Bài tập lớn môn thiết kế ngoại vi và kĩ thuật ghép nối (3)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ =====o0o===== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỀ TÀI : BỘ CHUYỂN ĐỔI DAC Giảng viên hướng dẫn : Trần Thị Thúy Hà Môn học : Thiết kế ngoại vi kĩ thuật ghép nối Nhóm mơn học : 02 Nhóm tập lớn : 08 Sinh viên thực : Lê Phương Nam Nguyễn Hải Long B18DCDT163 B18DCDT131 Nguyễn Ngọc Tiến B18DCDT210 Trần Trung hiếu HÀ NỘI, 04 / 2022 -⁃⁃⁃⁃‹‹‹﴾֍﴿›››⁃⁃⁃⁃ - B18DCDT079 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học MỤC LỤC Bộ chuyển đổi DAC ? .3 1.1 Bộ chuyển đổi DAC ? 1.2 Tại cần DAC ? Cách hoạt động DAC .4 2.1 Độ phân giải 2.2 Các loại DAC cách hoạt động 2.2.1 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân khuếch đại cộng 2.2.2 DAC R/2R ladder 2.2.3 Một vài tích chất khác DAC 10 Một số hạn chế ứng dụng DAC .11 3.1 Hạn chế DAC 11 3.2 Ứng dụng DAC 12 Phân công công việc đánh giá thành viên nhóm 13 LỜI CẢM ƠN 14 NHÓM Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Bộ chuyển đổi DAC Bộ chuyển đổi DAC ? 1.1 Bộ chuyển đổi DAC ? Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang analog thường gọi DAC viết tắt Digital to Analog Converter, D / A D2A thiết bị chuyển đổi giá trị nhị phân (0 1) thành tập hợp điện áp liên tục (tín hiệu analog) Hình 1.1 : Sơ đồ khối hệ thống nhúng điện thoại di động 1.2 Tại cần DAC ? Trong thực tế cảm nhận từ giác quan đa phần dựa tín hiệu tương tự (tín hiệu Analog) đặc biệt tai Vì tín hiệu từ thiết bị máy móc tạo muốn người hiểu phải chuyển đổi sang tín hiệu hiệu tương tự (tín hiệu Analog) Hình 1.2: ADC sử dụng thực tế NHÓM Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Trong kỹ thuật số, ta thấy đại lượng số có giá trị xác định hai khả 1, cao hay thấp, sai, vv… Trong thực tế thấy đại lượng số (chẳng hạn mức điện thế) thực có giá trị nằm khoảng xác định ta định rõ giá trị phạm vi xác định có chung giá trị dạng số Ví dụ: Với logic TTL ta có: Từ 0V đến 0,8V mức logic 0, từ 2V đến 5V mức logic Như mức điện nằm khoảng – 0,8V mang giá trị số logic 0, điện nằm khoảng – 5V gán giá trị số Ngược lại kỹ thuật tương tự, đại lượng tương tự lấy giá trị khoảng giá trị liên tục Và điều quan trọng giá trị xác đại lượng tương tự là yếu tố quan trọng Trong tín hiệu tương tự liên tục cung cấp vô số giá trị điện áp khác nhau, mặt khác, mạch kỹ thuật số hoạt động với tín hiệu nhị phân có hai trạng thái rời rạc, logic “1” (CAO) logic “0” (THẤP) Vì vậy, cần phải có mạch điện tử chuyển đổi hai lĩnh vực khác tín hiệu tương tự thay đổi liên tục tín hiệu kỹ thuật số rời rạc, lúc Phương pháp chuyển đổi DAC đời Hình 1.3: Sự khác hai dạng tín hiệu Cách hoạt động DAC 2.1 Độ phân giải Độ phân giải (resolution) biến đổi DAC định nghĩa thay đổi nhỏ xảy đầu tương tự kết qua thay đổi đầu vào số Độ phân giải DAC phụ thuộc vào số bit, nhà chế tạo thường ấn định độ phân giải DAC dạng số bit DAC 10 bit có độ phân giải tinh DAC bit DAC có nhiều bit độ phân giải tinh NHĨM Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Độ phân giải ln trọng số LSB Cịn gọi kích thước bậc thang (step size), khoảng thay đổi Vout giá trị đầu vào số thay đổi từ bước sang bước khác Hình 1.4 : Độ phân giải ADC Bit Dạng sóng bậc thang (hình 2.1) có 16 mức với 16 thạng thái đầu vào có 15 bậc mức mức cực đại Với DAC có N bit tổng số mức khác 2^N, tổng số bậc 2N – 2.2 Các loại DAC cách hoạt động  Nguyên tắc chung trình chuyển đổi DAC Chuyển đổi tương tự(DAC) q trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng(N Bit) biết tín hiệu số với độ xác mức lượng tử tức 1LSB Hình 1.5: Sơ đồ khối q trình chuyển đổi DAC NHĨM Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học Tín hiệu đầu DAC tín hiệu rời rạc theo thời gian hình vẽ Tín hiệu đưa qua lọc thông thấp lý tưởng LTT Trên đầu LTT có tín hiệu VA biến thiên liên tục theo thời gian tín hiệu nội suy Vm 2.2.1 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân khuếch đại cộng Hình 2.1 sơ đồ mạch mạch DAC bit dùng điện trở khuếch đại đảo Bốn đầu vào A, B, C, D có giá trị giả định 0V 5V Hình 1.6 : Sơ đồ nguyên lý DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân khuếch đại cộng Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) dùng làm cộng đảo cho tổng trọng số bốn mức điện vào Ta thấy điện trở đầu vào giảm dần 1/2 lần điện trở trước Nghĩa đầu vào D (MSB) có RIN = 1k, khuếch đại cộng chuyển mức điện D mà không làm suy giảm (vì Rf = 1k) Đầu vào C có R = 2k, suy giảm 1/2, tương tự đầu vào B suy giảm 1/4 đầu vào A giảm 1/8 Do đầu khuếch đại tính biểu thức: (4) Dấu âm (-) biểu thị khuếch đại cộng khuếch đại cộng đảo Dấu âm không cần quan tâm Như ngõ khuếch đại cộng mức điện tương tự, biểu thị tổng trọng số đầu vào Dựa vào biểu thức (4) ta tính mức điện áp tương ứng với tổ hợp ngõ vào (hình 2.4): NHĨM Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Hình 1.7: Tín hiệu vào điện áp đầu ADC Bit 2.2.2 DAC R/2R ladder Mạch DAC ta vừa khảo sát sử dụng điện trở có trọng số nhị phân tạo trọng số thích hợp cho bit vào Tuy nhiên có nhiều hạn chế thực tế Hạn chế lớn khoảng cách chênh lệch đáng kể giá trị điện trở LSB MSB, DAC có độ phân giải cao (nhiều bit) Ví dụ điện trở MSB = 1k DAC 12 bit, điện trở LSB có giá trị 2M Điều khó cho việc chế tạo IC có độ biến thiên rộng điện trở để trì tỷ lệ xác Để khắc phục nhược điểm này, người ta tìm mạch DAC đáp ứng yêu cầu mạch DAC mạng R/2R ladder Các điện trở mạch biến thiên khoảng từ 2R đến R Hình 1.8 mạch DAC R/2R ladder NHÓM 8 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học Hình 1.8 : Sơ đồ nguyên lý DAC R/2R ladder Bit Từ hình 2.2 ta thấy cách xếp điện trở có hai giá trị sử dụng R 2R Dịng IOUT phụ thuộc vào vị trí chuyển mạch, đầu vào nhị phân B0 B1 B2 B3 chi phối trạng thái chuyển mạch Dòng IOUT phép chạy qua biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện VOUT Điện ngõ VOUT tính theo công thức: 𝑽𝑶𝑼𝑻 = 𝑹𝒇 𝑽𝑨 𝑽𝑩 𝑽𝑪 𝑽𝑫 { + + + } 𝑹 𝟐𝟒 𝟐𝟑 𝟐𝟐 𝟐𝟏 Hoặc tương đương (khi Rf = R): 𝑽𝑶𝑼𝑻 = 𝑽𝑨 + 𝟐𝑽𝑩 + 𝟒𝑽𝑪 + 𝟖𝑽𝑫 𝟏𝟔 Trong giá trị mẫu số 16 tương ứng với 16 (2^4) kết hợp đầu vào có mạng bậc thang R-2R bit DAC Chúng ta mở rộng phương trình để thu phương trình DAC R-2R tổng quát cho số lượng đầu vào kỹ thuật số cho chuyển đổi R-2R D / A trọng số bit đầu vào tham chiếu đến bit quan trọng (LSB), Phương trình DAC R-2R tổng quát : 𝑽𝑶𝑼𝑻 = 𝑹𝒇 𝑽𝟏 𝑽𝟐 𝑽𝟑 𝑽𝑵−𝟏 𝑽𝑵 { 𝑵 + 𝑵−𝟏 + 𝑵−𝟐 + ⋯ + 𝟐 + 𝟏 } 𝑹 𝟐 𝟐 𝟐 𝟐 𝟐 Trong đó: “n” đại diện cho số lượng đầu vào kỹ thuật số mạng bậc thang điện trở R-2R DAC tạo độ phân giải: V LSB = V IN / n NHÓM 8 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học Rõ ràng bit đầu vào V A CAO gây thay đổi nhỏ điện áp đầu ra, bit đầu vào V D CAO gây thay đổi lớn điện áp đầu Do đó, điện áp đầu mong đợi tính cách tính tổng hiệu ứng tất bit đầu vào riêng lẻ kết nối CAO Lý tưởng nhất, mạng bậc thang nên tạo mối quan hệ tuyến tính điện áp đầu vào đầu tương đầu vào có mức tăng bước LSB, tạo bảng giá trị điện áp đầu dự kiến cho tất 16 kết hợp đầu vào với + 5V đại diện cho điều kiện logic “1” hiển thị Đầu chuyển đổi bit R-2R DAC : Đầu vào kỹ thuật số Biểu thức V OUT V OUT D C B A (8*VD + 4*VC + 2*VB + 1*VA)/24 Volts 0 0 (0*5 + 0*5 + 0*5 + 0*5)/16 0 0 (0*5 + 0*5 + 0*5 + 1*5)/16 0.3125 0 (0*5 + 0*5 + 2*5 + 0*5)/16 0.6250 0 1 (0*5 + 0*5 + 2*5 + 1*5)/16 0.9375 0 (0*5 + 4*5 + 0*5 + 0*5)/16 1.2500 1 (0*5 + 4*5 + 0*5 + 1*5)/16 1.5625 1 (0*5 + 4*5 + 2*5 + 0*5)/16 1.8750 1 (0*5 + 4*5 + 2*5 + 1*5)/16 2.1875 0 (8*5 + 0*5 + 0*5 + 0*5)/16 2.5000 0 (8*5 + 0*5 + 0*5 + 1*5)/16 2.8125 1 (8*5 + 0*5 + 2*5 + 0*5)/16 3.1250 1 (8*5 + 0*5 + 2*5 + 1*5)/16 3.4375 1 0 (8*5 + 4*5 + 0*5 + 0*5)/16 3.7500 1 (8*5 + 4*5 + 0*5 + 1*5)/16 4.0625 1 (8*5 + 4*5 + 2*5 + 0*5)/16 4.3750 1 1 (8*5 + 4*5 + 2*5 + 1*5)/16 4.6875 NHÓM 10 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Hình 1.9 : Điện áp đầu DAC xếp theo số Bit đầu vào tăng dần Lưu ý điện áp đầu tương tự quy mô đầy đủ cho mã nhị phân 1111 không đạt giá trị với điện áp đầu vào kỹ thuật số (+ 5V) nhỏ tương đương với bit LSB, (312,5mV ví dụ này) Tuy nhiên, số lượng bit đầu vào kỹ thuật số (độ phân giải) cao điện áp đầu tương tự gần đạt đến mức đầy đủ tất bit đầu vào mức CAO Tương tự tất bit đầu vào mức THẤP, kết độ phân giải thấp LSB làm cho V OUT gần với volt 2.2.3 Một vài tích chất khác DAC - Độ Chính Xác Có nhiều cách đánh giá độ xác Hai cách thơng dụng sai số tồn thang (full scale error) sai số tuyến tính (linearity error) thường biểu biễn dạng phần trăm đầu cực đại (đầy thang) chuyển đổi Sai số toàn thang khoảng lệch tối đa đầu DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng), biểu diễn dạng phần trăm Sai số tuyến tính khoảng lệch tối đa kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang lý tưởng NHĨM 10 11 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Điều quan trọng DAC độ xác độ phân giải phải tương thích với - Sai Số Lệch Theo lý tưởng đầu DAC 0V tất đầu vào nhị phân toàn bit Tuy nhiên thực tế mức điện cho trường hợp nhỏ, gọi sai số lệch ( offset error) Sai số khơng điều chỉnh cộng vào đầu DAC dự kiến tất trường hợp Nhiều DAC có tính điều chỉnh sai số lệch bên ngoài, cho phép triệt tiêu độ lệch cách áp bit đầu vào DAC theo dõi đầu Khi ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch đầu 0V - Thời Gian Ổn Định Thời gian ổn định (settling time) thời gian cần thiết để đầu DAC từ zero đến bậc thang cao đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn đến chuổi bit toàn Thực tế thời gian ổn định thời gian để đầu vào DAC ổn định phạm vi ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) giá trị cuối Ví dụ: Một DAC có độ phân giải 10mV thời gian ổn định đo thời gian đầu cần có để ổn định phạm vi 5mV giá trị đầy thang Thời gian ổn định có giá trị biến thiên khoảng 50ns đến 10ns DAC với đầu dịng có thời gian ổn định ngắn thời gian ổn định DAC có đầu điện - Trạng Thái Đơn Điệu DAC có tính chất đơn điệu ( monotonic) đầu tăng đầu vào nhị phân tăng dần từ giá trị lên giá trị Nói cách khác đầu bậc thang khơng có bậc xuống đầu vào nhị phân tăng dần từ zero đến đầy thang Một số hạn chế ứng dụng DAC 3.1 Hạn chế DAC Sự xác: Các DAC tạo nhiều bước điện áp số nhị phân cho phép, nói cách khác gần tạo giá trị điện áp thực liên tục Sự phức tạp : Hầu hết mạch DAC đề cập cần vài phận điều khơng phải lúc thực tế Tuy nhiên, có sẵn chip DAC rời giao tiếp với vi điều khiển thơng qua SPI I2C NHĨM 11 12 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học 3.2 Ứng dụng DAC  Xử lí Tín hiệu âm - Hầu hết tín hiệu âm đại lưu trữ dạng kỹ thuật số (ví dụ MP3 CD ) để nghe qua loa, chúng phải chuyển đổi tín hiệu kĩa thuật số thành tín hiệu tương tự Do đó, DAC tìm thấy máy nghe nhạc CD , máy nghe nhạc kỹ thuật số card âm máy tính , laptop Hình 1.10 : Ứng dụng DAC lĩnh vực âm - Trong ứng dụng thoại qua IP, nguồn tín hiệu thu phải trải qua trình chuyển đổi ADC sau tái tạo thành tương tự cách sử dụng DAC đưa loa thiết bị  Xử lí Tín hiệu Video - Trình phát video kỹ thuật số sử dụng DAC để phát video kỹ thuật số hình hỗ trợ đầu analog Các trình phát video chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số từ tệp nguồn kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự  Thu thập liệu Nhiều loại cảm biến khơng dây tích hợp DAC để truyền nhận liệu với xử lí thơng qua tín hiệu tương tự  Cơ khí - Điều khiển động - Tham gia vào trình tự động hóa  Thơng tin liên lạc - DAC sử dụng rộng rãi hệ thống truyền thơng đại cho phép tạo tín hiệu truyền dẫn xác định kỹ thuật số DAC tốc độ cao sử dụng cho thông tin liên lạc di động DAC tốc độ cực cao sử dụng - hệ thống truyền thông quang học NHÓM 12 13 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Phân công công việc đánh giá thành viên nhóm Tên đề tài Tên thành viên Bộ chuyển đổi DAC Lê Phương Nam Công việc phân cơng Thuyết trình làm silde Nguyễn Hải Long Trình bày ví dụ Trần Trung Hiếu Tìm kiếm nội dung Nguyễn Ngọc Tiến Tìm kiếm nội dung Nhóm tự đánh giá Lê Phương Nam : Điểm Nguyễn Hải Long : Điểm Trần trung Hiếu : Điểm Nguyễn Ngọc Tiến : điểm NHÓM 13 14 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Học viện Cơng nghệ Bưu viễn thơng đưa môn Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối vào chương trình giảng dạy Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến giảng viên môn Trần Thị Thúy Hà dạy dỗ, rèn luyện truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian kỳ học vừa qua Trong lớp học cô,chúng em tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích, học tập tinh thần làm việc nghiêm túc, hiệu Đây thực điều cần thiết cho trình học tập cơng tác sau nhóm Thời lượng mơn học khơng nhiều, có cố gắng hiểu biết kỹ môn học chúng em cịn hạn chế Do báo cáo chúng em cịn có thiếu sót chỗ chưa xác, kính mong giảng viên mơn xem xét góp ý giúp Bài báo cáo nhóm em hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng năm 2022 Sinh viên thực Lê Phương Nam Nguyễn Hải Long Nguyễn Ngọc Tiến Trần Trung Hiếu NHÓM 14 ... 14 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Học vi? ??n Cơng nghệ Bưu vi? ??n thơng đưa môn Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối vào... số đầu vào Dựa vào biểu thức (4) ta tính mức điện áp tương ứng với tổ hợp ngõ vào (hình 2.4): NHÓM Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học Hình 1.7: Tín hiệu vào điện... đầu vào kỹ thuật số mạng bậc thang điện trở R-2R DAC tạo độ phân giải: V LSB = V IN / n NHÓM 8 Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học Rõ ràng bit đầu vào V A CAO