บทท 7 วงจรแปลงแอนะลอกเปนดจตอล และวงจรแปลงดจตอลเปนแอนะลอก

(Analog to Digital Converter and Digital to Analog Converter Circuits) 7.1. วงจรแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอล

ในการรบสญญาณจากตวตรวจจบ (Sensor) ทเปนสญญาณแอนะลอกในรปของแรงดนหรอกระแสทเปลยนแปลง เชน ตวตรวจจบอณหภม ความดน แสง ฯลฯ มาประมวลผลดวยตวประมวลผลทเปนวงจรดจตอล ไมโครโปรเซสเซอร หรอไมโครคอมพวเตอร จะตองมการเปลยนสญญาณแอนะลอกจากตวตรวจจบเหลานนใหเปนสญญาณดจตอล โดยใชวงจรทเรยกวา วงจร Analog to Digital Converter (ADC) ซงวธการในการแปลงสญญาณจากแอนะลอกเปนดจตอลมหลายวธดวยกนตงแตใชวงจรแปลงสญญาณจากแอนะลอกเปน Counter Ramp ADC, แบบ Linear Ramp ADC, แบบ Dual Slope ADC หรอแบบ Successive Approximation ADC ซงวงจรดงกลาวนอาจอยในรปของวงจรทประกอบจากวงจรเปรยบเทยบแรงดน และวงจรเขารหส หรอวงจรทประกอบจากวงจรเปลยนเทยบแรงดนวงจรนบ วงจรเปลยนสญญาณจากดจตอลเปนแอนะลอก รวมทงทสรางเปนไอซสาเรจรปทใชสาหรบแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอลโดยเฉพาะ ในการทดลองนจะเปนการทดลองเพอทดสอบคณสมบตของวงจรแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอลแบบ Parallel Comparator ADC และไอซสาเรจรปเบอร ADC0804 ซงเปนไอซในการแปลงสญญาณจากแอนะลอกเปนดจตอลขนาด 8 บต

วงจรแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอลเปนวงจรททาหนาทแปลงสญญาณแอนะลอกทอยในรปของแรงดนหรอกระแสทเปลยนแปลง ใหเปนสญญาณดจตอลเพอสงไปยงสวนประมวลผลทใชวงจรดจตอล ไมโครโปรเซสเซอร หรอไมโครคอมพวเตอร

รปท 7.1 แสดงบลอกไดอะแกรมของระบบควบคมทประกอบดวยวงจร ADC ตวประมวลผลและวงจร DAC

จากรปท 7.1 ทรานสดวเซอรจะตรวจจบการเปลยนแปลงทางกายภาพ (Physical Variable) เชนการเปลยนแปลงของอณหภม, ความเขมของแสง, อตราการไหล, ความดน และ ความเรว แลวทาการเปลยนการเปลยนแปลงทางกายภาพเหลานนใหเปนการเปลยนแปลงของสญญาณไฟฟาในรปของแรงดนหรอกระแสท

7-2

เปนสดสวนโดยตรงกบการเปลยนแปลงทางกายภาพนน ๆ อปกรณทรานสดวเซอรทสามารถตรวจจบสญญาณดงกลาวไดแก เทอรมสเตอร (Thermister) ,โฟโตไดโอด (Photo Diode) , โฟโตเซลล (Photo cell) , Flow Meter , Pressure Transducer หรอ Tachometer ตามลาดบ หลงจากนนจะสงสญญาณไฟฟาทไดไปยงวงจรแปลงสญญาณแอนะลอกเปนสญญาณดจตอลเพอทาการแปลงสญญาณไฟฟาดงกลาวใหเปนสญญาณดจตอล แลวสงตอไปยงสวนควบคมหรอสวนประมวลผลทเปนวงจรดจตอลไมโครโปรเซอสเซอร หรอไมโครคอมพวเตอร ซงจะทาหนาทประมวลผลสญญาณดจตอลทอนพต ตามเงอนไขของโปรแกรมทกาหนดไว จากนนสงผลลพธทไดจากการประมวลผลในรปของสญญาณดจตอลไปทเอาทพตซงมวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกททาการแปลงสญญาณดจตอลใหเปนแอนะลอกสงไปยง Actuator ทใชควบคมการเปลยนแปลงทางกายภาพ เชน ควบคมการเปดปดของวาลว ควบคมการทางานของ Heater หรอควบคมทศทาง ความเรว หรอตาแหนงของมอเตอร เปนตน

7.1.1. วงจรแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอลแบบ Parallel Comparator วงจรแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอลทงายทสดไดแกวงจรแบบ Parallel Comparatorหรอเรยก

อกชอหนงวา Simultaneous หรอ Flash ADC แสงวงจรดงรปท 7.2

รปท 7.2 แสดงวงจร Parallel Comparator ADC

7-3

ตารางท 7.1 แสดงระดบลอจกทจดตาง ๆ เมอ Vin เปลยนแปลง

จากรปท 7.1 ตวตานทานคา 1 kΩ จานวน 4 ตว ตอเปนวงจรแบงแรงดนเพอสรางแรงดนอางองใหแกขา (-) ของวงจรเปรยบเทยบแรงดน (Voltage Comparator) ซงวงจรเปรยบเทยบแรงดนจะทาหนาทในการเปรยบเทยบวาแรงดนอางองทขา (-) กบแรงดน Vin ทขา (+) โดยถาแรงดนทขา (+) มคามากกวาแรงดนทขา (-) กจะทาใหเอาตพตเปลยนจากสภาวะลอจก “0” เปน “1” จากวงจรจะพบวาจะสรางแรงดนอางองใหกบวงจรเปรยบเทยบตวท 1 เทากบ 1 V. ตวท 2 เทากบ 2 V. และตวท 3 เทากบ 3 V. เอาตพตของวงจรเปรยบเทยบแรงดนจะตอเขากบวงจรเขารหส (Encoding Gate) เพอทาการเปลยนรหสทอนพตใหเปนรหสเลขฐานสอง จานวน 2 บต พจารณาทอนพต เมอ Vin มคาระหวาง 0 V. ถง 1V. เอาตพตของวงจรเปรยบเทยบแรงดนจะเปน “0” ทงหมดเนองจากแรงดน Vin มคาตากวาแรงดนอางองทกตวเมอ Vin มคาอยระหวาง 1 V ถง 2 V ซงมคามากกวาแรงดนอางองของวงจรเปรยบเทยบแรงดนท 1 ดงนนเอาตพตของวงจรเปรยบเทยบแรงดนตวท 1 จะเปลยนสภาวะเปน “1” และในทานองเดยวกบท Vin มคาเปน 2 V. ถง 3 V. และ 3 V. ถง 4 V. กจะไดเอาตพตตามตารางท 7.1 สวนการเขารหส(Encode Gate) สามารถออกแบบไดโดยพจารณาสญญาณดจตอลเอาตพต D1 และ D0 เมอเขยนสมการในรปของสมการแบบมนเทอมโดยพจารณาทเอาตพตเปน “1” จะไดสมการตงตอไปน

0D ABC ABC= + (7.1)

1D ABC ABC= + (7.2)

เขยนเปนวงจรลอจกไดดงรปท 7.3

รปท 7.3 แสดงวงจร Encoding Gate

7-4

จากวงจรท 7.2 แรงดนอางองทไดจากวงจรแบงแรงดนทเพยง 3 ระดบ และสญญาณดจตอลทเอาตพตกมเพยง 2 บต ถาระดบของแรงดนอางอง และสญญาณดจตอลมจานวนบตมากขนจะทาใหมกระบวนการในการออกแบบวงจรทยงยากมากขนโดยเฉพาะอยางยงยงวงจรเขารหสทจะทาหนาทแปลงรหสจากวงจรเปรยบเทยบแรงดนใหเปนสญญาณดจตอลตามจานวนบตทตองการ เพอเปนการแกปญหาดงกลาวจะใชไอซเขารหสเบอร 74147 (10-Line to 4-Line Priority Encoder) หรอเบอร 741148 (8 Data Line to 3-Line Binary Encoder) มาทาหนาทในการเขารหส ดงแสดงในรปท 7.4

7.1.2. ไอซแปลงสญญาณแอนะลอกเปนสญญาณดจตอลเบอร ADC ไอซแปลงสญญาณแอนะลอกเปนสญญาณดจตอลเบอร ADC เปนไอซแปลงสญญาณเปนดจตอลท

นยมใชกนอยางแพรหลาย มคณสมบตดงน 1. เปนไอซแบบซมอสขนาด 20 ขา ใชหลกการในการแปลงสญญาณขาแอนะลอกเปนดจตอลแบบ

Successive Approximate ADC 2. ไดสญญาณดจตอลทเอาตพตขนาด 8 บต ทเปนแบบลอจกสามสถานะ(Tri-state Logic) จงสามารถ

ตอไดโดยตรงกบบสขอมลของไมโครโปรเซสเซอร 3. มคาความแยกชด (Resolution) เทากบ 5V/255 = 19.6V 4. มวงจรกาเนดสญญาณภายในทสรางคลอกทมคาความถเปนไปตามสมการ

1

1.1f

RC= (7.3)

เมอ R และ C คอตวตานทาน และตวเกบประจภายนอก โดยทวไป จะใชคา 10 kΩ และ 150 pF

ตามลาดบ ความถทไดจะมคาโดยประมาณเทากบ 606 kHz ซงนอกจากจะใชคลอกจากวงจรสรางคลอกภายในแลวยงสามารถใชคลอกจากภายนอกได โดยปอนคลอกจากภายนอกเขาทขา CLK IN

5. ถาใชคลอกความถ 606 kHz จะใชเวลาในการแปลงสญญาณเทากบ 100 μs หมายความวาถาปอนสญญาณแอนะลอกเขาทอนพต เมอเวลาผานไป 100 μs จะไดสญญาณดจตอลทเอาตพต

6. มการแยกกราวดระหวางสญญาณแอนะลอกอนพตกบกราวดของสญญาณดจตอลเอาตพตเพอเปนการปองกนสญญาณรบกวนทเกดขนทกราวดของสญญาณดจตอลซงเปนผลมาจากการเปลยนสภาวะอยางทนททนใดของสญญาณดจตอลททาใหการไหลของกระแสเปลยนแปลง อยางรวดเรว

7-5

รปท 7.4 แสดงวงจร Parallel Comparator ADC

7-6

7.1.3. วงจรการแปลงแอนะลอกเปนดจตอลแบบ Ramp วงจรการแปลงแอนะลอกเปนดจตอลแบบ Ramp แสดงวงจรพนฐานขนาด 4 บต โดยกาหนดคา

แรงดนตาสดคอ 0V วงจรจะใหรหสดจตอลออกมาทางเอาตพต 0000 และแรงดนสงสดคอ +3V วงจรจะใหรหสดจตอลออกมาทางเอาตพต 1111 ดงรปท 7.8

รปท 7.5 แสดงวงจรพนฐานขนาด 4 บต ADC

รปท 7.5 แสดงวงจรพนฐานขนาด 4 บต ADC ซงเราสามารถแบงวงจร ADC โดยละเอยดจะประกอบดวยวงจร 4 สวนคอ

1. วงจรเปรยบเทยบแรงดน (Voltage Comparator) ทาหนาทเปรยบเทยบแรงดนแอนะลอกอนพตทจด A กบแรงดนปอนกลบทจด B เพอสงสญญาณลอจกไปควบคมสญญาณนาฬกาดงรปท 7.6

รปท 7.6 แสดงพนฐานวงจรเปรยบเทยบแรงดน

การทางานของวงจรเปรยบเทยบแรงดน คอวงจรจะมอนพตรบสญญาณแรงดนแอนะลอก 2 อนพต (A, B) เพอเปรยบเทยบแรงดนทเขามาถาอนพต A > B เอาตพต X = 1 และถาอนพต A < B เอาตพต X = 0 วงจรภายในจะใชออปแอมปเปนตวเปรยบเทยบแรงดนเมอแรงดน V = 1.5 V มากกวา V = 0 V จะทาให

7-7

แรงดนทเอาตพตของออปแอมป V = 4 V เทากบแรงดนของซเนอรไดโอดทตออยทเอาตพต ซงจะเปนลอจก "1" (A > B = 1) แตเมอแรงดนท V = 2 V ในขณะท V = 1.5 V ดงนนแรงดนท B มากกวาทอนพต A จะทาใหแรงดนทเอาตพตของออปแอมป V = 0 V ซงจะเปนลอจก "0" (A < B = 0)

2. วงจรแอนดเกต (AND) ทาหนาทเปนสวตช เปด ปด สญญาณนาฬกา เพอปอนเขาวงจรนบดงรปท 7.7

รปท 7.7 แสดงพนฐานแอนดเกต

การทางานของแอนดเกต คอ การจะทาใหเอาตพตของแอนดเกตเปนลอจก "1" ได ตองทาใหแรงดนทอนพตทงสองของมน (A, B) เปนลอจก 1 แสดงการทางานใหเหนไดโดยรปไดอะแกรมเวลา (Timming Diagram) ดงรปท 7.8

รปท 7.8 แสดงเวลาการทางานของแอนดเกต

3. วงจรนบบซด (BCD Counter) วงจรนบเลขฐานสองแบบ BCD (0-9) ขนาด 4 บตเพอแสดงผลการนบตามจานวนพลสทแอนดเกตจายออกมา และสงสญญาณดจตอลไปยงวงจร DAC ดงรปท 7.9

7-8

รปท 7.9 แสดงพนฐานวงจรนบ BCD

การทางานของวงจรนบเลขฐานสองแบบ BCD (0-9) เนองจากไอซเบอรนเปนไอซนบเลขฐานสองแบบนบ 16 (0-15) จงตองมการเซตคาใหนบแคเลข 1001 = 9 โดยเคลยรท 1010 = 10 ดงนนจงนาคาเลขทบต Q และ Q ปอนกลบมาเคลยรทขา 2 กบขา 3 และจะตองปอนกลบ Q เขามาทอนพต B ดวย เพราะวงจรภายในเอาตพตของ Q ไมตอกบอนพต B

4. วงจรแปลงดจตอลเปนแอนะลอก (DAC : Digital to Analog) ทาหนาทแปลงรหสดจตอลทแสดงผลทางเลขฐานสองทเอาตพต ใหเปนแรงดนแอนะลอก เพอปอนกลบไปยงอนพต B ซงแรงดนนจะเปนแรงดนของสญญาณลาดเอยง ดงรปท 7.10

รปท 7.10 แสดงพนฐานวงจร D / A

การทางานของวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอก (DAC) อาศยหลกการทางานของวงจรรวมสญญาณของออปแอมป Summing โดยใชสตรในการคานวณแรงดนทเอาตพตคอ

1 2 3 4

f f f fout A B C D

R R R RV V V V V

R R R R⎛ ⎞

= − + + +⎜ ⎟⎝ ⎠

(7.4)

7-9

การใชงานวงจรทสมบรณจะแสดงใหเหนชดเจนไดดงรปท 7.11

รปท 7.11 แสดงวงจรรวมของ A / D ตวอยางวงจรแปลงแอนะลอกเปนดจตอล

ตวอยางการใชวงจรแปลงแอนะลอกเปนดจตอล (ADC) ทาเปนเครองมอวดดจตอลโวลตมเตอรใหแสดงผล ดวย 7 Segment ขนาด 1 หลกวดแรงดน 0- 9 โวลต ดงรปท 7.12 การใชงานวงจรการแปลงแรงดนแอนะลอกเปนสญญาณดจตอลทเหนไดชดเจน เชน วงจรโวลตมเตอรชนดแสดงผลดวยตวเลข เมอนาโวลตมเตอรไปวดแรงดนแอนะลอก เชน แรงดนขนาด 7V วงจร ADC จะรบคาแรงดนแอนะลอกเขามาและเปลยนเปนรหสดจตอลเพอแสดงผลทจอภาพของมเตอรใหได 7 V เปนตน แผนภาพกรอบของดจตอลโวลตมเตอร แสดงในรปท 7.12

รปท 7.12 แสดงแผนภาพกรอบดจตอลโวลตมเตอร

จากรปท 7.12 แผนภาพกรอบของดจตอลโวลตมเตอร สามารถออกแบบและสรางไดโดยกาหนดใหโวลต มเตอรแสดงผลดวยตวเลข 7 สวน 1 หลก แสดงคาไดตงแต 0-9 โวลต มตวถอดรหสดจตอล 4 บต เปน

7-10

เลขฐานสบ รบขอมลดจตอล 4 บต มาจากวงจรแปลงแอนะลอกเปนดจตอล ตวถอดรหสนใชททแอลเบอร 7447 เปนตวขบการแสดงผลเลข 7 สวนชนดแอโนดรวม ขอมลดจตอล 4 บต กาเนดจากวงจรนบเลขฐานสองเบอร 7493 (ดงรปท 7.12) ควบคมการรเซตวงจรนบทขา R0(1) ขา สญญาณนาฬกาตอผาน แอนดเกตเบอร 7408 ซงอนพตทหนงของแอนดเกตตอกบสญญาณนาฬกาภายนอก และอนพตทสองตอกบเอาตพตของวงจรเปรยบเทยบแรงดน โดยใชออปแอมปเบอร 741ไบอสดวยแรงดน สาหรบวงจรรวมททแอล ไบอสดวยแรงดน +5 V วงจรเปรยบเทยบแรงดนม 2 อนพต อนพต A ตอกบแรงดนแอนะลอกภายนอก และอนพต B ตอกบแรงดนลาดเอยงทปอนมาจากวงจร DAC วงจร DAC นมขนาด 4 บต ซงตอสญญาณดจตอลอนพตมาจากเอาตพตของวงจรนบเลขฐานสอง รายละเอยดแสดงในวงจรรปท 7.13

รปท 7.13 แสดงวงจรดจตอลโวลตมเตอรแสดงผลดวยตวเลข 7 สวน 1 หลก

การทางานของวงจรในรปท 7.13 อธบายโดยละเอยดไดดงน สมมตใหมแรงดนอนพตแอนะลอกเทากบ 2 V และเอาตพตของวงจรนบถกรเซตท 0000 ขณะนวงจรเปรยบเทยบแรงดนระหวางอนพต A และ B แรงดนท A มากกวา B (A = 2 และ B = 0 V) วงจรเปรยบเทยบแรงดนใหลอจก "1" ทเอาตพต ดงนนแอนดเกตจงทางานได สงสญญาณนาฬกาพลสท 1 เขาสอนพต Clock ของวงจรนบเลขฐานสอง วงจรนบจะปรากฏเอาตพต 4 บต คอ 0001 รหสเลขฐานสองนถกตวถอด รหส ถอดรหสเปนเลข 1 ฐานสบ แสดงทตวแสดงผลเลข 7 สวน โดยตดสวางทสวน B และ C ในขณะเดยวกนเอาตพต 0001 จายเขาวงจร DAC ดวยลอจก "1" ทบต A มแรงดนประมาณ 3.2 V จายผาน R = 150 kΩ ทางดานอนพตของออปแอมป ทาใหแรงดน Vout ของออปแอมปเทากบ -1 V เนองจาก

7-11

47150

fv

in

R kAR k

Ω= =

Ω (7.5)

0.31=

out v inV A V= (7.6)

0.31 3.2= × 1V=

แรงดน -1 V นจะปอนกลบไปสอนพต B ของวงจรเปรยบเทยบแรงดน ผลคอท อนพต A = 2 V, B = -1 V นนคอ A>B = 1 แอนดเกตทางานอกครงสงสญญาณนาฬกาพลสทสองเขาวงจรนบ วงจรนบจะใหเอาตพต 4 บต เทากบ 0010 เชนกน ทาให ของวงจร DACมแรงดนเทากบ -2 V แรงดนนปอนกลบไปยงอนพต B ของวงจรเปรยบเทยบแรงดนจะพบวาแรงดน A = +2 V ท B = -2 V ทอนพต + ของออปแอมปจะมแรงดน 0V พอด ดงนนแรงดนเอาตพตของวงจรเปรยบเทยบจะเปน 0 V คอลอจก "0" ทาใหแอนดเกตไมทางาน สญญาณนาฬกาจะไมถกสงไปยงวงจรนบการแสดงเลขผลจะแสดงเลข 2 คางอย หมายความวา แรงดนแอนะลอกอนพต 2 V ถกแสดงเปนสญญาณดจตอล และปรากฏเปนเลข 2 ทตวแสดงผลเลข 7 สวน

7.1.4. วงจรแปลงแอนะลอกเปนดจตอลแบบแฟลช แอนะลกเปนดจตอลแบบแฟลช วงจรแปลงแอนะลอกเปนดจตอลแบบแฟลช เปนวงจรการแปลงสญญาณทมความเรวสงกวา ADC

แบบสญญาณลาดเอยง และถาเปน ADC แบบแฟลชทมจานวนบตเอาตพตมากๆ ขนาดของวงจรจะใหญกวาแบบอน ๆ เชน ADC แบบ Flash ขนาด 8 บต ตองใชวงจรเปรยบเทยบแรงดนถง 255 (2 - 1) ตว เปนตน เพราะตองใชตวเปรยบเทยบแรงดน 1 บตตอ 1 ตว หรอ ADC แบบแฟลชขนาด 10 บต ตองใชวงจรเปรยบเทยบแรงดน 1023 (2 - 1) วงจร เปนตน หลกการทางานของ ADC แบบแฟลช จะใชวงจรขนาด 3 บต อธบายดงรปท 7.14

7-12

รปท 7.14 แสดงวงจรแปลงแอนะลอกเปนดจตอลขนาด 3 บต แบบแฟลช

ตารางท 7.2 แสดงตารางการทางานของวงจรแบบแฟลช

อนพต แอนะลอก

เอาตพตของออปแอมป ดจตอลเอาตพต

V C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C B A 0 - 1 V 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 - 2 V 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 2 - 3 V 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 3 - 4 V 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 4 - 5 V 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 5 - 6 V 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 6 - 7 V 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 > 7 V 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

7-13

เมอพจารณาวงจร ADC แบบแฟลช ขนาด 3 บต จากรปท 7.14 ดานอนพตของวงจร 3 บต จะมตวเปรยบเทยบแรงดนทใชออปแอมปเทากบ 2 - 1 = 7 ตว ในรปคอ C - C โดยอนพตลบของออปแอมปทกตวตอรวมกนเปนจดรบแรงดนแอนะลอกอนพต (V ) และขาอนพตบวกของออปแอมปเปรยบเทยบแรงดนแตละตวตอเขากบจด A- G ของวงจรแบงแรงดน ซงจดตอ A มแรงดน +1 V จดตอ B มแรงดน +2 V และจดตอ C D E F G มแรงดน +3 V + 4 V +5 V +6 V และ +7 V ตามลาดบ การทางานของวงจรเรมตนทแรงดนแอนะลอกดานเขาทอนพต ถามคานอยกวา 1 V เอาตพตของออปแอมปเปรยบเทยบแรงดนทกตวจะเปน "1" เนองจากไมมออปแอมปตวใดทางาน เมอ V > 1V แตไมเกน 2 V ออปแอมปตว C จะทางาน ตวเขารหสจะสงเอาตพต 3 บต เปน 001 ดงตารางท 7.2 นนคอแรงดนแอนะลอก 1 V เอาตพตดจตอลเทากบ 110 เชนกน และเมอ V > 2V แตไมเกน 3 V ออปแอมป ตวท C จะทางานในขณะท C ยงทางานอย ผลคอดจตอลเอาตพตของตวเขารหสจะเปน 010 หรอ 210 และเมอแรงดนแอนะลอกอนพตมคาเพมขนครงละ 1 V ดจตอลเอาตพตจะเปลยนแปลงไปตามลาดบเชนกน เมอแรงดนอนพต V > 7 V ดจตอลเอาตพตจะเปลยนแปลงไปตามลาดบเชนกน เมอแรงดนอนพต V > 7 V ดจตอลเอาตพตคอ 111 หรอ 710 วงจร ADC แบบแฟลช จะใชเวลาในการแปลงระหวางแรงดนแอนะลอกเปนรหสดจตอลนอยมากเนองจากความไวของออปแอมปและตวเขารหส ตวอยางเชน ADC เบอร AD9002 แปลงแรงดนแอนะลอกเปนดจตอลขนาด 8 บต มความเรวของเวลาในการแปลงนอยกวา 10 ns เปนตน

การตอบสนองความถดานเขาของแรงดนแอนะลอกอนพต วงจร ADC ทางานไดในยานการเปลยนแปลงคาเปนคลนไซนไดไมเกน ±2 บต ดงนนความถสงสดของสญญาณอนพตทวงจร ADC จะทางานได คอ

max1

2 ( )2nfTCπ

= (7.7)

เมอ fmax = ความถตอบสนองสงสดของวงจร ADC TC = เวลาของการแปลงสญญาณ 1 รอบ n = จานวนบตเอาตพตของ ADC ตวอยางท 7.1 จงหาคาความถตอบสนองสงสด ADC ขนาด 8 บต เบอร AD9002 เมอ TC ของวงจรมคา 10 ns วธทา

max1

2 ( )2nfTCπ

= (7.8)

9 8

12 (10 10 )2π −=

×

62.169kHz=

7-14

ในกรณทตองการเพมคาความถตอบสนองของสญญาณแอนะลอกดานเขาของวงจร ADC ตองใชวงจรขยายแบบสมและเกบคา (Sample and Hold Amplifier) ดงแสดงในรปท 7.15 ตอเขาดานอนพตของวงจร ADC

รปท 7.15 แสดงวงจรขยายแบบสมและเกบคา

แรงดนแอนะลอกอนพตเขาทางขาบวกของ A และสวตชแอนะลอกถกควบคมโดยสญญาณควบคมการสมและเกบคา เพอทางานรวมกบ C ในการควบคมแรงดนแอนะลอกเอาตพตของ A ทจะตอเขากบอนพตของวงจร ADC มคาคงทเสมอ จากรปท 7.15 V = V โดยเมอสวตชปด C จะประจดวยแรงดนอนพต V ขณะนเปนเวลาสมคา โดยทแรงดนท C จะมคาคงทเทากบ V และเมอสวตชเปด วงจรพรอมจะรบแรงดนอนพตตวใหม ดงนนจะเหนวาแรงดนดานออกของวงจรจะมคาคงทเทากบแรงดนตกครอม C ตลอดเวลา เนองจากความเรวของสวตชสงมาก ทาใหผลการตอบสนองความถดานอนพตของวงจร ADC สงขนตามความเรวของการสวตช

ตวอยางท 7.2 วงจรขยายแบบสมและเกบคา ดงรปท 7.15 ตอเขากบอนพตของ ADC ขนาด 8 บต ถาเวลาการสวตชของวงจร 5 ns จงหาความถตอบสนองสงสดของวงจร วธทา

max1

2 ( )2nfTCπ

= (7.9)

9 8

12 (5 10 )2π −=

×

124kHz=

7-15

รปท 7.16 แสดงการจดขาของ ADC0804

รปท 7.16 แสดงการจดขาของ ADC0804 ซงคณสมบตของแตละขามดงน ขา 1 คอ ขา CS รบสญญาณการเลอกทางานจากไมโครโพรเซสเซอร ขา 2 คอ ขา RD (Read) ขาควบคมการอานขอมล จาก ADC0804 โดยสญญาณควบคมมาจากไมโครโพรเซสเซอร ขา 3 คอ ขา WR (Write) ขาควบคมการเขยนขอมลลงใน ADC0804 โดยสญญาณควบคมมาจากไมโครโพรเซสเซอร ขา 4 คอ ขา CLK in รบสญญาณนาฬกาจากภายนอก ขา 5 คอ ขา INTR (Interrupt) รบสญญาณอนเตอรรพทมาจากไมโครโพรเซสเซอร (ADC0804 ออกแบบมาใหใชกบ ไมโครโพรเซสเซอร ขนาด 8 บตโดยตรงใชไดหลาย เบอร เชน Z80, 8085, 6502 และ 6800 เปนตน) ขา 6 คอ ขา V (+) เปนอนพตรบแรงดนบวก ขา 7 คอ ขา V (-) เปนอนพตรบแรงดนลบ (0 V) ขา 8 คอ ขา A จดดนของวงจรแอนะลอกภายใน ADC0804 ขา 9 คอ ขา Vref /2 เปนอนพตรบแรงดนอางอง ขา 10 คอ ขา D จดดนของวงจรดจตอลภายใน ADC0804 ขา 11-18 คอขา Digital output ขา 11 คอ D (MSB) และขา 18 คอขา D (LSB) ขา 19 คอ ขา CLK เปนอนพตสาหรบตอตวตานทานภายนอกสาหรบสญญาณนาฬกา ขา 20 คอ ขา V (or Ref) เปนขาจายกาลงไฟฟา +5 VDC

- CS (chip select) เปนสญญาณอนพตแอคตฟทลอจก “0” เปนขาทกาหนดวาจะใหไอซทางานหรอไม

ถาไอซ ADC0804 ถกใชในวงจรทควบคมดวยไมโครโปรเซสเซอรสญญาณทขานมกเปนสญญาณมาจาก

7-16

วงจรถอดรหสพอรตของไมโครโปรเซสเซอร ถาขา CS ไดรบลอจก “1” ขาดจตอลเอาตพต (DB0 ถง DB7) จะอยในสภาวะ High Impedance

- RD (Output Enable) เปนขาทใชอนาเบลวงจรเอาตพตบฟเฟอรภายในไอซหมายความวาเมอไอซทาการแปลงสญญาณแอนะลอกเปนดจตอลเสรจแลว สญญาณดจตอลทไดจะอยทภาคเอาตพตบฟเฟอร จะยงไมปรากฏทขาของไอซ จะกวาจะปอนลอจก “0” เขาทขา RD ขอมลดจตอลทไดจงจะปรากฏออกทขา DB0 ถง DB7

- WR (Start Conversion) เปนขาอนพตแอคตฟทลอจก “0” เปนขาทใชในการปอนสญญาณเพอกระตนใหเรมกระบวนการในการแปลงสญญาณแอนะลอกทอนพตใหเปนสญญาณดจตอล

- INTR (End of Conversion) เปนขาเอาตพตแอคตฟทลอจก “0” เปนขาทบอกวาสนสดกระบวนการแปลงสญญาณแลว นนคอเมอสญญาณแอนะลอกถกแปลงจนไดสญญาณดจตอลทเอาตพตบฟเฟอรแลวขา INTR จะเปนลอจก “0” เพอบอกวาไดสญญาณดจตอลแลว

- DB0 ถง DB7 เปนขาดจตอลเอาตพตมสภาวะเปนเอาตพตแบบสามสถานะ (Tristate Output) - Vin(+) และ Vin(-) เปนขาสาหรบปอนสญญาณแอนะลอกอนพต - Vref/2 เปนขาทใชกาหนดยานของแรงดนทอนพต ตามเงอนไขดงตอไปน จะเหนวาถาขา Vref/2 เปดวงจร แรงดนแอนะลอกทอนพตจะมคาไดตงแต 0 ถง 5 V แตถาตอขา Vref/2

เขากบแรงดนอางอง 2.25 V. แรงดนแอนาลอกทอนพตจะมคาไดตงแต 0 ถง 4.5 V. CLK OUT เปนขาสาหรบตอตวตานทานภายนอก เพอเปนตวกาหนดความถของสญญาณคลอก

ภายในและสญญาณคลอกทกาเนดไดจากภายในจะปรากฏออกมาทขาน CLK IN เปนขาสาหรบปอนสญญาณคลอกจากภายนอก หรอใชสาหรบตอตวเกบประจเพอเปน

ตวกาหนดความถของสญญาณคลอกภายใน รปท 7.17 แสดงการตอใชงานไอซ ADC0804 และรปท 7.18 แสดงไดอะแกรมเวลาของ ADC0804

ซงจากไดอะแกรมเวลาจะเหนวาในขนแรกจะตองปอนสญญาณ CS และสญญาณ WR ใหแอคทฟเปนลอจก “0” กอนเพอเลอกใหไอซทางานและกระตนใหเรมกระบวนการแปลงสญญาณแอนะลอกทอนพต (สญญาณท Vin(+) และ Vin(-)) ใหเปนสญญาณดจตอลเมอเวลาผานไปประมาณ 100 μs ขา INTR จะแอคตฟเปนลอจก “0” เพอบอกวาสญญาณแอนะลอกทอนพตกจะถกแปลงใหเปนสญญาณดจตอลเสรจเรยบรอยแลว และสญญาณดจตอลทไดจะอยทเอาตพตบฟเฟอร ถาตองการใหสญญาณดจตอลปรากฏท DB0 ถง DB7 กทาการปอนลอจก “0” เขาทขา RD พรอมกบขา CS ขอมลจากเอาตพตบฟเฟอรจะปรากฏท DB0 ถง DB7 ตามคาของสญญาณแอนะลอกทอนพต

7-17

รปท 7.17 แสดงการตอใชงานไอซ ADC0804

รปท 7.18 แสดงไดอะแกรมเวลาของ ADC0804

วงจรรวม ADC0804 โครงสรางของวงจรดจตอลภายในเปนแบบซมอส มความเรวในการแปลงสญญาณแตละรอบเทากบ 100 μs โครงสรางภายในเปนแบบ Successive Approximation หรอแบบประมาณคาตอเนอง และรบแรงดนแอนะลอกอนพตไดในยาน 0 ถง +5 V ดานเอาตพต 8 บต ดจตอลมลอจก 3 สถานะ เปนบฟเฟอรทาใหตอเขากบบสขอมลของระบบไมโครคอลโทรลเอรโดยตรง สะดวกตอการใชงาน คาความแยกชดตอบตคอ 11.6 mV (เมอ V = +5 V ดงนน Steps = 5/255 = 11.6 mV) ความถของสญญาณท

7-18

เหมาะสมคอ f = (1/1.1R ) คาในคมอกาหนด R = 10 kΩ และ C = 150 pF, R และ C นตอขา CLK และ CLK ดงรปท 7.17 เมอแทนคา R =10 kΩ, C = 150 pF จะไดความถของสญญาณภายในเทากบ 606 kHz แตถาใชสญญาณนาฬกาภายนอก ตองตอเขาทขา CLK และเปดวงจรขา CLK ทความถ 606 kHz เวลาในการแปลงขอมลแตละรอบคอ 100 การตอจดดนของวงจรรวม ADC0804 ควรแยกกนระหวางจดตอของดจตอล และจดดนของแอนะลอก เนองจากในระบบดจตอลมสญญาณรบกวนมากกวา อาจทาใหการทางานไมสมบรณได สาหรบอนพต Vref /2 เปนตวกาหนดผานของการรบแรงดนแอนะลอกอนพตและกาหนดคาความแยกชด (mV) ดงตารางท 7.3 ตารางท 7.3 แสดงการรบแรงดนแอนะลอกอนพตและกาหนดคาความแยกชด

Vref/2 (V) แรงดนอนพต (V) คาความแยกชด (mV) เปดวงจร 0 - 0.5 19.6

2.25 0 - 4.5 17.6 2.00 0 - 4.0 15.7 1.50 0 - 3.0 11.8

วงจรการตอวงจรรวมเบอร ADC0804 กบระบบไมโครโพรเซสเซอร และไดอะแกรมเวลาของ

สญญาณ CS WR RD และ INTR แสดงในรปท 7.18 (ก), (ข) เมอ ADC0804 ไดรบคาสง CS และ WR มาจากไมโครโพรเซสเซอร จะใชเวลาในการแปลงแอนะลอกเปนดจตอลประมาณ 100 μs จากนน ไมโครโพรเซสเซอรจะสง CS และ RD เพออานขอมลดจตอลจาก ADC0804 เขาสบสขอมลของไมโครโพรเซสเซอร ดงแสดงในไดอะแกรมเวลาในรปท 7.18 (ข)

จากวงจรการแปลงอนาลอกเปนดจตอล และดจตอลเปนแอนะลอกในบททแลว เราสามารถนาวงจรรวมมาประยกตใชไดดงตวอยางดานลางนวงจรการตอ ADCO804 เพอทดสอบการทางานในกระบวนการแปลงแอนะลอกเปนดจตอลแสดงในรปท 7.19 โดยตอแรงดนอนาลอกอนพตเขาทขา V (+) และ V (-) ตอจดดนใช R 10 kΩ เปนชนดปรบคาไดปรบคาแรงดนดานเขาของวงจรตงแต 0 ถง 5.12 V สวตชสตารท (Start) ตอเขากบขา WR และ INTR สาหรบขา CS และ RD ตอลงจดดน ขาสญญาณนาฬกา CLK , CLK ตอ R, C ภายนอก โดยใชสญญาณนาฬกาภายใน ADC0804 และขา Vref /2 เปดวงจร ดงนนจะรบได 0 - 5 V และมคาความแยกชดเทากบ 11.6 mV ตอบต เมอปรบคา R 10 kΩ ดานอนพตไปตาแหนงตาสด (V = 0 V) ไบนารเอาตพตจะเปน "0" ทง 8 บต และเมอปรบคา R 10 kΩ ไปตาแหนงสงสด (V = 5 V) ไบนารเอาตพตจะเปน "1" ทง 8 บต

7-19

รปท 7.19 แสดงวงจรการทดสอบ ADC0804 ทาหนาทเปนตวแปลง ADC

เมอนาวงจรรวมเบอร ADC0804 ไปสรางประยกตเปนมเตอรวดแสง (Light Meter) ไดดงรปท 7.20 โดยตอโฟโตเซลลในวงจรคอ R ดงนนการเปลยนแปลงคา R ของโฟโตเซลลจะทาใหแรงดนตกครอม R (แรงดน V) เปลยนแปลงไป ผลคอ ขอมลดจตอลเอาตพตจะเปลยนแปลงไปตามปรมาณความสวางของแสงทตกกระทบโฟโตเซลล (R)

รปท 7.20 แสดงวงจรการวดแสงดวย ADC0804

7-20

วงจรการวดแสงดาย ADC0804 สามารถดดแปลงใหแสดงผลกบตวแสดงผลเลข 7 สวน ชนดแอโนดรวม โดยใชตวขบชนดททแอลเบอร 7447 ดงรปท 7.21 โดยใชดจตอลเอาตพตเพยง 4 บต คอ D - D และใชสญญาณนาฬกาความถ 1Hz จากวงจรอะสเตเบลทใชไทมเมอรเบอร 555 เพอใหวงจรรวม ADC0804 อานคาการเปลยนแปลงความสวางของแสงทตกกระทบ R ทก 1 วนาท

รปท 7.21 แสดงวงจรวดแสงทแสดงผลดวยตวเลข 7 สวน อานคาทก 1 วนาท

7.2. วงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอก การแปลงสญญาณดจตอลเปนสญญาณแอนะลอก (DAC) หมายถง การแปลงนาหนกของรหสตว

เลขฐานสองผานวงจรแปลงใหเปนแรงดนแอนะลอก วงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกทาหนาทเชอมตอระหวางภาคควบคมซงเปนวงจรดจตอล ไมโครโปรเซสเซอร หรอไมโครคอมพวเตอร กบอปกรณปลายทางหรออปกรณเอาตพตทรบสญญาณทเปนระดบลอจก “0” หรอ “1” ทมแรงดน 0V หรอ 5V ตามลาดบ ใหเปนสญญาณเอาตพตทอยในรปของระดบแรงดน หรอกระแสทตอเนอง เพอปองกนใหแกอปกรณเอาตพต ในการทดลองนเปนการทดสอบการทางานของวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกโดยใชวงจรทประกอบดวยออปแอมปและโครงขายตวตานทานแบบ Binary-Weighted Resistor และแบบ R-2R Ladder รวมทงทดสอบการทางานของไอซ เบอร DAC0808 หรอเบอร MC1408 ซงเปนไอซทมาหนาทแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกขนาด 8 บต (Digital to Analog Converter : DAC)สญญาณเอาตพตทไดจะอยในรปของกระแสทเปลยนแปลงสญญาณดจตอลทอนพต

รปท 7.22 แสดงวงจรแปลงสญญาณดจตอล 4 บต ใหเปนแรงดนแอนะลอก ตวอยางการแปลงทเขาใจงาย อาจออกแบบวงจรแปลงใหแปลงนาหนกของตวเลขฐานสองใหเปนแรงดนในอตราสวน 1:1 เชน รหส 0000 = 0 โวลต และรหส 1000 = 8 โวลตเปนตน ดงแสดงตารางการแปลงตารางท 7.4

7-21

รปท 7.22 แสดงสญญาณดจตอล 4 บต

ตารางท 7.4 แสดงผลของการแปลงสญญาณดจตอล 4 บต เปนแอนาลอก

D C B A Vout (V) 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 0 0 0 8 1 0 0 1 9 1 0 1 0 10 1 0 1 1 11 1 1 0 0 12 1 1 0 1 13 1 1 1 0 14 1 1 1 1 15

จากตารางท 7.4 จะเหนวาวงจรสามารถแปลงสญญาณดจตอลเปนแรงดนแอนะลอกไดจาก

0-15 โวลต ตามนาหนกของตวเลขฐานสอง ซงอาจกาหนดการคานวณแรงดนแอนะลอกเอาตพตไดดงสมการ

7-22

Vout = (1V) digital input แรงดนแอนะลอก = K x รหสดจตอลฐานสบ

เมอ K คอคาคงทแรงดนแอนะลอก จากแผนภาพกรอบในรปท 7.22 คา K = 1V ดงนน แรงดน Vout = (1V) digital input เมอพจารณาตารางท 7.4 เมอรหสดจตอลอนพต 11002 มคาเทากบ 1210 ดงนน คาแรงดนแอนะลอกมคาเทากบ

Vout = (1V) x 12 Vout = 12 V

ตวอยางท 7.3 วงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกขนาด 8 บต เมอมรหสดจตอลฐานสองเทากบ 00110010 วงจรมแรงดนดานออกเทากบ 1.0 V จงหาคาคงทของแรงดน และวงจรนจะใหแรงดนแอนะลอกสงสดเทาไร วธทา

001100102 = 5010 1.0 V = K x 50

∴ K = 20 mV แรงดนสงสดเมออนพตเทากบ 111111112 = 25510 Vout,max = 200 mV x 255 = 5.10 V ตวอยางท 7.4 วงจรแปลง DAC ขนาด 5 บต มแรงดนแอนะลอกดานออก 0.2 V เมออนพตคอ 00001 จงหาคาแรงดนเอาตพตเมออนพตคอ 11111 วธทา ตารางท 7.5

MSB LSB รหสดจตอล5 บต 1 1 1 1 1

นาหนกของแตละบต 16 8 4 2 1

ทนาหนกของ LSB = 1 แรงดน = 0.2 V ดงนน ทนาหนกของ LSB = 2 แรงดน = 0.2 x 2 = 0.4V

7-23

ทนาหนกของ LSB = 4 แรงดน = 0.2 x 4 = 0.8 V ทนาหนกของ LSB = 8 แรงดน = 0.2 x 8 = 1.6 V ทนาหนกของ LSB = 16 แรงดน = 0.2 x16 = 3.2 V แรงดน Vout ทรหส 5 บต = 11111 Vout = 3.2 + 1.6 + 0.8 + 0.4 + 0.2 = 6.2 V

7.2.1. การแยกชด (Resolution) การแยกชด (Resolution) หรอขนาดของคาคงท K (Step Size) หมายถง ชวงหางระหวางขนของการ

เปลยนแปลงแรงดนแอนะลอกเอาตพต ตวอยางเชน ในรปท 7.22 วงจร DAC ขนาด 4 บต มคา K = 1 V นนคอมความละเอยดของการแยกชด 1 V (Resolution = 1 V) เมอนามาตออนพต 4 บต เขากบเอาตพตของวงจรนบขนาด 4 บต ดงรปท 7.23 จะเหนวาแรงดน Vout จะคอย ๆ เพมขนจาก 0 V ถง 15 V รวม 16 ขน ความละเอยดของแรงดนขนละ 1 V เมออนพตดจตอล 0000 แรงดน Vout = 0 V และเมออนพตดจตอล 1111 (คาเตมสเกล) จะได Vout = 15 V หรออาจเรยกวา วงจรนมคา Step Size = 1 V

รปท 7.23 แสดงเอาตพตแอนะลอกของวงจร DAC ขนาด 4 บต ตวอยางท 7.5 วงจร DAC จากตวอยางท 7.2 จงหาคา เมอดจตอลอนพตคอ 10001 วธทา

Step Size = 0.2 V อนพต 100012 = 1710

Vout = (0.2 V) x 17 = 3.4 V

รอยละของการแยกชด (Percentage resolution) คาความละเอยดของแรงดนในการแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกแตละขน สามารถเทยบไดในรอยละกบคาแรงดนเตมสเกลสงสด เชน จากวงจรใน

7-24

รปท 7.23 คาแรงดนเอาตพตเตมสเกลคอ 15 V เมออนพตดจตอลเปน 1111 คาการแยกชดของแรงดนแตละขนคอ 1 V ดงนน คารอยละของคาการแยกชดคอ

%การแยกชด = [(Step size)/คาเตมสเกล] x 100%

= 1 100%15

VV×

= 6.67 %

ตวอยางท 7.6 วงจรแปลง DAC ขนาด 10 บต มคา K = 10 mV จงหาคาแรงดนเอาตพตเตมสเกล และคารอยละของการแยกชด วธทา

1. DAC 10 บต, step = 102 1− = 1023 step แตละชน = 10 mV ดงนน Vout(เตมสเกล) = 10 mV x 1023

= 10.23 mV

2. %การแยกชด = [(Step size)/F.S.] x 100%

= 10 100%10.23

mVmV

×

= 0.1%

7.2.2. วงจร DAC ทมขอมลดจตอลอนพตเปนรหส BCD วงจร DAC ทมขอมลดจตอลอนพตเปนรหส BCD เนองจากรหส BCD เปนรหสของเลขฐานสอง

แบบหนงทนยมใชกนอยางแพรหลายและในระบบดจตอลยงมการใชงานวงจรแบบ DAC ทมอนพตเปน BCD ตวอยางเชน DAC ทมอนพต BCD ขนาด 8 บต ดงรปท 7.22 รหส BCD 1 หลก ตองใชเลขฐานสองเทากบ 4 บต ดงนนอนพต BCD ขนาด 8 บต จะตองใชเลขฐานสองแทนเทากบ 8 บต กาหนดให BCD หลกบนคอ MSD ประกอบดวย D, C, B, และ A และ BCD หลกลางคอ LSD ประกอบไปดวย D, C, B, และ A จานวน 2 หลก จะเขยนแทนเลขฐานสบไดตงแต 00 ถง 99 และนาหนกของแตละบตจะมคา 8 4 2 1 เทากนทกดจต แตดจตหลกสบตองคณนาหนกดวย 10 และดจตหลกรอยตองคณนาหนกแตละบตดวย 100 เปนตน

7-25

รปท 7.24 DAC ทมอนพตเปนรหส BCD 2 หลก

รปท 7.24 แสดง DAC ทมอนพตเปนรหส BCD 2 หลก ซงรหส BCD จะมการเปลยนแปลงทางอนพต 00-99 (100 ครง) ดงนนแรงดนแอนะลอกทเอาตพตจงม Step จานวน 100 Step และ Step size เทากบคานาหนกของบต A (บตทมคาตาสด หรอ LSB) ตวอยางท 7.7 จากวงจร DAC ในรปท 7.24 ถานาหนกของ A = 0.1 V จงหาคาตอไปน

1. Step Size 2. แรงดนเอาตพตเตมสเกล และ % การแยกชด 3. Vout เมอ D1, C1, B1, A1 = 0101 และ D0, C0, B0, A0 = 1000

วธทา

1. Step size คอนาหนกของบต LSB ของ LSD = 0.1 V 2. แรงดนเอาตพตเตมสเกล เนองจากม Step ทงหมดเทากบ 99 Step ดงนน Vout(เตมสเกล) = 99 x 0.1 V

= 9.9 V %การแยกชด = [(Step size)/F.S.] x 100%

= 0.1 100%9.9

VV×

= 1%

7-26

3. หาคานาหนกของแตละบตดงน ตารางท 7.6

MSD LSD D C B A D C B A

8.0 4.0 2.0 1.0 0.8 0.4 0.2 0.1 0 1 0 1 1 0 0 0

∴ V = (8.0 x 0) + (4.0 x 1) + (2.0 x 0) + (1.0 x 0) + (0.8 x 1) + (0.4 x 0) + (0.2 x 0) + (0.1 x 0) = 4 V + 1 V + 0.8 V = 5.8 V หรอแปลงคา BCD 01011000 เปนเลขฐานสบไดเทากบ 58

∴ V = (0.1 V) x 58 = 5.8 V ลงดจตอลเปนแอนะลอกแบบโครงขายตวตานทาน

7.2.3. วงจรแปลงดจตอลเปนแอนะลอกแบบโครงขายตวตานทาน วงจรพนฐานของการแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอก ประกอบไปดวยวงจร 2 สวนดงแสดงใน

รปท 7.25 คอวงจรแปลงดจตอล 4 บตเปนแอนะลอก ประกอบไปดวยวงจรสวนท 1 คอโครงขายตวตานทาน และสวนท 2 คอ วงจรขยายผลรวม สาหรบวงจรขยายผลรวมจะใชวงจรรวมออปแอมปคออปกรณสาคญในการทางาน

รปท 7.25 แสดงวงจรแปลงดจตอลเปนแอนะลอก

7-27

ลกษณะของออปแอมปดงรปท 7.26 (ก) ประกอบไปดวยอนพต คอ อนพตอนเวอรตง และอนพตนอนอนเวอรตง วงจรขยายออปแอมปทใชในการแปลง DAC คอวงจรขยายแบบกลบเฟส ดงแสดงในรปท 7.24 (ข) อตราขยายแรงดนของวงจรในรปท 7.26 (ข) คอ อตราขยายแรงดน (A)

รปท 7.26 แสดงออปแอมปและวงจรขยายแบบกลบเฟส

เมอคา A มคาเทากบ 1 ดงนนคาความตานทาน R = R และคาแรงดนเอาตพตของวงจรจะมคาเปนลบ ดงนนการคานวณคาแรงดน V จงตองตดเครองหมายลบดวย การกาหนดคาความตานทานโครงขายทางดานอนพต 4 บต จากแผนภาพกรอบรปท 7.27 สมมตวาใหคาความตาน ทานในโครงขายมนาหนกเทากบรหสของเลขฐานสอง คอ 8, 4, 2 และ 1 kΩ ดงรปท 7.26 (ก) โดยตออนพต D กบ R = 1 k ตออนพต C กบ R = 2 kΩ ตออนพต B กบ R = 4 kΩ และตออนพต A กบ R = 8 kΩ โดยใหอนพต A คอ LSB และ D คอ MSB และให R = 1 kΩ ดงนนจะเหนวาอตรา สวนของ A ทอนพต D จะเปน 1 ทอนพต C จะเปน 1/2 ทอนพต B จะเปน 1/4 และทอนพต A จะเปน 1/8 ถากาหนดแรงดนของลอจก "5" = 5V และแรงดนของลอจก "0" = 0 V จะสามารถหาคาของ V ไดจากสมการท

รปท 7.27 แสดงวงจร DAC ขนาด 4 บต

ตารางท 7.7 แสดงตารางความจรงการเปรยบเทยบคาขอมลดจตอล 4 บต กบแรงดนดานออกของวงจร

D C B A Vout (V) 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -0.625 0 0 1 0 -1.250 0 0 1 1 -1.875

7-28

D C B A Vout (V) 0 1 0 0 -2.500 0 1 0 1 -3.125 0 1 1 0 -3.750 0 1 1 1 -4.375 1 0 0 0 -5.000 1 0 0 1 -5.625 1 0 1 0 -6.250 1 0 1 1 -6.875 1 1 0 0 -7.500 1 1 0 1 -8.125 1 1 1 0 -8.750 1 1 1 1 -9.375

ดงนน เมอแทนคาแรงดน VD, VC, VB และ VA ตามนาหนกของรหสดจตอล ดงตารางท 7.7 จงสามารถคานวณคาแรงดนแอนะลอกเอาตพตไดดงทแสดงในตาราง ตวอยางเชน เมอ DCBA = 1010 จะหาคาแรงดน V ไดวา

V = -(5 V + 0 V + (1/4) x 5 V + 0 V) (7.10)

= -6.25 V จะเหนวาวงจรในรปท 7.27 นมคาความละเอยดของขนเทากบนาหนกของแรงดนท LSB คอ (1/8) x 5V = 0.625 V และเมอสงเกตในตารางจะพบวา RF กบ FMSB เสมอ เชน กรณวงจรในรปท 7. 27

1 11vkAkΩ

= =Ω

(7.11)

ดอร วงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกเบองตนทประกอบดวยออปแอมปและตวตานทานทประกอบกนเปนวงจรแบบ Binary-Weighted DAC และวงจรแบบ R-2R Ladder DAC

7.2.4. วงจรแบบ BinaryWeighted DAC วงจรแบบ Binary-Weighted DAC เปนวงจรทใชออปแอมปมาตอเปนวงจรขยายแบบรวมสญญาณ

(Inverting Summing Amplifier) เปนตวตานทานทอนพตจะมคาลดลงทละ 2 เทา ๆในทก ๆหลกทเพมขนของสญญาณดจตอลอนพต

7-29

รปท 7.28 วงจร Binary-Weighted DAC

รปท 7.28 แสดงวงจร Binary-Weighted DAC ซงมอนพต A ถง D เปนสญญาณทมแรงดน 0 V (ลอจก “0”) หรอ 5V (ลอจก “1”) โดยอนพต A เปนหลก LSB และ D เปนหลก MSB เมอทาการเปลยนแปลงลอจกทอนพต A ถง D ไดแรงดนทเอาตพตตามตารางท 7.xx

ตารางท 7.8

อนพต เอาตพต

D C B A Vout (V) 0 0 0 0 0.000 0 0 0 1 -0.625 0 0 1 0 -1.250 0 0 1 1 -1.857 0 1 0 0 -2.500 0 1 0 1 -3.125 0 1 1 0 -3.750 0 1 1 1 -4.735 1 0 0 0 -5.000 1 0 0 0 -5.625 1 0 1 1 -6.250 1 0 1 1 -6.875 1 1 0 0 -7.500 1 1 0 0 -8.125 1 1 1 1 -8.750 1 1 1 1 -9.735

7-30

รปท 7.29 วงจร Binary-Weighted DAC

แรงดนทเอาตพตของวงจร สามารถคานวณไดดวยสมการตอไปน

1 1 12 4 8OUT D C B Av V V V V⎛ ⎞= − + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠ (7.10)

ตวอยางเชนถาสญญาณดจตอลทอนพตมคาเปน1010 แรงดนทเอาตพตจะมคาเทากบ

1 1 15 (0 ) (5 ) (0 )2 4 8OUTv V V V V⎛ ⎞= − + + +⎜ ⎟

⎝ ⎠ (7.11)

( )5 1.25V V= − + 6.25V= −

7.2.5. วงจร 2R Ladder DAC วงจรแปลงดจตอลเปนแอนะลอกทผานมาเมออนพตมจานวนบตมากขน เชน DAC ขนาด 12 บต จะ

เกดปญหาเรองคาความตานทานท LSB จะมคาสงมากประมาณ 2 MΩ ซงมปญหาในการหาคาความตานทานคาตาง ๆ ทแตกตางกนถง 12 คา จงมการออกแบบวงจรทใชคาความตานทานนอยๆ เชน วงจร DAC แบบ R/2R แลดเดอร ดงแสดงในรปท 7.26 ซงใชตวตานทานเพยง 2 คาเทานนคอ 10 kΩ และ 20 kΩ ทาใหออกแบบและสรางวงจรแปลง DAC ไดงายยงขน

7-31

รปท 7.30 แสดงวงจร DAC 4 บต แบบ R/2R แลดเดอร สาหรบสมการคานวณคาแรงดนแอนะลอกเอาตพตคอสมการ (7.3)

8ref

out

VV B= − × (7.12)

เมอ B = คาเลขฐานสบของอนพตดจตอล 4 บต ตวอยางท 7.8 จากวงจร DAC ในรปท 7.24 ถา Vref = 5 V จงหาคา Step Size และ แรงดนเอาตพตเตมสเกลของวงจร วธทา

1. Step size หาไดจากขณะทขอมลดจตอลอนพตทากบ 00012 ดงนน B = 1

Step size = 5 18−

×

= -0.625 V

2. แรงดนเอาตพตเตมสเกลขณะทอนพตมคาเทากบ 11112 หรอ B = 1510

ดงนน Vout(เตมสเกล) = 5 158−

×

= -9.375 V

7-32

วงจร 2R Ladder DAC เปนวงจรทใชออปแอมปและตวตานทานทตอเปนโครงขายแลดเดอร โดยตวตานทานทใชมเพยง 2 คา คอ R กบ 2R ตวอยางเชน ถาให R มคาเทากบ 10ดงนน 2R จะมคาเทากบ 20 kΩ แรงดนทเอาตพตมคาแรงดนในตารางท 7.1

รปท 7.31 แสดงวงจร R-2R Ladder DAC

ตวอยางท 7.9 จากวงจร DAC ในรปท 7.31 ถา Vref = 5 V จงหาคา Step Size และคาแรงดนแอนะลอกเอาตพตเตมสเกลของวงจร วธทา

1. Step Size หาไดจากเมอขอมลดจตอลอนพตมคาเทากบ 0001 ดงนน B = 1

2. แรงดนเตมสเกลทอนพตมคา 1111 หรอ B = 15

7.2.6. ไอซวงจรเปลยนสญญาณดจตอลเปนแอนะลอก ไอซวงจรเปลยนสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกทนยมใชกนอยางแพรหลาย ไดแก ไอซเบอร

DAC0808 หรอเบอรMC1408 ซงเปนไอซททาหนาทเปลยนสญญาณดจตอลขนาด 8 บต ใหเปนสญญาณแอนะลอกทอยในรปของกระแสทเอาตพต ถาตองการเปลยนกระแสทไดใหเปนแรงดนกทาไดโดยการตอออปแอมปเพอเปลยนกระแสใหเปนแรงดน ดงวงจรในรปท 7.32

7-33

(ก) (ข)

(ค)

รปท 7.32 ไอซ MC1408 (ก) แสดงบลอกไดอะแกรม, (ข) แสดงการจดขา และ (ค) แสดงวงจรใชงานโดยทวไป

แรงดนเอาตพตของวงจรทคาสมการ

3 5 6 7 81 2 4

2 4 8 16 32 64 128 256OUT refA A A A AA A Av V ⎡ ⎤= × + + + + + + +⎢ ⎥⎣ ⎦

(7.13)

ในปจจบนไดมการผลตวงจร DAC ออกมาในรปแบบของวงจรรวมหรอไอซ ยกตวอยางเชน เบอร DAC0808 ซงเปนเบอรทใชในการทดลองของบทน DAC0808 มตาแหนงขาและโครงสรางภายใน ดงรปท 7.33

7-34

รปท 7.33 แสดงตาแหนงขาและโครงสรางของ DAC0808

รปท 7.34 แสดงการตอ DAC0808 ใชงานโดยทวไป

สาหรบการใชงานโดยทวไปของ IC DAC0808 แสดงดงรปท 7.34 จะเหนไดวามการตอวงจรเปลยนกระแสเปนแรงดน (Current to Voltage Converter) ทขา 4 ซงเปนขาเอาตพตของ DAC0808 ใหเอาตพตออกมาในรปของกระแสจงตองทาการเปลยนกระแสเปนแรงดนจากวงจรในรปท 7.34 จะทาใหไดสญญาณเอาตพตมคาเทากบ

3 81 2102 4 8 256o

A AA AV V ⎛ ⎞= + + + +⎜ ⎟⎝ ⎠

L (7.14)

เอกสารอางอง 1. สมยศ เพญศรสรกล “บทเรยนคอมพวเตอรชวยสอนวชาดจตอลประยกต”