ออปแอมป์และวงจรขยายสัญญาณพื้นฐานโดยใช้ออ ปแอมป์

บท ที่ 1  ออปแอมป์และ วงจรขยายสัญญาณพื้นฐานโดยใช้ออปแอมป์

ออ ปแอมป์และวงจรขยายสัญญาณพื้นฐานโดยใช้ออปแอมป์

(OP – AMP Basic Amplifier Configurations Using OP – AMPS)

ปัจจุบันความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการออกแบบวงจรรวม หรือ ไอซี (Integrated Circuit, IC)
มีความเจริญรุดหน้าไปอย่างรวดเร็วมาก ทำให้วงจรทางอิเล็กทรอนิกส์สำหรับประมวลผลสัญญาณแบบ
ต่าง ๆ ถูกนำมาออกแบบและผลิตให้อยู่ในรูปของไอซีเสียเป็นส่วนใหญ่ ทั้งนี้เนื่องจากคุณสมบัติของไอซีนั้นมี
ข้อดีหลายประการ อาทิ เช่น มีขนาดเล็ก มีความสะดวกในการใช้งาน รวมทั้งสามารถนำไปใช้งานได้ง่าย เป็นต้น
วงจรขยายสัญญาณออปแอมป์ (Operational Amplifier, OP – AMP) หรือที่มักเรียก กันสั้นๆ ว่า “ออปแอมป์” นั้นก็เป็นวงจร ขยายสัญญาณพื้นฐานสำเร็จรูปอีกชนิดหนึ่งที่ถูกออกแบบและนำไปบรรจุลงในชิพ
ไอซีเดียวกัน ซึ่งนิยมนำไปประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลายในงานด้านการประมวลผลสัญญาณ อนาลอก (analog signal processing) ต่าง ๆ มากมาย เช่น ระบบสื่อสาร ระบบการวัดและระบบควบคุมกระบวนการผลิต เป็นต้น เนื่องจากการใช้งานออปแอมป์ไม่ยุ่งยาก และง่ายต่อการออกแบบวงจรต่าง ๆ ทั้งราคาของ
ออปแอมป์ก็ถูกลงมาก จึงนับได้ว่าออปแอมป์เป็นอุปกรณ์แอคทีฟ (Active device) ที่สำคัญและมีประโยชน์มากในระบบการประมวลผลสัญญาณ อนาลอกรูปแบบต่าง ๆ ดังนั้นในบทนี้จะกล่าวถึงคุณสมบัติพื้นฐานของ
ออปแอมป์ ตลอดจนวงจรขยายสัญญาณพื้นฐานแบบต่าง ๆ ที่ใช้ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์หลัก โดยจะกล่าวใน
รายละเอียดการทำงานของแต่ละวงจรในแต่ละหัวข้อต่อไป

1.1 สัญลักษณ์ ของออปแอมป์
ในวงจรไฟฟ้าจะเป็นรูปสามเหลี่ยมโดยจะประกอบไปด้วย

1.1.1 ขั้วอินพุตบวก (Non-inverting)

1.1.2 ขั้วอินพุตลบ (Inverting)

1.1.3 ขั้วเอาท์พุต (Out put)

1.1.4 ขั้วแรงดันไฟเลี้ยง บวก และลบ ซึ่งปกติไม่ได้แสดงในสัญลักษณ์

1.2 วงจรอินทิเกรเตอร์ (Integrator)
วงจรอินทิเกรเตอร์เมื่ออาศัยคุณสมบัติของออปแอมป์ (V₁ = 0) จะได้กระแสที่ไหลผ่าน R ก็คือ กระแสที่ไหลผ่าน C (I_R = I_C) หรือเขียนได้ เป็น

หรือ

เมื่อ V_out(0) คือค่าของแรงดันเอาท์พุทที่ เวลา t = 0 ซึ่งขึ้นกับประจุแรกเริ่มที่คงค่าอยู่ในตัวเก็บประจุ จากสมการแสดงให้เห็นว่าแรงดันเอาท์พุทของวงจรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าอิน ทิกรัล (integral) ของแรงดันอินพุทซึ่งมีค่าคงที่ขึ้นกับค่าของ R และ C (มีหน่วยเป็น1 sec^-1)  วงจรอินทิเกรเตอร์นี้มักถูกนิยมนำไปประยุกต์ใช้ในงานด้าน ต่าง ๆ อย่างแพร่หลาย เช่น วงจร กรองสัญญาณความถี่ (activefilter) วงจรแป ลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล (analog – to – digital converter) หรือวงจรกำเนิด สัญญาณรูปแบบ
ต่าง ๆ (function generator) เป็น ต้น นอกจากนี้หากทำการต่อตัวเก็บระจุ C แทนตัวต้านทาน R_f ในวงจรรวมสัญญาณ ดังรูปที่ 1.2ก็จะได้วงจรอินทิเกรเตอร์รวมสัญญาณ (summing integrator)

รูป 1.2 วงจรรวมสัญญาณ

1.3 วงจรดิฟเฟอเรนซิเอเตอร์ (Differentiator)
จากวงจรอินทิเกรเตอร์ในรูปที่ 1.2 นั้น หากทำการสลับตำแหน่งของ R กับ C แล้ว วงจรจะกลายเป็นวงจรดิฟเฟอเรนซิเอเตอร์ ซึ่งแสดงได้ดังรูปที่ 1.3ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันเอาท์พุทกับแรงดันอินพุทของวงจรสามารถ หาได้เป็น

V_out(t) = - RC dV_in(t) /dt

จะเห็นว่าขณะนี้วงจรจะให้ความสัมพันธ์ของ แรงดันเอาท์พุทเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าอนุพันธ์ (derivative) ของแรงดันอินพุทโดยมีค่าคงที่ขึ้นกับค่าของ R และ C วงจรดิฟเฟอเรนซิเอเตอร์ดัง กล่าวนิยมนำไปใช้ในงานเป็นส่วนสำคัญส่วนหนึ่งในวงจรการประมวลผลสัญญาณต่าง ๆ อาทิ เช่น การคูณ (multiplication) การลบ (subtraction) การบวก (summation) เป็นต้น และเช่นเดียวกันเมื่อทำการต่อตัวเก็บประจุ C อนุกรม กับตัวต้านทาน R₁, R₂, R₃, … , R_n ทางอินพุทของวงจรรวมสัญญาณดังรูปที่ 1.3 แล้วก็จะได้วงจรดิฟเฟอเรน
ซิเอเตอร์รวมสัญญาณ (Summing differentiator)

รูป 1.3 วงจรรวมสัญญาณ

1.4ออปแอมป์ในอุดมคติ (Ideal Op Amp)
ออปแอมป์ ที่เป็นอุดมคติซึ่งจะมีคุณสมบัติดังนี้

อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์,

ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์,

ความต้านทานเอาท์พุตมีค่าเป็นศูนย์,

ผลตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่

จากคุณสมบัติดังกล่าวจะทำให้การวิเคราะห์วงจรง่าย ขึ้นโดยคิดดังนี้

กระแสที่ไหลเข้าขั้ว อินพุตทั้งสองเป็นศูนย์ นั่นคือ

หมายเหตุ ห้าม คิด KCL ที่โนดเอาท์พุต เนื่องจากกระแสที่เอาท์พุตจะไหลเข้า หรือออกก็ได้ และมีขนาดไม่แน่นอนโดยขึ้นกับอินพุตด้วย

เมื่อมีการต่อวงจรในแบบ ป้อนกลับแบบลบ

แรงดันที่ ตกคร่อมขั้วอินพุตมีค่าน้อยมากจนไม่ต้องนำมาคิด

บทที่ 2  การ ประมวลผลสัญญาณอนาลอกเชิงเส้น

การ ประมวลผลสัญญาณอนาลอกเชิงเส้น

(Linear Analog Signal Processing)

บทนี้จะกล่าวถึงวงจรออปแอมป์แบบต่าง ๆ ที่มีการนำเอาไปประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในงานด้านการประมวลผลสัญญาณอนาลอก (analog signal processing) ลักษณะต่าง ๆ เช่น ในระบบเครื่องมือวัด ระบบควบคุมค่ากระบวนการ หรือระบบสื่อสารทั่วไป เป็นต้น ซึ่งบทนี้ได้เน้นเฉพาะวงจรออปแอมป์ที่มีความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณอินพุทกับ สัญญาณเอาท์พุทของวงจรเป็นไปตามคุณสมบัติของความเป็นเชิงเส้น (linear op – amp circuit) และในส่วนของวงจรออกออปแอมป์ที่ ให้ความสัมพันธ์ของวงจรมีคุณสมบัติที่ไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear op – amp circuit) นั้นจะได้กล่าวในบทถัดไป

2.1วงจรเปลี่ยนกระแสเป็นแรงดัน (Current – to – Voltage Converters)

วงจรเปลี่ยนกระแสเป็นแรงดันหรือวงจร I – V นั้นเป็นลักษณะของวงจรแบบแหล่งจ่ายแรงดันควบคุมด้วยกระแส (current – controlled voltage source, CCVS) ซึ่ง รับกระแสอินพุทแล้วมาเปลี่ยนให้เป็นแรงดันเอาท์พุทที่มีค่าเท่ากับ V_out = A.I_in โดยที่ A คืออัตราขยาย (gain) ของวงจรมีหน่วยเป็นโอห์ม (ohm, W ) บางครั้งอัตราขยาย A ของวงจรลักษณะนี้ นิยมเขียนในรูปของ R (transresistance gain) มากกว่า ดังนั้นวงจร I – V อาจจะเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “วงจร ขยายค่าความด้านทาน (transresistance amplifier) ก็ได้

รูป 2.1 วงจรเปลี่ยนกระแสเป็นแรงดัน

วงจร I – V พื้นฐานแสดงได้ดังรูปที่ 2.1 เมื่อ อาศัยคุณสมบัติของออปแอมป์จะได้ V_i = 0 และ I_in = I_R
ทำให้แรงดันเอาท์พุทของวงจรมีค่าเท่ากับ

V_out = ( - R) I_in

จากวงจรรูปที่ 2.6 หากทำการเปลี่ยนตัวต้านทาน R ให้ เป็นอิมพีแดนซ์ Z จะได้

V_out = ( - Z ) I_in

และเรียกวงจรนี้ว่า “วงจรขยายค่าอิมพีแดนซ์ (transimpedance amplifier)” นอกจากนี้ข้อดีประการหนึ่ง ของวงจรก็คือ สามารถขจัดปัญหาเรื่องผลการโหลดของสัญญาณ (loading effects) ที่อินพุทและที่เอาท์พุทของวงจรให้ลดลงไปได้ ทั้งนี้เนื่องจากออปแอมป์ มีแรงดันอินพุทออฟเซตประมาณศูนย์ (V_i = 0) ทำให้กระแสอินพุทจากแหล่งจ่ายสามารถไหลเข้าวงจรได้ เกือบทั้งหมดดังนั้นผลของกระแสที่ไหลผ่านค่าคตท.ภายใน(R_S)ของแหล่งซึ่งต่อขนานอยู่ในวงจรจึงถือว่าน้อยมากและในทำนองเดียว กันทางด้าน เอาท์พุทของออปแอมป์นั้นถือว่ามีค่า คตท. ต่ำมา (Z_out ® 0) ทำให้แรงดันเอาท์พุทที่ได้จากวงจรสามารถจ่ายให้กับ โหบดได้เกือบทั้งหมดส่วนหนึ่งของการนำเอาหลักการพื้นฐานของวงจร I – V ไปประยุกต์ใช้งานอย่างแพร่หลาย คือ การนำเอาวงจรไปต่อใช้งานร่วมกับอุปกรณ์จำพวกทรานสดิวเซอร์ เพื่อนำเอาสัญญาณกระแสที่ได้จากการตรวจสอบด้วยทรานสดิวเซอร์ไปเปลี่ยนให้ เป็นแรงดันเอาท์พุทเพื่อนำไปประมวลผลต่อไป หรืออาจจะนำไปใช้เป็นส่วนหนึ่งเพื่อแปลงสัญญาณในระบบเครื่องมือก็ได้

2.2วงจรขยายความเข้มแสง (Photodetector Amplifier)
อุปกรณ์ตรวจวัดความเข้มแสง (photodetector) คือทรานสดิวเซอร์ชนิดหนึ่งทำหน้าที่ให้กำเนิดกระแสไฟฟ้าที่มีค่า แปรผันตามปริมาณของแสง หรือการแพร่ของรังสี ที่ตกกระทบตัวมัน ดังนั้นการนำเอาวงจร I – Vมาใช้กับอุปกรณ์ชนิดนี้ก็เพื่อทำหน้าที่เปลี่ยนกระแสไฟฟ้าที่ได้ จากอุปกรณ์ตรวจวัดความเข้มแสงให้เป็นแรงดันไฟฟ้า ทั้งยังช่วยขจัดปัญหาเรื่องการโหลดของสัญญาณอีกด้วย อุปกรณ์ตรวจวัดความเข้มแสงที่นิยมนำมาใช้งานมากที่สุดก็คือ โฟโตไดโอด (photodiode) เพราะว่ามีราคาถูก ขนาดเล็กและกินไฟต่ำ ซึ่งวงจรขยายความเข้มแสงที่ใช้โฟโตไดโอดเป็นตัวตรวจสอบ ตัวอย่างเช่น วงจรขยายความเข้มแสงในรูปที่ 2.2 (ข) ถ้า R_f = 100 kW และ แสงที่ตกกระทบโฟโตไดโอดทำให้กระแสเปลี่ยนเป็น 1 m A และ 50 m A  ตามลำดับ โดยที่แรงดันเอาท์พุทของวงจรเท่ากับ V_out = - R_f . I_s ดังนั้นที่กระแส 1 m A จะได้
V_out = - (100 kw )(1 m A) = - 0.1 V และที่กระแส 50 m A จะ ได้

V_out = -(100kW )(50 m A) = - 5.0 V

รูป 2.2 วงจรขยายความ เข้มแสง
(ก) ใช้แรงดันไบอัสกลับ (reverse bias)     (ข) ใช้แรงดันไบอัสเป็นศูนย์ (zerobias)

2.3 กรณีโหลดต่อแบบลอยตัว (floating load)

รูปที่ 2.3 แสดงวงจร V – I พื้นฐานกรณีโหลดต่อแบบลอยตัว เมื่อออปแอมป์มีค่า V_i = 0 ดังนั้นกระแสที่ไหลผ่าน R จึงเท่า กับ I_iR = V_in/R และกระแสที่ไหลเข้าขาอินพุทไม่กลับ เฟสของออปแอมป์ถือว่าน้อยมาก (I_B @ 0) ทำให้ I_R @ I_L นั่นคือ

I_L = V_in /R

(ก) (ข)

รูป ที่ 2.3.1 วงจรเปลี่ยนแรงดันเป็น กระแส (v-i) พื้นฐานกรณีโหลดแบบต่อตัว

(ก) โวลท์มิเตอร์กระแสตรง (ข) โวลท์มิเตอร์กระแสสลับ

รูป2.3.2 การประยุกต์ใช้งานวงจรเปลี่ยนแรงดันเป็น กระแส

จะเห็นว่ากระแสเอาท์พุทของวงจรที่จ่ายให้กับโหลด มีค่าไม่ขึ้นกับค่าของโหลดเลย วงจรนี้จึงเป็นวงจรจ่ายกระแสคงที่มีค่าแปรผันตรงกับแรงดันอินพุทด้วยสัดส่วน เท่ากับ 1/R

2.4วงจรขยายสัญญาณกระแส (Current Amplifier)
นอกจากการนำเอาออปแอมป์ไปต่อใช้งานเป็นวงจรขยายสัญญาณใน รูปแรงดัน (voltage – mode amplifier) แล้ว ยังสามารถนำมาต่อเป็นวงจรขยายสัญญาณในรูปกระแส (current – mode amplifier) ได้อีกด้วยซึ่งวงจรขยายสัญญาณกระแสโดยใช้ออ ปแอมป์นั้นสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 2.4

(ก)

(ข)

รูป ที่ 2.4 : (ก) วงจรขยายสัญญาณกระแสแบบกลับเฟส
                    (ข) วงจรขยายสัญญาณกระแสแบบไม่กลับเฟส

บท ที่ 3  การประมวลผล สัญญาณอนาลอกไม่เป็นเชิงเส้น

การ ประมวลผลสัญญาณอนาลอกไม่เป็นเชิงเส้น

(Nonlinear Analog Signal Processing)

การประมวลสัญญาณอนาลอกแบบเชิงเส้นโดยใช้ออปแอมป์ที่ได้ กล่าวมาแล้วในบทที่ 2 นั้นจะเห็นว่าคุณสมบัติในการทำงานของวงจรที่มี ความเป็นเชิงเส้นกระทำโดยอาศัยหลักการต่อวงจรออปแอมป์ให้มีการป้อนกลับแบบลด (negative feedback) เพื่อให้ออปแอมป์ทำงานอยู่ในช่วงเชิง เส้น และในส่วนของการป้อนกลับของวงจรยังใช้อุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติเชิงส้นต่ออยู่ อีกด้วย แต่ในการประมวลสัญญาณอนาลอกที่ไม่เชิงเส้นแล้วมักจะใช้การต่อวงจรให้มีการ ป้อนกลับแบบบวก (positive feedback) หรือจะใช้การต่อวงจรแบบไม่มีการ ป้อนกลับเลยก็ได้ ซึ่งเป็นผลให้ออปแอมป์มีการทำงานอยู่ในช่วงอิ่มตัว (saturation) วงจรที่มีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้นโดยอาศัยหลักการดังกล่าวนี้ อาทิ เช่น วงจรเปรียบเทียบแรงดัน (voltage comparator) และวงจรชมิททริกเกอร์ (schmitt trigger) เป็นต้น บางครั้งวงจรที่มีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้นอาจใช้หลักการป้อนกลับแบบลบก็ได้ แต่ในส่วนการป้อนกลับของวงจรจะต้องใช้อุปกรณ์ที่มีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้น อาจใช้หลักการป้อนกลับแบบลบก็ได้แต่คุณสมบัติการทำงานแบบสวิตซ์ของไดโอด (diode) หรือ เฟท (Field – Effect Transistor, FET) ซึ่งวงจรในกลุ่มนี้ ได้แก่ วงจรเรียงกระแส (precision rectifier) วงจรตรวจจับขนาดสัญญาณ (peak detector) และวงจรสุ่มและคงค่าสัญญาณ (sample and hold circuit) เป็นต้น อีกประเภทหนึ่งจะอาศัยคุณสมบัติเอกโพเนนเชียลของไบโพล่าร์ทรานซิสเตอร์ (Bipolar Junction Transistor, BJT) ประเภทนี้ คือ วงจรขยายสัญญาณลอการิทึม (logarithmic amplifier) และ วงจรขยายสัญญาณแอนตี้ลอการิทึม (anti – logarithmic amplifier) หรือวงจรขยายสัญญาณ เอกโพเนนเชียล (exponential amplifier) เป็นต้น คุณสมบัติการทำงานตลอดจนรายละเอียดของวงจรต่าง ๆ ที่กล่าวมาข้างต้นสามารถอธิบายได้ดังหัวข้อต่อไปนี้

3.1 วงจรเปรียบเทียบแรงดัน (Voltage Comparators)

หน้าที่ของวงจรเปรียบเทียบแรงดัน คือ ทำการเปรียบเทียบแรงดันอินพุทที่ป้อนให้วงจรกับแรงดันอ้างอิงที่ตั้งไว้แล้ว ทำให้เกิดแรงดันเอาท์พุทของวงจรเปลี่ยนแปลงอยู่สองสภาวะ คือ สภาวะสูง (high) และสภาวะต่ำ (low) เท่านั้น วงจรเปรียบเทียบแรงดันและกราฟคุณสมบัติของวงจรแสดงได้ดังรูปที่ 3.1 ซึ่งการทำงานของวงจรมีความสัมพันธ์สรุปได้ดังนี้คือ

รูป ที่ 3.1(ก) V_out = V_OH เมื่อ V_in > V_REF (3.1 ก)

รูป ที่ 3.1(ข) V_out = V_OL เมื่อ V_in > V_REF (3.1 ข)

เมื่อ V_OH และ V_OL คือแรงดัน เอาท์พุทอิ่มตัวของออปแอมป์ (OP – AMP saturation voltages) ในสภาวะสูงและสภาวะ ต่ำ ตามลำดับ

(ก)

(ข)
รูป 3.1 วงจรเปรียบเทียบแรงดัน

3.2 วงจรควบคุมอุณหภูมิแบบปิด – เปิด (On – Off Temperature Controller)

วงจรควบคุมอุณหภูมิหรืออาจจะเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า “เทอร์โมสตาท(thermostat)" ดังรูปที่ 3.2 ประกอบด้วย LM311 หรือ LM339 เป็นวงจรเปรียบเทียบแรงดันและไดโอด LM329 ทำหน้าที่รักษาแรงดันคงที่ 6.9 V โดยมี LM335 เป็นทราน สติวเซอร์ตรวจสอบอุณหภูมิที่ให้แรงดันเอาท์พุทเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ มีค่าเท่ากับ

V_T = (10 mV / ° K) x T

เมื่อ T คือค่าอุณหภูมิในหน่วยองศา เคลวิน (° K) ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิห้อง 25° C จะได้แรงดันเอาท์พุทจาก LM335 มีค่าเท่ากับ VT = (10 mV/° K) x (273.2 + 25° C) = 2.982 V ขณะที่ T5 เป็นตัว ต้านทานไบอัสให้กับ LM335 ส่วนทรานซิสเตอร์กำลัง (power transistor) LM395 ทำหน้าที่เป็นสวิตซ์ค่อยปิด – เปิดจ่ายกระแสให้กับขดลวดความร้อน (heater) เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิของระบบให้เป็นไปตามที่ กำหนดไว้โดยมี R6 เป็นตัวต้านทานไบอัสให้กับ LM395
เมื่ออุณหภูมิที่ได้จากขดลวดความร้อนมีค่าสูงกว่า ค่าที่ตั้งไว้ (set – point) โดยตัวต้านทาน R₂ หรือ (V_T > V_R2) แรงดันเอาท์พุทของวงจรเปรียบเทียบแรงดัน LM311 หรือ LM339 จะมีสภาวะ เป็น V_OL (low) ซึ่งในที่นี้มีค่าประมาณ 0 V ทำให้ทรานซิสเตอร์ LM395 ไม่นำกระแส (สวิตซ์เปิดวงจร) ขดลวดความร้อนหยุดทำงาน จนกระทั่งอุณหภูมิของระบบค่อย ๆ ลดลงจนมีค่าต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ หรือ (VT < V_R2) แรงดันเอาท์พุทของวงจรเปรียบเทียบแรงดันจะเปลี่ยนสภาวะไปเป็น V_OH (high) เป็นผลให้ LM395 ทำงานนำ กระแส (สวิตซ์ต่อวงจร) ขดลวดความร้อนเริ่มทำงานกำเนิดความร้อนอีกครั้งเป็นวัฏจัรเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ

รูป 3.2.1 วงจรเปรียบเทียบแรงดัน เมื่อนำไปใช้ในการควบคุมค่าดิวตี้ไซเคิล

3.3 วงจรชมิททริกเกอร์ (Schmitt Triggers)
วงจรชมิททริกเกอร์เป็นวงจรเปรียบเทียบแรงดันชนิดหนึ่งซึ่ง อาศัยหลักการป้อนแบบบวก โดยนำสัญญาณเอาท์พุทบางส่วนนำป้อนกลับมาเพื่อเปรียบเทียบกับสัญญาณอินพุท ของวงจรอีก และจะทำให้เกิดค่าความแตกต่างขึ้นระหว่างสัญญาณเอาท์พุททั้งสองสภาวะ วงจรชมิททริกเกอร์ สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 รูปแบบคือ วงจรชมิททริกเกอร์ไม่กลับเฟส วงจรชมิททริกเกอร์กลับเฟส และวงจรชมิททริกเกอร์แบบปรับค่าได้

3.4 วงจรจำกัดสัญญาณ (Limiters)

วงจรจำกัดสัญญาณทำหน้าที่จำกัดสัญญาณให้อยู่ระดับต่ำกว่า (หรือสูงกว่า) ค่าที่กำหนดไว้ (breakpoint) โดย สัญญาณเอาท์พุทของวงจรจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับสัญญาณอินพุทที่มีค่าต่ำ กว่า(หรือสูงกว่า) ระดับที่กำหนดไว้ และสัญญาณเอาท์พุทจะถูกบังคับให้คงที่เมื่อสัญญาณอินพุทมีค่าสูงกว่า (หรือต่ำกว่า) ระดับที่กำหนดไว้ดังแสดงในรูปที่ 3.31 จุดประสงค์หลักในการนำวงจรดังกล่าวไปใช้งานก็คือส่วนใหญ่เอาไปทำ หน้าที่เป็นส่วนป้องกันระดับสัญญาณวงจรมิให้เกินกว่าระดับที่กำหนดเพื่อ ป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายขึ้นในวงจร วงจรจำกัดสัญญาณพื้นฐานสามารถแสดงได้ดังรูปที่ 3.4 ซึ่ง ประกอบด้วยไดโอดต่ออยู่ในส่วนป้อนกลับของออปแอมป์

(ก)

(ข)

รูป ที่ 3.4 : วงจรจำกัดสัญญาณ

(ก) รายละเอียดของวงจร       (ข) กราฟคุณสมบัติของวงจร

บท ที่ 4  การกรอง สัญญาณเชิงอนาลอก

การ กรองสัญญาณเชิงอนาลอก

(Analog Signal Filtering)

ในระบบการเลือกความถี่ (frequency selective system) ไม่ว่าจะเป็นในส่วนป้อนกลับ (feedback path) ของระบบควบคุม ในส่วนของวงจรปรับแต่งสภาพสัญญาณ (signal conditioner circuit) ภาครับสัญญาณอินพุทของเครื่องมือวัด หรือแม้กระทั่งในวงจรมอดูเลเตอร์ (modulator) และวงจรดีมอดูเลเตอร์ (demodulator) องค์ประกอบสำคัญส่วนหนึ่งที่ขาดเสียมิได้เลยในระบบเหล่านี้ ก็คือ วงจรกรองผ่านความถี่ (Filter)ในที่นี้ วงจรกรองผ่านความถี่ หรือ วงจรฟิลเตอร์ คือ วงจรไฟฟ้าซึ่งออกแบบขึ้นเพื่อทำหน้าที่ส่งผ่านสัญญาณที่มีความถี่ในช่วงที่ ต้องการ และจะทำการลดทอนสัญญาณที่มีความถี่นอกเหนือจากที่กำหนดไว้ วงจรกรองผ่านความถี่สามารถออกแบบและสังเคราะห์ขึ้นได้สองลักษณะ คือ วงจรกรองผ่านความถี่แบบพาสซีฟ (Passive filter) และ วงจรกรองผ่านความถี่แบบแอคทีฟ (Active filter) โดยวงจรกรองผ่านความถี่แบบพาสซีฟนั้นเป็น วงจรกรองผ่านความถี่ซึ่งออกแบบโดยใช้เฉพาะอุปกรณ์พาสซีฟ คือประกอบด้วยตัวต้านทานไฟฟ้า ตัวเก็บประจุไฟฟ้า และขดลวดเหนี่ยวนำ เท่านั้น ในขณะที่วงจรกรองผ่านความถี่แบบแอคทีฟจะออกแบบและสังเคราะห์โดยนำอุปกรณ์ จำพวกอุปกรณ์แอคทีฟ เช่น ทรานซิสเตอร์ ออปแอมป์ มาต่อทำงานร่วมกับอุปกรณ์พาสซีฟ ซึ่งในบทนี้จะได้กล่าวเน้นเฉพาะวงจรกรองผ่านความถี่แบบแอคทีฟซึ่งออกแบบโดย ใช้ออปแอมป์เป็นอุปกรณ์แอคทีฟหลัก ต่อใช้งานร่วมกับตัวต้านทานไฟฟ้า และตัวเก็บประจุไฟฟ้า

วงจรกรองผ่านความถี่ สามารถแบ่งออกเป็นชนิดใหญ่ ๆ ได้ 4 ชนิด คือ

        1. วงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ (Low – pass Filter)

        2. วงจรกรองผ่านความถี่สูง (High – pass Filter)

        3. วงจรกรองผ่านแถบความถี่ (Band – Pass Filter)

        4. วงจรกรองผ่านความถี่แบบช่องบาก (Band – stop filter หรือ Band – elimination Filter หรือ Band – reject Filter) หรือ วงจรนอตซ์ ฟิลเตอร์ (Notch Filter)

4.1 ผลตอบสนองทางความถี่ของวงจร (Frequency Response)
อัตราขยายแรงดันลูปปิด A_CL ของวงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ ที่ความถี่ w _c สามารถคำนวณหาได้จาก สมการโดยการแทนค่า w RC = 1 จะได้

A_{C L} = V_out  / V_in
= 1  / 1 + j1          
= 1 / Ö 2Ð 45°  
   = 0.707 Ð - 45°

และมีมุมเฟส (phase angle) เท่ากับ -45° ตารางที่ 4.1 แสดงถึงขนาดของ |A_CL| และมุมเฟสของวงจรกรองผ่านความถี่ ต่ำ เมื่อทำการแปรค่าความถี่อินพุทของวงจรจาก 0.1 w _c จนถึง 10w _c

ตารางที่ 4.1 : ขนาดของ ของ |A_CL| และมุมเฟสของวงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ



|A_CL|

มุมเฟส (องศา)

0.1 _c

0.25 _c

0.5 _c

 _c

2 _c

4 _c

10 _c

1.0

0.97

0.89

0.707

0.445

0.25

0.1

-6

-14

-27

-45

-63

-76

-84

4.2 วงจรกรองผ่านความถี่แบบ บัทเทอร์เวอธ์ท (The butterworth Filter)

จุด ประสงค์หลักในการประยุกต์ใช้งานวงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ คือ ความพยายามออกแบบให้วงจรมี
อัตราขยายสัญญาณในช่วงแถบผ่านมีค่าใกล้เคียงกับหนึ่งมากที่ สุด และวงจรกรองผ่านความถี่แบบบัทเทอร์เวอธ์ทก็เป็นวงจรกรองผ่านความถี่แบบหนึ่ง ซึ่งสนองตอบความต้องการดังกล่าวได้เป็นอย่างดี วงจรกรองผ่านความถี่แบบบัทเทอร์เวอธ์ท นี้บางครั้งอาจเรียกว่า “วงจรกรองผ่านความถี่แบบ maximally flat หรือ วงจรกรองผ่านความถี่แบบ flat – flat” ทั้งนี้เนื่องมาจากว่าวงจรกรองผ่าน ประเภทนี้จะให้ผลตอบสนองทางความถี่ใกล้เคียงกับในทางทษฤฏีมากที่สุดเมื่อ อัตราการเปลี่ยนแปลงช่วงความถี่สูง (ความชัน) มีค่าสูงขึ้นดังรูปที่ 4.2 ซึ่งแสดงผลตอบสนองทางความถี่ของวงจรกรองผ่านความถี่ต่ำทั้งสามแบบ โดยที่กราฟเส้นทึบแทนถึงผลตอบสนองในทางทฤษฏีแลกราฟเส้นประจะแทนถึงผลตอบสนอง ที่ได้จากวงจรในทางปฏิบัติ

รูป ที่ 4.2 ผลตอบสนองทางความถี่ ของวงจรกรองความถี่ต่ำแบบบัทเทอร์เวิรธ์ท

4.3 วงจรกรองผ่านความถี่สูง (High – pass Filter)
วงจรกรองผ่านความถี่สูงเป็นวงจรกรองผ่านซึ่งทำหน้าที่ลดทอน ขนาดของสัญญาณเอาท์พุทตั้งแต่ความถี่ในช่วง dc จนถึงความถี่ตัด f_c และ เมื่อสัญญาณอินพุทมีค่าความถี่มากกว่า f_c แล้ว สัญญาณเอาท์พุทของวงจรจะมีขนาดคงที่เท่ากับ 1 หรือ 0 dB จากการทำงานของวงจรกรองผ่านความถี่จะเห็นว่าคุณลักษณะใน การทำงานตรงกันข้ามกับวงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ ซึ่งผลตอบสนองทางความถี่ของวงจรกรองผ่านความถี่สูงแบบบัทเทอร์เวอธ์ททั้งสาม แบบแสดงดังรูปที่ 4.3 นอกจากนี้โครงสร้างและการออกแบบวงจรกรองผ่านความถี่สูง มีหลักการเหมือนกับวงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ เพียงแต่จะแตกต่างกันตรงตำแหน่งการต่อ R และ C ในวงจรซึ่งสลับตำแหน่งกันเท่านั้น

รูป ที่ 4.3 ผลตอบสนองทางความถี่ ของวงจรกรองผ่านความถี่สูงแบบบัทเทอร์เวอธ์ท

4.4 วงจรกรองผ่านแถบความถี่ (Band – pass Filter)
วงจรกรองผ่านแถบความถี่ หรือวงจรเลือกความถี่ (frequency selector) มีคุณลักษณะในการทำงานคือ จะยอมให้สัญญาณอินพุทซึ่งมีความถี่ตามที่กำหนดผ่านวงจรไปได้ ส่วนสัญญาณอินพุทซึ่งมีความถี่นอกเหนือจากที่กำหนดจะถูกลดทอนหรือไม่ยอมให้ สัญญาณผ่านวงจรไปได้ ซึ่งผลตอบสนองทางความถี่แบบนอร์แมลไลซ์ (normalize) ของวงจรกรอง ผ่านแถบความถี่แสดงดังรูปที่ 4.4 จะเห็นว่าอัตราขยายสัญญาณสูงสุด ของวงจร (มีค่าเท่ากับ 1 หรือ 0 dB) เกิดขึ้นที่ความถี่เรโซ แนนท์ f_r (resonant frequency) และตำแหน่งความถี่ต่ำกว่าความถี่ เรโซแนนซ์ลงมาที่ทำให้อัตราขยายสัญญาณของวงจรตกลงเหลือเท่ากับ 0.707 นั้นจะเรียกค่าความถี่นี้ว่า “ความถี่ตัดต้านต่ำ f_L (low – cutoff frequency)” และค่า ความถี่สูงกว่าความถี่เรโซแนนซ์ที่ทำให้อัตราขยายสัญญาณมีค่าเท่ากับ 0.707 จะเรียกว่า “ความถี่ ตัดด้านสูง f_H (high – cutoff frequency)

รูป ที่ 4.4 : ผลตอบสนองทางความถี่ ของวงจรกรองผ่านแถบความถี่ที่มีอัตราการขยายสูงสุด ณ. ความถี่
เรโซแนนท์

บท ที่ 5  การคูณสัญญาณ อนาล็อก

การคูณสัญญาณอนาลอก

(Analog Multiplication)

การคูณสัญญาณอนาลอก (Analog multiplication) เป็นองค์ประกอบพื้นฐานหลักที่สำคัญองค์ประกอบหนึ่ง ในระบบการประมวลผลสัญญาณอนาลอกทั่วไป การนำวงจรคูณสัญญาณไปประยุกต์ใช้ในงานที่สำคัญมากมายเช่น

• การคูณสัญญาณสอง ชุด
• การวัดกำลังงาน ไฟฟ้า
• การเลื่อนความถี่ และการทวีความถี่เป็นสองเท่า
• การตรวจวัดมุมต่าง เฟสของสัญญาณสองชุดที่มีความถี่เดียวกัน
• การหารสัญญาณ
• การถอดรากที่สอง สัญญาณ
• การยกกำลังสอง สัญญาณ
• การออกแบบวงจรปรับ แต่สัญญาณแบบไม่เป็นเชิงเส้น
• การมอดูเลทและดีมอ ดูเลทขนาดสัญญาณ เป็นต้น

วงจรคูณสัญญาณสามารถออกแบบโดยใช้ลักษณะการต่อออปแอมป์ทำงาน ร่วมกับองค์ประกอบทางคณิตศาสตร์อื่นและบรรจุลงในชิพไอซีเดียวกัน ซึ่งในบทนี้จะใช้ไอซีวงจรคูณเบอร์ AD633 จากบริษัท Analog Devices เพื่อเป็นตัวอย่างประกอบในการอธิบายคุณสมบัติและหลักการทำ งานของการคูณสัญญาณอนาลอก ตลอดจนการประยุกต์ใช้งานของวงจรคูณอีกด้วย AD633 เป็น วงจรคูณสัญญาณอนาลอก ตลอดจนการประยุกต์ใช้งานของวงจรคูณอีกด้วย AD633 เป็น วงจรคูณสัญญาณอนาลอกที่ควอดแดรนท์ (quadrant) โดยให้แรงพันเอาท์พุทของวงจรเป็นสัดส่วน ไปตามผลคูณของแรงดันอินพุทสองชุด คือ อินพุท x และ y มีค่า อินพุทอิมพีแดนซ์สูงมากแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงที่ใช้อยู่ในช่วง ± 8 V ถึง ± 18 V สามารถ ปรับแต่วงจรได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์จากภายนอก รายละเอียดภายในวงจรและการวางตำแหน่งขาของ AD633 แสดง ได้ดังรูปที่ 5.1ถึงแม้ว่าในบทนี้จะอธิบายหลักการคูณสัญญาณอนาลอกและการ ประยุกต์ใช้งานโดยใช้ไอซีเบอร์ AD633 เป็นอุปกรณ์หลัก แต่อย่างไรก็ตามหากใช้วงจรคูณสัญญาณที่เป็นไอซีเบอร์อื่น หลักการต่าง ๆ ตลอดจนการนำไปประยุกต์งานก็ยังคงเหมือนเดิมไม่แตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับรายละเอียดปลีกย่อยของไอซีเบอร์นั้น ๆ เท่านั้น

5.1  การหารสัญญาณอนาลอก (Analog Division)
วงจรหารสัญญาณอนาลอกเป็นวงจรที่มีความสัมพันธ์ของ สัญยาณเอาท์พุทของวงจรเป็นอัตราส่วนของสัญญาณอินพุทที่ป้อนให้กับวงจรวงจร หารสัญญาณประกอบด้วยวงจรคูณที่ต่อเป็นส่วนป้อนกลับของออปแอมป์ และด้วยคุณสมบัติทางขาอินพุทของออปแอมป์ จึงทำให้กระแส 1 ที่ไหลผ่าน R₁ และ R₂ เป็นกระแสเดียวกัน มีค่าเท่ากับ

I = V_{in /} R₁

เนื่องจาก R₁ = R₂ ดังนั้นจึงทำให้แรงดันเอาท์พุทของวงจรคูณ V_w มีค่าเท่ากับ V_w = - V_inและจากสัมพันธ์ของแรงดันเอาท์พุทของวงจรคูณจากสมการ จะได้

V_w = - V_in = V_xV_out /10
จัดสมการใหม่เพื่อหาค่าแรงดันเอาท์พุท ของวงจรหารสัญญาณ V_out ทำ ให้ได้

V_out = - 10V_{in /} V_x

สมการแสดงให้เห็นว่าแรงดันเอาท์พุทของวงจรมีค่า เท่ากับอัตราส่วนระหว่างแรงดันอินพุท V_in กับแรงดันควบคุมจากภายนอก V_x โดย ที่ V_x ไม่ควรมีค่าเป็น 0 หรือมีค่าเป็นลบ ทั้งนี้เนื่องจากจะทำให้ออปแอมป์เข้าสู่สภาวะอิ่มตัว ขณะที่ค่า V_in นั้นสามารถเป็นไปได้ทั้ง ค่าบวก ค่าลบ และ 0 V นอกจากนี้เมื่อพิจารณาอัตราขยายแรง ดันของวงจรหารสัญญาณนี้พบว่ามีค่าเท่ากับ (10/V_x) และหาทำการแปรค่า V_x ก็จะทำให้อัตราขยายแรงดันของวงจรเปลี่ยนแปลงไปด้วย ซึ่งเป็นลักษณะของวงจรที่มีการควบคุมอัตราขยายสัญญาณด้วยแรงดันควบคุมจากภาย นอก ดังนั้นวงจรหารสัญญาณจึงนิยมนำไปประยุกต์ใช้งานในวงจรควบคุมอัตราขยายแบบ อัตโนมัติ (automatic gain – contro

5.2  การมอดูเลท (Modulation)
เนื่องจากว่า สัญญาณเสียง (audio signal) หรือสัญญาณข้อมูล (data signal) ต่างๆ ที่มีความถี่ต่ำจะไม่สามารถส่งกระจายสัญญาณออกไปโดยใช้เสาอากาศที่มีขนาด เล็กได้ และเพื่อให้สามารถทำการส่งสัญญาณเสียงที่มีความถี่ต่ำได้ จึงจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลง (changing) หรือ การมอดูเลท (modulating) คุณสมบัติของสัญญาณพาหะ (carrier signal) ที่มีความถี่สูงกว่า การมอดูเลทเพื่อทำให้คุณสมบัติของสัญญาณพาหะมีการเปลี่ยนแปลงนั้นสามารถ กระทำได้หลายลักษณะดังนี้คือ

• หากทำการเปลี่ยน แปลงขนาดสัญญาณของสัญญาณพาหะให้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับสัญญารเสียง กระบวนการมอดูเลทในลักษณะนี้จะเรียกว่า “การมอดูเลทขนาดสัญญาณ (Amplitude Modulation)” หรือเรียกสั้น ๆ ว่า “AM”
• หากทำการเปลี่ยน แปลงค่าความถี่ของสัญญาณพาหะให้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับสัญญาณเสียงแล้ว การมอดูเลทลักษณะนี้เรียกว่า “การมอดูเลทความ ถี่ (Frequency Modulation)” หรือเรียกสั้น ๆ ว่า “FM”
• หากทำการเปลี่ยน แปลงค่ามุมเฟสของสัญญาณพาหะให้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับสัญญาณเสียงแล้ว การมอดูเลทลักษณะนี้เรียกว่า "การมอดูเลทมุมเฟส (Phase – angle Modulation)” หรือเรียกสั้น ๆ ว่า “PM”

หลังจากทำการมอดูเล ทสัญญาณและส่งไปให้กับสถานีปลายทางเป็นที่เรียบร้อยแล้ว ณ ที่สถานีปลายทางก็จำเป็นจะต้องทำการแปลงสัญญาณข้อมูลที่ได้รับให้กลับมาเป็น สัญญาณต้นฉบับแบบเดิม ซึ่งกระบวนการในขั้นตอนนี้จะเรียกว่า “การดี มอดูเลท (Demodulation หรือ Detection)”อย่างไรก็ตามในหัว ข้อนี้จะขอกล่าวเน้นเพียงการมอดูเลทขนาดสัญญาณโดยใช้วงจรคูณสัญญาณเป็นหลัก เท่านั้น เพื่อให้เกิดแนวความคิดและแสดงให้เห็นถึงแนวทางในการประยุกต์ใช้งานของหลัก การคูณสัญญาณอีกแนวทางหนึ่งนั่นเอง(หมายเหตุ : คำว่า , “มอดูเลท” หรือ "Modulate” เป็นคำศัพท์ที่มาจากภาษากรีกโบราณ มีความหมายว่า การเปลี่ยนแปลง (Change) และในความหมรายกลับกัน คำว่า “ดีมอดูเลท” หรือ “Demodulate” ซึ่งเกิดจากการเติม “de” ลงไปนำหน้า "modulate” ทำ ให้มีความหมายว่าการแปลงกลับ (Change – back) นั่นเอง)

5.3  การดีมอดูเลทสัญญาณมอดูเลทสมดุลย์(Demodulating a Balanced Voltage)

สัญญาณมอดูเลท V_m จาก วงจรมอดูเลทสมดุลย์สามารถแปลงกลับให้เหมือนเดิมได้ด้วยเทคนิคเช่นเดียวกับ ที่นำเสนอ เพียงแต่แตกต่างกันตรงที่อินพุท y ของวงจรดี มอดูเลทในกรณีนี้จะปราศจากความถี่พาหะ f_c = 10 kHz และเป็นผลให้องค์ประกอบไฟตรงกับ องค์ประกอบความถี่ 20 kHz ไม่ปรากฏในแรงดันเอาท์พุท V_o2 ของวงจรดีมอดูเลท แสดงถึงราย ละเอียดของวงจรและรูปคลื่นสัญญาณในวงจรดีมอดูเลทสัญญาณมอดูเลทสมดุยล์สังเกต ได้ว่าสัญญาณดีมอดูเลท V_m ที่ได้จากวงจรมีลักษณะเป็นสัญญาณรูปคลื่น ซายน์ไม่แท้จริงมีความผิดเพี้ยนเกิดขึ้นที่เป็ฯเช่นนี้ก็เนื่องจากวงจรกรอง ความถี่ที่ใช้นั้นเป็นวงจรพื้นฐานมีสมรรถนะไม่ค่อยสูงนัก แต่ถ้าหากทำการเพิ่มค่าความถี่พาหะ f_c ขึ้น เป็น 100kHz แล้วสัญญาณดีมอดูเลท V_m ที่ ได้จะมีลักษณะใกล้เคียงกับสัญญาณรูปคลื่นซายน์มากขึ้นตามไปด้วย

5.4  การเลื่อนความถี่ (Frequency Shifting)

ในระบบสื่อสารสัญญาณความถี่ทั่ว ๆ ไปบ่อยครั้งนักที่จำเป็นจะต้องมีการแปรค่าหรือเลื่อนค่าตำแหน่งความถี่พาหะ f_c เพื่อให้ได้ตำแหน่งความถี่กลาง f_IF (Intermediate Frequency) ตามที่ต้องการ ซึ่งเทคนิคในการเลื่อนตำแหน่งความถี่นี้สามารถทำได้โดยใช้วงจรคูณสัญญาณต่อ เป็นวงจรเลื่อนความถี่ดังรูปที่ 5.18 (ก) สัญญาณจากวงจรมอดูเลท (Modulated carrier signal) จะถูกป้อนเข้าที่อินพุท y และ สัญญาณความถี่ f_o จากวงจรออสซิลเตอรฺที่ปรับให้มีค่าเท่ากับผลรวมของความถี่ พาหะ f_c กับค่าความถี่กลาง f_IF ที่ ต้องการ จะป้อนเข้าที่อินพุท x ของวงจรคูณ ขั้นตอนในการคำนวณหาค่าความถี่เอาท์พุทขอวงจรคูณ

บท ที่ 6 การแปลงสัญญาณ ดิจิตอลเป็นสัญญาณอนาลอก และการแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล

การ แปลงสัญญาณดิจิตอลเป็นสัญญาณอนาลอก และการแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิตอล(Digital – to Analog and Analog – to – Digital Converters)

ในโลกของเรานี้ปริมาณทางฟิสิกส์ต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นอุณหภูมิ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสง สี เสียง หรือแม้กระทั้งสัญญาณทางไฟฟ้าไม่ว่าจะเป็น แรงดันไฟฟ้า หรือกระแสไฟฟ้า ก็ตาม สัญญาณต่าง ๆ เหล่านี้จัดว่าเป็นสัญญาณเชิงอุปมาน หรือสัญญาณ อนาลอก (Analog signal) ซึ่งมีลักษณะเป็นสัญญาณที่ มีความต่อเนื่อง และมีการเปลี่ยนแปลงค่าตลอด ทำให้ระบบหรือกระบวนการควบคุมค่าที่เกี่ยวข้องกับปริมาณทางฟิสิกส์ทั้งหมด มีการประมวลผลสัญญาณในรูปแบบของสัญญาณอนาลอก (analog signal processing) แต่ในปัจจุบันด้วยความเจริญรุดหน้าของ เทคโนโลยีทางด้านคอมพิวเตอร์ ทำให้คอมพิวเตอร์ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญในทุก ๆ ด้าน ซึ่งพบว่าคอมพิวเตอร์ถูกนำไปใช้เป็นุปกรณ์หักที่สำคัญในระบบ อุปกรณ์และเครื่องมือเครื่องใช้ต่าง ๆ มากมาย แต่เนื่องจากกระบวนการคำนวณและประมวลผลต่าง ๆ ของคอมพิวเตอร์อาศัยพื้นฐานของเลขฐานสอง (binary code) ซึ่งเป็นรูปแบบของสัญญาณเชิงเลข หรือสัญญาณดิจิตอล (Digital signal) ที่มีสภาวะของ สัญญาณอยู่สองสภาวะ คือ สภาวะสูง (high) มีโลจิกเท่ากับ “1” และ สภาวะต่ำ (low) มีโลจิกเท่ากับ “0” จึงทำให้คอมพิวเตอร์มีการประมวลผลสัญญาณในรูปแบบของสัญญาณ ดิจิตอล (digital signal processing) ดังนั้นในระบบการวัดหรือกระบวนการควบ คุมค่าซึ่งมีตัวแปรเป็นปริมาณทางฟิสิกส์ต่าง ๆ ที่ใช้คอมพิวเตอร์เป็นส่วนประมวลผลกลาง ควบคุม และตัดสินใจ จึงจำเป็นต้องมีองค์ประกอบสำคัญซึ่งทำหน้าที่เป็นส่วนเชื่อมต่อให้สัญญาณอนา ลอกกับสัญญาณดิจิตอลสามารถสื่อสารกันได้หรือทำหน้าที่เป็นส่วนแปลงสัญญาณระ หว่างสัญญาณอนาลอก กับสัญญาณดิจิตอล เพื่อให้สามารผ่านข้อมูลไปยังหน่วยประมวลผลส่วนอื่นของระบบได้

ในบทนี้จึงเป็นการกล่าวถึงหลักการทำงาน เทคนิคพื้นฐาน ตลอดจนตัวอย่างวงจรสำหรับใช้ในการแปลงสัญญาณดิจิตอลให้เป็นสัญญาณอนาลอก (Digital – to – Analog Converter) หรือ “DAC” และวงจรสำหรับการแปลงสัญญาณอนาลอกให้เป็นสัญญาณดิจิตอล (Analog – to – Digital Converter) หรือ “ADC”

6.1  กระบวนการแปลงสัญญาณอนาลอกให้เป็นสัญญาณดิจิตอล

จากที่ได้ กล่าวถึงคุณสมบัติโดยทั่วไปของ ADC กันมาบ้างแล้ว ดังนั้นในหัวข้อนี้จะได้กล่าวถึงรายละเอียดการทำงานของ ADC แบบต่าง ๆ ในที่นี้ชนิดของ ADC สามารถแบ่งออกได้ตามช่วงเวลา ที่ใช้ในการแปลงสัญญาณได้เป็น 3 ชนิดใหญ่ ๆ ดังนี้คือ

1. แบบ Dual – slope integrating ADC โดยวิธีนี้จะใช้เวลา ในการแปลงสัญญาณประมาณ 300 ms (มิลลิวินาที)

2. แบบประมาณ ค่าด้วยวิธีซัคเซสซีฟ (Successive approximation AC) วิธีนี้ใช้เวลาในการแปลงสัญญาณค่อนข้าง รวดเร็วในหน่วยของ m s (ไมโครวินาที) นิยมใช้ในการประมวลผลสัญญาณเสียงดิจิตอล (digitize audio signal)

3. แบบเฟลซ (Flash ADC) หรือแบบขนาน (Parallel ADC) เป็นแบบที่ใช้เวลาน้อยที่สุด แต่ก็มีราคาแพงมากที่สุดเช่นกัน มักใช้ในการประมวลผลสัญญาณวีดีโอดิจิตอล (digitize video signal)

6.2  เฟสศูนย์อัตโนมัติ (Auto – Zero ,T_Z)

เมื่อเริ่มต้นการทำงานในเฟสที่สามหรือเฟสสุดท้าย ของการแปลงสัญญาณ (T_Z) วงจรโลจิกควบคุมจะควบคุมให้สวิตซ์อนาลอกต่อเข้ากับส่วน ของวงจร “Auto – zero” เพื่อทำการประจุให้กับตัวเก็บประจุ C_AZ (auto – zero capacitor) ซึ่งอยู่ภายในวงจร (ไม่ได้แสดงไว้ในรูป) C_AZ จะถูกต่อคร่อม กับ C_int ของวง จรอินทิเกรเตอร์และวงจรเปรียบเทียบสัญญาณ และถูกประจุให้แรงดันตกคร่อมตัวมันมีค่าประมาณแรงดันคลาดเคลื่อนเฉลี่ย (average error voltage) ซึ่งเกิดจากวงจรอินทิเกรเตอร์และผลของแรงดัน ออฟเซต (offset voltage) ซึ่งเกิดจากวงจรเปรียบเทียบสัญญาณ ดังนั้นหลังจากช่วงเวลา T₁ และ T₂ ผ่านพ้นไปแล้ว ค่าแรงดันคลาดเคลื่อนซึ่งประจุไว้ใน C_AZ จึง ถูกต่อเข้ากับวงจรเพื่อหักล้างผลของแรงดันคลาดเคลื่อนที่สะสมไว้ใน C_REF ทำให้สัญญาณจาก ADC มีค่าเป็นศูนย์อย่างอัตโนมัติในทุก ๆ ครั้งหลังจากการแปลงสัญญาณเสร็จสิ้นลง

6.3  วงจรสุ่มและ คงค่าสัญญาณ (Sample and Hold Circuit)

วงจรสุ่มและคง ค่าสัญญาณ ดังรูปที่ 6.18 ประกอบด้วยออปแอมป์จำนวน 2 ตัว ตัวเก็บประจุ C1 (hold capacitor) และสวิตซ์อนาลอก (analog switch) แต่ เนื่องจากรายละเอียดตลอดจนคุณสมบัติในการทำงานของวงจรนั้นได้อธิบายมาแล้ว ก่อนหน้านี้ในบทที่ 3 เรื่องการประมวลผลสัญญาณอนาลอกไม่เป็นเชิงเส้น ดังในหัวข้อนี้จึงขอกล่าวเพียงหลักการนำมาใช้งานร่วมกับ ADC

วงจรสุ่มและคง ค่าสัญญาณ จะเป็นส่วนวงจรซึ่งต่ออยู่ระหว่างสัญญาณอินพุทอนาลอก Vin กับ อินพุทของ ADC โดย มีหน้าที่สุ่มค่าแรงดันอนาลอกอินพุท Vin และทำการคงค่านั้นไว้เพื่อให้ ADC นำค่าแรงดันดิน
พุทแรงดันดังกล่าวไปแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิตอลทางด้าน เอาท์พุทของวงจรต่อไป

1. ออปแอมป์มี กี่ขา
ก. 1
ข. 2
ค. 3
ง. 4

2. คืออะไร
ก. อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์,
ข. ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์,
ค. ความต้านทานเอาท์พุตมีค่าเป็นศูนย์,
ง. ผลตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่
3. คืออะไร
ก. อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์,
ข. ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์,
ต. ความต้านทานเอาท์พุตมีค่าเป็นศูนย์,
ง. ผลตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่
4. คืออะไร
ก. อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์,
ข. ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์,
ค. ความต้านทานเอาท์พุตมีค่าเป็นศูนย์,
ง. ผลตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่
5. คืออะไร
ก. อัตราขยายวงเปิดมีค่าเป็นอนันต์,
ข. ความต้านทานอินพุตมีค่าเป็นอนันต์,
ค. ความต้านทานเอาท์พุตมีค่าเป็นศูนย์,
ง. ผลตอบสนองความถี่ได้ตั้งแต่

6. V_out(0) คือ
ก. ค่าของแรงดันเอาท์พุท
ข. ค่าของแรงดันเอาท์พุทเป็น 0
ค. ค่าของแรงดันเอาท์พุทที่เวลาt=0
ง. ค่าของแรงดันเอาท์พุท ไม่เท่ากับ 0
7.  ออปแอมป์มีขั้วอะไรบ้าง
ก. ขั้วอินพุตบวก ขั้วอินพุตลบขั้วเอาท์พุตลบ
ข. ขั้วอินพุตบวกขั้วอินพุตลบขั้วเอาท์พุตบวก
ค. ขั้วอินพุตบวกขั้วอินพุตลบขั้วเอาท์พุตขั้วกราวด์
ง. ขั้ว อินพุตบวกขั้วอินพุตลบขั้วเอาท์พุตขั้วแรงดันไฟเลี้ยง

8.ขั้วใดไม่มีในรูป

ก. ขั้วแรงดันไฟเลี้ยงบวกและลบ
ข. ขั้วเอาท์พุต
ค. ขั้วอินพุตลบ
ง. ขั้วอินพุตบวก

กำหนดให้ Ri = 10k ,Rf = 1010k ,Vin = 1V ให้ตอบคำถามข้อ 9
9.จากวงจรจงหา IRI
ก.  2mA
ข.  6ma
ค. 0.1mA
ง.  0.5mA
10. อินพุทซึ่งมีค่าคงที่ขึ้นกับค่าของ R และ C มีหน่วยเป็น
ก.  -1sec
ข.  -2sec
ค.  -3sec
ง.   1sec

1. วงจรเปลี่ยน กระแสเป็นแรงดัน เรียกอีกอย่างว่า
ก. วงจร I – V1
ข. วงจร I – V 2
ค. วงจร I – V3
ง. วงจร I – V
2. อุปกรณ์ตรวจวัดความเข้มแสง มีชื่ออีกอย่างว่า
ก.  (photodetector)
ข.  (photodiode)
ค.   (photodemod)
ง.   (picturediode)
3. วงจรจ่ายกระแสคงที่มีค่าแปรผันตรงกับแรงดันอินพุทด้วย สัดส่วนเท่ากับ
ก.  1/V
ข.  1/R
ต.  1/I
ง.  1/Vin

4. CCVS) ย่อมาจาก
ก.  current–controlledvoltagesun
ข.  current–controlledvoltageswitch
ค.  current–controlledvoltagesource
ง.   current–controlledvoltagesuper
5. photodetector คืออะไร
ก. เซ็นเซอร์
ข. ไอซี
ค. ไดโอด
ง. ทรานสดิวเซอร์

6. วงจรขยายความเข้มแสงในรูปที่ 2.2 (ข) ถ้า R_f = 100 kW และ แสงที่ตกกระทบโฟโตไดโอดทำให้กระแสเปลี่ยนเป็น 1 m A และ 50 m A  ตามลำดับ โดยที่แรงดันเอาท์พุทของวงจรเท่ากับ V_out = - R_f . I_s ดังนั้นที่กระแส 1 m A จะได้
ก.   -0.2V
ข.  -0.5V
ค.  -0.1V
ง.   -0.6V
7.  และที่กระแส 50 m A จะ ได้
ก.   -2.0V  
ข.   -3.0V 
ค.   -4.0V
ง.    -5.0V
8. V_out = A.I_in โดยที่ A คือ
ก. คืออัตราขยาย(gain)
ข. คืออัตราเร่ง
ค. คืออัตราการทวี
ง. คืออัตราการลดทอน
9. V_out = A.I_{in  มี น่วยเป็น}
ก.  A
ข.  ma
ค. ohm,W
ง.  Mohm

10. วงจรขยายความเข้มแสงถ้า R_f = 100 kW และ แสงที่ตกกระทบโฟโตไดโอดทำให้กระแสเปลี่ยนเป็น 1 m A และ 50 m A  ตามลำดับ โดยที่แรงดันเอาท์พุทของวงจรเท่ากับ V_out = - R_f . I_s ดังนั้นที่กระแส 1 m A จะได้
ก.  -0.1V
ข.  -25V
ค.  -35V
ง.  -150V

1. FET คือ
ก.  Field–EffectTranducer
ข.  Fues–EffectTransistor
ค.  Fly–EffectTransistor
ง.  Field–EffectTransistor
2. BJT คือ
ก.  BipolarJunctionTransistor
ข.  BipolarJunctionTranducer
ค.  BipolarJunctionTririster
ง.   BinopolarJunctionTransistor
3. T คือค่าอุณหภูมิในหน่วยองศาใด
ก. องศา
ข. เคลวิน
ค. ฟาเรนไฮด์
ง. เซลเซียส

4. ที่อุณหภูมิห้อง 25° C จะได้แรง ดันเอาท์พุทจาก LM335 มีค่าเท่ากับ
ก.  3.982V
ข.  2.984V
ค.  2.982V
ง.   2.682V
5. วงจรชมิททริกเกอร์ สามารถแบ่งออกได้เป็น
ก. 6รูปแบบ
ข. 1รูปแบบ
ค. 2รูปแบบ
ง. 3รูปแบบ

6. วงจร เปรียบเทียบแรงดัน เมื่อทำงานจะเปลี่ยนกี่สภาวะ
ก.   3
ข.  1
ค.  2
ง.   4
7.  การต่อวงจรแบบไม่มีการป้อนกลับออปแอมป์จะมีผลอย่างไร
ก. ช็อต
ข. หยุดทำงาน
ค. ทำงานปกติ
ง. อิ่มตัว
8. แรงดันเอาท์พุทของวงจรเปรียบเทียบแรงดัน LM311 หรือ LM339 จะมีสภาวะเป็น V_OL (low) ซึ่งในที่นี้มีค่าประมาณ 0 V ทำ ให้ทรานซิสเตอร์ LM395
ก. ไม่นำกระแส
ข. นำกระแส
ค. หยุดทำงาน
ง. ทำงานปกติ
9. วงจรจำกัดสัญญาณทำหน้าที่
ก. ตัดสัญญาณที่ไม่ต้องการ
ข. เพิ่มสัญญาณที่ต้องการ
ค. จำกัดสัญญาณให้อยู่ระดับที่กำหนด
ง. ถูกทุกข้อ

10. (VT < V_R2)  คือ
ก. อุณหภูมิของระบบค่อยๆลดลงจนมีค่าต่ำ กว่าค่าที่ตั้งไว้
ข. อุณหภูมิของออปแอมป์ค่อยๆลดลงจนมีค่าต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้
ค. โวลท์ของระบบค่อยๆลดลงจนมีค่าต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้
ง. เอาท์พุทของระบบค่อยๆลดลงจนมีค่าต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้

1. วงจรกรองผ่าน ความถี่สามารถออกแบบและสังเคราะห์ขึ้นได้ กี่ลักษณะ
ก.   6ลักษณะ
ข.   5ลักษณะ
ค.   4ลักษณะ
ง.   2ลักษณะ
2. วงจรกรองผ่านความถี่ สามารถแบ่งออกเป็นชนิดใหญ่ ๆ ได้ กี่ชนิด
ก.  4ชนิด
ข.  1ชนิด
ค.  3ชนิด
ง.   5ชนิด
3. เมื่อสัญญาณอินพุทมีค่าความถี่มากกว่า f_c แล้ว สัญญาณเอาท์พุทของวงจรจะมีขนาดคงที่เท่ากับ
ก.  1หรือ -1dB
ข.  1หรือ0dB
ต.  1หรือ2dB
ง.  1หรือ3dB

4. ตำแหน่งความถี่ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ลงมาที่ทำให้ อัตราขยายสัญญาณของวงจรตกลงเหลือเท่ากับเท่าใด
ก.  3.66
ข.  1.5
ค.  0.707
ง.   2.9
5. มุมเฟส (phase angle) เท่ากับ เท่าไร
ก. -180องศา
ข. -90องศา
ค. -15องศา
ง. -45องศา

6. การออกแบบวงจรกรองผ่านความถี่สูงมีหลักการ เหมือนกับวงจรกรองผ่านความถี่ต่ำ เพียงแต่จะแตกต่างกันที่ใด
ก. ตรงค่าของc
ข. ตรงตำแหน่งการต่อdiodeในวงจร
ค. ตรงตำแหน่ง การต่อRและCในวงจรซึ่งสลับ ตำแหน่งกัน
ง. ตรงค่าของR
7.  f_L (low – cutoff frequency) คือ
ก. ความถี่ตัดต้าน กลาง
ข. ความถี่ตัดต้านสูง
ค. ความถี่รวม
ง. ความถี่ตัดต้านต่ำ
8. f_H (high – cutoff frequency) คือ
ก. ความถี่ตัดด้านสูง
ข. ความถี่รวม
ค. ความถี่ตัดต้านกลาง
ง. ความถี่ตัดต้านต่ำ
9. A_CL คือ
ก. อัตราขยายแรงดันลูปเปิด
ข. อัตราขยายกระแส
ค. อัตราขยายแรงดันลูปปิด
ง. อัตราขยายแรงดันเอาท์พุท

10. จากวงจรจงหา Vo ถ้า Vi = -0.3V
ก.  -9.3V
ข.  -9V
ค.  -19V
ง.   -0.9V

1. V_x คือ
ก. แรงดันไม่ควบคุมจากภายนอก
ข. แรงดันทั้งหมด
ค. แรงดันควบคุมจากภายใน
ง. แรงดันควบคุมจากภายนอก
2. V_m คือ
ก. สัญญาณมอดูเลท
ข. สัญญาณดีมอดูเลท
ค. สัญญาณเอาท์พุท
ง. สัญญาณอินพุท

3. f_{IF คือ}
ก. ค่าความถี่ต่ำ
ข. ค่าความถี่กลาง
ต. ค่าความถี่รวม
ง. ค่าความถี่บนสุด

4.จากวงจร Vo มีค่าเท่าใด
ก.  -18.85V
ข.  -18.27V
ค.  -18.75V
ง.    19.99V

5. จากวงจรจงหา Vo ถ้า Vi = 0.5 V
ก. -0.55V
ข. -0.50V
ค. -0.52V
ง. -0.5V

6.  จากวงจรจงหา Vo ถ้า Vi = -0.3V
ก.  -9.63V
ข.  -9.53V
ค. -9.3V
ง.  -9.4V
7. วงจรดีมอดูเลทในกรณีนี้จะปราศจากความถี่พาหะ f_c = ?
ก.   20kHz
ข.   30kHz
ค.  40kHz
ง.   10kHz
8. ค่าความถี่กลาง f_IF ที่ ต้องการ จะป้อนเข้าที่อินพุทใดของวงจร
ก. X
ข.  Y
ค. Z 
ง. F

9. จากวงจรจงหา Vi ถ้า Vo = 2V
ก.  20mV
ข.  30mV
ค.  40mV
ง.   50mV

10. ในบทนี้จะ ใช้ไอซีวงจรคูณเบอร์ อะไร
ก. AD633
ข.  AD644
ค.  AD655
ง.   AD666

1. รูปแบบของ สัญญาณเชิงเลข หรือสัญญาณดิจิตอล (Digital signal) มี สภาวะของสัญญาณอยู่กี่สภาวะ
ก. 5
ข. 4
ค. 3
ง. 2
2.ADC สามารถแบ่งออกได้ตามช่วงเวลาที่ใช้ในการแปลงสัญญาณ ได้เป็นกี่ชนิด
ก.  3
ข.  4
ค.  5
ง.   6

กำหนดให้ Ri = 10k ,Rf = 1010k ,Vin = 1V ให้ตอบคำถามข้อ 3-5

3. จากวงจรจงหา IRI
ก.  0.21mA
ข.  0.1mA
ต.  0.11mA
ง.  0.16mA

4.จากวงจรจงหา Vout
ก.  -10V
ข.  -1.10V
ค. -110V
ง.  -20V

5. จากวงจรจงหา ACL
ก. -55
ข. -9
ค. -8
ง.  -10

จากรูปที่ 1 ถ้ากำหนดให้ Ri = 10 k ,Rf = 250k ,Vin = -0.5V ให้ตอบคำถามข้อ 6-10

6.  จากวงจร จงหา IRI
ก.  -5mA
ข.   56mA
ค.  42mA
ง.  -50mA
7. จากวงจรจงหา Rf
ก.  6V
ข.   125V
ค.   14.2V
ง.    12.5V
8. จากวงจรจงหา Vout  
ก. 12.5V
ข. 13.5V
ค. 42.5V
ง. 15.5V

9. จากวงจรจงหา RL กระแสโหลด IL = 2mA
ก.  6.55k
ข.  4.25k
ค.  6.25k
ง.  16.25k

10. ค.ต.ท ของวงจร Rin
ก. 10k
ข.  100k
ค.  110k
ง.  120k