รายงานการทดลองที่ 10 signal processing circuits ii...

Download available via http://kmitnb05.kmitnb.ac.th/~mts

ภาควชาครศาสตรไฟฟาคณะครศาสตรอตสาหกรรม

สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ

รายงานการทดลองท 10Signal Processing Circuits II:

Clippers, Clampers and Digital to Analog Converters

เสนอผชวยศาสตราจารย ดร. มนตร ศรปรชญานนทอาจารยวรรตน ภทรอมรกล

ผทาการทดลองชอ-สกล………………………………………………….รหสประจาตว…………………………………………...

ผรวมทาการทดลองชอ-สกล………………………………………………….รหสประจาตว…………………………………………...

วนททาการทดลอง วน…………….ท…….เดอน………………..ป……..2547…………รายงานนเปนสวนหนงของการทดลองวชา 223307 Engineering Electronics Lab II

ภาคเรยนท 1 ปการศกษา 2547

223307 Engineering Electronics Lab II Lab 10: Signal Processing Circuits II Page: 2 of 21

ผศ.ดร.มนตร ศรปรชญานนท ภาควชาครศาสตรไฟฟา สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ: [email protected]

ภาควชาครศาสตรไฟฟา สจ.พ.

223307Engineering Electronics Lab II

ปฏบตการอเลกทรอนกสวศวกรรม 2

การทดลองท 10Signal Processing Circuits II

วตถประสงค เพอวดหาคณลกษณะพนฐานตางๆของวงจรตดระดบ วงจรเลอนระดบ และวงจรเแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอกชนดตางๆ

อปกรณทใชในการทดลอง

1. Dual trace oscilloscope2. Function generator3. DC Power Supply4. Multi-meter5. Op Amp 741 จานวน 2 ตว6. Diode 1N914 จานวน 1 ตว7. POT 10k จานวน 1 ตว8. Resistors9. Capacitors



เนอหาโดยสรป

ในงานอเลกทรอนกสบางประเภท เชน ระบบเครองมอวด จาเปนตองมการปรบแตงสญญาณ เพอจากดหรอปรบใหเปนไปตามตองการ จงจาเปนตองใชวงจรททาหนาทตด (Clip) หรอเลอนระดบ (Clamp)สญญาณ ตามปกตแลวเราสามารถตอวงจรเหลานไดโดยไมตองใชออปแอมป แตขอดของการใชออปแอมปรวมดวย คอ สามารถปรบระดบแรงดนทตองการตด หรอเลอนระดบแรงดนไดโดยใชตวตานทานปรบคาได

วงจรตดระดบแรงดน

วงจรตดระดบสญญาณ (Clipper) คอ วงจรทมสญญาณเอาตพตเปนสญญาณทมการตดระดบหรอตดยอดมาจากสญญาณอนพต โดยการตดยอดสญญาณนจะมทงวงจรทตดยอดดานบวก (Positive Clipper) และวงจรททาหนาทตดยอดสญญาณดานลบ (Negative Clipper)

วงจรในรปท 10.1 เปนวงจรตดยอดสญญาณดานบวก โดยระดบของสญญาณทจะถกตดน เราเรยกวาระดบอางอง (Reference Level, refV ) จะเหนวาสามารถปรบไดท POT สวนรปท 10.2 เปนสญญาณทจดตาง ๆ ของวงจรสงเกตไดวา ถา iV มคานอยกวา refV ไดโอด D จะนากระแส ออปแอมปจงทางานเปนวงจรตามแรงดน ดงนนแรงดนเอาตพต OV จะมคาเทากบ iV

ถา iV มคามากกวา refV ทาใหแรงดน OAV มคามากพอจะทาใหไดโอด D หยดนากระแส ดงนนออปแอมปจงถกเปดวงจรทางเอาตพต OV จงเทากบ refV

OViV

V+

ΩkRL

10

Ωk10POTV−

OAVD

refV

รปท 10.1 วงจรตดยอดสญญาณดานบวก



iV

trefV

t

t

t

OV

refV

iV

refV

OV

refV

(ก)

(ข)

รปท 10.2 รปรางสญญาณอนพตและเอาตพตทจดตาง ๆiV

trefV

t

t

t

OV

refV

iV

refV

OV

refV

OViV

V+

ΩkRL

10

Ωk10 refV

V−

D

(ก)

(ข)

OAV

POT

รปท 10.3 (ก) วงจรตดยอดสญญาณดานลบ (ข) รปรางสญญาณทจดตาง ๆ ของวงจร



เราสามารถปรบปรง วงจรตดระดบสญญาณดานบวกในรปท 10.1 ใหเปนวงจรตดระดบสญญาณดานลบ (Negative Clamper) ไดดงรปท 10.3 เพยงแตสลบขวของไดโอด D และสลบขวของแรงดน refV เทานนโดยนา POT มาตอกบแรงดนไฟเลยงดานลบ ( V− ) แทน

วงจรเลอนระดบแรงดน

OV

iVV+Ωk7.4

V−

V+

V−

refV

OAV

D Ωk10LR

µF1.01 =C

POT

รปท 10.4 วงจรเลอนระดบแรงดน

วงจรเลอนระดบแรงดนดงรปท 10.4 จะทาหนาทเลอนระดบสญญาณอนพตใหขนหรอลงได คลาย ๆ กบเปนการปรบปม Y Position ของออสซลโลสโคป ซงระดบนนขนอยกบแรงดนอางอง refV ทปรบไปโดย POT

ถา refV เปนบวกแรงดน OAV จะเปนบวกดวยไดโอด D จงสามารถนากระแส ออปแอมปทางานวงจรตามแรงดน ดงนนตวเกบประจ 1C จะทาการประจแรงดน refV ดวย แรงดนเอาตพต OV จงเปนผลรวมทางแรงดน refV ท C เกบไวกบแรงดนอนพต iV ดงรปท 10.5 (ก)

ในทางกลบกน ถา refV เปนลบและสลบขวไดโอดเรากจะไดวงจรเลอนระดบทางดานลบ ดงสญญาณในรปท 10.5 (ข)



iV

tmV+

OV

mV−

t

mV2+

refV

(ก)

iV

t

t

OV

refV

(ข)

mV+

mV−

mV2−

รปท 10.5 สญญาณของวงจรเลอนระดบสญญาณ(ก) ดานบวก (ข) ดานลบ

การแปลงสญญาณดจตอลเปนอนาลอกสญญาณไฟฟาในงานอเลกทรอนกส สามารถแบงออกไดเปน 2 ประเภทใหญๆ คอ สญญาณอนา

ลอก (Analog signal) และสญญาณดจตอล (Digital signal) ซงในบางครงจาเปนตองมการเปลยนแปลงรปสญญาณเพอความเหมาะสมในการทางานของการควบคมระบบ ในการทดลองนจะเปนการแปลงสญญาณดจตอลใหเปนอนาลอก (Digital to Analog conversion, D/A)

วงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนอนาลอก

เราสามารถสรางวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนอนาลอกไดโดยใชออปแอมปสาหรบ วงจรนจะรบเอาสญญาณดจตอล ตวอยางเชนมขนาด 3 บตมาแปลงใหเปนสญญาณอนาลอกดงรปท 10.6

D

A

0b

1b

2bOV

ความละเอยดของแรงดน=แรงดนเตมสเกล

2จานวนบต-1

ความละเอยดของแรงดน = 5V = 0.714V23-1

(ก)

0b 1b 2bอนพต เอาตพต

OV0

10 0

0 00 010

01 1

1 01 101 1 0

11 1

V0V714.0V428.1V142.2V856.2

V57.3V289.4

V5(ข)

รปท 10.6 หลกการแปลงสญญาณดจตอลเปนอนาลอก



จากรปท 22.1 สมตทแรงดนเตมสเกลคอ V5 เมอใหทกบตเปน “1” จะได แรงดน OV = V5 ถาใหเปน “0” ทกบต จะไดแรงดน OV = V0 และถาเปลยนแปลงบตตางๆกจะไดคา OV ตามตารางทในรปท 10.6 (ข) วงจรเปลยนสญญาณดจตอลเปนอนาลอกโดยใชออปแอมปมอย 2 ชนด คอ

- แบบ Binary-weighted resistors- แบบ R-2R resistors

วงจร D/A แบบ Binary-weighted resistors

OV

fRR

2R

4R

8R

0b

1b

2b

3b

รปท 10.7 วงจร D/A แบบ Binary-weighted resistors

วงจร D/A แบบ Binary-weighted resistors แสดงในรปท 10.7 ซงเปนตวอยางของวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนอนาลอกขนาด 4 บต จากวงจรจะเหนไดวาเปนการตอออปแอมปเปนวงจรขยายบวกสญญาณแบบกลบเฟส แตคาตวตานทานทอนพตแตละบตจะมคาตางกน วงจร D/A ขนาด 4 บต จะใหคาแรงดนเอาตพตอนาลอก 16 คาตามสมการ

จานวน step = 2จานวนบต (10.1)

จากสมการท (10.1) ของวงจรขยายผลบวกสญญาณ เราจะไดสมการของแรงดนเอาตพต OV ดงน

OV = ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++−

8423210

Rb

Rb

Rb

Rb

Rf (10.2)

โดยท 0b ถง 3b เปนสญญาณดจตอลซงมเพยงลอจก “0” และลอจก “1” โดยทลอจก “0” หมายถงมการตออนพตนนลงกราวนด สวนลอจก “1” หมายถงตอกบแรงดนทตองการ ยกตวอยาง เชน แรงดน V5+

เปนตน



จากวงจรในรปท 10.7 ถากาหนดแรงดน V5+ R = Ωk10 และ fR = Ωk1 เราจะไดแรงดนเอาตพต OV

ในแตละขนดงรปท 10.8 (ก) และ (ข) โดยทคาแรงดน OV สามารถคานวณไดจากสมการ (10.2)

1b2b3bอนพต เอาตพต

OV0

10 0

0 00 010

01 1

1 01 101 1 0

11 1

0V5.0−

0b0000

1111

0000

1111

00001111

001

01

011

10

010101

V1−V5.1−

V5.2−V2−

V5.3−V3−

V5.4−V4−

V5.5−V5−

V5.6−V6−

V5.7−V7−

(ก)

เอาตพต

0 1 2 3 15

OV−

V5.7−V7−

V5.0−V1−V5.1−

(ข)

เลขฐานสบเทยบเทาของเลขฐานสองอนพต

รปท 10.8 (ก) แรงดนเอาตพต OV ทแตละขนของลอจกอนพต (ข) กราฟความสมพนธระหวางอนพตและเอาตพต

วงจร D/A แบบ R-2R resistors

OV

fRR

R2

0b 1b 2b 3b

R R

R2 R2 R2R2

รปท 10.9 วงจร D/A แบบ R-2R resistors

ขอเสยของวงจร D/A แบบแรกคอตองการตวตานทานหลายคาซงอาจเปนการยากในทางปฏบตดงนนสามารถใชวงจร D/A อกแบบหนงคอ แบบ R-2R resistors ดงแสดงในรปท 10.9 วงจรดงกลาวใชตวตานทานเพยง 2 คา คอ R และ 2R โดยแรงดนเอาตพต OV จะมคา



OV = ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛+++−

Rb

Rb

Rb

Rb

Rf 168423210 (10.3)

ยกตวอยางเชน ถากาหนดแรงดนของลอจก “1” เทากบ +5V และกาหนด fR = Ωk20 R = Ωk10

จากสมการท (10.3) จะไดคาของแรงดนเอาตพตเปนไปตามรปท 10.10

1b2b3bอนพต(V) เอาตพต

OV0

50 0

0 00 00

0 00

0

0V625.0−

0b00000000

0000

00

00

0

0

0

0

V25.1−V875.1−

V125.3−V50.2−

V375.4−V750.3−

V625.5−V0.5−

V875.6−V25.6−

V125.8−V50.7−

V375.9−V875.8−

(ก)

เอาตพต

0 1 3 15

OV−

V375.9−

V875.8−

(ข)

V625.0−

V875.1−

V125.3−

55

5

5

5

5

5

5

55

55

55

55

55

55

55

55

55

55

55

55

เลขฐานสบเทยบเทาของเลขฐานสองอนพต

รปท 10.10 (ก) แรงดนเอาตพตในแตละขนของลอจกอนพต (ข) กราฟแสดงความสมพนธระหวางอนพตและเอาตพต

เอกสารอางอง

[1] Howard M. Berlin, Op-Amp Circuits and Principles, A division of Macmillan ComputerPublishing, 1991.

[2] Howard M. Berlin, Design of Op-Amp Circuits, with experiments, Howard W. Sam &Company, 1990.

[3] D. Roy Choudhury and Shail Jain, Linear Integrated Circuits, Wiley Eastern Limited New AgeInternational Limited, 1994.

[4] John V. Wait, Lewrence P. Huelsmal and Granino A. Korn, Introduction to OperationalAmplifier Theory and applications, McGraw-Hill, Inc. , 2nd edition, 1992.



[5] George Clayton and Steve Winder, Operational Amplifiers, 4th edition, Newnes-Butterworth,2000.

[6] Robert F. Coughlin and Frederick F. Driscoll, Operational Amplifiers & Linear IntegratedCircuits, Prentice-Hall International, Inc. , 1998.

[7] Robert G. Irvine, Operational Amplifiers Characteristics and Applications, 3rd edition, 1994.

การทดลอง

ตอนท 1 วงจรตดระดบสญญาณ

2CH−OV

iV1CH−

V12+

Ωk10V12−Hz

VP

5005

V12−

7416

V12+

POTkΩ10

refV

4

72

3

9141N

D

รปท 10.11 วงจรตดระดบสญญาณทใชในการทดลอง

1.1 ตอวงจรตามรปท 10.11

1.2 เปดแหลงจายไฟใหวงจรใชออสซลโลสโคป แชนแนล 1 วดสญญาณ iV และแชนแนล 2 วดสญญาณ OV โดยปรบ POT ให refV เทากบ +2V สงเกตและบนทกคารปสญญาณทได ทง iV และ OV ลงใน

รปท 10.12



รปท 10.12 ผลสญญาณทไดจากวงจรรปท 10.11

1.3 ปรบ refV ใหมคา V2− , V0 , V3+ และ V6+ สงเกต OV วามรปรางเปลยนแปลงเปนอยางไร……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..

1.4 สลบขวไดโอด D และปรบ refV ใหมคา –2V สงเกตและบนทกรปรางของสญญาณ iV และ OV ลงในรปท 10.13

ผลการสงเกต……………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..



รปท 10.13 ผลสญญาณทวดได

สรปผลการทดลองวงจรตดระดบสญญาณ



ตอนท 2 วงจรเลอนระดบสญญาณ

( )2CH−OV

V12+

V12−

7416

4

72

3

9141N

( )1CH−iV

HzVP

5002

V12−

V12+

POTkΩ10

refV

Ωk7.4

µF1.01 =C

รปท 10.14 วงจรเลอนระดบสญญาณทใชในการทดลองตอนท 2

2.1 ตอวงจรตามรปท 10.14

2.2 เปดแหลงจายไฟใหกบวงจรใชออสซลโลสโคปแชนแนล 1 วดสญญาณ iV และแชนแนล 2 วดสญญาณ OV โดยปรบ POT ให refV เทากบ +1V

2.3 สงเกตและบนทกรปสญญาณทไดทง iV และ OV ลงในรปท 10.15

รปท 10.15 ผลสญญาณทวดไดจากวงจรรปท 10.14



2.4 ปรบ refV เปน V1− , V0 , V2+ และ V3+ สงเกตสญญาณ OV ทไดวา เปลยนแปลงอยางไร……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..

2.5 สลบขวไดโอด D จากวงจรในรปท 10.14 และปรบให refV มคา –1V สงเกตและบนทกรปรางสญญาณ iV และ OV ลงในรปท 10.16

ผลการสงเกต……………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..

รปท 10.16 ผลสญญาณทวดได



สรปผลการทดลองวงจรเลอนระดบสญญาณ

ตอนท 3 วงจร D/A แบบ Binary-weighted resistors

OV

Ω= kRf 10R

2R

4R

8R

0b

1b

2b

3b

741

2

3 4

67

V12+

V12−

รปท 10.17 วงจรการทดลองตอนท 3

1.1 จากวงจรรปท 10.17 กาหนด fR = Ωk10 ตองการใหแรงดนทางเอาตพต OV มคาสงสด (ทอนพตเปนลอจก “1” ทกบต) เปน V10− จงคานวณหาคา R จากสมการท (22.2) เมอกาหนดอนพตเปนลอจก “1” มแรงดนเทากบ V5+

จากการคานวณได R =_____________________Ω

1.2 ตอวงจรตามรปท 22.6 โดยใช R , 2R , 4R , 8R ตามคา R ทคานวณไดจากขอ 1.1 โดยใชคาความตานทานใหใกลเคยงมากทสด



1.3 ปอนแหลงจายไฟใหวงจร ใชโวลตมเตอรวดแรงดนเอาตพต OV แตละขนตามตารางท 1 เปรยบเทยบ คา OV ทคานวณไดจากสมการท (10.2) บนทกผลลงในตาราง

*คาแนะนา การตออนพตเปนลอจก “0” ใหตออนพตนนลงกราวนดการตออนพตเปนลอจก “1” ใหตออนพตนนเขากบแรงดน V5+ โดยนามาจากแหลงจายไฟตรงทปรบคาได 0-12V แลวปรบใหได V5+

(ถามหลายบตเปนลอจก “1” สามารถตอจากจด V5+ เดยวกนได)

ตารางท 1 ตารางบนทกผลการทดลองตอนท 3อนพตจานวน

เทยบเทาเลขฐานสบ 3b 2b 1b 0b

เอาตพต( OV ,V )วด

เอาตพต( OV ,V )คานวณ

0123456789101112131415

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

3.4 คาแรงดนเอาตพต OV สงสด ทไดจากการวดในตารางท 2 เปนไปตามความตองการในขอท 1.1 หรอไม อยางไร

……………………………………………………………………………………………………………………..



……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..

3.5 คาแรงดนเอาตพต OV ทไดจากการวดและการคานวณ มความแตกตางกนอยางไร หรอไม……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..

3.6 ถาตองการออกแบบวงจร D/A แบบนใหมแรงดน OV สงสด –5 V จงออกแบบวงจรดงกลาว (ใหแสดงขนตอนการออกแบบแนบมาในรายงานการทดลองดวย) พรอมทงทาการทดลองและอภปรายผลการทดลองทไดวาเปนไปตามทไดออกแบบไวหรอไม อยางไร



ตอนท 4 วงจร D/A แบบ R-2R resistors

OV

fRR

R2

0b 1b 2b 3b

R R

R2 R2 R2R2V12+

V12−

741

2

34

67

รปท 10.18 วงจรการทดลองตอนท 4

4.1 จากวงจรรปท 10.18 กาหนด fR = Ωk10 ตองการใหแรงดนทางเอาตพต OV มคาสงสด (ทอนพตเปนลอจก “1” ทกบต) เปน V10− จงคานวณหาคา R จากสมการท (10.3) เมอกาหนดอนพตเปนลอจก “1” มแรงดนเทากบ V5+

จากการคานวณใช R =__________________Ω

4.2 ตอวงจรตามรปท 22.7 โดย R2 , R4 , R8 และ R16 ตามคา R ทคานวณไดจากขอ 22.1 โดยใชคาความตานทานใกลเคยงกบคาทคานวณไดใหมากทสด

4.3 ปอนแหลงจายไฟใหวงจร ใชโวลตมเตอรวดแรงดนเอาตพต OV แตละขนตามตารางท 2 เปรยบเทยบ คา OV ทคานวณไดจากสมการ (10.3) บนทกผลทวดไดและคานวณไดลงในตารางท 2



ตารางท 2 ตารางบนทกผลการทดลองตอนท 4

อนพตจานวนเทยบเทาเลขฐานสบ 3b 2b 1b 0b

เอาตพต( OV ,V )วด

เอาตพต( OV ,V )คานวณ

0123456789101112131415

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________

4.4 คาแรงดนเอาตพต OV สงสดทไดจากการวดในตารางท 3 เปนไปตามความตองการในขอท 2.1 หรอไม อยางไร

……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..



4.5 คาแรงดนเอาตพต OV ทไดจากการวดและการคานวณ มความแตกตางกนอยางไร หรอไม……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………..

4.5 ถาตองการออกแบบวงจร D/A แบบนใหมแรงดน OV สงสด V5− จงออกแบบวงจรดงกลาว (ใหแสดงขนตอนการออกแบบแนบมาในรายงานการทดลองดวย) พรอมทงทาการทดลองและอภปรายผลการทดลองทไดวาเปนไปตามทไดออกแบบไวหรอไม อยางไร



สรปผลการทดลองวงจรแปลงสญญาณดจตอลเปนแอนะลอก

รายงานการทดลองที่ 10 signal processing circuits ii...

Documents