Giáo trình kỹ thuật số ( Chủ biên Võ Thanh Ân ) - Chương 8

[r]

CHƯƠNG 8: BIẾN ĐỔI AD & DA BIẾN ĐỔI SỐ – TƯƠNG TỰ (DAC)

• DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác

• DAC dùng mạng điện trở hình thang

• DAC dùng nguồn dịng có trọng lượng khác

• Đặt tính kỹ thuật DAC

9 BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ – SỐ (ADC)

• Mạch lấy mẫu giữ • Nguyên tắc mạch ADC

• ADC dùng điện tham chiếu nấc thang

• ADC gần

• ADC dốc đơn

• ADC tích phân

• ADC lưỡng cực

• ADC song song

I GIỚI THIỆU

Có thể nói biến đổi qua lại tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số (và ngược lại) cần thiết vì:

- Hệ thống xử lý tín hiệu số mà tín hiệu tự nhiên tín hiệu tương tự: cần thiết có mạch đổi tương tự sang số

- Kết từ hệ thống số đại lượng số: cần thiết phải đổi thành tín hiệu tương tựđể tác động vào hệ thống vật lý thể bên (ví dụ tái tạo âm thanh, hình ảnh,…) hay dùng vào việc điều khiển sau (ví dụ dùng điện tương tựđểđiều khiển vận tốc động cơ)

II BIẾN ĐỔI SỐ – TƯƠNG TỰ (DIGITAL TO ANALOG

CONVERTER, DAC)

1 Mạch biến đổi DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác

Hình: Mạch biến đổi DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác nhau Trong mạch trên, thay OP-AMP điện trở tải, ta có tín hiệu dịng

điện

Như vậy, OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện điện thế, đồng thời mạch cộng

VO

I1↓ R

I2↓ 2R

I3↓ 4R

I4↓ 8R

b0 LSB b1 b2 b3 MSB

VR

– +

0 1

Ta có: R R V b b b b R R V b b b b I R V n F R n n n n F R F O 1 2 1 1 2 3 ) 2 ( ) 2 ( − − − − − + + + + − = + + + − = − =

Nếu RF = R thì: 21

2 1 ) 2 ( − − − − − + + + + −

= nn R

n n n O V b b b b V

Ví dụ: Khi số nhị phân 0000 vo = 0V, 1111 vo = –15V Với VR = 5V; R = RF = 1KΩ, ta có kết sau:

b3 b2 b1 b0 VO (V)

0 0 0

0 0 – 0.625

0 – 1.250

0 1 – 1.875

0 0 – 2.500

0 1 – 3.125

0 1 – 3.750

0 1 – 4.375

1 0 – 5.000

1 0 – 5.625

1 – 6.250

1 1 – 6.875

1 0 – 7.500

1 1 – 8.125

1 1 – 8.750

1 1 –9.375

Mạch có số hạn chế sau:

- Sự xác tùy thuộc vào điện trở mức độ ổn định nguồn tham chiếu VR

- Với số nhị phân nhiều bit, cần điện trở có giá trị lớn, khó thực

2 Mạch biến đổi DAC dùng mạng điện trở hình thang

Hình: Mạch biến đổi DAC dùng mạng điện trở hình thang VO

2R

b0 LSB b1 b2 b3 MSB

VR

– +

0 1

RF R R R 2R N0

N1 N2 N3

Cho RF = 2R cho bit có giá trị - Cho b3 = 1, bit khác = 0, ta vo = – (Vr / 24) - Cho b2 = 1, bit khác = 0, ta vo = – (Vr / 24) - Cho b1 = 1, bit khác = 0, ta vo = – (Vr / 24) - Cho b0 = 1, bit khác = 0, ta vo = – (Vr / 24)

Ta thấy, vo tỉ lệ với giá trị B tổ hợp B = b3b2b1b0 ⇒ vo = – B(VR / 24)

3 Mạch biến đổi DAC dùng nguồn có trọng lượng khác

Hình: Mạch biến đổi DAC dùng nguồn có trọng lượng khác nhau 4 Đặt tính kỹ thuật mạch biến đổi DAC

a Bit có ý nghĩa thấp bit có ý nghĩa cao

Qua mạch biến đổi DAC kể ta thấy vị trí khác bit số

nhị phân cho giá trị biến dổi khac Nói cách khác, trị biến đổi bit tùy thuộc vào trọng lượng bit

Nếu ta gọi trị tồn giai VFS bit LSB bit MSB có giá trị là:

• LSB = VFS / (2n – 1)

• MSB = VFS.2n–1 / (2n – 1)

Điều thể kết ví dụ Hình đặc tuyến chuyển đổi số nhị phân bit

(a) (b)

Hình: Đặc tuyến chuyển đổi số nhị phân bit

Đặc tuyến chuyển đổi số nhị phân bit hai hình trên, (a) đặc tuyến lý tưởng, nhiên thực tếđể đường trung bình đặc tuyến chuyển đổi qua

VO

b0 LSB b1 b2 b3 MSB

– +

0 1

↓ ↓ ↓ ↓

8 I

4 I

2 I

0 I RS

7 LSB LSB LSB LSB LSB LSB LSB

000 001 010 011 100 101 110 111 Nhị phân vào Tương tự

ra FS 7 LSB

6 LSB LSB LSB LSB LSB LSB

000 001 010 011 100 101 110 111 Nhị phân vào Tương tự

điểm điện tương tự lệch ½ LSB (b) Như điện tương tự xem thay đổi hai mã số nhị phân Ví dụ, mã số nhị phân vào 000 điện tương tự điện tương tự lên nấc kế 000 + ½LSB, lên nấc kế 001 + ½LSB… Trị tương tự ứng với 001 gọi tắt 1LSB trị

toàn giai VFS = 7LSB tương ứng với số 111

b Sai số nguyên lượng hóa (quantization error)

Trong biến đổi, ta thấy ứng với giá trị nhị phân vào, ta có khoảng

điện tương tự Như có sai số biến đổi gọi sai số ngun lượng hóa ½ LSB

c Độ phân giải (resolution)

Độ phân giải hiểu giá trị thay đổi nhỏ tín hiệu tương tự

có số nhị phân vào thay đổi Độ phân giải gọi trị bước (step size) trọng lượng bit LSB

Số nhị phânn n bit có 2n giá trị 2n – bước

Hiệu tương tự xác định vo = k.(B)2 Trong k độ phân giải B2 số

nhị phân Người ta thường tính % độ phân giải: %res = (k / VFS).100% Với số nhị phân n bit ta có:

% 100

1 %

− = n res

Các nhà sản xuất thường dùng số bit số nhị phân có thểđược biến đổi để độ phân giải Số bit lớn độ phân giải cao (finer solution)

d Độ tuyến tính (linearity)

Khi điện tương tự thay đổi với số nhị phân vào ta nói mạch biến đổi có tuyến tính

e Độđúng (accuracy)

Độ (cịn gọi độ xác) tuyệt đối DAC hiệu số điện tương tự điện lý thuyết tương ứng với mã số nhị phân vào Hai số nhị

phân kế phải cho hai điện tương tự khác 1LSB, không mạch tuyến tính khơng

a Tuyến tính b Tuyến tính khơng Hình: Biểu diễn độđúng (accuracy) số nhị phân bit LSB

6 LSB LSB LSB LSB LSB LSB

000 001 010 011 100 101 110 111 Nhị phân vào Tương tự

ra FS 7 LSB

6 LSB LSB LSB LSB LSB LSB

000 001 010 011 100 101 110 111 Nhị phân vào Tương tự

III BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ – SỐ (ANALOG TO DIGITAL CONVERTER, ADC)

1 Mạch lấy mẫu giữ

Để biến đổi tín hiệu tương tự sang số, mạch biến đổi cần khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1μs đến 1ms) cần giữ mức tín hiệu biến đổi khoảng thời gian để mạch thực việc biến đổi xác Đó nhiệm vụ mạch lấy mẫu giữ

Hình dạng mạch lấy mẫu giữ bản: Điện tương tự cần biến

đổi lấy mẫu khoảng thời gian ngắn tụ nạp điện nhanh qua tổng trở thấp OP–AMP qua transistor dẫn giữ giá trị khoảng thời gian transitor ngưng (tụ phóng chậm qua tổng trở vào lớn OP–AMP)

Hình: Mạch lấy mẫu giữ bản 2 Nguyên tắc mạch biến đổi ADC

Mạch biến đổi ADC gồm phận trung tâm mạch so sánh, ngã vào nối đến điện tham chiếu thay đổi theo thời gian Vr(t) Khi chuyển đổi điện tham chiếu tăng theo thời gian gần với điện tương tự (với sai số nguyên lượng hóa) Lúc mạch tạo mã số có giá trị ứng với điện vào chưa biết Vậy nhiệm vụ mạch tạo mã số thử số nhị phân cho hiệu va trị nguyên lượng hóa sau nhỏ ½ LSB

LSB B

V v nFS

a

2 ) (

2 − < −

Hình: Mạch mô tả nguyên tắc biến đổi ADC A1

A2

va S D vo

vCC

G C

– +

– +

C S D

G T1 S D

G T

2

S D G T

3

– + va

vo

vc

(a)

(b)

Điện

tương tự va Điện tham

chiếu vr

So sánh –

+ T•o mã

K K

C C n

f N t

f t

= =

2

2

N sốđếm sau

Tóm lại ta thấy sốđếm khơng phụ thuộc vào RC

Hình: Đồ thị mạch đổi tích phân 7 Mạch đổi lưỡng cực

Một cách đơn giản để thực chuyển đổi tín hiệu tương tự lưỡng cực dùng mạch đảo tương tự mạch so sánh để xác định va âm hay dương để đảo hay không trước đưa vào mạch ADC đơn cực (hình dưới)

Hình: Mạch đổi lưỡng cực

8 Mạch đổi song song

Đây mạch đổi có tốc độ chuyển đổi nhanh, có thểđạt vài triệu lần giây, áp dụng vào việc chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật video Ví dụ để có mạch

đổi bit, người ta dùng mạch so sánh ngã vào mạch mã hóa ưu tiên để tạo mã số nhị phân ngã (hình dưới)

- Khi

10

r a

v

v < , ngã mạch so sánh lên cao khiến mã số là: 000 Start

vI max vI vc EOC

t

t1 t2

TC

va

R – +

Điều khiển S+ & S–

ADC đơn cực

S+

So sánh –

+

- Khi

10 10

r a r v v

v

<

< , ngã mạch so sánh xuống thấp, mã số là: 001 - Khi

10 10

2 r

a r v v

v

<

< , ngã mạch so sánh xuống thấp, mã số là: 010 Cứ thế, ta thấy mã số tỷ lệ với điện tương tự vào

Hình: Mạch đổi song song va

+ –

Mã s•

+ – + – + – + – + – + –

I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1

vr

3R R R R R R R R

7Vr/10

6Vr/10

Vr/10 2Vr/10 3Vr/10 4Vr/10 5Vr/10

C7

C6

C5

C4

C3

C2

C1