6

บทที่ 1

ชุดปฏิบัติการทางดานดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส คือ ช่ือบอรดทดลองวงจรดิจิตอลขนาดเล็กกะทัดรัด ราคาประหยัดท่ีสรางข้ึนเพื่อสนับสนุนการเรียนรูการทํางานของวงจรดิจิตอลพื้นฐานดวยตัวเองดวยการจัดเตรียมเคร่ืองมือท่ีจําเปนตองใชในการทดลองไวอยางครบถวนบนบอรดทดลอง ทําใหผูเรียนสามารถดําเนินการทดลองไดอยางสะดวกและงายตอการทดลองยิ่งข้ึน 1. สวนประกอบของบอรดชุดปฏิบัติการทางดานดิจิตอลอิเล็กทรอนิกสท่ีสรางขึ้นประกอบดวย 1.1 ลอจิกสวิตซจํานวน 8 ชอง ใชสวิตซเล่ือนคุณภาพสูง ทนทาน ใหความรูสึกในการใชงานเปนอยางดี 1.2 ลอจิกมอนิเตอรจํานวน 16 ชองระดับลอจิกทีทีแอล สวนถอดรหัสเลขฐานสองเปนฐานสิบหก ขับ LED ตัวเลข 7 สวน แสดงตัวเลข 0-F จํานวน 2 ชุด 1.3 ดีเบาซสวิตซจํานวน 2 ชุด ใหเอาทพุทขอบขาข้ึนและลง 1.4 วงจรกําเนิดสัญญาณพัลสสามารถเลือกได 4 ความถ่ี คือ 1 เฮิรตซ, 10 เฮิรตซ, 100 เฮิรตซและ 1 กิโลเฮิรตซ ใชสวิตซเลือกเพียงตัวเดียว ควบคุมการทํางานดวยไมโครคอนโทรลเลอร มีไฟแสดงคาความถ่ีท่ีเลือกระดับสัญญาณทีทีแอลดิวตี้ไซเกิล 50 % 1.5 แผงตอวงจร ขนาด 2.5 x 7 นิ้ว สามารถตอวงจรไดจํานวนจุดตอ 800 จุด

1.6 บอรดทดลองขนาด 5.5 x 8 นิ้ว

2. การใชชุดอุปกรณการทดลองดานดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส 2.1 การใชงานของชุดแหลงจายกระแสไฟตรง วงจรอิเล็กทรอนิกสเกือบท้ังหมดท่ีเราพบเห็นนั้นสวนมากเปนวงจรระบบท่ีใชกระแสไฟตรง ซ่ึงกระแสไฟตรงในวงจรนั้นจะไดมาจากแบตเตอร่ีหรือไดมาจากการแปลงกระแสไฟสลับ 220 โวลต 50 เฮิรตซ มาเปนกระแสไฟฟาตรง กระแสไฟตรงนี้ทําใหเกิดอุปกรณท่ีเรียกวา “แหลงจายกระแสไฟตรง” ซ่ึงในวงจรแหลงจายกระแสไฟฟาแบบนี้ จะตองมีคุณสมบัติเดนๆ ดังนี้คือ ใหแรงดันไดคงท่ีตลอดชวงกระแสใชงานตางๆกัน ซ่ึงแปรเปลี่ยนไปในลักษณะเชนนี้จะตองมีเคร่ืองควบคุมกระแสไฟฟากระแสตรง (Regulator) ท่ีดี มีการกระเพ่ือมนอย มีวงจรจํากัด

7

_ _ _+ + +

_ _ _+ + +

+ + +_ _ _

+ + +_ _ _

รอยตอP N

แอโนด (A) แคโทด (K)

กระแส (Current Limit) ท่ีดีเพื่อปองกันไมใหเกิดกระแสไฟฟามากกวาท่ีกําหนดไว และมีวงจรปองกันการลัดวงจรของกระแสไฟ (Short Circuit Protection) 2.1.1 คุณสมบัติของไดโอด ไดโอดเปนอุปกรณสารกึ่งตัวนํา ท่ีไดจากการนําเอาสารกึ่งตัวนําชนิดพีและสารกึ่งตัวนําชนิดเอ็น มาตอชนกัน ไดเปนอุปกรณสารกึ่งตัวนําหนึ่งรอยตอ ในการตอสารกึ่งตัวนําชนิดพีและเอ็นนั้น มิใชเปนการนํามาติดกันเทานั้น แตจะตองใชวิธีปลูกผลึกหรือวิธีการแพรสารเจือปนลงไปในสารกึ่งตัวนําบริสุทธ์ิ ไดโอดจะมีลักษณะโครงสราง ดังรูป 1 รูป 1 แสดงโครงสรางไดโอด 2.1.2 ชนิดของไดโอด ไดโอดท่ีทําจากสารกึ่งตัวนําแบงไดตามชนิดของเน้ือสารท่ีใชเชนเปนชนิดเยอรมันเนียมหรือเปนชนิดซิลิกอน นอกจากนี้ไดโอดยังแบงตามลักษณะกรรมวิธีการผลิต คือ 1. ไดโอดชนิดจุดสัมผัส (point-contact diode) ไดโอดชนิดนี้เกิดจากการนําเอาสารเยอรมันเนียมชนิด N มาอัดสายเล็กๆซ่ึงเปนลวดพลาตินั่ม (platinum) เสนหนึ่งเขาไป เรียกวา หนวดแมว จากน้ันจึงใหกระแสคาสูงๆไหลผานรอยตอระหวางสายและผลึก ทําใหเกิดสารชนิด P ข้ึนรอบๆรอยสัมผัสในผลึกเยอรมันเนียมบางทีก็เรียกไดโอดชนิดนี้วาเปนไดโอดชนิดหนวดแมว ซ่ึงนิยมใชในวงจรดีเทคเตอรและมิกเซอรแตเนื่องจากลักษณะสมบัติของกระแสไฟตรงที่ไมแนนอน จึงไมเหมาะสําหรับงานดานอิเล็กทรอนิกสท่ัวไป 2. ไดโอดชนิดหัวตอ P-N (P-N Junction diode) เปนไดโอดท่ีสรางข้ึนจากการนําสารก่ึงตัวนําชนิด N มาแลวแพรอนุภาคของอะตอมบางชนิดเขาไปในเนื้อสารเกิดเปนสาร P ข้ึนบางสวน แลวจึงตอข้ัวใชงาน ไดโอดชนิดนี้มีบทบาทในวงจรอิเล็กทรอนิกสและมีท่ีใชงานกันอยางแพรหลาย

8

A K

Anode Cathode

A K

Es+ -

IF

2.1.3 สัญลักษณของไดโอด สัญลักษณของไดโอดประกอบดวยหัวลูกศรเปนขาแอโนด ใชอักษรยอ A และอีกดานหน่ึงเปนแคโทด ใชอักษรยอ K หัวลูกศรนั้นแสดงใหเห็นวากระแสโฮลจะไหลจากขาแอโนดไปสูขาแคโทด ดังแสดงในรูป 2 รูป 2 แสดงสัญลักษณของไดโอดและการใหไบแอสไดโอด การจะนําไดโอดไปใชงานจะตองมีการจายไบแอสหรือจัดตัวแรงไฟใหไดโอดเพื่อใหไดโอดนํากระแสและหยุดนํากระแส สามารถจายไบแอสทั้งสองวิธีคือ ไบแอสตรงและไบแอสกลับ ไบแอสตรง (Forward Bias) คือ การจายแรงดันไฟฟาใหตัวไดโอดแบบตรงกับสารกึ่งตัวนํา คือจายแรงไฟที่มีศักยบวกใหสารกึ่งตัวนําชนิดพี (สารพีมีศักยเปนบวก) และจายแรงไฟที่มีศักยเปนลบใหกับสารกึ่งตัวนําชนิด N (สารเอ็นมีศักยเปนลบ) รูป 3 แสดงการจายไบแอสตรงใหไดโอด เม่ือไดโอดไดรับไบแอสตรง โดยตอศักยบวกของแหลงจายไฟฟาเขากับขา A และศักยลบกับขา K ไฟลบจะไปผลักอิเล็กตรอนอิสระในสารชนิดเอ็นใหเคล่ือนท่ีได ในเวลาเดียวกันไฟบวกท่ีจายใหสารชนิดพีดึงดูดอิเล็กตรอนใหเคล่ือนท่ีเขามาหาและจะผลักโฮลใหเคล่ือนท่ีไปขางหนา อิเล็กตรอนจะเคล่ือนที่ผานสารชนิดพีเขาศักยไฟบวกของแหลงจาย และเคล่ือนท่ีผานแหลงจายไป

9

Es+ -

I = 0

K A

ยังขา K ของสารชนิดเอ็นเกิดกระแสไหลผานไดโอด แรงดันไบแอสตรงท่ีจายใหไดโอดจะตองจายแรงดันไบแอสมากกวาศักยไฟฟาท่ีตกครอมอยูตรงรอยตอ คาแรงดันนี้จะมากหรือนอยข้ึนอยูกับ ชนิดของสารที่ใชผลิตไดโอด ไดโอดท่ีผลิตจากสารเยอรมันเนียมจะมีคาแรงดัน 0.2 V สวนไดโอดท่ีผลิตจากสารซิลิกอนจะมีคาแรงดัน 0.6 V ดังนั้นการจายแรงดันไบแอสตรงจะตองจายใหมากกวาศักยไฟฟาท่ีตกครอมรอยตอ และเม่ือไดโอดนํากระแสแลวก็จะมีแรงดันตกครอมรอยตอไดโอดเทากับ 0.2 V ในไดโอดชนิดเยอรมันเนียม และเทากับ 0.6 V ในไดโอดชนิดซิลิกอน ไบแอสกลับ (Reverse) หรือเรียกวา รีเวิรสไบแอส เปนการจายแรงดันไฟฟาใหกับไดโอดแบบกลับข้ัวคือจายศักยไฟบวกใหสารชนิดเอ็นจายศักยไฟลบใหสารชนิดพีจะมีผลใหเกิดการทํางานดังนี้ รูป 4 แสดงการจายไบแอสกลับใหไดโอด ศักยไฟบวกที่จายใหขา K จะดึงดูดอิเล็กตรอนอิสระในสารชนิดเอ็นเคล่ือนตัวออกหางรอยตอ สวนศักยไฟลบท่ีจายใหขา A จึงดึงโฮลจากสารชนิดพีเคล่ือนตัวออกหางรอยตอเชนกัน

ตารางท่ี 1 เปรียบเทียบลักษณะสมบัติของไดโอดไบแอสตรงและไบแอสกลับ

ไบแอสตรง ไบแอสกลับ 1. มีกระแสไหลผานไดโอด 2. ถือวาไดโอดมีความตานทานนอยมาก 3. โดยท่ัวไปถือวาไดโอดลัดวงจร

1. ไมมีกระแสไหลผานไดโอด 2. ถือวาไดโอดมีความตานทานสูงมาก 3. โดยท่ัวไปถือวาไดโอดเปดวงจร

10

0.2 0.6

ซิลิกอนเยอรมันเนยีม

กรณีไบอสัตรง

กรณีไบอสักลบั

แรงดันคตัอนิ

แรงดันพงัทลาย

I -

I +

V +V -

2.1.4 ลักษณะสมบัติของไดโอด แมวาไดโอดในอุดมคติจะมีลักษณะคลายดังสวิตซไฟฟาเพราะฉะนั้นเม่ือเราใหไบแอสตรงจะเหมือนกับสวิตซปดวงจร แตถาใหไบแอสกลับจะเหมือนกับสวิตซเปดวงจร ( OFF ) ซ่ึงไดโอดเม่ือไดไบอัสตรงจะมีกระแสไหลผานไดโอดไดสูงและมีแรงดันตกครอมไดโอดอยูเล็กนอยประมาณ 0.2 หรือ 0.6 โวลต สวนขณะท่ีไบอัสกลับจะมีกระแสไหลผานนอยมากเพียงไมกี่ไมโครแอมป แสดงดังกราฟรูป 5

รูป 5 แสดงกราฟลักษณะสมบัติของไดโอดชนิดรอยตอ

คากระแสอ่ิมตัวยอนกลับสําหรับซิลิคอนไดโอดกับเยอรมันเนียมไดโอดยังมีคาไมเทากันอีกดวย ซิลิคอนไดโอดมีคากระแสอ่ิมตัวนอยกวาเยอรมันเนียมไดโอดประมาณ 1000 เทา สําหรับคาแรงดันคัทอินของท้ังซิลิคอนและเยอรมันเนียมจะมีคาไมเทากัน คาแรงดันคัทอินของซิลิคอนไดโอดมีคาประมาณ 0.6 โวลต สวนของเยอรมันเนียมไดโอดมีคาประมาณ 0.2 โวลต สวนคาแรงดันพังเม่ือไมคิดเคร่ืองหมายแรงดันแลว แรงดันพังของเยอรมันเนียมไดโอดมักจะมีคานอยกวาของซิลิกอนไดโอด

11

2.1.5 ผลของอุณหภูมิท่ีมีตอไดโอด เม่ืออุณหภูมิเปล่ียนแปลงจะมีผลตอลักษณะสมบัติทางกระแสไฟตรงและกระแสของไดโอด เนื่องจากสารกึ่งตัวนําจะมีจํานวนโฮลและอิเล็กตรอนอิสระท่ีข้ึนอยูกับอุณหภูมิส่ิงแวดลอม ดังนั้นในการออกแบบวงจรจําเปนตองทราบวากระแสไดโอดเม่ือไบแอสกลับจะเปล่ียนแปลงอยางไรกับอุณหภูมิ และแรงดันครอมไดโอดขณะไบแอสตรงจะเปล่ียนแปลงอยางไรกับอุณหภูมิเม่ือกระแสที่ไหลผานไดโอดมีคาคงท่ี พิจารณาถึงการเปล่ียนแปลงของกระแสทางดานไบแอสกลับเม่ืออุณหภูมิเพิ่มข้ึนกระแสอ่ิมตัวในไดโอดจะเกิดการเปล่ียนแปลง สมการของการอิ่มตัว ซ่ึงหาไดโดยวิธีการทางเทคโนโลยีของสารก่ึงตัวนํา ซ่ึงจะไดสูตรยุงยากและไมจําเปนท่ีจะตองนํามากลาวในท่ีนี้ อยางไรก็ตามสมการของการอ่ิมตัวทางคณิตศาสตรพบวา การเปล่ียนแปลงของกระแสอ่ิมตัวจะเพิ่มข้ึนตามอุณหภูมิประมาณ 7 % หรือเพ่ิมข้ึนเปน 2 เทาของๆเดิม พิจารณาการเปล่ียนแปลงของแรงดันดานไบแอสตรงกับอุณหภูมิตามทฤษฎีตรงจุดแรงดันคัทอิน การเปล่ียนแปลงของแรงดันจะมีคาลดลง 2.1 มิลลิโวลต สําหรับไดโอดชนิดเยอรมันเนียม และลดลง 2.31 มิลลิโวลต สําหรับซิลิคอนไดโอด ในทางปฏิบัติใชคาเฉล่ียประมาณ 2.5 มิลลิโวลตก็ปลอดภัยในการออกแบบ 2.1.6 ความตานทานในตัวไดโอด ความตานทานในตัวไดโอดท่ีจะแบงออกตามชนิดของแรงดันท่ีใหกับตัวไดโอด ซ่ึงแยกออกเปนความตานทานทางไฟตรงและความตานทานทางไฟสลับ ความตานทานไฟตรง (static resistance) จากลักษณะสมบัติแรงดันและกระแสของไดโอด จะไมเปนลักษณะเชิงเสน ดังนั้นความตานทานในตัวไดโอดจึงไมคงท่ี จากกฎของโอหมจะไดความตานทานทางไฟตรงท่ีจุดทํางานขณะไมมีสัญญาณอื่นใดเขามาเปนความตานทานทางไฟตรงของไดโอดตัวเดียวกันอาจจะไมเทากันก็ได ถาจุดทํางานสําหรับไฟตรงเปล่ียนไปอันเนื่องมาจากแรงดันไฟตรงครอมไดโอดเปลี่ยนแปลงหรือมีการเปล่ียนโหลด ในกรณีท่ีจุดทํางานเล่ือนไปทางดานท่ีกระแสมากข้ึน จะทําใหคาความตานทานไฟตรงลดลง เพราะท่ีจุด RDC = V / I เม่ือ I เพิ่มข้ึนกราฟจะชันกวาเดิม คือท่ีจุดนี้กระแสไหลผานไดโอดจะมีคามากข้ึนกวาเดิมมาก แตแรงดันสูงข้ึนไมมากนัก จึงทําใหความตานทานไฟตรงนอยลง

12

รูป 6 แสดงคาความตานทานในไดโอดทางไฟตรง จากขอมูลท่ีผูผลิตใหมาจะบอกคาแรงดันไบแอสตรงสูงสุด VFmax และกระแสไบแอสกลับสูงสุด IRmax ไว จะหาความตานทานไฟตรงไดจะตองรูลักษณะสมบัติแรงดันและกระแสเพ่ือจะหาคากระแสขณะไบแอสตรง IF ก็สามารถคํานวณหาความตานทานทางไฟตรงได และถาจะหาคาความตานทานทางไฟตรงทางไบแอสกลับตองรูคาแรงดัน VR ณ จุดทํางาน คากระแส IR ซ่ึงกําหนดไวดูจากกราฟลักษณะสมบัติ ตัวอยางเชน ซิลิกอนไดโอดมี VF = 0.8 V , IR = 0.1 ไมโครแอมแปร สมมติวาดูจากลักษณะสมบัติได IF = 10 mA และ VR = 50 V คํานวณคาความตานทานไฟตรงจากสูตร RDC = V/I ขณะไบแอสตรง RDC = 0.8/10x10-9= 80 โอหม ขณะไบแอสกลับ RDC = 50/0.1x10-6= 500 เมกะโอหม ความตานทานทางไฟสลับ (dynamic resistance) เม่ือไดโอดทํางานขณะท่ีมีคาสัญญาณแรงดันไฟขนาดเล็กๆปอนเขามาคาความตานทานท่ีเกิดข้ึนท่ีไดโอดจะเกิดการเปล่ียนแปลงตลอดเวลา คาความตานทานนี้จะแตกตางจากคาความตานทานทางไฟตรง เราเรียกคาความตานทานนี้วา คาความตานทานไฟสลับ การหาคาคาความตานทานไฟสลับหาไดจากคาอัตราสวนการเปล่ียนแปลงของแรงดันครอมตัวไดโอดท่ีเปล่ียนไปกับคาการเปล่ียนแปลงของกระแสท่ีไหลในตัวไดโอด เนื่องจาการทํางานของไดโอดเม่ือมีสัญญาณเขามา ณ จุดท่ีไดโอดทํางานก็จะมีคาไมคงท่ีแนนอน แตเม่ือคิดการเปล่ียนแปลงกระแสไบแอสตรงคาเล็กๆของกระแสและแรงดันแลวจะสามารถหาคาความตานทานทางไฟสลับไดดังรูป 7

13

กระแสไบแอสตรง ID

RAC = vD

ID

แรงดันไบแอสตรง รูป 7 แสดงการหาคาความตานทานทางไฟสลับ การหาคาความตานทานนี้อาจทําไดโดยการใชสูตร

RC = ชวงการเปล่ียนแปลงของแรงดันครอมไดโอด ชวงการเปล่ียนแปลงของกระแสท่ีไหลผานไดโอด RC = VD ID

2.1.7 การพังในตัวไดโอด เม่ือทําการไบแอสตัวไดโอดแบบไบแอสกลับ ไดโอดจะมีคุณสมบัติเหมือนกับตัวตานทานท่ีมีคาสูงมากจึงมีกระแสจากพาหะสวนนอยไหลผานตัวไดโอดท่ีเรียกวา กระแสอิ่มตัวยอนกลับ ไดนอย แตเ ม่ือเพิ่มแรงดันไบแอสกลับใหกับไดโอดจนถึงคาหนึ่งท่ีเรียกวา แรงดันพังทลาย (breakdown voltage) หรือแรงดันซีเนอร (zener voltage) อิเล็กตรอนในไดโอดจะไดรับพลังงานจากสนามไฟฟาท่ีเกิดจากแรงดันนี้มากพอที่จะหลุดจากอะตอมแลววิ่งไปชนอิเล็กตรอนตัวอ่ืนใหหลุดจากอะตอมดวย อิเล็กตรอนท่ีหลุดออกมาก็รับพลังงานจากแรงดันไบแอสกลับแลววิ่งไปชนอิเล็กตรอนตัวอ่ืนตอไปใหหลุดออกมาอีกเปนเชนนี้เร่ือยไป ดังนั้นจึงมีอิเล็กตรอนอิสระหลุดออกมาเปนจํานวนมาก การเคล่ือนท่ีของอิเล็กตรอนจํานวนมากนี้ทําใหเกิดกระแสยอนกลับไหลผานไดโอดมีคาเพิ่มข้ึนอยางรวดเร็ว เหมือนกับวาไดโอดลดคาความตานทานภายในตัวของมันเองอยางทันทีทันใด ปรากฏการณเชนนี้เราเรียกวา การพังแบบอาวาลานซ (avalance breakdown) หรือ การ

14

พังแบบซีเนอร (zener breakdown) กระแสยอนกลับในขณะนี้มักจะไหลผานรอยตอของไดโอดไมเทากันทุกๆจุด จุดใดท่ีกระแสไหลมากก็จะไดรับความรอนมากจนรอยตออาจจะทะลุไดทําใหหมดสภาพการเปนไดโอด นอกจากนี้การพังในตัวไดโอดยังเกิดข้ึนไดอีกเม่ืออุณหภูมิของตัวไดโอดมีคาสูงมากๆ ซ่ึงเปนผลทําใหเกิดการเพ่ิมของกระแสอยางรวดเร็ว ปรากฏการณเชนนี้อาจเกิดข้ึนไดเม่ือใหกระแสไบแอสตรงท่ีมีคาสูงมากๆ การเพิ่มของอุณหภูมิจะเพิ่มข้ึนอยางรวดเร็วเพราะความรอนท่ีเกิดข้ึนจะไมสามารถระบายออกสูส่ิงแวดลอมไดทันทีซ่ึงเรียกวา การเพิ่มหนีของอุณหภูมิไดโอด จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นเร่ือยๆ จนกระแสที่ไหลผานตัวมันเกินขีดจํากัด อาจทําใหไดโอดเสียหายได 2.1.8 วงจรไดโอดเบ้ืองตน วงจรไดโอดเบ้ืองตนจะประกอบดวยตัวไดโอดและตัวตานทานตอกันอยางอนุกรมเม่ือปอนแรงดันเขาท่ีข้ัวอินพุทจะเกิดการไหลของกระแสในวงจรที่ข้ึนอยูกับภาวะตางๆของไดโอด จากกฏของเคียชโฮฟรอบวงจร ผลรวมของแรงดันในวงจรเขียนเปนสมการได Vd = Vi – (IdRL) ( 1 ) เม่ือ RL คือ คาความตานทานโหลด Id คือ คากระแสท่ีไหลในวงจร Vd คือ แรงดันท่ีตกครอมตัวไดโอด

Vi คือ แรงดันไฟอินพุท จากสมการ 1 ยังไมเพียงพอที่จะหาคาแรงดันท่ีตกครอมไดโอด Vd และกระแสท่ีไหลในวงจรไดท้ังนี้เพราะความสัมพันธของ Vd และ Id ของไดโอดจะเปนกราฟลักษณะสมบัติไมเปนเชิงเสน ดังนั้นวิธีท่ีจะหาคาแรงดันท่ีตกครอมไดโอดและกระแสที่ไหลในวงจรจึงสามารถหาไดจากการเขียนกราฟของสมการขางบน (โดยให Vd และ Id เปนตัวพารามิเตอร) จุดตัดของกราฟลักษณะสมบัติกับกราฟของสมการขางตนจะแสดงคาของกระแสที่ไหลในวงจรและแรงดันท่ีตกครอมของ ไดโอด เม่ือพิจารณาความสัมพันธของแรงดัน Vd และกระแส Vi โดยใหคา Vi และ RL มีคาคงท่ีจะไดกราฟของสมการเปนเสนตรง (y = ax+b) ตัดแกนแรงดันท่ีจุด Vi โวลต และตัดแกนกระแสที่

15

Vi/ RL แอมแปร เสนสมการน้ีเรียกวา เสนสมการโหลด (load line) กระแสในวงจร (mA) i แรงดันอินพุท v vi

รูป 8 กราฟลักษณะสมบัติของไดโอดและเสนสมการโหลดแสดงการหาคาแรงดันครอมตัวไดโอดและกระแสในวงจร จุดตัด P ของกราฟ เปนกระแสไฟตรงท่ีตกครอมไดโอดและกระแสไหลผานไดโอด เม่ือเปล่ียนคากระแสไฟตรงอินพุทไปเปน Vi เสนกราฟจะเปล่ียนตําแหนงไปเปนเสนประ ดังแสดงในรูป แตก็ยังขนานกับเสนเดิม จุดทํางานของไดโอดจะเล่ือนไปเปน P/ ดังนั้นจึงเปนการยากท่ีจะหาความสัมพันธของแรงดันไฟอินพุท Vi กับกระแสในวงจร id จากสมการและกราฟดังรูป แตสามารถหาคาความสัมพันธของแรงดันอินพุทกับกระแสในวงจร ไดจากกราฟความสัมพันธทางไฟสลับดังรูป 8 กราฟความสัมพันธทางไฟสลับระหวางแรงดันอินพุท Vi กับกระแสในวงจร Id หาไดจากกราฟดังรูป โดยการตอเสนจากจุด P ขนานกับแกนแรงดันไปพบกับจุดท่ีลากจาก Vi ขนานกับแกนกระแสที่จุด D และทํานองเดียวกันสําหรับเสนโหลดอ่ืนๆ เม่ือแรงดันเปล่ียนไปเปน Vi สามารถหาจุด D/ ได ทําการลางจุดเหลานี้หลายๆจุด จากนั้นก็ทําการตอจุดก็จะไดเสนกราฟความสัมพันธระหวางแรงดันอินพุท Vi กับกระแสในวงจร Id

P D

P' D'

vi'

16

Load CVAC220

แรงดันไฟ ACหมอแปลงไฟฟา ไดโอด

+- VDC = 0.318 Vp

กระแสในวงจร

แรงดันอินพุท รูป 9 กราฟแสดงความสัมพันธของกระแสในวงจรและแรงดันอินพุท

2.1.9 การเรียงกระแส 2.1.9.1 ลักษณะวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน

ช

ค

รูป 10 วงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน

D'

วงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน จะเปนวงจรที่ทําหนาท่ีตัดเอาแรงดันไฟสลับท่ีปอนเขามาอาจเปนคร่ึงบวกหรือคร่ึงลบแลวแตการจัดวงจรไดโอด แรงดันท่ีสงออกเอาทพุทจะเปนชวงๆ คือวงมีแรงดันและชวงไมมีแรงดันสลับกันไป วงจรประกอบดวยไดโอดตัวเดียว ดังรูป10 การทํางาน

ของวงจร ไฟกระแสสลับจะมาปรากฏท่ีขาแอโนด โดยไดโอดจะยอมใหกระแสไหลผานไดทางเดียว ือชวงที่ไดรับไบอัสตรง ดังนั้นวงจรจะมีกระแสไหลเพียงชวงบวกของไฟสลับเทานั้น ถาชวงลบจะ

ไมมีกระแสไหล แรงไฟตรงท่ีเอาทพุทนี้ยังนําไปใชงานในวงจรอิเล็กทรอนิกสไมได เพราะเปนไฟตรงที่ไมเรียบพอ จึงตองมีการกรอง ใหเรียบโดยใชตัวเก็บประจุทําหนาท่ีกรอง

D

17

Load CVAC220

+- แรงดันเอาทพุท

Load CVAC220

+- แรงดันเอาทพุท

การทํางานของวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน

การเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน (Half Wave Rectifier) มีลักษณะวงจรดังรูปท่ี 10 การทํางานเมื่อจายแรงเคลื่อนไฟฟากระแสสลับ 220 V เขาทางขดปฐมภูมิ (Primary) ของหมอแปลงไฟฟาจะเกิดการเหนี่ยวนําแรงดันไฟฟามายังขดทุติยภูมิ (Secondary) การเหน่ียวนําของแรงดันไฟฟาของหมอแปลง เฟสของสัญญาณเขากับเฟสของสัญญาณออกจะตางเฟสกันอยู 180 องศา เมื่อขั้วบนของขดปฐมภูมิไดรับเฟสลบ ข้ัวลางเทียบไดเฟสบวก จะทําใหขดทุติยภูมิข้ัวบนเปนเฟสบวก ขาแอโนด (A) ของไดโอดไดรับแรงดันซีกบวก ขาแคโทด (K) ไดรับแรงดันซีกลบเปนผลใหไดโอดไดรับไบแอสตรงไดโอดนํากระแส มีกระแสไหลเขาขาแอโนด ออกขาแคโทดผานโหลด (Load) ครบวงจรท่ีข้ัวลางของทุติยภูมิ มีแรงดันซีกบวกตกครอมที่โหลด

ในชวงเวลาตอมาคร่ึงไซเกิลหลังของไฟสลับข้ัวบนของทุติยภูมิเปนเฟสลบข้ัวลางเทียบศักยไดเปนเฟสบวก ลั รับแรงดันซีกบวก ี่โหลด ในรอบตอมาการทํ ี่เอาทพุทเปนชวงๆ (ชวงเว นวงจรเรียงกระแสคร่ึงคล่ื วงจรเรียงกระแสคร รูป 11 แสดงวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืนบวก

เปนการจัดวงจรไดโอดใหนํากระแสเฉพาะซีกบวกของไฟสลับ ทําใหแรงดันท่ีไดจากการเรียงกระแสออกมาท่ีเอาทพุทเพียงชวงบวกของไฟสลับเทานั้นแรงดันไฟตรงเฉล่ีย คํานวณหาได

กษณะเชนนี้จะทําใหขาแอโนดของไดโอดไดรับแรงดันซีกลบและขาแคโทดไดไดโอดไดรับไบแอสกลับจะไมนํากระแสเปนผลใหไมมีแรงดันปรากฏทางานก็จะเปนไปตามลักษณะเดิมซํ้าๆ กันไปเร่ือยๆ โดยมีแรงดันปรากฏทนชวง) นอกจากนี้วงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืนยังสามารถแบงออกเป

นบวกและวงจรเรียงกระแสคร่ึงคล่ืนลบ

ึ่งคล่ืนบวก

18

Vp

0

ชวงประจุ ชวงคายประจุ

t

Load CVAC220

จากสูตร VDC = 0.318 VP หรือ VDC = 0.45 VAC แตแรงดันไฟตรงที่ไดจะยังไมเรียบมีลักษณะเปนพัลสท่ีเรียกวาพัลสดี.ซี. (Pulse D.C) ในการใชงานจะตองทําการกรองใหเรียบโดยใชตัวเก็บประจทํุาการกรอง ก็จะทําใหแรงดันท่ีไดเรียบข้ึนดังรูป 12 รูป 12 แสดงรูปคล่ืนแรงดันไฟตรงเม่ือใชตัวเก็บประจุกรองแรงดัน

จากรูป 12 พัลสดี.ซี ท่ีไดจากวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืนจะเปนซีกบวก ตัวเก็บประจุฟลเตอรจะทําการประจุแรงดันในชวงที่พัลสดี.ซี มีคาเพิ่มขึ้นและจะคายประจุในชวงที่พัลสดี.ซี มีคาลดลงจะเปนไปในลักษณะเชนนี้เร่ือยๆ แรงดันดี.ซี ท่ีไดจะเรียบข้ึน ตัวเก็บประจุฟลเตอรยิ่งมีคามากแรงดั ีผลเสียกับไดโอด) แรงดั ดของแรงดันพีค จึงทําใหแรงดันเพ วงจรเรี

รูป 13 แสดงวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืนลบ

นไฟตรงท่ีไดก็ยิ่งมีความเรียบข้ึน (ตัวเก็บประจุฟลเตอรคามากเกินไปมนไฟตรงที่ไดจะมีคาเพิ่มข้ึนเนื่องจากตัวเก็บประจุ จะประจุแรงดันสูงสุ

ิ่มสูงข้ึน

ยงกระแสคร่ึงคล่ืนลบ

19

-Vp

0

ชวงคายประจุ

t

เปนการจัดวงจรไดโอดใหนํากระแสเฉพาะซีกลบของไฟสลับก็จะไดวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืนลบ จากรูป 13 เม่ือข้ัวบนของขดทุติยภูมิไดรับเฟสลบ ข้ัวลางเทียบศักยไดเฟสบวก จะทําใหไดโอดไดรับไบอัสตรง ไดโอดสามารถนํากระแสได กระแสจะไหลจากข้ัวลางของหมอแปลงผานโหลดเขาทางขาแอโนด ออกทางแคโทดครบวงจรท่ีข้ัวบนของหมอแปลง ลักษณะเชนนี้จะทําใหข้ัวบนของโหลดมีศักยเปนลบข้ัวลางมีศักยเปนบวก

เม่ือข้ัวบนของหมอแปลงไดรับเฟสบวกข้ัวลางเทียบศักยไดเฟสลบ จะทําใหไดโอดไมสามารถนํากระแสได เพราะไดโอดไดรับไบอัสกลับ จังหวะน้ีจึงไมมีแรงดันออกมาท่ีโหลด รูป 14 แสดงรูปคล่ืนเม่ือใชตัวเก็บประจุเปนวงจรกรอง เม่ือตอตัวเก็บประจุฟลเตอรเขาไปในวงจร ตัวเก็บประจุก็จะทําหนาท่ีประจุแรงดันเอาไวในชวงแรงดันที่มีคาสูง และจะคายประจุในชวงแรงดันที่มีคาลดลง โดยเสริมรูปคลื่นที่ขาดหายใหเช่ือมตอเขาดวยกัน เปนการทําใหแรงดันท่ีไมเรียบมีความเรียบยิ่งข้ึน การใชวงจรเรียงกระแสแบบนี้จะไดไฟกระแสตรงออกมาในลักษณะพัลสคร่ึงคล่ืนเทานั้น เม่ือเปรียบเทียบแรงดันอินพุทกับแรงดันเอาทพุทท่ีไดจะเห็นวามีประสิทธิภาพตํ่า คือประมาณ 40 เปอรเซ็นตเทานั้น วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบใชหมอแปลงมีแทปกลาง วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืน จะสามารถเรียงแรงดันไฟสลับใหออกเอาทพุทไดท้ังชวงบวกและชวงลบของแรงดันไฟสลับท่ีปอนเขามาท่ีอินพุทของวงจร โดยไมมีสวนใดของแรงดันไฟสลับถูกตัดท้ิงไป ลักษณะของวงจรจะใชไดโอด 2 ตัว ทําหนาท่ีแปลงสัญญาณไฟสลับเปนสัญญาณไฟตรงโดยมีหมอแปลงไฟฟาแบบมีแทปกลาง (Center Trap) ทําหนาท่ีแบงเฟสใหเกิดการตางเฟสกัน 180 องศา ระหวางสัญญาณท่ีออกจากสวนบนและสวนลางของขดทุติยภูมิของหมอแปลงเพื่อใหไดโอดท้ัง 2 ตัวสลับกันทํางาน ดังนั้นวงจรจึงสามารถจายกระแสไดเรียบและสูงกวาวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน

20

หมอแปลงไฟฟา

ขดปฐมภมูิ220 V

ขดทุตยิภูมิ

D1

D2

RL VDC = 0.636 VP

หมอแปลงไฟฟา

ขดปฐมภมูิ220 V

D1

D2

RL

+0- V1

V2

+0-

CT

ไดโอดนาํกระแส

ไดโอดหยุดนาํกระแส

ก) แสดงการนาํกระแสของไดโอด D1

รูป 15 วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืน

การทํางานของวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบใชหมอแปลงมีแทปกลาง เม่ือมีแรงดันไฟสลับ VIN ปอนเขาขดปฐมภูมิของหมอแปลงจะเกิดแรงดันไฟสลับข้ึนท่ีข้ัวบนและข้ัวลางของขดทุติยภูมิท่ีแทปกลางของหมอแปลงจะกําหนดใหมีแรงดัน 0 โวลต ดังนั้นแรงดันคร่ึงหนึ่งจึงเกิดท่ีแทปกลางกับข้ัวดานบนของหมอแปลง และอีกคร่ึงหนึ่งจะเกิดข้ึนท่ีแทปกลางกับอีกข้ัวดานลางของหมอแปลงโดยระหวางข้ัวดานบนและข้ัวดานลางจะมีเฟสตางกัน 180 องศา การทํางานของวงจรเม่ือข้ัวบนของขดทุติยภูมิมีคาแรงดันเปนบวก ข้ัวลางมีแรงดันเปนลบไดโอด D1 จะไดรับไบอัสตรง นํากระแสมีกระแสไหลผานไดโอดผานโหลด RL ไปครบวงจรท่ีข้ัวแทป ทําใหเกิดแรงดันตกครอมท่ีโหลด RL เปนคล่ืนรูปไซนคร่ึงคล่ืน

21

หมอแปลงไฟฟา

ขดปฐมภูมิ220 V

D1

D2

RL

+0- V1

V2

+0-

CT

ไดโอดหยุดนํากระแส

ไดโอดนํากระแส

D1 D2

ข) แสดงการนํากระแสของไดโอด D2

รูป 16 แสดงการทํางานของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืน ในชวงเวลาตอมา ข้ัวบนของขดทุติยภูมิมีคาแรงดันเปนลบ ข้ัวลางมีคาแรงดันเปนบวก ไดโอด D1 จะไดรับไบอัสกลับ ไดโอด D2 ไดรับไบอัสตรงเกิดการนํากระแส มีกระแสไหลผานไดโอดผานโหลด RL ไปครบวงจรที่ข้ัวแทปทําใหเกิดแรงดันตกครอมท่ีโหลด RL เปนคล่ืนรูปไซนคร่ึงคล่ืนดานบวกปรากฏท่ีเอาทพุท แรงดันไฟตรงเฉล่ียท่ีไดสามารถคํานวณไดจากสูตร VDC = 0.636 VP แตแรงดัน VP เปนแรงดันคายอดสูงสุดสามารถคํานวณหาไดจากสูตร VP = 1.414 VAC หรือจะคํานวณหาคาแรงดันไฟตรงไดจากสูตร VDC = 0.9 VAC 2.2.0 วงจรกรองแบบใชตัวเก็บประจุ (Capacitor Filter) แรงดันไดจากวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืนยังมีระลอกคล่ืนปนอยูปริมาณสูง ไมเหมาะสมท่ีจะนําไปใชงาน จะตองนําแรงดันนี้ไปผานวงจรกรองกอนท่ีจะนําไปใชงาน วงจรกรองแบบท่ีงายและนิยมที่สุดก็คือ วงจรกรองแบบใชตัวเก็บประจุ โดยใชตัวเก็บประจุ C ตอขนานกับตัวต านทานโหลด RL ตัวเก็บประจุ C จะทําหนาท่ีเก็บประจุ ไวในชวงเวลาไดโอดนํากระแสและทําหนาท่ีคายประจุผานตัวตานทานโหลดในชวงเวลาท่ีไดโอดไมนํากระแส การทํางานของวงจรกรองจะทําการกรองแรงดันไฟตรงที่ยังไมเรียบใหมีความราบเรียบยิ่งข้ึน สามารถนําไปใชงานกับวงจรทางอิเล็กทรอนิกสได อีกท้ังแรงดันไฟตรงท่ีไดเม่ือผานการกรองแรงดันแลวจะมีคาเพิ่มข้ึนจากเดิมโดยคํานวณหาไดจากสูตร VDC =VP = 1.414 VAC

×

22

D1

D2

RL

+0-

-

+-

+

-+

C

+0- VDC = VOUT = 1.414 VAC

ก. การเรยีงกระแสของไดโอด ข. ใชตัวเก็บประจุกรอง

C เก็บประจ ุ C คายประจ ุVDC = VP

D1

D2

RL

-

+-

+

C

+0- VDC = VOUT = 1.414 VAC

+0-

รูป 17 แสดงวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืนใชตัวเก็บประจุกรอง รูป 18 รูปสัญญาณวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืนกอนและหลังใสตัวเก็บประจุ

วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืนนั้น ไดโอดท้ัง 2 ตัวจะผลัดกันทํางานคนละครึ่งไซเคิล ทําให

การเรียงกระแสออกมาครบท้ังซีกบวกและซีกลบ จากวงจรรูป 17 เปนการเรียงกระแสใหออกมาเปนซีกบวกเรียงกันไป แตถาตองการเรียงกระแสใหออกมาเปนซีกลบก็สามารถกระทําไดโดยการกลับขาไดโอดท้ัง 2 เสียใหมดังแสดงในรูป 19

รูป 19 แสดงวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนลบ

23

VoutRLD4

D1D3

D2

VoutRLD4

D1D3

D2D1 D20

2.2.1 วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจ (Bridge Rectifier) วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจมีลักษณะเหมือนวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืน เพราะแรงดันเอาทพุทท่ีไดเปนแบบเต็มคล่ืน ขอแตกตางระหวางการเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจและแบบเต็มคล่ืนธรรมดา ตางกันตรงการตอวงจรไดโอด แบบเต็มคล่ืนจะใชไดโอด 2 ตัว แบบบริดจจะใชไดโอด 4 ตัว และหมอแปลงไฟฟาท่ีใชก็แตกตางกัน แบบเต็มคล่ืนธรรมดาใชหมอแปลงมีแทปกลาง (Center Trap, CT) มี 3 ข้ัว แบบบริดจใชหมอแปลง 2 ข้ัวหรือ 3 ข้ัวก็ได แสดงดังรูป 20 รูป 20 วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจ การทํางานวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจ

รูป 21 ไดโอด D1 และ D2 ไดรับไบอัสตรงและรูปคล่ืนแรงดันตกครอมโหลด (Vout)

การทํางานของวงจร ไดโอดจะผลัดกันนํากระแสครั้งละ 2 ตัว โดยเม่ือไซเคิลบวกของแรงดันไฟสลับ (Vin) ปรากฎท่ีดานบนของขดทุติยภูมิของหมอแปลงและดานลางจะเปนลบ จะทําใหไดโอด D1 และ D2 ไดรับไบอัสตรงจะมีกระแสไหลผานไดโอด D1 ผานโหลด RL ผานไดโอด D2 ครบวงจรที่หมอแปลงดานลาง มีแรงดันตกครอมโหลด RL ดานบนเปนบวก ดานลางเปนลบ ไดแรงดันไฟชวงบวกออกทางเอาทพุท

24

VoutRLD4

D1D3

D2D4 D30

D1D2 D4D3 D1D2 D4D3

VIN

Vout

ไฟสลับ

พัลสไฟตรงเตม็คล่ืน

t

t

ในชวงเวลาตอมาไซเคิลลบของแรงดันไฟสลับ (Vin) ปรากฏที่ดานบนของขดทุติยภูมิของหมอแปลง และดานลาง เปนบวก ดังแสดงในรูป 22 ในชวงเวลานี้ไดโอด D1 และ D2 จะไดรับไบอัสกลับแตไดโอด D3 และ D4 จะไดรับไบอัสตรง ทําใหมีกระแสไหลผานไดโอด D4 ผานโหลด RL และผานไดโอด D3 ครบวงจรที่หมอแปลงดานบน มีแรงดันตกครอมโหลด RL ดานบนเปนบวกดานลางเปนลบ ไดแรงดันไฟชวงบวกออกทางเอาทพุททําใหไดคล่ืนไฟตรงรวมกันเต็มคล่ืนดังรูป 23

รูป 22 ไดโอด D3 และ D4 ไดรับไบอัสตรงและรูปคล่ืนแรงดันตกครอมโหลด (Vout) รูป 23 รูปคล่ืน Vout เปรียบเทียบกับ Vin ของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ 2.2.2 แรงดันเอาทพุทของวงจร วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนท้ังแบบมีแทปกลางและแบบบริดจจะใหแรงดันเอาทพุททุกๆ คร่ึงรอบของแรงดันไฟสลับท่ีเขามาท้ังซีกบวกและซีกลบ คาเฉล่ียของแรงดันเอาทพุทจึงมีคาเปน 2 เทาของแรงดันไฟตรงท่ีไดจากวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน คาแรงดันเอาทพุทมีคาเปน 0.636 เทา ของแรงดันไฟสูงสุด ดังสมการ 2 VDC = 0.636 VP (2)

25

VP0.636 VP

แรงดันไฟสูงสุดแรงดันไฟตรงเฉล่ีย

Vp(2)

Vp(2)

Vp(2)

Vp(out)

Vp(1)

Vp(2)

Vp(2)

Vp(2)

VB

VB Vp(out)

รูป 24 แสดงคาแรงดันไฟตรงกับคาแรงดันไฟสูงสุด Vp ของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืน

2.2.3 แรงดันสูงสุดดานกลับ (Peak Inverse Voltage) วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจจะมีคาแรงดันสูงสุดดานกลับนอยกวาวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนท่ีใชหมอแปลงมีแทปคร่ึงหนึ่ง เม่ือพิจารณาวงจรในรูป 25 (ก) เม่ือไดโอด D1, D2 นํากระแส ไดโอด D1, D2 จะทําหนาท่ีเหมือนสวิตชปดวงจร (ถาไมคิดแรงดันตกครอมไดโอด) จะเห็นวาแรงดันสูงสุดดานกลับท่ีตกครอมไดโอด D3 และ D4 ท่ีไดรับไบอัสกลับจะมีคาเทากับแรงดันพีค (Vp)

(ข) รูป 25 แสดงคาแรงดันสูงสุดดานกลับท่ีเกิดกับวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจ

(ก)

26

AC

AC

AC

AC

ในทํานองเดียวกันเม่ือพิจารณาคาแรงดันตกครอมไดโอดขณะท่ีไดโอด D1, D2 นํากระแส (VB) ดังรูป 25 (ข) จะเห็นวาแรงดัน PIV ท่ีเกิดกับไดโอด D3 และ D4 จะหาไดจากสูตร

PIV = VP(out) + VB (3)

เชนเดียวกันถาหากวาตองการใชไฟตรงท่ีเรียงกระแสออกมาเรียบข้ึนเราก็ตองใชตัวเก็บประจุคามากๆ มาเปนวงจรกรองกระแส ยิ่งตัวเก็บประจุมีคามากการคายประจุก็ตองใชเวลานานข้ึน จึงทําใหไฟกระแสตรงท่ีออกมาเรียบท่ีสุด 2.2.4 ไดโอดบริดจแบบตางๆ วงจรเรียงกระแสแบบบริดจเปนท่ีนิยมใชกันมาก จึงมีการผลิตไดโอดแบบบริดจข้ึนมาใชงานกลายเปนไดโอดสําเร็จรูปโดยยังมีโครงสรางเหมือนกับบริดจท่ีใชไดโอด 4 ตัว และถาเปนวงจรท่ีตองเรียงกระแสไฟ 3 เฟส จะตองมีไดโอดเพิ่มข้ึนมาอีก 2 ตัว กลายเปนไดโอดบริดจ 5 ขา แทนท่ีจะมี

ขาใชงาน 4 ขา เหมือนกับไดโอดเฟสเดียว (ก)

27

AC (ข)

รูป 26 สัญลักษณของไดโอดบริดจแบบตางๆ

2.2 การใชงานวงจรกําเนิดสัญญาณพัลส

1. เ ลือกความถ่ีของสัญญาณไดจากสวิตซกดบนชุดทดลองซ่ึงมีดวยกัน 4 คา คือ 1Hz,10Hz,100Hz และ1kHz โดยสังเกตคาความถ่ีเอาทพุทจากไฟแสดงคาความถ่ี

2. ตอเอาทพุทเขากับวงจรท่ีตองการสัญญาณ หากวงจรนั้นใชแหลงจายไฟรวมหรือใชกราวดรวมกับชุดทดลองก็ไมตองตอสายกราวด

3. หากตองการดูรูปสัญญาณใหตอเอาทพุทเขากับออสซิลโลสโคป ปรับปุม Time/DIV ของออสซิลโลสโคป จนกระทั่งเห็นรูปสัญญาณ รูปสัญญาณท่ีปรากฏจะมีลักษณะเปนรูปส่ีเหล่ียม ความถี่ตรงกับยานความถ่ีท่ีเลือก ขนาดของสัญญาณ 5Vp-p สัญญาณพัลสท่ีออกจากจุดนี้จะเปนสัญญาณท่ีมีสวนประกอบของไฟตรง

2.2.1 รายละเอียดคุณสมบัติทางสมบัติทางเทคนิค

1. ยานความถ่ีแบงออกเปน 3 ยาน โดยกําเนิดความถ่ีตั้งแต 10 Hz – 150 kHz 2. ระดับแรงดันเอาทพุท ประมาณ 3 mVp-p ถึง 2Vp-p 3. เอาทพุทอิมพีแดนซ 600 โอหม 4. กําเนิดรูปคล่ืนได 3 แบบ คือ

1. รูปคล่ืนไซน 2. รูปคล่ืนสามเหล่ียม 3. รูปคล่ืนส่ีเหล่ียม

28

5. ความผิดเพี้ยนของรูปคล่ืนไซน ท่ี 1 kHz ,10 kHz และ 100 kHz 6. ความเปนเชิงของรูปคล่ืนสามเหล่ียม มากกวา 1% ท่ี 1 kHz 7. สัญญาณรูปคล่ืนส่ีเหล่ียม มีคาเทากับ 0.4 μs ท่ีความถ่ี 100 kHz 8. ความผิดพลาดของภาคแสดงผลประมาณ 2% 9. ความเสถียรภาพของแรงดันเอาทพุท มากกวา 0.1 เดซิเบล ท่ีทุกยานความถ่ี 10. กินไฟประมาณ 6.5 w. ท่ีไฟ 220 v

2.2.2 ภาคกําเนิดสัญญาณความถ่ี บล็อกไดอะแกรมภายในของไอซีเบอร XR – 2206 ตัวกําเนิดความถ่ี โดยไดรวมการทตางๆไวในตัวเดียวกัน ประกอบดวย แอมลิจูดมอดูเลช่ัน ฟรีเควนซ่ีชิฟตคียอ้ิง ฟรีเควนซ่ีมอดูสวิตซกระแส คุณลักษณะรูปคล่ืนพัลส

ํางานเลช่ัน ,

รูป 27 ออสซิสโลสโคปแสดงรูปคล่ืนสัญญาณไดมากกวา 1 รูปคล่ืน

29

(ข) รูป 28 แสดงลักษณะโครงสรางภายในของไอซีเบอร XR-2206 ท่ีผลิตความถ่ี

(ก)

30

ในสวนของแผนภาพการคูณและการปรับแตงรูปไซน (multiplier and sine shaper) จะรับสัญญาณรูปคล่ืนสามเหล่ียม มาทําการแตงรูปใหเปนคล่ืนไซน ซ่ึงความแรงของสัญญาณไซนและสามเหล่ียมสามารถปรับไดโดยตัวตานทานท่ีตออยูกับขา 3 ลงกราวด และแรงดันท่ีขา 1 สวนตัวตานทานท่ีตออยูกับขา13,14 จะเปนตัวปรับรูปคล่ืนของคล่ืนรูปไซน ท่ีขา 11 เปนสัญญาณซิงคเอาทพุท ซ่ึงจุดนี้ตออยูกับขาคอลเล็กเตอรของตัวทรานซิสเตอรในโครงสรางของไอซีเบอร XR-2206 โดยสัญญาณท่ีแสดงผลออกมาจะเปนรูปคล่ืนส่ีเหล่ียม 2.2.3 ภาควัดความถ่ี การทํางานของชุดวัดความถ่ี ซ่ึงแบงการทํางานออกไดเปน3สวน คือวงจรนับและแสดงผล แลตซและรีเซต สวนของสัญญาณฐานเวลา โดยในสวนของสัญญาณฐานเวลาจะแบงยานวัดออกเปน 3 ชวง คือ 20 มิลลิวินาที , 200 มิลลิวินาที และ 2 วินาที 2.2.4 หลักการของภาควัดความถ่ี ในข้ันแรกขอใหพิจารณาที่การเลือกฐานเวลาที่ 2 วินาทีกอน จากรูป 29 จะเห็นวาความถ่ี 50 Hz จะถูกทําใหเปนคล่ืนรูปส่ีเหล่ียมดวยไอซีชมิตทริกเกอร จากน้ีจึงสงผานวงจรหาร 10 อีก 2 คร้ัง ซ่ึงก็คือ ถูกหารดวย 100 นั่นเอง ก็จะไดรูปคล่ืนท่ีมีคาบเวลาเปน 2 วินาที ตามตองการพรอมสงใหวงจรแลตชและรีเซต วงจรนับความถ่ีจะทําการนับสัญญาณท่ีเขามา โดยจะนับอยูนาน 1 วินาที หรือ คร่ึงคาบแรกของสัญญาณฐานเวลาและเม่ือเร่ิมคร่ึงคาบหลังจะทําใหการแลชไว จากนั้นภาควัดความถ่ีจะถูกรีเซตและเร่ิมนับอีกทีเม่ือเร่ิมมีสัญญาณฐานเวลาลูกตอมา รูป 29 แผนผังการงานของชุดนับความถ่ี

ความถ่ีอินพุท นับและแสดงผล

นับและแสดงผล

200 ms 2s

+10 +10 50 Hzจากไฟ

บาน

ชมิ 20 ms

ตทริกเกอร

31

2.3 การใชงานลอจิกสวิตช ถาตองการเลือกลอจิก “1” ใหเล่ือนสวิตชข้ึนหรือเล่ือนไปยังตําแหนง “1” จะปรากฏแรงดันประมาณ +5V ออกมาทางเอาตพุต ซ่ึงมีคาเทากับลอจิก “1” เม่ือตองการเลือกลอจิก “0” ใหเล่ือนสวิตชลงหรือเล่ือนไปยังตําแหนง “0” ท่ีเอาทพุทจะมีแรงดันประมาณ 0.8V ซ่ึงมีคาเทากับลอจิก “0”

รูป 30 แสดงลักษณะโครงสรางของลอจิกสวิตช 2.4 การใชงานลอจิกมอนิเตอร

ในภาวะปกติท่ีไมมีการปอนอินพุทไฟแสดงสถานะลอจิกจะดับหมด เม่ือตองการตรวจสอบระดับลอจิกในวงจร ใหตอสายจากอินพุทของลอจิกมอนิเตอรเขาท่ีจุดวัด โดยไมตองตอกราวดท้ังนี้เพราะในชุดทดลองไดกําหนดใหใชกราวดรวมกัน ถาไฟติดสวาง หมายความวา จุดท่ีทําการตรวจสอบนั้นมีสถานะเปน ลอจิก “1” ถาไฟดับ หมายความวา จุดท่ีทําการตรวจสอบนั้นมีสถานะเปน ลอจิก “0” ถาลอจิกมอนิเตอรนี้สามารถใชกับวงจรดิจิตอลไดทุกวงจรที่ใชไฟเล้ียง +5V

2.5 การใชงานดีเบาซสวิตช เปนสวนท่ีใชในการปอนสัญญาณพัลสส่ีเหล่ียมท่ีไมมีความเพี้ยนใหแกวงจรดิจิตอลมีเอาทพุทใหเลือก 2 แบบคือ 2.5.1 แบบพัลสขอบขาข้ึน ในแบบนี้หากไมมีการกดสวิตช ระดับลอจิกท่ีเอาทพุทจะเปน “0” เมื่อกดสวิตชจะกลายเปน “1” คงสภาวะน้ันอยูในขณะท่ียังกดสวิตซอยู 2.5.2 แบบพัลสขอบขาลง ในแบบนี้หากไมมีการกดสวิตช ระดับลอจิกท่ีเอาทพุทจะเปน “1” เมื่อกดสวิตชจะกลายเปน “0” คงสภาวะน้ันอยูในขณะท่ียังกดสวิตซอยู ดังนั้น เวลาตอสายใชงานสังเกตใหดี เชนเดียวกับลอจิกสวิตชและลอจิกมอนิเตอร คือ สามารถตอใชงานไดทันที ไมตองตอสายกราวด

32

2.6 การใชงานวงจรถอดรหัสตัวเลข 7 สวน ตัวแสดงผล 7 สวน หรือท่ีเราเรียกวา 7Segmentเปนอุปกรณอิเล็กทรอนิกสประเภท Display เชนเดียวกับไดโอดแปลงแสง หรือ LED ตัว 7 Segment นั้นภายในก็คือ LED 7 ตัวมาตอกันเปนรูปตัวเลข 8 ดังน้ันการใชงาน 7 Segment จะเหมือนกับการใชงาน LED ตัวแสดงผล 7 สวน

จะถูกทําการเปดหรือปดเพื่อแสดงรูปแบบของตัวเลขฐานสิบ 7 Segment จะถูกจัดเรียงเปนรูปส่ีเหล่ียม โดยในแนวต้ังมีอยูดานละ 2 แทงและแนวนอนมีอยู 1 แทง 3 ช้ิน บน กลาง และลาง แทงแตละแทงของ 7 Segment จะถูกอางอิงจากตัวอักษรตั้งแต A ถึง G โดยท่ี DP จะเปนแทงท่ี 8 ใชสําหรับตัวเลขที่ไมใชจํานวนเต็ม

(ก)

(ข) รูป 31 รูปแบบตางๆ และ สัญลักษณ

33

2.7 การใชงานแผงตอวงจร แผงตอวงจร บางทีเรียกวา เบรดบอรด (breadboard) เปนแผงพลาสติกท่ีมีการจัดแบงเปนกลุม โดยภายในแตละกลุมบรรจุแผงโลหะตัวนําปลอดสนิม แลวทําการเจาะรูบนแผงพลาสติกนั้น เพื่อใหสามารถนําสายไฟขนาดเล็กเสียบเขาไปสัมผัสกับแผงโลหะ ในขณะเดียวกันแผงโลหะดังกลาวก็จะทําการบีบสายไฟนั้นใหแนนอยูกับท่ี เม่ือผูใชงานตองการปลดสายไฟออกก็เพียงออกแรงดึงเล็กนอย หนาสัมผัสของแผงโลหะก็จะคลายออก ทําใหสายไฟสามารถหลุดออกจากจุดตอนั้นได แผงตอวงจรแบงออกเปนสองกลุมใหญๆ คือ กลุมท่ีมีการตอถึงกันในแนวต้ัง ซ่ึงมีดวยกัน 5 จุดในหนึ่งกลุมยอย และกลุมท่ีตอถึงกันในแนวนอน กลุมหลังนี้จะไดรับการจัดวางใหอยูในบริเวณขอบบนและลางของแผงตอวงจร มีดวยกัน 2 แถวยาวตอหน่ึงดาน รวม 4 แถว ในแตละแถวยาวยังแบงออกเปน 2 สวน ดังน้ันในการใชงานหากตองการใหแถวยาวแตละแถวตอถึงกันจากซายไปขวาตองใชสายไฟเช่ือมตอระหวางจุดแบงของแตละแถว รูป 32 แผงตอวงจร 2.7.1 สายไฟท่ีใชกับแผงตอวงจร สายไฟหรือสายตอวงจรที่เหมาะกับแผงตอวงจรนั้นควรเปนสายทองแดงเดี่ยวที่ไดรับการชุบดวยนิเกิลหรือเงิน มีความแข็งแรงพอสมควร สามารถตัดหรือดัดไดงาย มีขนาดเสนผานศูนยกลาง 0.4 มิลลิเมตร ท้ังนี้หากใชสายท่ีมีขนาดใหญกวานี้จะทําใหแผงโลหะของแผงตอวงจรเกิดการหลวม ไมสามารถบีบจับสายไฟไดอีก ขอแนะนําไมควรใชสายโทรศัพทท่ีเปนทองแดงลวนๆ เนื่องจากสายเหลานี้มีการอาบน้ํายากันสนิม หากนํามาใชตอวงจรทันที อาจทําใหวงจรไมทํางาน เพราะนํ้ายาท่ีเคลือบลวดทองแดงอยูมีคุณสมบัติเปนฉนวนทําใหกระแสไฟฟาไมสามารถไหลผานไปได

34

3. รายละเอียดเกี่ยวกับการปฏิบัติการทดลองวงจรดิจิตอลท่ีใชรวมกับบอรดชุดปฏิบัติการทางดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส มีรายละเอียดหัวขอเร่ืองในการทดลองดังนี้ 3.1 อินเวอรเตอร 3.2 แอนดและออรเกต 3.3 แนนดเกต 3.4 นอรเกต 3.5 พีชคณิตบูลีน 3.6 เอ็กคลูซีฟ-ออรเกต 3.7 ฟลิปฟลอป 3.8 วงจรเขารหัส 3.9 วงจรถอดรหัส 3.10 มัลติเพล็กซและดีมัลติเพล็กซ 3.11 วงจรเปรียบเทียบ 4. ความรูเบ้ืองตนของวงจรดิจิตอล ดิจิตอลเปนอีกแขนงหนึ่งของอิเล็กทรอนิกส ลักษณะของสัญญาณจะแตกตางจากอะนาลอกอยางส้ินเชิง สัญญาณทางดิจิตอลจะพิจารณาท่ีระดับสัญญาณเปนหลัก และมีเพียง 2 ระดับ คือ ระดับสูงและตํ่า เทานั้น โดยระดับสัญญาณน้ีอาจเรียกวา ลอจิก (logic) ระดับสัญญาณสูงในทางดิจิตอลคือระดับสัญญาณท่ีมีคาใกลเคียงหรือเทากับแรงดันไฟเล้ียงกําหนดใหเปนลอจิก “1” หรือ “ hight ” สวนระดับสัญญาณตํ่าคือ ระดับสัญญาณท่ีเทียบเทากราวด กําหนดเปนลอจิก “0” หรือ “ low ” 4.1 ระดับลอจิก สัญญาณในทางดิจิตอลมีดวยกัน 2 ระดับคือ ลอจิกต่ํา หรือ “0” และลอจิกสูงหรือ “1” นอกจากนั้นในระบบดิจิตอลยังแบงออกเปน 2 กลุมใหญๆ คือ ทีทีแอล (TTL) และ ซีมอส (CMOS) ท้ัง 2 กลุมนี้จะใชไฟเล้ียงไมเทากัน โดยทีทีแอลใชไฟเล้ียงไมเกิน 5 V ทําใหระดับแรงดันท่ีต่ํากวา 0.8 V จะไดรับการกําหนดใหเปนลอจิกต่ํา สวนท่ีลอจิกสูง หรือ “1” จะมีระดับแรงดันต้ังแต 2 V ข้ึนไป

35

สวนทางดานซีมอส สามารถใชไฟเล้ียงไดกวางกวา คือ ตั้งแต +3 ถึง 18 V ดังนั้นการกําหนดระดับลอจิกจึงตองใชสัดสวนเทียบกับไฟเล้ียง นั่นคือ ท่ีระดับลอจิกตํ่าหรือ “0” จะมีระดับแรงดัน 1/3 Vcc ลงมา สวนท่ีระดับลอจิกสูง หรือ “1” จะมีระดับแรงดันต้ังแต 2/3 Vcc ข้ึนไป เม่ือเปนเชนนี้ระดับแรงดันต้ังแต 0.8 – 2V ในวงจรทีทีแอลและ 1/3 Vcc - 2/3 Vcc ในวงจรซีมอสจึงเปนระดับลอจิกท่ีไมแนนอน ไมสามารถระบุไดวาเปน “0” หรือ “1” เพื่อใหงายตอการทําความเขาใจในการทดลองและเรียนรูวงจร จึงกําหนดใหใชไฟเล้ียง +5V เพื่อใหสามารถครอบคลุมท้ังไอซีดิจิตอลแบบทีทีแอลและซีมอส คาคุณสมบัติของไอซีดิจิตอลท่ีควรทราบ ในขอมูลทางไอซีดิจิตอลจะมีคาคุณสมบัติท่ีควรรู 8 คา ดังนี้ 1. Vil (min) คือ ระดับแรงดันอินพุทตํ่าสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกต่ําปกติมีคา 0 V 2. Vil (max) คือ ระดับแรงดันอินพุทสูงสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกต่ํา 3. Vih (min) คือ ระดับแรงดันอินพุทตํ่าสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกสูง 4. Vih (max) คือ ระดับแรงดันอินพุทสูงสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกสูง 5. Vol (min) คือ ระดับแรงดันเอาทพุทตํ่าสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกต่ํา 6. Vol (max) คือ ระดับแรงดันเอาทพุทสูงสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกต่ํา 7. Voh (min) คือ ระดับแรงดันเอาทพุทตํ่าสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกสูง 8. Voh (max) คือ ระดับแรงดันเอาทพุทสูงสุดท่ีทําใหเกิดลอจิกสูง 4.2 ชนิดของอุปกรณดิจิตอล แบงเปนสองกลุมใหญๆ คือ ทีทีแอล (TTL) และ ซีมอส (CMOS) นอกจากนั้นทีทีแอลและซีมอส ยังสามารถแบงยอยอีกดังนี้ กลุมของ ทีทีแอล ทีทีแอลมาตรฐาน ข้ึนตนดวย 54 หรือ 74 ความถ่ีใชงานสูงสุด 20 MHz ทีทีแอลกําลังสูญเสียตํ่า ข้ึนตนดวย 54L หรือ 74L มีกําลังไฟฟาสูญเสียตํ่ากวาแบบมาตรฐาน 10 เทา แตมีความเร็วต่ําสุด ทีทีแอลความเร็วสูง ข้ึนตนดวย 54H หรือ 74H มีความเร็วถึง 6 ns แตมีกําลังไฟฟาสูญเสียมากกวาแบบมาตรฐาน ชอตตกีกําลังตํ่า ข้ึนตนดวย 74 LS กําลังไฟฟาต่ําและมีความเร็วในการทํางานสูงกวาแบบ 74H แอดวานซชอตตกีกําลังตํ่าทีทีแอล ข้ึนตนดวย 74ALS เปนรุนท่ีพัฒนาตอ

36

จาก 74LS กินกําลังไฟฟาตํ่าเหลือเพียง 1 mW ตอเกต และมีหนวงเพียง 4 ns ตอเกตฟาสตทีทีแอล ข้ึนตนดวย 74F มีความเร็วในการทํางานสูงกวา 74LS และ ALS กลุมของซีมอส ซีมอสมาตรฐาน เปนอนุกรม 4000 ข้ึนตนดวย 40XX และ 45XX ซีมอสความเร็วสูง ข้ึนตน 2 แบบคือ 74HC และ 74HCT ความถ่ีใชงานสูงสุดถึง 35 MHz ถาเปนเบอร74HC ทางอินพุทจะรับสัญญาณลอจิกในระดับซีมอส สวนเอาทพุทสามารถจายไดท้ังระดับซีมอสและทีทีแอล กินกําลังไฟฟา 0.1 mW ตอเกต การท่ีข้ึนตนดวย 74 ก็เพื่อใหทราบวา ไอซีกลุมนี้จะมีฟงกชันการทํางานเหมือนกับทีทีแอลที่ข้ึนตนดวย 74 แตโครงสรางเปนซีมอส ทําใหกินกําลังไฟฟาตํ่ากวา ถาเปนเบอรท่ีข้ึนตนดวย 74HCT ทางอินพุตจะรับสัญญาณลอจิกระดับทีทีแอล สวนเอาทพุทจะจายไดท้ังระดับซีมอสและทีทีแอล ดังนั้นเพื่อความแนนอนควรใชระดับไฟเล้ียง 5V สําหรับ 74HC และ 74HCT แอดวานซซีมอสความเร็วสูง ข้ึนตนดวย 74AC และ 74ACT มีความเร็วในการทํางานสูงกวา 74HC และ 74HCT มาก ความแตกตางระหวาง 74AC และ 74ACT และการใชงานตลอดจนยานไฟเล้ียงเหมือนกับ 74HC และ 74HCT ตารางความจริง เปนตารางท่ีใชแสดงการทํางานของวงจรดิจิตอล โดยจะแบงออกเปนสองสวนคือ สวนอินพุทและสวนเอาทพุท การออกแบบวงจรดิจิตอลทุกวงจรจําเปนตองกําหนดและสรางตารางความจริงข้ึนมาดังรูป

ตารางท่ี 2 แสดงตัวอยางของตารางความจริงท่ีใชในวงจรดิจิตอลดานซายมือจะเปนขอมูลอินพุทหรือเง่ือนไข สวนทางขวาสุดเปนเอาทพุทหรือผลลัพธการทํางานของวงจร

อินพุท เอาทพุท A B X 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1

37

4.3 ระบบตัวเลข พื้นฐานท่ีสําคัญอันเปนท่ีมาของระบบดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส (digital electronic system) คือ ระบบตัวเลข (number system) ซ่ึงในระบบดิจิตอลอิเล็กทรอนิกสนี้ระบบตัวเลขท่ีเปนพื้นฐานคือ ระบบตัวเลขฐานสอง (binary number system) และไดรับการพัฒนาเปนระบบตัวเลขฐานแปด (octal number system) ฐานสิบ (decimal number system) และเลขฐานสิบหก (hexadecimal number system) เม่ือการคํานวณมีความซับซอนมากข้ึน ดังนั้นการเรียนรูระบบดิจิตอล จึงจําเปนอยางมากท่ีตองเขาใจระบบตัวเลขอยางลึกซ้ึง ตัง้แตจํานวนปริมาณของระบบตัวเลขแตละระบบ การคํานวณของระบบตัวเลข ไมวาจะเปนการบวก ลบ คูณ และหาร การแปลงระบบตัวเลขจากฐานหน่ึงไปเปนอีกฐานหน่ึง รหัสตัวเลข (number code) และการตรวจสอบระบบตัวเลขโดยใชกระบวนการที่เรียกวา พาริตี้ (parity) โดยจะเนนไปท่ีระบบระบบเลขฐานสองเปนหลัก 4.4 ระบบตัวเลขฐานสอง ในระบบตัวเลขฐานสองนี้มีตัวเลขเพียง 2 ตัวคือ “0” และ “1” ซ่ึงสามารถใชแทนสถานะต่ํา- สูง , เปด – ปด , ไมตอ – ตอ , ดับ – ติด เปนตน แตถาหากนําตัวเลขฐานสองมากกวา 1 หลักมาพิจารณาเชน 2 หลัก จะทําใหเกิดจํานวนของการเปล่ียนแปลงเปน 4 สถานะ หากแทนดวยการติด - ดับของหลอดไฟจะได ดับ – ดับ , ดับ – ติด , ติด – ดับ และติด – ติด ถาหากมี 3 หลักก็จะเกิดการเปล่ียนแปลง 8 สถานะ จึงสามารถสรุปเปนสมการคณิตศาสตรและความสัมพันธของจํานวนหลักและสถานะของการเปล่ียนแปลงไดดังน้ี จํานวนของการเปล่ียนแปลง = 2n ถามี 2 หลักจะไดจํานวนของการเปล่ียนแปลง 22 = 4 ถามี 3 หลักจะไดจํานวนของการเปล่ียนแปลง 23 = 8 ถามี 4 หลักจะไดจํานวนของการเปล่ียนแปลง 24 = 16 การนับจํานวนของระบบเลขฐานสอง เนื่องจากเลขฐานสองมีจํานวนตัวเลขเพียง 2 ตัวคือ 0 และ1 เม่ือมีการนับจํานวนเกิดข้ึน จึงตองมีการเพิ่มจํานวนหลักข้ึนเพื่อใหเห็นการเปล่ียนแปลงอยางชัดเจนจะใชเลขฐานสิบเปนตัวเปรียบเทียบเทียบดังนี้

38

ตัวอยาง จงแปลงเลขฐานสอง 1011 เปนฐานสิบ

(1) กําหนดคาน้ําหนักประจําหลัก หลัก b3 b2 b1 b0 คาน้ําหนักประจําหลักคือ 23 22 21 20 เลขฐานสอง 1 0 1 1 (2) จากนั้นนําคาน้ําหนักประจําหลักคูณกับคาของเลขฐานสองประจําบิตนั้นแลว นําผลคูณของ

ทุกหลักมารวมกัน เลขฐานสิบ = ( 1 x 23 ) + ( 0 x 22 ) + (1 x 21 ) + (1 x 1 ) = ( 1 x 8 ) + ( 0 x 4 ) + ( 1 x 2 ) + ( 1 x 20 ) = 8 + 0 + 2 + 1 = 11

การแปลงเลขฐานสิบเปนเลขฐานสอง จะใชวิธีการหารเลขฐานสิบจํานวนนั้นดวย 2 แลวเก็บคาของเศษที่ไดจากการหารเปนเลขฐานสองในแตละหลัก โดยเศษท่ีไดจากการหารคร้ังแรกไมวาจะเปน “0” หรือ “1” จะเปนหลักท่ีมีนัยสําคัญตํ่าสุด และเศษตัวสุดทายจะเปนเลขฐานสองท่ีมีนัยสําคัญสูงสุด ตัวอยาง จงแปลงเลขฐานสิบ 13 เปนเลขฐานสอง

(1) หาร13 ดวย 2 ได 6 เศษ 1 เศษท่ีไดจะเปนบิตศูนย หรือบิต LSB นั่นคือ บิต LSB = 0 (2) หาร 6 ดวย 2 ได 3 เศษ 0 เศษท่ีไดจะเปนบิตหนึ่ง (b1) ซ่ึงก็คือ 0 (3) หาร 3 ดวย 2 ได 1 เศษ 1 เศษท่ีไดจะเปนบิตสอง (b2) ซ่ึงก็คือ 1 (4) หาร 1 ดวย 2 ได 0 เศษ 1 เศษท่ีไดจะเปนบิตสาม (b3) และเปนบิต MSB ซ่ึงก็คือ 1

ดังนั้นจะไดเลขฐานสองเทากับ 1101 เคร่ืองหมายของเลขฐานสอง ในเลขฐานสองสามารถที่จะมีท้ังคาตัวเลขท่ีเปนบวกและลบเชนเดียวกับเลขฐานอ่ืนๆโดยจะตองกําหนดเคร่ืองหมายของเลขฐานสองถากําหนดบิตเปน “0” เลขจํานวนนั้นจะมีคาเปนบวก และหากกําหนดบิตเปน “1” เลขจํานวนนั้นจะมีคาเปนลบ

39

ขอมูลตอไปนี้จะเปนการแสดงคาของจํานวนเลขฐานสองเม่ือคิดเคร่ืองหมายและไมคิดเคร่ืองหมายโดยไดทําการแปลงเปนเลขฐานสิบเปรียบเทียบเพื่อใหเหน็ความแตกตางอยางชัดเจน เลขฐานสอง เลขฐานสิบ คิดเครื่องหมาย ไมคิดเคร่ืองหมาย 0000 0 0 0001 1 1 0010 2 2 0011 3 3 0100 4 4 0101 5 5 0110 6 6 0111 7 7 1000 -8 8 1001 -7 9 1010 -6 10 1011 -5 11 1100 -4 12 1101 -3 13 1110 -2 14 1111 -1 15 ในกรณีคิดเครือ่งหมาย เม่ือนับถอยหลังจาก 0000 ก็จะเปน 1111 นั่นคือเกิดการถอยหลังหนึ่งจํานวนหรือ -1 นับถอยหลังตอไปจะเปน 1110 ซ่ึงก็คือ -2 เม่ือเปนเชนนี้การเปล่ียนแปลงเลขฐานสองท่ีคิดเคร่ืองหมายเปนฐานสิบจงึไมสามารถใชวิธีการแปลงแบบเดิมได แตก็พอมีเทคนคิในการพจิารณา โดยใชหลักเกณฑ คาน้ําหนกัประจําหลัก ยกตัวอยาง เลขฐานสอง 1000 เลข 1 ท่ีอยูหนาสุดมีคาน้าํหนักประจําหลักเทากับ 23 หรือ 8 จากการกําหนดวา ถาคิดเคร่ืองหมายเม่ือบิต MSBเปน “1” จะตองเปนคาลบ ดังนั้นจึงเปน -8 สวนอีก 3 หลักท่ีเหลือจะเปนเลขบวกจงึกลายเปน -8+0 = -8 มาพิจารณาที่เลขฐานสอง 1101 บิตแรกเปนลบเทากับ -8 สวน3 บิตหลังเปนบวกมีคา +5 จึงได -8+5 = -3 เปนตน

40

การคํานวณเลขฐานสอง การบวก เลขฐานสอง การบวก เลขฐานสอง 1 หลัก มีกฎการบวกดังนี ้ (i) 0+0 = 0

(ii) 0+1= 1 (iii) 1+0 = 1 (iv) 1+1= ตัวทด = 1

ถาเปนการบวกเลขฐานสอง 2 หลัก มีตัวอยางผลการบวกดังนี ้(i) 1 0 + 0 1 1 1

(ii) 1 1 + 0 1 1 0 0 (iii) 1 1 + 1 1 1 1 0 ในกรณีท่ีบวกเลขฐานสองโดยคิดตัวทด จะมีรูปแบบการบวกดังนี ้ตัวทดจากหลักกอน ตวัต้ัง ตัวบวก ผลบวก ตัวทด 0 + 0 + 0 = 0 0 1 + 0 + 0 = 1 0

41

0 + 1 + 0 = 1 0 1 + 1 + 0 = 0 1 0 + 1 + 1 = 0 1 1 + 1 + 1 = 1 1 การลบเลขฐานสอง กฎการลบ 4 กฎดังนี ้ (i) 0-0 = 0 (ii) 1-0 = 1

(iii) 1-1 = 0 (iv) 0-1 = 1

ในกรณี (iv) เกิดข้ึนเนื่องจากมีการยืมหลักตอไป ซ่ึงสามารถอธิบายไดเห็นชัดเจนข้ึนดวยตัวอยางการลบเลขฐานสอง 3 หลัก 110-101 ดังนี ้ หลัก b2 b1 b0 ตัวต้ัง 1 1 0 ตัวลบ 1 0 1 ผลลบ 0 0 1 ท่ีหลัก b0 0-1 ไมไดจึงตองยืมหลักถัดไปนั่นคือ b1 ถาเปนการยืมตัวของเลขฐานสิบจะยืมมาเทากับสิบบวกเขากับคาของหลักท่ียืม ในกรณีเลขฐานสอง คาของการยืมเทากับ 210 หรือ 102 ทําใหหลัก b0 มีคา 102 + 02 = 102 ลบออกดวย 12 จึงเทากับ 210- 110 = 12 (ตัวเลขท่ีหอยหมายถึงฐานของเลขจํานวนนั้น เชน 210 หมายถึง คา 2 ของเลขฐานสิบ เปนตน) เม่ือหลัก b1 ถูก b0 ยืมไป ทําใหคาของหลัก b1 เทากับ 0 ท่ีหลัก b1 เกิดการลบเปน 0-0 =0 สวนท่ีหลัก b2 เกิดการลบเปน 1-1 = 0 ดังนั้นผลลัพธสุดทายจึงเปน 001 การลบเลขฐานสองดวยวิธีนี้จะไมยุงยากมีจํานวนหลักหรือจํานวนบิตนอยและคาของตัวตั้งมากกวาตัวลบ ในกรณีท่ีมีจาํนวนหลักหรือจํานวนบิตมากๆ หรือคาของตัวต้ังนอยกวาตัวลบ จะทําใหผลของการลบเปนจํานวนติดลบ หากใชวิธีการลบตรงๆจะยุงยากและอาจเกิดความผิดพลาดไดจึงตองใชวิธีการบวกดวยตัวคาลบแทนวิธีการลบตรงๆ

42

ยกตัวอยาง 210- 410 = -210 ถาใชวิธีการบวกดวยคาลบจะเปน 210+ (-410) = -210 วิธีการแบบนี้มีช่ืออยางเปนทางการวา วิธีการคอมพลีเมนต (complement) ซ่ึงจะมีดวยกัน 2 ข้ันตอนคือ วันคอมพลีเมนต (One complement ) และทูคอมพลีเมนต (Two complement ) 4.5 วิธีลบดวยกระบวนการคอมพลีเมนต จะตองใชการคิดเคร่ืองหมายเลขฐานสอง (signal number) มาชวยเปรียบเทียบการลบดวยกระบวนการคอมพลีเมนตของเลขฐานสิบและฐานสองไดดังนี ้

(i) ในระบบเลขฐานสิบ 2+(-4) = -2 ในระบบเลขฐานสอง 0010+1100 = 1110 (ii) ในระบบเลขฐานสิบ 127+(-125) = 2

ในระบบเลขฐานสอง 01111111+10000011 = 10000010 วิธีการวันคอมพลีเมนต คือ การแทนท่ีเลข 0 ในแตละหลักของตัวลบดวย “1” และแทนท่ีเลข “1” ในแตละหลักของตัวลบดวย “0” เชน 0100 เม่ือทําวันคอมพลีเมนตจะเปน 1011 วิธีการทูคอมพลีเมนตคือ นําคาของตัวเลขฐานสองท่ีไดจากการทําวันคอมพลีเมนตบวกดวย “1” ท่ีหลักสุดทายหรือหลัก LSB หรือ b0 ยกตัวอยางจากคา 0100 เม่ือทําวันคอมพลีเมนตเปน 1011 ทําทูคอมพลีเมนตได 1100 ซ่ึงก็คือ -4 นั่นเอง การคูณเลขฐานสอง การคูณเลขฐานสองมีดังนี ้

(i) 0×0 = 0

(ii) 0×1 = 0

(iii) 1×0 = 0

(iv) 1×1 = 1

ยกตัวอยาง จงหาผลคูณ 1001×1011 1 0 0 1

1 0 1 1 × 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0

43

+ 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 จากตัวอยางจะเหน็วาการคูณเลขฐานสองหลายหลัก จะเร่ิมดวยการคูณแตละหลักกนั แลวจึงนํามาบวกกนั ใชกฎการบวกเลขฐานสองมาชวย ผลลัพธสุดทายจึงจะเปนผลคูณ (product) เลขฐานสิบหก ระบบตัวเลขอีกฐานหนึ่งท่ีมีบทบาทก็คือ เลขฐานสิบหกซ่ึงจะตองมีตัวเลขดวยกนัท้ังหมด 16 ตัว เร่ิมต้ังแต 0 ถึง F อักษรยอตอทายตัวเลขแสดงฐานใชตวัอักษรHในขณะท่ีเลขฐานสองใช B และฐานสิบใช D (แตสําหรับฐานสิบ ไมนิยมมีอักษร D ตอทาย) ตอไปนี้จะเปนการแสดง,ความสัมพันธของเลขฐานสอง, ฐานสิบ และฐานสิบหก (ในกรณีไมคิดเคร่ืองหมาย) เลขฐานสอง เลขฐานสิบ เลขฐานสิบหก 0000 0 0 0001 1 1 0010 2 2 0011 3 3 0100 4 4 0101 5 5 0110 6 6 0111 7 7 1000 8 8 1001 9 9 1010 10 A 1011 11 B 1100 12 C 1101 13 D 1110 14 E 1111 15 F 10000 16 10

44

4.6 การแปลงเลขฐานสองเปนเลขฐานสิบหก ถาพิจารณาความสัมพันธของเลขฐานสองกับฐานสิบหก จะเหน็วา เลขฐานสิบหก 1 หลัก เม่ือแทนดวยเลขฐานสองจะตองใช 4 หลัก ดังนั้นในการแปลงเลขฐานสองเปนฐานสิบหก จะตองจัดกลุมเลขฐานสองเปนกลุมละ 4 หลัก ดังตัวอยาง เลขฐานสอง 101011100011 จะมีคาเปนตัวเลขฐานสิบหกเทาใด เลขฐานสอง 101011100011B จักกลุมละ 4 หลัก 1010 1110 0011 แปลงเปนเลขฐานสิบหก A E 3 ผลลัพธเทากับ AE3H

สวนการแปลงเลขฐานสิบหกเปนฐานสองกใ็ชหลักการเดยีวกัน โดยแบงเลขฐานสิบหกแตละหลักออกจากกัน แลวจึงแปลงเปนเลขฐานสองทีละหลัก ดังตัวอยาง

เลขฐานสิบหก BC75H แยกแตละหลักออกจากกัน B C 7 5 แปลงเปนเลขฐานสอง 1011 1100 0111 0101 ผลลัพธเทากับ 1011110001110101

4.7 การแปลงเลขฐานสิบเปนฐานสิบหก วิธีการท่ีงายท่ีสุดคือ แปลงเลขฐานสิบเปนฐานสองกอน จากน้ันจึงจกักลุมของเลขฐานสองแลวแปลงเปนเลขฐานสิบหก ดังตัวอยาง เลขฐานสิบ 302 แปลงเปนเลขฐานสอง 100101110B แบงกลุมละ 4 หลักจากทาย 1 0010 1110 แปลงเปนเลขฐานสิบหก 1 2 E ผลลัพธเทากับ 12EH 4.8 การแปลงเลขฐานสิบหกเปนฐานสิบ เร่ิมดวยการแบงเลขฐานสิบหกแตละหลักออกจากกัน แลวแปลงเปนเลขฐานสิบจากนั้นคูณดวยคาน้ําหนกัประจําหลัก โดยในหลักซายสุดจะมีคาน้ําหนักประจําหลักเทากับ 160 ซ่ึงก็คือ 1 หลักถัดมาทางขวามือจะมีคาน้ําหนักประจําหลักเทากับ 161 หรือ 16 หลักถัดมามีคาน้ําหนักประจําหลัก

45

เทากับ 162 หรือ 256 ไลเรียงเชนนี้จนครบทุกหลัก จากนัน้นําผลคูณในแตละหลักมารวมกัน ก็จะไดคาของเลขฐานสิบในท่ีสุด ดังตัวอยาง เลขฐานสิบหก A E 3

แปลงเปนเลขฐานสิบในแตละหลัก 10 14 3 คาน้ําหนกัประจําหลัก 256(162) 16(161) 1(160) ผลคูณ 2560 224 3

รวมผลคูณเทากับ 2560 + 244 + 3 = 2787 ซ่ึงก็คือผลลัพธ 5. แผนภาพของชุดปฏิบัติการทางดานดิจติอลอิเล็กทรอนิกส รูป 33 แผนภาพของชุดปฏิบัติการทางดานดจิิตอลอิเล็กทรอนิกส

PULSE GENERATOR

POWER

LOGIC MONITOR

BREADBOARD AREA

LOGIC SWITCH

DEBOUNCE SWITCH

BINARY TO HEX. DECODER

46

5.1 POWER 5.2 LOGIC MONITER รูป 35 สวนประกอบของวงจร LOGIC MONITER

ตัวระบายความรอน

รูป 34 สวนประกอบของวงจร POWER

แหลงจายไฟ

สวิตซ

หลอดไฟแสดงการทํางาน ตัวเก็บประจุ

ไดโอด จุดตอวงจร

ไอซีแสดงผล

หลอด LED ไอซี

จุดตอวงจร ตัวตานทาน

47

5.3 BINARY TO HEX.DECODER

รูป 37 สวนประกอบของวงจร BREADBOARD AREA

รูป 36 สวนประกอบของวงจร BINARY TO HEX. DECODER

5.4 BREADBOARD AREA

ตัวตานทาน ตัวแสดงผล

ตัวไอซีขยาย

สัญญาณหลักสิบ

ตัวไอซีขยายสัญญาณหลักหนวย

จุดตอวงจร

บอรดทดลอง

48

5.5 PULSE GENERATOR รูป 38 สวนประกอบของวงจร PULSE GENERATOR 5.6 LOGIC SWITCH

รูป 39 สวนประกอบของวงจร LOGIC SWITCH

จุดตอวงจร

หลอด LED

ตัวตานทาน

ไอซี

ตัวเก็บประจุ

สวิตซความถ่ี

จุดตอสัญญาณ

ตัวตานทาน

ลอจิกสวิตซ

49

5.7 DEBOUNCE SWITCH รูป 41 ชุดปฏิบัติการทางดานดิจิตอลอิเล็กทรอนิกสแบบสําเร็จ

รูป 40 สวนประกอบของวงจร DEBOUNCE SWITCH

ตัวตานทาน

จุดตอสัญญาณ ไอซ ี

ตัวเก็บประจุ สวิตซ