Đồ Án: Chuyển Đổi ADC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển kinh tế khoa học kỹ thuật đường công nghiệp hoá đại hoá đất nước Ngành Cơ-Điện-Điện Tử nói chung có bước tiến vượt bậc mang lại thành đáng kể Để thúc đẩy nề kinh tế đất nước ngày phát triển, giàu mạnh phải đào tạo cho hệ trẻ đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày cao xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo phải đưa phương tiện dạy học đại vào giảng đường, trường học có trình độ người ngày cao đáp ứng nhu xã hội Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM số trường trọng đến việc đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu giảng dạy giúp sinh viên có khả thực tế cao Để sinh viên có tăng khả tư làm quen với công việc thiết kế, chế tạo chúng em giao cho thực đồ án: “THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D DÙNG OP-AMP ”nhằm củng cố mặt kiến thức thực tế, tổng hợp nâng cao kiến thức chuyên nghành Sau nhận đề tài, nhờ giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn với nỗ lực cố gắng, tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến đồ án em mặt hoàn thành Trong trình thực dù cố gắng trình độ hạn chế kinh nghiệm nên tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận bảo giúp đỡ đóng góp ý kiến thầy, cô giáo khoa để đồ án chúng em ngày hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo với thầy cô giáo khoa giúp chúng em hoàn thành đồ án Trang 1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC LỜI CẢM ƠN L ời đầu tin em xin chân thành cảm ơn tất quí thầy/cô giáo hướng dẫn bảo tận tình thời gian em làm Đồ án Môn Học vừa qua, đặc biệt khoa Cơ - Điện – Điện Tử tạo điều kiện thuận lợi cho em hòan thành đồ án Em vô biết ơn Cô/Thầy ThS LÊ QUỐC ĐÁN người trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình cho em hòan thành Đồ Án Mạch Chuyển Đổi A/D Dùng Op-amp Vì lần đầu làm đồ án thiết kế thi công mạch với kiến thức thời gian hạn chế nên không tránh khỏi nhiều sai sót Với ước mong học hỏi, em mong nhận góp ý quí thầy, cô giáo bảo, hướng dẫn thêm để em rút kinh nghiệm cho đồ án tốt Xin chân thành cảm ơn Trang 2 ĐỒ ÁN MÔN HỌC MỤC LỤC   LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 NỘI DUNG 1.2.1 Cơ sở lý luận 1.2.1.1 Khái niệm chung 1.2.2.1 Các tham số 1.2.2.1.2 Độ xác chuyển đổi A/D 1.2.2.1.3 Tốc độ chuyển đổi 1.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI A/D  CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MỘT SỐ LOẠI LINH CÓ TRONG MẠCH 2.1 IC ổn áp 7805 2.2 IC mã hóa 74LS148 KIỆN 2.3 IC LM339N CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH .12 3.1 Sơ Đồ Khối 3.2 Sơ Nguyên Lý .13 3.2.1 Lấy mẫu 13 • Lấy mẫu tính hiệu 13 3.2.2 Mạch ADC song song .14 • Lượng tử hóa 15 • Mã hóa .17 • Thi Công Mạch .20  KẾT LUẬN 21  TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 Trang 3 ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Chương nêu lên nguyên tắc chung chuyển đổi tín hiệu tương tự (Analog) thành tín hiệu số (Digital) A/D chuyển đổi tín hiệu số (Digital) thành tín hiệu tương tự (Analog) D/A Nêu số mạch điện để thực trình Các vấn đề chương gồm: - Cơ sở lý luận: Khái niệm chung chuyển đổi A/D, D/A, tham số bản, giải biến đổi điện áp tín hiệu tương tự đầu vào, độ xác qúa trình chuyển đổi A/D, tốc độ chuyển đổi - Các bước chuyển đổi A/D: lấy mẫu giữ mẫu, lượng tử hoá, mã hoá - Các phương pháp chuyển đổi A/D + Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song + Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản + Chuyển đổi A/D theo phương pháp hai sườn dốc So sánh phương pháp chuyển đổi A/D - Chuyển đổi A/D phi tuyến: đặc tính chuyển đổi A/D phi tuyến, đặc tính chuyển đổi D/A phi tuyến Đặc tính chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến thực tế - Các phương pháp chuyển đổi D/A + Các bước chyuển đổi D/A + Chuyển đổi D/A phương pháp thang điện trở + Chuyển đổi D/A phương pháp mạng điện trở Trang 4 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1.2 NỘI DUNG 1.2.1 Cơ sở lý luận 1.2.1.1 Khái niệm chung Để ghép nối nguồn tín hiệu tương tự với hệ thống xử lý số người ta dùng mạch chuyển đổi tương tự - số (viết tắt A/D) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang dạng số Hoặc dùng mạch chuyển đổi số - tương tự (viết tắt D/A) trường hợp cần biến đổi số sang dạng tương tự 1.2.2.1 Các tham số 1.2.2.1.1 Giải biến đổi điện áp tín hiệu tương tự đầu vào Là khoảng điện áp mà chuyển đổi A/D thực Khoảng điện áp lấy trị số từ đến giá trị dương âm điện áp hai cực tính từ -UAm đến +Uam 1.2.2.1.2 Độ xác chuyển đổi A/D Tham số đặc trưng cho độ xác A/D độ phân biệt Ta biết đầu A/D giá trị số xếp theo quy luật loại mã Số số hạng mã số đầu tương ứng với dải biến đổi điện áp vào, cho biết mức xác phép biến đổi 1.2.2.1.3 Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi cho biết kết chuyển đổi giây gọi tần số chuyển đổi fC Cũng dùng tham số thời gian chuyển đổi T C để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi TC thời gian cần thiết cho kết chuyển đổi Chú ý f C ≠ Thường fC Khi chuyển A/D có tốc độ cao độ xác giảm ngược lại, nghĩa tộc độ chuyển đổi độ xác mâu thuẫn với Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà dung hoà yêu cầu cách hợp lí Trang 5 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI A/D Có nhiều phương pháp chuyển đổi A/D, người ta phân bốn phương pháp biến đổi sau: - Biến đổi song song Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu so sánh lúc với nhiều giá trị chuẩn Do tất bit xác định đồng thời đưa đến đầu - Biến đổi nối mã đếm: Ở trình so sánh thực bước theo quy luật mã đếm Kết chuyển đổi xác định cách đếm số lượng giá trị chuẩn chứa giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi - Biến đổi nối mã nhị phân Quá trình so sánh thực bước theo quy luật mã nhị phân Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy giá trị giảm dần theo quy luật mã nhị phân, bit xác định từ bit có nghĩa lớn (MSB) đến bit có nghĩa nhỏ (LSB) - Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong phương pháp này, qua bước so sánh xác định tối thiểu bit đồng thời Hình 1.1: Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng thực mạch chuyển đổi A/D Trang 6 ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MỘT SỐ LOẠI LINH KIỆN CÓ TRONG MẠCH 2.1 Giới Thiệu IC ổn áp 7805 Có lẽ 7815 mạch nguồn mà người sử dụng nhiều thông dụng - Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ ráp - Nhược điểm: Nhiệt sinh cao, dòng chịu không cao Sơ đồ chân: Chân (): Chân nguồn đầu vào Chân (): Chân nối đất Chân (): Chân nguồn đầu Cách mắc 7805 điều chỉnh điện áp (5V) Nguyên lý ổn áp: Thông qua điện trở R2 D1 gim cố định điện áp chân Rt Transistor Q1, giả sử điện áp chân E đèn Q1 giảm => điện áp UBE tăng => dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E đèn tăng , ngược lạ Cách mắc: Trang 7 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2.2 Giới Thiệu IC 74LS148 Hình 2.3: IC 74LS148 thực tế • Cấu tạo IC 74148 IC mã hóa ưu tiên đường sang đường, vào/ tác động thấp, có ngã nối mạch để mở rộng mã hóa với số ngã vào nhiều Dưới bảng thật IC 74148, E i ngã vào nối mạch cho phép, E o ngã nối mạch Gs dùng để mở rộng cho số nhị phân Dựa vào bảng thật, ta thấy IC làm việc theo 10 trạng thái: - Các trạng thái từ đến 7: IC mã hóa cho số bit - Các trạng thái 9: dùng cho việc mở rộng, giải thích rõ nối IC để mở rộng mã hóa cho số bit Trang 8 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 2.4: Bảng Sự Thật IC 74LS148 • Các đặc điểm IC 74LS148 Chức IC: Bộ mã hóa đường sang đường Số cổng: 16 Điện áp sử dụng (max): 4.75V - 5.25V Điện áp vào tối đa: 5.5V VIL – VIH: 0.8V - 2.0 Kiểu chân: DIP16 Hình 2.5: Sơ đồ chân IC 74LS148 Trang 9 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2.3 Giới Thiệu IC LM339 Hình 2.6: IC LM 339N thực tế • Cấu tạo IC so sánh LM339N gồm bốn so sánh độc lập, với điện áp offset thấp cỡ 2mV cho so sánh LM339N thiết kế để làm việc với nguồn đơn dải điện áp rộng hoạt động từ nguồn kép Dòng điện cung cấp cho cực máng LM339N độc lập với nguồn cung cấp LM339 có đặc điểm bật vùng điện áp mode chung đầu vào bao gồm đất, hoạt động từ nguồn đơn.Các đặc điểm LM 339N • Các đặc điểm LM 339N Model: 14 chân, xuyên lỗ Điện áp: 3V - 36V (Nguồn đơn) Dải nhiệt độ hoạt động: ~ C Hình 2.7: Sơ đồ chân IC LM339N Trang 10 10 ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHƯƠNG III: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ SƠ ĐỒ 3.1 Sơ Đồ Khối Digital Analog Nguyên Lý Hoạt Động: Tín hiệu tương tự đưa đến mạch lấy mẫu, tín hiệu mạch lấy mẫu đưa đến mạch lượng tử hoá làm tròn với độ xác: Sau mạch lượng tử hoá mạch mã hoá Trong mạch mã hoá, kết lượng tử hoá xếp lại theo mét quy luật định phụ thuộc vào loại mã yêu cấu đầu chuyển đổi Trong nhiều loại ADC, trình lượng tử hoá mã hoá xảy đồng thời, lúc tách rời hai trình Sau xem xét cụ thể nhiệm vụ khối chức sơ đồ khối trình bày hình vẽ: - - Lấy mẫu tín hiệu tương tự thời điểm khác tức rời rạc hoá tín hiệu mặt thời gian Giữ cho biên độ điện áp thời điểm lấy mẫu không đổi trình chuyển đối (quá trình lượng tử hoá mã hoá) Mạch lượng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín hiệu tương tự mặt biên độ Như vậy, nhờ trình lượng tử hoá, tín hiệu tương tự biểu diễn mét số nguyên lần mức lượng tử Tức là: Kĩ thuật biến đổi tương tự – số ADC Ghi chú: X : tín hiệu tương tự thời điểm i Ai Z : tín hiệu số thời điểm i Di Q: mức lượng tử X : số dư phép lượng tử hoá Ai int(integer): phần nguyên Trang 11 11 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3.2 Sơ Nguyên Lý Và Tính Toán 3.2.1 Lấy Mẫu • Lấy Mẫu Tính Hiệu Đối với tín hiệu tương tự VI tín hiệu lấy mẫu Vs sau trình lấy mẫu khôi phục trở lại VI cách trung thực điều kiện sau thỏa mản : Fs ≥ 2.Fmax (*) Với: Fmax: Là giới hạn giải tần số tương tự Fs: Tần số lấy mẫu Hình biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tƣơng tự đầu vào Nếu biểu thức (*) đượ thỏa mản ta dùng tụ lọc thông thấp để khôi phục VI từ VS Vì lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng cần có thời gian định nên phải nhớ mẫu khoảng thời gian cần thiết sau lần lấy mẫu Điện áp tương tự đầu vào thực chuyển đổi A/D thực tế giá trị V I đại diện, giá trị kết lần lấy mẫu Trang 12 12 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 3.1: Tín hiệu tương tự tín hiệu sau lượng tử rời rạc hoá 3.2.2 Mạch ADC Song Song KÉO RA CÓ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ BÊN TRONG :D Trang 13 13 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch ADC song song Nguyên Lý Hoạt Động: Trong phương pháp biến đổi song song, tín hiệu so sánh lúc với nhiều giá trị chuẩn Do tất bít xác định đồng thời đưa đến đầu Điện áp đưa đồng thời tới đầu vào so sánh SS1, SS2…,SSm, điện áp chuẩn đưa đến đầu vào thứ qua thang điện trở R, điện áp chuẩn đặt vào so sánh lân cận khác lượng không đổi giảm dần từ SS1 -> SSm Tại đầu so sánh: điện áp vào lớn điện áp chuẩn: cho mức logic 1, điện áp vào nhỏ điện áp chuẩn: cho mức logic Bộ mã hóa biến đổi tín hiệu vào dạng mã đếm thành mã nhị phân Trong phương pháp này, điện áp cần lượng tử hóa so sánh đồng thời với mức điện áp chuẩn, sai khác bước lượng tử q Kết so sánh xuất đồng thời đầu so sánh tương tự chúng chuyển thành số nhị phân N bit cửa mạch chuyển đổi mã Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch ADC song song Sơ đồ mạch chuyển đổi ADC bit Phân áp điện trở thành mức điện áp chuẩn Bước lượng tử q xác định sau: Trang 14 14 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tín hiệu logic đầu so sánh phụ thuộc vào quan hệ với giá trị điện áp vào chân âm so sánh ( k = 1, 2, 3,…,7) Mạch chuyển đổi mã biến mã đầu so sánh thành tín hiệu nhị phân Để giải nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu đầu so sánh thành bit nhị phân, người ta thường dùng giải mã 8-3 • Lượng Tử Hóa Lượng Tử Hóa tiến trình số hóa tín hiệu biểu diễn giá trị xác cho mẫu lấy Mỗi mẫu gán cho giá trị số, tương ứng với biên độ (theo chiều cao) mẫu Sau thực giới hạn biên độ tương ứng với dải mẫu, đến lượt mẫu so sánh với tập hợp mức lượng tử gán vào mức xấp xỉ với Qui định tất mẫu khoảng hai mức lượng tử xem có giá trị Sau giá trị gán dùng hệ thống truyền Sự phục hồi hình dạng tín hiệu ban đầu đòi hỏi thực theo hướng ngược lại Hình 3.4: Lượng tử hóa tín hiệu rời rạc Mạch chia áp : Trong phần thiết kế mạch, nhóm sử dụng mạch chia áp, thực chất thang điện trở mắc nối tiếp từ điện áp đến ground Thang điện trở làm nhiệm vụ chia điện áp thành mức điện áp giảm dần cấp vào chân âm Trang 15 15 ĐỒ ÁN MÔN HỌC so sánh Thang điện trở thiết kế đảm bảo cho mức điện áp chuẩn giảm dần theo bước lượng tử: Độ phân giải : Giá trị điểm mẫu lưu giữ biến có chiều dài xác định.Nếu biến dùng bits, có nghĩa lưu giữ giá trị từ tới ( ) Cho nên,nệệ́u dùng ADC 3-bit ,giá trị thấp giá trị cao Bộ So Sánh : ADC song song sử dụng so sánh mà so sánh điện áp tham chiếu với điện áp đầu vào tương tự Khi điện áp tương tự vượt điện áp tham chiếu cho so sánh đưa ra, cao tạo Nói chung ( ) so sánh yêu cầu Vì vậy, cho chuyển đổi 3-bit so sánh yêu cầu Tuy nhiên ADC song song cung cấp thời gian chuyển đổi nhanh trình song song Trong phần thiết kế sử dụng sánh giá trị điện áp với mức Thực chất khuếch đại thuật toán lý tưởng OPAMP Hình 3.5: Sơ đồ khối so sánh Hiểu cách đơn giản so sánh so sánh mức tín hiệu đầu vào Nếu ( với điện áp tín hiệu cần so sánh, mức điện áp chuẩn) đầu mang mức giá trị 1; đầu mang mức giá trị Điện Áp Chuẩn : Chọn điện áp chuẩn để lấy mẫu 5V - Như bước lượng tử là: • Mã Hóa Với mạch chuyển đổi ADC song song có độ phân giải bit, ta có = so sánh, ta có tín hiệu đầu ứng với so sánh Mặt khác độ phân giải mạch bit nên cần phải có giải mã chuyển tín hiệu đầu từ so sánh sang bit nhị phân Trong phần thiết kế này, sử dụng IC 74LS148D Đây giải mã 8-3 (từ đường sang đường) Trang 16 16 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Mạch mã hoá đường sang đường gọi mã hoá bát phân sang nhị phân (có ngõ vào chuyển thành ngõ ra) dạng số nhị phân bit Trong lúc có ngõ vào mức tích cực tương ứng với tổ hợp mã số ngõ ra; tức ngõ vào cho mã số bit khác Hình 3.6: Khối Mã Sang Với ngõ vào (I0 đến I7) có tổ hợp ngõ nên cần ngõ (Y2, Y1,Y0) Bảng trạng thái mạch mã hoá sang sau: Hình 3.7: Bảng Mã Trạng Thái Sang Từ bảng trên, ta có: Y0 = Y1 = Y2 = Dựa vào biểu thức ta vẽ mạch logic hình đây: Trang 17 17 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 3.8: Cấu Trúc Mạch Mã Sang Chọn thang điện trở với điện trở đảm bảo cho điện áp tham chiếu giảm chân âm so sánh Vậy ta có bảng mô tả hoạt động ADC theo lý thuyết sau: S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 B1 B B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Bảng mô tả hoạt động ADC theo lý thuyết Trang 18 18 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Với Điển áp U = 5V, Bước lượng tử S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 B1 B B 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Bảng mô tả hoạt động ADC theo tính toán • Thi Công Mạch Sơ Đồ Chân Trang 19 19 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hình 3.9 Sơ Đồ Mạch In Hình 3.10 KẾT LUẬN Chuyển đổi tương tự - số phần thiết yếu công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyển đổi ADC theo phương pháp song song ứng dụng nhiều trở thành yếu tố quan trọng hệ thống Điện tử - Viễn thông tiên tiến Việc tính toán phân tích tín hiệu mạch chuyển đổi tương tự - số phần mềm mô chuyên dụng giúp thực tế hóa kiến thức, hiểu biết, kỹ tính toán phân tích tín hiệu giúp em hiểu rõ cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động chuyển đổi ADC Đồng thời qua việc tính toán phân tích tín hiệu giúp em có nhìn tổng quan chuyển đổi ADC, biết ưu điểm, nhược điểm mạch Trang 20 20 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Mạch chuyển đổi ADC theo phương pháp song song, có tốc độ chuyển đổi nhanh trình so sánh chuyển đổi song song kết cấu mạch phức tạp cần nhiều linh kiện nên thường ứng dụng mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải nhỏ Trong trình nghiên cứu, tính toán phân tích mạch, em đầu tư thời gian, công sức tìm hiểu mạch vốn kiến thức hạn chế nên tập lớn nhiều thiếu xót chưa tìm hiểu mô nhiều linh kiện khác để phân tích ảnh hưởng linh kiện đến chất lượng đầu tín hiệu Kính mong thầy cô hội đồng chấm thi góp ý, sửa đổi, bổ sung thêm để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn! CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình     Điện Tử Tương Tự Điện Tử Tương Tự Kỹ Thuật Số Cấu Kiện Điện Điện Tử Trang internet nghiên cứu: http:// www.alldatasheet.com http://www.tailieu.vn http://www.dientuvietnam.net http://www.123doc.org/ Trang 21 21 ... phép biến đổi 1.2.2.1.3 Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi cho biết kết chuyển đổi giây gọi tần số chuyển đổi fC Cũng dùng tham số thời gian chuyển đổi T C để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi TC... đặc tính chuyển đổi A/D phi tuyến, đặc tính chuyển đổi D/A phi tuyến Đặc tính chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến thực tế - Các phương pháp chuyển đổi D/A + Các bước chyuển đổi D/A + Chuyển đổi D/A... hoạt động chuyển đổi ADC Đồng thời qua việc tính toán phân tích tín hiệu giúp em có nhìn tổng quan chuyển đổi ADC, biết ưu điểm, nhược điểm mạch Trang 20 20 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Mạch chuyển đổi ADC theo