ตัวอย่างการนำความรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ไปใช้งานทางวิทยาศาสตร์การแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกให้เป็นแบบดิจิตอล

ตัวอย่างการนำความรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ไปใช้งานทางวิทยาศาสตร์การแปลงสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกให้เป็นแบบดิจิตอล

                    ในการทดลองฟิสิกส์บางเรื่องอาจต้องใช้เวลาในการเก็บข้อมูลเช่น ในการเก็บข้อมูลความเข้มของแสงอาทิตย์ที่ตกบนพื้นที่รับแสงในเวลาหนึ่งวัน หรือหนึ่งสัปดาห์หรือต้องการวัดความเร็วของลมในหนึ่งวันหรือหนึ่งสัปดาห์ ฯลฯ การเก็บข้อมูลเช่นนี้เป็นงานที่ต้องใช้เวลามากผู้ทดลองอาจต้องออกแบบการเก็บข้อมูล โดยจัดเก็บทุกนาที ทุกสามนาที หรือทุกครึ่งชั่วโมง แต่ถึงแม้ว่าจะทำอย่างไรก็ตาม ยังไม่อาจเก็บข้อมูลได้ละเอียด เพราะผู้ทดลองเองจะต้องพักผ่อนหรือต้องทำกิจกรรมอื่นและถ้าจะให้เพื่อนช่วยก็ต้องมีการแบ่งงานกันทำซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องใช้เวลามาก และถ้าต้องการเก็บข้อมูลในเวลากลางคืน ก็ยิ่งเป็นเรื่องที่ยุ่งยากขึ้นไปอีก

 

รูป 21.24 การใช้เครื่องมือวัดช่วยเก็บข้อมูลแทนคน

 

                ดังที่กล่าวมานี้ เป็นการเก็บข้อมูลที่ต้องใช้เวลานาน แต่สำหรับการทดลองบางเรื่องผลเกิดขึ้นรวดเร็วมากจนผู้ทดลอง มิอาจอ่านข้อมูลด้วยวิธีธรรมดาทัน เช่น การวัดอัตราเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆ การคายประจุของตัวเก็บประจุ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว การบันทึกข้อมูลไปพร้อมกับการอ่านข้อมูลจากเครื่องมือวัดนั้นกระทำได้ยาก หรือมิอาจกระทำได้เลย

 

รูป 21.25 กราฟการคายประจุของตัวเก็บประจุ   

 

                ในการเก็บข้อมูลดังกล่าวจึงต้องใช้เครื่องมือวัดแบบพิเศษที่สามารถทำงานได้ดี ในเวลาที่สั้นมากหรือในเวลาที่นานมาก ดังตัวอย่างที่ยกมาแล้ว การใช้คอมพิวเตอร์ร่วมกับการทดลองฟิสิกส์จึงเป็นวิธีการหนึ่งที่จะช่วยผู้ทดลองในการเก็บข้อมูล และนอกจากนี้คอมพิวเตอร์ ยังช่วยในการวิเคราะห์ แสดงภาพ หรือกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างๆ ทางกายภาพให้เราสามารถสรุปความสัมพันธ์แบบคณิตศาสตร์ได้

                โดยทั่วไปเราสามารถใช้ตัวรับรู้ วัดปริมาณทางกายภาพ ในรูปของการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้า ระหว่างสายตัวนำสองสายที่ต่อกับตัวรับรู้ สายหนึ่งจะเรียกว่าสายสัญญาณ และอีกสายเรียกว่าสายดิน (ground, GND) การเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้จากตัวรับรู้โดยทั่วไปจะเป็นแบบต่อเนื่อง คือเป็นแบบอนาลอกดังแสดงในรูป 21.26 ก

 

รูป 21.26 สัญญาณอนาลอกและสัญญาณดิจิตอล

 

                แต่การวิเคราะห์โดยคอมพิวเตอร์นั้นทำงานแบบดิจิตอล ดังรูป 21.26 ข คือมีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าของสัญญาณกับ GND เพียงสองค่าเท่านั้นคือ สูงกับต่ำ (บางรุ่นใช้ 5 โวลต์ กับ 0 โวลต์) ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอก ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า ADC (Analog digital converter) ปัจจุบันมีการออกแบบ IC ที่ทำหน้าที่เป็น ADC เช่น IC เบอร์ ADC0804, ADC0809 โดยสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกจะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล และความละเอียดของการเปลี่ยนขึ้นอยู่กับจำนวนบิด (bit) ของ ADC นั้นๆ

                                ADC       แบบ        4    บิต                    จะมีความละเอียด                  16            ชั้น

                                ADC       แบบ        8    บิต                    จะมีความละเอียด                  256          ชั้น

                                ADC       แบบ        12  บิต                    จะมีความละเอียด                  4096        ชั้น         

                                ADC       แบบ        16  บิต                    จะมีความละเอียด                  65536      ชั้น

                ตัวอย่างเช่นสัญญาณไฟฟ้าขนาดไม่เกิน 1 โวลต์ถูกเปลี่ยนโดย ADC แบบ 4 บิต จะมีความละเอียด 16 ขั้น แต่ถ้าใช้ ADC แบบ 16 บิต จะให้ความละเอียดสูงถึง 65536 ขั้น นั่นคือความถูกต้องของการเปลี่ยนแปลงจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนบิต ทำให้สัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลมีความใกล้เคียงกับสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกมากขึ้น ดังเช่น เครื่องเสียงแบบดิจิตอล CD (Compact disc) เลเซอร์ดิสก์ (LASER disc) การสื่อสารแบบดิจิตอล การส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง

รูป 21.27 แสดงชุดสาธิตการส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง

 

                สำหรับการเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล ให้กลับมาเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกนั้น สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า DAC (Digital Analog Converter) ซึ่งมีรายละเอียดคล้ายกับ ADC

                โดยสรุปเราสามารถใช้คอมพิวเตอร์เก็บข้อมูลการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ไม่เฉพาะแต่ในวิชาฟิสิกส์เท่านั้น ปริมาณทางกายภาพใดๆ ก็ตามที่สามารถเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าสามารถให้คอมพิวเตอร์เก็บข้อมูลได้ทั้งสิ้น แต่ในทางปฏิบัติจะมีรายละเอียดทางเทคนิคอีกมาก

                งานทางอิเล็กทรอนิกส์นับเป็นงานที่พัฒนามาจากความรู้ทางฟิสิกส์ของแข็งและฟิสิกส์ยุคใหม่ จนนับเป็นงานทางเทคโนโลยีด้านหนึ่ง และความรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ก็สามารถนำไปใช้กับงานทางวิทยาศาสตร์ได้ทุกแขนง ไม่ว่าจะเป็นฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา โดยเฉพาะทางด้านเครื่องมือวัด การจัดเก็บข้อมูล การวิเคราะห์ข้อมูล แสดงให้เห็นว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคโนโลยีมีความเกี่ยวพันและส่งเสริมซึ่งกันและกัน

 

แบบฝึกหัดบทที่ 21

1.  ในห้องมืดสนิท  ถ้าวางหลอดไฟซึ่งส่งแสงออกรอบตัวอย่างสม่ำเสมอห่างจาก LDR ตัวหนึ่ง เป็นระยะ 1.00 เมตร เมื่อเปิดไฟพบว่าความสว่างของแสงที่ตำแหน่ง LDR เป็น 1440 ลักซ์ และความต้านทานของ LDR ขณะนั้นเป็น 2.2 กิโลโอห์ม ต่อไปเลื่อนหลอดไฟห่างออกไปเป็นระยะห่าง (x) อื่นๆ ปรากฏว่าความต้านทานของ LDR เป็นไปดังแสดงในตารางข้างล่าง จากตารางนี้จงเขียนกราฟระหว่างความต้านทาน LDR และความสว่างของแสงที่ LDR โดยให้ความสว่างเป็นแกนนอน

ระยะห่าง (m)

ความต้านทาน [tex]\displaystyle (k\Omega )

1.0

2.20

1.5

2.65

2.0

3.20

2.5

4.47

3.0

6.02

4.0

10.72

5.0

16.60

 

 

2. การทำงานของสวิตช์อัตโนมัติ ที่การทำงานขึ้นกับความสว่าง ขณะที่ LDR ถูกแสงสว่างเต็มที่มีความต้านทาน\displaystyle 20k\Omega เมื่อดวงอาทิตย์ตกดิน ความสว่างลดลง จน LDR มีความต้านทาน \displaystyle 210k\Omega ตัวควบคุมจะเริ่มทำงาน เมื่อ \displaystyle V_A \rangle 3.5 โวลต์  ค่า R  ในวงจรควรมีค่าเท่าไร และในขณะที่ถูกแสงสว่างเต็มที่\displaystyle V_A มีค่าเท่าไร

 

3.  ตัวรับรู้ (Sensor) คืออะไร  จงให้ตัวอย่างตัวรับรู้ทางแสง  ทางอุณหภูมิ  ที่สามารถประกอบกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้

 

4.  LDR  มีสมบัติอย่างไร  สามารถประกอบเป็นวงจรวัดความสว่างของแสงได้อย่างไร

 

5. Thermister เป็นสารกึ่งตัวนำหรือฉนวนมีสมบัติอย่างไร จึงสามารถใช้เป็นตัวรับรู้อุณหภูมิได้

 

6.  วงจรไฟฟ้าอย่างง่ายที่ประกอบด้วยแบตเตอรี่ 9 โวลต์ ความต้านทานที่ปรับค่าได้สูงสุด 250 กิโลโอห์ม  เทอร์มิสเตอร์ และโวลต์มิเตอร์อ่านเต็มสเกล 2.5 โวลต์ จะต่อวงจรอย่างไรที่สามารถจะปรับเทียบ (Calibrate) ให้อ่านอุณหภูมิจากเข็มมิเตอร์ได้ จงอธิบายวิธีปรับเทียบที่จะให้อ่านจาก 0 องศาเซลเซียสขึ้นไป

 

7.  จากวงจรตัวรับรังสีใต้แดงหรืออินฟราเรด โดยใช้ IR Photodiode ดังรูป

ก)  การต่อไดโอดในวงจร   เป็นต่อแบบ forward bias หรือ reversed bias

ข)  จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีแสง IR ฉายที่โฟโต้ไดโอดโวลต์มิเตอร์จะอ่านเพิ่มหรือลดอย่างไร

 

8. แผนภาพแบบกล่องของ AND Gate จะมีสัญญาณเข้า 2 ขา สัญญาณออกหนึ่งขา ดังรูป

จงแสดงลักษณะของสัญญาณขาเข้าและขาออกทุกกรณีที่เป็นไปได้

 

9.  ถ้านักเรียนต้องการจะทำโครงงานวิทยาศาสตร์เพื่อตรวจสอบว่า ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่คร่อม photodiode (แสงธรรมดา) เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความเข้มแสงที่ตกกระทบหรือไม่โดยอาศัย inverse square law ของความเข้มแสงกับระยะทางจาก point source (แหล่งกำเนิดแสงเล็กๆ) จะมีวิธีทำอย่างไร