Bộ chuyển đổi số tương tự

184 Bài 14: Bộ chuyển đổi số tơng tự (Digital to Analog Converter) A. Phần tóm tắt lý thuyết Ngày nay các hệ xử lý tín hiệu số yêu cầu tín hiệu tơng tự phải đợc chuyển đổi thành tín hiệu số qua bộ biến đổi Tơng tự - Số (Analog to Digital Converter - ADC). Tín hiệu số đợc truyền đi, hoặc đợc đa vào máy tính xử lý Kết quả cuối cùng dạng số cần phải chuyển đổi trở lại tín hiệu tơng tự qua bộ biến đổi Số - Tơng tự (Digital to Analog Converter - DAC) để hiển thị cho ta quan sát. Quá trình đó biểu diễn mô hình của một hệ xử lý số (Digital Processing Unit/System). Hệ xử lý số có đầu vào và đầu ra là tín hiệu tơng tự đợc mô tả trên hình sau: Điện áp đầu vào có thể thay đổi liên tục từ 0v ữ 6V. Bộ biến đổi tơng tự / số ADC chuyển thông tin tơng tự thành thông tin số ở đầu vào. Bộ biến đổi số / tơng tụ DAC chuyển thông tin số thành thông tin tơng tự ở đầu ra. 1. Bộ biến đổi số / tơng tự (DAC) kiểu mạng điện trở. Nhiệm vụ của bộ biến đổi số/ tơng tự (DAC) là chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tơng tự. Một tín hiệu nhị phân đợc dẫn đến các đầu vào của DAC sẽ cho ra một điện áp tơng ứng ở đầu ra. Hình sau mô tả chức năng của DAC và bảng chân lý kèm theo. Số liệu ghi trên bảng này chỉ là một ví dụ cho dễ hiểu. 185 DAC có hai bộ phận chức năng là mạng điện trở và mạch khuếch đại tổng đợc mô tả trên hình sau. Mạch khuếch đại tổng thờng là mạch khuếch đai thuật toán. Mạng điện trở tạo nên các đầu vào ABCD với các trọng số tơng ứng 1, 2, 4, 8. Mạch khuếch đại tổng tạo nên điện áp đầu ra phù hợp với bảng chân lý. LSB : Bit có ý nghĩa nhỏ nhất (Least Significant Bit). MSB : Bit có ý nghĩa lớn nhất (Most Significant Bit). DAC nói trên có thể biểu diễn dới dạng tổng quát bằng mạch logic tơng đơng cho trên hình dới đây. Đầu vào nhị phân Đầu ra tơng tự Đờng D C B A V ra (v) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0 -12V +12V LSB MSB Mạng điện trở Khuếch đại tổng + 3V D C B A LM339 R4 18.75k R3 37.5k R2 75k R1 150k Rf 20k V 186 ở đây A, B, C, D là các khoá, chúng có thể là loại cơ khí nhng chúng có thể là khoá bán dẫn (FET). Ký hiệu logic, bảng chân lý và sơ đồ khối chức năng của một khoá bán dẫn cho trên hình sau. Tổng dòng điện vào cửa đảo (-) bằng : ( ) ABCD R V A R V B R V C R V D R V vaovaovaovaovao 0123 2222 248 +++=+++ Theo lý thuyết của mạch khuếch đại thuật toán, ta có phơng trình: R V vao () f ra R V ABCD =+++ 0123 2222 Từ đó, công thức tổng quát tính cho V ra là : ( ) ABCD R R VV f vaora 0123 2222 +++= Ngời đọc dễ dàng lập lại bảng chân lý theo công thức trên đây với V vào = 3V; R = 150K ; R f = 20K . Bộ DAC nói trên là bộ DAC 4 bit. Ngời đọc có thể tự thiết kế bộ DAC 5 bit, 6 bit 2. Bộ biến đổi số/tơng tự kiểu bậc thang(Ladder). Bộ DAC trình bày trên đây không thuận tiện trong thực tế vì phải chọn nhiều điện trở có giá trị khác nhau. Bộ DAC kiểu bậc thang chỉ yêu cầu chọn hai loại điện trở với loại nọ có giá trị gấp đôi loại kia. Do đó, bộ biến đổi số / tơng tự loại này còn có tên gọi là DAC kiểu bậc thang R - 2R. Hình sau là sơ đồ mạch của DAC 4 bit. Các điện trở 2R (phía trái mạng điện trở) đợc nối với V vào khi khoá đóng (logic 1) và nối đất khi khoá ngắt (logic 0). LSB MSB Mạng điện trở Khuếch đại tổng R R/2 R/4R/8 Vin V Rf ABC D 187 Điện áp đầu ra đợc tính theo công thức sau đây : ( ) ABCD R R VV f vaora 0123 2222 16 +++= Khoá đóng ứng với mức logic 1 Khoá ngắt ứng với mức logic 0 Ghi chú : Việc rút ra công thức trên đây phải dựa vào định lý Thevenin (Thevenin Theorem) hay mẫu Thevenin (Thevenin Model). ở đây chỉ trình bày ngắn gọn mà không chứng minh cách chuyển một mạch chia thế thành nguồn thế. Quan hệ mạch chia thế và nguồn thế thể hiện trên trên hình sau. 21 21 0 21 2 RR RR V V RR R VV td itd + = = + = Khuếch đại tổng Mạng điện trở Vin A B C D 2R 2R 2R 2R 2R R R R Rf V Vo td Nguồn tơng đơng Mạch chia thế không tải Rtd V Vin R2 R1 188 21 21 21 2 RR RR V RR R VV td itd + = + = Nhận xét : V tđ không tuỳ thuộc vào mạch có tải R T hay không có tải. Khi tính V tđ ta chỉ coi nh tính V 0 của mạch chia thế. R tđ không tuỳ thuộc vào mạch có tải hay không có tải. Trở tơng đơng R tđ này thay thế cho 2 trở R 1 và R 2 đợc coi nh mắc song song (R 1 // R 2 ). Dựa theo mẫu Thevenin, ta dễ dàng tính cờng độ dòng tại đầu vào đảo (-) của mạch khuếch đại tổng. Giả sử đầu vào nhị phân DAC 4 bit này là 0001 ( A = 1, B = 0, C = 0, D = 0) nghĩa là chỉ có khoá A đóng. Theo mẫu Thevenin, dòng vào sẽ là R V vao 16 Nếu chỉ có khoá B đóng (0010) dòng vào sẽ là R V vao 8 Nếu chỉ có khoá C đóng (0100) dòng vào sẽ là R V vao 4 Nếu chỉ có khoá D đóng (1000) dòng vào sẽ là R V vao 2 Trờng hợp cả 4 khoá đều đóng, dòng vào sẽ là tổng 4 dòng trên: ( ) ABCD R V R V R V 2R V vaovaovaovao 0123 2222 1684 ++++++ ở đây D = C = B = A = 1 vì các khoá đều đóng. Dòng này có trị số tuyệt đối bằng dòng ra: V ra /R f . Sinh viên có thể tự thiết kế bộ DAC kiểu bậc thang R-2R với số bit nhiều hơn. Các bộ DAC trên thị trờng cũng phân dòng theo kiểu bậc thang R-2R. td Nguồn tơng đơngMạch chia thế có tải Rt Rt R1 R2 Vin V Rtd 189 190 B. Phần thực nghiệm 1. Nghiên cứu sự hoạt động của DAC 8 bít ở bài này chúng ta cho tín hiệu số 8 bít qua bộ chuyển đổi DAC, thu đợc tín hiệu lối ra là tín hiệu tơng tự và đợc đo bằng vôn kế . Sơ đồ thí nghiệm: D0 5V D1 5V D2 5V D3 5V D4 5V D5 5V D6 5V D7 5V +V 5.05V DAC8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Vref- Vref+ Vout DC V 5.030 V Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: 01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8] 08 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 04 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter] Chú ý: [ ] Đờng dẫn để lấy linh kiện trong th viện ( ) Ký hiệu phím tắt Bớc 2: - Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode - Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage Bớc 3: - Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau: 191 2. DAC 8 bít (tiếp) Cho sơ đồ khối sau: Sơ đồ thí nghiệm: MR 5V 5V A 74LS161 CEP CET CP D3 D2 D1 D0 PE MR TC Q3 Q2 Q1 Q0 1kHz V1 0/5V 5V DAC8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Vref- Vref+ Vout 74LS161 CEP CET CP D3 D2 D1 D0 PE MR TC Q3 Q2 Q1 Q0 5V Các bớc tiến hành thí nghiệm: Bớc1: Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng: Số thập phân D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 U ra (V) Số thập phân D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0 U ra (V) 0 00000000 128 10000000 32 160 64 192 96 224 128 256 Clock Generator 1KHz Counter 74LS161 CK DAC 03 IN OUT Dao động ký 192 01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8] 02 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen] 02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161] Bớc 2: - Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode - Đặt chế độ máy phát: Kích đúp chuột vào biểu tợng máy phát. Chọn dạng sóng phát là Sin Wawe Data. Sau đó đặt các giá trị theo bảng sau: - Chạy chơng trình. Quan sát tín hiệu tại điểm A trên cửa sổ Transient Analysis - Chúng ta có thể dùng công cụ Probe để quan sát tín hiệu tại bất cứ điểm nào bằng cánh chọn Probe từ thanh công cụ (hoặc kích chuột phải sau đó chọn Probe) sau đó kích vào điểm muốn quan sát. Muốn hiện thị tín hiệu của nhiều điểm đồng thời thì khi kích vào các điểm cần quan sát ta phải giữ phím Shift. Bớc 3: - Tiến hành thí nghiệm với các giá trị khác của máy phát nh: 100 KHz, 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz. Quan sát dạng tín hiệu ở lối ra. - Hai khối Clock generator và Counter có thể thay thế bằng khối Data sequencer ở địa chỉ [Analog/Intruments/Data Seq]. Sinh viên có thể tự làm phần này. 3. Kiểm tra kiến thức Bộ DAC 8 bit có đầu ra nằm trong dải từ 0 đến 10v (V out = 0 ữ 10v). Sai số phi tuyến cho phép toàn thang đo là LSB 4 1 . 193 - Tính độ phân giải. - Giải thích tại sao độ thay đổi điện áp giữa hai bậc liên tiếp là 255 10 v - Sai số phi tuyến cho phép toàn thang đo tính ra % là bao nhiêu? - Đầu vào nhị phân 0110.0110 ứng với đầu ra là bao nhiêu? . / tơng tụ DAC chuyển thông tin số thành thông tin tơng tự ở đầu ra. 1. Bộ biến đổi số / tơng tự (DAC) kiểu mạng điện trở. Nhiệm vụ của bộ biến đổi số/ tơng tự (DAC) là chuyển đổi tín hiệu số. tự đợc mô tả trên hình sau: Điện áp đầu vào có thể thay đổi liên tục từ 0v ữ 6V. Bộ biến đổi tơng tự / số ADC chuyển thông tin tơng tự thành thông tin số ở đầu vào. Bộ biến đổi. 14: Bộ chuyển đổi số tơng tự (Digital to Analog Converter) A. Phần tóm tắt lý thuyết Ngày nay các hệ xử lý tín hiệu số yêu cầu tín hiệu tơng tự phải đợc chuyển đổi thành tín hiệu số qua bộ