Hình 2.7: Biến đổi ADC theo hàm dốc
Đây là bộ biến đổi đơn giản nhất theo mô hình bộ biến đổi tổng quát trên. Nó dùng một counter làm thanh ghi và cứ mỗi xung clock thì gia tăng giá trị nhị phân cho đến khi VAX ≥VA. Bộ biến đổi này được gọi là biến đổi theo hàm dốc vì dạng sóng VAX có dạng của hàm dốc, hay nối đúng hơn là dạng bậc thang. Đôi khi nó còn được gọi là bộ biến đổi AD loại counter.
Hình trên cho thấy sơ đồ mạch của bộ biến đổi AD theo hàm dốc, bao gồm một counter, một bộ biến đổi DA, một OPAMP so sánh, và một cổng AND cho điều khiển. Đầu ra của OPAMP được dùng như tín hiệu tích cực mức thấp của tín hiệu EOC. Giả sử VA dương, quá trình biến đổi xảy ra theo các bước:
- Xung Start được đưa vào để reset counter về 0. Mức cao của xung Start cũng ngăn không cho xung clock đến counter.
- Đầu vào của bộ biến đổi DA đều là các bit 0 nên áp ra vAX = 0v. - Khi vA > vAX thì đầu ra của OPAMP (EOC) ở mức cao.
- Khi Start xuống mức thấp, cổng AND được kích hoạt và xung clock được đưa vào counter.
- Counter đếm theo xung clock và vì vậy đầu ra của bộ biến đổi DA, vAX, gia tăng một nấc trong một xung clock
- Quá trình đếm của counter cứ tiếp tục cho đến khi vAX bằng hoặc vượt qua vA một lượng vT (khoảng từ 10 đến 100v). Khi đó, EOC xuống thấp và ngăn không cho xung clock đến counter. Từ đó kết thúc quá trình biến đổi.
Start cho quá trình biến đổi mới.
Từ đó ta thấy rằng bộ biến đổi loại này có tốc độ rất chậm (độ phân giải càng cao thì càng chậm) và có thời gian biến đổi phụ thuộc vào độ lớn của điện áp cần biến đổi.
2.3.3 A/D xấp xỉ tiệm cận
Đây là bộ biến được dùng rộng rãi nhất trong các bộ biến đổi AD. Nó có cấu tạo phức tạp hơn bộ biến đổi AD theo hàm dốc nhưng tốc độ biến đổi nhanh hơn rất nhiều. Hơn nữa, thời gian biến đổi là một số cố định không phụ thuộc giá trị điện áp đầu vào.
Sơ đồ mạch và giải thuật như sau :
Hình 2.8: Sơ đồ mạch và giải thuật A/D xấp xỉ tiệm cận
Sơ đồ mạch tương tự như bộ biến đổi AD theo hàm dốc nhưng không dùngbcounter cung cấp giá trị cho bộ biến đổi DA mà dùng một thanh ghi. Đơn vị điều khiển sửa đổi từng bit của thanh ghi này cho đến khi có giá trị analog xấp xỉ áp vào theo một độ phân giải cho trước.
- Chuyển đổi n bit cần n bước - Cần có tín hiệu Start và End
- Thời gian chuyển đổi thông thường: 1 to 50 ms - Độ phân giải thông thường 8 to 12 bits
2.3.4 Tích phân sườn dốc
Bộ biến đổi loại này là một trong những bộ có thời gian biến đổi chậm nhất (thường là từ 10 đến 100ms) nhưng có lợi điểm là giá cả tương đối rẻ
không dùng các thành phần chính xác như bộ biến đổi AD hoặc bộ biến đổi áp sang tần số.
Hình 2.9: Sơ đồ sườn dốc
Nguyên tắc chính là dựa vào quá trình nạp và xả tuyến tính của tụ với dòng hằng. Đầu tiên, tụ được nạp trong một khoảng thời gian xác định từ dòng điện không đổi ứng với điện áp vào vA. Vì vậy, ở cuối thời điểm nạp, tụ sẽ có một điện áp tỷ lệ với điện áp vào. Cũng vào lúc này, tụ được xả tuyến tính với một dòng hằng rút ra từ điện áp tham chiếu chính xác vref. Khi điện áp trên tụ giảm về 0 thì quá trình xả kết thúc. Trong suốt khoảng thời gian xả này, một tần số tham chiếu được dẫn đến một counter và bắt đầu đếm. Do khoảng thời gian xả tỷ lệ với điện áp trên tụ lúc trước khi xả nên ở cuối thời điểm xả, counter sẽ chứa một giá trị tỷ lệ với điện áp trên tụ trước khi xả, tức là tỷ lệ với điện áp vào vA.
Hình 2.10: ADC tích phân theo sườn dốc
Ngoài giá thành rẻ thì bộ biến đổi loại này còn có ưu điểm chống nhiễu và sự trôi nhiệt. Tuy nhiên thời gian biến đổi chậm nên ít dùng trong các ứng dụng thu thập dữ liệu đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh. Nhưng đối với các quá trình biến đổi chậm (có quán tính lớn) như lò nhiệt thì rất đáng để xem xét đến.
2.3.5 Flash ADC
- Biên độ tín hiệu được so sánh với một tập 2n giá trị tham khảo (refference) - Đo lường trực tiếp với 2n-1
bộ so sánh (comparator) - Hiệu suất thông thường: - 4 tới 10 -12 bits
- 15 - 300 MHz
- Tiêu thụ năng lượng lớn - Ứng dụng trong số hoá
dạng sóng tín hiệu
- Hình 2.11: ADC flash
Bộ biến đổi loại này có tốc độ nhanh nhất và cũng cần nhiều linh kiện cấu thành nhất. Có thể làm một phép so sánh: flash AD 6-bit cần 63 OPAMP, 8-bit cần 255 OPAMP, và 10-bit cần 1023 OPAMP. Vì lẽ đó mà bộ biến đổi AD loại này bị giới hạn bởi số bit, thường là 2 đến 8-bit.
Ví dụ một flash AD 3-bit :
Mạch trên có độ phân giải là 1V, cầu chia điện áp thiết lập nên các điện áp so sánh (7 mức tương ứng 1V, 2V, …) với điện áp cần biến đổi. Đầu ra của các OPAMP được nối đến một priority encoder và đầu ra của nó chính là giá trị digital xấp xỉ của điện áp đầu vào.
Các bộ biến đổi có nhiều bit hơn dễ dàng suy ra theo mạch trên.
2.3.6 Một số vi mạch ADC thông dụng
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại IC chuyên dụng cho bộ biến đổi ADC.
Dưới đây là loại IC rất hữu dụng và được sử dụng nhiều trong thực tế
Bộ biến đổi ADC 0809
Đây là loại bi mạch ADC chế tạo dựa trên kỹ thuật ADC xấp xỉ liên tiếp. Sơ đồ chân:
+ Đặc điểm cấu tạo:
Thang điện trở 256 R với ngõ chuyển mạch analog.
Thanh ghi xấp xỉ liên tiếp. Bộ multiplexing.
Bộ chốt địa chỉ ngõ vào. Bộ giải mã.
Tất cả những vi mạch trên được tích trên một chip CMOS đơn khối và không đòi hỏi các linh kiện phụ khác mắc thêm bên ngoài.
Tại mỗi thời điểm chỉ có thể mẫu 1 trong 8 kênh analog vào qua mạch phân kênh 3 sang 8
Sơ đồ khối:
Hình 2.12: Sơ đồ khối
+ Đặc điểm kỹ thuật của ADC 0809:
ADC0809 có tốc độ biến đổi nhanh, sai số lượng hóa thấp và công tiêu tán thấp.
Nguồn cung cấp 5v DC, điện áp chuẩn 5v DC. Thời gian chuyển đổi là 100µs.
Có 8 kênh analog ngõ vào. Điện áp ngõ vào từ 0 đến 5V.
Tần số xung CLOCK từ 10 ÷ 1280KHz. + Nguyên tắc hoạt động :
Tại một thời điểm, 1 trong 8 ngõ vào analog được chuyển đổi. Việc chọn ngõ vào được xác định bởi 3 đường địa chỉ A, B, C thông qua bộ phân kênh 3 sang 8. Qua trình chuyển đổi được bắt đầu khi 3 đường địa chỉ được chọn và khi xung START và xung ALE bật lên một. Khi đó, ALE chốt địa chỉ kênh
được chọn và sẽ đưa tín hiệu vào bộ so sánh, xung START bắt đầu thực hiện việc chuyển đổi, EOC ở mức 0, bus dữ liệu ở trạng tổng trở cao.
Sau khoảng thời gian 100µs, quá trình chuyển đổi kết thúc, tín hiệu analog được chuyển thành 8 bit dữ liệu số ở ngõ ra. Lúc này xung EOC bật lên 1 và dữ liệu được đưa vào vùng đệm. Để đưa dữ liệu từ vùng đệm lên bus, phải đặt xung OE lên 1.
Nhờ bộ đệm 3 trạng thái nên dễ dàng kết nối với data bus của CPU.
Giản đồ thời gian:
Hình 2.13: Giản đồ thời gian
+ Các số liệu kỹ thuật:
Độ phân giải: K = 5/256 = 0.196V Dãy động điện trở vào:
Trong điều kiện:
Vcc = Vref (+) = 5V Vref (-) = GND CLK = 640 KHz thì tổng trở vào từ 1 ÷ 2.5 KΩ.
Mức logic của tín hiệu ra :Trong điều kiện 4.75V≤ Vcc≤ 5.5V thì mức điện áp logic 1 là V ≥ Vcc – 0.4 và mức điện áp logic 0 là V≤0.45v Tốc độ chuyển đổi : 100µs
Công suất tiêu tán : 15 mW
ADC ICL7109:
ICL7109CPL là bộ biến đổi AD 12-bit dạng đơn phiến, biến đổi theo phương pháp tích phân hai độ dốc, cộng với các bit chỉ cực tính, bit báo quá thang đo có thể giao tiếp với µP, µC theo hai cách:
- Ghép trực tiếp vào bus : thông qua chân chọn chip, hai chân cho phép xuất byte cao, byte thấp.
- Ghép theo chuẩn công nghiệp UART : được ứng dụng trong truyền nhận dữ liệu từ xa, ngõ ra được biến đổi và
đưa đến một UART trong chế độ bắt tay, trao đổi dữ liệu nối tiếp.
ICL7109CPL có độ chính xác cao, độ trôi nhiệt nhỏ hơn 1µV/0C. Được ứng dụng trong nhiều trong những hệ thống thu thập dữ liệu do giá thành thấp, công suất tiêu tán và dòng phân cực nhỏ. Các đặc điểm chủ yếu như sau:
- Pha zero-integrator giúp khôi phục quá tải nhanh.
- Loại bỏ vòng trễ và nhiễu. - Cải tiến khả năng lái bus. - Ngõ ra 3 trạng thái.
- UART ở chế độ bắt tay để giao tiếp nối tiếp.
Hình 2.14: Sơ đồ chân
- Có sẳn nguồn tham chiếu chuẩn. - 30 lần biến đổi trong 1 giây.
- Khối đơn, công nghệ CMOS có công suất thấp + Mô tả chức năng của các chân:
GND: Nối đất.
STATUS : ngõ ra. Khi ở mức cao, bộ biến đổi đang ở trong pha integrate
hoặc pha de-integrate cho đến khi dữ liệu được chốt. Khi ở mức thấp, bộ biến đổi đang ở pha auto-zero hoặc de-integrate sau khi dữ liệu được chốt.
POL : bit chỉ cực tính (polarity), nếu ở mức cao, chỉ ra rằng tín hiệu vào là
áp dương.
OR: bit chỉ quá thang (over-range), nếu ở mức cao, chỉ ra rằng ngõ vào đã
Hình 2.15: Mô tả chức năng các chân
B1+B12 : ngõ ra ba trạng thái, là các bit dữ liệu tương ứng.
TEST : ngõ vào, khi TEST = 1 thì ADC hoạt động bình thường, TEST = 0
thì tất cả bit dữ liệu ra đều ở mức cao, còn khi không kết nối thì các chốt ngõ ra bộ đệm được cho phép. Trong hoạt động bình thường : nối TEST lên +5v.
LBEN : ở chế độ trực tiếp (MODE = 0 và CE/LOAD = 0) thì LBEN là ngõ
vào, khi ở mức tích cực sẽ cho phép xuất byte thấp; ở chế độ bắt tay (MODE = 1) thì LBEN là ngõ ra, có chức năng là cờ byte thấp.
HBEN : ở chế độ trực tiếp (MODE = 0và CE/LOAD = 0) thì HBEN là ngõ
vào, khi ở mức tích cực sẽ cho phép xuất byte cao; ở chế độ bắt tay (MODE = 1) thì HBEN là ngõ ra, có chức năng là cờ byte cao.
CE/LOAD : ở chế độ trực tiếp, là ngõ vào, khi tích cực sẽ cho phép xuất ra
12 bit dữ liệu B1B12, POL, OR nếu LBEN, HBEN tích cực. Ơ chế độ bắt tay, là ngõ ra strobe.
MODE : ngõ vào, khi ở mức thấp: ADC hoạt động ở chế độ trực tiếp, còn
khi ở mức cao : ADC hoạt động ở chế độ bắt tay.
OSC IN : ngõ vào của bộ dao động. OSC OUT : ngõ ra của bộ dao động.
OSC SEL : ngõ vào, dùng để chọn bộ dao động. ICL 7109 có một bộ dao
động với 3 ngõ, nó có thể hoạt động với bộ dao động RC hay dao động thạch anh, cũng có thể hoạt động với nguồn xung clock bên ngoài.
xung clock sẽ lấy từ bộ dao động RC bên ngoài. Khi đó, xung clock sẽ cùng pha, cùng tần số với tín hiệu trên chân BUF OSC OUT và tần số xung clock tính theo công thức:
Điện trở nên chọn là 100K, tụ chọn sao cho khoảng thời gian của 2048 chu kỳ xung clock gần với một bội số tích phân của 50Hz để loại trừ nhiễu 50Hz, nhưng không nên nhỏ hơn 50pF.
Nếu chân OSC SEL được kéo xuống mức thấp thì xung clock lấy từ dao động thạch anh bên ngoài có tần số từ 1MHz đến 5MHz. Tần số xung clock bên trong khi đó sẽ bằng tần số của tín hiệu trên chân BUF OSC OUT chia cho 58.
BUF OSC OUT : ngõ ra của bộ dao động được đệm, tiện dụng làm
nguồn xung clock cho các IC khác
RUN/HOLD : sau khi pha autozero hoàn tất trong khoản thời gian nhỏ
nhất, cần có một xung lên cao ít nhất 200ns tác động vào chân RUN/HOLD để bắt đầu một quá trình biến đổi. Tuy nhiên cần chú ý rằng nếu có bất kỳ xung nào xuất hiện trong quá trình biến đổi hay trong vòng 2048 chu kỳ xung clock sau khi chân STATUS xuống thấp sẽ bị bỏ qua. Nếu ICL 7109 đang ở vào thời điểm kết thúc pha autozero, một quá trình biến đổi sẽ được bắt đầu và chân STATUS sẽ lên cao trong vòng 7 chu kỳ xung clock sau khi RUN/HOLD lên cao.
Thêm vào đó, để bắt đầu và kết thúc một quá trình biến đổi, chân này cũng có thể được sử dụng để cực tiểu thời gian biến đổi. Bởi vì một quá trình biến đổi bình thường sẽ tốn mất 8192 chu kỳ xung clock, trong đó riêng pha de-integrate đã lấy mất 4096 chu kỳ xung clock và độc lập với điện áp vào. Nhưng nếu sau khi STATUS xuống thấp, RUN/HOLD xuống thấp theo thì ICL 7109 sẽ nhảy tức thời đến pha autozero hơn là phải mất toàn bộ 4096 chu kỳ xung clock cho pha de-integrate.
SEND : ngõ vào, báo hiệu rằng thiết bị bên ngoài đã chấp nhận dữ liệu
khi ADC
hoạt động ở chế độ bắt tay. Nối lên +5v nếu không sử dụng.
V-: nguồn âm cho ICL 7109, thường nối đến -5v.
REF OUT: ngõ ra điện áp tham chiếu, thường nhỏ hơn V+ là 2,8v. BUF: ngõ ra bộ khuếch đại đệm.
AZ: được nối đến tụ CAZ. INT: được nối đến tụ CINT.
IN LO: cực âm của điện áp vào vi sai. IN HI: cực dương của điện áp vào vi sai.
REF IN+: ngõ vào dương của điện áp tham chiếu. REF CAP+: cực dương của tụ tham chiếu.
REF CAP- : cực âm của tụ tham chiếu.
REF IN- : ngõ vào âm của điện áp tham chiếu. V+ : Vcc (5v).
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập:
+ Nội dung:
Đưa ra các kiến thức cơ bản về giao tiếp giữa máy tính với tín hiệu tương tự trong các hệ thống đo lường và điều khiển.
Phân tích cấu trúc, nguyên lý hoạt động của các loại vi mạch biến đổi tín hiệu tương tự -số (ADC/DAC) và ứng dụng của chúng.
+ Cách thức và phương pháp đánh giá:
Trả lời câu hỏi bằng phương pháp tự luận. + Gợi ý tài liệu học tập:
Ngô Diên Tập, Kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB KHKT,
Nguyễn Mạnh Giang, Kỹ thuật ghép nối máy vi tính, NXB Giáo dục, 2 tập.
CHƯƠNG 3.
THỦ TỤC TRAO ĐỔI DỮ LIỆU CỦA MÁY TÍNH Mã chương: MH 25-03
Giới thiệu về chương:
– Các chế độ trao đổi dữ liệu của máy vi tính
– Trao đổi tin ngắt vi xử lý
– Trao đổi tin trực tiếp khối nhớ