อุปกรณ์พื้นฐานของวงจรดิจิตอล

อุปกรณ์พื้นฐานของวงจรดิจิตอล


ก่อนอื่นต้องมาทำความเข้าใจถึงสัญญาณที่ใช้ในระบบดิจิตอลเสียก่อน
ในวงจรดิจิตอลจะมีระดับการทำงานอยู่ 2ระดับเท่านั้นคือ "0" และ "1" โดย "0" คือลอจิกต่ำมีระดับแรงดันตั้งแต่ 0 - 0.8 โวลต์
ส่วน "1" คือลอจิกสูงมีระดับแรงดันประมาณเกือบเท่าไฟเลี้ยงวงจรเกทพื้นฐานของวงจรดิจิตอลมีด้วยกัน 8 เกทดังนี้


1. แอนด์เกท (AND GATE) มีสัญลักษณ์ คือ
สัญลักษณ์ทางตรรกศาสตร์ คือ A . B ตารางความจริง คือ A B Output
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

2. ออร์เกท (OR GATE) มีสัญลักษณ์ คือ
สัญลักษณ์ทางตรรกศาสตร์ คือ A+B ตารางความจริง คือ A B Output
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

3. แนนด์เกท (NAND GATE)มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ A B Output
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

4. นอร์เกท (NOR GATE)มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ A B Output
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

5. เอ็กคลูซีฟออร์เกท (EX-CLUSIVE OR GATE) มีสัญลักษณ์ คือ
สัญลักษณ์ทางตรรกศาสตร์ คือ AลB ตารางความจริง คือ A B Output
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

6. เอ็กคลูซีฟนอร์เกท (EX-CLUSIVE NOR GATE)มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ A B Output
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1

7. บัฟเฟอร์เกท (BUFFER GATE) มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ Input Output
0 0
1 1

8. นอตเกท (NOT GATE) มีสัญลักษณ์ คือ
สัญลักษณ์ทางตรรกศาสตร์ คือ A' ตารางความจริง คือ Input Output
0 1
1 0

การทำงานของเกทเหล่านี้จะเป็นไปตามตารางความจริง(Truthtable)
ตารางความจริงคือ ตารางการทำงานของอุปกรณ์ทางดิจิตอล โดยจะแบ่งเป็นอินพุตและเอาต์พุตซึ่งในการออกแบบวงจรทางดิจิตอลจำเป็นต้องสร้างตารางความจริงนี้ขึ้นมาก่อนแล้วนำมามา
สมการการทำงานหลังจากนั้นจึงค่อยนำมาออกแบบวงจรในที่สุด

กลับไปที่สารบัญ

--------------------------------------------------------------------------------

Flip-Flops


เป็นโครงสร้างพื้นฐานของวงจร Sequential (Bistablemultivibrater) มี 2 ชนิด
1. วงจรที่ทำงานแบบ Asynchronous จะทำงานทันทีที่มีการเปลี่ยนภาวะโลจิค ของสัญญาณเข้า และสัญญาณออก จะค้างอยู่ในสภาวะใหม่ เช่น วงจร Latches
2. วงจรที่ทำงานแบบ Synchronous จะทำงานเมื่อมีสัญญาณนาฬิกาเข้ามา โดยพิจารณา สัญญาณเข้าตัวเดิมควบคู่กับสัญญาณเข้าตัวใหม่ มีข้อดี คือ ขั้นตอนการทำงานของภาวะโลจิคของสัญญาณเข้าต่างๆไม่มีการผิดพลาด
สัญญาณควบคุมฟลิปฟลอป แบ่งออกเป็น -Static จะมีค่าภาวะโลจิคที่แน่นอนในการควบคุม -Dynamic จะมีผลต่อสัญญาณออก เมื่อสัญญาณนี้เปลี่ยนภาวะโลจิคเช่น สัญญาณนาฬิกา


1. R-S Flip-Flop มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ S R Q Q' สถานะ
0 0 Q -Q ไม่เปลี่ยน
0 1 0 1 Reset
1 0 1 0 Set
1 1 1 1 ไม่ใช้

2. J-K Flip-Flop มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ J K Q Q' สถานะ
0 0 Q -Q ไม่เปลี่ยน
0 1 0 1 Reset
1 0 1 0 Set
1 1 Toggle เปลี่ยนเป็นตรงกันข้าม

3. D Flip-Flop จะทำหน้าที่หน่วงสัญญาณเข้า 1 ลูกของสัญญาณนาฬิกา มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ Input Output
D Qn+1
0 0
1 1

4. T Flip-Flop จะกลับสภาวะ(toggle)สัญญาณเข้าที่เข้ามา และเพิ่มความถี่ของสัญญาณออกครึ่งหนึ่ง มีสัญลักษณ์ คือ ตารางความจริง คือ Input Output
T Qn+1 Q'n+1
0 Qn Q'n
1 Q'n Qn

Excitation Table สมการ Characteristic Qn+1= S+R'Qn JQ'n+K'Qn TลQn D
PS NS S R J K T D
0 0 0 X 0 X 0 0
0 1 1 0 1 X 1 1
1 0 0 1 X 1 1 0
1 1 X 0 X 0 0 1

กลับไปที่สารบัญ

--------------------------------------------------------------------------------

วงจรโลจิค(Logic Circuit)วงจรโลจิคมี 2 แบบ คือ
1 แบบผสม(Combination) จะประกอบด้วย โลจิคเกทอย่างเดียว ได้แก่ วงจรเปรียบเทียบ(2-bit Comparator), วงจรบวกและลบ(Adder/Subtractor), วงจรเข้ารหัสและถอดรหัส(Encoder/Decoder), Multiplexer/Demultiplexer เช่น Binary Full Adder
2 แบบเรียงลำดับ(Sequential) คือวงจรที่สัญญาณออกของวงจรขึ้นอยู่กับสัญญาณเข้าตัวเดิม และสัญญาณเข้าตัวใหม่ ที่ป้อนให้แก่วงจร จะประกอบด้วยโลจิคเกทและฟลิบฟลอบ ได้แก่


วงจรนับ(Counter)ทำหน้าที่นับสัญญาณต่างๆที่เกิดขึ้น และบันทึกจำนวนครั้งไว้ แบ่งเป็น 2 ชนิด
1 Asynchronous Counter เป็นวงจรที่เปลี่ยนสภาวะของฟลิปฟลอป โดยใช้สัญญาณออกของฟลิปฟลอปตัวหน้า เป็นตัวกระตุ้นฟลิปฟลอปตัวถัดไปให้เปลี่ยนสภาวะ มักจะมีความเร็วไม่มากนัก เช่น Modulo 16
2 Synchronous Counter เป็นวงจรที่สัญญาณนาฬิกาของฟลิปฟลอปทุกตัวมาจากแหล่งเดียวกัน ทำให้สภาวะของฟลิปฟลอปทุกตัวเปลี่ยนไปพร้อมๆกัน มีความเร็วสูง แต่ออกแบบวงจรยากกว่า ใช้เกทมากกว่า ราคาแพงกว่า
Register เป็นอุปกรณ์ที่รับข้อมูลมาเก็บไว้ หลังจากมีสัญญาณข้อมูลเข้า และนำข้อมูลออกไปทาง output
Memory


RAM(Random Access Memory) คือ หน่วยความจำ ซึ่งสามารถเขียนหรืออ่านข้อมูลจากตำแหน่งที่เก็บใดๆก็ได้ โดยใช้เวลาเข้าถึงข้อมูลเท่าเดิม เป็น Volatite memory ต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการเก็บข้อมูล เป็นวงจร Sequential

SAM(Sequential Access Memory) คือ หน่วยความจำ ที่ต้องตรวจหาตำแหน่งที่เก็บของข้อมูล ก่อนจึงจะสามารถอ่านและเขียนข้อมูลได้ จะใช้เวลาเข้าถึงข้อมูลไม่เท่ากัน เช่น เทปสำรองข้อมูล

ROM(Read Only Memory) คือ วงจร Combination Logic พิเศษ ที่ทำหน้าที่เป็นหน่วยเก็บข้อมูลถาวร ที่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงแก้ไขข้อมูลได้ง่าย

PAL(Programable Array Logic) คือ ชิพที่ประกอบด้วยโลจิคเกทที่เป็นแถวลำดับที่สามารถโปรแกรม แทนค่าการทำงานของฟังค์ชันทางโลจิคที่ซับซ้อนได้ทุกชนิด มีความยืดหยุ่นสูง มีอินพุท ได้ถึง 16 อินพุท ไม่เป็นคำตอบโลจิคแบบสากล
PAL ทางด้านอินพุท สามารถโปรแกรม AND Array ได้ และทางด้านเอาท์พุท OR Array อยู่คงที่
ไอซี(Integrated Circuit,IC )
คือ วงจรรวมของอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ต่างๆ ที่วางอยู่บนชิ้นส่วนเล็กๆ(Chip)ของแผ่นซิลิกอน แต่ละอุปกรณ์จะเชื่อมต่อวงจรด้วย อลูมิเนียมหรือทองแดง เพื่อใช้งานงานเฉพาะอย่างที่โรงงานผลิตได้กำหนดไว้แล้ว

ข้อได้เปรียบของ IC คือ
เพื่อลดขนาดของอุปกรณ์ จากแผงวงจรขนาดหลายเมตร ลงเหลือเพียงไม่กี่เซ็นติเมตร และลดภาระในการออกแบบวงจรทั้งหมด ไอซี มี 2 ประเภทคือ

Linear IC
Op-amp(Operational Amplifier) เดิมได้ออกแบบมาเพื่อทำงานด้านคณิตศาสตร์ จะทำหน้าที่ขยายความแตกต่างระหว่างสัญญาณที่ป้อนเข้ามาที่ Input ทั้งสองขั้ว คือ กลับทาง(Inverting)แทนด้วย - และ ไม่กลับทาง(Non-inverting) แทนด้วย +
Op-ampจะมีอัตราขยาย(gain)สูงมาก(อนันต์) ไม่สามารถควบคุมอัตราขยายได้ จึงต้องใช้วิธีการป้อนกลับ เข้ามาควบคุมอัตราขยาย สัญลักษณ์ของ Op-amp Op-amp รุ่นที่ใช้กันมากคือ 741
การป้อนกลับ คือ การนำสัญญาณออกบางส่วนของ op-amp มาป้อนให้ทางอินพุท มี 2 แบบ คือ
1. การป้อนกลับแบบบวก(Positive Feedback)การนำสัญญาณออกบางส่วนของ op-amp มาป้อนให้ทาง Input แล้วทำให้ขนาดของ Output มีค่ามากกว่าเดิม เช่น วงจรออสซิลเลเตอร์(Oscillator Circuit)
2. การป้อนกลับแบบลบ(Negative Feedback)การนำสัญญาณออกบางส่วนของ op-amp มาป้อนให้ทาง Input แล้วทำให้ขนาดของ Output มีค่าลดลงกว่าเดิม เช่น วงจรขยายทั่วๆไป

Digital IC
1 Bipolar Digital IC

1.1 TTL( Transister-Transister Logic) ใช้งานได้หลายอย่าง ใช้กันแพร่หลาย มีราคาถูก เปลี่ยนสถานะได้มากกว่า 20,000,000 ครั้ง/วินาที แต่ ต้องใช้แรงดัน 5 Volt เท่านั้น กินกระแสมาก มีความเร็วปานกลาง ใช้ความถี่ของสัญญาณนาฬิกาได้ถึง 30 MHz. ความเร็วสวิทช์ได้ในย่าน 7-11 นาโนวินาที ภายใต้โหลดที่มีค่าความจุไฟฟ้าปานกลาง มีความทนทานต่อสัญญาณรบกวนไฟสลับ รุ่นที่ใช้มากคือ 7400 หรือ 7404

1.2 Low Power Schottky TTL เป็น TTL ชนิดใหม่ กินกำลังไฟฟ้าเพียง 20 % ของ TTL รุ่นเก่า แต่มีราคาแพง รุ่นที่ใช้กันมากคือ 74LS00

2. MOSFET Digital IC(Metal Oxide Semiconductor FET)

2.1 Pและ N-Channel MOS(PMOS และ NMOS) สามารถบรรจุเกทต่อชิพได้มากกว่า TTL เป็นชิพที่ออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์พิเศษ เช่น CPU, หน่วยความจำ ฯลฯ ข้อเสียคือ ความเร็วต่ำกว่า TTL ต้องการแรงดันมากกว่า 2 ระดับ เสียง่ายเมื่อถูกไฟฟ้าสถิตย์

2.2 CMOS(Complementary MOS) เป็นไอซี ที่ใช้งานได้หลายอย่าง บางแบบใช้หมายเลขเดียวกับTTL มีความเร็วสูง ขีดความสามารถ เท่ากับ TTL มีย่านการใช้แรงดันจาก +3 ถึง +18 Volt กินไฟน้อย มีข้อเสียคือ ชำรุดได้ง่าย เมื่อถูกไฟฟ้าสถิตย์ รุ่นที่ใช้กันมากคือ 74C00 และ 4000

ตัวนำไฟฟ้า

โครงสร้างของหม้อแปลงไฟฟ้า
หม้อแปลงแบ่งออกตามการใช้งานของระบบไฟฟ้ากำลังได้ 2 แบบคือ หม้อแปลงไฟฟ้าชนิด 1 เฟส และหม้อแปลงไฟฟ้า ชนิด 3 เฟสแต่ละชนิดมีโครงสร้างสำคัญประกอบด้วย
1. ขดลวดตัวนำปฐมภูมิ (Primary Winding) ทำหน้าที่รับแรงเคลื่อนไฟฟ้า 2. ขดลวดทุติยภูมิ (Secondary Winding) ทำหน้าที่จ่ายแรงเคลื่อนไฟฟ้า3. แผ่นแกนเหล็ก (Core) ทำหน้าที่เป็นทางเดินสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและให้ขดลวดพันรอบแกนเหล็ก4. ขั้วต่อสายไฟ (Terminal) ทำหน้าที่เป็นจุดต่อสายไฟกับขดลวด5. แผ่นป้าย (Name Plate) ทำหน้าที่บอกรายละเอียดประจำตัวหม้อแปลง6. อุปกรณ์ระบายความร้อน (Coolant) ทำหน้าที่ระบายความร้อนให้กับขดลวด เช่น อากาศ , พัดลม , น้ำมัน หรือใช้ ทั้งพัดลมและน้ำมันช่วยระบายความร้อน เป็นต้น7. โครง (Frame) หรือตัวถังของหม้อแปลง (Tank) ทำหน้าที่บรรจุขดลวด แกนเหล็กรวมทั้งการติดตั้งระบบระบาย ความร้อนให้กับหม้อแปลงขนาดใหญ่8. สวิตช์และอุปกรณ์ควบคุม (Switch Controller) ทำหน้าที่ควบคุมการเปลี่ยนขนาดของแรงเคลื่อนไฟฟ้า และมี อุปกรณ์ป้องกันไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ รวมอยู่ด้วย
โครงสร้างของหม้อแปลงชนิด 1 เฟส ดูรูปที่ 2 (ก) จะมีส่วนประกอบของขดลวด 1 ชุด และหม้อแปลงชนิด 3 เฟสดูรูปที่ 2 (ข) จะมีส่วนประกอบของขดลวด 2 ถึง 3 ชุด เนื่องจากหม้อแปลงเป็นอุปกรณ์จ่ายกำลังไฟฟ้าจึงมีขนาดเป็นโวลต์แอมป์ (VA) หม้อแปลงขนาดใหญ่จะมีขนาดเป็นกิโลโวลต์แอมป์ (kVA) และเมกกะโวลต์แอมป์ (MVA) ตามลำดับ สำหรับส่วน ประกอบข้างต้นในข้อ 6 ถึง 8 เป็นระบบที่มีอยู่ในหม้อแปลงขนาดใหญ่จะไม่ขอกล่าวไว้ในที่นี้

(ก) ชนิด 1 เฟส (ข) ชนิด 3 เฟส รูปที่ 2 หม้อแปลงไฟฟ้า
ขดลวด( Coil)

รูปที่ 3 สายทองแดงเคลือบน้ำยา
วัสดุที่ใช้ทำขดลวดหม้อแปลงโดยทั่วไปทำมาจากสายทองแดงเคลือบน้ำยาฉนวน มีขนาดและลักษณะลวดเป็นทรงกลม หรือแบนขึ้นอยู่กับขนาดของหม้อแปลง ลวดเส้นโตจะมีความสามารถในการจ่ายกระแสได้มากกว่าลวดเส้นเล็ก
หม้อแปลงขนาดใหญ่มักใช้ลวดถักแบบตีเกลียว เพื่อเพิ่มพื้นที่สายตัวนำให้มีทางเดินของกระแสไฟมากขึ้น สายตัวนำที่ใช้ พันขดลวดบนแกนเหล็กทั้งขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิอาจมีแทปแยก (Tap) เพื่อแบ่งขนาดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (ในหม้อแปลงขนาดใหญ่จะใช้การเปลี่ยนแทปด้วยสวิตช์อัตโนมัติ)
ฉนวน ( Insulator)
สายทองแดงจะต้องผ่านการเคลือบน้ำยาฉนวน เพื่อป้องกันไม่ให้ขดลวดลัดวงจรถึงกันได้ การพันขดลวดบนแกนเหล็ก จึงควรมีกระดาษอาบน้ำยาฉนวน คั่นระหว่างชั้นของขดลวดและคั่นแยกระหว่างขดลวด ปฐมภูมิกับทุติยภูมิด้วย ใน หม้อแปลงขนาดใหญ่มักใช้กระดาษอาบน้ำยา ฉนวนพันรอบสายตัวนำก่อนพันเป็นขดลวดลงบนแกนเหล็ก นอกจากนี้ ยังใช้น้ำมันชนิดที่เป็นฉนวนและระบายความร้อนให้กับขดลวดอีกด้วย

การเหนี่ยวนำ
เสียงเป็นคลื่นตามยาว เสียงแหลมและทุ้มขึ้นกับความถี่ ส่วนสียงดังหรือค่อยขึ้นอยู่กับขนาดแอมพลิจูดของคลื่นนั้น เราทราบกันดีอยู่แล้วว่า ไมโครโฟนมีหน้าที่แปลงสัญญาณเสียงให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้า และนำสัญญาณที่ได้ไปบันทึกลงบนเทปคาสเซ็ท แผ่น CD หรือเครื่องเล่น MP3 ซึ่งกำลังฮิตกันอยู่ในปัจจุบัน เมื่อเราต้องการจะนำเสียงที่บันทึกกลับออกมา ภายในเครื่องเล่นเหล่านี้จะมีหัวอ่านคอยอ่านสัญญาณทางไฟฟ้าที่บันทึกอยู่ในเนื้อเทป ซึ่งในขณะที่อ่านยังเป็นสัญญาณที่อ่อนมาก จึงต้องนำเข้าเครื่องขยายสัญญาณก่อน เมื่อได้สัญญาณที่แรงพอแล้วจึงขับออกทางลำโพง กลายเป็นเสียงออกมา
ส่วนสำคัญที่สุดของเครื่องเล่นเหล่านี้ก็คือลำโพง โดยหน้าที่สำคัญสุดของลำโพงคือ เปลี่ยนสัญญาณทางไฟฟ้าที่ได้มาจากเครื่องขยายเป็นสัญญาณเสียง ลำโพงที่ดีจะต้องสร้างเสียงให้เหมือนกับต้นฉบับเดิมมากที่สุด โดยมีการผิดเพี้ยนน้อยที่สุด

ประวัติ

เฮนรี่ เป็นชาวอเมริกัน เกิดที่อัลบานี นิวยอร์ค ครอบครัวย้ายมาอยู่ที่สก็อตแลนด์ ค.ศ. 1826 เป็นศาสตราจารย์ ด้านคณิตศาสตร์ และประวัติศาสตร์ที่อัลบานี ค.ศ. 1832 สอนที่มหาวิทยาลัยปรินซ์ตัน เฮนรี่เริ่มทำการค้นคว้าทดลองทางด้านวิทยาศาสตร์ ที่วอชิงตัน เมื่อ ค.ศ. 1846 ผลงานของเขามีมากมาย ได้แก่ การนำขดลวดพันรอบแกนเหล็กหลายๆ แบบ หลายๆรอบ และเมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไป ทำให้เเกิดอำนาจแม่เหล็กขึ้น นอกจากนี้ยังประดิษฐ์เครื่องวัดไฟฟ้า มอเตอร์กระดิ่งไฟฟ้า และศึกษาเรื่องจุดดับและการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ หน่วยของตัวเหนี่ยวนำในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ใช้เป็น เฮนรี่ (H) ได้มาจากชื่อของนักวิทยาศาสตร์ผู้นี้ 1 เฮนรี่ คือการเปลี่ยนแปลงของกระแสในอัตรา 1 A/s และทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าต้านกลับ 1 โวลต์