm, chốt (74LS245, 74LS373) 110

5.2.1 Vi mạch đệm 74LS245 110

5.2.2 Vi mạch chốt 74LS373 111

5.3 Vi mạch PPI 8255A 112

5.3.1 Giới thiệu chung 112

Trang 8

5.3.2 Các lệnh ghi/đọc các cổng và các thanh ghi điều khiển 113

5.3.3 Các từ điều khiển 114

5.3.4 Ghép nối 8255A với máy tính và thiết bị ngoài 119

5.4 Ghép nối song song qua cổng máy in 122

5.4.2 Cấu trúc cổng máy in 124

5.4.3 Các thanh ghi của cổng máy in 125

5.4.4 EPP - Enhanced Parallel Port 128

5.4.5 Điều khiển ra ngoài qua cổng song song 133

5.4.6 Đưa dữ liệu vào máy vi tính qua cổng song song 146

Chương 6 GHÉP NỐI TRAO ĐỔI TIN NỐI TIẾP 152

6.1 Đặt vấn đề 152

6.2 Yêu cầu và thủ tục trao đổi tin nối tiếp 152

6.2.1 Yêu cầu 152

6.2.2 Trao đổi tin đồng bộ (Synchronous) 153

6.2.3 Trao đổi tin không đồng bộ - Asynchronous 154

6.3 Truyền thông nối tiếp sử dụng giao diện RS-232 155

6.3.1 Quá trình truyền một byte dữ liệu 155

6.3.2 Cổng nối tiếp RS-232 156

6.4 Giao tiếp USB của máy PC 176

6.4.2 Mô tả hệ thống USB 176

6.4.3 Giao diện vật lý 178

6.4.4 Sự điểm danh 183

6.4.5 Các kiểu truyền USB 184

6.4.6 Giao thức USB 185

6.4.7 Khuôn dạng các gói tin 188

Trang 9

Chương 7 GIAO TIẾP VỚI CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI CƠ BẢN 194

7.1 Giao tiếp với bàn phím và chuột 194

7.1.1 Bàn phím 194

7.1.2 Chuột 200

7.2 Giao tiếp PC Game 202

7.3 Monitor và card giao diện đồ họa 203

7.3.1 Nguyên lý hiện ảnh trên monitor 203

7.3.2 Card giao tiếp đồ họa 205

Đáp án câu hỏi và bài tập 216

Trang 10

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI MÁY TÍNH

Mục tiêu:

Hiểu được cấu trúc tổng quan của hệ vi xử lý; vị trí, chức năng và cấu trúc chung của khối ghép nối trong một hệ thống máy tính trong đo lường điều khiển Xác định được yêu cầu, các thành phần và lập trình điều khiển cho khối ghép nối

Tóm tắt chương:

+ Cấu trúc chung của hệ thống;

+ Yêu cầu trao đổi tin của máy vi tính đối với môi trường bên ngoài;

+ Dạng và các loại tin trao đổi giữa máy vi tính và thiết bị ngoài (TBN); + Vai trò và nhiệm vụ của khối ghép nối (KGN);

+ Cấu trúc chung của một hệ ghép nối máy tính;

+ Chương trình phục vụ trao đổi tin cho khối ghép nối

1.1 Cấu trúc chung của hệ thống

Máy vi tính hay hệ vi xử lý đều có cấu trúc chung do Von Newman đề xuất gồm khối xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ (Memory) và các cổng vào/ra (I/O), như Hình 1.1 Ngoài ra, máy tính còn cần phải trao đổi dữ liệu với môi trường bên ngoài, ví dụ như giao tiếp với người sử dụng qua bàn phím, màn hình, trao đổi dữ liệu với các thiết bị ngoại vi thông dụng, các thiết bị ngoài trong hệ đo - điều khiển

và các máy tính khác trong mạng Do đó, các khối ghép nối (KGN) thiết bị ngoại vi được xây dựng, gồm:

+ KGN các thiết bị vào chuẩn như bàn phím, chuột…

+ KGN các thiết bị ra chuẩn như màn hình, máy in…

+ KGN các bộ nhớ ngoài chuẩn như ổ cứng, ổ CD…

+ KGN với các máy tính khác trong mạng nhiều máy tính;

+ KGN với hệ vi điều khiển, vi xử lý;

+ KGN với hệ đo - điều khiển

Trong đó:

VXL: Vi xử lý;

Trang 11

RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ trong RAM;

ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ trong ROM;

BGN: Bộ ghép nối, khối ghép nối;

CN: Công nghiệp;

VĐK: Vi điều khiển

Đặc biệt, trong hệ đo lường - điều khiển, máy tính nhận dữ liệu trạng thái vật

lý của hệ thống (nhiệt độ, áp suất, điện áp, dòng điện…) dưới dạng tín hiệu điện, từ đầu dò các bộ cảm biến (sensor), bộ chuyển đổi (tranducer), bộ phát hiện (detector)

Và máy tính còn nhận thông tin về trạng thái sẵn sàng hay bận của thiết bị đo Máy tính sau đó đưa tín hiệu chấp nhận trao đổi dữ liệu với TBNV, thu thập

và xử lý dữ liệu, tính toán các tín hiệu điều khiển đưa ra các cơ cấu chấp hành (các van đóng mở, các rơ le trong mạch điện, các mạch động lực điều tốc động cơ điện…), hay đưa ra các thông số kỹ thuật cho thiết bị

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi

Ngoài ra, máy tính còn cần lưu trữ dữ liệu trên ổ cứng, đĩa compact (CD ROM) để tra cứu lúc cần, hiển thị kết quả đo dưới dạng bảng số liệu, dạng đồ thị hay hình vẽ đồ họa trên màn hình

Trang 12

-1.2 Yêu cầu trao đổi tin của máy vi tính đối với môi trường bên ngoài

1.2.1 Yêu cầu trao đổi tin với người điều hành

Người điều hành trao đổi thông tin với máy tính thông qua các thiết bị nhập/xuất cơ bản như chuột, bàn phím, màn hình Việc trao đổi được thực hiện thông qua một giao diện trên màn hình máy tính Trạng thái họat động của hệ thống được thể hiện trên giao diện, người sử dụng tác động vào hệ thống qua giao diện này sử dụng các thiết bị nhập như chuột, bàn phím…

Việc trao đổi thông tin với người sử dụng cần đảm bảo nhanh, chính xác đồng thời phải thuận tiện, an toàn cho người sử dụng

1.2.2 Yêu cầu trao đổi tin với thiết bị ngoài trong hệ đo lường - điều khiển

Trong hệ đo lường - điều khiển, máy tính nhận dữ liệu trạng thái vật lý của hệ thống (nhiệt độ, áp suất, điện áp, dòng điện ) dưới dạng tín hiệu điện, từ các bộ cảm biến (sensor), bộ chuyển đổi (transducer), bộ phát hiện (detector) và máy tính còn nhận thông tin về trạng thái sẵn sàng hay bận của thiết bị

Máy tính sau đó trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi, thu thập và xử lý dữ liệu, tính toán các tín hiệu điều khiển đưa ra các cơ cấu chấp hành (các van đóng mở, các

rơ le trong mạch điện, các mạch động lực điều tốc động cơ điện ) hay đưa ra các thông số thiết lập chế độ họat động cho thiết bị

Ngoài ra, máy tính còn làm nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu để tra cứu, thống kê hoặc hiển thị kết quả trạng thái họat động của thiết bị dưới dạng đồ thị hay các hình vẽ

1.2.3 Yêu cầu trao đổi tin trong mạng máy tính

Một máy tính trong mạng cần trao đổi tin với nhiều người sử dụng mạng, với nhiều máy vi tính khác, với nhiều thiết bị ngoài như: các thiết bị đầu cuối, các thiết

bị nhớ ngoài, các thiết bị lưu trữ và biểu diễn tin

1.3 Dạng và các loại tin trao đổi giữa máy vi tính và thiết bị ngoài (TBN)

1.3.1 Dạng tin (số)

Máy tính chỉ trao đổi tin dưới dạng số với các mức logic 0 và 1

Thiết bị ngoài lại trao đổi tin với nhiều dạng khác nhau như dạng số, dạng ký

tự, dạng tương tự, dạng âm tần hình sin tuần hoàn

1.3.2 Các loại tin

a) Máy tính đưa ra thiết bị ngoài

Trang 13

- Tin về địa chỉ: Đó là các tin của địa chỉ TBN hay chính xác hơn, là địa chỉ các thanh ghi (register) của khối ghép nối đại diện cho TBN

- Tin về lệnh điều khiển: Đó là các tín hiệu để điều khiển khối ghép nối hay TBN như đóng mở thiết bị, đọc hoặc ghi một thanh ghi, cho phép hay trả lời yêu cầu hành động

- Tin về số liệu: Đó là các số liệu cần đưa ra cho thiết bị ngoài

b) Máy tính nhận tin vào từ TBN về một trong hai loại tin

- Tin về trạng thái của TBN: Đó là tin về sự sẵn sàng hay yêu cầu trao đổi tin,

về trạng thái sai lỗi của TBN

- Tin về số liệu: Đó là các số liệu cần đưa vào máy tính

1.4 Vai trò và nhiệm vụ của khối ghép nối (KGN)

Nguồn nhận TBN

Nguồn phát

Ghép nối đường dây máy vi tính Ghép nối đường dây thiết bị ngoài

Hình 1.2: Vị trí và vai trò khối khớp nối

Hình 1.2 Vị trí và vai trò khối khớp nối

1.4.2 Nhiệm vụ

a) Phối hợp về mức và công suất tín hiệu

- Mức tín hiệu của máy tính thường là mức TTL (0 ÷ 5V) trong khi TBN có nhiều mức khác nhau, thông thường cao hơn (±15V, ± 48V) hay mức điện công nghiệp (220V/380V hoặc lớn hơn)

- Công suất đường tín hiệu máy tính nhỏ (cỡ chục mA), trong khi công suất cần cho TBN thường rất lớn, đặc biệt trong công nghiệp

- Do đó, KGN phải biến đổi điện áp và khuếch đại công suất cho phù hợp giữa máy tính và thiết bị

Trang 14

- Phía máy tính thường dùng các vi mạch 3 trạng thái để ghép nối tín hiệu vào/ra Đầu vào/ra sẽ ở mức trở kháng cao khi không có trao đổi dữ liệu, để cô lập thiết bị với máy tính, hạn chế tiêu thụ công suất đường tín hiệu và bảo vệ máy tính

b) Phối hợp về dạng dữ liệu

Trao đổi tin của máy tính thường là song song ở dạng số, có thể truyền theo 8,

16 hoặc 32 bit, của TBN đôi khi là nối tiếp hoặc chủ yếu là tín hiệu tương tự

c) Phối hợp về tốc độ trao đổi tin

Máy tính thường họat động với tốc độ cao (tần số lên tới hàng GHz) trong khi thiết bị thường họat động chậm hơn nhiều Do đó, cần phải thực hiện đồng bộ về mặt tốc độ Việc này thường có sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm Trên KGN phải có bộ nhớ đệm để đệm dữ liệu giữa máy tính và thiết bị KGN nhận từ máy tính và lưu dữ liệu bộ nhớ đệm rồi truyền cho thiết bị theo nhịp chậm của thiết

bị, giải phóng cho máy tính làm nhiệm vụ khác (phục vụ thiết bị khác, xử lý dữ liệu hoặc điều khiển hiển thị ) Tương tự, KGN nhận dữ liệu từ thiết bị và chờ máy tính đọc dữ liệu vào

d) Phối hợp về phương thức trao đổi tin

Để đảm bảo trao đổi tin một cách tin cậy giữa máy tính và TBN, cần có KGN

và cách trao đổi tin diễn ra theo trình tự nhất định

e) Việc trao đổi tin do máy tính khởi xướng

(1) Máy tính đưa lệnh để khởi động TBN hay khởi động KGN

(2) Máy tính đọc trả lời sẵn sàng trao đổi hay trạng thái sẵn sàng của TBN Nếu có trạng thái sẵn sàng mới trao đổi tin, nếu không, chờ và đọc lại trạng thái (3) Máy tính trao đổi khi đọc thấy trạng thái sẵn sàng

f) Việc trao đổi tin do TBN khởi xướng

(1) Để giảm thời gian chờ đợi trạng thái sẵn sàng của TBN, máy tính có thể khởi động TBN rồi thực hiện nhiệm vụ khác

(2) TBN đưa yêu cầu trao đổi tin vào bộ phận xử lý ngắt của KGN, để đưa yêu cầu ngắt chương trình cho máy tính

(3) Nếu có nhiều TBN đưa yêu cầu đồng thời, KGN sắp xếp theo ưu tiên định sẵn, rồi đưa yêu cầu trao đổi tin cho máy tính

(4) Máy tính nhận yêu cầu, sửa soạn trao đổi và đưa tín hiệu xác nhận sẵn sàng trao đổi

Trang 15

(5) KGN nhận và truyền tín hiệu xác nhận cho TBN

(6) TBN trao đổi tin với KGN và KGN trao đổi tin với máy tính (nếu đưa tin vào)

(7) Máy tính trao đổi tin với TBN qua KGN (nếu đưa tin ra)

1.5 Cấu trúc chung của một hệ ghép nối máy tính

1.5.1 Mô hình chung của một khối ghép nối

Xử lý ngắt

Thanh ghi trạng thái

Thanh ghi điều khiển

Thanh ghi đệm viết

Thanh ghi đệm đọc

Yêu cầu A Yêu cầu B

Điều khiển A Điều khiển B

D 0÷ D n

DI 0÷ DI n

Lệnh đọc Lệnh viết Các lệnh chọn chip (CS)

Lệnh đọc

Lệnh viết Lệnh đọc

Hình 1.3 Cấu trúc chung khối ghép nối

Việc trao đổi thông tin, dữ liệu giữa thiết bị ngoài và hệ trung tâm (CPU + bộ nhớ) cơ bản là viết vào và đọc ra Khi đưa ra thì dữ liệu được đưa qua các thanh ghi đệm viết Khi đọc vào thì dữ liệu được đưa qua các thanh ghi đệm đọc Các tín hiệu giải mã địa chỉ và điều khiển đọc viết được phối hợp giữa bộ giải mã và điều khiển logic cho phép thiết bị nào họat động

Khi dùng phương pháp polling có thể kiểm tra điều kiện đưa dữ liệu vào hoặc viết dữ liệu ra thông qua các thanh ghi trạng thái

Trang 16

Nếu vào/ra dữ liệu dùng ngắt thì tín hiệu yêu cầu ngắt ngoài từ thiết bị ngoại vi, thông qua bộ xử lý ngắt tác động đến chân INTR của CPU Nếu CPU chấp nhận ngắt

nó phát tín hiệu INTA ra ngoài, ngắt được thực hiện, dữ liệu được viết vào/đọc ra bằng chương trình của chúng ta thay cho chương trình phục vụ ngắt ISR

Có thể thực hiện kỹ thuật DMA để vào/ra dữ liệu dưới sự giám sát của DMAC (trong sơ đồ này không mô tả)

1.5.2 Cấu tạo và nhiệm vụ các khối

1.5.2.1 Khối giải mã địa chỉ

- Mục đích của giải mã địa chỉ là để xác định được ô nhớ hay thiết bị ngoại vi

Trang 17

Vi mạch có 8 đầu ra giải mã tác động ở mức thấp từ Y0 đến Y7 Việc chọn đầu

ra giải mã nào do tổ hợp tín hiệu các chân A, B, C Để vi mạch họat động tín hiệu ở các chân G2A, G2B, G1 phải đảm bảo đồng thời như sau: G2A = 0, G2B = 0 và G1 = 1

Bảng 1.1 Họat động của vi mạch Các đầu vào

Trang 18

Có nhiều phương án để giải mã cho một yêu cầu cụ thể khi sử dụng 74138; chẳng hạn trong Hình 1.6 có thể đưa A19 vào đầu vào của mạch NAND và nối chân

G1 với +5V qua một điện trở (tạo mức “1”)

số 1) ở mức thấp Nửa thứ hai là 2A1, 2A2, 2A3 và 2A4; các đầu ra là 2Y1, 2Y2, 2Y3

và 2Y4, làm việc khi chân điều khiển 2G (chân số 19) ở mức thấp

Hình 1.7 Vi mạch 74LS244

Như vậy, bằng cách điều khiển các chân 1 và 19 có thể điều khiển dữ liệu qua hai nửa 4 bit riêng biệt hoặc đồng thời

Trang 19

b) Đệm 2 chiều 74245 (Hình 1.8)

Đây là bộ đệm hai chiều 8 bit, để dữ liệu qua được bộ đệm chân E (chân số 19) phải ở mức thấp Chiều dữ liệu qua bộ đệm phụ thuộc vào mức logic của chân DIR (chân số 1)

- Khi DIR = 0: Các bit dữ liệu chỉ được phép truyền từ B qua A

- Khi DIR = 1: Các bit dữ liệu chỉ được phép truyền từ A qua B

c) Mạch chốt 74373 (Hình 1.9)

Vi mạch chốt có đầu ra 3 trạng thái (TRI-STATE) Để vi mạch làm việc được thì chân OE (chân số 1) phải ở mức thấp Khi LE (chân số 11) ở mức cao dữ liệu tới các đầu Di được đưa qua Qi Khi LE ở mức thấp dữ liệu được chốt giữ lại không đưa ra cho đến khi LE ở mức cao

Trang 20

d) Vi mạch dồn kênh 74LS257 (Hình 1.10)

IC 74LS257 có 8 bit vào (các chân 2, 3, 5, 6, 10, 11, 13, 14) đến vi mạch, chỉ

có 4 đường ra (1Y, 2Y, 3Y, 4Y) được điều khiển qua làm 2 lần bằng giá trị chân A/B: Lần 1 chân này = 0 các bit thấp (D0 - D3) được truyền qua; lần 2 A/B = 1 các bit cao (D4 - D7) được truyền qua

Trang 21

f) Thanh ghi dịch 74LS164

Bảng 1.2 Họat động của 74LS164 Chế độ

Tín hiệu nối tiếp được đưa vào A, B hoặc A và B Các đầu ra song song Q0

đến Q7 Xung nhịp làm việc được đưa vào CLK Sau mỗi xung CLK trạng thái của

Qi lại được chuyển đến Qi+1 và đầu vào được chuyển đến Q0 Chân MR (chân số 9)

là chân xóa các đầu ra Qi Khi MR ở mức thấp các đầu ra song song được xóa về 0

Hình 1.13 Mạch điều khiển đèn sáng dần bằng 74LS164

Trang 22

Để hiểu sự làm việc của 74LS164 ta có thể xem sơ đồ Hình 1.13 Chân A và B nối với +5V qua điện trở 2,7 K tương đương với đưa mức 1 vào A, B Xung nhịp làm việc từ một bộ dao động khác đưa vào chân CLK Khi bắt đầu làm việc các đầu

Qi (Q0 đến Q7) ở mức thấp các đèn T0 đến T7 khóa nên các LED không sáng

- Khi có xung CLK đầu tiên mức “1” của A, B được đưa vào Q0 Đèn T0 mở

→ LED0 sáng Trạng thái của Q0 được chuyển sang Q1, Q1 chuyển sang Q2 Các đèn T1,. , T7 vẫn khóa và các LED1, , LED7 tắt

- Khi có xung CLK thứ hai → đèn T0 mở, trạng thái Q0 được chuyển sang Q1

→ đèn T1 mở LED0, LED1 sáng

- Sau xung thứ 8 đèn T7 mở, các đèn đều sáng Trạng thái “1” của Q7 được đưa

về MR làm cho các đầu Qi trở lại bằng 0 và lại bắt đầu một chu kỳ mới

g) Vi mạch giải mã 74LS154 (Hình 1.14)

Vi mạch họat động khi G1 (chân số 18) và G2 (chân số 19) ở mức thấp

Tùy theo tổ hợp ABCD nào mà các đầu ra (từ chân 1 đến chân 17) sẽ được kích họat ở mức thấp

Hình 1.14 Vi mạch 74154

h) Giới thiệu mạch bảng chữ điện tử

Bảng chữ điện tử dùng các đèn LED là một công cụ hiển thị các thông tin hoặc làm biển quảng cáo rất tiện lợi với giá thành rẻ Hiện nay, các bảng quảng cáo hiển thị không dùng các diode phát quang đơn lẻ ghép thành ma trận hoặc thành chữ mà dùng các biển LCD có độ sáng và độ mịn của ảnh cao, tuy nhiên giá thành của loại bảng này đắt hơn) Các đèn LED có thể ghép từ các LED rời hoặc từ các khối ghép

Trang 23

sẵn kích thước 8x8 hoặc 16x16 Ví dụ: Ở Hình 1.15 mô tả hiển thị dòng chữ “15 Volt” trên 3 khối ghép 8x8 LED

Hình 1.15 Hiển thị ký tự trên bảng chữ điện tử

Một khối ma trận LED 8x8 gồm các đèn được ghép như Hình 1.16

Hình 1.16 Ma trận LED 8x8

Ma trận gồm 8 hàng và 8 cột Các LED trên cùng một hàng được nối các chân Anode với nhau Các LED trên cùng một cột được nối các chân Cathode với nhau Trạng thái sáng (tối) của một LED được quyết định bởi điện áp trên đồng thời

cả hai cực Anode và Cathode của LED Để LED sáng thì Cathode phải nối âm (nối cột với mức điện áp “0”), khi đó trên cột này nếu Anot của đèn nào ở mức “1” thì đèn đó sẽ sáng

Ví dụ: Trên Hình 1.15 để sáng ký tự “1” trong chuỗi “15 Volt” thì việc quét dòng và quét cột như sau:

- Đưa điện áp cột thứ nhất về 0

Sau đó, quét lần lượt các hàng 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8:

 Điện áp đưa vào hàng 1 là 0V → đèn 1 trên cột 1 tắt;

 Điện áp đưa vào hàng 2 là 5V → đèn 2 trên cột 1 sáng;

Trang 24

 Điện áp đưa vào hàng 8 là 0V → đèn 8 trên cột 1 tắt

+ Đưa điện áp cột thứ hai về 0

Sau đó, quét lần lượt các hàng 1, 2 , 3, 4, 5, 6, 7, 8:

+ Điện áp đưa vào hàng 1 là 5V → đèn 1 trên cột 1 sáng;

+ Điện áp đưa vào hàng 8 là 5V → đèn 8 trên cột 1 sáng

Tiếp tục quét với các cột 3, , 8 bằng cách như trên sau đó chuyển sang các khối ma trận 8x8 thứ hai và thứ 3 Như vậy, về thực chất là tại một thời điểm chỉ có

1 điểm ảnh được xác định trạng thái Muốn để nhận biết được thông tin không nhấp nháy thì quá trình quét và hiển thị phải thực hiện để sao cho tần số hiển thị một điểm ảnh phải lớn hơn 24 - 25 lần/s (trong thực tế muốn chất lượng ảnh đẹp, rõ thì

có thể phải tăng đến 50 - 60 lần/s)

Hình 1.17 Quét cột bằng 74HC595

Trang 25

Hình 1.17 mô tả dùng một thanh ghi dịch để quét cột Tùy theo mạch phần cứng thiết kế để sử dụng thanh ghi dịch nào chẳng hạn 74164, 74595 Trong Hình 1.17 sử dụng vi mạch 74595 Nếu các đầu ra QAQBQC QH = 1 thì các transitor tương ứng (mỗi transitor nối với một cột) sẽ dẫn điện và các Cathode trên cùng cột

đó được nối với đất (0V)

Hình 1.18 Quét hàng bằng cổng B của PIC 16F877A

Việc quét hàng có thể dùng trực tiếp từ cổng của một vi điều khiển ra (trên hình vẽ dùng cổng B của vi điều khiển PIC 16F877A) hoặc dùng qua các vi mạch giải mã 74154 (để quét được 16 hàng)

Dữ liệu hiển thị bằng bảng chữ điện tử có thể là cố định hoặc có thể cập nhật

từ máy tính PC Khi đó, việc truyền dữ liệu giữa PC và hệ vi xử lý điều khiển bảng chữ được thực hiện qua đường truyền nối tiếp Thông qua một phần mềm giao tiếp trên PC người sử dụng nhập các thông tin cần hiển thị qua bàn phím hoặc từ CSDL

để gửi sang hiển thị trên bảng chữ điện tử

Trang 26

Hình 1.19 Truyền tin giữa PC và PIC điều khiển bảng chữ điện tử

Hình 1.20 Phần mềm truyền dữ liệu từ PC với PIC điều khiển bảng chữ điện tử

1.5.2.3 Khối logic điều khiển thiết bị

Đảm bảo sự phối hợp họat động của các vi mạch trong thiết bị một cách đúng đắn để việc đưa dữ liệu vào/ra giữa hệ trung tâm và thiết bị ngoại vi thực hiện được Các tín hiệu điều khiển của khối này gồm:

+ Điều khiển đọc;

+ Điều khiển viết;

+ Xung cho phép chốt địa chỉ;

+ :Phân biệt truy nhập bộ nhớ hay thiết bị ngoại vi;

Trang 27

+ : Tín hiệu khởi động lại CPU;

+ : Phân biệt kiểu vào ra dữ liệu AEN = 1 thực hiện DMA, AEN = 0 vào/ra qua CPU

Các ghép nối trong khối cần đảm bảo sao cho:

+ Khi tín hiệu giải mã địa chỉ đưa vào khối giải mã địa chỉ đúng thì các vi mạch đệm, cổng phải mở ra;

+ Các tín hiệu điều khiển đọc/viết của CPU phải nối vào các chân điều khiển đọc/viết của các vi mạch đảm bảo chiều dữ liệu vào đảm bảo chiều dữ liệu

ra Tín hiệu reset của CPU phải được nối vào các chân reset của các vi mạch cổng; + Dữ liệu thông qua vi mạch đệm nối vào bus dữ liệu của hệ thống

1.6 Phần mềm phục vụ điều khiển giữa máy tính và khối ghép nối

Dùng để điều khiển việc vào ra dữ liệu, được viết bằng các ngôn ngữ lập trình (C, C++, Pascal, delphi, Visual Basic, Assembly ) truy nhập qua các cổng điều khiển thiết bị

Chương trình điều khiển thiết bị phải được viết tương ứng với phần cứng Nếu phần mềm điều khiển của thiết bị này dùng cho thiết bị khác thì sẽ không thực hiện được việc điều khiển Có hai loại phần mềm điều khiển:

- Viết theo yêu cầu riêng, cụ thể với một phần cứng không thông dụng Các phần mềm này không tích hợp được vào hệ điều hành;

- Các driver là các chương trình điều khiển thiết bị được viết theo các qui chuẩn để có thể tích hợp vào các hệ điều hành

Các phần mềm điều khiển thiết bị cụ thể được viết để chạy trên nền hệ điều hành nào đó đảm bảo việc vào ra dữ liệu cho một thiết bị phần cứng cụ thể Các nhà cung cấp thiết bị rời như card màn hình, card âm thanh, các ổ USB, chế độ, máy in, máy quét đã viết sẵn các driver cho mỗi loại thiết bị Họ có thể phối hợp với nhà cung cấp hệ điều hành (như Microsoft chẳng hạn) để thống nhất mã sản phẩm của mình VID (Vendor ID) Khi ghép thiết bị vào hệ thống, chương trình của hệ điều hành sẽ thông qua các mã này có độ dài 32 bit để phát hiện ra thiết bị nào của hãng nào được ghép vào hệ thống để khởi động driver tương ứng đã cung cấp cho nhà sản xuất hệ điều hành Điều này giải thích việc các hệ điều hành của Microsoft gần đây như Windows 2000, XP tự động nhận biết được hầu hết các thiết bị ngoại vi thông dụng

Trang 28

Một số giao diện không cho phép lập trình trực tiếp mà phải thông qua các hàm API như các giao diện PCI, USB

Một số hệ điều hành không cho phép lập trình trực tiếp vào các địa chỉ cổng

mà phải thông qua các hàm API như Windows XP

Các hệ điều hành mới như windows NT, 2000, XP, Vista không cho phép đọc viết trực tiếp các cổng Để truy nhập cổng cần thông qua các hàm API hoặc qua các thư viện của từng ngôn ngữ lập trình trên windows

Mỗi khối ghép nối cần có một chương trình phục vụ trao đổi tin, các chương trình này thường viết dưới dạng các chương trình con, tập hợp các chương trình con điều khiển thiết bị thường được cung cấp kèm với thiết bị thông qua các thư viện Các thư viện này có thể được đóng gói với nhiều dạng khác nhau như thư viện lập trình (.h, lib), thư viện liên kết động (.dll), các điều khiển ActiveX (.ocx), các device driver

Với chương trình phục vụ trao đổi tin, cần có các thao tác sau:

Ví dụ:

mov dx, 300H mov ax, F0H

- Nhập số liệu từ cổng địa chỉ address vào biến data:

Trang 29

mov dx, address

in ax, dx mov data, ax data, address là số nhị phân 16 bit

1.6.2 Lập trình Pascal

- Đọc thanh ghi:

<biến>:=port[địa chỉ thanh ghi];

- Ghi vào thanh ghi:

Port[địa chỉ thanh ghi]:= <Giá trị>;

- Lập bit:

Port[$301]:=port[$301] OR $02; {Lập C1}

- Xóa bit:

- Kiểm tra bit:

kt:=port[$300] AND $04; {kiểm tra bit S2}

kt = 0 → S2 = “0”

kt ≠ 0 → S2 = “1”

1.6.3 Lập trình C/C++

- Đọc thanh ghi:

<biến> = inp (địa chỉ thanh ghi);

- Ghi vào thanh ghi:

outp (<địa chỉ thanh ghi>,<Giá trị>)

- Lập bit:

- Xóa bit:

- Kiểm tra bit:

kt = 0 → S2 = “0”

kt ≠ 0 → S2 = “1”

Trang 30

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 CH1.1 Các thành phần cơ bản của một máy tính đầy đủ gồm?

a) Bộ nhớ trong, CPU và khối phối ghép vào/ra

b) Bộ nhớ vào/ra trong, CPU, bộ nhớ ngoài và bộ phối ghép vào/ra, thiết bị ngoại vi

c) Bộ nhớ trong, CPU và thiết bị ngoại vi

d) Bộ nhớ vào/ra trong, CPU và khối phối ghép vào/ra, thiết bị ngoại vi

CH1.2 Trình tự xử lý thông tin của máy tính điện tử là:

a) Nhận thông tin → Xử lý thông tin → Xuất thông tin

b) Xử lý thông tin → Nhận thông tin → Xuất thông tin

c) Nhận thông tin → Xuất thông tin → Xử lý thông tin

d) Xử lý thông tin → Nhận thông tin → Xuất thông tin

CH1.3 Chọn câu đúng nhất: Có thể ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính

thông qua:

a) Thông qua Modem b) Khối ghép nối màn hình c) Các khối ghép nối nối tiếp và song song d) Qua khe cắm mở rộng

CH1.4 Chọn câu đúng nhất: Hệ thống vào/ra trong máy tính:

a) Lấy dữ liệu ra khi máy đã xử lý xong

b) Gồm hai thành phần: thiết bị ngoại vi và Modul nối ghép

c) Đưa dữ liệu vào để xử lý

d) Dùng để trao đổi thông tin giữa máy tính với thiết bị ngoại vi

CH1.5 Chọn câu đúng nhất: Khối nối ghép trong máy tính:

a) Gồm các thanh ghi tích lũy, trạng thái và điều khiển

b) Gồm ROM, RAM, Cache và Memory Card

c) Nối ghép giữa CPU và bộ nhớ với các thiết bị ngoại vi

d) Điều khiển về mặt logic và cần có nguồn cung cấp

Trang 31

CH1.6 Chọn câu đúng nhất: Chức năng của khối nối ghép máy tính:

a) Dùng để trao đổi thông tin giữa máy tính với thế giới bên ngoài

b) Còn gọi là card mở rộng

c) Dùng để kết nối máy tính thông qua rãnh cắm mở rộng

d) Trao đổi thông tin với CPU, trao đổi thông tin với TBNV, đệm dữ liệu

CH1.7 Đâu là thiết bị đầu vào của máy tính trong các thiết bị sau đây?

a) Lưu trữ b) Nhập dữ liệu

c) Truyền dữ liệu d) Hiển thị thông tin

CH1.8 Trong các bộ phận dưới đây, bộ phận nào KHÔNG phải là một thành phần

cơ bản của máy tính?

a) Thiết bị xuất b) Thiết bị nhập

c) Khối chương trình d) Khối xử lý và lưu trữ

CH1.9 Hệ thống vào/ra của máy tính KHÔNG bao gồm đồng thời các thiết bị sau:

a) Màn hình, RAM, Máy in b) ROM, RAM, các thanh ghi

c) CPU, Chuột, Máy quét ảnh d) Đĩa từ, Loa, Đĩa CD-ROM

CH1.10 Phần mềm điều khiển khối ghép nối thuộc loại:

a) Phần mềm hệ thống b) Phần mềm ứng dụng

c) Ngôn ngữ lập trình d) Nền tảng Internet

Trang 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG 1

1 Vũ Chấn Hưng (2003) Giáo trình kiến trúc máy vi tính Nxb Giao thông vận tải

2 Phạm Đức Long (2009) Giáo trình Ghép nối với máy vi tính Nxb Đại học

Thái Nguyên

3 Ngô Diên Tập (2001) Đo lường và điều khiển bằng máy tính Nxb Khoa học kỹ

thuật

Trang 33

Chương 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU Mục tiêu:

Cung cấp các kiến thức cơ bản về giao tiếp giữa máy tính với tín hiệu tương tự trong các hệ thống đo lường và điều khiển Tìm hiểu cấu trúc, nguyên lý họat động

của các loại vi mạch biến đổi tín hiệu tương tự - số (Analog to Digital Converter/

Digital to Analog Converter - ADC/DAC) và ứng dụng của chúng

Tóm tắt chương:

- Khái niệm tín hiệu analog và hệ đo lường điều khiển số;

- Các phương pháp chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DAC;

- Các phương pháp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC

2.1 Khái niệm tín hiệu analog và hệ đo lường điều khiển số

Việc sử dụng phương pháp số trong xử lý thông tin và điều khiển đang ngày càng hiệu quả và thuận lợi Tuy nhiên, hầu hết các tín hiệu trong thế giới thực lại là tín hiệu ở dạng tương tự (analog) Do đó, bất kỳ hệ thống nào muốn xử lý các tín hiệu thực tế bằng phương pháp số phải có khả năng chuyển đổi các thông tin tương

tự thành dạng số và ngược lại Thao tác đó thường được thực hiện bằng các thiết bị ADC và DAC

CONTROL LOGIC

Hình 2.1 Mô hình hệ thống xử lý tín hiệu tương tự bằng phương pháp số

Hệ thống xử lý tín hiệu tương tự bằng phương pháp số nói chung là một hệ lai, trong đó số liệu tương tự sẽ được truyền, lưu trữ, hay xử lý bằng phương pháp số

Trang 34

nhờ các bộ vi xử lý số (Digital Processor) Trước khi xử lý, tín hiệu tương tự phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) Kết quả của phép xử lý sẽ được chuyển ngược lại thành dạng tương tự nhờ bộ

chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự (DAC)

2.2 Chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DAC

Một bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự DAC là một dạng đặc biệt của một bộ giải mã Nó giải mã tín hiệu số (nhị phân) ở đầu vào chuyển thành tín hiệu tương tự (điện áp một chiều) ở đầu ra

DAC có cấu trúc tổng quát như Hình 2.2:

Hình 2.2 Sơ đồ khối tổng quát của DAC

Đầu vào của DAC là dữ liệu ở dạng mã số (mã nhị phân) Độ rộng của dữ liệu vào (tính bằng bit) xác định độ chính xác của đầu ra tương tự

Độ rộng dữ liệu của đầu vào 8 bit, 10 bit, 12 bit, 16 bit tương ứng với khoảng tín hiệu tương tự có mức lượng tử từ 256 mức, 1024, 4096, 65536 mức Thanh ghi có chức năng chốt dữ liệu cần chuyển đổi

Mạch xác định trọng số, bao gồm bộ chuyển mạch tương tự và mạch điện trở,

cùng tín hiệu điện áp chuẩn V ref sẽ tạo đầu ra điện áp hoặc dòng điện có mức tương

ứng với giá trị của mã số ở đầu vào

Mạch khuyếch đại thuật toán (OA) có chức năng chuyển đổi dòng điện - điện

áp cho đầu ra tương tự

Bảng chân lý của một bộ DAC có V ref = 3 V, bước nhảy 0,2 V có thể có dạng như sau:

Trang 35

Bảng 2.1 Giá trị chân lý của một bộ DAC

2.2.1 Các tham số chính của một bộ DAC

1) Độ phân giải (revolution) [bit]

Độ phân giải của bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết quả 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

Trang 36

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

Hình 2.3 Dạng sóng bậc thang của một DAC

Dạng sóng bậc thang (Hình 2.3) có 16 mức với 16 trạng 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 * đầu vào số (2-1) Trong đó: 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:

(2-2) Trong đó: Afs là đầu ra cực đại (đầy thang);

N là số bit

Nếu tính theo phần trăm ta có công thức như sau:

(2-3)

Trang 37

Ví dụ 2.1: Xét bộ DAC ở Hình 2.3 Từ công thức (2-4) ta có độ phân giải tính

theo % như sau:

Ví dụ 2.2: Một ADC 10 bit có kích thước bậc thang = 10 mV 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 10 mV nên đầu ra cực đại sẽ là 10 mV * 1023 = 10,23 V

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:

(2-5) Với mã đầu vào nhị phân N bit ta có tổng số bậc là 2N - 1 bậc

Chỉ ra mức điện áp lớn nhất và nhỏ nhất có thể được sử dụng như điện áp tham chiếu từ bên ngoài

3) 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 diễn 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

Trang 38

4) Sai số lệch

Giá trị đầu ra của một bộ DAC lý tưởng sẽ là 0V khi tất cả đầu vào nhị phân toàn là bit 0 Tuy nhiên trên thực tế, 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), 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 đặt tất cả bit 0 ở đầu vào DAC và theo dõi đầu ra Sau đó ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch cho đến khi nào đầu ra bằng 0 V

5) Thời gian ổn định

Thời gian ổn định (settling time) là thời gian cần thiết để giá trị đầu ra của DAC biến đổi từ 0 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

Chẳng hạn, một DAC có độ phân giải 10 mV thì thời gian ổn định được đo là thời gian đầu ra cần có để ổn định trong phạm vi 5 mV của giá trị đầy thang

Thời gian ổn định có giá trị biến thiên trong khoảng 50 ns đến 10 ns DAC với đầu ra dòng có thời gian ổn định ngắn hơn thời gian ổn định của DAC có đầu ra điện thế

6) Trạng thái đơn điệu

DAC có tính chất đơn điệu 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 0 (zero) đến đầy thang

Là độ chênh lệch giữa độ thay đổi giá trị điện áp ra thực tế với độ thay đổi điện áp ra lý tưởng trong trường hợp đầu vào số thay đổi một bit LSB, hay sự thay

đổi giữa hai giá trị số kề nhau

Trang 39

9) Dải đầu ra tương tự hay dải toàn thang [V]

Là độ chênh lệch giữa giá trị tương tự nhỏ nhất mà DAC cụ thể đó cung cấp

Ví dụ: -3V to +3V, chế độ lưỡng cực

Là điện áp nhỏ nhất của tín hiệu số đầu vào DAC đảm bảo được nhận là mức

logic “1” Ví dụ: 2,4 Vmin

11) Mức điện áp logic thấp đầu vào, Vil (Logic “0”) [V]

Là điện áp lớn nhất của tín hiệu số đầu vào DAC mà được nhận là mức logic

“0” Ví dụ: 0,8 Vmax

12) Điện áp nguồn dương (+Vs) [V]

Là dải điện áp có thể dùng để làm nguồn cung cấp dương cho DAC Ví dụ:

+4,75Vmin.; +5,0Vtyp; +13,2Vmax

Là dải điện áp có thể sử dụng làm nguồn cung cấp âm cho DAC Ví dụ:

-13,2Vmin; -5Vtyp; -4,75Vmax

14) Điện áp mức logic dương (+VL) [V]

Là dải điện áp có thể sử dụng cho mức logic dương của DAC Ví dụ:

+4,75Vmin; +5,0Vtyp; +13,2Vmax

Là dải điện áp có thể sử dụng cho mức logic âm của DAC Ví dụ: -13,2Vmin;

-5Vtyp; -4,75Vmax

2.2.2 Các phương pháp biến đổi số - tương tự

2.2.2.1 DAC chia điện trở (Resistive Divider DAC)

Switch Control Decoder Logic

+ -

DAC Input Code

D0 D1

S1 S2 S3 S4

Resistive Divider Chain

Hình 2.4 DAC chia điện trở

Trang 40

DAC theo phương pháp chia điện trở là kiểu DAC đơn giản nhất DAC kiểu này sử dụng một chuỗi điện trở mắc nối tiếp với nhau để tạo ra một tập các giá trị

điện áp cách đều nhau giữa +Vref và -Vref Tín hiệu số đầu vào xác định tín hiệu điện

áp nào được nối với bộ khuếch đại thông qua các các bộ chuyển mạch

Mặc dù phương pháp chia điện trở có thể dễ hiểu, nhưng nó trở nên kém hiệu quả với các bộ DAC có độ phân giải cao Mỗi bit thêm vào cho độ phân giải của DAC đòi hỏi tăng gấp đôi số điện trở và công tắc Ví dụ như với DAC 12 bit thì phải cần tới 4095 điện trở và 4096 công tắc

Tổng quát, một bộ DAC N bit cần 2 N - 1 điện trở và 2 N công tắc

2.2.2.2 DAC trọng số nhị phân (Binary Weighted DACs)

Khi độ phân giải của DAC đạt tới 6 hay 7 bit, kiến trúc thang điện trở thường cho một phương pháp hiệu quả hơn

Phương pháp này cho ta lợi ích chính là chúng tiết kiệm diện tích vi mạch Chẳng hạn như một DAC 9 bit chỉ cần 1 điện trở và 1 công tắc thêm vào so với DAC 8 bit

Hình 2.5 DAC trọng số nhị phân

Mức logic ở đầu ra của thanh ghi quyết định việc kết nối điện áp chuẩn Vref lên các điện trở trong mạch điện trở trọng số ở đầu vào của mạch khuyếch đại thuật toán Mạch khuyếch đại thuật toán đóng vai trò một bộ cộng

Mạch điện trở trọng số được tổ chức như sau:

1R = 20R, ứng với MSB - bit có ý nghĩa lớn nhất

2R = 21R

4R = 22R

Định dạng
Số trang	225
Dung lượng	5,23 MB