Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC.doc

Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC

Lời nói đầu

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật Đặc biệt, trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã tạo lên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng đợc nhu cầu của con ngời trong cuộc sống Con ngời với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con ngời không thể làm đợc với khả năng của mình mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối u hoá công việc.Với sự tiến bộ này đã đáp ứng đợc những nhu cầu của con ngời trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên cứu, phát triển của khoa học kỹ thuật của các nhà khoa học nói riêng

Đối với những học viên công nghệ phần cứng chúng ta thì việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số (ADC) và ngợc lại (DAC) có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng Nó không những trang bị cho chúng ta những kiến thức sâu rộng, hiện đại mà còn tạo cho chúng ta những kỹ năng làm việc cũng nh những kinh nghiệm quý giá trong lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra tròng Trong suốt thời gian qua, với những kiến thức đợc học ở trờng cùng với sự giúp đỡ của th.s.Hà Mạnh Đào và các thầy cô trong trung tâm, chúng em đi sâu việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số (ADC) và ngợc lại (DAC) Tuy đề tài không phải là mới nhng hiểu đợc nó và ứng dụng nó có ý nghĩa hết sức thiết thực Nó chính là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hoá đơn giản, cũng nh là những hệ thống phức tạp đợc ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống

Do kiến thúc còn hạn chế, cộng với thời gian tích luỹ cha nhiều nên bản đồ án này không tránh khỏi thiếu sót và còn nhiều vấn đề cha đề cập đến hoặc có nhng cha đi sâu, chúng em rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô và các bạn trong chuyên ngành phần cứng nói riêng và trong toàn trung tâm đào tạo công nghệ cao bách khoa nói chung

Chúng em xin chân thành cám ơn th.s.Hà Mạnh Đào cùng các thầy cô trong trung tâm đào tạo công nghệ cao bách khoa đã tận tình hớng dẫn và tạo nhiều điều kiện tốt trong quá trình học tập cũng nh trong quá trình hoàn thành bản đồ án này

Phần mở đầu

Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục đợc ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng nh trong đời sống xã hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó, ngày nay việc gia công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý số có những u điểm hơn hẳn cá thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý tơng tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo l-ờng và điều khiển và đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính đợc ứng dụng rộng rãi ngày nay.Với sự ra đời các hệ thống số đã cải thiện , tối u

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

những nhợc điểm mà kỹ thuật tơng tự không đáp ứng đợc chẳng hạn nh sai số, tốc độ, tần số làm việc, tổn hao v.v Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm các đại lợng vật lý, hoá học, sinh học là các đại lợng biến thiên theo thời gian hay nói cách khác nó là các đại lợng tơng tự, để phối ghép với nguồn tín hiệu tơng tự với nguồn xử lý số, nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ thống số ta phải có các mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tơng tự sang dạng số ADC (The Analog to Digital Convertor), tín hiệu sau khi đã đợc chuyển đổi đợc xử lý qua một hệ thống xử lý tín hiệu số và đợc trả lại dạng tín hiệu ban đầu, đó là tín hiệu tơng tự thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu số-tơng tự DAC (The Digital to Analog Convertor ) Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm nhập ngày càng sâu vào đời sống kinh tế, xã hội và đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát triển những ngành khoa học mới, đơn cử nh những hệ thống tự động hoá đo lờng và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dới đây Để mở rộng tầm ứng dụng, cũng nh khả năng can thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh vực khác nhau Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa là khả năng kết nối máy tính cũng nh việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi, tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ cụ thể cũng nh vật t thiết bị có trong tay mà việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục đích khác nhau Đặc biệt đợc ứng dụng rộng rãi trong đo lờng và điều khiển tự động Tuy nhiên, để có đợc điều đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn tín hiệu đó là nguồn tín hiệu tơng tự và nguồn tín hiệu số Việc này hết sức quan trọng và không thể thiếu đợc trong hệ thống xử lý số, không những thế việc nghiên cứu tìm hiểu nó cho ta biết đợc khả năng làm việc, đọ chính xác của hệ thống cũng nh độ tin cậy của hệ thống

Phần 1

Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng dụngtrong đo lờng và điều khiển bằng máy tính

Chơng 1

Chuyển đổi tơng tự – số ADC

(The Analog to Digital Convertor)

1 Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tơng tự – số (ADC basic principles) số (ADC basic principles)

Tín hiệu tơng tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số mã hoá là rời rac theo thơi gian Để chuỷên đổi tín hiệu tơng tự sang dạng tín hiệu số đòi hỏi phải lợng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu số liên tục Để có đợc điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những khoảng thời gian nh nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành số Nh vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là:

Việc lấy mâũ tín hiệu tơng tự tại những khoảng thời gian sao cho tín hiệu số đợc mã hoá có thể khôi phục lại tín hiệu cũ một cách trung thực, ít ảnh

hởng của nhiễu và sai số do quá trình lấy mẫu Theo định lý lấy mẫu của Kacchenikop hay định lý lấy mẫu của Sharnon thì để khôi phục lại tín hiệu cũ có độ trung thực tối thiểu thì tần số của tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối thiểu bằng hai lần tần số lớn nhất của phổ tín hiệu tơng tự:

Nh vậy, một tín hiệu tơng tự có hàm tin x(t) nào đó xác định trong khoảng (to,toT) hoàn toàn có thể khôi phục từ các mẫu rời rạc của nó Với c: tần số cao nhất trong phổ x(t)

Δt: bớc rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu:

(tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x(t) )

Nh vậy số mẫu cần lấy là:

Gỉa sử coi nh bề rộng phổ của âm thanh chất lợng cao có tần số là :

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Sau khi tính toán xác định tần số lấy mẫu của tín hiệu bằngđịnh lý lấy mẫu ta đợc dãy các giá trị rời rạc.Thực hiện việc lợng tử hoá biên độ của tín hiệu tơng tự, là biến dãy các giá trị rời rạc bất kỳ đó thành dãy các giá trị nguyên x(k) bằng cách hết sức đơn giản là quy trò các giá trị đó Tuy nhiên, phải xác định đợc mức quy tròn Δx(giá trị này gọi là mức lợng tử hoá), điều này sẽ gây ra sai số lợng tử hoá , tất nhiên ta có thể hạn chế sai số này một cách tối thiểu là tăng tần số lấy mẫu Số mẫu càng lớn thì sai số càng nhỏ, điều này thể hiện qua số bit đầu ra củ bộ chuyển đổi, ngời ta dựa vào tham số này để đánh giá chất lọng chuyển đổi cũng nh độ trung thực của tín hiệu khôi phục.

Công thức lợng tử hoá: x(k).x(k.t)0.5  (5)

Với: E là phần nguyên.

VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu nh sau:

Giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu

X(k.t)Giá trị sau khi quy tròn

Sau khi thực hiện xong việc lợng tử hoá từ các tín hiệu rời rạc, ta thực hiện việc mã hoá tín hiệu số Trớc hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị phân thì cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để có dợc điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu.

Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để viết 1 con số thập phân thì phải thoả mãn điều kiện:

Ngoài ra, nếu con số biểu diễn là các con số đại số thì còn có cả số âmvà số dơng cho nên trong từ mã còn có thêm một bit nữa là bit dấu để phân

Để đánh giá chất lợng chuyển đổi nghĩa là độ trung thực của tín hiệu khôi phục ngời ta xác định sai số lợng tử cực đại:

- Sai số lợng tử cực đại:x/2

- Sai sốlợng tử càng nhỏthì độ trung thực của tín hiệu sau khi khôi phục càng cao

Nh vậy, sau khi tín hiệu tơng tự đợc lấy mẫu (rời rạc hoá thời gian) và mã hoá (lợng tử hoá về biên độ) nó chuyển thành tín hiệu số này là các giá trị rời rạc đó Cách biểu diễn theo hệ thập phân thờng dùng để chỉ thị số đo, còn trờng hợp mạch biến đổi AD là các thiết bị số thì thờng dùng hệ cơ số 2 (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số Gỉa sử gọi tín hiệu tơng tự là

Trong đó, các hệ số bk0 hoặc bằng 1 (với k=0 đến k=n-1) và đợc gọi là bit (binary digit) Trong đó, bit có trọng lợng lớn nhất ở bên trái và bit có trọng lợng nhỏ nhất ở bên phải.ở đây b0 là bit có trọng lợng nhỏ nhất Nh vậy, với một mạch biến đổi có N bit nghĩa là có N số hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấc trên hình chiếm một giá trị:

+ Dải biến đổi của điện áp tơng tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi đợc Khoảng điện áp đó có thể lấy các giá trị số từ 0 đến một số dơng hoặc âm nào đó Số các số hạng của mã số của đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tơng ứng với dải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi.

Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N=12, nghĩa là một từ mã có 12 con số nhị phân thì ADC có thể phân biệt đuợc 212=4096 mức điện áp trong dải

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

UA UUUUMAAA

biến đổi điện áp vào của nó Độ phân biệt của một ADC đợc ký hiệu là Q (đ-ợc xác định theo công thức (4) ở trên) Nh vạy, ta có thể ngầm hiểu số bit N để đặc trng cho độ chính xác Tuy nhiên, ngoài số bit đặc trng cho độ chính xác của bộ chuyển đổi trong thực tế liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác nh: Sai số lệch 0, sai số đơn điệu, sai số khuyếch đại

Hình 2 đặc tyuến lý tởng và thực của bộ chuyển đổi ADC

Nh vậy, so sánh hai đờng đặt tuyến truyền đạt lý tởng của ADC là một đờng bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1 Đờng đặc tuyến thực có sai số lệch không và là một hình bậc thang không đều do ảnh hởng của sai số khuyếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn điệu Trong đó, sai số khuyếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đờng đặc tuyến thực với độ dốc trung bình của đờng đặc tuyến lý tởng Sai số phi tuyến đợc đặc trng bởi sự thay đổi đọ dốc đờng trung bình của đạc tuyến thực trong dải biến đổi của điện áp vào Sai số này làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình bậc thang không đều Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi tuyến của đờng đặc tính biến đổi gây ra.

3.Cấu tạo, sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của ADC

(ADC Composition, Diagram and Working Principle)

3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition)

hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC

Nh vậy, một bộ chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch l-ợng tử hoá tín hiệu và mạch mã hoá tín hiệu

3.2 Nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Working Principle)

Lý t ởng

Méo phi tuyếnSai số khuếch đại

Trớc hết, mạch láy mẫu tín hiệu tơng tự tại các thời điểm khác nhau đều và cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo Tín hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa tới mạch lợng tử hoá để thực hiện hoá Trong mạch mã hoá, kết quả lợng tử hoá đợc sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cẩutên đầu ra của bộ chuyển đổi.

4 phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC

Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC , tuy nhiên chủ yếu phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian theo cách phân loại này có 4 phơng pháp biến đổi AD nh sau:

a.Phơng pháp chuyển đổi song song: Trong phơng pháp nàytín hiệu đợc

so sánh cùng một lúc với nnhiều giá trị chuẩn Do đó tất cả các bit đợc xác định đồng thời và đa đến đầu ra.

b.Biến đổi theo mã đếm: ở đây, quá trình so sánh đợc thực hiện lần lợt

từng bớc theo quy luật của mã đếm Kết quả chuyển đổi đợc xác định bằng cách đếm số lợng giá trị chuẩn có thể chứa đợc trong giá trị tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi.

c Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực hiện

lần lợt từng bớc theo quy luật mã nhị phân Các đơn vị chuản dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần, do đó các bit đợc xác định lần lợt từng bit có nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất.

d Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phơng pháp này mỗi bớc so

sánhcó thể đợc xác định đợc tối thiểu là 2 bit đồng thời.

Nh vậy, có rất nhiều phơng pháp chuyển đổi, tuy nhiên các mạch thc tế làm việc theo nhiều phơng pháp khác nhau Nhng về nguyên tắc chuyển đổi đều làm theo những phơng pháp trên Trong quá trình thiết kế một hệ thống đo lờng và điều khiển bằng máy tính, hay một hệ thống đo lờng số nào đó tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống nh tốc độ,độ chính xác vật t hiện có mà lựa chọn phơng pháp chuyển đổi khác nhau Mỗi phơng pháp đều có u nhợc điểm khác nhau, chính vì vậy việc nghin cứu nguyên lý hoạt động , tính năng kỹ thuạt của từng phơng pháp cũng nh từng mạch cụ thể là nhiệm vụ của ngời thiết kế Sau đây ta tìm hiểu từng phơng pháp chuyển đổi:

4.1 Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp tích phân một sờn dốc (theRamp type ADC).

4.1.1 Sơ đồ khối :

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Hình 4 Sơ đồ khối phơng pháp tích phân một sờn dốc

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Một đầu ra

4.1.2.Nguyên lý làm việc

Bộ điều khỉên tạo xung điều khiển(Xung Clock), xung này có nhiệm vụ xoá “0” bộ đếm và tạo điện áp răng ca.Nó chính làbộ tạo điện áp mẫu có độ méo %nhỏ

Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp cần đo với điện áp chuẩnU0.

2 đầu vào

hình 6 bộ so sánh

Khi đặt 2 điện áp đầu vào bằng nhau thì có xung ra tại thời điển t1 Xung ra này kích bộ tạo cửa thời gian là Triger ó hai trạng thái ổn định và làm cho bộ cửa thời gian từ trạng thái “0” chuyển sang trạng thái “1” Sau khi có điện áp U ũU0 vào bộ so sánh 2 thì nó sẽ so sánh giá trị và đa ra xung đếm tại thời điểm t2 Xung đếm này làm cho bộ tạo xung chuyển trạng thái từ trạng thái “1” sang trạng thái “0” , đồng thời mở cửa để bộ tạo xung đếm lọt qua, các xung này sẽ đợc lu trữ tại các thanh ghi của bộ đếm xung Trong thực tế, thờng sử dụng các vi mạch khuyếch đại thuật toán làm bộ so sánh.

Ta thấy rằng ở sơ đồ nguyên lý ngoài điện áp Ux cần cho điện áp U0

.Điện áp U0 là điện áp đợc tạon ra nhằm mục đích đo chính xác giá trị của điện áp Ux vì khi bắt đầu quá trình chuyển đổi nó cha ổn định do tính

4.1.3 Sai số chuyển đổi và cách khắc phục.

Để thực hiện đo lờng và chuyển đổi bằng máy tính thông qua card ghép nối chuyển đổi tơng tự-số ADC ngoài việc phải hiểu nguyên lý hoạt động của nó, ta còn phải biết tính năng đo lờng cũng nh độ chính xác của từng bộ chuyển đổi.

Vậy độ chính xác của bộ chuyển đổi sử dụng phơng pháp trên phụ

thuộc vào các yếu tố gì ?

* Để trả lời cho câu hỏi trên ta phải xem xet từng yếu tố tuỳ thuộc:

 Do nhiễu xung can thiệp vao mạch biến đổi

 Do sự không đồng bộ giữa xung mở cửa và chuỗi xung chuẩn

dẫn đến sai số phơng pháp đo* cách khắc phục:

Bộ so sánh

 Trớc hết phải tạo điện áp chuẩn Uchthật chuẩn % nhỏ, sai số doTần

 Giảm sai số phơng pháp, tăng tần số xung chuẩn, tuy nhiên cũng phải phụ thuộc vào độ phân giải của bộ đếm xung.

4.2 Bộ chuyển đổi AD theo phơng pháp tích phân hai sờn rốc.

(The dual-slope integerating type A/D converter)

4.2.1 Sơ đồ khối cấu tạo.

Hình 7 sơ đồ khối cấu tạo bộ chuyển đổi theo phơng pháp hai sờn dốc

Hình 8 giản đồ thời gian4.2.2 Nguyên lý hoạt động.

Mạch logic điều khiển, điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì điện áp tơng tự cần chuyển đổi UA nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R tại thời điểm t1 Khi đó ở đầu ra của mạch tích phân A1 Có điện áp đợc tính theo

U có độ dốc khác nhau Trong thời gian t1, bộ đếm 0 cũng đếm các xung nhịp Sau khi nạp điện áp cần đo UA cho tụ điện C, mạch logic điều

khiển sẽ chuyển khoá K sang vị trí 2 đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

đợc đa đến mạch AND ( mạch “Và”) và làm chomạch AND thông khi có xung nhịp tác động Tại thời điểm này, mạch đếm ở đầu ra bắt đầu thực hiện đếm và mạch đếm 0đợc mạch logic điều khiển về vị trí nghỉ.

Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn Uch bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều

Gỉa thiết sau thời gian t2 thì |Uc' Uc" |, nghĩa là điện áp Uc

trên tụ C bằng “0” vì hai điện áp đợc nạp vào tụ có nhiều cách khác nhau

Sau thời gian t2. mạch đếm ra bị ngắt vì điện áp trên tụ Uc = 0 và mạch logic đóng cổng AND Qúa trình lặp lại tơng tự trong quá trìng chuyển đổi tiếp theo.

Nh vậy, theo công thức ta thấy số xung đếm đợc ở đầu ra tỷ lệ với điện áp tơng tự UA cần chuyển đổi ở đây, kết quả đếm không phụ thuộc vào

các thông số RC của mạch và cũng không phụ thuộc vào tần số fn chính vì lẽ đó kết qủa chuyển đổi cũng khá chính xác, tuy nhiên yêu cầu cần thiết là tần số nhịp phải có độ ổn định cao nghĩa là giá trị tần số xung nhịp phải nh nhau trong khoảng thới gian t1 ,t2

Tóm lại, trong phơng pháp này.ta dã làm cho điện áp cần chuyển đổi UA Tỷ lệ với thời gian (t1,t2 ) rồi đếm số xung nhịp xuất hiện trong khoảng thời gian đó Phơng pháp này cho ta chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu

Mạch dãy liên tục tạo

Trong phơng pháp chuyển đổi này, tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi UA cần chuyển đổi đợc đa đồng thời tới đầu vào cá bộ so sánh Điện áp chuẩn Uch đợc đa đến đầu vào còn lại của các bộ so sánh qua thanh điện trở R Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhau một lợng không đổi và giảm dần Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thanh điện trở có mức logic “1”, ngợc lại các đầu ra của các bộ so sánh co điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn có mức logic “0 Tất cả các đầu ra của các bộ so sánh đợc nối vào mạch AND có một đầu đợc nối vào một mạch tạo xung nhịp Chỉ khi có xung nhịp đợc đa đến tác động vào đầu mạch AND thì các xung ra của các bộ so sánh mới đợc nạp vào bộ nhớ là các Flip-Flop.Các xung sau khi đợc nhớ vào mạch nhớ nó đợc ma hoá thành dạng nhị phân Nh vậy, cúu sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ xung nhịp thì lại có một tín hiệu đợc chuyển đổi.

Nh vậy, bộ chuỷên đổi tơng tự-số làm việc theo phơng pháp chuyển đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh vì quá trình so sánh đợc thực hiện song song cùng một khoảng thời gian Tuy nhiên, kết cấu mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn Với bộ chuỷên đổi N bit, để phân biệt đợc 2n mức lợng tử hoá thì phải dùng tới (2N - 1) bộ so sánh Chính vì lẽ đó bộ chuyển đổi sử dụng phơng pháp chuyển đổi này chỉ đựoc sử dụng trong hệ thống chuyên dụng có yêuc cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao Ngày nay, ngời ta đã chế tạo đợ card ADC7 bit tần số fC = 15MHZ.

4.4.Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp xấp xỉ liên tiếp(The Successive-approximation type ADC)

4.4.1 sơ đồ khối cấu tạo.

Phơng pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp là phơng pháp phổ biến cho cáckiểu ADC do tính năngtốc độ, độ chín xác và tính dễ thiết kế của nó Nóhoạt động nhờ việc so sánh thế đợc sinh ra với thế nối vào Một mạchdãy và một mạch chuyển đổi số-tơng tự ADC, một đồng hồ xung nhịp vàmột thanh ghi xấp xỉ liên tiếp SAR

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Hình 11 Sơ đồ khối phơng pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp

4.4.2 Nguyên lý hoạt động.

Nguyên tắc làm việc chủ yếu là dựa trên cơ sở đúng và sai Tín“ ” “ ”

hiệu lối vào đợc xấp xỉ liên tiếp bằng một nửa độ lớn của bớc trớc đó.Ban đầu nó kiểm tra xem nếu điện thế lối vào Vin lớn hơn một nửa khoảng điện thế (VRanger ) của ADC Gỉa sửrằng lối ra là đúng“ ” thì phép xấp xỉ tiếp theo sẽ kiểm tra xem nếu Vin lớn hơn (1/2 + ẳ) giải điện áp VRanger Qúa trình này sẽ lặp lại cho đến khi thế vào xấp xỉ đủ chính xác

Các điện áp mẫu đợc tạo ra bằng bộ chia mẫu điện áp Số lợng điện áp mẫu tơng ứng với số bậc của bộ biến đổi hay là só bit của từ mã nhị phân ở đầu ra bộ chuyển đổi

Hình 12 Giản đồ thời gian

Bộ khuyếch đại thật toán ở đây sử dụng để so sánh hai giá trị điện thế ở cùng độ lớn (Biên độ của tín hiệu tơng tự), nếu không sử dụng ở chế độ phản hồi Lối ra của bộ khuyếch đại lý tởng là +0.5 volt, nếu V+ > V- và bằng – số (ADC basic principles)15 volt nếu V+ < V- Những mạch nh vậy đợc gọi là bộ so sánh(comparator) Trong trờng hợp này, Vout là giới hạn về không tơng ứng với 5 volt đẻ lối ra có thể tơng thích mức TTL

Ngoài bộ so sánh đợc sử dụng trong bộ chuyển đổi này còn có mạch chuyển đổi DAC có nhiệm vụ chuyển đổi số nhị phân thành thế tơng tự tơng ứng với độ lớn (Biên độ của tín hiệu tơng tự) với giá trị số đó

Hiệu suất chuyển đổi của kỹ thuật này là chuyển đổi có độ phân giải cao, có thể làm việc trong thời gian rất ngắn hay tốc độ chuyển đổi cao Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi còn phụ thuộc vào các mạch nối dặc biệt là bộ DAC và bộ so sánh.

Ngoài ra, sai số của phép chuyển đổi này phụ thuộc vào độ chính xác, độ ổn định của điện áp mẫu và sai số cả các thiết bị so sánh.

Chơng 2.

Chuyển đổi số - tơng tự DAC (The Digital to Analog Convertor)

Chuyển đổi số – số (ADC basic principles)tơng tự (DAC) là một khâu không kém phần quan trọng trong một hệ thống đo lờng và điều khiển bằng máy tính Để điều khiển một hệ thống nh điều khiển tăng, giảm ổn nhiệt của một lò nhiệt dùng trong công nghiệp haynh điều khiển động cơ điện thì máy tính cần

phát ra tín hiệu điều khiển Tín hiệu này là tín hiệu số vì thế trong hâù hết các hệ thống tự động hoá cần phải chuyển tín hiệu này thành tín hiệu tơng tự (dòng điện và điện áp biến thiên liên tục).Mạch điện thực hiện chức năng này là mạch chuyển đổi số- tơng tự(DAC).

Nh vậy, mạch chuyển đổi tơng tự-số sẽ thực hiện chuyển đổi từ n bit(Binary Digit) thành 2n giá trị điện áp khác nhau, các điện áp này đựơc lấy ra từ một diện áp so sánh xác định Nguồn điện áp so sánh có thể tìm thấy ở chính bên trong bộ chuỷên đổi DA hoặc từ một nguồn điện áp từ bên ngoài Độ phân giải đợc chỉ ra nh là độ rộng của giá trị số đợc biến đổi.Vì thế, một bộ biến đổi D/A n bit có thể tạo ra 2n giá trị lối ra khác nhau Khi ta chọn dải điều chỉnh có độ rộng 10v nh thờng thấy trong công nghiệp, thì sẽ có những bớc nhảy điện áp nhỏ nhất nh sau:

Chuyển đổi số-tơng tự (DAC) là quá trình làm lại tín hiệu tơng tự từ N số hạng hay nói cách khác từ N bit đã biết của tín hiệu so với độ chính xác là một mức lợng tử là LBS

Hình 13 sơ đồ khối quá trình khôi phục tín hiệu tơng tự

Để lấy đợc tín hiệu tơng tự từ tín hiệu số là tín hiệu rời rạc theo thời

gian, tín hiệu nàyđợc đa qua một bộ lọc thông thấp lý tởng.Trên đầu ra của bộ lọc có tín hiệu UA biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um ở đây bộ loc thông thấp đóng vai trò nh một bộ nội suy

Hình 14 Giản đồ thời gian2.các phơng pháp chuyển đổi số- tơng tự

2.1.Chuyển đổi số-tơng tự bằng phơng pháp đấu điện trở R-2R

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm