Bộ chuyển đổi tương tự - số

196 Bài 15: Bộ chuyển đổi tơng tự - số (Analog to Digital Converter) A. Phần tóm tắt lý thuyết 1. Bộ biến đổi tơng tự/số (ADC). Hình vẽ sau mô tả chức năng của ADC 4 bit. Bảng chân lý của bộ ADC này có thể lấy toàn bộ số liệu trong bảng chân lý bộ DAC bài trớc. Mạch điện bố trí bên trong của bộ ADC khá phức tạp. Dới đây chỉ là một ví dụ sơ đồ logic của bộ ADC này bao gồm một DAC, một mạch đếm modun 16, một cửa và, một mạch so sánh điện áp. Mạch so sánh thực hiện việc so sánh điện áp ở đầu vào A và điện áp ở đầu vào B. Nếu điện áp lối vào A lớn hơn điện áp lối vào B (A > B) thì mức logic đầu ra X của Comparator là cao (A > B, X = 1). Ngợc lại thì mức logic đầu ra thấp (A < B, X = 0). 197 Đầu vào tơng tự Đầu ra nhị phân Đờng V ra (v) D C B A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 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 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 Giả sử điện áp V vào bộ ADC là 1,5V và mạch đếm đã đợc xoá trớc khi hoạt động. Trải qua 5 chu trình, bộ ADC biến đổi điện áp tơng tự đầu vào 1,5V thành đầu ra nhị phân 0100 theo đúng bảng chân lý. Quá trình diễn ra nh sau: Chu Trình Mạch so sánh Cửa và Mạch đếm Chỉ thị LED DAC Số TT A B X CK X C P Q D Q C Q B Q A D C B A V ra 1 2 3 4 5 1,5v 0 1 1,5v 0,4 1 1,5v 0,8 1 1,5v 1,2 1 1,5v 1,6 0 CK 1 CK 1 CK 1 CK 1 CK 1 C P 0 0 0 1 C P 0 0 1 0 C P 0 0 1 1 C P 0 1 0 0 0 0 1 0 0 Không có xung nhịp 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 (dừng) 0,4 0,8 1,2 1,6 1,6 (dừng) Việc phân tích nh trên để dễ hiểu về sự hoạt động của một bộ ADC. Quá trình xảy ra rất nhanh tuỳ theo tần số của xung nhịp CK. Tần số này có thể trên 1 MHz. Có nhiều kiểu ADC đã đợc sử dụng. Kiểu nói trên là kiểu đếm bậc thang. Có loại ADC trong đó không dùng mạch đếm mà dùng mạch phát bậc thang. Loại này gọi là kiểu bậc thang. Loại có tốc độ biến đổi rất nhanh gọi là kiểu gần đúng liên tiếp loại này có cấu trúc bên trong phức tạp hơn. 198 2. Thông số đặc trng. Hình vẽ sau giúp ta hiểu rõ ý nghĩa của một số thông số. Điện áp (hay dòng) biến đổi theo bậc (step) , mỗi bậc tơng ứng với một lợng tăng điện áp gọi là lợng tăng 1LSB. Danh từ này bắt nguồn từ chỗ điện áp thay đổi ngay từ bit có ý nghĩa nhỏ nhất. Chất lợng của một bộ biến đổi đợc đánh giá bằng độ phân giải. Độ phân giải tính bằng tỷ số lợng tăng 1 LSB với giá trị cực đại của đại lợng tơng tự. Ví dụ trong bộ DAC 4 bit mà ta đa ra ví dụ ở trên độ phân giải bằng : 15 1 0,6 4,0 = Công thức tổng quát nh sau: Độ phân giải = 12 1 n ; n là số bit Số bit càng lớn và do đó độ phân giải càng nhỏ thì chất lợng càng cao. Độ phân giải của bộ biến đổi 6 bit là 63 1 , 8 bit là 255 1 , 10 bit là 023.1 1 và 12 bit là 095.4 1 Sự thay đổi nhịp nhàng (hay đơn điệu) của một bộ biến đổi là rất cần thiết, nhất là bộ DAC (hình a phần trên). Hình b là không nhịp nhàng bởi vì có đoạn mà điện áp không tăng đúng 1 LSB khi số nhị phân thay đổi. So với đờng chuẩn (chấm chấm), sai số gặp phải là 2 1 + LSB và tiếp theo đó là 2 1 LSB. Sai số cho phép là phải nhỏ hơn 2 1 LSB cho toàn thang đo. 199 Thời gian thiết lập t S của DAC là thời gian cần thiết để điện áp đầu ra đạt đợc giá trị ổn định trong phạm vi sai số 2 1 LSB (t S = ns à ữ s). Có rất nhiều loại DAC và ADC với phạm vi ứng dụng khác nhau. Do vậy, khi dùng DAC hoặc ADC ta phải biết đầy đủ các đặc trng và khả năng ứng dụng của chúng. 200 B. Phần thực nghiệm 1. Nghiên cứu bộ biến đổi tơng tự - số (ADC) theo kiểu đếm bậc thang Ngày nay ngời ta đã sản xuất nhiều bộ ADC dới dạng chíp hoàn chỉnh. Tuy nhiên sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử bên trong chíp vẫn theo nguyên tắc chung nh ta trình bày trong lý thuyết. Bộ ADC nào cũng có mạch so sánh và bộ DAC. Sự khác nhau ở chỗ ngời ta sử dụng loại mạch nào nằm giữa Comparator và DAC để tạo tín hiệu bậc thang. Nếu dùng mạch đếm nh ta nói ở trên thì đó là Counter Ramp ADC. Nếu là mạch phát bậc thang (Ram Generator) đó là Ramp ADC, nếu là mạch ghi gần đúng liên tiếp (Successive aproximation Register = Sar) đó là SAR ADC. Sau đây ta sẽ nghiên cứu bộ biến đổi ADC kiểu bậc thang có sơ đồ khối nh sau: Sơ đồ thí nghiệm: 8 8 8 CLOC K Generator 1Hz Binary Output (leddisplaY) Hex 7 seg display V i V 0 CK 74LS161 Counter CLR DAC 03 (D/A Converterr) 201 Bộ so sánh Data in Vo 0 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 1 CLR 5V DC V 2.500 V 74LS161A CEP CET CP D3 D2 D1 D0 PE MR TC Q3 Q2 Q1 Q0 5V Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Vi 2.5V 5V 5V 5V IN+ IN- V+ V- LATCH GND OUT OUT ___ DAC8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Vref- Vref+ Vout 1 Hz 0/5V 74LS161A CEP CET CP D3 D2 D1 D0 PE MR TC Q3 Q2 Q1 Q0 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] 01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter] 01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561] 08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen] 02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161] 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 - Đặt chế độ máy phát: 202 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: Bớc 3: - Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau: V i (V) CLR Q 7 Q 6 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 V O x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,96 1 1,80 1 2,50 1 3,20 1 5,00 1 - Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các V i nh trên): 2. Nghiên cứu bộ biến đổi tơng tự - số (ADC) theo kiểu gần đúng liên tiếp (Suceesive Approximation Type ADC) ở đây có sử dụng mạch ghi gần đúng liên tiếp (SAR) đặt xen giữa mạch so sánh và DAC. Ưu việt của ADC theo kiểu này là tốc độ nhanh. Nếu dùng ADC 8 bit thì chỉ cần 8 xung nhịp là đủ để điện áp ra V 0 của DAC tiến tới lân cận giá trị điện áp vào V i . Sơ đồ khối đợc bố trí nh sau: 203  S¬ ®å thÝ nghiÖm: Bé so s¸nh Data in Vo 1 0 2 4 6 1 3 5 7 0 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 1 0 1 Hz 0/5V Start 0V DC V 2.500 V Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Vi 2.5V 5V 5V IN+ IN- V+ V- LATCH GND OUT OUT ___ DAC8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Vref- Vref+ Vout 74LS502 Start Qd Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 CK D  C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm: B−íc1: Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông: 01 DAC 8 bÝt [Data Converters/D-A/DAC8] 01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) EOC C K START 8 8 8 Binary output (lED dispay) V i V 0 74LS502` SAR DAC - 03 (D/A Converter) 204 01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter] 01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561] 08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen] 01 IC 74LS502 [User Difined/Macro/74LS502] Bớc 2: - Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode - Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage - 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: Bớc 3: - Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau: V i (V) CLR Q 7 Q 6 Q 5 Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0 V O x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,96 1 1,80 1 2,50 1 3,20 1 5,00 1 - Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các V i nh trên): 205 C. Phô lôc Giíi thiÖu DataSheet c¸c h·ng s¶n xuÊt IC trªn thÕ giíi cña mét sè IC th«ng dông sö dông trong bµi thùc hµnh. 1. Bé chuyÓn ®æi A/D 8 bit víi 8 kªnh lèi vµo (8-bit µP Compatible A/D Converters with 8-channel Multiplexer) Tªn IC: ADC0808, ADC0809 [...]...2 Bé chuyÓn ®æi A/D 8 bit (8-bit A/D Converters) Tªn IC: ADC0802, ADC0803, ADC0804 206 207 3 Bé chuyÓn ®æi A/D hiÖn thÞ 3 sè r−ìi Tªn IC: ADC7106, ADC7107 208 4 Bé chuyÓn ®æi A/D 12 bit Tªn IC: ADC7109 209 210 . 196 Bài 15: Bộ chuyển đổi tơng tự - số (Analog to Digital Converter) A. Phần tóm tắt lý thuyết 1. Bộ biến đổi tơng tự/ số (ADC). Hình vẽ sau mô tả chức năng của. 5,00 1 - Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các V i nh trên): 2. Nghiên cứu bộ biến đổi tơng tự - số (ADC) theo. chúng. 200 B. Phần thực nghiệm 1. Nghiên cứu bộ biến đổi tơng tự - số (ADC) theo kiểu đếm bậc thang Ngày nay ngời ta đã sản xuất nhiều bộ ADC dới dạng chíp hoàn chỉnh. Tuy nhiên sơ đồ