CHƯƠNG I : KHÁI NIỆM BAN ĐẦU VỀ SỐ 1.1 NHỮNG CÁCH MÔ TẢ VỀ SỐ 'Trong khoa học, kỹ thật kinh tế và hấu hết những lĩnh vực chuyên môn,chúng ta thường xuyên tiếp xúc với nhiều đại lượng khác nhau.Các đại lượng này được đo lường kiểm tra tính toán,vv. trong hệ thống vật lý.Muốn vậy chúng ta phải biểu diễn các giá trị của các đại lượng này một cách hiệu quả và chính xác.Có hai phương pháp cơ bản để mô tả các giá trị này: ~ Mộ tả tượng tự (Analog) - M6 (Digital) M6 tả tượng tự (Analog) Trong cách mô tả này một đại lượng (ta đang xét) sẽ được biểu thị bởi một đại lượng khác dễ khảo sát hơn (phản ánh tương tự) sao cho tỷ lệ với đại lượng, ban đầu. Ví dụ đóng hỗ đo vận tốc (speedometer) xe hơi, độ lệch của kim đồng hồ sẽ tỉ lệ với vận tốc của xe. Giá trí góc tạo bởi kim đồng hổ chỉ tốc độ của xe và kim đồng hổ biến đổi theo sự thay đổi vận tốc của xe.
Ví dụ máy diéu chỉnh nhiệt độ trong phòng, độ cong của dãi lưỡng kim (bimetallic trip) luôn tỉ lệ với nhiệt độ trong phòng. Khi nhiệt độ trong phòng thay đổi thì độ cong của dãi lưỡng kim cũng thay đổi theo Ví dụ về lĩnh vực âm thanh, để khuyếch đại tiếng nói (đại lượng cơ học) từ Micro. Điện áp ra của thiết bị nối của Micro luôn luôn đi lệ với biên độ sóng âm thanh (sóng cơ) va đập vào Micro. Sự biến thiên điện áp ra giống như sự biến thiên âm thanh ở đầu vào.
Những ví dụ về mô tả tương tự (Analog) nêu ở trên, có một đặc tính cẩn lưu ý là: chúng biến đổi một cách liên tục.Nghĩa là chúng có thể nhận bất cứ giá trị nào nằm trong khoảng biến thiên cho phép, ví dụ về điện áp ra ở Micro có thể nhận bất cứ gía trị nào nằm trong khoảng OmV+ 10mV Cách mô tả số(Digital) Trong cách mô tả số các đại lượng liên quan không tỉ lệ với nhau, các đại lượng này được biểu diễn bằng những chữ số. Xét một ví dụ vế đồng hổ số (Digital 'watch) , thời gian trong một ngày được hiển thị bằng những số thập phân (decimal) , cho biết giờ và phút (giây). Như ta đã biết, thời gian biến đổi trong một ngày thì liên tục nhưng đồng hồ hiện số thì không hiển thị một cách liên tục ; thực vậy nó nhảy từng phút một (hay từng giây một). Nói một cách khác, những con số này biểu thị thời gian trong một ngày ở dạng rời rạc (discrete), so sánh với cách biểu thị thời gian cuả đồng hồ tương tự (Analog watch), thời gian trên mặt đồng hé biểu thị một cách liên tục.
Điểm khác nhau cơ bản giữa các đại niượng tương tự (Analog) và số (Digital) có thể được biểu diễn một cách đơn giản như sau: GVHD: Trần Văn Trọng Đồ án tốt nghiệp. Trang 6 Mô tả Tudng ty (Analog) = Lién tyc (Continuouns) Mô tẢ SO (Digital) = tả Rời rạc- từng bước bay nấc (Discrete — step and step) 1:2 Hệ THỐNG SỐ (ĐIGITAL) VÀ TƯƠNG TƯ (ANALOG): He thong số được cấu tạo bởi những linh kiện điện tử và được thiết kế để điểu khiển những đại lượng vật lý hay dữ liệu được mô tả ở dạng số. Như vậy chúng ta chỉ nhận được những giá trị rời rạc .Những linh kiện này hầu như thuộc về điện tử, và cũng có thể thuộc về cơ khí, từ tính, hay khí lực học (pneumatic). Những hệ thống số quen thuộc như máy điện toán, máy tính điện tử, đổng hổ số, bộ điểu khiển tín hiệu giao thông (raffc- signal, controllers) và máy đánh chữ (typewrieters) HỆ tháng tưng tự nó cũng bao gồm những linh kiện điện tử dùng để điểu khiển những đại lượng vật lý được mồ tả dưới dạng tương tự.
Trong hệ thống tương tự, giá trị các đại lượng có thể thay đổi trong một khoảng liên tục. Ví dụ biên độ tín hiệu ra loa trong máy thu âm thanh (radio) có thể nhận giá trí từ 0 đến giá tri cực đại của nó. Những hệ thống tương tự thường gặp như : hệ thống điện thoại (telephone), ghỉ chép băng từ, thiết bị phát lại (playback equipment), déng hỗ đo lường của ôtô (Automobile odometer) “Những thuận 1/f của &ÿ thuật số: Đa số những ứng dụng trong điện tử hiện đại, cũng như trong hầu hết những ngành kỹ thuật khác, đều dùng kỹ thuật số thay thế cho kỹ thuật tương tự. Nguyên nhân của sự thay đổi là do những điều sau đây: J.
Hệ thống số dễ thiết kế hơn: bởi vì các mạch điện được sử dụng là những chuyể mạch (Switching circuits), các giá trị của dòng điện và điện áp không cẳ chính xác, chỉ chứ trọng dòng điện hay điện áp ở mức cao hay thấp. Dễ lưu trữ thông tin: Được thực hiện bởi những chuyển mạch (Switching ciruits ) đặc biệt, các chuyển mạch này có thể chốt (latch) và giữ thông tin trong khoảng thời gian cần thiết. Đúng và chính xác: Những hệ thống số có thể đạt được độ chính xác ở nhiều chữ số như bạn mong muốn bằng cách thêm vào nhiều chuyển mạch. Trong hệ thống tương tự, độ chính xác thường giới hạn ở 3 hay 4 chữ số bởi ví các giá trị của dòng điện và điện áp phụ thuộc trực tiếp vào các linh kiện trong mạch điện 4.
Các mạch số ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu: (noise) độ dao động của điện áp (nhiễu) không ảnh hưởng đến các hệ thống số, bởi vì các giá trị của điện áp có thể dao động trong một phạm vi cho phép 5. Có thể lập trình được : có thể thiết kế những hệ thống số mà hoạt động của chúng được điều khiển bởi những lệnh lưu trữ gọi là chương trình' 6. Mach số chứa trong chíp IC rất lớn: Mạch tương tự cũng có lợi cho công nghệ chế tạo IC. Nhung mạch tương tự có kết cấu đa phân phức tạp, trong thiết kế sử dụng nhiều linh kiện rời (như tụ, điệntrở, cuộn cảm, biến áp.), vì vậy hệ thống tương tự không tích hợp được cao, còn hệ thống số có khả năng tích hợp hàng trăm vi mạch hay hàng ngàn,.
trong một Chip GVHD: Trin Van Trọng Đổ án tốt nghiệp. Trang 7 Những hạn chế trong kỹ thuật số: Hầu hết trong tự nhiên những đại lượng vật lý đều có dang tương tự, và những đại lượng thường được đưa vào thiết bị kiểm tra để xử lý, và được điểu khiển bằng hệ thống số.Ví dụ: nhiệt độ, áp suất, trạng thái, tốc độ, mực chất lỏng tốc độ lưu luợng, .Chúng ta biểu thị những đại lượng này ở dạng số, chẳng hạn như chúng ta nói nhiệt độ 64, nó thuộc dạng tương tự do vậy khi chuyển sang dạng số nó được chuyển đổi ở dạng gần đúng Đó là điều bất tiện trong kỹ thuật số khi chúng ta xử lý những đại lượng tương tự đều phải biến đổi sang dạng số, muốn có điều đó ta phải thực hiện 3 bước sau đây. Biến đổi đầu vào tương tự thành dạng số. Xử lý những thông tin số này 3.
Đâu ra dạng số được biến đổi thành dạng tương tự Ví Dụ Nhiệt đ. | Điễukhiển Điều khiển sang usong uf tđộ HÌNH I.I Sơ đổ khối hệ thống điểu khiển nhiệt độ từ tương tự chuyển thành số,xử lý lý xong biến đổi lại thành tương tự Hình 1.1 trình bày sơ đổ khối hệ thống điều khiển nhiệt đo. Trong sơ đổ này, nhiệt độ ở dạng tương tự được đo lường và giá trị của nó được chuyển sang dạng số (Analog- to Digital eonverter-ADC). Đại lượng số sau đó được xử lý bởi mạch số, nó có thể bao gềm cả máy tính số.
Đầu ra ở dạng số, sẽ được biến đổi trở lại dang tương tự (Digital - to — analog — ADC). Tín hiệu tương tự ở đầu ra được dùng để điểu khiển nhiệt độ Một bất lợi khi biến đổi thông tin giữa dạng tương tự và dạng số là sự suy giảm, bởi vì qua nhiều phần biến đổi nên có sự hao tổn. Một yếu tố quan trong nữa đó là thời gian yêu cầu để thực hiện sự biến đổi. Trong nhiều ứng dụng, những yếu tố thuận lợi được đáng giá trong cách dùng kỹ thuật số, vì vậy cách biến đổi giữa đại lượng tương tự và đại lượng số trở thành phuơng pháp thông dụng thường dùng trong kỹ thuật — Tổng quan Đầu vào Dau ra tín 'Tín hiệu tương tự ¡ng số Xử lý tin Đổi số ra Xặt xúc of cấp thấp hiệu tương tự cấp cao.
‘Trung gian GVHD: Trần Văn Trọng Đô án tốt nghiệp. Trang $ Tóm lại việc xử lý tín hiệu số chỉ là cầu nối trung gian để tạo tín hiệu tương tự ở đầu ra theo yêu cẩu .Còn thực té,ta chi tiếp cận với đại lượng liên tục chứ không phải đại lượng rời rạc (số hóa), thí dụ trong lĩnh vực âm thanh đâu ra cuối cùng tại loa ta cẩn nghe âm thanh liên tục chứ không phải là tiếng ổn gián đoạn (0,1,. Dĩ nhiên để đạt chất lượng ra hoàn hảo phải qua công đoạn nhờ xử lý hệ thống số v v. Mạch số (digital circuit) xử lý tín hiệu ở dạng xung.
Các xung chỉ có thể ở | trong hai trang thái, mức điện thế định trước gọi là mức thấp ví dụ (0V) và mức cao (4V). Số mức điện thế có thể lớn hơn hai nhưng cũng có thể là một số hữu hạn. Hệ thống số gồm nhiều loại như hệ thống số thập phân, nhị phan, BCD, Hexa,. Nhưng hệ thống số nhị phân gồm! và 0 thuận tiện cho việc xử lý bởi các mạch điện tử, nhưng mạch không xử lý trực tiếp các con số mà xử lý các dạng sóng.
Ta biểu thị số nhị phân bằng băng dạng sóng nhị phân chỉ có hai mức điện thế, một mức biểu thị số0 và một mức biểu thị số Ì. Hai mức điện thế này cách xa nhau đủ xa để mạch logic có thể phân biệt được hai mức. Khi xử lý tín hiệu nhị phần các ngỏ vào và ra của bản thân các mạch logic cũng phát hiện ở một wong hai mức điện thế đó. Vi mạch số gồm có hai loại: ~ Một loại thuộc họ TTL được cấu tạo từ các transistor ~ Một loại thuộc họ CMOS được cấu tạo từ các transistor trường.
* Ưu điểm của vi mạch số: — _ Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu âm (noise). — Dễ được chế tạo thành mạch tích hợp (IC) và trong thực tế đã có rất nhiều mạch tích hợp số được sản xuất cho nhiều chức năng khác nhau. ~— _ Thiết kế và phân tích mạch đơn giản hơn. — Thuận tiện cho việc điểu khiển tự động lưu trữ và xử lý dữ liệu (data), kết hợp với các loại máy tính.