Tổng quan về mạch chuyển đổi tương tự số

CHƯƠNG 5. MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ-SỐ, SỐ-TƯƠNG TỰ

5.2.1. Tổng quan về mạch chuyển đổi tương tự số

Chuyển đổi tương tự-số (analog to digital convert _ADC) là mạch dùng để chuyển đổi từ tín hiệu điện áp liên tục ở đầu vào thành tín hiệu số nhị phân gián đoạn tại đầu ra.

Nó là một ánh xạ tuyến tính từ miền thời gian liên tục sang miền thời gian gián đoạn.

Bộ chuyển đổi ADC được mô tả bởi sơ đồ khối hình 5.8

Hình 5.8. Sơ đồ khối mô tả mạch chuyển đổi ADC

Nhìn vào sơ đồ khối ta thấy:

Biến đầu vào Uvt là tín hiệu tương tự biến thiên ngẫu nhiên trong miềm thời gian, vậy Uvt phải được giới hạn trong trong một khoảng điện áp:

Vghd ≤ Uvt ≤ Ught ; Vghd: điện thế giới hạn trên ; Vghd: điện thế giới hạn dưới

Ở đây trong giới hạn của chương trình chúng ta không xét đến các bộ biến đổi thích nghi.

Hàm đầu ra là một tập hàm có ký hiệu từ Q0 đến Qn, các hàm này chỉ có hai trạng thái là: 0 và 1 ; trong đó n là các số tự nhiên

Xét tập hàm đầu ra chúng ta thấy: Tại đầu ra chúng ta có tổng N trường hợp xảy ra, trong đó: N= 2n1. Ta gọi Ni là các trường hợp riêng biệt của tập hàm đầu ra thì Ni sẽ biến thiên từ 0 đến 2n1 -1.

Bộ biến đỏi ADC được gọi là có hiệu xuất cao nếu thoả mãn ánh xạ : Vghd  Ni min

Vght  Ni max ( Vght+ Vghd )/2  N/2

Để đánh giá độ mịn của bộ biến đổi ADC người ta dùng biểu thức:

( Vght – Vghd )/N = ∆ U ; ∆ U được gọi là mức lượng tử của bộ biến đổi hay còn gọi là lượng tử đơn vị

∆ U càng nhỏ thì bộ biến đổi ADC càng mịn hay phẩm chất của bộ ADC này càng cao.

Nếu trong dải điện áp từ giới hạn dưới đến giới hạn trên được chia làm M mức lượng tử thì số bit nhi phân tại đầu ra phải thoả mãn biểu thức:

Ni ≥ M

Có rât nhiều cách xây dựng bộ biến đổi ADC , Trong giới hạn của chương trình chúng ta chỉ xem xét các mạch biến đổi ADC cơ bản, được sử dụng nhiều trong thực tế.

Hình5.9. Sơ đồ khối mạch ADC kiểu song song

Để tạo ra 5 mức lượng tử thì cần có 5 điện trở (từ R1 R5) và 4 OPAM (OA,OB,OC,OD) đóng vai trò là mạch lấy mẫu 5 mức tín hiệu điện áp đầu vào. Các OPAM hoạt động ở chế độ khuếch đại so sánh nên ở đầu ra của chúng chỉ có 2 mức cao (mức 1) và thấp (mức0).

Mạch mạch hóa có nhiệm vụ mã hóa các mức điện áp thành các tổ hợp mã nhị phân tương ứng. Dữ liệu đầu vào của mạch mã hoá là đầu ra của các OPAM:

D C B

A U U U

U , , ,

Để dữ liệu đồng bộ với hệ thống ta dùng xung clock và flip_flop D để chôt dữ liệu.

Bảng trạng thái:

Uv UA UB UC UD D2 D1 D0

V VREÈ

U 5

0 1 0 0 0 0 0 0 0

V REÈ

REÈ U V

V 5

2 5

1   0 0 0 1 0 0 1

V REÈ

REÈ U V

V 5

3 5

2   0 0 1 1 0 1 0

V REÈ

REÈ U V

V 5

4 5

3   0 1 1 1 0 1 1

V REÈ

REÈ U V

V 5

5 5

4   1 1 1 1 1 0 0

Coi D là hàm của U, lập bảng Karnaugh với các biến là UA,UB,UC,UD rút gọn các hàm ta được tập các hàm sau:

C D

AUB U U

U D0  

AUC

U D1 

UA

D2 

- Sơ đồ mạch:

Hình 5.10. Sơ đồ nguyên lý mạch ADC song song

Nhận xét: Khi mạch điện làm việc với mức lượng tử lớn thì mạch trở nên quá cồng kềnh và tốn kém, không phù hợp với thiết bị có độ phân giải cao.

Tuy nhiên mạch ADC song song đã được sử dụng trong hệ xử lý 4bit vì những ưu điểm vượt trội của nó:

Tốc độ chuyển đổi rất nhanh có thể đáp ứng được với thời gian thực.

Độ tuyến tính ( trung thực ) rất tốt so với các bộ biến đổi ADC khác.

Hình 5.11. Sơ đồ khối bộ ADC xấp xỉ liên tục Nhiệm vụ chức năng của các khối:

Khối khuếch đại so sánh có nhiệm vụ so tín hiệu vào tương tự Uvt với điện áp Vout,nó tạo ra hai mức điện áp cao và thấp 0_1 để cấp cho khối điều khiển. Vout là điện áp đầu ra của bộ DAC luôn tuỳ động theo tín hiệu đầu vào.

Bộ đếm up/down có nhiệm vụ đếm theo xung nhịp Cp do khối điều khiển đưa đến và chịu sự điều khiển đếm lên hay đếm xuống do bộ điều khiển yêu cầu.

Bộ chốt dữ liệu sẽ chốt số đếm của bộ đếm đưa ra bus dữ liệu khi bộ điều khiển yêu cầu

Bộ điều khiển có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hệ thống hoạt động thống nhất , đồng bộ giữa các khối với nhau.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ khối:

Tín hiệu vào Uvt được đưa đến khối khuyếch đại so sánh được khối khuếch đại so sánh so với Vout của bộ DAC kết quả được đưa đến cho bộ điều khiển biết Uvt đang lớn hơn hay nhỏ hơn Vout, từ đó mà bộ điều khiển đưa ra yêu cầu cho bộ đếm là đếm lên hay đếm xuống. Nếu Uvt > Vout thì bộ điều khiển yêu cầu đếm lên do đó Vout tăng dần khi Uvt < Vout thì lại yêu cầu đếm xuống

cứ vậy Vout luôn xấp xỉ gần bằng Uvt. Mỗi lần yêu cầu đếm xuống bộ điều khiển lại cấp xung chốt dữ liệu một lần.Bộ chốt dữ liệu khi nhận được yêu cầu chốt thì nó lấy dữ liệu của bộ đếm đưa ra bus dữ liệu của hệ thống. Ta thấy Vout ≈ Uvt mà Vout là

ánh xạ tuyến tính của số đếm do đó mã nhị phân được chốt đưa ra bus dữ liệu là ánh xạ tuyến tính của Uvt.

Sơ đồ nguyên lý mạch ADC theo phương pháp xấp xỉ liên tục:

Ở hình 5.12 là sơ đồ nguyên lý mạch ADC xấp xỉ liên tục 4 bit.

Ở đây U6 đóng vai trò là phần tử so sánh U1 là bộ đếm 4 bit up/down

U2 là bộ chốt dữ liệu

Các R từ R1 đến R8 đóng vai trò là bộ biến đổi DAC Còn lại là các phần tử và đường dây điều khiển hệ thống

Nguyên lý làm việc: Tín hiệu analog cần được chuyển đổi ( Uvt ) được đưa đến chân 2 của U6, tín hiệu này được so với Vout của bộ DAC ở chân 3 của U6.

Khi Vout > Uvt thì tại đâu ra 1 của U6 xuất hiện xung 1 đưa đến chân 5 của U1 buộc U1 thực hiện đếm xuống đồng thời xung này chốt dữ liệu cho U2, U2 đẩy dữ liệu của bộ đếm ra bus dữ liệu.

U1 đếm xuống thì Vout của DAC giảm khi Vout < Uvt thì U6 xuất xung 0 cho U1 và khi đó U1 lại đếm lên. Cứ vậy Vout bám sát Uvt và luôn xấp xỉ gần bằng Uvt. Vì vậy người ta gọi phương pháp này là xấp xỉ liên tục.

Dạng sóng mô tả nguyên lý làm việc của bộ ADC này được máy hiện sóng hiển thị ở hình 5.13 và hình 5.14

Nhận xét: qua dạng sóng chúng ta thấy độ tuyến tính của mạch điện cao,

độ mịn hay độ phân giải lớn có thể mở rộng mức lượng tủ lên rất lớn nhờ sử dụng bộ đếm và bộ DAC có số bít lớn hơn

Tốc độ chuyển đổi của bộ ADC xấp xỉ liên tục chậm hơn nhiều so với bộ ADC trực tiếp nhưng còn nhanh hơn rất nhiều so với các bộ ADC khác.

Hình 5.13 Dạng sóng tổng quát của ADC xấp xỉ liên tục

Hình 5.14 Dạng sóng được chích đoạn

5.2.4. Các mạch ADC khác

Trong kỹ thuật đo lường người ta sử dụng phương pháp ADC riêng vì lý do:

Tần suất lấy mẫu thấp.

Yêu cầu độ chính xác cao.

Tính ổn định và độ tin cậy cao.

Với lý do trên mà các mạch ADC trong đo lường rất đa dạng nhưng có thể tổng quát lại có hai dạng cơ bản chúng được trang bị phổ biến trong các thiết bị đo lường số, ví dụ như đo lường về cân nặng, áp suất, năng lượng điện v.v..

i. Dạng thứ nhất được mô tả bằng sơ đồ khối hình 5.15.

Hình 5.15 Sơ đồ khối ADC theo kiểu ánh xạ miền tần số Nguyên lý hoạt động của sơ đồ khối:

Đối tượng đo được ánh xạ trực tiếp sang miền tần số f, tương ứng với mỗi giá trị đo ta được một tần số xác định. Tần số này được biến đổi thành chuỗi các xung điện cấp cho bộ đếm thuận (đếm lên) . Mạch đếm thuận đếm số xung trong một đơn vị thời gian chuẩn do mạch định thời xác lập. Mạch định thời còn có nhiệm vụ cấp xung chôt cho bộ chốt dữ liệu ra bus dữ liệu của hệ thống.

Hệ thống được lập lại cho chu kỳ tiếp theo.Như vậy tương ứng với mỗi giá trị đo của đối tượng đo ta có một mã nhị phân tương ứng tại bus dữ liệu. Để nâng cao độ chính xác người ta thường dùng bộ đếm có dung lượng lớn. Cơ cấu ADC kiểu này cho độ chính xác rất cao 0,0n% và còn có thể cao hơn nữa.

ii. Dạng thứ hai là ADC theo kiểu tích phân hai sườn.

Nguyên lý tổng quát của mạch ADC tích phân hai sườn là: người ta tạo ra chu kỳ phóng nạp cho một tụ điện thông qua mạch tích phân, Điệp áp ra của mạch tích phân có hai ngưỡng dương và âm, đặt thời điểm lật ngưỡng cho Ura của mạch tích phân nhờ việc điều chỉnh điện áp offset (Voffset). Đến đây chúng ta có hai cách để đo điện áp vào ( Uvt: điện áp cần chuyển đổi ra số nhị phân )

Cách 1: Khởi động bộ đếm khi điện áp ra của mạch tích phân Uratp >0v sau đó chốt đẩy dữ liệu ra bus dữ liệu và xoá bộ đếm khi Ura mạch tích phân

Uratp < 0v.

Cách 2: Ngược lại khởi động bộ đếm khi Uratp < 0v sau đó chôt đẩy dữ liệu ra bus dữ liệu và xoá bộ đếm khi Uratp >0v.

Điện áp vào càng lớn thì thời gian đếm càng lớn dẫn đến số đếm nhị phân đẩy ra bus dữ liệu lớn và ngược lại.

Ở đây chúng ta xét mạch điện theo cách thứ hai thông qua sơ đồ nguyên lý hình 5.16 . Đó là sơ đồ ADC theo kiểu tích phân hai sườn.

Hình 5.16. Sơ đồ nguyên lý mạch ADC tích phân hai sườn Tác dụng linh kiện của mạch điện:

Q1 và xung điều khiển (Uxđk) có tác dụng điều khiển thời điểm và thời gian lật ngưỡng của mạch tích phân.

U1A, C1,R1,R2 là mạch tích phân.

U1B : khuếch đại so sánh tạo ngưỡng 1 và 0 cấp cho các phần tử điều khiển.

U3: bộ đếm thuận 12 bit (ở đây ta chỉ khai thác 8 bit ) U5: bộ chốt dữ liệu.

VR1 và R4 đóng vai trò là tín hiệu tương tự cần chuyển đổi thành số nhị phân.

Qua đó ta thấy thời gian nạp > thời gian phóng điện cho tụ C1. Điều đó đảm bảo chắc chắn sau mỗi chu kỳ tụ điện được phóng hết điện hoàn toàn dẫn đến phép đo có độ chính xác cao.

Để hiểu chi tiết hơn nguyên lý là việc của mạch điện ta hãy quan sát dạng sóng trên máy hiện sóng hình 5.17.

Hình 5.17. Dạng sóng ADC kiểu tích phân hai sườn Sóng xung vuông kênh A máy hiện sóng là sóng của xung điều khiển.

Sóng hai sườn âm và dương lá sóng đầu ra của mạch tích phân U1 kênh B

Sóng khối vuông dày đặc là sóng của xung clock đưa đến chân clk của bộ đếm U3 kênh C.

Bảng trạng thái làm việc của mạch điện được mô tả ở bảng 5.3.

U1 Uxddk Clk3 MR3 Clk5 Ghi chú

0 0 1 x x đếm

0 1 1 x x đếm

1 1 x x 1 chốt số đếm

1 0 x 1 x Xoá số đếm

Bảng 5.3. Bảng trạng thái của ADC tích phân hai sườn.

Qua bảng trạng thái ta rút gọn được hàm:

clock . U Clk3  1

Uxđx U

MR3  1 .UxđU U

Clk5  1

Nhìn vào sơ đồ chúng ta thấy:

Khi U1 ở mức thấp thì bộ đếm U3 được cấp xung ck bộ đếm U3 bắt đầu đếm và dừng đếm khi U1 ở mức cao.

Khi U1 ở mức cao và Uxđk cũng ở mức cao thì clk5 được cấp xung dẫn đến U5 chốt số đếm ra ngoài bus dữ liệu. Sau đó Uxđk ở mức thấp thì MR3 được cấp xung 1 xoá bộ đếm về 0….. và chu kỳ tiếp theo lập lại theo thứ tự chu kỳ trước. Như vậy U1 bị tác động bởi hai nguồn là nguồn tín hiệu Uvt và nguồn điện áp Voffset. Nguồn tín hiệu tạo sườn âm cho U1 và tuân theo biểu thức:

U1ttot1 = - 1/(R1+R2)01 t

t Uvt dt + U1( t0) Nguồn Voffset tạo ra sườn âm cho U1 tuân theo biểu thức:

U1tt1t2 = -1/R212 t

t Voffsetv dt + U1(t1) Do Voffset = const nên:

U1tt1t2 = -(V offset/R2)t +U1(t1)

Hình 5.17. là dạng sóng khi Uvt max thời gian đếm và số đếm lớn nhất Hình 5.18. là dạng sóng khi Uvtmin thời gian đếm và số đếm nhỏ.

Hình 5.19. Trạng thái xác lập khi mạch đang hoạt động.

Nhận xét: Mạch ADC kiểu tích phân hai sườn được dùng phổ biến trong các thiết bị đo lường, các thiết bị đo lường thường dùng 12 bit đếm, các thiết bị đo có độ chính xác cao người ta dùng số bít đếm lớn hơn.

Hình 5.18. Dạng sóng ADC khi Uvt nhỏ

Hình 5.19. Trạng thái xác lập của ADC tích phân hai sườn 5.3. Các vi mạch ADC-DAC thông dụng

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều vi mạch chuyên dụng để chuyển đổi tương tự -số và số-tương tự, khi tra cứu tài liệu kỹ thuật của chúng thì nhà sản xuất đã cho các thông số kỹ thuật chi tiết và hướng dẫn sử dụng một cách tỉ mỉ thuận tiện cho người thiết kế, điều đó cũng là một kênh thông tin để chúng ta tiếp cận với các ý tưởng mới

về thiết kế mạch ADC cũng như DAC. Trong giới hạn cho phép chúng ta không mong giới thiệu hết các vi mạch ADC-DAC trên thị trường hiện nay, Ở đây chúng ta chỉ đưa ra ví dụ ứng dụng điển hình mang tính cơ bản trong việc chuyển đổi ADC và DAC sử dụng vi mạch chuyên dụng.

5.3.1. Ứng dụng của vi mạch DAC 0808

Để tìm hiểu nguyên lý làm việc cũng như vị trí của DAC0808 trong hệ thống số, ta hãy xem sơ đồ nguyên lý của máy phát tín hiệu số đơn giản ở hình 5.20

Máy phát tín hiệu số này có thể phát được các loại sóng tín hiệu tương tự cơ bản như xung vuông, xung tam giác, tín hiệu sin, tín hiệu điều chế .v.v.

Hinh 5.20. DAC 0808 trong máy phát sóng số

Ở sơ đồ chúng ta thấy U10 là IC- DAC0808 có chức năng biến đổi số nhị phân do EPROM 2764 cung cấp (về bộ nhớ RAM_ROM chúng ta sẽ tìm hiểu ở chương 6) chuyển thành tín hiệu tương tự ở đầu ra, Như vậy DAC0808 nằm ở tầng cuối của thiết

Vref +, Vref – là hai điện áp tham chiếu

Iout: là đầu ra của DAC0808 dưới dạng dòng điện

Từ A1-> A8 là 8 bit dữ liệu đầu vào A1 có trọng số cao, A8 có trọng số thấp.

Comp: chân lắp tụ lọc chung.

Xét tín hiệu của DAC0808: xem hình 5.21 là tín hiệu khi thiết bị phát tín hiệu sin.

Hình 5.21 Máy phát tín hiệu sin

Ta thấy tín hiệu sin ở kênh B bị gai dẫn đến tín hiệu này sẽ phát hài tần số gây nhiễu nội bộ cho thiết bị để khắc phục hiện tượng này ta lắp thêm bộ lọc R2C2 lọc làm mềm tín hiệu sin. Sóng sin ở kênh A là sóng đã được lọc.

Chú ý: khi ta phát tín hiệu xung vuông thì ta không nên lắp bộ lọc R2C2 vì như vậy sẽ làm méo tín hiệu khi phát. Điều này được minh chứng tại hình 5.22

Hình 5.22. Tín hiệu xung vuông bị méo do tác dụng phụ của bộ lọc Máy phát tín hiệu điều biên ở hình 5.23.

hiệu số nhiều phức tạp ta không xét chúng trong môn học này, vì vậy ta lập ra một yêu cầu kỹ thuật để có ADC trong hệ thiết bị điện tử số.

Yêu cầu kỹ thuật: Hãy thu phát một tín hiệu hình sin (tương tự ) thông qua môi trường truyền dẫn số.

Lời giải: Từ yêu cầu kỹ thuật trên ta xây dựng sơ đồ khối truyền phát trực tiếp như hình 5.24.

Hình 5.24. Sơ đồ thu phát tín hiệu số

Đến đây ta chỉ việc ghép trực tiếp 8bit đầu ra của ADC vào 8 bit đầu vào của bộ DAC sau đó xây dựng bộ khuếch đại đầu vào và bộ khuếch đại đầu ra cho hệ thống ghép nối các khối như sơ đồ khối chỉ ra.

Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát tín hiệu số ADC0804_DAC0808:

Hình 5.25. Sơ đồ nguyên lý mạch thu phát tín hiệu số ADC0804_DAC0808 Ở sơ đồ này ta không cần khối khuếch đại tín hiệu đầu vào vì máy phát của ta đủ công suất, đầu ra có bộ khuếch đại công suất đưa tín hiệu ra tải.DAC0808 ta đã giới thiệu ở mục 5.3.1. Tín hiệu ra của ADC0808 đưa trực tiếp đến mạch khuếch đại công suất, mạch KĐCS nâng mức điện của tín hiệu rồi suất ra tải.

ADC0804 có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự ở đầu vào Vin+ ( chân 6 của ADC0804) thành tín hiệu số đẩy ra bus dữ liệu .Bus dữ liệu được hiển thị bằng hai led 7 đoạn đó là các con số nhị phân. Trong sơ đồ này ta dùng mạch dao động nội của 0804, tần số dao động nội do R1 C1 tạo nên

Vref/2 là điện áp điểm giữa của điện áp tham chiếu Vref+ và Vref-

Chân WR’ khi ở mức 0 nó sẽ ngắt tín hiệu tương tự tại đầu vào sau đó chốt dữ liệu đẩy ra đầu ra db0->db7

Khi dữ liệu tại bus dữ liệu ổn định thì INTR’ chuyyẻn từ mức 1 về mức 0 báo cho hệ thống biết việc chuyển đổi 1 mức lượng tử đã hoàn tất.

Chân clock in là chân cấp xung ck cho bộ đếm trong IC ADC0804. IC này hoạt động theo nguyên lý ADC theo kiếu xấp xỉ liên tục. Ta có thể dùng xung clock ngoài để nâng cao tốc độ cho bộ ADC0804.

Dạng sóng đầu vào và đầu ra của hệ thống được mô tả ở máy hiện sóng hình 5.26.

Hình 5.26. Dạng sóng của hệ thu phát tín hiệu số

Tín hiệu ở kênh A là tín hiệu đầu vào do máy phát sóng tạo nên.Tín hiệu ở kênh B là