mt2 3 56

METR0360 Mechatronics System Design

Ch2 : Signal Conditioning Circuit & Data Conversion2.1 บทนา

2.2 ทฤษฎและวงจรออปแอมปพนฐาน

- คณสมบตในอดมคตของออปแอมป

- วงจรขยายสญญาณแบบไมกลบเฟส

- วงจรขยายสญญาณแบบกลบเฟส

- วงจรขยายผลตาง

- วงจรรวมสญญาณแบบกลบเฟส

- วงจรรวมสญญาณแบบไมกลบเฟส

2/2556 by [email protected]


Ch2 : Signal Conditioning Circuit & Data Conversion2.3 วงจรปรบสภาพสญญาณ

- วงจรขยายแบบอนสตรเมนท

- วงจรปรบ Zero - Span

- วงจรปรบ Zero - Span ดวยออปแอมปตวเดยว

2.4 พนฐานการแปลงสญญาณแอนะลอกและสญญาณดจตอล

- Analog to Digital Converter

- Digital to Analog Converter



วตถประสงค : เพอใหสามารถออกแบบวงจรปรบสภาพสญญาณได เพอใหสามารถออกแบบวงจรปรบสภาพสญญาณได

เพอใหเขาใจการเลอกใชงานวงจรแปลงสญญาณ

เพอสามารถออกแบบวงจรเชอมตอเซนเซอร เพอสามารถออกแบบวงจรเชอมตอเซนเซอร

เพอใหเขาใจการเลอกใชอปกรณแปลงสญญาณ


Signal Conditioning Circuit & Data Conversion

2.1 บทนา [1]

รปท 2.1 ภาพรวมการเชอมตอเซนเซอรเขากบระบบคอมพวเตอร

ในระบบควบคมทมการประมวลผลดวยตวควบคมแบบดจตอลหรอคอมพวเตอรในระบบควบคมทมการประมวลผลดวยตวควบคมแบบดจตอลหรอคอมพวเตอร

สวนประกอบสาคญหนงกคอการเชอมตอสญญาณจากเซนเซอรเขากบระบบซงหากมอง

ในภาพใหญแลวอาจมลกษณะดงเชนรปท 2 1 ซงประกอบดวยสวนสาคญคอในภาพใหญแลวอาจมลกษณะดงเชนรปท 2.1 ซงประกอบดวยสวนสาคญคอ

- วงจรปรบสภาพสญญาณ (Signal Conditioning)

ฮารดแวรนาสญญาณเขาสระบบ (Data Acq isition Hard are DAQ Hard are)- ฮารดแวรนาสญญาณเขาสระบบ (Data Acquisition Hardware : DAQ Hardware)

4


Input

ป D t A i iti H d DAQ ป

รปท 2.2 สวนประกอบของ DAQ Hardware

สวนประกอบของ Data Acquisition Hardware หรอ DAQ ฮารดแวรเปนสวน

สาคญของการนาขอมลจากภายนอกเขาสตวควบคมท เปนแบบด จตอลโดยม

ป ป 2 2 ไ (A lifi ) สวนประกอบพนฐานดงรปท 2.2 ซงไดแก วงจรขยาย (Amplifier), วงจรกรองสญญาณ

รบกวนดวยวงจรกรองความถตาผาน (Low Pass Filter), วงจรสมและคงคาสญญาณ

(S l d H ld) ป ป (A/D) (Sample and Hold), ตวแปลงสญญาณแอนะลอกเปนสญญาณดจตอล(A/D) และ

หนวยความจาเพอเกบขอมลทไดจากการแปลงสญญาณ 5


Signal Conditioning Circuit คอวงจรเชอมตอกบเซนเซอรเพอจดรปสญญาณใหg g ญญ

เหมาะสมกอนนาสญญาณไปใชงาน ในระบบเมคคาทรอนกสมความจาเปนทตองวด

ปรมาณตางๆเพอปอนกลบมาใหตวควบคมไดรวาสภาวะปจจบนของระบบทาใหตวๆ

ควบคมสามารถควบคมการทางานไดตามคาสงทปอนใหกบระบบ ในบทนจะอธบาย

การทางานและการออกแบบวงจรเพอเชอมตอกบเซนเซอรและการปรบสภาพสญญาณทญญ

ไดจากเซนเซอรใหเหมาะกบการประมวลผล โดยสงแรกทควรพจารณาในการออกแบบ

กคอเซนเซอรนนมอะไรเปลยนแปลงเมอถกนาไปวดปรมาณทตองการ เชน ความ

ตานทานเซนเซอรเปลยน หรอเซนเซอรใหเอาตพตเปนกระแสหรอแรงดนทเปลยนตาม

ปรมาณทวด สงทตองคานงถงอกอยางกคอลกษณะของสญญาณทไดหลงการปรบสภาพญญ

สญญาณแลวควรเปนอยางไร ทงสองอยางนเปนตวกาหนดลกษณะวงจรในการเชอมตอ

วาควรมคณสมบตอยางไรดงจะอธบายตอไปน

6


รปท 2.3 ตวอยางลกษณะวงจรปรบสภาพสญญาณในเชงพาณชย

รปแบบสญญาณแอนะลอกมาตรฐาน

ปรมาณทางไฟฟาจากเซนเซอรกรณทเปนสญญาณแอนะลอก สญญาณเหลานจะถก

เปลยนเปนสญญาณมาตรฐานในรปแบบตางๆทพบและมการใชงานกนในระบบควบคม

และเครองมอวดไดแก

แรงดน 0-10 V , 0-5V , -10 V ถง +10V , 1 - 5V

สญญาณกระแส 4-20 mA สาหรบรปท 2.3 เปนตวอยางฮารดแวรของตวปรบ

สภาพสญญาณทมการใชงานกนและมผผลตจาหนาย7


2.2 ทฤษฎและวงจรพนฐานของออปแอมป [2]

2 LM74176

+VCC

OP07

34

6

-VCC

รปท 2.4 ตวอยางสญลกษณของออปแอมปและรปการจดขา

VCC

ออปแอมปเปนอปกรณพนฐานในวงจรปรบสภาพสญญาณทเชอมตอกบเซนเซอร

สญลกษณดงรปท 2 4 จะเปนรปสามเหลยมมขาตางๆไดแกสญลกษณดงรปท 2.4 จะเปนรปสามเหลยมมขาตางๆไดแก

- ขาแหลงจายไฟ ซงอาจะเปนแบบ Double หรอ Single Supply

ขาอนพตทงสอง คอ Inverting ( IN) 1และ Non Inverting (+IN)- ขาอนพตทงสอง คอ Inverting (-IN) 1และ Non Inverting (+IN)

- ขาเอาตพต (ปลายของรปสามเหลยม : OUT) 8


คณสมบตในอดมคตของออปแอมป

ไดแกไดแก

1. แรงดนระหวางขาอนพททงสองของออปแอมปมคาเปนศนย

2 Input Impedance ของออปแอมปนนมคาสงอยในยาน MΩ2. Input Impedance ของออปแอมปนนมคาสงอยในยาน

3. Output Impedance ของออปแอมปนนจะมคาตา

4 ในทางอดมคต Slew rate ของออปแอมปมคาสงมาก

MΩ

4. ในทางอดมคต Slew rate ของออปแอมปมคาสงมาก

5. Band width มคาสงนนคอตอบสนองไดดทกยานความถ

ตวอยางคณสมบตและลกษณะขาของออปแอมปเบอร LM741 แสดงดงรปท 2.5

โดยมขอสงเกตคอคาอนพตอมพแดนซหรอคาเอาตพตอมพแดนซจะแตกตางจากคาใน

อดมคต ซงหากคาเหลานใกลเคยงกบอดมคตมากเทาใดกยอมแสดงวาเปนออปแอมป

ทอาจจะมราคาแพงเมอเทยบกบเบอรอนๆทคณสมบตดอยกวา

9


Input Bias Current . . . . . . 500 nA (Max)

Output Impedance . . . . . . 75 Ohms

Input Impedance . . . . . . 0.3 Mohms (Min)

Applications

C tComparator

Multivibrator

DC A lifiDC Amplifier

Integrator

รปท 2.5 คณสมบต,การใชงานและรปรางภายนอกออปแอมป LM741

10


Slew Rate

รปท 2.6 แสดงคณสมบตของออปแอมปทเรยกวา Slew Rate

คณสมบตของออปแอมปทเรยกวา Slew Rate เปนสงทบอกถงความสามารถวา

ตอบสนองตอสญญาณความถสงๆไดมากนอยเพยงใดโดยจะมหนวยเปนแรงดนตอเวลา

เชน 13 V/us ซงบอกความสามารถในการเปลยนแรงดนเอาตพตตอหนวยเวลาดง

พจารณาไดจากรปท 2.611


แบบไฟเลยงเดยวแบบไฟเลยงค

รปท 2.7 แสดงการตอแหลงจายไฟเพอเลยงออปแอมปซงม 2 แบบไดแกรปท 2.7 การตอแหลงจายไฟใหกบออปแอมป

1. กรณตอวงจรไฟเลยงแบบไฟเลยงเดยว (Single supply)

2. วงจรแบบไฟเลยงทมทงบวกและลบ

โดยทวไปแลวการใชงานทวไปมกจะใชแบบไฟเลยงคเพราะงายในการวเคราะหและทา

ความเขาใจดงนนในทนกจะอธบายเฉพาะกรณทเปนไฟเลยงคเทานน แตอยางไรกตาม

12

การใชไฟเลยงเดยวจะทาใหประหยดแหลงจายไฟและเหมาะกบการใชงานโดยเฉพาะ

อยางยงทใชแหลงจายเปนแบตเตอร


iR

fR

OV

รปท 2 8 วงจรขยายแบบไมกลบเฟส

inV

วงจรขยายสญญาณแบบไมกลบเฟส (Non Inverting Amplifier)

รปท 2.8 วงจรขยายแบบไมกลบเฟส

รปท 2.8 เปนวงจรขยายสญญาณชนดไมกลบเฟสสญญาณซงหมายถงเฟสของ

สญญาณดานอนพตและเอาตพตวงจรจะมเฟสตรงกน ในการวเคราะหวงจรจะเรมจากสญญาณดานอนพตและเอาตพตวงจรจะมเฟสตรงกน ในการวเคราะหวงจรจะเรมจาก

คณสมบตของออปแอมปทบอกวาผลตางแรงดนทขาอนพตทงสองมคาเทากบศนยดงนน

แรงดนทครอมตวตานทาน จงมคาเทากบแรงดนอนพตซงสามารถเขยนทศกระแสiRแรงดนทครอมตวตานทาน จงมคาเทากบแรงดนอนพตซงสามารถเขยนทศกระแส

และแรงดนในวงจรดงรปท2.9i

13

R


inV

-

+-

fR

i

iV

+

+

+iR

OV

รปท2.9 ทศทางแรงดนและกระแสในวงจรขยายแบบไมกลบเฟส

inV

--

Vจากรปเขยนสมการกระแสและแรงดนดงน

(2 1)in

in

RVi −=

infO VRiV +⋅−=

…(2.1)

…(2.2)infO

แทนคากระแสลงในสมการเอาตพต inin

fininf

in

inO V

RR

VVRRVV +=+

−−=

inin

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 1

in

finO R

RVV …(2.3) 14


วงจรขยายสญญาณแบบกลบเฟส (Inverting Amplifier)

ใ ป 2 10 fRinV

+ -+

จากวงจรในรปท 2.10 แรงดน

ระหวางขาอนพตออปแอมปเทากบ

RV

i

รปท2 10 วงจรขยายแบบกลบเฟสสญญาณ

ศนยนนคอแรงดนตกครอมความ

ตานทานดานอนพตเทากบแรงดน

i

OViRinV

รปท2.10 วงจรขยายแบบกลบเฟสสญญาณอนพต ดงนนกระแส i คานวณจาก

สมการท (2.5)

inVi =

inR VVi

= …(2.4)

…(2.5)inR

i =

fO iRV −=

…(2.5)

…(2.6)

i

finO R

RVV −= …(2.7)และแรงดนเอาตพตคอ

15


วงจรขยายผลตาง (Differential Amplifier)

fR

1R

OVibVaV

2R3R

2V1V

รปท 2.11 วงจรขยายผลตาง

วงจรนจะขยายผลตางของสญญาณทเขามาทขาอนพตของออปแอมปทงสองโดยม

ลกษณะวงจรดงรปท 2.11 จากคณสมบตของวงจรแบงแรงดนและออปแอมปจะไดวา

32

32 RR

RVVV ba +== …(2.8)

1

1

RVVi a−

=เมอพจารณากระแส i จะไดวา …(2.9)16


แรงดนเอาตพตของวงจรในรปท 2.11 สามารถคานวณไดจาก

afO VRiV +×−= แทนคากระแส i ลงในสมการเอาตพต

VV ⎞⎛ VV ⎞⎛af

aO VR

RVVV +×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−=

1

1

R

afa

O VRRV

RVV +×⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−=

11

1

แทนคา32

32 RR

RVVa +=

RRVV ⎞⎛

32

32

321

32

1

1

)( RRRVR

RRRRVR

RVV ffO +

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−−= …(2.10)

เพอใหการนาวงจรนไปใชงานไดงายขนกจะกาหนดใหคาความตานทานในวงจรม

ความสมพนธกนคอ fRRRR == 321 ,ความสมพนธกนคอ fRRRR 321 ,

17


221 f

ff

fO

RVR

RVRVV +⎟

⎟⎞

⎜⎜⎛

−−=)()( 1

2111 f

ff

fO RRVR

RRRR

RV

++⎟

⎠⎜⎝ +

221 fff RVRRVRVV

)()( 1

2

11

2

1

1

f

f

f

fffO RRRRR

RRVV

++

++−=

⎟⎞

⎜⎛ RRV

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++

++−=

)()( 11

1

112

1

1

ff

fffO RRR

RRRR

RRVR

RVV

⎞⎛ )( RRV⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+

++−=

)()(

11

12

1

1

f

fffO RRR

RRRVR

RVV Gain

12

11 R

RV

RR

VV ffO +−= )( 12

1

VVRR

V fO −= …(2.11)

18


1R

รป2.12 วงจรขยายผลตางทมอนพตสองสญญาณ

สรปวงจรขยายผลตางชนดทมสญญาณอนพต 2 สญญาณดงรปท 2.12 จะมสมการ

แรงดนเอาตพตคอ

)( 12 VVR

V fO −=

แรงดนเอาตพตคอ

…(2.12))( 121RO ( )

19


วงจรขยายผลตางแบบมอนพตเดยว

วงจรแบบนแตกตางวงจรในรปท 2.12 เพยงเลกนอยคอสญญาณอนพตมเพยง

ใ สญญาณเดยวดงรปท 2.13 แตหลกสาคญในการวเคราะหยงคงเดมกคอผลตางของแรงดน

ทขา Inverting และ non Inverting ของออปแอปมยงมคาเทากบศนยดงนนจากรป 2.13

เขยนสมการตามกฎ KVL ดงน

iiiin iRRiRiV 20 =×++×= …(2.13)

R

)2

(i

in

RVi = …(2.14)

iR

fR

i

inV

iROV

fRfR

รปท 2.13 วงจรขยายผลตางแบบอนพตเดยว 20


เขยนสมการแรงดนเอาทพตคอ

+×−= )( fO RiV

ป ป

แรงดนระหวางขาอนพตออปแอมป )( fRi ×−+ …(2.15)

แรงดนระหวางขาอนพตออปแอมปเทากบศนยดงนนแรงดนเอาตพตกคอ

)2( RiV ×−= )( inVi =)2( fO RiV ×= )2

(iR

i

finR

VRVV )2( (2 16)ดงนนi

finf

i

inO R

VRR

V −=×−= )2

2( …(2.16)

21


การปรบแตงวงจรขยายผลตาง

ในทางปฏบตนนคาความตานทานในวงจรทเรากาหนดใหมคาเทากนและออฟเซตในฏ

ออปแอมปจะทาใหเกดปญหาในการทางานกลาวคอเมอแรงดนอนพตเปนศนยเอาตพตไม

เปนศนย การแกปญหาทาโดยเปลยนคาความตานทาน Rf ทขาอนพตแบบไมกลบเฟส ญ f

สญญาณใหเปนตวตานทานแบบปรบไดดงรปท 2.14 จากนนกปอนแรงดนอนพตเปน

ขนาดเลกในยานมลลโวลตทอนพตทงสองศนยจากนนปรบคาความตานทานทปรบไดนให

fR

เอาตพตมขนาดใกลศนย

iR

V

i

inViR

OV

fRinV

รปท 2.14 วงจรขยายผลตางทมจดปรบแตงการทางาน 22


fRวงจรขยายผลตางแบบมแรงดนอางอง

inV

iR

OV

i

iRfR

VrefV

รปท 2.15 วงจรขยายผลตางทมแรงดนอางอง

จากวงจรในรปท 2.15 พบวากระแส i ยงคงมคาเหมอนเดมแตสงทเปลยนไปกคอ

แรงดนเอาตพตมเทอมของแรงดนอางอง เพมเขามาrefV ref

+×−= )( fO RiV แรงดนระหวางขาอนพต OpAmp reff VRi +×−+ )(0 โวลต

refi

finO V

RR

VV +×−= )( …(2.17) 23


ปญหาของวงจรขยายผลตางคอเรอง

ปญหาของวงจรขยายผลตางfR

i ความเกยวของกนระหวางความตานทาน

อนพตของวงจรและอตราการขยาย โดยinV

iR

OV

i

จากสมการ (2.17)

ff

iO VR

VV +×−= )(

iRfR

refVz refi

inO VR

VV +)(

รปท 2.16 อนพตวงจรขยายผลตาง

refinz

ถาความตานทาน อตราขยายวงจรจะลดลงแตคาความตานทานดานอนพตของ

I t i d iR

วงจรทเรยกวา Input impedance จะมคาเพมขน ดงนนหากตองการอตราการ

ขยายแรงดนทสงและอนพตอมพแดนซสงๆดวยกอาจจะตองใชวงจรอนinZ

24


สมมตวาใชเซนเซอรวดอณหภมชนดหนงตอกบวงจรบรดจดงรปท 2.17 และให

ตวอยางท 2.1

แรงดนเอาตพตแปรผนตรงกบอณหภมดงน

ท 0 ºC มคาแรงดน Output = 0mVp

ท 100 ºC มคาแรงดน Output = 500mV

จงออกแบบวงจรเชอมตอเซนเซอรใหไดคาแรงดน -10V ท 0 ºCและ 10 V ท 100 ºCจงออกแบบวงจรเชอมตอเซนเซอรใหไดคาแรงดน -10V ท 0 Cและ 10 V ท 100 C+10V

Signal +Sensor Signal

Conditioning

Circuit

Vsensor+

Vout+

รปท 2.17 ลกษณะวงจรบรดจของเซนเซอรวดอณหภมในตวอยางท 2.1 25


วธทา เนองจากเปนวงจรบรดจอาจใชวงจรขยายผลตางหรอวงจรขยายอนสตรเมนทก

ได โดยในทนเลอกใชวงจรขยายผลตางจากนนเขยนไดอะแกรมดงรปท 2.18 แทนยาน

0 mV -10 V

แรงดนอนพตของวงจรและยานแรงดนเอาตพตทตองการ

Diff. Amp.0 mV -10 V

500 mV 10 V

VOVin

รปท 2.18

ความสมพนธระหวางอนพตเอาตพตวงจรดงน CmVV inO +=

โดย m คอความชนของเสนตรงทแทนความสมพนธ

C คอคาของเอาตพตเมออนพตเปนศนย

C คอคาของเอาตพตเมออนพตเปนศนย

ดงนน m หาไดจาก 4005.0

)10(10VVVV

ΔVΔVm

inmininmax

OminOmax

in

O =−−−

=−−

==inmininmaxin

และคาของ C = -10 และเขยนสมการไดดงน 1040VV inO −= 26


หากเลอกใชวงจรขยายผลตางแทนความสมพนธดงสมการจะตองมการตอแรงดน

อนพตใหขวลบตอเขาทขา Inverting ของออปแอมปดงรปท 2.19 และเลอกใชแรงดน

Vref ทมคาเทากบ -10 และเลอกคา K = 40

refin VVV += KO refinO

1040O −= inVVและเลอก R = 10kΩ , KR = 40 x 10kΩ = 400 kΩ Ans###

OV

รปท 2.19 วงจร Differential Amp ทออกแบบrefV

27


วงจรรวมสญญาณแบบกลบเฟส (Inverting Summing Amplifier)

fO RVVVV )( 321 ++−= fO RRR)(

321

รปท 2.20 วงจร Inverting Summing Amplifier

จากวงจรจะไดวา i1 = V1 / R1 i2 = V2 / R2 i3 = V3 / R3

โดยท โดยท iT = i1 + i2 + i3 และ VO = -iT x Rf

fO RRV

RV

RVV )(

3

3

2

2

1

1 ++−=ดงนนจะไดวา …(2.18)28


ไ

aV +-VV

i a )( 1 −

วงจรรวมสญญาณแบบไมกลบเฟส (Inverting Summing Amplifier)

Ri a )( 11 =

RVV

i a )( 22

−=a

aT R

Vi −=

R

RVV

i a )( 33

−=

R

afTO VRiV +−=RRRR === 321

รปท 2.21 Non Inverting Summing Amplifier

จากคณสมบตของออปแอมปทวาไมมกระแสไหลเขาขาอนพตและเงอนไขคาความ

ตานทานตามวงจรในรปท 2.21 ดงนนจะไดวา

VVVViii 3)(0 )( 321 VVVV ++ (2 19)aVVVViii 3)(0 321321 −++==++

3)( 321Va = …(2.19)

29


)( VVV ++ ใ ดงนนแทนคาของแรงดน3

)( 321 VVVVa

++= ลงในสมการของเอาตพต

afTO VRiV +−= afTO

3321 VVVRiV fTO

+++−= และแทนกระแส a

T RVi −

=3 aR

3321 VVVR

RVV f

aO

+++= ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ++

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++

= 321321 VVVVVVRV f

O3R fa

O ⎟⎠

⎜⎝

⎟⎠

⎜⎝ 33Ra

O

⎤⎡⎟⎞

⎜⎛ ++ fRVVV 321 (2 20)⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ++

=a

fO R

VVVV 13

321 …(2.20)

30


วงจรปรบสภาพสญญาณจากเซนเซอรและการเชอมตอกบ DAQ Hardware จะใช

2.3 วงจรปรบสภาพสญญาณ [3]

ออปแอมปสรางวงจรปรบสภาพสญญาณซงมวงจรหลายชนดเชน

1. วงจรขยายแบบอนสตรเมนท (Instrument Amplifier)

2. วงจรปรบซโร-สแปน (Zero - Span Circuit)

3. วงจรกรอง (Filter Circuit)

แมในบางครงอาจจะมวงจรชนดอนอกเพอมเชอมตอกบเซนเซอรแตทใชงานกนมากก

มกจะเปนวงจรขยายแบบอนสตรเมนทและวงจร Zero-Span เทานน ดงนนในทนจะ

กลาวถงเพยงสองวงจรเทานน นอกจากนนในสายงานเมคคาทรอนกสเองแลวไมได

ออกแบบทกสวนในระบบเองโดยเฉพาะในสวนของวงจรอเลกทรอนกสซงอปกรณเหลาน

จะผลตภณฑสาเรจรปใหเลอกใชงานเสยเปนสวนใญโดยเฉพาะตวควบคมแบบดจตอล

และ DAQ Hardware

31


-มอมพแดนซทางอนพตสง

วงจรขยายแบบอนสตรเมนท (Instrument Amplifier)

R-อตราการขยายของวงจรนนไมม

ผ ล ต อ อ น พ ต อ ม พ แ ด น ซ ซ ง

RR

RaV

V V แ กปญหาท เ ก ด ในวงจรขยาย

แบบดฟเฟอเรนเชยลRbV

inV 1OV

OVmR

i

bain VVV −=

VVi ba −=

…(2.21)

…(2.22)R

Rb

mR)(1 RmRRiVO ++=

รปท 2.22 วงจร Instrumentation Amplifier …(2.23)

จากวงจรเมอกาหนดใหคาความตานทานในสวนทเปนวงจรขยายผลตางมความ

ตานทานเทากนหมด ดงนนคาแรงดนเอาตพตจงมคาเทากบ

)12()2()2(1 +−=+−=+−=−=m

VmRRmRVmRRiVV in

inOO …(2.24)

32


ขนตอนการเลอกตวตานทานใน Instrumentation Amplifier

21. จากอตราการขยาย )12( +=

mGain

22. คานวณคา m จาก

12

−=

Gainm

3. เลอกคา R ทจะใชโดยใชคาทมจาหนายในทองตลาด

ไ ไ 4. เลอกคาตวตานทาน mR จากคา m คณดวย R แตคาทไดจะตองไมนอย

จนเกนไปเพราะจะทาใหคากระแสไหลสงในทางปฏบตทาไมได

ควรใชตวตานทานชนดคาผดพลาด 1%

33



จากวงจรในรปท 2 23 หาก R4 เปน Sensor ชนดทความตานทานเปลยนตามจากวงจรในรปท 2.23 หาก R4 เปน Sensor ชนดทความตานทานเปลยนตาม

อณหภมโดย R4 มคาระหวาง 100 - 102 Ω จงออกแบบ Instrument Amp. ใหม

แรงดน O/P เทากบ 2 5 V เมอความตานทาน R4 = 102 Ωแรงดน O/P เทากบ 2.5 V เมอความตานทาน R4 = 102 Ω

รปท 2.23 ตวอยางวงจร Instrument Amplifier เชอมตอกบเซนเซอร 34


วธทา

Vb > Va102100

102V5100100

100V5VbVa −=−

รปท 2.24

102100100100 ++

mV75.24VbVa −=−

ดงนน Voltage gain ของวงจร Instrument Amp. 10124.75mV

2.5V−=

− 35


)12( +−=m

VV inOจากสมการอตราการขยายของวงจร

-101 = )m2(1- +

2

m

m2100 =

501

1002m ==

150KΩR =ถาเลอก

50100

จะไดคาความตานทาน 3KΩ150KΩ501mR ==

150KΩR =สรป

3KΩmR150KΩR=

=

36


ปญหาในทางปฏบตของวงจรขยายแบบ Instrumentation กคอการความตานทาน

ในวงจรตองมคาถกตองโดยเฉพาะคาทเหมอนกนจะตองเทากนหรอใกลเคยงกนมากทสดในวงจรตองมคาถกตองโดยเฉพาะคาทเหมอนกนจะตองเทากนหรอใกลเคยงกนมากทสด

โดยมกเลอกใชชนดคาผดพลาด 1 % แตอยางไรกตามผผลตไอซเขาใจในปญหานกไดทา

การออกแบบวงจรรวมททาหนาทเปนวงจรขยายแบบอนสตรเมนทโดยตวตานทานในการออกแบบวงจรรวมททาหนาทเปนวงจรขยายแบบอนสตรเมนทโดยตวตานทานใน

วงจรจะสรางดวยวธการของสารกงตวนาทาใหคาตวตานทานแมนยามากขน ในรป

ตอไปนเปนไดอะแกรมของชปทเปน Instrument Amp เบอร IN110A ดงรปท 2.25 ซงตอไปนเปนไดอะแกรมของชปทเปน Instrument Amp เบอร IN110A ดงรปท 2.25 ซง

สามารถคนควาเพมเตมจาก http://www.ti.com (บรษท Texas Instrument) และจาก

ไดอะแกรมของชปจะพบวาผออกแบบไดยอมใหผใชงานสามารถกาหนดคาความตานทไดอ แกรมของชปจ พบวาผออกแบบไดยอมใหผใชงานสามารถกาหนดคาความตานท

เปนการกาหนดอตราการขยายของวงจรไดและอกสวนหนงกจะสามารถกาหนดคาแรงดน

อางองทเปนการปรบออฟเซตของเอาตพตไดเชนกนและนอกจากนนบรษท Analog อางองทเปนการปรบออฟเซตของเอาตพตไดเชนกนแล นอกจากนนบรษท Analog

Device กไดผลตชปในลกษณะนเชนกนไดแกเบอร AD524 ในรปท 2.26

37


รปท 2.25 โครงสรางของ Instrumentation Amplifier เบอร INA11038


รปท 2 26 โครงสรางของ I t t ti A lifi เบอร AD524รปท 2.26 โครงสรางของ Instrumentation Amplifier เบอร AD524

39

ใ


ผลความตานทานสายสญญาณในวงจรขยายแบบอนสตรเมนท

กรณทวงจร Instrument Amp. ตอสายทยาวขนเพอนาสญญาณOutput ไปใชงานกรณทวงจร Instrument Amp. ตอสายทยาวขนเพอนาสญญาณOutput ไปใชงาน

นนอาจจะเกดปญหาไดเนองจากแรงดนตกครอมในสายไดซงในรปตอไปนจะไดวเคราะห

ผลความตานทานของสายทมผลตออตราการขยายผลความตานทานของสายทมผลตออตราการขยาย

R R RwS

R R Rw

mR

R

Vin

I

VRw

RL

Sense

O/P

I

VRw

RLVo

R RR

Rw

RL

Ref

Vo

RR Rw

RL

a) b)

รปท 2.28 วงจรทใชชดเชยปญหาความตานทานในสายของ Instrument Amp. ญ p

40


จากรป b) R2VI =

V)( RwRRRwIVo +++−= )(

2RwRRRw

RV

+++−=

)R2Rw2(V+−= )R2Rw2(V +−=)(

R2 )R2R2

(V +

)1Rw(VVo +−= …(2.25))1R

(VVo + ( )

จากรป )RmRR(iV ++=

)mRR2(Vin+= )(

mR

)mRmR

mRR2(VinV += )1

m2(Vin +=mRmR m

41


แทนคาของ V ลงในสมการ Vo ซงจะไดสมการแรงดนท Output ทรวมผลความ

ตานทานสายไปดวยดงน

)1R

Rw)(1m2(VinVo ++−= …(2.26)

Rm

จากการวเคราะหผลของสายนนสงทแตกตางจากทผานๆมาคอการกาหนดOutput ๆ p

ของวงจรนนจะกาหนดท RL ซงเปน Load ของวงจรซงกถกตองแลวเพราะเปนจดทเรา

นาไปใชงานและกไดนาคาความตานทานสายมาคดในการคานวณอตราการขยายดวย

จากสมการหากใหผลของสายตวนามผลนอยทสดตองเลอก R >> Rw

42


อยางไรกตามหากการใชงานตองการตอสายจากวงจรขยายอนสตรเมนทใหยาวก

อาจจะตองเพมวงจรขยายกระแสเอาตพตของออปแอมปโดยใชทรานซสเตอรดงรปท

2.29 โดยทรานซสเตอรชนด NPN จะทางานกรณกระแสจากออปแอมปมคาเปนบวก

(ไหลออก) และทรานซสเตอรชนด PNP ทางานชวงกระแสเอาตพตออปแอมปมคาเปนคา

ลบ (ไหลเขา)R R Sense

mR

R

Vin

I

V

+V

Vo

mR

R

Vin VRL

-V

Output

RR Reference

รปท 2 29 การใชทรานซสเตอรชวยขยายกระแสวงจรขยายแบบอนสตรเมนทรปท 2.29 การใชทรานซสเตอรชวยขยายกระแสวงจรขยายแบบอนสตรเมนท

43

ป Z S


วงจรปรบ Zero - Span

วงจรปรบ Zero-Span เปนวงจรปรบสภาพสญญาณ ทใชในการแปลงยานแรงดนของ

ไ ใ สญญาณจากยานหนงไปเปนสญญาณทมยานแรงดนทเหมาะกบการใชงาน จากกราฟ

เปนตวอยางยานแรงดนอนพตและเอาตพตของวงจรปรบ Zero-span ซงจะเหนวาแม

โ แรงดนอนพตจะเปนศนยแตทเอาตพตจะมคาแรงดนเทากบ 1 โวลตดงนนการขยายขนาด

เพยงอยางเดยวจงไมสามารถตอบสนองได

5

แรงดนเอาตพต (Volt)

5

4

3

2

1

Zero & Span

Circuit

อนพต 0 - 5 V เอาตพต 1 - 5 V

รปท 2 30 ตวอยางความสมพนธยานแรงดนอนพต/เอาตพตวงจรปรบ Zero-Span

1 2 3 4 5

1

แรงดนอนพต (Volt)Circuit

รปท 2.30 ตวอยางความสมพนธยานแรงดนอนพต/เอาตพตวงจรปรบ Zero-Span

44


ทกเสนความชนเทากน

แตจดตดแกน Y ตางกน

การปรบคณสมบตของวงจร 2 อยางดวยกนคอการปรบ Zero และการปรบ Span

รปท 2.31 ผลการปรบคา Zero ของวงจร Zero-Span

การปรบคณสมบตของวงจร 2 อยางดวยกนคอการปรบ Zero และการปรบ Span

การปรบคา Zero คอการการปรบจดตดแกนแนวตงของกราฟความสมพนธระหวาง

แรงดนเอาตพต-อนพตของวงจรซโร-สแปนนนเองแรงดนเอาตพต อนพตของวงจรซโร สแปนนนเอง

45


รปท 2.32 ผลการปรบคา Span ของวงจร Zero - Span

การปรบ Span กคอการปรบคาความชนของกราฟความสมพนธระหวางเอาตพต-

อนพตวงจรปรบ Zero-Span โดยทคาของจดตดแกนแนวตงนนไมไดเปลยนแปลงอนพตวงจรปรบ Zero Span โดยทคาของจดตดแกนแนวตงนนไมไดเปลยนแปลง

46

R


OSR fR

R

RCCV+

CCV±

RiR

inV

2/RCCV−

in

รปท 2.33 วงจรปรบ Zero-Span

วงจรปรบ Zero-Span ดงรปท 2.33 ทจรงแลวกคอวงจรขยายผลรวมสญญาณ p ญญ

แบบไมกลบเฟส หรอทเรยกวา Inverting Summing Amplifier นนเองโดยมการนามา

ตอกบวงจร Inverting Amp. ใหไดเครองหมายของแรงดนเอาตพตตามตองการโดยp

วงจรมสมการแรงดนเอาตพตคอ

(2 27)ff VR

VR

V …(2.27)CCOS

fin

i

fO V

RV

RV ⋅+⋅=

47


RR

เปรยบเทยบสมการเสนตรงกบสมการแรงดนเอาตพตวงจรปรบ Zero-Span

CCOS

fin

i

fO V

RR

VRR

V ⋅+⋅=

CVmV inO +⋅=

OV

จดตดแกน Y f

RR

m =

CCOS

f VRR

C =iR

inV

รปท 2.34 กราฟความสมพนธระหวางอนพตเอาตพตวงจรปรบ Zero-Span 48


ขนตอนการออกแบบวงจรปรบ Zero-Span

V Vจากขอกาหนดอนพต-เอาตพต

maxOVmaxinVmininV

minOV

minmax

minmax

inin

OO

VVVV

m−−

=1) คานวณคาความชนกราฟจาก

2) จากความสมพนธ CmVV inO +=

แทนคา m และคา mininV minOV เพอหาคา C

หรอ mininV minOV เพอหาคา C

3) นาคาทไดจากขอ 2) ไปคานวณหาคาตวตานทานfR

m = CCf V

RC =

iR CCOSR

49


จากคาความตานทานทคานวณไดนนมกจะเลอกใหคาความตานจากคาความตานทานทคานวณไดนนมกจะเลอกใหคาความตาน

OSR และ iR เปนตวตานทานแบบปรบคาไดดงในรปท 2.35

Ωk50

Ω= kROS 50Ωk20 Ωk50

รปท 2.35 การเลอกคาความตานทานหลงจากการคานวณ

50


การปรบแตงวงจรปรบ Zero-Span

หลงจากเลอกคาความตานทานไดแลวการปรบแตงจะทาโดย

1. ปอนแรงดนอนพตตาสด Viminตามขอกาหนดการออกแบบจากนนปรบคาตว

R ใ ไ Vตานทาน ROSใหไดเอาตพตตามคาตาสด VOmin

2 ป ส ส V ป 2. ปอนแรงดนอนพตสงสด Vimax ตามขอกาหนดการออกแบบจากนนปรบคาตว

ตานทาน Riใหไดเอาตพตตามคาสงสด VOmax

3. ยอนกลบไปกระทาตามขอ 1. และขอ 2. ใหมและทาซาๆจนไดคาทถกตอง

51


2 3ตวอยางท 2.3

สมมตวาตองการออกแบบวงจรใหมความสมพนธระหวางแรงดนอนพต-

เอาตพตดงรปท 2.36 ใหเขยนสมการแสดงความสมพนธระหวาง Vo และ Vin

Signal conditioningVin(max) = 5V Vo(max) = 5 V

VCircuit

Vin(min) = 1V Vo(min) = 0 V

V

O

รปท 2.36

52


วธทา ความชนสมการเสนตรง ΔVo Vo(max) - Vo(min)m = = ΔVin Vin(max) - Vin(min)

5 - 0m = 1.255 - 1

=

จาก Vo = mVin + C แทนคา Vo = 5 และ Vin = 5 และ m = 1.25

ไ

ดงนนจะหาคา C ไดจาก C = Vo – mVin = 5 – (1.25 x 5) = -1.25

สรป ความสมพนธ Vo , Vin คอ Vo = 1.25Vin – 1.25

53


6

4

5

3V

o (V

)

1

2

1 2 3 4 50

Vin (V)

รปท 2.37 กราฟความสมพนธ Vo , Vin ตามสมการ Vo = 1.25Vin – 1.25

54


ตวอยางท 2.4ตวอยางท 2.4

สญญาณจากอปกรณตรวจวดอณหภมชนดหนงทมการขยายระดบแรงดนแลวให

สญญาณเอาตพตเปนแรงดนคา 2 ถง 2.5 โวลตเมอใชในการวดอณหภมในชวง 0 องศาสญญาณเอาตพตเปนแรงดนคา 2 ถง 2.5 โวลตเมอใชในการวดอณหภมในชวง 0 องศา

เซลเซยสถง 100 องศาเซลเซยสหากเราตองการนาสญญาณดงกลาวนเชอมตอเขากบ

ระบบคอมพวเตอรโดยผานวงจรแปลงสญญาณอนาลอกเปนดจตอลนนจะตองออกแบบระบบคอมพวเตอรโดยผานวงจรแปลงสญญาณอนาลอกเปนดจตอลนนจะตองออกแบบ

วงจรเพอเชอมตอกบวงจร A/D อยางไรโดยสมมตวา A/D chip ทใชงานนนสามารถรบ

แรงดนอนพตในยาน 0-5 โวลตแรงดนอนพตในยาน 0 5 โวลต

55


ใ ช ป A/D

วธทา

ในตวอยางนการออกแบบวงจรเชอมตอกบอปกรณตรวจวดอณหภมและ A/D

chip นนจะตองใชวงจรทสามารถปรบระดบของซโรไดและหากตองการความละเอยดก

ควรจ ขยายยานใหเหมา สมกบวงจร A/D ดงนนในทนจ กาหนดวาสญญาณ 2 2 5 ควรจะขยายยานใหเหมาะสมกบวงจร A/D ดงนนในทนจะกาหนดวาสญญาณ 2 - 2.5

โวลต จะถกแปลงใหเปนแรงดนในยาน 0-5 โวลต ดงแสดงไดอะแกรมตามรปท 2.38

นอกจากนนเราจ เลอกออปแอมปททางานดวยไฟเลยงคา 15 แล 15 โวลตนอกจากนนเราจะเลอกออปแอมปททางานดวยไฟเลยงคา -15 และ + 15 โวลต

วงจรปรบ Zero-Span

รปท 2.3856


1050

5252

05==

−−

== f

RR

m

ดงนนสมการความสมพนธอนพตและเอาตพต CVV inO +⋅=10

5.025.2iR

แทนคาของแรงดนอนพต Vin(min) = 2 โวลต และ VO(min) = 0 โวลต

ลงในสมการ VO เพอหาคา C จะไดวา

C = VO - 10Vin

C = 0 - 10(2) = -20 C 0 10(2) 20

ดงนนความสมพนธของอนพต-เอาตพตคอ 2010 −⋅= inO VV

เทยบกบวงจร Zero Span CCf

inf

O VRR

VRR

V ⋅+⋅=OSi RR

57


นนคอ 10=f

RR

20−=⋅ fCC R

RV

เลอก VCC เปน -15 V ตามเครองหมายลบในสมการซงจะไดวา

iR OSR

R152020

−−

=−

=CCOS

f

VRR

เลอกคาความตานทาน

Ω= k100fR

ΩΩ k10k100fRRดงนน Ω=Ω== k10k

10100

10f

iR

×− k10015fRΩ=

−×

=−

⋅= k7520

k10015)20(

fCCOS VR

AnsΩ=Ω=Ω= k75,k10,k100 OSif RRR

58



สมมตวาเซนเซอรวดความดนชนดหนงใหแรงดน O/P เทากบ

2 .48 Volt ทความดน 1 KPa

3.90 Volt ทความดน 10KPa

ตองการแปลงแรงดนดงกลาวใหอยในชวง 0 – 5 V เพอตอกบวงจรแปลงสญญาณ

Analog เปน Digital ขนาด 8 บต จงออกแบบวงจรเพอแปลงสญญาณจากเซนเซอรยานAnalog เปน Digital ขนาด 8 บต จงออกแบบวงจรเพอแปลงสญญาณจากเซนเซอรยาน

แรงดน 2.48-3.90 V ใหอยในยาน 0-5 V

วธทา จากความสมพนธของแรงดนอนพตและเอาตพตหาความชนสมการเสนตรงแทน

ความสมพนธดงกลาวดงน

3.522.483.9005

ΔVinΔVom =

−−

==2.483.90ΔVin

59


จากคา Gain m จะตองเลอกคา Rf ทมากพอทจะไมให Ri นนมคาตาจนเกนไปเพราะ

ไ ใ ไ โ ใ อาจจะไป Load ท O/P ของวงจรในสวนเครองมอวดไดโดยในทนเลอกคา Rf

Ωk470R ดงนนคานวณคาความตานทาน Ri จากΩ= k470fR

Ω=Ω

== k52.133k470RR f

i

สวนกรณอนพตของวงจร = 2.48 Vo จะมคาเปน 0 V จะเขยนสมการได

5.3352.3mi

ดงนคอ Vo = 0 = mVin + C

0 = 3.52 x 2.48 + C

จะไดคา C = - 3.52 x 2.48 = - 8.7296

60


จาก CRR

V fCC ⋅=−= 729.8

OSR

จากสมการหากตองการคา C ทเปนลบจาเปนตองเลอกคาแรงดน VCC = -12V

โ Ωk470Rโดยจากทเราเลอก

ดงนนจะหาคา Ros ไดจาก

Ω= k470fR

Ω=−

×−=⋅= k07.646729.8000,47012

CR

VR fCC OS

สวนคา OSif // R // RRR =Comp

kk//k//k

เลอก ###

Ω== k56.89k07646//k52.133//k470 .

Ω= k90CompR ###Comp

61


สรป

ΩΩΩ=Ω=

k90k07646k52.133 ,k470

RRRRf i

(เลอก R และ R เปนแบบปรบคาไดคาความตานทาน 150 kΩ และ 1 MΩ)

Ω=Ω= k90k07.646 CompRROS

(เลอก Ri และ Ros เปนแบบปรบคาไดคาความตานทาน 150 kΩ และ 1 MΩ)

OSR fRCCV±

R

RiR

CCV+CC

2/RCCV−

inV

CCV

รปท 2.39 วงจรปรบ Zero-Span ทใชในการออกแบบ

62


+VCCRR

วงจรปรบ Zero - Span ดวยออปแอมปตวเดยว

RfRi

VB+

-

V

VO

Vin

รปท 2 40 วงจรปรบ Zero-Span ดวยออปแอมปตวเดยว

วงจรดงรปท 2.40 เปนวงจร Zero Span ทใชออปแอมปเพยงตวเดยวโดยสมการ

2 28

รปท 2.40 วงจรปรบ Zero-Span ดวยออปแอมปตวเดยว

แรงดนเอาตพตของวงจรสามารถเขยนดงสมการท 2.28

ff VR

VR

V )()1( += (2 28)Bi

ini

O VR

VR

V )()1( −+= …(2.28)

63


การวเคราะหอาจใชวธการทเรยกวา Superposition โดยคดเอาตพตวงจรทเกดจาก

แหลงจายแรงดนแตละตวแลวนามารวมกนเพอเปนแรงดนเอาตพตทเกดจรง

- จากวงจรในรป 2.41 เปนกรณแรงดน VoVB คอแรงดนเอาตพตทเกดจากแรงดน VB

f VR

V )(

รปท 2.41 วงจรทใชพจาณาผลของแรงดน VB ตอแรงดนเอาตพต

Bi

fO V

RV

VB)(−= …(2.29)

64

ใ ป 2 42 V Vi


- จากวงจรในรปท 2.42 VoVin คอแรงดนเอาตพตทเกดจากแรงดน Vin

รปท 2 42รปท 2.42

inf

O VRR

VV

)1( += (2 30)ini

O RinV)(

inBV VOOO VVV +=

…(2.30)

…(2.31) ดงนนตามหลก Superposition แรงดนเอาตพตวงจรรปท 2.40 กคอการนาแรงดน

เอาตพตทไดดงสมการ (2.29) และ (2.30) มารวมกนดงสมการ (2.28)

Bi

fin

i

fO V

RR

VRR

V )()1( −+= 65

4 ป [ ]


2.4 พนฐานการแปลงสญญาณแอนะลอกและสญญาณดจตอล [2]

รปท 2.43 ระบบควบคมทประมวลผลแบบดจตอล

รปท 2.43 เปนโครงสรางของระบบควบคมทมการควบคมดวยตวประมวลผลแบบ

ดจตอลโดยตวควบคมทเปนแบบดจตอลอาจไดแก

- ไมโครคอนโทรลเลอร / ไมโครโปรเซสเซอร

- ตวควบคมแบบโปรแกรมได (Programmable Logic Controller : PLC) ( g g )

- คอมพวเตอร / ซงเกลบอรดคอมพวเตอร / คอมพวเตอรสาหรบงานอตสาหกรรม66

ป ใ ป 2 43 ไ ป


จากองคประกอบในรปท 2.43 จะเหนไดวาการแปลงสญญาณแอนะลอกจากวงจร

เชอมตอกบเซนเซอรทตรวจวดปรมาณตางๆในกระบวนการใหเปนสญญาณดจตอลและ

ป ป ใ ป ไปการแปลงสญญาณคาสงจากตวประมวลผลแบบดจตอลใหเปนสญญาณแอนะลอกเพอไป

สงงานอปกรณภายนอกนนเปนสวนประกอบทสาคญไมนอยสาหรบระบบควบคม ซงจะได

ไป กลาวถงรายละเอยดดงตอไปน

Analog to Digital Converter : ADC หรอ A/D คอวงจรแปลงสญญาณแอนะลอก

ป ส ป ส ใ ป ส เปนสญญาณดจตอลททาการแปลงสญญาณแรงดนดานอนพตใหเปนสญญาณดจตอลซง

สญญาณทออกมาอาจมรปแบบอนกรมหรอแบบขนาน วธการแปลงสญญาณแอนะลอก

ป ส ซ ไ เปนสญญาณดจตอลมหลายวธดวยกน ซงอาจไดแก

1. Tracking A/D

2 S i A i ti A/D (ไ ร ส )2. Successive Approximation A/D (ไมเรวทสดแตเหมาะกบงานควบคม)

3. Flash A/D (แปลงสญญาณไดเรวทสดแตราคาแพง)

4 D l Sl A/D หรอ I t ti A/D ทางานชา4. Dual Slope A/D หรอ Integrating A/D ทางานชา

5. Sigma Delta A/Dเนองจากเนอหานจะมเรยนในวชาเครองมอวดไฟฟาจงไมอธบายในรายละเอยดของแตละวธ

67


สญญาณเชอมตอและคาจากดความตางๆทเกยวของกบ A/D

ขาสญญาณตางๆของไอซททาหนาทเปน A/D มหลายสญญาณดวยกนดงแสดงคราวๆ

ในรปท 2.44 ซงไมไดมแคอนพตทเปนสญญาณแอนะลอกและเอาตพตทเปนสญญาณ

ดจตอลแตยงมขาแรงดนอางองทใชในการแปลงสญญาณและสญญาณควบคมการทางาน

อก ซงจะไดกลาวในรายละเอยดตอไป

Vin

รปท 2.44 ขาสญญาณตางๆของตวแปลงสญญาณ A/D 68


แรงดนอนพต (Vin) เปนจดตอสญญาณแอนะลอกทตองการแปลงเปนดจตอลซงแรงดนน

ป ไ มสองลกษณะคอ Unipolar : กรณนแรงดนอนพตเปนไดเฉพาะคาบวกเทานนแบบน

Bipolar : แรงดนเปนไดทงบวกและลบ

ไฟ ป ไฟ ไ โ ป ป แหลงจายไฟ เปนไฟเลยงไอซ A/D โดยปกตแลวถาแรงดนอนพต A/D เปนบวกอยาง

เดยวแหลงจายไฟกจะไมมไฟลบ แตถาแรงดนอนพตมทงบวกและลบ แหลงจายไฟ A/D

ป ไฟ ไ ไ ใ ไฟ จะเปนแบบไฟเลยงค อยางไรกตามไอซ A/D ของบางบรษทอาจใชไฟเลยงบวกเพยง

อยางเดยว(Single Supply) แตสามารถแปลงแรงดนอนพตแบบ bipolar ได เชน A/D

( )ของบรษท Maxim (http://www.maxim-ic.com)

แรงดนอางอง (Vref) ปกตแรงดนอางองของ A/D จะเปนคาแรงดนอนพต A/D สงสดref

สญญาณดจตอลเอาตพต (Dout) ผผลต A/D จะระบจานวนบตขอมลของ A/D ทไดและ

บอกดวยวาสญญาณดจตอลทไดมรปแบบขนานหรออนกรมบอกดวยวาสญญาณดจตอลทไดมรปแบบขนานหรออนกรม

69

ป A/D


สญญาณควบคมและบอกสถานะ เปนสญญาณควบคมการสงงาน A/Dหรอบอก

สภาวะการทางานของ A/D เชน

WR (W it ) ป ใ A/D ป โWR (Write) เปนสญญาณสงให A/D เรมนาสญญาณแอนะลอกมาทาการแปลงขอมลโดย

ระหวางการแปลงขอมลสญญาณแอนะลอกจะถกคงคาใหคงทดวยวงจร Sample and

H ld ใ A/D ป ใ ปHold ทงแบบทอยภายใน A/D ชปหรออยภายนอก และสญญาณสงงานใหเรมแปลง

ขอมลนอาจมชอเรยกตางๆกนไดแก Start , Write (WR)

EOC (End Of Conversion) เปนสญญาณท A/D สงไปยงอปกรณทเชอมตอกบ A/D วา

แปลงขอมลเสรจแลว จะมชอเรยกวา End of conversion โดยจะใชชอสญญาณวา EOC

(End Of Conversion) หรอ INTR (Interrupt) หรอ Busy

RD (Read) เปนสญญาณอนพตของ A/D ทสงจากอปกรณภายนอกเพอบอกให A/D สงRD (Read) เปนสญญาณอนพตของ A/D ทสงจากอปกรณภายนอกเพอบอกให A/D สง

ขอมลดจตอลทไดจากการแปลงสญญาณแอนะลอกออกไปยงอปกรณภายนอก ชอ

ขาสญญาณนของ A/D อาจใชคาวา Read (RD)ขาสญญาณนของ A/D อาจใชคาวา Read (RD)

70


ความสมพนธของสญญาณดจตอลทเอาตพตของ A/D และสญญาณแอนะลอกท

อนพตของ A/D มความสมพนธดงสมการท (2.33)

)2( N×= inout V

VD …(2.33)

refV

โดย N คอจานวนบตของ A/D

Dout คอขอมลเอาตพต A/D

Vref คอแรงดนอางองของ A/D ทใชในการแปลงสญญาณref ญญ

Vin คอแรงดนอนพตทตองการแปลงเปนดจตอล

Resolution of A/D เปนคาความละเอยดของ A/D ซงเปนความกวางของยานแรงดนทResolution of A/D เปนคาความละเอยดของ A/D ซงเปนความกวางของยานแรงดนท

ทาใหคาดจตอลเปลยนแปลงไป 1 บต และคานวณไดจากสมการตอไปน

VN2

Resolution refV= …(2.34)

71


Q ti ti E ป A/D ป ใ Quantization Error เปนคาผดพลาดของ A/D ทเปนชวงกวางของแรงดนทยงคงใหคา

ดจตอลเอาตพตทคงเดม โดยในรปท 2.45 คาผดพลาดมคาระหวาง 0 – 1 LSB

Inherent Quantization Error จาก

รปเมอ Vin = 0 digital code = 000 g

แตเมอ Vin >0 แตนอยกวา Vref/8

digital code กยงเปน 000 อย สวนนg

ถอวาเกดคาผดพลาดในการแปลงขอมล

และเมอ Vin = Vref/8 digital code g

จงเปน 001 ซงตรงจดน Error จะมคา

เปนศนยอกครง กรณน Quantization

Error มคาเทากบ 1 LSB

รปท 2.45 แรงดนอนพต-รหสดจตอลเอาตพตของ D/A 3 บต : กรณ Error 0-1LSB72


Inherent Quantization Error จากรปเมอ

Vin = 0 digital code = 000 แตเมอ Vin ม

คาประมาณ Vref/16 (ครงหนงของ Vref/8)

แตนอยกวา Vref/8 digital code กยงเปน

000 อย สวนนถอวาเกดคาผดพลาดในการ

แปลงขอมลและเมอ Vin = Vref/16 digital

code จงเปน 001 ซงตรงจดน Error จะมคา

ตดลบ ½ LSB ในกรณน A/D ม

Quantization Error คอ ½ LSB

รปท 2.46 แรงดนอนพต-รหสดจตอลเอาตพตของ D/A 3 บต : กรณ Error ±1/2 LSB

73


รปนแสดง Zero Scale Offset Error นนคอขนาดแรงดนอนพตทมากกวาศนยแตยงให

Digital code เปนศนยอยg

รปท 2.47 แสดงความผดพลาดของ A/D กรณม Zero Scale Offset74


รปนแสดง Full Scale Offset Error นนคอขนาดแรงดนอนพตททาใหเกดคา digital

code สงสดโดยทคาแรงดนอนพตนนยงไมถงคาทางอดมคตทจะได digital code สงสด

รปท 2.48 แสดงความผดพลาดของ A/D กรณม Full Scale Offset75


ตวอยาง

โ โ A/D ขนาด 10 บต มแรงดนอางอง 5 โวลตหากอนพตมคาเทากบ 3.127 โวลตจงหาคา

ดจตอลเอาตพตของ A/D

วธทา

ตแรงดนอนพตพตดจตอลเอา=

องแรงดนอาง2=

N

1273 10ดจตอลเอาตพต =

4096.640)2(5127.3 10 =×

Aแปลงผลลพธเปนเลขฐานสอง = 10 1000 0000 Ans

76


ตวอยางตวอยาง

A/D ขนาด10 บตมแรงดนอางอง 2.5 โวลตถาอนพตมขนาด 1.45 โวลต จงคานวณหา

คาดจตอลเอาตพตคาดจตอลเอาตพต

วธทา

องแรงดนอาง

ตแรงดนอนพ

2

ตพตดจตอลเอา=

N

ดงนนดจตอลเอาตพต 593.9210242.5

1.45=×=

แปลงผลลพธเปนเลขฐานสบหกกคอ 251H Ans

77


ตวอยาง เซนเซอรวดอณหภมชนดหนงใหเอาตพตเปนแรงดน 0.02 โวลตตอ 1 องศา

A/D ใเซลเซยส จงหาคาแรงดนอางองของ A/D และจานวนบตขอมลถาตองการวดอณหภมใน

ยาน 0 ถง 100 องศาเซลเซยส โดยความละเอยดเทากบ 0.1 องศาเซลเซยส

วธทาวธทา

คานวณยานแรงดนทไดจากเซนเซอร

- คาสงสด = 0 02 V/องศา x 100 = 2 โวลต คาสงสด 0.02 V/องศา x 100 2 โวลต

คาความละเอยดของแรงดนท A/D ควรจะวดไดคดจากความละเอยดของ

อณหภมทตองการวดนนคอ 0.1 องศาซงเซนเซอรจะใหแรงดนเอาตพตอณหภมทตองการวดนนคอ 0.1 องศาซงเซนเซอรจะใหแรงดนเอาตพต

เทากบ 0.1 x 0.02 V = 2 mV

สรป A/D มยานอนพต = 0 – 2 V โดยความละเอยด 0.02 V (แรงดน 1 LSB)78


เลอกแรงดนอางองเทากบ 2 โวลตตามคาสงสดทอนพตของ A/D

จากสมการ N2

2002.0N2refV

V ===Δ

1000002.022 N ==

แกสมการ N = 9.9657 ดงนนเลอก A/D ขนาด 10 บต

ใ - คานวณความละเอยดในการวด

จาก A/D ขนาด 10 บตทาการคานวณยอนกลบเพอหาคาความละเอยดท A/D 10 บต

ป ไ ป 10 สามารถแปลงสญญาณไดจากสมการเดยวกนนเพยงแตกาหนดคา n เปน 10และแรงดน

อางองเทากบ 2 โวลต

R l ti 10 00195302LSB1Resolution ท 10 บต = 001953.02

LSB110

==

79


Aperture Time

จากทผานมาพบวาไมวาจะเปน A/D ชนดใดกตามกจะตองใชเวลาในการแปลง

สญญาณจากแอนะลอกเปนสญญาณดจตอลโดยเรยกวา Conversion Time ดงนนหาก

ในระหวางทเกดการแปลงสญญาณอยนแรงดนอนพตท A/D ตองการแปลงเกดการญญ

เปลยนแปลงไปกจะทาใหเกดความผดพลาดในการแปลงสญญาณของ A/D ซง

ขอผดพลาดนจะเรยกวา Aperture Error

ตวอยาง A/D 8 บตคา 1 LSB หรอคาความตางของแรงดนของคาดจตอล 2 คาท

ไ ตดกนนนหาไดจาก

fsV×821

fsV แรงดนเตมสเกล2 f

ถาระหวางการแปลงสญญาณหากแรงดนแอนะลอกอนพตไมเกดการเปลยนแปลงคาเกน

1 LSB A/D กจะไมเกด Aperture Error1 LSB A/D กจะไมเกด Aperture Error

80


หากตองการปองกนไมใหเกด Aperture Error โดยไมใชวงจรชวยกอาจทาไดโดยการ

ใช A/D ทมคาเวลาในการแปลงสญญาณทเหมาะสมกบรปแบบสญญาณทตองการแปลง

จากรป Aperture Timeคอเวลาทคาแรงดนอนพตจากรป Aperture Timeคอเวลาทคาแรงดนอนพต

มการเปลยนแปลงแรงดนไมเกนคา 1 LSB และถา

คดในกรณทสญญาณอนพตเปนรปไซนกสามารถคดในกรณทสญญาณอนพตเปนรปไซนกสามารถ

คานวณคา Aperture Time ไดจากสมการตอไปน

fta

N π22

1= …(2.35)

f คอคาความถสญญาณอนพต

ใรปท 2.49 กราฟใชอธบาย Aperture Error81

ไ ใ ใ


ดงนนเพอปองกนการเกด Aperture Error จงไดมการเพมวงจรในสวนทจะทาใหเกด

คาแรงดนอนพตทคงทในชวงทการเปลยนสญญาณยงไมเสรจโดยวงจรดงกลาวนเรยกวา

ใ ป ไ ไปใSample and Hold ซงในปจจบนผผลตกไดมการนา Sample and Hold รวมเขาไปใน

A/D บางเหมอนกนโดย Sample and Hold จะมลกษณะดงในรปตอไปน

รปท 2.50 หลกการพนฐานของวงจรสมและคงคาสญญาณ 82


ตวอยาง Sample and Hold ตระกล LF198

ตองพจารณาคานดวยเพราะ

เปนเวลาทใชตงแตเรมสงให เปนเวลาทใชตงแตเรมสงให

Holdคาแลวเอาตพตนนคงท

รปท 2.51 Sample & Hold เบอร LF198 83


ตวอยาง Sample and Hold HA-2420 และ HA-2425

รปท 2.52 Sample & Hold เบอร HA-2420, HA-2425 84


ตวอยาง การใช Sample/Hold แบบ Unity Gain (ตระกล HA บรษท Intersil)

รปท 2.53 Sample & Hold ตระกล HA ของบรษท INTERSILรปท 2.53 Sample & Hold ตระกล HA ของบรษท INTERSIL

85


ตวอยาง ADC 0802 / 0803 / 0804

รปท 2.54 ตวอยาง A/D ชป 8 bit แบบ Parallel

86


รปท 2.55 วงจรใชงานเบองตนของ ADC 080487


Timing diagram ชวงสงใหเกดการเรมแปลงสญญาณของ ADC0804จะตองใหสญญาณ

CS ป ใ WR ป ใ WR CS เปนขอบขาลงแลวตามดวยใหสญญาณ WRเปนขอบขาลงชวงเวลาหนงจากนนให WR

กลบเปน High แลวจงใหขาCS เปน High กถอวาเสรจสนการสงให A/D เรมแปลง

สญญาณ

รปท 2.56 Timing การสง Start ของ ADC 080488


หาก ADC0804 แปลงสญญาณเสรจกจะใหสญญาณเปน Low ทขา INTR ดงนนหาก

ตรวจสอบพบวาแปลงสญญาณเสรจแลวและตองการอานขอมลกจะตองให CS = 0 และ ตรวจสอบพบวาแปลงสญญาณเสรจแลวและตองการอานขอมลกจะตองให CS 0 และ

ให RD = 0 Data กจะปรากฏทขา DB0-DB7

ป 2 57 Ti i di ADC0804รปท 2.57 Timing diagram ชวงการอานขอมลจาก ADC080489


รปท 2.58 ตวอยาง A/D 8 bit / 8 channel : ADC0808/ ADC0809 90


รปท 2.59 โครงสรางภายใน A/D : ADC0808/ ADC0809 91


92


ใรปท 2.61 การตอแรงดนอางองในการแปลงสญญาณของ A/D ADC080893


รปท 2.62 ตวอยางการตอ ADC0808/ ADC0809 กบไมโครโปรเซสเซอร94


LTC 1409 12 bit A/D

รปท 2.63 ตวอยาง A/D ขนาด 12 บตเบอร LTC 140995


รปท 2.64 การตอแรงดนอางองและรหส Digital ของ A/D 12 บตเบอร LTC 1409

96


รปท 2.65 LTC1409 : Transfer Characteristics

97


Di it l t A l C t DAC D/A ป ปDigital to Analog Converter : DAC หรอ D/A คอวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปน

สญญาณแอนะลอกซงขาสญญาณของ D/A จะไมมอะไรซบซอนดงรปท 2.66

รปท 2.66 Digital to Analog Converter

แอนะลอกเอาตพต เปนสญญาณแอนะลอกทขาเอาตพตของ D/A ทไดจากการแปลง

สญญาณดจตอลทอนพตสญญาณดจตอลทอนพต

ดจตอลอนพต เปนสญญาณดจตอลทอนพตวงจร D/A ซงขอมลดจตอลนจะแบงเปน

บตๆโดยแตละบตมเพยงระดบสญญาณ 0 หรอ 1 เทานนบตๆโดยแตละบตมเพยงระดบสญญาณ 0 หรอ 1 เทานน

แรงดนอางอง เปนแรงดนทใชเปรยบเทยบเพอการแปลงสญญาณของ D/A 98


D/A ป ป ‘0’ ‘1’ หลกการพนฐานของ D/A คอการแปลงสญญาณดจตอลทมคาเปนลอจก ‘0’ หรอ ‘1’

ใหเปนแรงดน โดยการใชสญญาณดจตอลนนไปสงงานอเลกทรอนกสสวตชเพอตดตอ

ใ D/A โ ป ป 2 67

VRef

(แรงดนอางอง)

วงจรภายใน D/A โดยภาพรวมมสวนประกอบดงรปท 2.67

(แรงดนอางอง)

เอาตพตแบบกระแส

วงจรความตานทาน

สวตชควบคม

วงจรแปลง

เอาตพตแบบแรงดน

ดวยระดบลอจก กระแสเปนแรงดน

ดจตอลอนพตMSB LSB

รปท 2.67 ตวอยางโครงสรางภายในของ D/A 99


DAC ใ DAC ไ ชนดของ DAC แบงตามลกษณะวงจรทใชสราง DAC ไดแก

- Binary weight DAC และ

R 2R L dd DAC - R-2R Ladder DAC

ในรปท 2.68 เปน DAC แบบ Binary weight ทจะใชตวตานทานดานอนพตทมคา

2N R ใ ป ไ ไ ใ ป ไ แตกตางกน 2N R ซงในทางปฏบตจะไมไดรบความนยมในการผลตเปนไอซ

D D D2 1 0

รปท 2.68 โครงสรางอยางงายของ binary weight DACD D D2 1 0V ( )VrefOut2 4 8

= + + …(2.36)100


ป 2 69 ป D/A 3 R 2R L dd รปท 2.69 เปน D/A ขนาด 3 บตแบบ R-2R Ladder ซงคาของตวตานทานมแคสอง

คางายในการผลตเปนไอซทาใหโครงสรางแบบนมกถกใชในทางปฏบต

= IO x RF

รปท 2.69 โครงสรางอยางงายของ R-2R Ladder DAC

8I

21x

V=n

ref

Rคากระแส 1 LSB = …(2.37)

กระแสเอาตพต = กระแสท 1LSB x คาดจตอลอนพตทแปลงเปนเลขฐานสบ101


สงทตองคานงเมอเลอกใช D/A

1. ดจตอลอนพต

ไฟ ( )2. แหลงจายไฟ (Power Supply)

- แบบแหลงจายไฟเดยว (Single Supply) เชน 5V, 12V, 15V

- แบบแหลงจายไฟค (Dual Supply) เชน +/- 15 V , +/- 12 V

3 แรงดนอางอง (Voltage reference) 4 ลกษณะสญญาณเอาตพต 3. แรงดนอางอง (Voltage reference) 4. ลกษณะสญญาณเอาตพต

5. ออฟเซต(Offset)

6. การคางคาสญญาณอนพต (Data Latch)

7 เวลาในการแปลงสญญาณ (Conversion Time)7. เวลาในการแปลงสญญาณ (Conversion Time)

102


ป ป ป ป ปแมวาตวแปลงสญญาณดจตอลเปนสญญาณแอนะลอกจะประกอบดวยวงจรออปแอมป

กตามแตใน D/A ทมจาหนายบางเบอรกมสญญาณกาหนดจงหวะการทางานของ D/A เชน

ใ ป 2 70 L t h bl ใ ใ ใ D/A ในรปท 2.70 มขาสญญาณ Latch enable ซงใชในการสงงานให D/A นนนาขอมล

ดจตอลดานอนพตไปคางไวเปนอนพตของ D/A ซงผลกคอแรงดนแอนะลอกเอาตพตจะ

ป L t h bl ti เปลยนตามดจตอลอนพตเมอสญญาณ Latch enable มการ active เทานน ซงยอม

หมายความวาแรงดนเอาตพตจะคงท กรณทสญญาณ Latch Enable ไมมการ active

รปท 2.70 สญญาณตางๆในการเชอมตอ D/A Chip 103


ใ ใ ใ ไในการประยกตใช D/A กรณทตองการสญญาณเอาตพตหลายชองแทนทจะใชไอซ

D/A หลายๆตวเรากจะใช S&H และไอซททาหนาทอเลกทรอนกสสวตชแทนเพอลด

ไ จานวน D/A ดงแสดงไดอะแกรมแนวคดนในรปท 2.73

D/AD/A

รปท 2.73 ตวอยางการใช S&H เพอชวยลดจานวน D/A 104


ตวอยาง D/A ขนาด = 8 บต แรงดนอางองคอ2.55โวลต จงคานวณหาคาResolution

วธทา

Resolution = 1LSB

mVref 96.9256

55.2255.2

2 8 ===N

V

ซงกหมายความวาคาดจตอลอนพตตาสดคอ 0000 0001 ทาใหแรงดนเอาตพตมคา

เทากบ 9.96 mV หรอหากคาขอมลดจตอลทอนพตเปลยนไป 1 LSB จะทาใหเทากบ 9.96 mV หรอหากคาขอมลดจตอลทอนพตเปลยนไป 1 LSB จ ทาให

แรงดนเอาตพตเปลยนไป 9.96 mV

105


ตวอยาง สมมตวา D/A ม Resolution เทากบ 10 mV/bit จงคานวณหาคาแรงดน

สงสดทเปนไปไดของ D/A หากจานวนบตขอมลของ D/A เทากบ 8 บตสงสดทเปนไปไดของ D/A หากจานวนบตขอมลของ D/A เทากบ 8 บต

วธทา

แรงดนสงสดของ D/A แบบทกลาวผานมานนเปนแบบ Uni polar ซงเอาตพตสงสด

เมออนพตเปน 1 ทกบตขอมลดงนนคานวณแรงดนเอาตพตสงสดเทากบ

( ) V55.2mV2550 mV10 12LSB1 DV 8O ==−=×=

106


ตวอยาง D/A ขนาด 8 บตมแรงดนอางองคอ 5 โวลตสมมตวาปอนสญญาณดจตอลคา ญญ

A7H จงคาแรงดนเอาตพตทเปนสญญาณแอนะลอก

วธทา แปลงเลขฐานสบหกคอ A7H เปนฐานสบเทากบ167 จากนนคานวณคาแรงดนฐ ฐ

เอาตพต D/A เทากบ

5 01953.0251 8 ==LSB

Ans

input DigitalLSB ×=1OV

VV 261513167019530 × AnsVVO 26151.316701953.0 =×=

107


ตวอยาง จาก D/A แบบ R-2R Ladder กาหนดใหคา Rf ทออปแอมปมคาเทากบ R ซง

เปนความตานทานใน วงจร Ladder และ D/A นนจะมแรงดนอางอง V f เทากบ 10 เปนความตานทานใน วงจร Ladder และ D/A นนจะมแรงดนอางอง Vref เทากบ 10

โวลต จงคานวณวาจะตองใช D/A ขนาดกบตเพอใหไดคาดจตอลอนพต 1 LSB เทากบ

0.04 โวลตหรอนอยกวาน0.04 โวลตหรอนอยกวาน

วธทา จาก R-2R Ladder Io 1 LSB = n

ref

R 21x

V

V1Vคาแรงดนเอาตพตของ D/A ท 1 LSB เทากบ

nref

fnref

R 2

VxR

21x

V=

โ ใ 1 LSB 0 04 โ จากโจทยกาหนดใหแรงดนท 1 LSB เทากบหรอนอยกวา 0.04 โวลต

0 04V

<ref จากนนแทนคา Vref = 10 04010<0.04

2<n

จากนนแทนคา Vref 10 04.02

<n

n = 7.965 ดงนนเลอกใช D/A ขนาด 8 บตเปนอยางนอย Ans

108


ตวอยาง สญญาณควบคมจากตวควบคมแบบดจตอล(Digital controller) ตวหนง

จะตองมสญญาณอนาลอกทเอาตพตขนาด 0 ถง 10 โวลตโดยทสญญาณนจะไดจาก

D/A ขนาด 8 บต เพอสรางสญญาณแอนะลอก

a) จงหาคาแรงดนอางองทปอนใหกบ D/A หากตองการเอาตพตสงสดเทากบ 10 โวลต

จากสมการแรงดนเอาตพต D/A = I/P Digital2

×nrefV

10 = ดงนน Vref เทากบ 10 / 0.99609 = 10.039 V Ans

2552

28 ×refV

b) จงหาคา 1 LSB วาเทยบเปนเปอรเซนตของแรงดนสงสดทเอาตพต

1 LSB V 1× 10.039 = 0 0392 V

และเมอคดเปนเปอรเซนต จะเทากบ 0.0392 x 100 / 10 = 0.392 %

1 LSB = =nrefV2

×256

= 0.0392 V

ดงนนคา 1 LSB มคาเทากบ 0.392 % ของคาเตมสเกล Ans 109


DAC08 เปน D/A ขนาด 8 บตซงมหลายบรษททผลต D/A เบอรนเชน

ตวอยาง D/A ขนาด 8 บต

-Analog Device - Philips semiconductor

- หรอหากเปน Motorola กคอ เบอร MC1408

โดยมคา Settling Time เทากบ 85 นาโนวนาท

รปท 2.74 วงจรภายใน D/A Chip เบอร DAC08110


255x

VI REF=

256x

RI

REFFS =

รปท 2.75 วงจรพนฐานและความสมพนธอนพต-เอาตพตของ DAC08 111


V 255REFE x x 5.0 K O Ω=รปท 2.76

OR 256REF

การนา DAC ตอรวมกบออปแอมปโดยยานแรงดนเอาตพตคอ 0 ถง 9.96 V 112


CPUDAC08D0-D7

รปท 2.77 การเชอมตอ DAC08

การเชอม D/A เบอร DAC08 กบซพยจะตอกนโดยตรงกรณทซพยนนมพอรตทตว

มนเองเชนกรณของMCS-51 โดย DAC08 นไมมขาควบคมใดหากตองการสงขอมลก

เพยงแตสงคามายงพอรตเทานน113


ตวอยาง จากวงจรในรปท 2.76 จงคานวณหาคาแรงดนเอาตพตเมอทอนพตมคาดจตอล

ดงตอไปน

a) 0000 0001

คา 1 LSB กคอ คา Resolution ซงคานวณจาก = 1

x)5k

10V(คา 1 LSB กคอ คา Resolution ซงคานวณจาก 256

x)R

10V(REF

15k =

256x)

5k10V(

39 062 โ

b) 11111111

= 39.0625 มลลโวลต

คาอนาลอกเอาตพตคานวณจาก

Resolution x คาดจตอลอนพต = 39.0625 mV x 255 = 9.96 โวลต Ans

114


D/A ส ดงนนหากเราทราบคาของดจตอลอนพตแตละบตของ D/A เรากสามารถคานวณแรงดน

เอาตพตไดจากสมการตอไปน

แรงดนเอาตพต = คาขอมลดจตอล x คาขนาดแรงดนททาใหเกด 1 LSB …(2.38)

ตวอยาง สมมตวา D/A ขนาด 4 บตและแรงดนอางองคอ 15 โวลต

จงคานวณหาคาแรงดนท 1 LSBจงคานวณหาคาแรงดนท 1 LSB

วธทา จากสมการ NrefV

1 =LSBN2

LSBVLSB /9375.01615

2151 4 ===

115


รปท 2.78 วงจร DAC08 ทมยานแรงดนเอาตพต -5 ถง 4.96 โวลต

116


รปท 2.79 การใชงาน DAC08 ทใหเอาตพตแบบ Bipolar117

แบบฝกหดทายบท

1 ใ ใ ป 0 2 0 3 V 1. กาหนดใหเซนเซอรวดระยะชนดหนงใหเอาตพตเปนแรงดน 0.2 – 0.3 V เมอระยะการ

ตรวจจบวตถคอ 1 – 3 cm จงออกแบบวงจรปรบสภาพสญญาณใหแรงดนเอาตพตมคา

0 10 V เทากบ 0 – 10 V ทระยะตรวจจบวตถดงกลาว+15V

SensorSignal

Conditioning CircuitVout = 0-10 V

รปท 2.80 ไดอะแกรมของระบบในขอ 1

1V

2. จงออกแบบวงจรตอไปนใหแรงดนเอาตพตเปนไปตามสมการในรปท 2.81

2V

3V

1

118

)(31

321 VVVVO ++−=

รปท 2.81


3 ป R ป โ ใ 3. จากวงจรบรดจดงรปหากความตาน Rs มคาเปลยนตามอณหภมโดยสมมตวายานทใช

งานนนคาความตานทานเปลยนแปลงระหวาง 101 – 102 Ω จงออกแบบวงจรเชอมตอกบ

ใ ไ 0 10 Vวงจรบรดจนเพอใหไดแรงดนเอาตพตมคาระหวาง 0 – 10 V

119รปท 2.82


4 ป 2 83 ป ไฟฟ H B id โ4. จากรปท 2.83 เปนภาคกาลงของวงจรขบมอเตอรไฟฟากระแสตรงแบบ H Bridge โดย

มความตานทาน RS ตออนกรมกบมอเตอรเพอใชในการวดกระแสทไหลผานมอเตอรซง

ไ โ ใ กระแสทไหลผานมอเตอรขนกบทศการหมนของมอเตอรและโหลดทางกล กาหนดใหคา

ความตานทาน RS เทากบ 0.1 Ω จงออกแบบวงจร Signal Conditioning เพอปรบแรงดน

โ ใ Si l diti i 0 10 V จากการวดคากระแสโดยใหเอาตพตวงจร Signal conditioning มคาระหวาง 0 – 10 V

เมอมกระแสผานมอเตอรคอ -10 A ถง + 10 A

รปท 2.83 120


5 ใ ใ ไ ADC0804 ป ป 5. กาหนดใหใชไอซ ADC0804 ซงทาหนาทแปลงสญญาณแอนะลอกเปนสญญาณดจตอล

โดยเอาตพตเปนสญญาณดจตอลแบบขนาน 8 บต และแรงดนอางอง (Vref) ทใชในการ

ป 5 V ( โ ป 2 5 V V f/2) ใ ป 2 84แปลงสญญาณมคาเทากบ 5 V (ทาโดยปอนแรงดน 2.5 V ทขา Vref/2) วงจรในรปท 2.84

แสดงเฉพาะสญญาณสวนควบคมและแรงดนอางองโดยละเวนการแสดงขาสญญาณดจตอล

เอาตพต

รปท 2.84 121


คาแรงดนอางอง Vref = …5 .V Digital Output

ตารางท 1

ลาดบท Vin D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

1 0V

2 1V2 1V

3 2V

4 3V

5 4V5 4V

6 4.5V

5 1 Vi 5.1 จงแสดงวธการคานวณและแสดงคาดจตอลเอาตพตเมอคาแรงดนอนพต Vin มคา

ดงตารางท 1

5 2 R l ti A/D ใ ใ 5 V5.2 จงคานวณหาคา Resolution ของ A/D ทใชกรณใชแรงดนอางอง 5 V

5.3 จงคานวณหาคาแรงดนอางองทตองใชและแรงดนทปอนใหกบขา Vref/2 ของ

ADC0804 R l ti 0 01 VADC0804 หากตองการอานแรงดนแอนะลอกดวย Resolution เทากบ 0.01 V122


6 ใ ป 2 85 6. จากวงจรในรปท 2.85 จงแสดงวธการคานวณพรอมคาอธบายเพอหาคาแรงดนเอาตพต

VO เมอขอมลดจตอลอนพตคอ 1 1 0 0 0 0 0 0 (เรมจาก B1 ถง B8)

รปท 2.85 123

เอกสารอางอง

[1] Devas Shetty ,Richard A. Kolk, “Mechatronics System Design”, PWS Publishing,2011

[2] R b t F C hli d R b t S Vill i "I t d t O ti l A lifi [2] Robert F. Coughlin and Rpbert S. Villanucci,"Introductory Operational Amplifier

and Linear ICs : Theory and Experimentation", Prentice-Hall Inc., 1990

[3] J. Michael Jacob,"Industrial Control Electronics", Prentice-Hall Inc., 1995 [3] J. Michael Jacob, Industrial Control Electronics , Prentice Hall Inc., 1995

124

mt2 3 56

Engineering