บทที่ 13 การติดต่อกับอุปกรณ์อนาลอก

บทที่ 13 การติดตอ กบั อุปกรณอนาลอกวตั ถุประสงค หลงั จากไดเรียนบทนีแ้ ลว จะสามารถ 1. อธบิ ายการแปลงสัญญาณอนาลอกเปนดิจติ อล และการแปลงสญั ญาณดจิ ิตอลและอนาลอก 2. ออกแบบวงจรออปแอมป ใหมอี ัตราการขยายตามเกณฑทีก่ าํ หนดได 3. วิเคราะหก ารทาํ งานของวงจรแปลงสัญญาณดิจิตอลเปน อนาลอกแบบตางๆ ได 4. ตอบคาํ ถามเกี่ยวกับอปุ กรณแ ปลงสัญญาณอนาลอกเปน ดิจิตอลชนิด counter_ramp ซ่ึงใชตวั เปรียบเทยี บความตางศักยไ ด 5. อธิบายการทํางานของโวลตม ิเตอรแ บบดจิ ติ อล (A/D converter ) 6. แยกแยะชนดิ ของ A/D converter แบบ ramp และแบบการประมาณสมบรู ณ(successive approximation) ได 7. ทราบคุณสมบัติพเิ ศษของ A/D converter เบอร ADC0804 8. ตอบคําถามเก่ียวกับไอซี ADC0804 ได 9. วิเคราะหวดั แสงแบบดิจติ อล ซ่งึ อาศัยการทาํ งานของไอซี A/D converter เบอรADC0804 10. ตอบคําถามเก่ียวกบั ระบบวดั ความตางศักยแบบดิจติ อลซงึ่ อาศัยการทาํ งานของ A/D converter ชนิดทส่ี ามารถตอ กบั อุปกรณแ สดงผลได การศกึ ษาขอ มูลที่เกย่ี วกบั ระบบดิจิตอล สัญญาณทีใ่ ชในการทาํ งานจะตองเปน สญั ญาณดิจิตอลแตโดยท่ัวไปแลว ในดิจติ อลมักมีสญั ญาณอนิ พตุ เปนสัญญาณอนาลอก ซงึ่ มกี ารเปล่ียนแปลงอยา งตอเน่ืองระหวา งความตางศกั ย 2 ระดับในบทน้เี ราจะกลา วถึงการเชื่อมตออปุ กรณอนาลอกเขากับดจิ ิตอล รูปที่ 13.1 ระบบดิจิตอลทีม่ สี ญั ญาณอนาลอ็ กอนิ พทุ และอนาลอ็ กเอาตพตุ ขอมูลทไ่ี ดโดยตรงจากธรรมชาตนิ ั้นโดยสว นใหญเ ปนสัญญาณอนาลอกดงั ทีก่ ลาวมาแลว ในบทที่ 1เชนเวลา ความเร็ว นํ้าหนัก ความดนั ความเขม แสง และการวดั ตาํ แหนง ทง้ั หมดนีเ้ ปน สัญญาณอนาลอกระบบดิจติ อลในรูปท่ี 13.1 มสี ญั ญาณอินพุตเปน อนาลอก ความตางศักยเปลีย่ นแปลงอยางตอ เนอ่ื งในชว ง0-3 โวลต ตัวเขา รหัส (encoder) เปนอปุ กรณพ ิเศษท่ีเปลย่ี นสัญญาณอนาลอกเปน ดิจติ อล หรือเรียกส้นั ๆวา A/D converter ในระบบดิจิตอลรูปท่ี 13.1 มีตวั ถอดรหัส (decoder) ซ่ึงทาํ หนา ทใ่ี นการแปลงสญั ญาณดจิ ิตอลจากระบบประมวลผลเปน สญั ญาณอนาลอกออกมาทางเอาทพตุ ของระบบ จะไดส ญั ญาณเอาทพ ตุ มีคา 354

เปลีย่ นแปลงในชว ง 0-3 V เราเรียก decoder วาเปน A/D converter ชนิดหนงึ่ สรปุ แลว A/Dconverter จะทําหนาท่แี ปลงสญั ญาณดจิ ิตอลเปนสญั ญาณอนาลอก ระบบท่เี ปนดงั รปู ท่ี 13.1 เรียกวา ระบบไฮบรดิ (Hybrid) เนอ่ื งจากประกอบไปดว ยอุปกรณดิจติ อลและอนาลอก ในวงจรที่เหน็ วิศวกรและชางเทคนิคมักเรียก encoder และ decoder ที่มกี ารแปลงสัญญาณอนาลอกเปนดิจิตอล และสญั ญาณดิจิตอลเปน อนาลอกวา “อปุ กรณเ ชื่อมตอ” (InterfaceDevices) คําวา เช่ือมตอ (Interface)มกั ใชกลาวถึงอุปกรณหรอื วงจรที่มกี ารเปล่ยี นแปลงระบบแบบใหมซ ง่ึในกรณีนี้คอื เปล่ียนแปลงระหวางขอ มูลแบบอนาลอกและดจิ ิตอล จากรปู ที่ 3.1 สว นทีเ่ ปนอินพตุ มีการเปล่ยี นแปลงความตา งศักยแบบอนาลอกในชว ง 0-3 V ความตางศกั ยน ีเ้ กดิ จากทรานสดิวเซอร ซงึ่ เปนอุปกรณท่เี ปลยี่ นพลงั งานทเี่ ขามาใหอ ยใู นรูปแบบอน่ื เชน โฟโตเซลล โดยอนิ พุตที่เขา มาจะเปน ความเขม ของแสงเอาทพ ุตที่ไดจะเปน พลังงานไฟฟา โดยพลงั งานไฟฟาทไี่ ดจะมคี า เปลย่ี นแปลงตามความเขม ของแสง ทรานสดิวเซอรแบบอนื่ ๆ ไดแก ไมโครโฟน ลําโพง ตวั วัดอุณหภมู ิ ความตานทานแบบปรับคาได เปน ตน13.1 การแปลงสัญญาณดจิ ิตอลเปน สัญญาณอนาลอก จากอุปกรณแปลงสญั ญาณดิจติ อลเปนอนาลอก (A/D converter) ในรปู ท่ี 13.1 สมมตวิ าเราตองการเปลยี่ นเลขฐานสองจากหนวยประมวลผลเปน เอาทพุตท่อี ยูในรปู ของโวลตในชวง 0 -3 V โดยการใช decoder ในตอนแรกตองสรา งตารางความจริง (Truth Table) แสดงทุกๆ เหตุการณทเี่ ปน ไปได ตารางที่ 13.1 แสดงอนิ พตุ 4 ตัว (A,B,C,D) ของ D/A converter เปนเลขฐานสองโดยเลข 1 แสดงชวงความตา งศกั ย 3-5 Vและเลข 0 แสดงความตางศักย 0 V เอาทพ ตุ ท่ีไดอ อกมาในรปู ความตางศักยแสดงทางดานขวาสดุ ของตารางที1่ 3.1 จากตารางถา อนิ พตุ มคี า 0000 เอาทพ ตุ จะมคี า 0 V ถา อนิ พตุ มคี า 0001 เอาทพุตจะเปน 0.2 V ถา อินพตุ มีคา 0010 เอาทพ ุตจะมีคา 0.4 V สงั เกตวา ในแตละแถวถัดลงมาของอินพตุเลขฐานสองคาเอาทพ ุตแบบอนาลอกจะมีคา เพ่มิ ขึ้นทลี่ ะ 0.2 V ในรปู ท่ี 13.2 แสดงแผนภาพของ D/A converter สัญญาณอนิ พตุ แบบดิจติ อล (D,C,B,A) อยทู างดา นซา ยสดุ ของแผนภาพและ decoder แบงเปน 2 สวนคอื สวนตัวตานทาน (resister network) และสวนวงจรขยายแบบบวก สัญญาณเอาทพุตแสดงไดด งั รปู ของความตา งศักยท อ่ี านไดจ ากโวลตม เิ ตอรซึง่ อยูทางดา นขวาของแผนภาพ 355

พจิ ารณาตวั ตานทานในรปู ที่ 13.2 อนิ พุต B จะเปน 1 เมือ่ มคี าเปน 2 เทาของคา 1 ท่ีอนิ พตุ Aและ อนิ พตุC จะเปน 1 เมอื่ มีคาเปน 4 เทาของคา 1 ทอี่ ินพุต A การจัดระบบตางๆของตวั ตานทานเหลานท้ี ี่ใชใ นการแปลงระดับความตางศกั ยต างๆ วงจรในสว นนเี้ รียกวาโครงขายตัวตา นทานขน้ั บันได resistive laddernetwork รูปท่ี 13.2 ไดอะแกรมของ D/A Converter 356

พจิ ารณาสวนท่เี ปน วงจรขยายแบบบวกในรูปท่ี 13.2 ซึง่ จะนาํ ความตางศกั ยเอาทพ ตุ ของตวัตา นทานมาขยายคา ใหไ ดความตา งศกั ยทเี่ หมาะสม ดังแสดงทางขวาสดุ ของตารางท่ี 13.1 โดยทั่วไปในสวนนมี้ กั ใชไ อซีออปแอมป (operatinal amplifier) วงจรในสวนน้เี รียกวา scaling amplifier สรปุ แลว D/A converter จะประกอบไปดว ยสองสว นใหญ ๆ คือ กลุมของตวั ตา นทางท่ที ํางานเปน ระบบ resistive ladder และออปแอมปซ ่งึ ใชเปนวงจรขยายแบบบวก13.2 ออป-แอมป (Operational Amplifier) ลักษณะพิเศษของอุปกรณขยายท่เี รียกวาออปแอมปค อื มีความตานทานทางดา นอินพตุ สูงและมีความตานทานทางดา นเอาทพ ุตตํ่า มอี ัตราขยายความตางศกั ยท ่เี ปลีย่ นแปลงได ตามตัวตา นทานท่ีตออยูในวงจรภายนอก สญั ลักษณข อง op-amp แสดงไดด ังรปู ที่ 13.3 a) จากรปู ท่ี 13.3 a) ออปแอมปจ ะมีสองอินพุต คืออินพุตท่ีเปนแบบ inverting input โดยจะใชเคร่อื งหมายลบ(-) เขียนกาํ กับไว และอกี อนิ พตุ หนึ่งเปนแบบบวก เรยี กวา non-inverting input โดยจะใชเคร่อื งหมายบวก (+) เปน สัญลกั ษณ สวนเอาทพุตของออปแอมปจ ะอยูทางดา นขวาของสญั ลักษณ รปู ที่ 13.3 ออปแอมป a) สญั ลกั ษณ b)การตอ ตัวตา นทานอินพุทและตวั ตานทานปอ นกลบั โดยทัว่ ไปเราไมใชออปแอมปทํางานเพียงตวั เดียว แตจะตอตวั ตานทานเขา ในวงจรดวยดังรปู ท่ี13.3 b ซึง่ จะทําใหเ กิดกรขยายความตางศกั ยโดยหาไดจากอตั ราสวนของตวั ตานทานอินพตุ (Rin ) และตัวตานทานปอนกลบั หรอื feedback ( Rf) ดังแสดงจากสมการ สมมุตวิ าตัวตา นทานท่ตี อ กบั ออปแอมป Rf = 10 K และ Rin = 10 Kใชสมการหาอัตราขยายความตา งศกั ยจ ะได ดงั น้นั อัตราการขยาย มีคา เทากับ 1 ถา มคี วามตางศกั ยอ ินพุต (Vin) เทากับ 5 โวลต ความตา งศกั ยเอาทพุตมีคาเปน 5 โวลต ซ่ึงถา ใชอินพุตแบบ inverting เมื่อมีความตางศักยอ ินพตุ เปน 5 โวลตความตา งศักยเอาทพตุ จะมคี าเปน –5V และอัตราขยายความตางศักยส ามารถหาไดจากสตู ร สมมตุ ิวา Rin และ Rf มคี า 1K และ 10K ดงั แสดงในรปู ที่ 13.4 อัตราขยายของวงจรน้ีมีคาเทา ไร 357

ดงั นนั้ อตั ราขยายความตา งศกั ยค อื 10 ถา ความตางศักยเ อาทพตุ คอื +0.5โวลตค วามตางศกั ยเอาทพ ุตจะมคี าเทา ไร เน่อื งจากอัตราขยายเทา กับ 10 ดังนนั้ ความตา งศักยเอาทพุตจึงมคี าเทา กับความตางศกั ยอนิ พุตคณู ดว ยอตั ราการขยาย (0.5V * 10 = 5V) ซงึ่ สามารถวดั ไดโดยโวลตมิเตอร ดังรปู ท่ี 13.4 รปู ที่ 13.4 วงจรขยายโดยใชออปแอมป เหน็ ไดว า อัตราขยายความตางศกั ยของออปแอมป มกี ารเปล่ยี นแปลงตามอัตราสว นระหวางตัวตานทานอนิ พุตและตวั ตา นทานปอ นกลับ ดังนั้นจงึ สามารถกําเนดิ อัตราขยายของออปแอมปไดโ ดยใชค าRin และ Rf ตางๆกัน สรปุ ไดวาออปแอมปเปน สว นหน่ึง ของอปุ กรณแปลงสญั ญาณดจิ ติ อลเปนสญั ญาณอนาลอก โดยสามารถขยายสัญญาณไดซ ึ่งกาํ หนดอัตราการขยายไดโ ดยอัตราสว นของตัวตานทานอินพุต และตัวตา นทานปอนกลบั13.3 พนื้ ฐานแปลงสญั ญาณดจิ ติ อลเปนอนาลอกอุปกรณแปลงสัญญาณดิจิตอลเปน สัญญาณอนาลอกอยา งงายๆ แสดงไดด งั รูป ที่ 13.5 ซ่ึงประกอบดวย 2 สวนโดยมีสว นที่เปนตัวตานทานอยูทางดา นซา ยมือ ประกอบไปดวย R1 , R2 , R3 และ R4อีกสวนหนึง่ เปนสว นขยาย อยทู างดานขวาของรปู ประกอบไปดว ยออปแอมป และตวั ตานทานปอ นกลบัความตา งศักยอนิ พตุ 3 โวลต ปอ นเขาทางสวติ ช D,C,Bและ A ความตางศักยเ อาทพุต(V0) จะรไู ดจากโวลตมิเตอร จากวงจรจะสังเกตวา ตวั ออปแอมปตอ งการไฟเลยี้ งที่มที ั้งบวกและลบ จากรูปจะใชไป +10 โวลตและ -10 โวลตถา สวติ ชทุกตวั ตอลงกราวด (0 V) ดังรูปที่ 13.5 ความตางศักยอนิ พุตทจี่ ดุ A มีคาเปน 0 Vและความตางศกั ยเอาทพตุ มีคาเปน 0 V แสดงไดดังแถวที่ 1 ของตารางท่ี 13.1สมมตุ วิ า เรายายสวิตช A ไปที่ตําแหนง 1 ในรปู ท่ี 13.5 ความตา งศกั ยอ ินพตุ มคี า เปน 3 โวลตจะถกู ปอนเขาออปแอมป ทาํ ใหเกิดอัตราขยายความตา งศกั ยของคาความตา นทานปอ นกลับ(10 K) และความตา นทานอนิ พุต (150 K) ที่ตอ เปนวงจรขยายอยู จากสมการ ������������������������ 10,000 ������������������������ = ������������������������������������ = 150,000 = 0.666ความตางศกั ยเ อาตพุตของวงจรนคี้ ือ อัตราขยายคูณกับความตางศักยอินพุต จะได ������������������������ = ������������������������ ������������������������������������ = 0.066������������3 = 0.2������������ 358

รูปท่ี 13.5 วงจร D/A Converter ดงั นน้ั ความตางศกั ยเ อาทพ ตุ คือ 0.2 โวลต ถาอนิ พุตเลขฐานสองเปน 0001 ดังแสดงในแถวท่สี องของตารางที่ 13.1 พิจารณาอนิ พุตเลขฐานสองถาหากมคี า เปน 0010 ท่ปี อนเขาสู D/A converter ในรูปที่ 13.5สวิตช B จะถกู ยายไปท่ีตําแหนง 1 ดังน้นั ความตา งศกั ย 3 V จะถกู ปอ นเขา สู ออปแอมป โดยมีอัตราขยายคอื ������������������������ 10,000 ������������������������ = ������������������������������������ = 75,000 = 0.133 เม่อื คณู ความตา งศกั ยอ นิ พุตกับอตั ราขยายจะไดความตางศกั ยเอาทพ ุตเทากบั 0.4 V ซึง่ ตรงกบัแถวท่ี 3 ในตารางท่ี 13.1 สงั เกตวา ความตางศักยเ อาทพตุ จะมีคาเพม่ิ ข้ึนทีละ 0.2 V เมือ่ เพ่ิมคาเลขฐานสองไปเรือ่ ยๆ การเพ่ิมข้นึ เชนน้ีเกดิ ข้นึ เพราะอตั ราขยายความตางศกั ยข องออปแอมปมีคาเพม่ิ ขึ้นเน่อื งจากเราเปดสวิตชต ัวตา นทาน R1 , R2 , R3 , R4 แตกตา งกัน เชน ถาตัวตา นทาน Rf ในรูปท่ี 13.5 ถูกตอ กับสวติ ช D แลว อตั ราขยายจะเปน ������������������������ 10,000 ������������������������ = ������������������������������������ = 18,700 = 0.535 ความตางศกั ยเอาทพุตของวงจรมคี าเทากับอัตราขยายคณู กับความตางศกั ยอินพุต ไดค าเทากบั1.6 V แสดงไดในแถวที่ 9 ของตารางท่ี 13.1 ถาสวติ ชทกุ ตวั ถูกปด (อยูท ่ีตาํ แหนง 1 ) สญั ญาณเอาทพตุ ของออปแอมปจะมีคาเปน 3 โวลตเนื่องจากอตั ราขยายมคี าเพิ่มข้นึ จนเปน 1 359

13.4 อปุ กรณแ ปลงสัญญาณดิจติ อลเปน อนาลอกชนิด LADDER วงจร D/A converter ประกอบไปดวย 2 สวนคอื สว นตวั ตานทาน และสว นขยาย รูปที่ 13.6เปน แผนภาพแสดงชนดิ ของสวนทเ่ี ปนตวั ตานทาน (resistive network)ซ่ึงคา ความตางศักยเอาทพ ุตออกมามคี า เหมาะสมตามสัญญาณอนิ พตุ ทเ่ี ปน เลขฐานสอง ระบบตวั ตานทานชนดิ นีม้ ักเรียกวา R-2R ladder มลี ักษณะพิเศษคือใชคา ความตา นทาน 2 คาเทา นั้นโดยตัวตานทาน R1 , R2 , R3 , R4 และ R5 มีคา ตัวละ 20 K และตัวตานทาน R6 , R7 และ R8 และRf มคี า ตัวละ 10 K สังเกตวาตวั ตา นทานที่เรียงกนั เปน แนวนอนทกุ ตวั จะมีคาเปน 2 เทา ของตัวตานทานท่ีเรยี วกันเปน แนวตัง้ ซ่ึงเปนทข่ี องชอ่ื วา ระบบ R-2R ladder สําหรับสวนขยายในรูปท่ี 13.6 เปน ชนดิ เดียวกบั ในตอนที่แลว ซึง่ ออปแอมปยงั คงใชแหลง จายไฟแบบคู( dual power supply) หรือแบบที่มที ้ังไฟบวกและลบ ตารางที่ 13.2 แสดงการทาํ งานของ D/A converter การทาํ งานของ D/A converter ชนิดน้ีมีพน้ื ฐานเชน เดยี วกับตอนทีแ่ ลว ตารางท่ี 13.2 แสดงการทาํ งานของ D/A converter ชนดิ นี้สงั เกตวาเราใชค วามตางศกั ยอนิ พตุ 3.15 โวลตและสัญญาณเอาทพ ตุ ท่ีออกมาจะเพมิ่ ขึน้ ทลี ะ 0.25 โวลต เมอ่ื คา อินพตุ เลขฐานสองแตล ะตวั นัน้ หมายถึงการปอนความตา งศกั ยศูนยโวลต หรือลอจิก 0 เขาทีอ่ ินพุตนน้ั ๆ และเลข 1 หมายถึงการปอนความตางศกั ย 3.75 โวลต หรือลอจิก 1 เขา ทางอนิ พุตนัน้ ๆ เหตุทใี่ ชค วามตางศกั ยอนิ พตุ 3.75 โวลต เน่อื งจากมีคาใกลเคียงกับความตางศักยต ่ําสดุ ของเอาทพ ุตของไอซี TTL โดยสว นอนิ พุตรูป 13.6 (D,C,B,A) จะตอโดยตรงกับเอาทพตุ ของไอซี TTL เม่ือเปนลอจกิ 1 และจะทํางานสอดคลอ งกบั ตารางที่ 13.2 ในทางปฏบิ ตั ิแลว เอาตพ ตุ ของไอซี TTL มีคาไมเทากบั3.75 โวลตเลยทเี ดียว เราอาจใชทรานซิสเตอรชว ยแปลงสญั ญาณใหไดค าความตางศักยเอาทพุตทแ่ี นนอนยิง่ ขึ้น 360

สําหรับเลขฐานสองหลักอนื่ ๆ (16s , 32s , 64s และอื่น ๆ ) สามารถเพิ่มเขา ไปในวงจร D/Aconverter ในรปู ที่ 13.6 ไดโ ดยรูปแบบของตัวตา นทานจะคลา ยกบั ในแผนภาพ 13.6 เพียงเพ่ิมตําแหนงเขา ไปเทา นั้น รปู ที่ 13.6 วงจรแปลง D/A ใช R-2R Ladder Network Decoder ท้ังสองชนิดที่กลาวมาเรยี กวาโดยรวมวา อปุ กรณแปลงสญั ญาณอนาลอก (D/Aconverter) โดยโครงสรางของ D/A converter กค็ ือจะตอ งมสี ว นตวั ตานทานและสวนขยาย ประกอบกนั13.5 อุปกรณแ ปลงสญั ญาณอนาลอกเปนสญั ญาณดจิ ิตอล ตวั อยา งของอุปกรณท ี่แปลงสญั ลักษณอ นาลอกเปนสัญญาณดิจติ อล คือ (A/D converter) ชนิดพเิ ศษ โดยแสดงไดดงั รปู ที่ 13.7 สวนอินพุตมคี าความตา งศักยเขา ทางอินพุตเดยี ว และสามารถเปลี่ยนความตา งศักยได จากรูปท่ี 13.7 ความตางศักยอ ินพุตจะเปลี่ยนคาในชว ง 0-3 โวลต สญั ญาณเอาตพ ุตของA/D converter จะเปนเลขฐานสองขนาด 4 บิต 361

รปู ที่ 13.7 ไดอะแกรมของ A/D Converter จากตารางความจริงที่ 13.3 แถวที่ 1 แสดงอนิ พุตของ A/D converter เทา กบั 0 V เอาทพตุ คอืเลขฐานสอง 0000 แถวท่ี 2 แสดงอนิ พุตของ A/D converter เปน 0.2 V และเอาทพุตท่ไี ดคือ 0001สังเกตไดวา เม่ือเพ่มิ คาความตางศักยทีละ 0.2 V เอาทพ ุตท่ไี ดจ ะเปน เลขฐานสองทีเ่ พิม่ คา ทีละหนึ่ง และสดุ ทายในแถวที่ 16 แสดงอินพตุ สูงสดุ 3 V จะไดเอาตพุตเลขฐานสองเปน 1111 เห็นไดว า ตารางความจรงิของ D/A converter (ตารางที่ 13.3 ) จะมีคา อินพตุ และเอาทพ ุตสลับกันกับตารางความจริงของ D/Aconverter ( ตารางที่ 13.1 ) ตารางความจรงิ ของ A/D converter จะดไู มซับซอ นเทา ไร แตวงจนอิเลก็ ทรอนกิ ส ซึ่งสรางจากขอมูลตามตารางความจริงน้ันมีความซับซอนมากกวา ในรูปท่ี 13.8 แสดง A/D converter ชนิดหนึง่ มีตัวเปรียบเทยี บความตางศักย (voltage comparator) ,AND เกต ตัวนับแบบ BCD และ D/A converterซ่งึ เราไดเ รียนรมู าแลว ยกเวนตวั เปรยี บเทียบความตา งศักย ซึ่งจะไดก ลาวตอไป ความตางศักยอินพตุ แบบอนาลอกจะถกู ปอนเขาตัวเปรียบเทียบคานี้ (อนิ พุต A )กบั ความตางศักยจาก D/A converter (อินพุต B) โดยถาคาท่ี อินพุต Aมีคามากกวา ทีอ่ นิ พุต B จะมสี ญั ญาณไปกระตนุขา CLK องตัวนับแบบ BCD (BCD counter) ใหทําการนบั จนกระท่ังความตางศักยย อนกลบั จาก D/Aconverter มีคา มากกวา ความตางศกั ยอ นิ พุตแบบอนาลอก (อินพตุ B มากกวาอนิ พตุ A )ตวั เปรียบเทียบจะสงสญั ญาณไปหยดุ การนบั สมมุตวิ าความตางศักยอนิ พตุ แบบอนาลอกมีคา 2 V วงจรนับจะนับเพ่มิ ไปเร่ือยๆ จะกระทง่ั ถงึ 1010 แลว จงึ หยุดนบั ซึ่งสอดคลอ งกบั ตารางท่ี 13.3 หลังจากวงจรนับหยุดนบั แลวจะรเี ซต็ คาเปน เลขฐานสอง 0000 แลว จะเร่มิ นบั อีกคร้งั 362

พิจารณาในรายละเอยี ดของ A/D converter ในรูปที่ 13.8 สมมุติวา ที่จุด X ซึง่ เปนเอาทพ ตุ ของตัวเปรียบเทียบความตางศักย มคี าเปน 1 ท่ี BCD counter มีคาเปน 0000 และสญั ญาณอนิ พตุ คือ 0.55V คา 1 ท่ีจุด X จะกระตนุ AND เกตใหป อ นสญั ญาณเวลาเขา ที่ขา CLK ของสว นอินพุตของ BCDcounter วงจรนบั จะนับเพ่ิมขึ้นเปน 0001 ซ่งึ จะแสดงคา เลขฐานสองขน้ึ ทดี่ า นบนของรูปท่ี 13.8 ในขณะเดียวกัน คา 0001 ก็จะถูกปอ นกลบั ไปที่ D/A converter ดว ย จากตารางท่ี 13.1 เลขฐานสอง0001 ทาํ ใหเกดิ ความตางศกั ย 0.2 V ท่ีเอาทพตุ ของ D/A converter ความตางศักย 0.2 V จะถูกปอ นกลบั ไปที่อนิ พตุ B ของตวั เปรยี บเทยี บความตางศักย ซ่ึงจะเปรียบเทยี บคาความตางศักยข องอนิ พุตท้ังสอง โดยในขณะที่อนิ พุต A มคี า มากกวา อนิ พตุ B (0.55 V > 0.2 V) ดงั นัน้ สว นเอาตพุต ของตวัเปรียบเทยี บแรงดันจึงเปน 1 ซง่ึ จะไปกระตุน AND เกตใหป อนสญั ญาณนาฬิกาเขา ทวี่ งจรนับอกี วงจรนับจะนบั เพิ่มข้นึ อีก 1 ครงั้ ทําใหไ ดคา 0010 แสดงคา ทางดานบนขวาของรปู และปอ นกลับเขา A/Dconverter ในขณะเดยี วกนั ดว ย จากตารางท่ี 13.1 อินพุต 0010 ทําใหไดสญั ญาณเอาทพุต 0.4 Vปอนเขา ที่ อินพุต B ของตัวเปรียบเทยี บอกี ครั้งหนง่ึ ในขณะนอี้ ินพตุ A ยงั คงมคี า มากกวา อินพตุ B (0.55V > 0.4 V) ทําใหเ อาตพ ุตของตัวเปรียบเทยี บความตางศักยมคี าเปน 1 ตัว AND เกตจะถกู กระตนุ ทาํ ใหสญั ญาณนาฬิกาเขา สวู งจรนับอีก วงจรนับจะนบั เพมิ่ เปน 0011 ซง่ึ คาน้ีจะถูกปอ นกลบั ไปท่ี D/Aconverter จากตารางที่ 13.1 สญั ญาณอินพตุ 0011 ทาํ ใหไดคาเอาทพตุ 0.6 V ปอ นเขาที่ อนิ พตุ B ของตัวเปรียบเทียบแรงดันอกี ครง้ั หนึ่ง ตวั เปรียบเทียบคา จะเปรียบเทียบคาซ่ึงไดจ ากเอาตพ ุตของตวัเปรยี บเทยี บเปน ศูนย (อนิ พุต B มากกวา อนิ พตุ A) ไมสามารถกระตุน AND เกตได จึงไมม ีสัญญาณ 363

นาฬกิ าเขา สูวงจรนับอกี วงจรนบั จะหยุดนับท่เี ลขฐานสอง 0011 ดงั นั้นเลขฐานสอง 0011 จึงมคี า เทา กับ0.55 V ซ่งึ สอดคลอ งกับแถวที่ 4 ถาความตางศกั ยอ นิ พตุ คือ 1.2 V คาเอาทพ ุตเลขฐานสองจะเปน 0110 ดงั ตารางความจรงิ ที่13.3 โดยวงจรนบั จะนบั เลขฐานสอง 0000 จะกระทัง่ 0110 แลว จึงหยุด จะเห็นไดว า ตอ งใชเ วลาในการแปลงสญั ญาณจากอนาลอกเปน สญั ญาณดิจิตอลพอสมควรแตอยางไรกต็ าม โดยสว นใหญส ัญญาณนาฬิกาจะเร็วมาก จะกระทั่งไมเ ปนปญ หาตอการใชงาน สาเหตุทีต่ อ งศกึ ษาเก่ยี วกับวงจร D/A converter กอนวงจร A/D converter เนื่องจาก วงจรA/D converter ชนิด counter-ramp น้มี ีความซับซอนในการทํางานและตอ งใชว งจร D/A converterในการทํางานดว ยคาํ วา ramp มาจากที่ counter มกี ารทาํ งานเปน ขัน้ ตอนตามความตางศักย เม่ือวาดกราฟความตางศักยทเ่ี ขาสูตัวเปรยี บเทยี บท่ีอินพตุ D/A converter จะไดกราฟรูปฟนปลา (sawtoothwaveform) หรอื ramp นนั้ เอง รปู ท่ี 13.8 ไดอะแกรมของ Counter-ramp-type A/D converter13.6 ตัวเปรยี บเทยี บความตา งศักย( Voltage comparators) ในหวั ขอทีผ่ านมาเราไดใชอปุ กรณเปรียบเทียบความตางศกั ย ซ่งึ จะเปรียบเทียบความตางศักย 2คาและแสดงผลวา คา ใดมากกวา รปู ที่ 13.9 เปน แผนภาพของอปุ กรณช นิดน้ีอยางงา ยๆ โดยถาความตางศกั ยท ค่ี า นอ ยกวาอินพุต A มคี ามากกวาอินพุต B ตวั เปรียบเทยี บแรงดันจะมเี อาทพุตเปน 1 และถา ความตางศกั ยท อ่ี ินพตุ A มีคา นอ ยกวาอนิ พตุ B เอาทพุตทไ่ี ดจ ะเปน 0 หรอื เขยี นไดวา A > B = 1 และ B > A=0 หัวใจสําคญั ของตวั เปรยี บเทียบนี้คือ ออปแอมป ในรปู ที่ 13.10 a) แสดงวงจรของตวั เปรยี บเทียบ(comparator) สังเกตวาอินพุต A มีคา 1.5 V และอินพุต B มีคา 0 V จะไดเอาทพุตออกมา 3.5 V หรือคือ 1 ใน ระบบดิจติ อล 364

รปู ท่ี 13.9 แผนภาพแสดงตวั เปรียบเทยี บความตางศักย รูปท่ี 13.10 วงจรเปรียบเทียบแรงดัน a) คา A มากกวา b) คา B มากกวา ในรปู ท่ี 13.10 b) แสดงคาความตางศกั ยท่อี นิ พตุ B มีคาเพม่ิ ขนึ้ เปน 2 V สว นอินพตุ A ยงั คงมคี าเปน 1.5 V คาท่อี นิ พตุ B มากกวาท่ีอินพตุ A ดงั นัน้ เอาทพตุ ของวงจรเปรยี บเทยี บความตางศกั ยจ ะมีคาประมาณ 0 V (จริง ๆ แลว มีคาประมาณ –0.6 V)หรือคือ 0 ในระบบดิจติ อล ตวั เปรียบเทยี บใน A/D converter ดังรูปท่ี 13.8 มีลกั ษณะการทํางานเหมือนกับตัวอยางเหลาน้ีซเี นอรไดโอดในรูปที่ 13.10 ทําหนา ที่ลดความตา งศักยอินพตุ และเอาทพ ุตใหมีคาประมาณ +3.5 และ 0 Vจากตารางความจริงแลว เปน +9 และ -9 V เพ่ือใหท าํ งานสอดคลอ งกบั ไอซี TTL ซึง่ อาจจะตอ งมีเพม่ิ ขน้ึในวงจร 365

13.7 เคร่ืองวัดความตา งศกั ยอ ยางงาย ประโยชนป ระการหนงึ่ ของ A/D converter คือนําไปทาํ เครอ่ื งวดั ความตา งศักยแ บบดิจิตอล(digital voltmeter) ซงึ่ มีสวนประกอบตางๆ ตามท่ไี ดศ ึกษามาแลว ดังแสดงในรูปท่ี 13.11 ตวั A/Dconverter จะเปล่ยี นความตา งศกั ยแ บบอนาลอกเปน เลขฐานสอง และจะถูกปอนเขา ตวั decoder ทาํหนา ทีเ่ ปล่ยี นเลขฐานสองเปนรหสั ของ seven segment รปู ท่ี 13.11 ไดอะแกรมของ digital voltmeter ยางงา ยๆ เม่อื ปอนความตางศกั ย 7 V ใหก บั อินพตุ ของจะไดเ ลขฐานสอง 0111 ออกมา ดังท่ีไดแสดงไวใ นรูปตวั ถอดรหสั จะ แอคตีฟท่ขี ้ัว a ถึง c ของหนวยแสดงผล 7 seqmentโดยเซกเมนต a ถงึ c จะปรากฏไฟสวางบนแสดงผล ซ่งึ อา นคาเปน เลขฐานสิบไดคือ 7 เปน ทนี่ าสังเกตวา A/D converter กน็ บั เปนตัวถอดรหสั ดวยเชน กนั ซึง่ มนั ทาํ การถอดรหสั จากอนาลอกอินพตุ เปน เอาทพุตเลขฐานสอง ไดอะแกรมแสดงการเช่ือมการตอ สายตางๆ ในวงจรของดจิ ิตอลโวลตม เิ ตอรใ นรปู 13.12 สงั เกตวงจรเปรียบเทยี บแรงดัน (voltage comparator) AND เกต เคานเตอร ตวั ถอดรหัส 7 seqmentแสดงผลและ D/A converter วงจรเหลา น้ตี อ งการแหลง จายไปหลายตัว สําหรบั แหลง จายไฟแบบอดูอัล+ 10 V (หรือซัพพลายแบบเด่ยี วแยกกนั สองตัวขนาดจายไฟ 10 V) จะถกู นาํ มาใชก ับออปแอมป 741 แหลงจา ยไฟ 5 V ใชสําหรบั ไอซีTTL 7408 7493 และ 7447 และสวนแสดงผล LET 7seqment แหลง จา ยไฟ DC ที่เปลี่ยนปรบั คาจาก 0-10 V จะถกู นํามาใชเ ปน อนิ พุตของสญั ญาณอนลอก(analog input voltage) เราจะสมมุตคิ าความตางศักย 2 V เปน อินพตุ แบบอนาลอกของดจิ ิตอลโวลตในรูป 13.12 ทําการรีเซ็ตเคานเตอรเ ปน 0000 วงจรเปรยี บเทียบจะทําหนา ท่ีเช็คอนิ พตุ A และ B โดย A มคี า มากกวา (A = 2V , B = 0 V)เอาตพ ตุ จากวงจรเปรยี บเทยี บเปนลอจิก 1 ซ่ึงลอจกิ 1 นีจ้ ะ enable AND เกต พัลสจ าก clock จะผานAND เกตพลั สจะทําใหเคานเ ตอรน ับขึ้นไปหนง่ึ ซง่ึ ขณะนก้ี ค็ อื 0001 ตัวเลข 0001 จะถูกปอ นใหตวั ถอดรหัส และตวั ถอดรหัสจะแอคตีฟท่ขี ้ัว b และc ของสว นแสดงผล seven-seqment และเซ็กเมนต b และ c จะสวางบนจอแสดงผล ซงึ่ สามารถอา นออกมาเปนคา ตัวเลขฐานสิบไดค อื 1 366

คา 0001 จะถกู ปอ นใหกับ D/A converter ดวยเคานเตอรจ ะใหศ กั ย 3.2 V ปอ นผานตัวตา นทาน 150 ko ไปเปนอินพุตของออปแอมป คา ขยายความตา งศักย (Voltage Gain) ของออปแอมป เปน������������������������ = ������������������������ = 47,000 = 0.31 ������������������������������������ 15,000 อตั ราขยายเปน 0.31 คา Voltage Gain คูณกบั อินพทุ โวลทเ ตจ จะเทากับคาเอาตพตุ โวลทเ ตจ Vo = Av x Vin = 0.31x3.2 = 1v. คา เอาทพ ุตของ D/A converter เปน –1Vคา 1V จะถูกปอ นกลบั ใหกับวงจรเปรยี บเทยี บ ขณะน้ีคา ศกั ย 2 V ยงั คงถูกปอ นใหอ นิ พตุ อยูวงจรเปรียบเทียบจะตรวจสอบ A กับB อนิ พตุ A มคี า มากกวาวงจรเปรยี บเทยี บก็จะปอนลอจิก 1 ใหกับ AND เกต AND จะสง ผานพลั สข อง clock ลูกท่ีสองใหกับเคานเ ตอรตวั เคานเตอรก จ็ ะนับเพ่มิ ขึ้นเปน 0010 คา 0010 จะถกู ถอดรหัสและสงออกมาทางจอแสดงผลเปนคา 2 ในเลขฐานสิบ เลข 0010 จะถกู ปอ นใหก บั D/A converter ดว ย D/A converter จะใหศ ักยอ อกมา 2 V ซึง่ จะปอนกลับใหก บั อินพตุ B ผลท่ไี ดคอื B มีคา มากกวาเล็กนอ ย เอาทพ ตุ X ของวงจรเปรียบเทียบจะเปลีย่ นเปนลอจิก 0 AND เกตจะ disableไมมี clock พัลสใ ดๆ มาท่ีเคานเ ตอรเลย การนับจะหยดุ ลงท่ี 2(ท่แี สดงบนจอแสดงผล) ซึ่งเปน คาโวลเตจที่ถกู ปอ นใหก บั analog input ดจิ ิตอลโวลตม ิเตอรในรูป 13.12 เปน วงจรทใี่ ชใ นการทดลอง ที่กลา วถงึ วงจรนเ้ี พราะเปน วงจรท่ีแสดงใหเหน็ การทํางานพน้ื ฐานของดจิ ิตอลโวลตม ิเตอร และยังแสดงใหเ ห็นถึงการนําไอซปี ระเภท MSIและ SSI มาใชส รา งวงจรใหมปี ระสทิ ธิภาพดยี ิ่งขน้ึ ซงึ่ เปน ตวั อยางแบบงา ยๆ ของระบบอเิ ล็กทรอนกิ สแบบไฮบริด (hybrid) ซึ่งเปน ระบบทปี่ ระกอบดวยอุปกรณแบบดิจติ อลและอนาลอก ดิจิตอลโวลตมิเตอรสมัยใหมและ DMM ตางก็มีไอซี LSI เปน สว นประกอบหลกั A/D converterชนิดพเิ ศษเหลา นส้ี ามารถหามาใชงานไดท ั่วไป จากโรงงานผผู ลิตหลายแหง ชิพของ digital voltmeter แบบ Large – Scale – Integrated เปนชพิ ทร่ี วมอปุ กรณแบบactive ทง้ั หมดไวใ น IC CMOS ชพิ เด่ียว 367

รปู ท่ี 13.12 วงจรดจิ ติ อลโวลทมเิ ตอร13.8 A/ D converter ชนิดอื่นๆ ในหวั ขอ 13.5 เราไดศ กึ ษา counter – ramp A/D converter นอกจากน้ีมี A/D converterชนิดอืน่ ๆมากมายทม่ี บี ทบาทในการถกู นํามาใชง านดวยโดยในหัวขอ นีเ้ ราจะกลา วถงึ comverter ชนดิอน่ื ๆอีกสองชนิดคอื แบบ ramp A/D converter ในรปู ที่ 13.13 เปน A/D converter ทม่ี ีการทํางานคลาย counter– ramp A/D converter มาก (ดูรปู 13.8) ramp-generator ทางดานซา ยในรปู ที่ 13.13 เปนระบบยอย(subsystem)ใหมทเี่ รายบั ไมเคยกลาวถึง ramp generator จะใหคล่ืนรปู ฟนเลื่อย ซึ่งมลี ักษณะคลายคลนื่ รปู สามเหลย่ี ม ในรูป 13.14 (a) ramp voltage จะเรม่ิ มคี ามากขึน้ แตยังคงตา่ํ กวา อนิ พตุ A ของวงจรเปรยี บเทยี บ เอาตพตุ ของวงจรเปรยี บเทียบเปน ลอจิก 1 ซึ่งลอจิก 1 น้จี ะ AND เกต เพื่อให a พัลสผานไดในรปู 13.14 (a) ไดอะแกรมแสดง clock พัลสสามลกู ทผ่ี าน AND เกตกอนท่ี ramp voltage จะมีคามากกวา voltage 368

รปู ที่ 13.13 ไดอะแกรมของ Ramp-type A/D converter รูป 13.14 (b) เปน ตัวอยา งอกี ขอ หนึ่งทจ่ี ะกลา วถึงในตวั อยางนี้ คา อนิ พตุ โวลเตจท่ใี หกับ A/Dconverter แบบ ramp มคี า 6 V คา ramp voltageจะเพิ่มข้ึนจากซา ยไปขวา เอาทพ ตุ เอาทพ ุตจากวงจรเปรยี บเทียบลอจกิ 1 เพราะวา อนิ พุต A มคี ามากกวา ramp generator voltage ที่อินพตุ Bเคานเตอรจ ะยังคงนับไปเรอื่ ยๆ ทจี่ ดุ Z บน ramp voltage , ramp generator voltage ทค่ี ามากกวาVin ณ จดุ นี้เอาตพตุ จากวงจรเปรียบเทยี บเปนลอจิก 0 ซ่ึงลอจกิ 0 นจ้ี ะ disable AND เกต ทําให clockพลั สไ มสามารถมาถงึ เคานเ ตอรไ ดอ ีก เคานเ ตอรจะถูกหยดุ การทํางานไวท ่ี 0110 เลขฐานสอง 0110 น้ีแทนคาทางเอาตพตุ วา มคี าเทากบั 6 โวลต 369

รูปท่ี 13.14 Ramp-type A/D converter a) 3v b) 6v ขอยงุ ยากของ ramp – type A/D converter คือ เวลาที่ตัวมันใชในการนับขึน้ ไปยงั คา ความตางศกั ยทสี่ ูงขน้ึ เปน เวลานานเกนิ ไป ตวั อยา งเชน ถา เอาทพุตเลขฐานสองเปน 8 หลักเคานเ ตอรจะตอ งนบั ไปถงึ 255 เพอื่ ท่ีจะแกค วามบกพรองตรงความลา ชานี้เราจะใช A/D converter ชนดิ อื่นแทน ซงึ่ ชนิดที่ไมม ีปญ หาในแงนค้ี ือ A/D converter แบบsuccessive - approximation บลอ็ คไดอะแกรมของsuccessive – approximation A/D converter แสดงในรูป 13.15 คอนเวอรเ ตอรประกอบดวยวงจรเปรยี บเทยี บแรงดนั (Voltage comparator), D/A converter และวงจรลอจิกชุดใหม ซง่ึ เรยี กวา successive – approximation logic สมมตวิ าเราปอ นศกั ย 7 V ใหก ับอนาลอกอินพตุ successive – approximation A/Dconverter จะเร่มิ ทาํ การคาดคะเนความตางศักยของอนาลอกอินพุต การคาดคะเนของคอนเวอรเตอรต ัวน้ี เรม่ิ ดวยการเซ็ต MSB เปน 1 ซ่งึ แสดงไวในบล็อค 1 รูป13.16 ซึง่ หนวย successive – approximation logic unit เปนตวั ดําเนนิ การนี้ ผลทีไ่ ดอาจจะถูกปอ นกลับใหว งจรเปรยี บเทียบ โดยผาน D/A converter ตัวเปรยี บเทียบจะเปนตวั ตอบคาํ ถามในบลอ็ ก 2รปู 13.16 370

ถา ถามวา 1000 มคี า สูงกวาหรือตํ่ากวา เมอ่ื นํามาเปรียบเทยี บกบั อินพุตโวลเตจ ในกรณีนี้คาํ ตอบของคําถามกค็ อื สูงกวา ดังนั้น successive – approximation ลอจิกจะแสดงการทํางานในบล็อค 3 ตวัเลขที่ 8s จะถกู เคลียรเปน 0 และท่ี 4s จะถูกเซ็ตเปน 1 ผลทไ่ี ด (0100) จะถกู สงกลับไปยังหนวยทีท่ ําการเปรียบเทยี บผาน D/A converter ตัวเปรยี บเทียบกจ็ ะตอบคําตอ ไปในบล็อค 4 วา 0100 มีคา สงู หรือตาํ่กวา เม่ือเปรยี บทยี บกับอินพตุ โวเตจ คําตอบทไี่ ดตอนนี้คือตํา่ กวา (low) = successive-approximationlogic กจ็ ะทาํ งานในบล็อค 5 หลกั ท่ี 2s จะถกู เซท็ เปน 1 ผลทไี่ ด (0110) ถูกสงกลบั ไปวงจรเปรีบยเทียบวงจรเปรยี บเทียบก็จะตอบคําถามในบล็อค 6 วา 0110 สงู หรอื ตํา่ เม่ือเปรยี บเทียบกับอินพตุ โวเตจ คําตอบท่ไี ดคือต่าํsuccessive-approximation logic ก็จะทาํ งานในบล็อคที่ 7 ที่ 1s ถูกเซต็ เปน 1 ผลที่ไดอ อกมาคือเลขฐานสอง 0111ซึง่ หมายถึงศักย 7 Vจะถกู ปอนเขา ที่อนิ พตุ ของ A/D comverter สงั เกตรปู 13.16 วา รายการที่อยูในบล็อคเปนรายการทํางานของ successive-approximationlogic unit ท้ังสิ้น คําถามตา งๆ วงจรเปรยี บเทียบเปน ตวั ใหคําตอบและใหส งั เกตดวยวา การทํางานของsuccessive-approximation A/D converter ขน้ึ อยกู ับวาคาํ ตอบของคาํ ถามคืออะไรเปน Low หรือHigh (ดบู ลอ็ ค 3 และ 5 ประกอบ) ขอ ไดเ ปรียบหรอื ขอดขี อง successive-approximation A/Dconverter คือการทีม่ นั ใชเวลาในการคาดคะเนนอ ยเพ่ือใหไดค าํ ตอบ ขบวนการที่จะใหไ ดคาํ ตอบเอาออกมาเรว็ กวา ชนิดอน่ื ซง่ึ คอนเวนเตอรชนิดนี้เปน ชนดิ ทม่ี ีการใชงานกันอยางกวางขวาง รปู ที่ 13.15 ไดอะแกรมของ successive-approximation-type A/D converter 371

รูปที่ 13.16 Flowchart แสดงการทํางานของ Successive-approximation-type A/D converter13.9 คุณสมบตั ขิ อง A/D converter โรงงานผผู ลติ converter ไดทําการผลติ A/D converter ออกมาใหเลือกใชก นั มากมายหลายชนิด จากการสํารวจลาสดุ พบวามี A/D converter กวา 300 ชนดิ จากผูผ ลติ หลายแหง ดวยกันรายละเอยี ดปลกี ยอ ยตางๆ ของ_ จะไดก ลา วถึงตอไป 372

ชนิดของเอาทพตุ โดยทวั่ ไปแลว A/D converter จะถกู แบงเปนชนิดทใ่ี หเอาทพ ุทออกมาเปนเลขฐานสิบ แลเปนเลขฐานสอง converter ทท่ี ําหนา ท่เี ปล่ียนสญั ญาณอนาล็อกเปนดิจิตอลท่มี ีเอาทพ ตุ เปน เลขฐานสบิมกั จะถกู ใชเ ปนดจิ ิตอลโวลทม เิ ตอรแ ละถูกใชใ น digital panel meter และ DMM คอนเวอรเตอร ท่ีเปลีย่ นสญั ญาณอนาล็อกเปนดิจิตอลที่มีเอาตพ ุตเปน เลขฐานสองจะมเี อาทพ ตุ จํานวนต้งั แต 4 ถงึ 16เอาทพ ตุ ตัวแปลงสัญญาณอนาลอกเปนสัญญาณดิจิตอล ทม่ี ีเอาทพตุ เปน เลขฐานสอง จะเปน อปุ กรณอนิ พุตชนิดหน่งึ ในระบบที่มีไมโครโปรเซสเซอรเปนฐานในการควบคุม(microprocessor-based)เรียกวา A/D converter แบบ vuP-Typeความละเอยี ด (resolution) ผลท่ีไดจากการทํางานของ A/D converter เปนตัวเลขฐานสอง เอาทพตุ ท่ีออกมาเปน เลขแบบหลายบติ สําหรับแบบทใี่ หเอาทพ ุตออกมาเปน เลขฐานสิบ (ใชใ นDMM) ผลท่ีไดเปนตวั เลขในฐานสิบ (เชน31/2 หรอื 41/2) โดยทั่วไปแลว A/D converter ท่ีมีเอาทพ ตุ เปนเลขฐานสอง จะมจี าํ นวนบิตเปน4,6,8,10,12,14และ 16 บติ อาจมกี าร error เกิดขึ้นบา งเล็กนอ ย เนื่องการใช discrete binary stepเพื่อแทนสัญญาณอนาลอกที่มีความตอ เนื่องกนั เรยี กวา quantizing error A/D converter ขนาด 16 บติ มีความถูกตองละเอียดแมน ยํามากกวา แบบ 4 บติ เพราะวามันแบง อนิ พุตหรืออา งอิงโวลตเ ตจเปน discrete step ท่ีเลก็ ๆ ตวั อยา งเชน แตละstep ใน A/D converterแบบ 4 บิต จะตอ งเปน หนึง่ ในสบิ หา(24-1=15) ของอนิ พตุ โวลตเตจ ผลทีอ่ อกมาคือ 6.7 % (1/15 * 100= 6.7 เปอรเ ซน็ ต) อยา งไรก็ตามในกรณขี อง A/D converter แบบ 8 บติ ควรจะมี discrete step เปนจํานวน 255(28-1 = 255) ซง่ึ จะเทา กบั 0.39 เปอรเ ซ็นต (1/255 * 100 = 0.39 เปอรเซ็นต) ซึง่ A/D converterแบบ 8 บิต มคี วามละเอยี ดแมนยาํ มากกวาชนดิ 4 บติความแมน (accurcy) ผลจากการทํางานของ A/D converter อาจมีขอผิดพลาดทางตวั เลขอนั เนื่องมาจาก discretestep ทพ่ี บท่ีเอาทพตุ ของไอซี ซึ่ง A/D converter ทกุ ตัวมีความผิลพลาดอนั น้ีอยู นอกจากนัน้ ความผิดพลาดที่เกดิ ข้นึ ใน A/D converter อกี อยางหนึ่งก็คือ analog componentเชน วงจรเปรียบเทียบและความผิดพลาดอ่นื ๆ อนั เน่อื งมาจากโครงขายวงจรของตวั ตา นทาน ความละเอยี ดแมนยาํ ของ A/D converter เรียกวา accuracy ของไอซี A/D converter คา accuracy ของไอซี A/D converter ท่มี เี อาทพุตเปนเลขฐานสองมีชอ งกวางจาก +1/2 LSBถึง+2 LSB สว น accuracy ของ A/D converter แบบที่ใหเ อาทพ ุตเปน เลขฐานสิบ จะมชี ว งกวางต้ังแต0.01 ถงึ 0.05 เปอรเซ็นต 373

เวลาการแปลงผนั (conversion time) conversion time เปนรายละเอยี ดเฉพาะของ A/D converter อันหนึง่ ทส่ี ําคญั ซง่ึ เปนเวลาที่A/D converter ใชใ นการใหไอซี เปลี่ยนคา อนาลอกทางอนิ พตุ ใหเ ปนขอมลู เอาตพตุ เลขฐานสอง (หรือเลขฐานสิบ) โดยทว่ั ไปแลว conversion time ของ A/D converter ที่มีเอาตพตุ เปนเลขฐานสิบมักอยูในชวง 200 ถงึ 400 ms สว น A/D converter ที่มีเอาตพตุ เปนเลขฐานสองมักมีคา conversion timeอยูร ะหวาง 0.05 ถึง 100,000 mWรายละเอียดเฉพาะอน่ื ๆ ลักษณะเฉพาะอืน่ ๆ โดยทว่ั ไปนอกเหนือจากที่กลาวมาแลวของ A/D converter คือคาแรงดนัจากแหลง จากไฟมกั มคี า ประมาณ +5 V อยา งไรกต็ าม A/D converter บางตวั ก็ทาํ งานทค่ี าโวลตเตจ +5ถงึ +15 Volt ระดบั แรงดันทางเอาตพตุ เปน ทง้ั แบบ TTL, CMOS หรอื tristate (สามสถานะ) ชวงกวางของอนิ พตุ โวลเตจมกั เปน 5 Volt คาการสญู เสียกําลงั สงู สุดของ A/D converter มกั มคี า อยรู ะหวา ง 15 ถึง3000 mW3.10 ไอซี A/D converter ในหัวขอนเี้ ราจะกลาวถึงไอซี A/D converter ที่ซื้อขายกันโดยทั่วไป รปู 13.17 (a) แสดงไดอะแกรมรายละเอียดของขาตางๆ ของไอซี A/D converter เบอร ADC 0804สาํ หรับรูปท่ี 13.17 (b)แสดงรายละเอียดท้ังหมดในแตล ะขาของไอซี ADC 0804 374

รูปท่ี 13.17 ไอซเี บอร ADC0804 A/D converter a)ลัษณะขา b) หนาที่ของขาตา งๆ A/D converter เบอร ADC 0804 ถกู ออกแบบมาใหส ามารถเช่ือมตอเขา โดยตรงไดก บัไมโครโปรเซสเซอรห ลายๆ เบอรเชน Z80, 8085, 8080 บางขาของไอ ADC 0804 อาจเหมอื นกับขาของไมโครโปรเซสเซอรที่เราใชงานกนั ท่ัวไป เชนINTR ใชชื่อขา WRและ RD ซง่ึ คลา ยกบั ขาและ INTR, WR และ RD ในไมโครโปรเซสเซอร 8085ไอซี ADC0804 สามารถเชื่อมตอ กบั ไมโครโปรเซสเซอรแ บบ 8 บติ ทนี่ ยิ มใหกันท่วั ไปชนดิ อ่ืนๆ ไดอกี ดวยเชน6800และ 6502 ขา CS control inputใหส ําหรบั รับสญั ญาณ (chip select) จากวงจรถอดรหัสคาแอดเดรสในไมโครโปรเซสเซอร 375

ADC 0804 เปน successive-approximation A/D converter แบบ 8 บิต CMOS มเี อาทพ ุตสามสถานะ (Three state เอาตพ ตุ ) ดงั น้นั จึงสามารถทีจ่ ะเช่อื มตอเขาโดยตรงกับระบบmicroprocessor – base system ทาง data bus ได (บัสขอมูลในระบบไมโครโปรเซสเซอร) ADC 0804 มีเอาทพุตเลขฐานสองและมี conversion time เพียง 100 us เทานั้น อินพุตและเอาทพ ตุ ของมันเขา กนั ไดท ้งั MOS และ TTL มตี ัวกาํ เนิด clock รวมอยใู นชพิ สําเรจ็ รปู อยูแ ลว โดยจะตองตอ อุปกรณภายนอก(ตัวตานทาน ตัวเก็บประจุ ) เพิม่ เติม เพอื่ ใหทํางานได รูปที่ 3.18 การทดสอบไอซีเบอร ADC0804 ไอซี ADC 0804 ทาํ งานดวยไฟ DC 5 V จากพาวเวอรซัพพลายและสามารถใสร หัสความตา งศกั ยอนาลอกทางอินพุตไดตั้งแต 0 ถงึ 5 V ไอซี ADC 0804 สามารถนาํ มาทดสอบโดยใชว งจรในรปู13.18 ได หนา ท่ขี องวงจรคือใสรหัสความแตกตางกันของศักดาไฟฟาระหวา ง Vin (+)และ Vin (-)เปรียบเทยี บกบั ระดับแรงดันอา งอิง เพ่อื ใหสัมพนั ธกับคา ตวั เลขฐานสอง ตัวอยา งเชน ADC 0804 เปน แบบ 8 บิต หรือ 0.39 เปอรเ ซ็นต หมายความวาในแตละ 0.02 V(5.12 * 0.39 = 0.002 V) ที่เพิม่ ในศักยไฟฟา ที่ analog input ตวั เลขฐานสองจะนบั เพ่มิ ข้ึน 1 สวิทชเริ่มตน (Start) ในรปู 13.18 ถูก close เปนครั้งแรกและถูก open เพ่อื เร่มิ ตน free running ของ A/Dconverter ท่เี รียกเปน การ free run ก็เนอ่ื งมาจากมนั จะเปล่ยี นสัญญาณ analog input เปนเอาทพุตแบบ digital อยางตอ เนื่อง สวติ ช start ควรถกู ปลอยให open เพอื่ ให A/D converter จะมีการทํางาน 376

WR input ในทีน่ ้ีจะถือเปน clock input ที่มี interupt เอาตพตุ (INTR) สญั ญาณ WR ท่ีจดุ ส้นิ สุดการเปลย่ี น analog เปน digital ในแตละคร้งั การเปลี่ยนจาก L และ H ของสญั ญาณที่ WR อินพุต เปนการเริ่มกระบวนการทาํ งานในการแปลง analog เปน digital ของ A/D เมอ่ื การแปลง (A/D) เสรจ็ ส้ินลง สว นทแ่ี สดงผลเปนเลขฐานสองกจ็ ะเปลยี่ นแปลงและเอาทพตุINTR จะใหพ ลั สลบ พลั สอนิ เทอรรพั ท่เี ปน ลบจะถูกปอ นกลับให clock อินพตุ WR และจะถูกนําไปยงั การเปลี่ยน A/D ครั้งตอไป วงจรในรปู 13.18 แสดงการเปลย่ี น A/D 5,000 ถึง 10,000 ครั้งตอ วินาที อตั ราเรว็ การเปลีย่ นA/D ของไอซี ADC 0804 นับวาคอ นขา งสูงเพราะใชเทคนิค successive – approximation ในขบวนการเปล่ยี นตวั ตา นทาน(R1) และตวั เกบ็ ประจุ(C1) ตอ เขา กับ CLK R และ CLK IN อนิ พุตใหก ับไอซีADC 0804 ในรูป 13.18 ทําให clock ภายในเกิดการตานขอ มลู เอาตพ ตุ (DB7-DB0) จะผลักดนั ใหL EDแสดงผลเปนเลขฐานสองขอ มลู เอาทพ ุตเปนเอาทพุตสามสถานท่ี active High เอาทพุตเลขฐานสองของรูป 13.18 เปน อะไรถา analog input voltage เปน 1.0 V ? ลองนกึ ถึงวา แตละ 0.02 volt เทา กับการนับทลี ะ 1 ในเลขฐานสองหาร 1.0 V ดว ย 0.0.02 Vเทากับ 50 ในเลขฐานสิบ เปลีย่ น 5010 เปน?2 จะได 001100102 ตวั ชี้คา เอาทพตุ ก็จะแสดงคาเลขฐานสอง 00110010 (LLHHLLHL)13.11 เครอื่ งวัดแสงระบบดิจติ อล A/D converter เปนอปุ กรณอิเล็กทรอนกิ สท ่ีใชสําหรบั เปลยี่ นคาอนาลอกอนิ พตุ ใหอยูในรปู ของดิจติ อล คาอนาลอกอนิ พุตเหลา นี้มกั มาจาก transducer ตวั อยางเชน ความเขมของแสงอาจถูกเปลย่ี นใหเปน คาความตานทานคา ตา งๆโดยใช photocell ไดอะแกรมของ digital light meter เบอื้ งตน แสดงไดด งั รูปที่ 13.19 ไอซี ADC 0804 ถกู ตอเปน free เชนเดียวกันทีเราไดกลา วถึงในหัวขอทแ่ี ลว 377

รปู ที่ 3.19 ไดอะแกรมวงจรเคร่ืองวดั แสง โดยใหเอาตพตุ เปนเลขไบนารี่ สวติ ชสําหรบั กาํ หนด จะสามารถทําการกดเพียง 1 ครง้ั เม่ือเรมิ่ การใชง าน A/D converter จะวดั คา อนาลอกอินพตุ ไดโดยวัดครอมตวั ตา นทาน R2 ตัวโฟโตเซล(R3) เปนตัวตรวจจับแสง หรือ ทรานดวิเซอร (transducer) ในวงจรนเ้ี มอื่ ความเขม แสงเพมิ่ ข้ึน ความตานทานของโฟโตเซล จะลดลงการลดลงของความตานทานของR3จะทาํ ใหมีกระแสผานตัวตานทานทีต่ อ อนกุ รมกนั อยูค ือ R2และ R3เพิ่มมากขน้ึ กระแสทผ่ี านตวั R2มากขน้ึ จะทําใหม ี ความตางศักยทค่ี รอ มตวั ตา นทานเพ่มิ มากข้นึ ดว ย คา ความตางศกั ยตกครอม R2 เปน อนาล็อกอินพตุ โวลเตจของ A/D converter การเพ่มิ ของอนาลอกอนิ พุต ทําใหเกดิ การเพิ่มขน้ึ ของตวั เลขฐานสองทเ่ี ปน เอาทพ ุต โฟโตเซลชนดิ แดคเทยี มซลั ไฟดท ่ีถกู นํามาใชในรปู 13.19 เปนตวั ตา นทานปรบั คาได เมอ่ื ความเขมของแสงทต่ี กกระทบโฟโตเซลเพ่ิมมาข้นึ ความตานทานของมนั จะนอยลงโฟโตเซลชนดิ ทใ่ี ชใ นรปู 13.19อาจมคี า ความตา นทานสูงสุดประมาณ 500 ko และมีคาต่าํ สดุ ประมาณ 100 o โฟโตเซล ชนิดที่เปนแคดเมยี มซลั ไฟดจ ะมคี วามไวตอแสงสเี ขยี ว เหลอื งมาก ตวั โฟโตเซล ยงั อาจใชเปน โฟโตรวี สิ เตอร หรือ โฟโตรีซสิ ทีฟเซล (photo resistor หรอื photo resistive cell) ไดอีกดวย โฟโตเซลชนิดอืน่ ๆ อาจนํามาใชแ ทนชนดิ ทใี่ ชในรูป 13.19 ไดถา photocell ทน่ี าํ มาใชแทนมีคาความตานทานท่ีตา งกันจะตอ งทาํ การเปล่ยี นคา ตัวตา นทาน R2 ในวงจรเคร่อื งวัดความเขมแสง เพ่ือใหเอาตพ ุตเลขฐานสองทอ่ี อกมามีคา เหมาะสม 378

รูปที่ 13.20 บล็อกไดอะแกรมของเครอ่ื งวัดความเขมแสงแบบดิจิตอล ท่ีแสดงผลเปนเลขฐานสิบ วงจรเคร่อื งวัดความเขมแสงแบบท่ีสองแสดงในรูปท่ี 13.20 light meter ตวั นีจ้ ะชี้ความเขม ทสี่ องสวา งของแสงทตี่ กกระทบกับโฟโตเซลในรปู ของเลขฐานสบิ (clock) ตวั ใหมนีม้ ีลกั ษณะวงจรคลายคลงึ กับวงจรในรูป 13.19 แตม ี clock เพิม่ เขา มาในวงจร clock ประกอบดว ย 555 timer IC, ตัวตานทาน สองตวั และตวั เก็บประจทุ ี่ตอ กนั เปน astable multivibrator clock จะใหTTLเอาตพ ุตที่มีความถี่ประมาณ 1Hz นนั่ หมายความวา analog input voltage จะถูกเปลี่ยนใหอ ยูในรูปดิจิตอลเพยี งหน่งึ ครัง้ ตอวินาทีอัตราการเปลีย่ นท่ตี ํ่าเชนนจี้ ะทาํ ใหเกิดชวงหางจากการส่นั ในระหวางการอานผลจากสวนแสดงผล LED 7segment ไอซี 7447A ถอดรหัส MSB ส่ีบติ สูง (DB7, DB6, DB5, DB4) จากเอาตพตุ ของ A/D converterไอซ7ี 447A จะขับ segment ในสวนแสดงผล 7 segment แสดงผล ตัวตา นทานขนาด 150Oเจด็ ตัวระหวางไอซี 7447 A และสว นแสดงผล LED 7 segment จะจาํ กัดกระแสท่ไี หลผา น segment เพื่อรักษาระดับไวใ นวงจรทก่ี ลาวมาแลว ( รูป13.19) เอาตพุตของlight meter (มิเตอรวัดแสง) ตัวใหมอ าจตอ งถกู แบง สเกลเปนระดับตา งๆ เพอ่ื จะไดร ะบใุ หชัดเจนวาแสงที่ความเขมต่ําจะมีคา เปน 0 และแสงทม่ี ีความเขม สูงมาก จะมีคาเปน 9 และแสดงผลบน LED 7 segment คา ของตัวตานทาน R2 สามารถเปลีย่ นไดเพื่อบง ขนาดของเอาทพุตถา R2 ถูกแทนทดี่ ว ยตวัตา นทานท่มี ีคาตํา่ กวา เอาตพ ตุ เลขฐานสิบ อานคาความเขม แสงคา หนงึ่ ๆ เปน คา ตัวเลขที่ตาํ่ กวาทง้ั 7 เปนคาตัวเลขท่ีต่ํากวาทั้ง 7 ทีเ่ ปนความเขมแสงอนั เดียวกัน อยา งไรกต็ าม ถาคาความตานทานของ R2เพม่ิ ขน้ึเอาทพตุ ก็จะอา นออกมาเปน คา ทส่ี ูงกวา 379

13.12 ดิจิตอลโวลตม ิเตอร โรงงานผผู ลิตชิพ จาํ พวก A/D converter จะผลติ มาท้ังแบบท่ใี ชกับmicroprocessor หรือแบบท่สี ามารถตออปุ กรณแสดงผล(display type A/D converter) ไดทันที แบบทตี่ อกบั อุปกรณแสดงผลไดชนดิ display (display - type) ถูกนํามาใชในการสรา ง digital volt meter, digital thermometerและdigital multi meter เฉพาะ A/D converter แบบ display-type เทานน้ั ที่เราจะกลาวในหวั ขอ นี้ แผนผงั แสดงรายละเอียดการใชงานขาตา งๆ ของ A/D converter ชพิ เด่ียวเบอรI CL7106 ซง่ึ เราสามารถตอกบั LCD 31/2-digit ของ tlovis semiconductor แสดงอยใู นรูปที่ 13.21 IC CMOS น้ีบรรจอุ ยแุ พคเกจ แบบ DIP และ surface – mount package ซ่งึ เปน แบบใหม รูปดา นบนของ IC package ท้ังสองชนดิ แสดงดังรปู 13.21 สงั เกต ตําแหนงของขา 1 บนแพคเกจแบบ surface mount ในรปู 13.21 (b) สงั เกตวา จํานวนขาของแบบ DIP และแบบ surface –mount package ไมเ ทากนั A/D converter IC78106 ใชอ ปุ กรณ passive ตอ ภายนอกเพยี ง 10 ตวั เทา นัน้ รวมทั้งสว นแสดงผล LCD เพ่อื ทาํ เปน pence meter แบบ 31/2 digit ไดอะแกรมของ panel meter ท่ใี ช LCD31/2 digit แสดงอยใู นรูป 13.22 (b) วงจรของมิเตอรในรปู 13.22 (a) จะสามารถวัดโวลตเตจไดตัง้ แต 0ถงึ 200 mV ชว งของโวลเตจทีถ่ กู จํากดั (0 ถงึ 0.2 V) ของ pence meter ในรปู 13.22 สามารถทําการขยายชวงการวัดของโวลตมเิ ตอรโดยใชว ิธดี งั รปู 13.23 อนิ พตุ โวลเตจ ( 0 ถึง 19.99 V) ถกู หารดวย 100โดยตัวตา นทานอนุกรม R1 และ R2 panel meter มี potentiometer ทีใ่ ชส ําหรับปรับคาโวลเตจอางองิเพอื่ ใหการวัดขาดมีความแมนยาํ ถึงแมว า ตัวตานทาน R1แล R2 จะไมมีคา ถูกตอ งแนอยา งย่ิงก็ตาม สามารถนําอุปกรณภายนอกเพิ่มเขามาในวงจรของ panel meter ในรูป 13.22 เพ่ือทําการวดัคา กระแส ac voltage, และความตา นทานได A/D converter IC78106 เปนอุปกรณทผี่ ลิตข้นึ มาโดยใชเทคโนโลยี CMS โดยทั่วไปแลวมนั ใชพลังงานนอ ยกวา 10 mW ในการทาํ งานกบั แบตเตอรร่ี 9V หนง่ึ กอ น IC78106 มีจดุ เดน ที่มี clock ในตวั โวลเตจอางอิง ตัวถอดรหัสและแสดงผลไดโ ดยตรงทาง LCD7 Seqment 380

รปู ท่ี 3.21 ลกั ษณะไอซเี บอร ICL7106 single-chip A/D converter 381

รปู ที่ 3.22 รูปรา งของวงจร 3-1/2 digit panel meter 382

รปู ที่ 13.23 การใช panel meter วัดความตา นมาน ไอซี ICL7106 เวอรชั่นอ่ืนๆ เชน A/D converter ชิพเดี่ยว LED 31/2 digit ICL 7107 มีการทํางานเหมอื นกับ IC78106 ทุกอยา งยกเวนกําลังไฟทีจ่ ายใหม ีคา +5 V/-5V ICL7106 เปน ไอซบี ทท่ีสามารถสรา งเปน digital thermometer ไดด วยเชน กัน 383

แบบฝกหัดทายบท รูปท่ี 13.24 ใชต อบโจทยค ําถามขอท่ี 11. จากรปู ท่ี 13.24 ใหนักศึกษาเขยี นอธบิ ายการทํางานของวงจรโดยละเอียด 384

รปู ที่ 13.25 (a) ใชตอบโจทยคาํ ถามขอ ท่ี 2 385

รปู ที่ 13.25 (b) ใชตอบโจทยค าํ ถามขอ ท่ี 2 386

รปู ท่ี 13.25 (c) ใชต อบโจทยคําถามขอ ที่ 22. จากรปู ท่ี 13.25 (a) - 13.25 (c) เปนวงจรนาฬกิ าดจิ ติ อล ใหนกั ศึกษาเขยี นอธิบายการทํางานของวงจรโดยละเอียด 387

รูปท่ี 13.26 ใชต อบโจทยค าํ ถามขอท่ี 33. จากรูปท่ี 13.26 ใหน กั ศกึ ษาเขยี นอธิบายการทํางานของวงจรโดยละเอยี ด 388

รูปท่ี 13.27 ใชต อบโจทยค าํ ถามขอท่ี 44. จากรูปท่ี 13.27 ใหน กั ศกึ ษาเขยี นอธิบายการทํางานของวงจรโดยละเอยี ด 389

รูปท่ี 13.28 ใชต อบโจทยค าํ ถามขอท่ี 55. จากรูปท่ี 13.28 ใหน กั ศกึ ษาเขยี นอธิบายการทํางานของวงจรโดยละเอยี ด 390