Dựa trên thông số trên ta thấy V AX tăng theo từng bậc 10mV khi bộ đếm đếm lên từ 0. vì V A = 3.728, V T = 0.1mV nên V AX phải đạt từ 3.728 trở lên trước khi bộ so sánh chuyển sang trạng thái mức thấp. Như vậy phải có số bậc: khi đó ở cuối tiến trình chuyển đổi, bộ đếm duy trì số nhị phân tương đương 373 10 , tức 0101110101. Đây cũng chính là giá trị số tương đương của V A = 3.728V do ADC này tạo nên. b. Muốn hoàn tất quá trình chuyển đổi thì đòi hỏi dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc, có nghĩa 373 xung nhịp áp ào với tốc độ 1 xung trên 1ms, cho nên tổng thời gian chuyển đổi là 373ms. c. Độ phân giải của ADC này bằng với kích thước bậc thang của DAC tức là 10mV. Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm là 2.1.3 Thời gian chuyển đổi Thời gian chuyển đổi là khoảng thời gian giữa điểm cuối của xung khởi động đến thời điểm kích hoạt đầu ra của . Bộ đếm bắt đầu đếm từ 0 lên cho đến khi V AX vượt quá V A , tại thời điểm đó xuống mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đổi. Như vậy giá trị của thời gian chuyển đổi t C phụ thuộc vào V A . Thời gian chuyển đổi cực đại xảy ra khi V A nằm ngay dưới bậc thang cao nhất. Sao cho V AX phải tiến lên bậc cuối cùng để kích hoạt . Với bộ chuyển đổi N bit, ta có: t C (max) = (2 N – 1) chu kỳ xung nhịp ADC ở hình 5.20 sẽ có thời gian chuyển đổi cực đại t C (max) = (2 10 – 1)x1ms = 1023ms Đôi khi thời gian chuyển đổi trung bình được quy định bằng ½ thời gian chuyển đổi cực đại. Với bộ chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có: Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang là thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với từng bit thêm vào bộ đếm. Do vậy ADC loại này không thích hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi một tín hiệu tương tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số. Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ chậm thì bản chất tương đối đơn giản của ADC dạng sống bậc thang là một ưu điểm so với các loại ADC khác. 2.2 ADC liên tiếp - xấp xỉ Bộ chuyển đổi liên tiếp - xấp xỉ ( Successive Approximation Convetr-SAC) là một trong những loại ADC thông dụng nhất. SAC có sơ đồ phức tạp hơn nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang. Ngoài ra SAC còn có giá trị t C cố định, không phụ thuộc vào giá trị của đầu vào tương tự. Hình 5.21 là một cấu hình cơ bản của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng sóng bậc thang. Tuy nhiên SAC không sử dụng bộ đếm cung cấp đầu vào cho DAC mà thay vào đó là thanh ghi. Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu trên thanh ghi theo từng bit một cho đến khi dử liệu ở thanh ghi biến thành giá trị số tương đương với đầu vào tương tự V A trong phạm vi độ phân giải của bộ chuyển đổi. Hoạt động của ADC liên tiếp – xấp xỉ như sau: Mạch ADC hoạt động theo lưu đồ hình 5.22. Chúng ta có thể giải thích hoạt động của ADC này bằng cách dựa vào lưu đồ. Ví dụ 2 SAC 8 bit có độ phân giải là 20mV. Với đầu vào tương tự là 2.17V, hãy tính đầu ra số tương ứng. Giải Số bậc của SAC: Như vậy ở bậc thứ 108 sẽ có V AX = 2,16V, bậc 109 có V AX = 2.18V. SAC luôn sinh đầu ra V AX cuối cùng tại bậc thang bên dưới VA. Do vậy, ở trường hợp V A = 2.17, đầu ra số sẽ là 10810 = 011011002. Thời gian chuyển đổi Ở SAC hình 5.22, logic điều khiển đếm từng bit trên thanh ghi, gán 1 cho nó, quyết định có cần duy trì chúng tại mức 1 hay không rồi chuyển sang bit kế tiếp. Thời gian xử lý mỗi bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, nghĩa là tổng thời gian chuyển đổi của SAC N bit sẽ là N chu kỳ xung nhịp. Ta có: t C cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp thời gian chuyển đổi này luôn như nhau bất chấp giá trị của V A . Điều này là đo logic điều khiển phải xử lý mỗi bit dể xem có cần đến mức 1 hay không. Ví dụ 3 So sánh thời gian chuyển đổi của ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang và SAC 10 bit. Giả thiết cả hai đều áp dụng tần số xung nhịp 500kHz. Giải Với ADC dạng sóng bậc thang, thời gian cực đại sẽ là: (2 N – 1) x (1 chu kỳ xung nhịp) = 1023 x 2ms = 2046ms Với SAC, thời gian chuyển đổi luôn bằng 10 chu kỳ xung nhịp tức là 10 x 2ms = 20ms Vậy với SAC thì thời gian chuyển đổi nhanh gấp 100 lần ADC dạng sóng bậc thang. 2.3 ADC nhanh Bộ chuyển đổi nhanh (flash converter) là ADC tốc độ cao nhất hiện nay có mặt trên thị trường, nhưng sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác. Ví dụ một ADC nhanh 6 bit đòi hỏi 63 bộ so sánh tương tự, còn ADC nhanh 8 bit thì con số này lên đến 255, 10 bit thì lên đến 1023. Như vậy số lượng bộ so sánh quá lớn đã giới hạn kích cỡ của ADC nhanh. Hình 5.23 là sơ đồ của một ADC nhanh ADC nhanh ở hình 5.23 có độ phân giải 3 bit. Kích thước bậc thang là 1V. Bộ chia điện thế thiết lập mức quy chiếu cho từng bộ so sánh để có được 7 mức ứng với 1V ( trọng số của LSB ), 2V, 3V, …7V (đầy thang). Đầu vào tương tự V A được nối đến đầu vào còn lại của từng bộ so sánh. Với V A < 1V thì tất cả đầu ra của bộ so sánh đều lên mức cao. Với V A > 1V thì từ một đầu ra trở lên sẽ xuống mức thấp. Đầu ra của bộ so sánh được đưa vào bộ mã hoá ưu tiên tích cực ở mức thấp, sinh đầu ra ứng với đầu ra có số thứ tự cao nhất ở mức thấp của bộ so sánh. Lý luận tương tự ta sẽ có được bảng giá trị như bảng 5.4 Bảng 5.4 Bảng sự thật của ADC nhanh 3 bit hình 5.23 ADC nhanh hình 5.23 có độ phân giải 1V vì đầu vào tương tự phải thay đổi mỗi lần 1V mới có thể đưa đầu ra số lên bậc kế tiếp. Muốn có độ phân giải tinh hơn thì phải tăng tổng số mức điện thế vào (nghĩa là sử dụng nhiều điện trở chia thế hơn) và tổng số bộ so sánh. Nói chung ADC nhanh N bit thì cần 2 N – 1 bộ so sánh, 2 N điện trở, và logic mã hoá cần thiết. Thời gian chuyển đổi Bộ chuyển đổi nhanh không cần thiết tín hiệu xung nhịp vì tiến trình này xảy ra liên tục. Khi giá trị đầu vào thay đổi thì đầu ra của bộ so sánh sẽ thay đổi làm cho ngõ ra của bộ mã hóa thay đổi theo. Như vậy thời gian chuyển đổi là thời gian cần thiết để xuất hiện một đầu ra số mới đáp lại một thay đổi ở V A . Thời gian chuyển đổi chỉ phụ thuộc vào khoảng trể do truyền của bộ so sánh và bộ mã hóa. Vì vậy mà ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vô cùng gắn. Kỹ Thuật Số Blogthongtin.info Biên tập: Nguyễn Trọng Hòa BÀI 4: CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 1. Điều chỉnh và ổn định vị trí của một vật Khi yêu cầu mạch điều khiển đòi hỏi khống chế một vật dịch chuyển và cố định ở một mức không đổi có thể thực hiện mạch điều khiển theo sơ đồ trên hình sau Khi đặt một giá trị số nhị phân vào ngõ vào DAC, điện áp ngõ ra V a tác động mạch Op-Amps điều khiển động cơ servo M đưa vật cần điều khiển đến một vị trí đặt trước (vị trí này được xác lập khi V a = V p ). Như vậy tuỳ vào giá trị của số nhị phân, vật cần điều khiển sẽ dịch chuyển trong chiều dài từ 0 đến 100mm. Vì một lý do nào đó làm cho vật cần điều khiển lệch khỏi vị trí cân bằng (V a ≠ V p ) ví dụ như antenna bị gió thổi lệch khỏi vị trí cân bằng sẽ làm thay đổi điện áp Vp so với mass (do biến trở thay đổi vị trí), điều này sẽ tác động vào Op-Amps thay đổi điện áp trên động cơ servo M, tác động dưa vật cần điều khiển về vị trí cân bằng. 2. Mạch khởi động êm (Ramp-Start) Trong mạch điều khiển hệ truyền động có động cơ sử dụng kỹ thuật số, người ta thường sử dụng các bộ khởi động êm giúp hệ thống tránh được các xung đột biến cơ học giúp động không bị xoắn gãy trục hay hư hỏng các chi tiết cơ khí cũng như điện từ khác. Mạch này có sơ đồ khối về nguyên lý làm việc như hình sau: Khi hệ nhận được tín hiệu "START" từ mạch điều khiển, mạch đếm nhận xung clock và bắt đầu đếm lên, cùng lúc này ngõ ra Op-Amps là tín hiệu EOC (End-Of- Conversion) đang ở mức cao. Theo nhịp đếm lên của mạch đếm, DAC chuyển đổi các số nhị phân theo giá trị lớn dần như dạng sóng điện áp V AX trên hình vẽ. Tín hiệu này điều khiển hệ thống khởi động êm cho đến khi V A = V AX thì tín hiệu ngõ ra Op-Amps EOC sẽ về 0 dẫn đến kết thúc quá trình khởi động êm do cổng AND 3 ngõ vào hoạt động như một khoá điện tử. Rõ ràng, thay vì đột biến từ 0 đến V A , tín hiệu điện áp V AX tăng dần theo từng nấc nhỏ. Khoảng cách giữa 2 nấc chính là độ phân giải của DAC. 3. Mạch phát xung chỉnh được tần số và sóng dạng điện áp Nguyên lý làm việc của mạch này tương tự như mạch điều khiển đèn quảng cáo trong chương vi mạch nhớ nhưng thay vì các ngõ ra điều khiển đèn thì ở đây các tín hiệu này đưa vào DAC 0808. Khi thay đổi chương trình xuất ra từ vi mạch nhớ ta sẽ thay đổi được sóng dạng điện áp phát ra v out . Nếu muốn tín hiệu ngõ ra là sóng vuông, chỉ cần nạp trình vào EPROM như sau: Như vậy chỉ cần tính toán lại các mức điện áp tương ứng với các ngõ vào tín hiệu số lấy từ chương trình trong EPROM, ta có thể tạo ra bất kỳ sóng dạng điện áp nào ở ngõ ra. Khi muốn thay đổi tần số của sóng dạng điện áp v out , ta chỉ việc thay đổi tần số của mạch phát xung dùng vi mạch 555. Do đó, tần số của điện áp v out được chỉnh trong một khoảng rộng và trơn. . mới có thể đưa đầu ra số lên bậc kế tiếp. Muốn có độ phân giải tinh hơn thì phải tăng tổng số mức điện thế vào (nghĩa là sử dụng nhiều điện trở chia thế hơn) và tổng số bộ so sánh. Nói chung. lúc này ngõ ra Op-Amps là tín hiệu EOC (End-Of- Conversion) đang ở mức cao. Theo nhịp đếm lên của mạch đếm, DAC chuyển đổi các số nhị phân theo giá trị lớn dần như dạng sóng điện áp V AX trên. tín hiệu số lấy từ chương trình trong EPROM, ta có thể tạo ra bất kỳ sóng dạng điện áp nào ở ngõ ra. Khi muốn thay đổi tần số của sóng dạng điện áp v out , ta chỉ việc thay đổi tần số của mạch