Mt2 3 56

METR0360 Mechatronics System Design
Ch2 : Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
2.1 บทนํา
้2.2 ทฤษฎีและวงจรออปแอมป์พื้นฐาน
- คุณสมบัติในอุดมคติของออปแอมป์
- วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส
- วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส
- วงจรขยายผลต่าง
- วงจรรวมสัญญาณแบบกลับเฟส
- วงจรรวมสัญญาณแบบไม่กลับเฟส
2/2556 by psw1999@yahoo.com

Ch2 : Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
2.3 วงจรปรับสภาพสัญญาณ
- วงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์
- วงจรปรับ Zero - Span
- วงจรปรับ Zero - Span ด้วยออปแอมป์ตัวเดียว
2.4 พื้นฐานการแปลงสัญญาณแอนะล็อกและสัญญาณดิจิตอล
- Analog to Digital Converter
- Digital to Analog Converter

วัตถุประสงค์ :
เพื่อให้สามารถออกแบบวงจรปรับสภาพสัญญาณได้เพอใหสามารถออกแบบวงจรปรบสภาพสญญาณได
เพื่อให้เข้าใจการเลือกใช้งานวงจรแปลงสัญญาณ
เพื่อสามารถออกแบบวงจรเชื่อมต่อเซนเซอร์เพอสามารถออกแบบวงจรเชอมตอเซนเซอร
เพื่อให้เข้าใจการเลือกใช้อุปกรณ์แปลงสัญญาณ
3

Signal Conditioning Circuit & Data Conversion
ํ2.1 บทนํา [1]
รูปที่ 2.1 ภาพรวมการเชื่อมต่อเซนเซอร์เข้ากับระบบคอมพิวเตอร์
ในระบบควบคมที่มีการประมวลผลด้วยตัวควบคมแบบดิจิตอลหรือคอมพิวเตอร์ในระบบควบคุมทมการประมวลผลดวยตวควบคุมแบบดจตอลหรอคอมพวเตอร
ส่วนประกอบสําคัญหนึ่งก็คือการเชื่อมต่อสัญญาณจากเซนเซอร์เข้ากับระบบซึ่งหากมอง
ในภาพใหญ่แล้วอาจมีลักษณะดังเช่นรปที่ 2 1 ซึ่งประกอบด้วยส่วนสําคัญคือในภาพใหญแลวอาจมลกษณะดงเชนรูปท 2.1 ซงประกอบดวยสวนสาคญคอ
- วงจรปรับสภาพสัญญาณ (Signal Conditioning)
ฮาร์ดแวร์นําสัญญาณเข้าส่ระบบ (Data Acq isition Hard are DAQ Hard are)- ฮารดแวรนาสญญาณเขาสูระบบ (Data Acquisition Hardware : DAQ Hardware)
4

Input
่ ป D t A i iti H d ื DAQ ์ ์ ป็ ่
รูปที่ 2.2 ส่วนประกอบของ DAQ Hardware
สวนประกอบของ Data Acquisition Hardware หรอ DAQ ฮารดแวรเปนสวน
สําคัญของการนําข้อมูลจากภายนอกเข้าสู่ตัวควบคุมที่เป็นแบบดิจิตอลโดยมี
่ ป ื้ ั ป ี่ 2 2 ึ่ ไ ้ ่ (A lifi ) ัสวนประกอบพนฐานดงรูปท 2.2 ซงไดแก วงจรขยาย (Amplifier), วงจรกรองสญญาณ
รบกวนด้วยวงจรกรองความถี่ต่ําผ่าน (Low Pass Filter), วงจรสุ่มและคงค่าสัญญาณ
(S l d H ld) ั ป ั ็ ป็ ั ิ ิ (A/D)(Sample and Hold), ตวแปลงสญญาณแอนะลอกเปนสญญาณดจตอล(A/D) และ
หน่วยความจําเพื่อเก็บข้อมูลที่ได้จากการแปลงสัญญาณ 5

Signal Conditioning Circuit คือวงจรเชื่อมต่อกับเซนเซอร์เพื่อจัดรูปสัญญาณให้g g ู ญญ
เหมาะสมก่อนนําสัญญาณไปใช้งาน ในระบบเมคคาทรอนิกส์มีความจําเป็นที่ต้องวัด
ปริมาณต่างๆเพื่อป้อนกลับมาให้ตัวควบคุมได้รู้ว่าสภาวะปัจจุบันของระบบทําให้ตัวๆ ุ ู ุ
ควบคุมสามารถควบคุมการทํางานได้ตามคําสั่งที่ป้อนให้กับระบบ ในบทนี้จะอธิบาย
การทํางานและการออกแบบวงจรเพื่อเชื่อมต่อกับเซนเซอร์และการปรับสภาพสัญญาณที่ญญ
ได้จากเซนเซอร์ให้เหมาะกับการประมวลผล โดยสิ่งแรกที่ควรพิจารณาในการออกแบบ
ก็คือเซนเซอร์นั้นมีอะไรเปลี่ยนแปลงเมื่อถูกนําไปวัดปริมาณที่ต้องการ เช่น ความู
ต้านทานเซนเซอร์เปลี่ยน หรือเซนเซอร์ให้เอาต์พุตเป็นกระแสหรือแรงดันที่เปลี่ยนตาม
ปริมาณที่วัด สิ่งที่ต้องคํานึงถึงอีกอย่างก็คือลักษณะของสัญญาณที่ได้หลังการปรับสภาพญญ
สัญญาณแล้วควรเป็นอย่างไร ทั้งสองอย่างนี้เป็นตัวกําหนดลักษณะวงจรในการเชื่อมต่อ
ว่าควรมีคุณสมบัติอย่างไรดังจะอธิบายต่อไปนีุ้
6

รูปที่ 2.3 ตัวอย่างลักษณะวงจรปรับสภาพสัญญาณในเชิงพาณิชย์
รูปแบบสัญญาณแอนะล็อกมาตรฐาน
ปริมาณทางไฟฟ้าจากเซนเซอร์กรณีที่เป็นสัญญาณแอนะล็อก สัญญาณเหล่านี้จะถูกู
เปลี่ยนเป็นสัญญาณมาตรฐานในรูปแบบต่างๆที่พบและมีการใช้งานกันในระบบควบคุม
และเครื่องมือวัดได้แก่
แรงดัน 0-10 V , 0-5V , -10 V ถึง +10V , 1 - 5V
สัญญาณกระแส 4-20 mA สําหรับรูปที่ 2.3 เป็นตัวอย่างฮาร์ดแวร์ของตัวปรับู
สภาพสัญญาณที่มีการใช้งานกันและมีผู้ผลิตจําหน่าย
7

ี ื้ ์
2.2 ทฤษฎีและวงจรพืนฐานของออปแอมป์ [2]
2
LM741
7
6
+VCC
OP07
3
4
6
-VCC
รูปที่ 2.4 ตัวอย่างสัญลักษณ์ของออปแอมป์และรูปการจัดขา
VCC
ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์พื้นฐานในวงจรปรับสภาพสัญญาณที่เชื่อมต่อกับเซนเซอร์
สัญลักษณ์ดังรปที่ 2 4 จะเป็นรปสามเหลี่ยมมีขาต่างๆได้แก่สญลกษณดงรูปท 2.4 จะเปนรูปสามเหลยมมขาตางๆไดแก
- ขาแหล่งจ่ายไฟ ซึ่งอาจะเป็นแบบ Double หรือ Single Supply
ขาอินพตทั้งสอง คือ Inverting ( IN) 1และ Non Inverting (+IN)- ขาอนพุตทงสอง คอ Inverting (-IN) 1และ Non Inverting (+IN)
- ขาเอาต์พุต (ปลายของรูปสามเหลี่ยม : OUT) 8

คุณสมบัติในอุดมคติของออปแอมป์
ได้แก่ไดแก
1. แรงดันระหว่างขาอินพุททั้งสองของออปแอมป์มีค่าเป็นศูนย์
2 Input Impedance ของออปแอมป์นั้นมีค่าสงอย่ในย่าน MΩ2. Input Impedance ของออปแอมปนนมคาสูงอยูในยาน
3. Output Impedance ของออปแอมป์นั้นจะมีค่าต่ํา
4 ในทางอดมคติ Slew rate ของออปแอมป์มีค่าสงมาก
MΩ
4. ในทางอุดมคต Slew rate ของออปแอมปมคาสูงมาก
5. Band width มีค่าสูงนั่นคือตอบสนองได้ดีทุกย่านความถี่
ตัวอย่างคุณสมบัติและลักษณะขาของออปแอมป์เบอร์ LM741 แสดงดังรูปที่ 2.5
โดยมีข้อสังเกตคือค่าอินพุตอิมพีแดนซ์หรือค่าเอาต์พุตอิมพีแดนซ์จะแตกต่างจากค่าใน
อุดมคติ ซึ่งหากค่าเหล่านี้ใกล้เคียงกับอุดมคติมากเท่าใดก็ย่อมแสดงว่าเป็นออปแอมป์
ที่อาจจะมีราคาแพงเมื่อเทียบกับเบอร์อื่นๆที่คุณสมบัติด้อยกว่า
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
รูปที่ 2.5 คุณสมบัติ,การใช้งานและรูปร่างภายนอกออปแอมป์ LM741
10

Slew Rate
รูปที่ 2.6 แสดงคุณสมบัติของออปแอมป์ที่เรียกว่า Slew Rateู ุ
คุณสมบัติของออปแอมป์ที่เรียกว่า Slew Rate เป็นสิ่งที่บอกถึงความสามารถว่าุ
ตอบสนองต่อสัญญาณความถี่สูงๆได้มากน้อยเพียงใดโดยจะมีหน่วยเป็นแรงดันต่อเวลา
เช่น 13 V/us ซึ่งบอกความสามารถในการเปลี่ยนแรงดันเอาต์พตต่อหน่วยเวลาดังุ
พิจารณาได้จากรูปที่ 2.6 11

แบบไฟเลี้ยงเดี่ยวแบบไฟเลี้ยงคู่
รูปที่ 2.7 แสดงการต่อแหล่งจ่ายไฟเพื่อเลี้ยงออปแอมป์ซึ่งมี 2 แบบได้แก่
รูปที่ 2.7 การต่อแหล่งจ่ายไฟให้กับออปแอมป์
1. กรณีต่อวงจรไฟเลี้ยงแบบไฟเลี้ยงเดี่ยว (Single supply)
2. วงจรแบบไฟเลี้ยงที่มีทั้งบวกและลบ
โดยทั่วไปแล้วการใช้งานทั่วไปมักจะใช้แบบไฟเลี้ยงคู่เพราะง่ายในการวิเคราะห์และทํา
ความเข้าใจดังนั้นในที่นี้ก็จะอธิบายเฉพาะกรณีที่เป็นไฟเลี้ยงคู่เท่านั้น แต่อย่างไรก็ตาม
้
12
การใช้ไฟเลี้ยงเดี่ยวจะทําให้ประหยัดแหล่งจ่ายไฟและเหมาะกับการใช้งานโดยเฉพาะ
อย่างยิ่งที่ใช้แหล่งจ่ายเป็นแบตเตอรี่

iR
fR
OV
รปที่ 2 8 วงจรขยายแบบไม่กลับเฟส
inV
วงจรขยายสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (Non Inverting Amplifier)
รูปท 2.8 วงจรขยายแบบไมกลบเฟส
รูปที่ 2.8 เป็นวงจรขยายสัญญาณชนิดไม่กลับเฟสสัญญาณซึ่งหมายถึงเฟสของ
สัญญาณด้านอินพตและเอาต์พตวงจรจะมีเฟสตรงกัน ในการวิเคราะห์วงจรจะเริ่มจากสญญาณดานอนพุตและเอาตพุตวงจรจะมเฟสตรงกน ในการวเคราะหวงจรจะเรมจาก
คุณสมบัติของออปแอมป์ที่บอกว่าผลต่างแรงดันที่ขาอินพุตทั้งสองมีค่าเท่ากับศูนย์ดังนั้น
แรงดันที่คร่อมตัวต้านทาน จึงมีค่าเท่ากับแรงดันอินพตซึ่งสามารถเขียนทิศกระแสiRแรงดนทครอมตวตานทาน จงมคาเทากบแรงดนอนพุตซงสามารถเขยนทศกระแส
และแรงดันในวงจรดังรูปที่2.9
i
13

R
inV
-
+-
fR
i
iV
+
+
+iR
OV
รูปที่2.9 ทิศทางแรงดันและกระแสในวงจรขยายแบบไม่กลับเฟส
inV
-
-
ู
V
จากรูปเขียนสมการกระแสและแรงดันดังนี้
(2 1)
in
in
R
V
i −=
infO VRiV +⋅−=
…(2.1)
…(2.2)infO
แทนค่ากระแสลงในสมการเอาต์พุต in
in
f
ininf
in
in
O V
R
R
VVR
R
V
V +=+
−
−=
inin
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+= 1
in
f
inO
R
R
VV …(2.3) 14

ั ั
วงจรขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (Inverting Amplifier)
ใ ป ี่ 2 10 ั
fRinV
+ -
+
จากวงจรในรูปท 2.10 แรงดน
ระหว่างขาอินพุตออปแอมป์เท่ากับ
์ ั่ ื ั ่ RV
i
รปที่2 10 วงจรขยายแบบกลับเฟสสัญญาณ
ศูนยนนคอแรงดนตกครอมความ
ต้านทานด้านอินพุตเท่ากับแรงดัน
ิ ั ั้ i ํ
OV
iRinV
รูปท2.10 วงจรขยายแบบกลบเฟสสญญาณอนพุต ดงนนกระแส i คานวณจาก
สมการที่ (2.5)
inV
i =
inR VV i
= …(2.4)
…(2.5)
inR
i =
fO iRV −=
…(2.5)
…(2.6)
i
f
inO
R
R
VV −= …(2.7)และแรงดันเอาต์พุตคือ 15

่
วงจรขยายผลต่าง (Differential Amplifier)
fR
1R
OVi
bV
aV
2R
3R
2V1V
รูปที่ 2.11 วงจรขยายผลต่าง
วงจรนี้จะขยายผลต่างของสัญญาณที่เข้ามาที่ขาอินพุตของออปแอมป์ทั้งสองโดยมี
ลักษณะวงจรดังรูปที่ 2.11 จากคุณสมบัติของวงจรแบ่งแรงดันและออปแอมป์จะได้ว่า
32
3
2
RR
R
VVV ba
+
== …(2.8)
1
1
R
VV
i a−
=เมื่อพิจารณากระแส i จะได้ว่า …(2.9)
16

แรงดันเอาต์พุตของวงจรในรูปที่ 2.11 สามารถคํานวณได้จาก
afO VRiV +×−= แทนค่ากระแส i ลงในสมการเอาต์พุต
VV ⎞⎛ VV ⎞⎛
af
a
O VR
R
VV
V +×⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
−=
1
1
R
af
a
O VR
R
V
R
V
V +×⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−−=
11
1
แทนค่า
32
3
2
RR
R
VVa
+
=
RRVV ⎞⎛
32
3
2
321
32
1
1
)( RR
R
VR
RRR
RV
R
R
V
V ffO
+
+⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
−−= …(2.10)
เพื่อให้การนําวงจรนี้ไปใช้งานได้ง่ายขึ้นก็จะกําหนดให้ค่าความต้านทานในวงจรมี
ความสัมพันธ์กันคือ fRRRR == 321 ,ความสมพนธกนคอ fRRRR 321 ,
17

2
21 f
f
f
fO
R
VR
RV
R
V
V +
⎟
⎟
⎞
⎜
⎜
⎛
−−=
)()( 1
2
111 f
f
f
fO
RR
VR
RRR
R
R
V
+
+
⎟
⎠
⎜
⎝ +
221 fff RVRRV
R
V
V
)()( 1
2
11
2
1
1
f
f
f
ff
fO
RRRRR
R
R
V
V
+
+
+
+−=
⎟
⎞
⎜
⎛ RRV
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
+
+−=
)()( 11
1
11
2
1
1
ff
f
ffO
RRR
R
RRR
R
RVR
R
V
V
⎞⎛ )( RRV
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
+−=
)(
)(
11
1
2
1
1
f
f
ffO
RRR
RR
RVR
R
V
V Gain
1
2
1
1
R
R
V
R
R
VV
ff
O +−= )( 12
1
VV
R
R
V
f
O −= …(2.11)
18

1R
รูป2.12 วงจรขยายผลต่างที่มีอินพุตสองสัญญาณ
สรุปวงจรขยายผลต่างชนิดที่มีสัญญาณอินพุต 2 สัญญาณดังรูปที่ 2.12 จะมีสมการ
แรงดันเอาต์พตคือ
)( 12 VV
R
V
f
O −=
แรงดนเอาตพุตคอ
…(2.12))( 12
1R
O ( )
19

่ ี ิ ี
วงจรขยายผลต่างแบบมีอินพุตเดียว
วงจรแบบนี้แตกต่างวงจรในรูปที่ 2.12 เพียงเล็กน้อยคือสัญญาณอินพุตมีเพียง
ั ี ั ี่ ่ ั ํ ั ใ ิ ์ ั ิ ็ ื ่ ัสัญญาณเดียวดังรูปที 2.13 แต่หลักสําคัญในการวิเคราะห์ยังคงเดิมก็คือผลต่างของแรงดัน
ที่ขา Inverting และ non Inverting ของออปแอปม์ยังมีค่าเท่ากับศูนย์ดังนั้นจากรูป 2.13
ี ั ี้เขียนสมการตามกฎ KVL ดังนี
iiiin iRRiRiV 20 =×++×= …(2.13)
R
)
2
(
i
in
R
V
i = …(2.14)
iR
fR
i
inV
iR
OV
fRfR
รูปที่ 2.13 วงจรขยายผลต่างแบบอินพุตเดียว 20

เขียนสมการแรงดันเอาท์พุตคือ
+×−= )( fO
RiV
ั ่ ิ ป ป์ ่ ั ์ ั ั้ ั ์ ็ ื
แรงดันระหว่างขาอินพุตออปแอมป์ )( fRi ×−+ …(2.15)
แรงดนระหวางขาอินพุตออปแอมปเทากบศูนยดงนนแรงดนเอาตพุตก็คือ
)2( RiV ×−= )( in
V
i =)2( fO RiV ×= )
2
(
iR
i
ั ั้ fin
R
VR
V
V )2( (2 16)ดังนัน
i
f
inf
i
in
O
R
VR
R
V −=×−= )
2
2( …(2.16)
21

การปรับแต่งวงจรขยายผลต่าง
ในทางปฏิบัตินั้นค่าความต้านทานในวงจรที่เรากําหนดให้มีค่าเท่ากันและออฟเซตในฏ
ออปแอมป์จะทําให้เกิดปัญหาในการทํางานกล่าวคือเมื่อแรงดันอินพุตเป็นศูนย์เอาต์พุตไม่
เป็นศูนย์ การแก้ปัญหาทําโดยเปลี่ยนค่าความต้านทาน Rf ที่ขาอินพุตแบบไม่กลับเฟสู ญ f ุ
สัญญาณให้เป็นตัวต้านทานแบบปรับได้ดังรูปที่ 2.14 จากนั้นก็ป้อนแรงดันอินพุตเป็น
ขนาดเล็กในย่านมิลลิโวลต์ที่อินพุตทั้งสองศูนย์จากนั้นปรับค่าความต้านทานที่ปรับได้นี้ให้
fR
ุ ู
เอาต์พุตมีขนาดใกล้ศูนย์
iR
V
i
inV
iR
OV
fRinV
รูปที่ 2.14 วงจรขยายผลต่างที่มีจุดปรับแต่งการทํางาน 22

fR
วงจรขยายผลต่างแบบมีแรงดันอ้างอิง
inV
iR
OV
i
iR
fR
Vref
V
รูปที่ 2.15 วงจรขยายผลต่างที่มีแรงดันอ้างอิง
จากวงจรในรูปที่ 2.15 พบว่ากระแส i ยังคงมีค่าเหมือนเดิมแต่สิ่งที่เปลี่ยนไปก็คือ
แรงดันเอาต์พุตมีเทอมของแรงดันอ้างอิง เพิ่มเข้ามาrefVุ ref
+×−= )( fO
RiV แรงดันระหว่างขาอินพุต OpAmp reff VRi +×−+ )(
0 โวลต
ref
i
f
inO
V
R
R
VV +×−= )( …(2.17) 23

ปัญหาของวงจรขยายผลต่างคือเรื่อง
่ ้ ้
ปัญหาของวงจรขยายผลต่าง
fR
i
ความเกียวข้องกันระหว่างความต้านทาน
อินพุตของวงจรและอัตราการขยาย โดยinV
iR
OV
i
จากสมการ (2.17)
f
f
iO
V
R
VV +×−= )(
iR
fR
refVz ref
i
inO
V
R
VV +)(
รูปที่ 2.16 อินพุตวงจรขยายผลต่าง
ref
inz
ถ้าความต้านทาน อัตราขยายวงจรจะลดลงแต่ค่าความต้านทานด้านอินพุตของ
ี่ ี ่ I t i d ี ่ ิ่ ึ้ ั ั้ ้ ั
iR
วงจรทเรยกวา Input impedance จะมคาเพมขน ดงนนหากตองการอตราการ
ขยายแรงดันที่สูงและอินพุตอิมพีแดนซ์สูงๆด้วยก็อาจจะต้องใช้วงจรอื่น
inZ
24

สมมุติว่าใช้เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิชนิดหนึ่งต่อกับวงจรบริดจ์ดังรูปที่ 2.17 และให้
ตัวอย่างที่ 2.1
ุ ุ ู ู
แรงดันเอาต์พุตแปรผันตรงกับอุณหภูมิดังนี้
ที่ 0 ºC มีค่าแรงดัน Output = 0mVp
ที่ 100 ºC มีค่าแรงดัน Output = 500mV
จงออกแบบวงจรเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ให้ได้ค่าแรงดัน -10V ที่ 0 ºCและ 10 V ที่ 100 ºCจงออกแบบวงจรเชอมตอเซนเซอรใหไดคาแรงดน -10V ท 0 Cและ 10 V ท 100 C
+10V
Signal+Sensor Signal
Conditioning
Circuit
Vsensor
+
Vout
+
รูปที่ 2.17 ลักษณะวงจรบริดจ์ของเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิในตัวอย่างที่ 2.1 25

วิธีทํา เนื่องจากเป็นวงจรบริดจ์อาจใช้วงจรขยายผลต่างหรือวงจรขยายอินสตรูเมนท์ก็
ได้ โดยในที่นี้เลือกใช้วงจรขยายผลต่างจากนั้นเขียนไดอะแกรมดังรูปที่ 2.18 แทนย่าน
0 mV -10 V
แรงดันอินพุตของวงจรและย่านแรงดันเอาต์พุตที่ต้องการ
Diff. Amp.
0 mV -10 V
500 mV 10 V
VOVin
รูปที่ 2.18
ความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตเอาต์พุตวงจรดังนี้ CmVV inO +=
โดย m คือความชันของเส้นตรงที่แทนความสัมพันธ์
C คือค่าของเอาต์พตเมื่ออินพตเป็นศนย์
ุ ุ
C คอคาของเอาตพุตเมออนพุตเปนศูนย
ดังนั้น m หาได้จาก 40
05.0
)10(10
VV
VV
ΔV
ΔV
m
inmininmax
OminOmax
in
O
=
−
−−
=
−
−
==
inmininmaxin
และค่าของ C = -10 และเขียนสมการได้ดังนี้ 1040VV inO −= 26

หากเลือกใช้วงจรขยายผลต่างแทนความสัมพันธ์ดังสมการจะต้องมีการต่อแรงดัน
อินพุตให้ขั้วลบต่อเข้าที่ขา Inverting ของออปแอมป์ดังรูปที่ 2.19 และเลือกใช้แรงดัน
่Vref ที่มีค่าเท่ากับ -10 และเลือกค่า K = 40
refin VVV += KO refinO
1040O −= inVV
ืและเลือก R = 10kΩ , KR = 40 x 10kΩ = 400 kΩ Ans###
OV
รูปที่ 2.19 วงจร Differential Amp ที่ออกแบบ
refV
27

วงจรรวมสัญญาณแบบกลับเฟส (Inverting Summing Amplifier)
fO R
VVV
V )( 321
++−= fO
RRR
)(
321
รูปที่ 2.20 วงจร Inverting Summing Amplifier
จากวงจรจะได้ว่า i1 = V1 / R1 i2 = V2 / R2 i3 = V3 / R3
โดยที่โดยท
iT = i1 + i2 + i3 และ VO = -iT x Rf
fO R
R
V
R
V
R
V
V )(
3
3
2
2
1
1
++−=ดังนั้นจะได้ว่า …(2.18)
28

ไ
a
V +-
VV
i a )( 1 −
วงจรรวมสัญญาณแบบไม่กลับเฟส (Inverting Summing Amplifier)
R
i a )( 1
1 =
R
VV
i a )( 2
2
−
=
a
a
T
R
V
i
−
=
R
R
VV
i a )( 3
3
−
=
ี่
R
afTO
VRiV +−=RRRR === 321
รูปที 2.21 Non Inverting Summing Amplifier
จากคุณสมบัติของออปแอมป์ที่ว่าไม่มีกระแสไหลเข้าขาอินพุตและเงื่อนไขค่าความุ ุ
ต้านทานตามวงจรในรูปที่ 2.21 ดังนั้นจะได้ว่า
VVVViii 3)(0
)( 321 VVV
V
++ (2 19)a
VVVViii 3)(0 321321
−++==++
3
)( 321
Va = …(2.19)
29

้ )( VVV ++ ใ ์ดังนั้นแทนค่าของแรงดัน
3
)( 321
VVV
Va
++
= ลงในสมการของเอาต์พุต
afTO
VRiV +−= afTO
3
321
VVV
RiV fTO
++
+−= และแทนกระแส a
T
R
V
i
−
=
3 aR
3
321
VVV
R
R
V
V f
a
O
++
+= ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ++
+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ++
= 321321
VVVVVVR
V f
O
3R
f
a
O ⎟
⎠
⎜
⎝
⎟
⎠
⎜
⎝ 33Ra
O
⎤⎡
⎟
⎞
⎜
⎛ ++ f
RVVV 321 (2 20)⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ ++
=
a
f
O
R
VVV
V 1
3
321 …(2.20)
30

ั ั
วงจรปรับสภาพสัญญาณจากเซ็นเซอร์และการเชื่อมต่อกับ DAQ Hardware จะใช้
2.3 วงจรปรับสภาพสัญญาณ [3]
ออปแอมป์สร้างวงจรปรับสภาพสัญญาณซึ่งมีวงจรหลายชนิดเช่น
1. วงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์ (Instrument Amplifier)
2. วงจรปรับซีโร่-สแปน (Zero - Span Circuit)
3. วงจรกรอง (Filter Circuit)
แม้ในบางครั้งอาจจะมีวงจรชนิดอื่นอีกเพื่อมเชื่อมต่อกับเซนเซอร์แต่ที่ใช้งานกันมากก็
มักจะเป็นวงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์และวงจร Zero-Span เท่านั้น ดังนั้นในที่นี้จะ
กล่าวถึงเพียงสองวงจรเท่านั้น นอกจากนั้นในสายงานเมคคาทรอนิกส์เองแล้วไม่ได้
ออกแบบทุกส่วนในระบบเองโดยเฉพาะในส่วนของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้
จะผลิตภัณฑ์สําเร็จรูปให้เลือกใช้งานเสียเป็นส่วนใญ่โดยเฉพาะตัวควบคุมแบบดิจิตอล
และ DAQ Hardware
31

์
-มีอิมพีแดนซ์ทางอินพุตสูง
้
วงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์ (Instrument Amplifier)
R
-อัตราการขยายของวงจรนั้นไม่มี
ผลต่ออินพุตอิมพีแดนซ์ซึ่ง
R
R
R
aV
V V
แก้ปัญหาที่เกิดในวงจรขยาย
แบบดิฟเฟอเรนเชียลRbV
inV 1OV
OV
mR
i
bain VVV −=
VV
i ba −
=
…(2.21)
…(2.22)
R
R
b
mR
)(1 RmRRiVO ++=
รูปที่ 2.22 วงจร Instrumentation Amplifier …(2.23)
จากวงจรเมื่อกําหนดให้ค่าความต้านทานในส่วนที่เป็นวงจรขยายผลต่างมีความ
ต้านทานเท่ากันหมด ดังนั้นค่าแรงดันเอาต์พุตจึงมีค่าเท่ากับ
)1
2
()2()2(1 +−=+−=+−=−=
m
VmRR
mR
V
mRRiVV in
in
OO …(2.24)
32

ขั้นตอนการเลือกตัวต้านทานใน Instrumentation Amplifier
2
1. จากอัตราการขยาย )1
2
( +=
m
Gain
2
2. คํานวณค่า m จาก 1
2
−
=
Gain
m
3. เลือกค่า R ที่จะใช้โดยใช้ค่าที่มีจําหน่ายในท้องตลาด
ื ่ ั ้ ่ ้ ่ ่ ี่ไ ้ ้ ไ ่ ้4. เลือกค่าตัวต้านทาน mR จากค่า m คูณด้วย R แต่ค่าทีได้จะต้องไม่น้อย
จนเกินไปเพราะจะทําให้ค่ากระแสไหลสูงในทางปฏิบัติทําไม่ได้
ควรใช้ตัวต้านทานชนิดค่าผิดพลาด 1%
33

จากวงจรในรปที่ 2 23 หาก R4 เป็น Sensor ชนิดที่ความต้านทานเปลี่ยนตามจากวงจรในรูปท 2.23 หาก R4 เปน Sensor ชนดทความตานทานเปลยนตาม
อุณหภูมิโดย R4 มีค่าระหว่าง 100 - 102 Ω จงออกแบบ Instrument Amp. ให้มี
แรงดัน O/P เท่ากับ 2 5 V เมื่อความต้านทาน R4 = 102 Ωแรงดน O/P เทากบ 2.5 V เมอความตานทาน R4 = 102 Ω
รูปที่ 2.23 ตัวอย่างวงจร Instrument Amplifier เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ 34

วิธีทํา
่
Vb > Va
102100
102
V5
100100
100
V5VbVa −=−
รูปที 2.24
102100100100 ++
mV75.24VbVa −=−
้ดังนั้น Voltage gain ของวงจร Instrument Amp. 101
24.75mV
2.5V
−=
− 35

)1
2
( +−=
m
VV inOจากสมการอัตราการขยายของวงจร
-101 = )
m
2
(1- +
2
m
m
2
100 =
50
1
100
2
m ==
150KΩR =ถ้าเลือก
50100
จะได้ค่าความต้านทาน 3KΩ150KΩ
50
1
mR ==
150KΩR =
สรุป 3KΩmR
150KΩR
=
=
36

ปัญหาในทางปฏิบัติของวงจรขยายแบบ Instrumentation ก็คือการความต้านทาน
ในวงจรต้องมีค่าถกต้องโดยเฉพาะค่าที่เหมือนกันจะต้องเท่ากันหรือใกล้เคียงกันมากที่สดในวงจรตองมคาถูกตองโดยเฉพาะคาทเหมอนกนจะตองเทากนหรอใกลเคยงกนมากทสุด
โดยมักเลือกใช้ชนิดค่าผิดพลาด 1 % แต่อย่างไรก็ตามผู้ผลิตไอซีเข้าใจในปัญหานี้ก็ได้ทํา
การออกแบบวงจรรวมที่ทําหน้าที่เป็นวงจรขยายแบบอินสตรเมนท์โดยตัวต้านทานในการออกแบบวงจรรวมททาหนาทเปนวงจรขยายแบบอนสตรูเมนทโดยตวตานทานใน
วงจรจะสร้างด้วยวิธีการของสารกึ่งตัวนําทําให้ค่าตัวต้านทานแม่นยํามากขึ้น ในรูป
ต่อไปนี้เป็นไดอะแกรมของชิปที่เป็น Instrument Amp เบอร์ IN110A ดังรปที่ 2.25 ซึ่งตอไปนเปนไดอะแกรมของชปทเปน Instrument Amp เบอร IN110A ดงรูปท 2.25 ซง
สามารถค้นคว้าเพิ่มเติมจาก http://www.ti.com (บริษัท Texas Instrument) และจาก
ไดอะแกรมของชิปจะพบว่าผ้ออกแบบได้ยอมให้ผ้ใช้งานสามารถกําหนดค่าความต้านที่ไดอ แกรมของชปจ พบวาผูออกแบบไดยอมใหผูใชงานสามารถกาหนดคาความตานท
เป็นการกําหนดอัตราการขยายของวงจรได้และอีกส่วนหนึ่งก็จะสามารถกําหนดค่าแรงดัน
อ้างอิงที่เป็นการปรับออฟเซตของเอาต์พตได้เช่นกันและนอกจากนั้นบริษัท Analogอางองทเปนการปรบออฟเซตของเอาตพุตไดเชนกนแล นอกจากนนบรษท Analog
Device ก็ได้ผลิตชิปในลักษณะนี้เช่นกันได้แก่เบอร์ AD524 ในรูปที่ 2.26
37

รูปที่ 2.25 โครงสร้างของ Instrumentation Amplifier เบอร์ INA110 38

รปที่ 2 26 โครงสร้างของ I t t ti A lifi เบอร์ AD524รูปท 2.26 โครงสรางของ Instrumentation Amplifier เบอร AD524
39

ใ ์
ผลความต้านทานสายสัญญาณในวงจรขยายแบบอินสตรูเมนท์
กรณีที่วงจร Instrument Amp. ต่อสายที่ยาวขึ้นเพื่อนําสัญญาณOutput ไปใช้งานกรณทวงจร Instrument Amp. ตอสายทยาวขนเพอนาสญญาณOutput ไปใชงาน
นั้นอาจจะเกิดปัญหาได้เนื่องจากแรงดันตกคร่อมในสายได้ซึ่งในรูปต่อไปนี้จะได้วิเคราะห์
ผลความต้านทานของสายที่มีผลต่ออัตราการขยายผลความตานทานของสายทมผลตออตราการขยาย
R R Rw
S
R R Rw
mR
R
Vin
I
V
Rw
RL
Sense
O/P
I
V
Rw
RL
Vo
R RR
Rw
RL
Ref
Vo
RR Rw
RL
a) b)
รูปที่ 2.28 วงจรที่ใช้ชดเชยปัญหาความต้านทานในสายของ Instrument Amp.ู ญ p
40

จากรูป b)
R2
V
I =
V
)( RwRRRwIVo +++−= )(
2
RwRRRw
R
V
+++−=
)R2Rw2(
V
+−= )
R2Rw2
(V +−=)(
R2
)
R2R2
(V +
)1
Rw
(VVo +−= …(2.25))1
R
(VVo + ( )
จากรูป )RmRR(iV ++=
)mRR2(
Vin
+= )(
mR
)
mR
mR
mR
R2
(VinV += )1
m
2
(Vin +=
mRmR m
41

แทนค่าของ V ลงในสมการ Vo ซึ่งจะได้สมการแรงดันที่ Output ที่รวมผลความ
ต้านทานสายไปด้วยดังนี้
)1
R
Rw
)(1
m
2
(VinVo ++−= …(2.26)
Rm
จากการวิเคราะห์ผลของสายนั้นสิ่งที่แตกต่างจากที่ผ่านๆมาคือการกําหนดOutputๆ p
ของวงจรนั้นจะกําหนดที่ RL ซึ่งเป็น Load ของวงจรซึ่งก็ถูกต้องแล้วเพราะเป็นจุดที่เรา
นําไปใช้งานและก็ได้นําค่าความต้านทานสายมาคิดในการคํานวณอัตราการขยายด้วย
จากสมการหากให้ผลของสายตัวนํามีผลน้อยที่สุดต้องเลือก R >> Rw
42

อย่างไรก็ตามหากการใช้งานต้องการต่อสายจากวงจรขยายอินสตรูเมนท์ให้ยาวก็
อาจจะต้องเพิ่มวงจรขยายกระแสเอาต์พุตของออปแอมป์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ดังรูปทีุ่ ู
2.29 โดยทรานซิสเตอร์ชนิด NPN จะทํางานกรณีกระแสจากออปแอมป์มีค่าเป็นบวก
(ไหลออก) และทรานซิสเตอร์ชนิด PNP ทํางานช่วงกระแสเอาต์พุตออปแอมป์มีค่าเป็นค่าุ
ลบ (ไหลเข้า)
R R Sense
mR
R
Vin
I
V
+V
Vo
mR
R
Vin V
RL
-V
Output
RR
Reference
รปที่ 2 29 การใช้ทรานซิสเตอร์ช่วยขยายกระแสวงจรขยายแบบอินสตรเมนท์รูปท 2.29 การใชทรานซสเตอรชวยขยายกระแสวงจรขยายแบบอนสตรูเมนท
43

ป ั Z S
วงจรปรบ Zero - Span
วงจรปรับ Zero-Span เป็นวงจรปรับสภาพสัญญาณ ที่ใช้ในการแปลงย่านแรงดันของ
่ ไ ็ ่ ่ ใ ้สัญญาณจากย่านหนึงไปเป็นสัญญาณทีมีย่านแรงดันทีเหมาะกับการใช้งาน จากกราฟ
เป็นตัวอย่างย่านแรงดันอินพุตและเอาต์พุตของวงจรปรับ Zero-span ซึ่งจะเห็นว่าแม้
็ ์ ี่ ์ ี โ ์ ้แรงดันอินพุตจะเป็นศูนย์แต่ทีเอาต์พุตจะมีค่าแรงดันเท่ากับ 1 โวลต์ดังนันการขยายขนาด
เพียงอย่างเดียวจึงไม่สามารถตอบสนองได้
5
แรงดันเอาตพุต (Volt)
5
4
3
2
1
Zero & Span
Circuit
อินพุต 0 - 5 V เอาตพุต 1 - 5 V
รปที่ 2 30 ตัวอย่างความสัมพันธ์ย่านแรงดันอินพต/เอาต์พตวงจรปรับ Zero-Span
1 2 3 4 5
1
แรงดันอินพุต (Volt)
Circuit
รูปท 2.30 ตวอยางความสมพนธยานแรงดนอนพุต/เอาตพุตวงจรปรบ Zero-Span
44

ทุกเสนความชันเทากัน
แตจุดตัดแกน Y ตางกัน
่
การปรับคณสมบัติของวงจร 2 อย่างด้วยกันคือการปรับ Zero และการปรับ Span
รูปที 2.31 ผลการปรับค่า Zero ของวงจร Zero-Span
การปรบคุณสมบตของวงจร 2 อยางดวยกนคอการปรบ Zero และการปรบ Span
การปรับค่า Zero คือการการปรับจุดตัดแกนแนวตั้งของกราฟความสัมพันธ์ระหว่าง
แรงดันเอาต์พต-อินพตของวงจรซีโร่-สแปนนั่นเองแรงดนเอาตพุต อนพุตของวงจรซโร สแปนนนเอง
45

รูปที่ 2.32 ผลการปรับค่า Span ของวงจร Zero - Span
การปรับ Span ก็คือการปรับค่าความชันของกราฟความสัมพันธ์ระหว่างเอาต์พุต-
อินพตวงจรปรับ Zero-Span โดยที่ค่าของจดตัดแกนแนวตั้งนั้นไม่ได้เปลี่ยนแปลงอนพุตวงจรปรบ Zero Span โดยทคาของจุดตดแกนแนวตงนนไมไดเปลยนแปลง
46

R
OSR fR
R
R
CCV+
CCV±
R
iR
inV
2/R
CCV−
in
่รูปที 2.33 วงจรปรับ Zero-Span
วงจรปรับ Zero-Span ดังรูปที่ 2.33 ที่จริงแล้วก็คือวงจรขยายผลรวมสัญญาณp ู ญญ
แบบไม่กลับเฟส หรือที่เรียกว่า Inverting Summing Amplifier นั่นเองโดยมีการนํามา
ต่อกับวงจร Inverting Amp. ให้ได้เครื่องหมายของแรงดันเอาต์พุตตามต้องการโดยp ุ
วงจรมีสมการแรงดันเอาต์พุตคือ
(2 27)ff
V
R
V
R
V …(2.27)CC
OS
f
in
i
f
O V
R
V
R
V ⋅+⋅=
47

RR
เปรียบเทียบสมการเส้นตรงกับสมการแรงดันเอาต์พุตวงจรปรับ Zero-Span
CC
OS
f
in
i
f
O V
R
R
V
R
R
V ⋅+⋅=
CVmV inO +⋅=
OV
จุดตัดแกน Y f
R
R
m =
CC
OS
f
V
R
R
C =
iR
inV
รูปที่ 2.34 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตเอาต์พุตวงจรปรับ Zero-Span 48

ขั้นตอนการออกแบบวงจรปรับ Zero-Span
้ ํ ิ ์ V Vจากขอกําหนดอินพุต-เอาตพุต
maxOVmaxinV
mininV minOV
minmax
minmax
inin
OO
VV
VV
m
−
−
=1) คํานวณค่าความชันกราฟจาก
2) จากความสัมพันธ์ CmVV inO +=
แทนค่า m และค่า mininV minOV เพื่อหาค่า C
หรือ mininV minOV เพื่อหาค่า C
่3) นําค่าที่ได้จากข้อ 2) ไปคํานวณหาค่าตัวต้านทาน
fR
m = CC
f
V
R
C =
iR
CC
OSR
49

จากค่าความต้านทานที่คํานวณได้นั้นมักจะเลือกให้ค่าความต้านจากคาความตานทานทคานวณไดนนมกจะเลอกใหคาความตาน
OSR และ iR เป็นตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ดังในรูปที่ 2.35
Ωk50
Ω= kROS 50
Ωk20 Ωk50
รูปที่ 2.35 การเลือกค่าความต้านทานหลังจากการคํานวณ
50

การปรับแต่งวงจรปรับ Zero-Span
หลังจากเลือกค่าความต้านทานได้แล้วการปรับแต่งจะทําโดย
1. ป้อนแรงดันอินพุตต่ําสุด Viminตามข้อกําหนดการออกแบบจากนั้นปรับค่าตัว
้ R ใ ้ไ ้ ์ ่ ่ํ Vตานทาน ROSใหไดเอาตพุตตามคาตาสุด VOmin
2 ป้ ั ิ ส ส V ้ ํ ั้ ป ั ่ ั2. ปอนแรงดนอนพุตสูงสุด Vimax ตามขอกาหนดการออกแบบจากนนปรบคาตว
ต้านทาน Riให้ได้เอาต์พุตตามค่าสูงสุด VOmax
3. ย้อนกลับไปกระทําตามข้อ 1. และข้อ 2. ใหม่และทําซ้ําๆจนได้ค่าที่ถูกต้อง
51

ั ่ ี่ 2 3ตวอยางท 2.3
สมมุติว่าต้องการออกแบบวงจรให้มีความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันอินพุต-
เอาต์พุตดังรูปที่ 2.36 ให้เขียนสมการแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง Vo และ Vin
Signal conditioning
Vin(max) = 5V Vo(max) = 5 V
V
Circuit
Vin(min) = 1V Vo(min) = 0 V
V
O
รูปที่ 2.36
52

วิธีทํา ความชันสมการเส้นตรง
ΔVo Vo(max) - Vo(min)
m = =
ΔVin Vin(max) - Vin(min)
5 - 0
m = 1.25
5 - 1
=
จาก Vo = mVin + C แทนค่า Vo = 5 และ Vin = 5 และ m = 1.25
ั ั้ ่ ไ ้
ั ั ์ ื
ดังนันจะหาค่า C ได้จาก C = Vo – mVin = 5 – (1.25 x 5) = -1.25
สรุป ความสัมพันธ์ Vo , Vin คือ Vo = 1.25Vin – 1.25
53

6
4
5
3
Vo(V)
1
2
1 2 3 4 5
0
Vin (V)
รูปที่ 2.37 กราฟความสัมพันธ์ Vo , Vin ตามสมการ Vo = 1.25Vin – 1.25
54

ตัวอย่างที่ 2.4ตวอยางท 2.4
สัญญาณจากอุปกรณ์ตรวจวัดอุณหภูมิชนิดหนึ่งที่มีการขยายระดับแรงดันแล้วให้
สัญญาณเอาต์พตเป็นแรงดันค่า 2 ถึง 2.5 โวลต์เมื่อใช้ในการวัดอณหภมิในช่วง 0 องศาสญญาณเอาตพุตเปนแรงดนคา 2 ถง 2.5 โวลตเมอใชในการวดอุณหภูมในชวง 0 องศา
เซลเซียสถึง 100 องศาเซลเซียสหากเราต้องการนําสัญญาณดังกล่าวนี้เชื่อมต่อเข้ากับ
ระบบคอมพิวเตอร์โดยผ่านวงจรแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นดิจิตอลนั้นจะต้องออกแบบระบบคอมพวเตอรโดยผานวงจรแปลงสญญาณอนาลอกเปนดจตอลนนจะตองออกแบบ
วงจรเพื่อเชื่อมต่อกับวงจร A/D อย่างไรโดยสมมุติว่า A/D chip ที่ใช้งานนั้นสามารถรับ
แรงดันอินพตในย่าน 0-5 โวลต์แรงดนอนพุตในยาน 0 5 โวลต
55

ใ ั ่ ี้ ชื่ ่ ั ป ์ ั ิ A/D
ในตวอยางนการออกแบบวงจรเชอมตอกบอุปกรณตรวจวดอุณหภูมและ A/D
chip นั้นจะต้องใช้วงจรที่สามารถปรับระดับของซีโร่ได้และหากต้องการความละเอียดก็
ควรจ ขยายย่านให้เหมา สมกับวงจร A/D ดังนั้นในที่นี้จ กําหนดว่าสัญญาณ 2 2 5ควรจะขยายยานใหเหมาะสมกบวงจร A/D ดงนนในทนจะกาหนดวาสญญาณ 2 - 2.5
โวลต์ จะถูกแปลงให้เป็นแรงดันในย่าน 0-5 โวลต์ ดังแสดงไดอะแกรมตามรูปที่ 2.38
นอกจากนั้นเราจ เลือกออปแอมป์ที่ทํางานด้วยไฟเลี้ยงค่า 15 แล 15 โวลต์นอกจากนนเราจะเลอกออปแอมปททางานดวยไฟเลยงคา -15 และ + 15 โวลต
วงจรปรับ Zero-Span
รูปที่ 2.38 56

10
50
5
252
05
==
−
−
==
f
R
R
m
ดังนั้นสมการความสัมพันธ์อินพุตและเอาต์พุต CVV inO +⋅=10
5.025.2iR
แทนค่าของแรงดันอินพุต Vin(min) = 2 โวลต์ และ VO(min) = 0 โวลต์
ลงในสมการ VO เพื่อหาค่า C จะได้ว่า
C = VO - 10Vin
C = 0 - 10(2) = -20C 0 10(2) 20
ดังนั้นความสัมพันธ์ของอินพุต-เอาต์พุตคือ 2010 −⋅= inO VV
เทียบกับวงจร Zero Span CC
f
in
f
O V
R
R
V
R
R
V ⋅+⋅=
OSi RR
57

นั่นคือ 10=
f
R
R
20−=⋅
f
CC
R
R
V
เลือก VCC เป็น -15 V ตามเครื่องหมายลบในสมการซึ่งจะได้ว่า
iR OSR
R
15
2020
−
−
=
−
=
CCOS
f
VR
R
เลือกค่าความต้านทาน
ั ั้
Ω= k100fR
ΩΩ k10k
100fR
Rดงนน Ω=Ω== k10k
10
100
10
f
iR
×− k10015fR
Ω=
−
×
=
−
⋅= k75
20
k10015
)20(
f
CCOS VR
AnsΩ=Ω=Ω= k75,k10,k100 OSif RRR
58

สมมุติว่าเซ็นเซอร์วัดความดันชนิดหนึ่งให้แรงดัน O/P เท่ากับ
2 .48 Volt ที่ความดัน 1 KPa
3.90 Volt ที่ความดัน 10KPa
ต้องการแปลงแรงดันดังกล่าวให้อยู่ในช่วง 0 – 5 V เพื่อต่อกับวงจรแปลงสัญญาณ
Analog เป็น Digital ขนาด 8 บิต จงออกแบบวงจรเพื่อแปลงสัญญาณจากเซ็นเซอร์ย่านAnalog เปน Digital ขนาด 8 บต จงออกแบบวงจรเพอแปลงสญญาณจากเซนเซอรยาน
แรงดัน 2.48-3.90 V ให้อยู่ในย่าน 0-5 V
วิธีทํา จากความสัมพันธ์ของแรงดันอินพุตและเอาต์พุตหาความชันสมการเส้นตรงแทน
ความสัมพันธ์ดังกล่าวดังนี้
3.52
2.483.90
05
ΔVin
ΔVo
m =
−
−
==
2.483.90ΔVin
59

จากค่า Gain m จะต้องเลือกค่า Rf ที่มากพอที่จะไม่ให้ Ri นั้นมีค่าต่ําจนเกินไปเพราะ
ไ ่ ใ ่ ไ ้โ ใ ่ ้อาจจะไป Load ที O/P ของวงจรในส่วนเครืองมือวัดได้โดยในทีนีเลือกค่า Rf
ั ั้ ํ ่ ้Ωk470R ดังนันคํานวณค่าความต้านทาน Ri จากΩ= k470fR
Ω=
Ω
== k52.133
k470R
R
f
i
ส่วนกรณีอินพุตของวงจร = 2.48 Vo จะมีค่าเป็น 0 V จะเขียนสมการได้
5.33
52.3m
i
ุ
ดังนี้คือ Vo = 0 = mVin + C
0 = 3.52 x 2.48 + C
จะได้ค่า C = - 3.52 x 2.48 = - 8.7296
60

จาก C
R
R
V
f
CC ⋅=−= 729.8
OSR
จากสมการหากต้องการค่า C ที่เป็นลบจําเป็นต้องเลือกค่าแรงดัน VCC = -12V
โ ี่ ื Ωk470Rโดยจากทเราเลอก
ดังนั้นจะหาค่า Ros ได้จาก
Ω= k470fR
Ω=
−
×−=⋅= k07.646
729.8
000,470
12
C
R
VR
f
CCOS
ส่วนค่า OSif // R// RRR =Comp
kk//k//k
เลือก ###
Ω== k56.89k07646//k52.133//k470 .
Ω= k90CompR ###Comp
61

สรุป
ΩΩ
Ω=Ω=
k90k07646
k52.133,k470
RR
RRf i
(เลือก R และ R เป็นแบบปรับค่าได้ค่าความต้านทาน 150 kΩ และ 1 MΩ)
Ω=Ω= k90k07.646 CompRROS
(เลอก Ri และ Ros เปนแบบปรบคาไดคาความตานทาน 150 kΩ และ 1 MΩ)
OSR fR
CCV±
R
R
iR
CCV+
CC
2/R
CCV−
inV
CCV
รูปที่ 2.39 วงจรปรับ Zero-Span ที่ใช้ในการออกแบบู
62

+VCC
RR
วงจรปรับ Zero - Span ด้วยออปแอมป์ตัวเดียว
RfRi
VB
+
-
V
VO
Vin
รปที่ 2 40 วงจรปรับ Zero-Span ด้วยออปแอมป์ตัวเดียว
วงจรดังรูปที่ 2.40 เป็นวงจร Zero Span ที่ใช้ออปแอมป์เพียงตัวเดียวโดยสมการ
ั ์ ี ั ี่ 2 28
รูปท 2.40 วงจรปรบ Zero-Span ดวยออปแอมปตวเดยว
แรงดนเอาตพุตของวงจรสามารถเขยนดงสมการท 2.28
ff
V
R
V
R
V )()1( += (2 28)B
i
in
i
O V
R
V
R
V )()1( −+= …(2.28)
63

การวิเคราะห์อาจใช้วิธีการที่เรียกว่า Superposition โดยคิดเอาต์พุตวงจรที่เกิดจาก
แหล่งจ่ายแรงดันแต่ละตัวแล้วนํามารวมกันเพื่อเป็นแรงดันเอาต์พุตที่เกิดจริง
- จากวงจรในรูป 2.41 เป็นกรณีแรงดัน VoVB คือแรงดันเอาต์พุตที่เกิดจากแรงดัน VB
f
V
R
V )(
รูปที่ 2.41 วงจรที่ใช้พิจาณาผลของแรงดัน VB ต่อแรงดันเอาต์พุต
B
i
f
O V
R
V VB
)(−= …(2.29)
64

ใ ป ี่ 2 42 V ื ั ์ ี่ ิ ั Vi
- จากวงจรในรูปท 2.42 VoVin คอแรงดนเอาตพุตทเกดจากแรงดน Vin
รปที่ 2 42รูปท 2.42
in
f
O V
R
R
V V
)1( += (2 30)in
i
O
RinV
)(
inBV VOOO VVV +=
…(2.30)
…(2.31)
้ ์ ่ ็ดังนันตามหลัก Superposition แรงดันเอาต์พุตวงจรรูปที 2.40 ก็คือการนําแรงดัน
เอาต์พุตที่ได้ดังสมการ (2.29) และ (2.30) มารวมกันดังสมการ (2.28)
B
i
f
in
i
f
O V
R
R
V
R
R
V )()1( −+= 65

4 ื้ ป ั ็ ั ิ ิ [ ]
2.4 พืนฐานการแปลงสัญญาณแอนะล็อกและสัญญาณดิจิตอล [2]
รูปที่ 2.43 ระบบควบคุมที่ประมวลผลแบบดิจิตอล
รูปที่ 2.43 เป็นโครงสร้างของระบบควบคุมที่มีการควบคุมด้วยตัวประมวลผลแบบ
ดิจิตอลโดยตัวควบคมที่เป็นแบบดิจิตอลอาจได้แกุ่
- ไมโครคอนโทรลเลอร์ / ไมโครโปรเซสเซอร์
- ตัวควบคมแบบโปรแกรมได้ (Programmable Logic Controller : PLC)ุ ( g g )
- คอมพิวเตอร์ / ซิงเกิลบอร์ดคอมพิวเตอร์ / คอมพิวเตอร์สําหรับงานอุตสาหกรรม 66

์ป ใ ป ี่ 2 43 ็ ไ ้ ่ ป ั ็
จากองคประกอบในรูปท 2.43 จะเหนไดวาการแปลงสญญาณแอนะลอกจากวงจร
เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ที่ตรวจวัดปริมาณต่างๆในกระบวนการให้เป็นสัญญาณดิจิตอลและ
ป ั ํ ั่ ั ป ิ ิ ใ ้ ป็ ั ็ ื่ ไปการแปลงสญญาณคาสงจากตวประมวลผลแบบดจตอลใหเปนสญญาณแอนะลอกเพอไป
สั่งงานอุปกรณ์ภายนอกนั้นเป็นส่วนประกอบที่สําคัญไม่น้อยสําหรับระบบควบคุม ซึ่งจะได้
่ ึ ี ั ่ ไป ี้กลาวถงรายละเอยดดงตอไปน
Analog to Digital Converter : ADC หรือ A/D คือวงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อก
ป็ สั ิ ิ ี่ ํ ป สั ั ้ ิ ใ ้ ป็ สั ิ ิ ึ่เปนสญญาณดจตอลททาการแปลงสญญาณแรงดนดานอนพุตใหเปนสญญาณดจตอลซง
สัญญาณที่ออกมาอาจมีรูปแบบอนุกรมหรือแบบขนาน วิธีการแปลงสัญญาณแอนะล็อก
ป็ สั ิ ิ ี ิ ี ้ ั ซึ่ ไ ้ ่เปนสญญาณดจตอลมหลายวธดวยกน ซงอาจไดแก
1. Tracking A/D
2 S i A i ti A/D (ไ ่ ร็ ี่ส ่ ั )2. Successive Approximation A/D (ไมเรวทสุดแตเหมาะกบงานควบคุม)
3. Flash A/D (แปลงสัญญาณได้เร็วที่สุดแต่ราคาแพง)
4 D l Sl A/D หรือ I t ti A/D ทํางานช้า4. Dual Slope A/D หรอ Integrating A/D ทางานชา
5. Sigma Delta A/D เนื่องจากเนื้อหานี้จะมีเรียนในวิชาเครื่องมือวัดไฟฟาจึงไมอธิบายในรายละเอียดของแตละวิธี
67

่ ่ ่
สัญญาณเชื่อมต่อและคําจํากัดความต่างๆที่เกี่ยวข้องกับ A/D
ขาสัญญาณต่างๆของไอซีที่ทําหน้าที่เป็น A/D มีหลายสัญญาณด้วยกันดังแสดงคร่าวๆ
ในรูปที่ 2.44 ซึ่งไม่ได้มีแค่อินพุตที่เป็นสัญญาณแอนะล็อกและเอาต์พุตที่เป็นสัญญาณ
ดิจิตอลแต่ยังมีขาแรงดันอ้างอิงที่ใช้ในการแปลงสัญญาณและสัญญาณควบคุมการทํางาน
อีก ซึ่งจะได้กล่าวในรายละเอียดต่อไป
Vin
รูปที่ 2.44 ขาสัญญาณต่างๆของตัวแปลงสัญญาณ A/D 68

แรงดันอินพุต (Vin) เป็นจุดต่อสัญญาณแอนะล็อกที่ต้องการแปลงเป็นดิจิตอลซึ่งแรงดันนี้
ี ั ื ี ี้ ั ิ ป็ ไ ้ ่ ่ ั้ ี้มีสองลักษณะคือ Unipolar : กรณีนีแรงดันอินพุตเป็นได้เฉพาะค่าบวกเท่านันแบบนี
Bipolar : แรงดันเป็นได้ทั้งบวกและลบ
่ ่ ไฟ ป็ ไฟ ี้ ไ ี โ ป ิ ้ ้ ั ิ ป็ ่แหล่งจ่ายไฟ เป็นไฟเลียงไอซี A/D โดยปกติแล้วถ้าแรงดันอินพุต A/D เป็นบวกอย่าง
เดียวแหล่งจ่ายไฟก็จะไม่มีไฟลบ แต่ถ้าแรงดันอินพุตมีทั้งบวกและลบ แหล่งจ่ายไฟ A/D
ป็ ไฟ ี้ ่ ่ ไ ็ ไ ี ิ ั ใ ้ไฟ ี้ ีจะเป็นแบบไฟเลียงคู่ อย่างไรก็ตามไอซี A/D ของบางบริษัทอาจใช้ไฟเลียงบวกเพียง
อย่างเดียว(Single Supply) แต่สามารถแปลงแรงดันอินพุตแบบ bipolar ได้ เช่น A/D
ิ ั ( )ของบริษัท Maxim (http://www.maxim-ic.com)
แรงดันอ้างอิง (Vref) ปกติแรงดันอ้างอิงของ A/D จะเป็นค่าแรงดันอินพุต A/D สูงสุดref
สัญญาณดิจิตอลเอาต์พุต (Dout) ผู้ผลิต A/D จะระบุจํานวนบิตข้อมูลของ A/D ที่ได้และ
บอกด้วยว่าสัญญาณดิจิตอลที่ได้มีรปแบบขนานหรืออนกรมบอกดวยวาสญญาณดจตอลทไดมรูปแบบขนานหรออนุกรม
69

ั ป็ ั ั่ A/D ื
สญญาณควบคุมและบอกสถานะ เปนสญญาณควบคุมการสงงาน A/Dหรอบอก
สภาวะการทํางานของ A/D เช่น
WR (W it ) ป็ ั ั่ ใ ้ A/D ิ่ ํ ั ็ ํ ป ้ โWR (Write) เปนสญญาณสงให A/D เรมนาสญญาณแอนะลอกมาทาการแปลงขอมูลโดย
ระหว่างการแปลงข้อมูลสัญญาณแอนะล็อกจะถูกคงค่าให้คงที่ด้วยวงจร Sample and
H ld ั้ ี่ ่ ใ A/D ิป ื ่ ั ั่ ใ ้ ิ่ ปHold ทงแบบทอยูภายใน A/D ชปหรออยูภายนอก และสญญาณสงงานใหเรมแปลง
ข้อมูลนี้อาจมีชื่อเรียกต่างๆกันได้แก่ Start , Write (WR)
EOC (End Of Conversion) เป็นสัญญาณที่ A/D ส่งไปยังอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับ A/D ว่า
แปลงข้อมูลเสร็จแล้ว จะมีชื่อเรียกว่า End of conversion โดยจะใช้ชื่อสัญญาณว่า EOC
(End Of Conversion) หรือ INTR (Interrupt) หรือ Busy
RD (Read) เป็นสัญญาณอินพตของ A/D ที่ส่งจากอปกรณ์ภายนอกเพื่อบอกให้ A/D ส่งRD (Read) เปนสญญาณอนพุตของ A/D ทสงจากอุปกรณภายนอกเพอบอกให A/D สง
ข้อมูลดิจิตอลที่ได้จากการแปลงสัญญาณแอนะล็อกออกไปยังอุปกรณ์ภายนอก ชื่อ
ขาสัญญาณนี้ของ A/D อาจใช้คําว่า Read (RD)ขาสญญาณนของ A/D อาจใชคาวา Read (RD)
70

ความสัมพันธ์ของสัญญาณดิจิตอลที่เอาต์พุตของ A/D และสัญญาณแอนะล็อกที่
อินพุตของ A/D มีความสัมพันธ์ดังสมการที่ (2.33)
)2( N
×= in
out
V
V
D …(2.33)
ุ
refV
โดย N คือจํานวนบิตของ A/D
Dout คือข้อมูลเอาต์พุต A/D
Vref คือแรงดันอ้างอิงของ A/D ที่ใช้ในการแปลงสัญญาณref ญญ
Vin คือแรงดันอินพุตที่ต้องการแปลงเป็นดิจิตอล
Resolution of A/D เป็นค่าความละเอียดของ A/D ซึ่งเป็นความกว้างของย่านแรงดันที่Resolution of A/D เปนคาความละเอยดของ A/D ซงเปนความกวางของยานแรงดนท
ทําให้ค่าดิจิตอลเปลี่ยนแปลงไป 1 บิต และคํานวณได้จากสมการต่อไปนี้
V
N
2
Resolution
refV
= …(2.34)
71

Q ti ti E ป็ ่ ิ A/D ี่ ป็ ่ ้ ั ี่ ั ใ ้ ่Quantization Error เปนคาผดพลาดของ A/D ทเปนชวงกวางของแรงดนทยงคงใหคา
ดิจิตอลเอาต์พุตที่คงเดิม โดยในรูปที่ 2.45 ค่าผิดพลาดมีค่าระหว่าง 0 – 1 LSB
Inherent Quantization Error จาก
รูปเมื่อ Vin = 0 digital code = 000ู g
แต่เมื่อ Vin >0 แต่น้อยกว่า Vref/8
digital code ก็ยังเป็น 000 อยู่ ส่วนนี้g ู
ถือว่าเกิดค่าผิดพลาดในการแปลงข้อมูล
และเมื่อ Vin = Vref/8 digital codeg
จึงเป็น 001 ซึ่งตรงจุดนี้ Error จะมีค่า
เป็นศูนย์อีกครั้ง กรณีนี้ Quantizationู
Error มีค่าเท่ากับ 1 LSB
รูปที่ 2.45 แรงดันอินพุต-รหัสดิจิตอลเอาต์พุตของ D/A 3 บิต : กรณี Error 0-1LSB
72

Inherent Quantization Error จากรูปเมื่อู
Vin = 0 digital code = 000 แต่เมื่อ Vin มี
ค่าประมาณ Vref/16 (ครึ่งหนึ่งของ Vref/8)
แต่น้อยกว่า Vref/8 digital code ก็ยังเป็น
000 อยู่ ส่วนนี้ถือว่าเกิดค่าผิดพลาดในการู
แปลงข้อมูลและเมื่อ Vin = Vref/16 digital
code จึงเป็น 001 ซึ่งตรงจุดนี้ Error จะมีค่า
ติดลบ ½ LSB ในกรณีนี้ A/D มี
Quantization Error คือ ½ LSB
รูปที่ 2.46 แรงดันอินพุต-รหัสดิจิตอลเอาต์พุตของ D/A 3 บิต : กรณี Error ±1/2 LSB
73

รูปนี้แสดง Zero Scale Offset Error นั่นคือขนาดแรงดันอินพุตที่มากกว่าศูนย์แต่ยังให้
Digital code เป็นศนย์อย่g ู ู
รูปที่ 2.47 แสดงความผิดพลาดของ A/D กรณีมี Zero Scale Offset
74

รูปนี้แสดง Full Scale Offset Error นั่นคือขนาดแรงดันอินพุตที่ทําให้เกิดค่า digital
code สูงสุดโดยที่ค่าแรงดันอินพุตนั้นยังไม่ถึงค่าทางอุดมคติที่จะได้ digital code สูงสุด
ี่ ิ ี ีรูปที 2.48 แสดงความผิดพลาดของ A/D กรณีมี Full Scale Offset
75

ตัวอย่าง
้ โ ์ โ ์A/D ขนาด 10 บิต มีแรงดันอ้างอิง 5 โวลต์หากอินพุตมีค่าเท่ากับ 3.127 โวลต์จงหาค่า
ดิจิตอลเอาต์พุตของ A/D
ีวิธีทํา
ุตแรงดันอินพตพุตดิจิตอลเอา
=
อิงแรงดันอาง2
=N
1273 10
ดิจิตอลเอาต์พุต =
์ ็
4096.640)2(
5
127.3 10
=×
Aแปลงผลลัพธ์เป็นเลขฐานสอง = 10 1000 0000 Ans
76

ตัวอย่างตวอยาง
A/D ขนาด10 บิตมีแรงดันอ้างอิง 2.5 โวลต์ถ้าอินพุตมีขนาด 1.45 โวลต์ จงคํานวณหา
ค่าดิจิตอลเอาต์พตคาดจตอลเอาตพุต
ั ิิ ิ
อิงแรงดันอาง
ุตแรงดันอินพ
2
ตพุตดิจิตอลเอา
=N
ดังนั้นดิจิตอลเอาต์พุต 593.921024
2.5
1.45
=×=
แปลงผลลัพธ์เป็นเลขฐานสิบหกก็คือ 251H Ans
77

ตัวอย่าง เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิชนิดหนึ่งให้เอาต์พุตเป็นแรงดัน 0.02 โวลต์ต่อ 1 องศา
ี ่ ั ้ ิ A/D ํ ิ ้ ้ ้ ั ิใเซลเซยส จงหาคาแรงดนอางองของ A/D และจานวนบตขอมูลถาตองการวดอุณหภูมใน
ย่าน 0 ถึง 100 องศาเซลเซียส โดยความละเอียดเท่ากับ 0.1 องศาเซลเซียส
วิธีทําวธทา
คํานวณย่านแรงดันที่ได้จากเซ็นเซอร์
- ค่าสงสด = 0 02 V/องศา x 100 = 2 โวลต์คาสูงสุด 0.02 V/องศา x 100 2 โวลต
ค่าความละเอียดของแรงดันที่ A/D ควรจะวัดได้คิดจากความละเอียดของ
อณหภมิที่ต้องการวัดนั่นคือ 0.1 องศาซึ่งเซ็นเซอร์จะให้แรงดันเอาต์พตอุณหภูมทตองการวดนนคอ 0.1 องศาซงเซนเซอรจะใหแรงดนเอาตพุต
เท่ากับ 0.1 x 0.02 V = 2 mV
สรุป A/D มียานอินพุต = 0 – 2 V โดยความละเอียด 0.02 V (แรงดัน 1 LSB)
78

เลือกแรงดันอ้างอิงเท่ากับ 2 โวลต์ตามค่าสูงสุดที่อินพุตของ A/D
จากสมการ N2
2
002.0
N2
refV
V ===Δ
1000
002.0
2
2N
==
แก้สมการ N = 9.9657 ดังนั้นเลือก A/D ขนาด 10 บิต
ํ ี ใ ั- คํานวณความละเอียดในการวัด
จาก A/D ขนาด 10 บิตทําการคํานวณย้อนกลับเพื่อหาค่าความละเอียดที่ A/D 10 บิต
ป ั ไ ้ ี ั ี้ ี ่ ํ ่ ป็ 10 ัสามารถแปลงสญญาณไดจากสมการเดียวกนนีเพียงแตกาหนดคา n เปน 10และแรงดน
อ้างอิงเท่ากับ 2 โวลต์
R l ti ี่ 10 ิ 0019530
2
LSB1Resolution ท 10 บต = 001953.0
2
LSB1 10
==
79

Aperture Time
จากที่ผ่านมาพบว่าไม่ว่าจะเป็น A/D ชนิดใดก็ตามก็จะต้องใช้เวลาในการแปลง
สัญญาณจากแอนะล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอลโดยเรียกว่า Conversion Time ดังนั้นหาก
ในระหว่างที่เกิดการแปลงสัญญาณอยู่นี้แรงดันอินพุตที่ A/D ต้องการแปลงเกิดการญญ ู ุ
เปลี่ยนแปลงไปก็จะทําให้เกิดความผิดพลาดในการแปลงสัญญาณของ A/D ซึ่ง
ข้อผิดพลาดนี้จะเรียกว่า Aperture Error
ตัวอย่าง A/D 8 บิตค่า 1 LSB หรือค่าความต่างของแรงดันของค่าดิจิตอล 2 ค่าที่
้ ไ ้ติดกันนันหาได้จาก
fsV×8
2
1
fsV แรงดันเต็มสเกล2
f
ถ้าระหว่างการแปลงสัญญาณหากแรงดันแอนะล็อกอินพุตไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าเกิน
1 LSB A/D ก็จะไม่เกิด Aperture Error1 LSB A/D กจะไมเกด Aperture Error
80

หากต้องการป้องกันไม่ให้เกิด Aperture Error โดยไม่ใช้วงจรช่วยก็อาจทําได้โดยการ
ใช้ A/D ที่มีค่าเวลาในการแปลงสัญญาณที่เหมาะสมกับรูปแบบสัญญาณที่ต้องการแปลง
จากรป Aperture Timeคือเวลาที่ค่าแรงดันอินพตจากรูป Aperture Timeคอเวลาทคาแรงดนอนพุต
มีการเปลี่ยนแปลงแรงดันไม่เกินค่า 1 LSB และถ้า
คิดในกรณีที่สัญญาณอินพตเป็นรปไซน์ก็สามารถคดในกรณทสญญาณอนพุตเปนรูปไซนกสามารถ
คํานวณค่า Aperture Time ได้จากสมการต่อไปนี้
f
ta N
π22
1
= …(2.35)
f คือค่าความถี่สัญญาณอินพุต
่ ใรูปที 2.49 กราฟใช้อธิบาย Aperture Error
81

ั ั้ ื่ ้ ั ิ ึ ไ ้ ี ิ่ ใ ่ ี่ ํ ใ ้ ิ
ดังนันเพือป้องกันการเกิด Aperture Error จึงได้มีการเพิมวงจรในส่วนทีจะทําให้เกิด
ค่าแรงดันอินพุตที่คงที่ในช่วงที่การเปลี่ยนสัญญาณยังไม่เสร็จโดยวงจรดังกล่าวนี้เรียกว่า
ึ่ ใ ปั ั ้ ิ ็ไ ้ ี ํ ้ ไปใSample and Hold ซึงในปัจจุบันผู้ผลิตก็ได้มีการนํา Sample and Hold รวมเข้าไปใน
A/D บ้างเหมือนกันโดย Sample and Hold จะมีลักษณะดังในรูปต่อไปนี้
รูปที่ 2.50 หลักการพื้นฐานของวงจรสุ่มและคงค่าสัญญาณ 82

ตัวอย่าง Sample and Hold ตระกูล LF198
ต้องพิจารณาค่านี้ด้วยเพราะ
เป็นเวลาที่ใช้ตั้งแต่เริ่มสั่งให้เปนเวลาทใชตงแตเรมสงให
Holdค่าแล้วเอาต์พุตนั้นคงที่
รูปที่ 2.51 Sample & Hold เบอร์ LF198 83

ตัวอย่าง Sample and Hold HA-2420 และ HA-2425
รูปที่ 2.52 Sample & Hold เบอร์ HA-2420, HA-2425 84

ตัวอย่าง การใช้ Sample/Hold แบบ Unity Gain (ตระกูล HA บริษัท Intersil)
รปที่ 2.53 Sample & Hold ตระกล HA ของบริษัท INTERSILรูปท 2.53 Sample & Hold ตระกูล HA ของบรษท INTERSIL
85

ตัวอย่าง ADC 0802 / 0803 / 0804
รูปที่ 2.54 ตัวอย่าง A/D ชิป 8 bit แบบ Parallel
86

รูปที่ 2.55 วงจรใช้งานเบื้องต้นของ ADC 0804 87

Timing diagram ช่วงสั่งให้เกิดการเริ่มแปลงสัญญาณของ ADC0804จะต้องให้สัญญาณ
CS ป็ ้ ้ ใ ้ ั WR ป็ ่ ึ่ ั้ ใ ้ WRCS เปนขอบขาลงแลวตามดวยใหสญญาณ WRเปนขอบขาลงชวงเวลาหนงจากนนให WR
กลับเป็น High แล้วจึงให้ขาCS เป็น High ก็ถือว่าเสร็จสิ้นการสั่งให้ A/D เริ่มแปลง
ัสญญาณ
่ ่รูปที 2.56 Timing การสัง Start ของ ADC 0804
88

หาก ADC0804 แปลงสัญญาณเสร็จก็จะให้สัญญาณเป็น Low ที่ขา INTR ดังนั้นหาก
ตรวจสอบพบว่าแปลงสัญญาณเสร็จแล้วและต้องการอ่านข้อมลก็จะต้องให้ CS = 0 และตรวจสอบพบวาแปลงสญญาณเสรจแลวและตองการอานขอมูลกจะตองให CS 0 และ
ให้ RD = 0 Data ก็จะปรากฏที่ขา DB0-DB7
ป ี่ 2 57 Ti i di ่ ่ ้ ADC0804รูปที 2.57 Timing diagram ชวงการอานขอมูลจาก ADC0804
89

รูปที่ 2.58 ตัวอย่าง A/D 8 bit / 8 channel : ADC0808/ ADC0809 90

รูปที่ 2.59 โครงสร้างภายใน A/D : ADC0808/ ADC0809 91

92

่ ใรูปที 2.61 การต่อแรงดันอ้างอิงในการแปลงสัญญาณของ A/D ADC0808
93

รูปที่ 2.62 ตัวอย่างการต่อ ADC0808/ ADC0809 กับไมโครโปรเซสเซอร์
94

LTC 1409 12 bit A/D
ี่ ั ่ ิ ์รูปที 2.63 ตัวอย่าง A/D ขนาด 12 บิตเบอร์ LTC 1409
95

รูปที่ 2.64 การต่อแรงดันอ้างอิงและรหัส Digital ของ A/D 12 บิตเบอร์ LTC 1409
96

รปที่ 2.65 LTC1409 : Transfer Characteristicsู
97

Di it l t A l C t DAC ื D/A ื ป ั ิ ิ ป็Digital to Analog Converter : DAC หรอ D/A คอวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปน
สัญญาณแอนะล็อกซึ่งขาสัญญาณของ D/A จะไม่มีอะไรซับซ้อนดังรูปที่ 2.66
รูปที่ 2.66 Digital to Analog Converter
แอนะล็อกเอาต์พุต เป็นสัญญาณแอนะล็อกที่ขาเอาต์พุตของ D/A ที่ได้จากการแปลง
สัญญาณดิจิตอลที่อินพตสญญาณดจตอลทอนพุต
ดิจิตอลอินพุต เป็นสัญญาณดิจิตอลที่อินพุตวงจร D/A ซึ่งข้อมูลดิจิตอลนี้จะแบ่งเป็น
บิตๆโดยแต่ละบิตมีเพียงระดับสัญญาณ 0 หรือ 1 เท่านั้นบตๆโดยแตละบตมเพยงระดบสญญาณ 0 หรอ 1 เทานน
แรงดันอ้างอิง เป็นแรงดันที่ใช้เปรียบเทียบเพื่อการแปลงสัญญาณของ D/A 98

ั ื้ D/A ื ป ั ิ ิ ี่ ี ่ ป็ ิ ‘0’ ื ‘1’หลกการพนฐานของ D/A คอการแปลงสญญาณดจตอลทมคาเปนลอจก ‘0’ หรอ ‘1’
ให้เป็นแรงดัน โดยการใช้สัญญาณดิจิตอลนั้นไปสั่งงานอิเล็กทรอนิกส์สวิตช์เพื่อตัดต่อ
ใ D/A โ ี ่ ป ั ป ี่ 2 67
VRef
(แรงดันอางอิง)
วงจรภายใน D/A โดยภาพรวมมีสวนประกอบดงรูปที 2.67
(แรงดนอางอง)
เอาตพุตแบบกระแส
วงจรความตานทาน
สวิตชควบคุม

วงจรแปลง

เอาตพุตแบบแรงดัน
ดวยระดับลอจิก กระแสเปนแรงดัน
ดิจิตอลอินพุตMSB LSB
รูปที่ 2.67 ตัวอย่างโครงสร้างภายในของ 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
ในรูปที่ 2.68 เป็น DAC แบบ Binary weight ที่จะใช้ตัวต้านทานด้านอินพุตที่มีค่า
่ ั 2N R ึ่ ใ ป ิ ั ิ ไ ่ไ ้ ั ิ ใ ิ ป็ ไ ีแตกตางกน 2N R ซงในทางปฏบตจะไมไดรบความนยมในการผลตเปนไอซ
D D D2 1 0
รูปที่ 2.68 โครงสร้างอย่างง่ายของ binary weight DAC
D D D2 1 0V ( )VrefOut
2 4 8
= + + …(2.36)
100

ป ี่ 2 69 ป็ D/A 3 ิ R 2R L dd ึ่ ่ ั ้ ี ่รูปท 2.69 เปน D/A ขนาด 3 บตแบบ R-2R Ladder ซงคาของตวตานทานมแคสอง
ค่าง่ายในการผลิตเป็นไอซีทําให้โครงสร้างแบบนี้มักถูกใช้ในทางปฏิบัติ
= IO x RF
รูปที่ 2.69 โครงสร้างอย่างง่ายของ R-2R Ladder DAC
8
I
2
1
x
V
=n
ref
Rค่ากระแส 1 LSB = …(2.37)
กระแสเอาต์พุต = กระแสที่ 1LSB x ค่าดิจิตอลอินพุตที่แปลงเป็นเลขฐานสิบ 101

สิ่งที่ต้องคํานึงเมื่อเลือกใช้ D/A
1. ดิจิตอลอินพุต
่ ่ ไฟ ( )2. แหล่งจ่ายไฟ (Power Supply)
- แบบแหล่งจ่ายไฟเดี่ยว (Single Supply) เช่น 5V, 12V, 15V
- แบบแหล่งจ่ายไฟคู่ (Dual Supply) เช่น +/- 15 V , +/- 12 V
3 แรงดันอ้างอิง (Voltage reference) 4 ลักษณะสัญญาณเอาต์พต3. แรงดนอางอง (Voltage reference) 4. ลกษณะสญญาณเอาตพุต
5. ออฟเซต(Offset)
6. การค้างค่าสัญญาณอินพุต (Data Latch)
7 เวลาในการแปลงสัญญาณ (Conversion Time)7. เวลาในการแปลงสญญาณ (Conversion Time)
102

้ ่ ั ป ั ิ ิ ป็ ั ็ ป ้ ป ป์แมวาตวแปลงสญญาณดจตอลเปนสญญาณแอนะลอกจะประกอบดวยวงจรออปแอมป
ก็ตามแต่ใน D/A ที่มีจําหน่ายบางเบอร์ก็มีสัญญาณกําหนดจังหวะการทํางานของ D/A เช่น
ใ ป ี่ 2 70 ี ั L t h bl ึ่ ใ ้ใ ั่ ใ ้ D/A ั้ ํ ้ในรูปท 2.70 มขาสญญาณ Latch enable ซงใชในการสงงานให D/A นนนาขอมูล
ดิจิตอลด้านอินพุตไปค้างไว้เป็นอินพุตของ D/A ซึ่งผลก็คือแรงดันแอนะล็อกเอาต์พุตจะ
ป ี่ ิ ิ ิ ื่ ั L t h bl ี ti ่ ั้ ึ่ ่เปลยนตามดจตอลอนพุตเมอสญญาณ Latch enable มการ active เทานน ซงยอม
หมายความว่าแรงดันเอาต์พุตจะคงที่ กรณีที่สัญญาณ Latch Enable ไม่มีการ active
รูปที่ 2.70 สัญญาณต่างๆในการเชื่อมต่อ D/A Chip 103

ใ ์ใ ่ ์ ่ ใ ไในการประยุกต์ใช้ D/A กรณีทีต้องการสัญญาณเอาต์พุตหลายช่องแทนทีจะใช้ไอซี
D/A หลายๆตัวเราก็จะใช้ S&H และไอซีที่ทําหน้าที่อิเล็กทรอนิกส์สวิตช์แทนเพื่อลด
ไ ้ ่จํานวน D/A ดังแสดงไดอะแกรมแนวคิดนีในรูปที 2.73
D/AD/A
รูปที่ 2.73 ตัวอย่างการใช้ S&H เพื่อช่วยลดจํานวน D/A 104

ตัวอย่าง D/A ขนาด = 8 บิต แรงดันอ้างอิงคือ2.55โวลต์ จงคํานวณหาค่าResolution
Resolution =
1LSB
mVref 96.9
256
55.2
2
55.2
2 8
===N
V
ซึ่งก็หมายความว่าค่าดิจิตอลอินพุตต่ําสุดคือ 0000 0001 ทําให้แรงดันเอาต์พุตมีค่า
เท่ากับ 9.96 mV หรือหากค่าข้อมลดิจิตอลที่อินพตเปลี่ยนไป 1 LSB จะทําให้เทากบ 9.96 mV หรอหากคาขอมูลดจตอลทอนพุตเปลยนไป 1 LSB จ ทาให
แรงดันเอาต์พุตเปลี่ยนไป 9.96 mV
105

Mt2 3 56

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Ähnlich wie Mt2 3 56

Ähnlich wie Mt2 3 56 (20)

Mt2 3 56