บทที่ 1
หลักการพื้นฐานระบบดิจิทัล

517 112 การออกแบบวงจรตรรกะเชิงเลข

เมื่อจบวิชานี้ นักศึกษาจะสามารถ…

เส้นทางของเรา

คะแนนมาจากไหน

จุดประสงค์ และเนื้อหาในบทนี้

1.1ความเป็นมาของอิเล็กทรอนิกส์

1.1ไทม์ไลน์การค้นพบที่สำคัญ (ตารางที่ 1.1)

1.1ข้อสังเกต 3 ประการจากไทม์ไลน์

1. ความสำเร็จมาจากการคิดค้นต่อเนื่อง — ผลงานในอดีตปูทางให้ผลงานภายหลัง
2. จากวันประดิษฐ์ถึงวันแพร่หลายใช้เวลาหลายปี: ทรานซิสเตอร์ 1947 → 1960s · ไอซี 1958 → 1970s · ไมโครโพรเซสเซอร์ 1969 → 1980s
3. เครื่องมือสมรรถนะสูง (คอมพิวเตอร์ ระบบนำวิถีจรวด) คือการผสมผสานสิ่งประดิษฐ์ในอดีต — มรดกทางปัญญาที่ต้องสานต่อ

1.2.1วิวัฒนาการของอุปกรณ์: 4 ยุค

1.2.2ทำไมอิเล็กทรอนิกส์เริ่มต้นด้วยแอนะล็อก?

1.2.2–1.2.3แนวโน้ม: แอนะล็อก ⇄ ดิจิทัล

งานแอนะล็อกล้วน (โทรศัพท์, โทรทัศน์) → แปลงเป็นดิจิทัลที่ต้นทาง ประมวลผล แล้วแปลงกลับที่ปลายทาง — สิ้นเปลืองกว่า แต่คุ้มเพราะข้อดีเหนือกว่า

1.3ปริมาณแอนะล็อก vs ดิจิทัล

แอนะล็อก = ค่าต่อเนื่อง (continuous)
อุณหภูมิ เวลา ความดัน ระยะทาง ความดังของเสียง

ดิจิทัล = ชุดค่าที่แยกเป็นชิ้น ๆ (discrete)

อุณหภูมิไม่กระโดดจาก 37 °C ไป 38 °C ทันที — เป็นฟังก์ชันต่อเนื่องตามเวลา

รูปที่ 1.1 อุณหภูมิเทียบกับเวลา — ปริมาณแอนะล็อก

1.3ค่าตัวอย่าง → ตัวแทนข้อมูลดิจิทัล

อ่านค่าอุณหภูมิทุก 1 ชั่วโมง = นำค่าตัวอย่าง (sample) มาเป็นตัวแทน

แปลงแต่ละค่าเป็นรหัสดิจิทัล (digital code) ของ 1 และ 0

เรียกว่า ตัวแทนข้อมูลทางดิจิทัล (digital representation)

รูปที่ 1.2 ค่าตัวอย่างที่ใช้แทนค่าอุณหภูมิ

ลองเอง: สุ่มค่าและเข้ารหัส

1.4ข้อได้เปรียบของดิจิทัล

ลองเอง: noise สะสม vs สร้างสัญญาณใหม่

1.4เชื่อมสองโลกด้วย ADC และ DAC

ADC Analog-to-Digital Converter
แอนะล็อก → ดิจิทัล

DAC Digital-to-Analog Converter
ดิจิทัล → แอนะล็อก

ระบบเสียงแอนะล็อก: เสียงพูด (ต่อเนื่อง) → linear amplifier ขยายให้แรงขึ้น → ขับลำโพง

รูปที่ 1.3 ระบบขยายเสียงแบบแอนะล็อก

1.4ตัวอย่าง: ระบบเล่นแผ่น CD

1.5ลักษณะของสัญญาณดิจิทัล

บิต 1 = ลอจิกหนึ่ง / HIGH · บิต 0 = ลอจิกศูนย์ / LOW

แรงดันที่แทน 0/1 เรียกว่า ระดับลอจิก (logic level) ขึ้นกับอุปกรณ์ — ส่วนใหญ่ 1 = 5 V, 0 = 0 V (บางชนิด 12 V)

VL(min)	ต่ำสุดที่ยังเป็นลอจิก 0
VL(max)	สูงสุดที่ยังเป็นลอจิก 0
VH(min)	ต่ำสุดที่เป็นลอจิก 1
VH(max)	สูงสุดที่เป็นลอจิก 1

ระหว่าง VL(max) ถึง VH(min) = ระบบตีความไม่ได้

รูปที่ 1.5 ค่าระดับแรงดันลอจิก

ลองเอง: แรงดันนี้เป็น 0 หรือ 1?

1.5ข้อมูลคงที่ vs เปลี่ยนตามเวลา

ข้อมูลคงที่: 1010 = 4 บิต มีค่า 1, 0, 1, 0 ตลอด

ข้อมูลที่เปลี่ยนตามเวลา → อธิบายด้วยไดอะแกรมเวลา (timing diagram)

เรียกสัญญาณแบบนี้ว่า รูปคลื่นดิจิทัล (digital waveform)

รูปที่ 1.6 สัญญาณดิจิทัลที่เปลี่ยนไปตามเวลา

1.6สัญญาณนาฬิกาและพัลส์

สัญญาณนาฬิกา (clock) สลับ 0↔1 ด้วยคาบเวลาแน่นอน (periodic) ใช้กระตุ้นการทำงานของระบบ

สัญญาณพัลส์ (pulse) ส่งออกมาช่วงสั้น ๆ เพื่อกระตุ้นงานบางอย่าง

• พัลส์แบบบวก 0 → 1 → 0
• พัลส์แบบลบ 1 → 0 → 1

(ก) periodic

(ข) non-periodic

(ค) พัลส์แบบบวก

(ง) พัลส์แบบลบ

1.6ความถี่ คาบเวลา และดิวตี้ไซเคิล

ลองคิดเร็ว: สัญญาณนาฬิกา 1 GHz มีคาบเวลาเท่าใด? → 1 ns

ตัวอย่างที่ 1.1

จากสัญญาณพัลส์ในรูปที่ 1.8 จงหา (ก) คาบเวลา (ข) ความถี่ (ค) ดิวตี้ไซเคิล

1.6ขอบสัญญาณ และพัลส์ที่ไม่เป็นอุดมคติ

	พัลส์แบบบวก	พัลส์แบบลบ
leading edge (t0)	rising edge	falling edge
trailing edge (t1)	falling edge	rising edge

พัลส์อุดมคติเปลี่ยนค่าทันที — ในความจริงทำไม่ได้

• rise time t_r: 10% → 90%
• fall time t_f: 90% → 10%
• pulse width t_w: วัดที่ 50% ↔ 50%

รูปที่ 1.9 พัลส์ที่ไม่เป็นอุดมคติ

ลองเอง: เครื่องกำเนิดพัลส์

1.6.1ไดอะแกรมเวลา

1.7ตัวปฏิบัติการทางตรรกะพื้นฐาน

1.7.1–1.7.3NOT · AND · OR

NOT กลับค่าเป็นตรงข้าม — เอาต์พุตเป็นนิเสธของอินพุต (เรียก อินเวอร์เตอร์)

AND เป็น HIGH เฉพาะเมื่อทุกอินพุตเป็น HIGH

OR เป็น HIGH เมื่อมีอินพุตใดเป็น HIGH · LOW เฉพาะเมื่อทุกอินพุตเป็น LOW

ลองเอง: สนามทดลองลอจิกเกต

สรุปท้ายบท

• อิเล็กทรอนิกส์ 4 ยุค: หลอดสุญญากาศ → ทรานซิสเตอร์ → ไอซี → VLSI
• แอนะล็อก = ต่อเนื่อง · ดิจิทัล = ไม่ต่อเนื่อง · เชื่อมด้วย ADC / DAC
• ดิจิทัลได้เปรียบด้านประมวลผล ส่งถ่าย จัดเก็บ และทนต่อ noise
• ระดับลอจิกกำหนดด้วยช่วง V_L และ V_H · ช่วงกลางตีความไม่ได้
• f = 1/T · ดิวตี้ไซเคิล = (t_w/T) × 100%
• NOT กลับค่า · AND = 1 เมื่อทุกอินพุตเป็น 1 · OR = 1 เมื่อมีอินพุตใดเป็น 1

เช็กความเข้าใจ

แนะนำแผงทดลองและเครื่องมือวัด