BÀI 4 Bộ CHUYỂN ĐỐI DAC ADC MỤC TIÊU Bài thí nghiệm sẽ giúp sinh viên cùng cổ kiến thức và cỏ các kỹ năng sau Phân tích được các đặc điểm, cấu tạo và nguyên tắc hoạt dộng của mạch ADC và DAC cơ bản Th.
BÀI 4: Bộ CHUYỂN ĐỐI DAC-ADC - MỤC TIÊU Bài thí nghiệm giúp sinh viên cổ kiến thức cỏ kỹ sau: - Phân tích đặc điểm, cấu tạo nguyên tắc hoạt dộng mạch ADC DAC - Thực qui tắc thiết kế mạch chuyển đổi A/D D/A Đồng thời phân tích thiết kế dược mạch điều khiển số bao gồm chức chuyển đổi A/D D/A - Phân tích, kiểm tra sửa chữa hư hỏng mạch chuyển dổi A/D D/A mạch điều khiển số cơng nghiệp - Trình bày cấu tạo hoạt động số loại IC ADC IC DAC, từ có khả thiết kế mạch diều khiển số ứng dụng theo yêu cầu 4.1 Bộ CHUYÊN ĐỔI DAC Bộ chuyển đổi DAC {Digital Analog Converter') có chức biến đồi {mũ hóa) tín hiệu dạng số (Digital) sang tín hiệu dạng tương tự (Analog) Tín hiệu dạng tương tự điện áp hay dịng điện Mức độ thay đối tín hiệu {độ phân giải) phụ thuộc vào cấu tạo DAC ❖ Tín hiệu vào Tín hiệu vào dạng số (mà nhị phân, mã BCD, mã nhị phân có dấu, ) ❖ Tín hiệu Tín hiệu điện áp dòng điện, tổng quát: Analog output = K X Digital input Với K : hệ số tuyến tính {có đơn vị Vơn hay Ampe) Ví dụ: Bộ DAC 8bit có Vo=lV ứng với trạng thái vào OOIIOOIO2 = 5010 ta có: 1V = KX50 —*K = 20mV Và điện áp lớn tương ứng với trạng thái ỉ ỉ ỉ ỉ 1112 = 25510 * Vomax = 20 mV X 255 Vout (max) = K X Digital input = 5.1 V ❖ Buo’c phân giải (Resolution) Bước phân giải hay gọi Step size, độ thay đổi nhỏ ngõ có thay đối ngõ vào Bước phân giải mức điện áp ứng với trạng thái ngõ vào {ví dụ 0001 DAC 4biì) Bộ DAC có số bit lớn bước phân giải nhỏ Vỉ dụ Dạng sóng điện áp ngõ DAC 4bit với Step size = V Hình 4.1 Dạng sóng ngõ DAC 4bit Vỉ dụ 2' Với DAC lObit có bước phân giải lOmV {Step size =10mV) điện áp ngõ lớn là: Vo/Wív = (210 -1) X Step size = 1023 X 10 mV = 10.23 V StCD size % Bước phân giải = ■'Dai ■>.điện ;-y- ap X 100 % = (10 mV/10,23 V) xioo% -0.1% % Bước phân giải = —— —:—— X100 % rống trạng thái vào = (1 /1023) X 100 % - 0.1 % —> Dải điện áp (0 -ỉ- 10.23V) với % bước phân giải 0.1% Ví dụ 3: Với dải điện áp —> 10 V, ta có bước phân giải tương ứng: -BỘDACóbit: Step size = 10 /(26-1) = 10:63 = 0.159 V -BỘDAC8bit: Step size = 10/(28-1) = 10:255 = 0.039 V —> Bộ DAC cỏ số bit lớn bước phân giải nhỏ ❖ Cấu tạo chuyển đổi DAC > Cấu tạo DAC dạng đon giản Sơ đồ mạch bên cấu tạo DAC đơn giản bao gồm điện trở cộng Op-amp + VREF •- Hình 4.2 Sơ đồ cẩu tạo dạng DAC - Theo sơ đồ hình 4.2, ta có R F = 1KQ giá trị điện trở RỊN ngõ vào nhị phân: R]) = RF, Rc - 2RD Ì RB = 2Rc , RA - 2RB điện áp ngõ tính sau: Voirr2 = -(VD+ ệvc + ^VB + ^V4AO) Mỗi giá trị điện áp tương ứng với trạng thái nhị phân 4bit ngõ vào Step size giá trị điện áp ứng với trạng thái nhị phân: 00012 - VREF diện áp tham chiếu, giả sử với điện áp VREF - 5V: Nhận xét: Đối với mạch điện ta thấy sử dụng DAC nhiều bit giá trị điện trở ngõ vào bit LSB (RA) lớn so với giá trị điện trờ bit MSB, diều dẫn đến khỏ khăn việc chế tạo Do dỏ, đểkhắc phục vấn đề người t.a thay mạch điện với điện trở kết nối kiểu bậc thang R-2R - Cấu tạo DAC vói điện trỏ’ kết nối kiểu bậc thang R-2R Hình 4.3 Sơ đồ cấu tạo DAC dạng R-2R - Điện áp ngõ ra: VREF „ _ OUT ~ - o x 15 O • IJ Với B giá trị thập phân trạng thái số nhị phân B3B2B1B0 - Giả sử với điện áp VREF = 5V, Step size DAC bit ứng với trạng thái nhị phân B3B2B1B0 = 00012 = 110»ta cỏ: 5V —> Step size = - X = - 0.625 V - Điện áp lớn ngõ ứng với trạng thái ngõ vào 11112 - 1510 5V -V0UT = - V xl5 = -9.375 V O Phân loại DAC Ngoài DAC với ngõ vào mã nhị phân trình bày phần trước, cịn có số chuyển dổi D/A khác: - Bộ DAC với mã vào số BCD: đặc diem loại DAC ngố vào mã BCD Hình bên mô tả DAC với ngõ vào số BCD (8bit) cho 100 mức điện áp tương ứng - Bộ DAClưỡng cực (DACs): điểm khác biệt loại DAC liệu ngõ vào mã nhị phân có dấu (bit ứng với dấu +, bit ứng với dấu -) dải điện áp tương ứng có điện áp dương điện áp âm Ví dụ: Với DAC lưỡng cực 6bit (26 -1 = 63) có Step size = 0.2 V, thì: Bài BO CHUYÊN ĐỔI ADC - DAC iffigi . . _Èaisl —> Tín hiệu vào từ 1000002 (-32 jo) —>0111112 (+3110) —> Tín hiệu nằm khoảng (- 6.4V —> + 6.2V), 4.2 Bộ CHUYỂN ĐỎI ADC Bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converter) có chức biến đổi (giải mã) tín hiệu dạng tương tự (Analog) sang tín hiệu dạng số (Digital) ❖ Tín hiệu vào Tín hiệu vào tín hiệu dạng tương tự (dịng điện điện áp) ❖ Tín hiệu Tín hiệu tín hiệu dạng số Mỗi mã số nhị phân ngõ tương ứng với mức tín hiệu ngõ vào ❖ fCấu tạo ADC Hình 4.4 bên mô tả chức khối bên ADC Thời gian chuyển đổi tc đượC’ định tần số xung CK đưa vào khối điều khiển (cổng AND) Khối điều khiển cho phép thực trình chuyển đổi có tín hiệu xung cấp ngõ vào START (tích cực cạnh xuống) Trong q trình chuyển đổi xảy ra, khối so sánh (Op-amp) liên tục so sánh điện áp đặt trước ngõ vào VA với điện áp VAX (ngõ DAC bên trong) Khi VAX tăng đến giá trị vừa lớn VA khoảng áp VT (VAX-VA > VT) ngõ so sánh chân EOC (end-of-conversỉon) bang mức THẤP kết thúc trình chuyến đối Ngõ ADC (kết chuyển đổi) mã nhị phân lấy ngõ khối đếm (counter) Khi có tín hiệu lệnh START đem dược reset bắt đầu trình chuyển đổi khác " 4.3 CÁC BÀI THỤC HÀNH 4.3.1 Khảo sát kiểm tra chức IC DAC0808 DAC0808 chuyển đối D/A với 8bit ngõ vào Digital ngõ Analog • Sơ đồ chân: COM (Compensation) VREE(-) VREF(+) vcc A8 (LSB) A7 A6 A5 Hình 4.5 Sơ đồ chăn IC DAC0808 - A J —> As' ngõ vào liệu 8bit - Iouf- ngõ điện áp VREF(+), VREF(-) • ngõ vào điện áp tham chiếu (VỊN = VREF(+) - VREF(-) ỈOV < V]N < +Ỉ8V) - COM', chân cho phép chuyển đổi - GND, VEE, Vcâ nguồn cấp (Vccmax = + VEEmax = - 18VỴ • Sơ đồ mạch biến đổi D/A sử dụng IC DAC0808: Hình 4.6 Sơ đồ khảo sát trĩnh chuyên đổi DAC0808 VoilT - Vin 256 A X • Biểu thức điện áp ra: Với: A giá trị thập phân ứng với trạng thái nhị phân 8bit (Ai A 8) Vin - VREF(+) - VREF(-) • Thực hành: - Sinh viên thực lắp ráp mạch biến đổi D/A hình khối D9.1 mơ hình, với ngõ vào bit cấp từ ngõ đếm nhị phân bit dùng 2IC 74LS93 ngõ đưa qua đệm đảo sử dụng OPAM A8 A7 A6 A5 PS1 COMM IC3 DAC0808 SW1 121A2 2B2 8?C2 IC2 D 7493 c ỊỊTD2 A4 A3 A2 VREF- R3 GND 12V MR1 MR2 Í1 □ND Hình 4.7 Sơ đồ kết nối DAC0808 mơ hình - Ngõ vào xung CLK kết nối với (PS1) (hoặc sử dụng khối tạo xung D5.1Ỵ - Ngõ (VQƯT) kết nối với (LED1) để hiển thị độ sáng ứng với trạng thái điện áp - Các ngõ đếm kết nối với LED đon để hiển thị mã nhị phân ngõ vào - Công tắc (SW1) kết nối chân Reset đếm (CLR) ❖ Phân tích hoạt động mạch ❖ Lập biểu thức điện áp ngõ VOUT- ❖ Lập cơng thức tính Step size DAC trcn ❖ Thực hành ghi lại kết theo bảng: - Thực cấp xung vào đếm đo điện áp ngõ VQUT, với điện áp VREF = +10V , ghi lại kết vào bảng: Xung cấp Ngõ Analog Ngõ vào Digital SW PSI (RST) (CLK) ON preset) OF LED9 LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 (D2) (C2) (Bi) (Â2) (Di) (Ci) (Bl) (Al) F OF F OF F e ❖ Thay đối điện áp VREF = +5 V thực tương tự ❖ Nhận xét kết thu 4.3.2 Khảo sát kiểm tra chức IC ADC0804 ADC0804 chuyển đổi A/D với kênh ngõ vào Analog ngõ Digital Đây loại ADC thiết kế tương thích cho việc giao tiếp với Vi xứ lí Vi điều khiển Các chân ngõ trạng thái dải điện áp chuyển đổi ngõ vào nằm khoảng 0—»Vcc• Sơ đồ chân: [2Õ][Ĩ9][Ĩ8][Ĩ7]íĩẽ1[Ĩ5líĨ4][Ĩ3][Ĩ2l[ĩĩ1 Vcc CK.O DQ DỊ D2 D3 D4 D$ Dg D7 ADC0804 cs RD WR CK.!N INTR Vl(+) Vl(-) AGND VREF/2 DGND VoiIT (VOUT) - Do —> D7 ngõ liệu 8bit VỊ(+), VỊ(.): ngõ vào điện áp cần chuyển đổi (VlN = VỊ(Ạ) - Vj(.}) VREF/2- ngõ vào điện áp tham chiếu (khi để hở mặc định V REF = ^cc)- cs\ (Chip select)', chân chọn IC (khỉ giao tiếp với Vi xứ lí Vỉ điều khiển), tích cực mức thấp - RD\ (Read) : chân cho phép đọc liệu từ AĐC (hoặc cho phép xuất liệu ngõ - Output Enable), tích cực mức thấp WR\ (Write)', chân cho phép chuyến đổi A/D, tích cực mức thấp - INTR\: ngõ báo bắt đầu trình chuyển đổi A/D (= mức TĨĨẤP) kết thúc trình (= mức CAO) - CKOUT' chân chọn nguồn xung Clock bên (khi kết nối với điện trở với chân CKIN) - CKỈN: ngõ vào xung Clock bên (khỉ sử dụng nguồn xung bên trong, chân kết với chân CK 0UT qua R c xuống mass) - AGND, • Sơ dồ mạch biến đổi A/D sử dụng IC ADC0804: DGND, Vcc‘ nguồn cấp (Vcc = +5V, nguồn Analog, DGND: mass nguồn Digital) AGND: mass • Thực hành: - Sinh viên thực lắp ráp theo sơ đồ mạch hình - Điện áp cần chuyển đổi (VIN) cấp vào ADC dược cấp biến trở VR=20K - Chân báo bắt dầu hay kết thúc trình chuyển đổi (INTR\) nối với LED1 - Các ngõ Digital (Do - D7) kết nối với LED - Công tắc (SW1) kết nối chân (CS\, RD\, WR\) ADC phép ngưng trình chuyển đổi A/D ❖ Phân tích hoạt động mạch ❖ Thực hành ghi*lại kết theo bảng: - Thay đổi biến trở để cấp điện áp vào (VjN) ghi lại trạng thái LED tương ứng vào bảng: Ngõ vào Analog SW1 (START) Ngõ Digit al V1N LED9 LED8 LED7 LED6 LED5 LED4 LED3 LED2 LED1 (vôn) (D7) (Do) (Ds) (Do) (Da) (D2) (Di) (Do) (INTR\) OFF X ON ON ON ON ❖ Nhận xét kết thu Ị< 172 4.4 CÁC ỨNG DỤNG Bộ CHUYÊN ĐỐI DAC - ADC 4.4.1 Mạch điều khiển tốc độ động DC • Yêu cầu: Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động DC (VM = 5V, IM < 500mA) Với ngõ vào trạng thái số nhị phân bit tạo cơng tắc (Binary Switch) • Thiết kế: Với yêu cầu trên, ta sỗ sử dụng chuyển đổi DAC0808 có chức chuyển đổi mã nhị phân ngõ vào thành tín hiệu diện áp tương ứng Sau dược so sánh với giá trị điện áp hồi tiếp ứng với tốc độ thông qua khuếch đại vi sai, giá trị điện áp ngõ chuyển đổi thành tần số (V to F) chuẩn hóa dạng xung từ tạo xung đơn ổn (Oneshot), từ tạo xung điều khiển động đạt tốc độ mong muốn Sơ đồ khối trình bày hình bên Error Detector Desired DC Hình 4.10 Sơ đồ khối mạch điều khiên tốc độ động DC • Thực hành: • Sinh viên lựa chọn loại IC thực lắp ráp mạch điều khiển theo sơ đồ khối • Giải thích ngun lý hoạt động mạch • Nhận xét kết thực • Phụ chú: Sơ đồ mạch chi tiết: 12V ° 12V DIGITAL DC MOTOR SPEED CONTROL SYSYTEM 4.4.2 Mạch điều khiển nhiệt độ •Yêu cầu: Thiết kế mạch điều khiển ổn định nhiệt độ đặt, với ngõ vào công tắc đặt nhiệt độ dạng mã nhị phân số BCD (BCD Switch) ngõ vào cảm biến nhiệt, hai ngõ động (mô tả hoạt động máy điều hòa) bóng đèn để tăng nhiệt •Thiết kế: - Theo u cầu đặt ra, ta sử dụng chuyển đổi ADC0804 có chức chuyển đổi giá trị điện áp (nhiệt độ phòng) thành 8bit mã nhị phân tương ứng Giá trị so sánh với mã nhị phân đặt trước (ứng với nhiệt độ đặt) thông qua so sánh (Comparator) - Quá trình ổn định nhiệt độ phòng diễn sau: nhiệt độ phòng lớn nhiệt độ dặt ngõ so sánh QA>B=1> tạo tín hiệu điều khiển dộng (máy diều hòa giảm nhiệt độ), ngược lại nhiệt độ phịng nhỏ QA