หน่วยที่1 เรื่อง หลักการของระบบดิจิตอล

[ปี ] วชิ าวงจรดิจิทัลเบอื้ งต้น หนว่ ยท่ี ๑ เร่อื ง หลกั การของระบบดิจทิ ลั electronic1 [วนั ท]ี่

ใบความรู้ท่ี 1.2 20 รหัสวชิ า 2104 – 2116 ชอ่ื วิชา ดจิ ิตอลเบ้อื งต้น หน่วยที่ 1 ช่ือหน่วย : หลักการของดจิ ติ อลเบ้ืองต้น สอนคร้งั ที่ 1 ชื่อเร่อื ง : หลักการของดจิ ิตอลเบอ้ื งต้น จานวน 5 ชว่ั โมง จานวน 2 ชั่วโมง 1.2 หลกั การของดจิ ิตอลเบือ้ งต้น การใชช้ ีวติ ของมนุษย์ในปัจจุบนั น้ัน จะเกย่ี วขอ้ งกบั ระบบดิจติ อลแทบทง้ั ส้ินเพราะเทคโนโลยีท่ใี ช้ อยูใ่ นปัจจุบนั น้ัน ได้ถูกพฒั นาเป็ นระบบดิจิตอล เชน่ คอมพิวเตอร์ โทรศพั ท์ กลอ้ งถา่ ยรูป และเคร่ือง อานวยความสะดวกอ่ืนอีกมากมาย ในขณะเด่ยี วกนั น้ีการพฒั นาคดิ คน้ เกย่ี วกบั วงจรดิจติ อลและระบบ ดิจิตอลยังคงมกี ารคิดคน้ และพฒั นาอยา่ งตอ่ เนื่อง ทาใหม้ เี ครื่องใช้ไฟฟ้ าและอิเล็กทรอนิกส์ ตลอดจน เคร่ืองอานวยความสะดวกอน่ื ๆเกดิ ข้นึ มากมายแสดงดงั รูปที่ 1.1 รปู ท่ี 1.1 เครื่องใชไ้ ฟฟ้ าและอิเลก็ ทรอนิกส์ ที่มา : http://www.scts.co.th/catalog/index.php?cPath=4 1.2.1 นิยามของสัญญาณแอนะล็อกและสัญญาณดจิ ิตอล สัญญาณทางไฟฟ้ าท่ีใช้ใน ระบบอิเล็กทรอนิ กส์น้ัน สามารถแบง่ ออกได้เป็ น 2 ประเภ ท ไดแ้ ก ่สญั ญาณแอนะลอ็ ก (Analog Signal) และสญั ญาณดจิ ิตอล (Digital Signal)

ใบความรู้ท่ี 1.2 21 หน่วยที่ 1 รหัสวชิ า 2104 – 2116 ชือ่ วิชา ดจิ ิตอลเบ้อื งต้น สอนคร้งั ท่ี 1 ช่ือหน่วย : หลักการของดิจิตอลเบื้องต้น จานวน 5 ช่วั โมง จานวน 2 ช่ัวโมง ชื่อเร่อื ง : หลักการของดิจิตอลเบอื้ งต้น 1.2.1.1 สัญญาณแอนะล็อก จากรูปท่ี 1.2 เมอ่ื เราคอ่ ยๆปรับคา่ VR หรือตวั ต้านทานปรับคา่ ไดจ้ ากคา่ มากไปหาคา่ น้อยจะทาให้ Lamp หรือหลอดไฟคอ่ ยๆสวา่ งข้ึนไปเรื่อยๆจนถึงคา่ แรงดนั สูงสุดและเมอ่ื เราทาการปรับ คา่ ของตวั ตา้ นทานให้มากข้ึนก็จะทาให้หลอดไฟหรี่ลงหรือสวา่ งน้อยและเมอื่ ทาการปรับคา่ ของตวั ตา้ นทานสลับไปมา แลว้ ทาการวดั สัญญาณจะไดส้ ัญญาณดงั แสดงในรูปที่ 1.3 สัญญาณดงั กลา่ วเรียกวา่ “สัญญาณแอนะล็อก” ดงั น้ันสัญญาณแอนะล็อก(Analog Signal) หมายถึงสญั ญาณที่มคี วามตอ่ เน่ืองของ ขนาดสัญญาณ มลี กั ษณะเป็ นคลื่น ไซน์ (sine wave) มีคา่ ไดต้ ้ังแตโ่ วลต์ต่าสุด จนถึงคา่ โวลต์สูงสุ ด ตอ่ เนื่องกนั ไป รูปที่ 1.2 วงจรแอนะล็อกเบอื้ งตน้ แรงดนั (V) ระดบั สูงสุดของสัญญาณ เวลา ( t ) รูปที่ 1.3 สญั ญาณแอนะล็อก

ใบความรู้ที่ 1.2 22 หน่วยท่ี 1 รหัสวิชา 2104 – 2116 ช่อื วชิ า ดิจติ อลเบ้ืองต้น สอนคร้งั ที่ 1 ชอื่ หน่วย : หลักการของดิจติ อลเบื้องต้น จานวน 5 ชวั่ โมง จานวน 2 ชว่ั โมง ชื่อเรื่อง : หลักการของดจิ ิตอลเบอื้ งต้น 1.2.1.2 สัญญาณดจิ ติ อล จากรูปที่ 1.4 เมอ่ื โยกสวิตช์ให้อยูใ่ น ตาแหน่ง On ทาให้มีกระ แสไหลจาก Power Supply หรือแหลง่ จา่ ยไฟไปยัง Lamp หรือหลอดไฟ ทาให้หลอดไฟติดสวา่ ง และเมอ่ื โยกสวติ ช์กลบั มาที่ ตาแหน่ง Off ทาให้ไมม่ กี ระแสไหลจากแหลง่ จา่ ยไปยังหลอดไฟ ก็จะทาให้หลอดไฟดบั เมอ่ื เราโยก สวติ ช์สลับไปมาระหวา่ งตาแหนง่ On กบั Off กจ็ ะทาให้หลอดไฟติดและดบั สลบั ไปมาตามจงั หวะของ การโยกสวติ ช์ สัญญาณท่ีไดจ้ ากวงจรกจ็ ะเป็ นลักษณะมีกบั ไมม่ หี รือเรียกวา่ สัญญาณดิจิตอล ดงั น้ัน สัญญาณดิจิตอล (Digital Signal) คือ สัญญาณที่ ไมต่ อ่ เนื่องท่ีมขี นาดแนน่ อนซ่ึงขนาดดังกลา่ วอาจ กระโดดไปมาระหวา่ งคา่ สองคา่ คอื สัญญาณระดบั สูงสุดและสญั ญาณระดบั ต่าสุดแสดงดงั รูปท่ี 1.5 รปู ท่ี 1.4 วงจรดจิ ิตอลเบอ้ื งตน้ แรงดนั (V) หลอดไฟติดสวา่ ง หลอดไฟดบั ระดบั สูงสุดของสญั ญาณ ระดบั ตา่ สุดของสญั ญาณ เวลา (t) รปู ท่ี 1.5 สัญญาณดิจติ อล

ใบความรู้ท่ี 1.2 23 หน่วยที่ 1 รหัสวชิ า 2104 – 2116 ช่อื วิชา ดจิ ติ อลเบอ้ื งต้น สอนคร้งั ที่ 1 ชือ่ หน่วย : หลักการของดิจิตอลเบอื้ งต้น จานวน 5 ชั่วโมง จานวน 2 ชว่ั โมง ชื่อเร่ือง : หลักการของดจิ ิตอลเบ้ืองต้น 1.2.2 สถานะของลอจกิ ในระบบดิจิตอล ในระบบดจิ ิตอลสถานะของลอจกิ จะมี 2 สถานะ คือสถานะ “0” กบั สถานะ “1” ซ่ึงสามารถ เปรียบเทยี บกบั สถานะตา่ งๆ เชน่ สถานะสวติ ช์ สถานะหลอดไฟ และสถานะอนื่ ๆสรุปไดด้ งั ตารางที่ 1.1 ตารางท่ี 1.1 สถานะของลอจกิ ในระบบดจิ ติ อล สถานะ สถานะ สถานะ สถานะ สถานะ สถานะ ระดบั ลอจิก สวติ ช์ สวิตซ์ สวิตซ์ หลอดไฟ แรงดัน สัญญาณ 0 Off Open ดบั 0 V L (Low) 1 On Close ตดิ 5 V H (High) 1.2.3 ไอซดี ิจติ อล วงจรรวมหรือทีเ่ รียกยอ่ ๆวา่ ไอซี ( IC ยอ่ มาจาก Integrated Circuit) คอื วงจรที่นาเอาไดโอด, ทรานซิสเตอร์ ,ตวั ตา้ นทาน,ตวั เก็บประจุ และองค์ประกอบวงจรตา่ ง ๆ มาประกอบรวมกนั บนแผน่ วงจร ขนาดเล็กซ่ึงอุตสาหกรรมเกย่ี วกบั สารก่งึ ตวั นาเพื่อผลิตไอซีดิจิตอล ได้เกดิ ข้ึนเมอื่ ต้นปี ค.ศ.1960 ใน ปัจจุบนั แผน่ วงจรน้ีจะทาดว้ ยแผน่ ซลิ คิ อน บางทีอาจเรียก ชิพ (Chip) และสรา้ งองค์ประกอบวงจรตา่ งๆ ฝังอยบู่ นแผน่ ผลกึ น้ีแสดงดงั รูปที่ 1.6 รปู ที่ 1.6 ไอซดี ิจิตอล ทมี่ า : http://www.compomax.co.th/industries/ic-packaging/

ใบความรู้ท่ี 1.2 24 หน่วยที่ 1 รหัสวชิ า 2104 – 2116 ช่อื วิชา ดิจติ อลเบือ้ งต้น สอนคร้งั ท่ี 1 ช่อื หน่วย : หลักการของดจิ ิตอลเบื้องต้น จานวน 5 ชว่ั โมง จานวน 2 ชว่ั โมง ช่ือเรอื่ ง : หลักการของดิจติ อลเบื้องต้น 1.2.3.1 ชนิดของไอซีดิจิตอล ไอซีดจิ ิตอล จาแนกตามลักษณะโครงสร้างของวงจรภายใน ทีน่ ิยมใชก้ นั ในปัจจุบนั มี 5 ชนิด คือ 1.2.3.1.1 ตระกลู ดีทีแอล ( DTL : Diode – Transistor Logic ) 1.2.3.1.2 ตระกลู อาร์ทีแอล ( RTL : Resistor – Transistor Logic ) 1.2.3.1.3 ตระกลู ทีทีแอล ( TTL : Transistor – Transistor Logic ) 1.2.3.1.4 ตระกลู อีซีแอล ( ECL : Emitter – Coupled Logic ) 1.2.3.1.5 ตระกลู มอส (MOS : Metal Oxide Semiconductor ) 1.2.3.2 ไอซีตระกลู ทที แี อลชนดิ ต่าง ๆ ไอซีตระกลู ทีทแี อล เป็ นไอซีที่นิยมใชก้ นั อยา่ งกวา้ งขวางมอี ยูห่ ลายชนิดถา้ เป็ นชนิด มาตรฐานจะเขียนยอ่ วา่ SN 54 หรือ SN 74 โดยที่ SN54 สามารถทางานที่อุณหภูมิ -55 องศาซี ถึง125 องศาซี และ SN74 สามารถทางานทีอ่ ุณหภูมิ 0 องศาซีถงึ 70 องศาซี และถา้ เป็ นชนิดความเร็วสูง จะเขยี น ยอ่ วา่ SN 54H หรือ SN 74H 1.2.3.2.1 ทีทีแอลช นิ ดมาตรฐาน (Standard TTL) มีคณุ สมบัติใน การสวิตชิ่ง หรื อ เวลาหนว่ ง 10 ns มกี าลงั สูญเสียตอ่ เกตหน่ึงตวั ที่บรรจุอยภู่ ายใน 10 mW มีกระแสซิงค์ ( IOL ) ประมาณ 16 mA และกระแสซอร์ส ( IOH) 400 µA 1.2.3.2.2 ทีทีแอลช นิ ดความเร็วสู ง (High speed TTL) จากวง จรทีทีแอลมาตรฐาน โดยการลดความตา้ นทานภายในวงจรลงในข้นั ตอนของขบวนการผลิต คา่ เวลาคงที่ (Time Constant) จะ ต่าลงเป็นผลใหเ้ วลาหน่วงลดลง น่ันคอื ความเร็วในการทางานเพิ่มข้นึ แตผ่ ลของการลดความตา้ นทานลง ทาใหก้ ระแสไหลในวงจรสูงข้ึน ซ่ึงหมายความวา่ คา่ กาลงั งานสูญเสียจะเพ่ิมข้ึน ไอซีชนิดความเร็วสูงน้ี จะมเี บอร์ท่ีข้นึ ตน้ ดว้ ย 74H เป็นตน้ ซ่งึ จะมเี วลาหนว่ ง ประมาณ 6 ns และมกี าลงั สูญเสีย 22 mw 1.2.3.2.3 ทีทีแอลช นิ ดกาลงั งานต่า (Low power TTL) โดยการเพ่ิมความตา้ น ทาน ภายในวงจรทที แี อลมาตรฐานในขน้ั ตอนการผลติ กระแสในวงจรจึงไหลไดน้ อ้ ยลง น่ันคือเราสามารถลด กาลังงานสูญเสียลงได้ แตผ่ ลของการเพ่ิมความตา้ นทานภายในวงจรจะทาให้คา่ เวลาคงท่ีของวงจร เพิม่ ข้ึนตามไปดว้ ยเป็นผลให้เวลาหนว่ งเพ่ิมข้นึ ไอซที ีทีแอลชนิดใชก้ าลงั งานตา่ น้ี จะมเี บอร์ท่ีข้นึ ตน้ ดว้ ย 74L เป็นตน้ และจะมกี าลงั งานสูญเสีย ประมาณ 1 mw และมคี า่ เวลาหนว่ งประมาณ 33 ns

ใบความรู้ท่ี 1.2 25 หน่วยที่ 1 รหัสวชิ า 2104 – 2116 ชอ่ื วิชา ดิจติ อลเบ้อื งต้น สอนคร้งั ที่ 1 ช่อื หน่วย : หลักการของดจิ ติ อลเบ้ืองต้น จานวน 5 ชวั่ โมง จานวน 2 ชัว่ โมง ช่ือเรื่อง : หลักการของดิจติ อลเบอ้ื งต้น 1.2.3.2.4 ทีทีแอลช นิดช๊อตก้ี (Schottky TTL) ใน ไอซีทีทีแอลชนิ ดมาตรฐาน ชนิ ด ความเร็วสูงและชนิดกาลงั งานต่าน้ัน ในขณะทางานทรานซิสเตอร์จะถึงจุดอิ่มตวั (Saturate) อยา่ งมาก เน่ืองจากในขณะท่ีเบสเป็นลอจิก “H” ท่ี เบสจะเป็นบวกมาก และเมอื่ ทรานซิสเตอร์เปลี่ยนสภาวะจากจุด อมิ่ ตวั มาสูส่ ภาวะคัทออฟ จะตอ้ งใช้เวลาบางสว่ น ในการเปลี่ยนสภาวะ เราเรียกวา่ “ Saturation Delay Time” วิธีหน่ึ งท่ีจะลด Saturation Delay Time ลงไดโ้ ดยการเพิ่ม ไดโอดที่รอยตอ่ ของทรานซิสเตอร์ ทีทีแอลชนิดน้ีจะมเี บอร์ทขี่ ้ึนต้นดว้ ย 74S เป็นตน้ เน่ืองจากมีความไวในการทางานสูงจงึ สามารถใชไ้ ด้ กบั ความถส่ี ูงประมาณ 100 MHz และมคี า่ เวลาหนว่ งประมาณ 3 ns มกี าลงั งานสูญเสียประมาณ 20 mw 1.2.3.2.5 ทีทีแอลชนิ ดช๊อตก้กี าลงั งาน ต่า (Low power schottky TTL) โดยการเพิ่ม ความตา้ นทานภายใน และใช้ช๊อตก้ไี ดโอดในขบวนการผลิตจะได้ ไอซี ทีทีแอลที่มคี ณุ สมบตั ิระหวา่ ง กาลังงานตา่ และความเร็วสูงจึงเป็ นทีน่ ิยมในหมนู่ ักออกแบบไอซีชนิดน้ี ไดแ้ กเ่บอร์ที่ข้ึนตน้ ดว้ ย 74LS เป็ นต้น มีกาลงั งานสูญเสียประมาณ 2 mw มคี า่ เวลาหน่วงประมาณ 10 nsไอซีทีทีแอลตระกลู 74 XXX เป็นไอซที ่ีข้นึ ตน้ ดว้ ย 74 ซ่ึงจะมฟี ังก์ชนั , ลอจิก , ความเร็ว , การกระจายกาลังและรูปรา่ งแตกตา่ งกนั ไป ดงั ตารางที่ 1.2 ตารางที่ 1.2 ไอซีทที แี อลชนิดตา่ งๆ ชนิด ตวั เลข คณุ สมบตั ิ ขึ้นต้น มาตรฐาน (Standard TTL) 74 มาตรฐาน ความเร็วสูง (High speed TTL) 74H มคี วามเร็วสูง , สูญเสียกาลงั งานมากท่ีสุด กาลงั งานต่า (Low power TTL) 74L สูญเสียกาลงั งานตา่ ท่สี ุด ชอ๊ ตก้ี (Schottky TTL) 74S ใชช้ ๊อตก้ี มคี วามเร็วสูงทสี่ ุด ช๊อตก้กี าลงั งานตา่ (Low power schottky TTL) 74LS สูญเสียกาลงั งานต่าและมคี วามเร็วสูงสุด เป็นทีน่ ิยมสูงสุด

ใบความรู้ที่ 1.2 26 หน่วยท่ี 1 รหัสวิชา 2104 – 2116 ช่อื วิชา ดิจติ อลเบ้อื งต้น สอนคร้งั ที่ 1 ชอื่ หน่วย : หลักการของดิจิตอลเบ้อื งต้น จานวน 5 ชั่วโมง จานวน 2 ชั่วโมง ช่ือเรอื่ ง : หลักการของดจิ ติ อลเบ้อื งต้น 1.2.3.3 โครงสร้างไอซีดจิ ติ อล 1.2.3.3.1 โครงสร้างภายใ นตวั ของไอซีดิจิตอล จะประกอบด้วยวงจรท่ีทาห น้าท่ี สร้างระดบั แรงดันทางลอจิกให้เป็ น HIGH หรือ LOW เรียกอปุ กรณ์เหลา่ น้ีวา่ ลอจิกเกต ซ่งึ ในตัวไอซี ดจิ ิตอลจะมลี อจิกเกตหลายตวั เชน่ แอนด์เกต ออร์เกต นอตเกต แนนด์เกต ซ่ึงมใี ห้เลอื กใช้หลายชนิด หลายเบอร์ ตามบริษทั ผผู้ ลิตได้ผลิตออกมา แสดงตวั อยา่ งดงั รูปท่ี 1.7 (ก) ไอซีแนนด์เกต (ข) ไอซีออร์เกต (ค) ไอซีแอนด์เกต รูปที่ 1.7 โครงสรา้ งภายในไอซดี ิจติ อล ทมี่ า : http://www.compomax.co.th/industries/ic-packaging/ 1.2.3.3.2 ตาแหนง่ ขาของไอซีดิจิตอลตระกูลทีทีแอล การสังเกตขาจะเร่ิมนบั ขาที่ 1 จากจุดแสดงเครื่องหมายนับทวนเข็มนาฬิกาไปจนครบจานวนขา แสดงดงั รูปท่ี 1.8 จุดแสดงเครื่องหมาย รูปที่ 1.8 การนับตาแหนง่ ขาไอซีดจิ ิตอล

ใบความรู้ท่ี 1.2 27 หน่วยที่ 1 รหัสวชิ า 2104 – 2116 ชอ่ื วชิ า ดจิ ิตอลเบ้อื งต้น สอนคร้งั ที่ 1 ช่อื หน่วย : หลักการของดจิ ิตอลเบอ้ื งต้น จานวน 5 ชั่วโมง จานวน 2 ชวั่ โมง ช่ือเรอ่ื ง : หลักการของดจิ ติ อลเบ้อื งต้น 1.2.3.3.3 ความหมายของเบอร์ไอซีดจิ ติ อลตระกลู ทีทีแอล อกั ษรหรือตวั เลขที่พมิ พ์ ตดิ อยบู่ นตวั ของไอซีดิจิตอลมคี วามหมายแสดงดงั รูปที่ 1.9 74 หมายถึง หมายถงึ ตระกลู 74 ลกั ษณะตวั ไอซี หมายถึง ผผู้ ลติ ไดแ้ ก ่ หมายถึง ชนิด เชน่ เชน่ SN = เทก็ ซสั อินสทรูเมน้ ท์ LS = กาลงั งานตา่ J = เซรามคิ DIP MC = โมโตโรลา่ H = กาลงั งานสูง N = พลาสตกิ DIP DM = เนชน่ั แนล S = ชอ๊ ตกค้ี วามเร็วสูง P = พลาสตกิ Package TD = โตชิบา - = มาตรฐาน uP = เอน็ อีซี L = กาลงั งานต่า W = แบน N = ซิกเนตกิ HC = ซมี อสความเร็วสูง HD = ฮิตาชิ หมายถงึ ชนิดของลอจกิ เกต เชน่ 00 = แนนด์เกต 08 = แอนด์เกต 32 = ออร์เกต เป็ นตน้ รูปที่ 1.9 ความหมายของเบอร์ไอซีดิจติ อลตระกลู ทีทแี อล