Bài giảng Điện tử số - Chương 8: Biến đổi AD & DA - Nguyễn Trung Lập

Nội dung text: Bài giảng Điện tử số - Chương 8: Biến đổi AD & DA - Nguyễn Trung Lập

1. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 1 Ò CHƯƠNG 8 : BIẾN ĐỔI AD & DA – BẾN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ (DAC) ♦ DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác nhau ♦ DAC dùng mạng điện trở hình thang ♦ DAC dùng nguồn dòng có trọng lượng khác nhau ♦ Đặc tính kỹ thuật của DAC – BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ (ADC) ♦ Mạch lấy mẫu và giữ ♦ Nguyên tắc mạch ADC ♦ ADC dùng điện thế tham chiếu nấc thang ♦ ADC gần đúng kế tiếp ♦ ADC dốc đơn ♦ ADC tích phân ♦ ADC lưỡng cực ♦ ADC song song ___ _ Có thể nói sự biến đổi qua lại giữa các tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số là cần thiết vì: - Hệ thống số xử lý tín hiệu số mà tín hiệu trong tự nhiên là tín hiệu tương tự: cần thiết có mạch đổi tương tự sang số. - Kết quả từ các hệ thống số là các đại lượng số: cần thiết phải đổi thành tín hiệu tương tự để có thể tác động vào các hệ thống vật lý và thể hiện ra bên ngoài (thí dụ tái tạo âm thanh hay hình ảnh) hay dùng vào việc điều khiển sau đó (thí dụ dùng điện thế tương tự để điều khiển vận tốc động cơ) 8.1. Biến đổi số - tương tự (digital to analog converter, ADC) 8.1.1 Mạch biến đổi DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác nhau (Weighted resistor network) (H 8.1) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
2. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 3 Cho b2 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -4(Vr /24) Cho b1 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -2(Vr /24) Cho b0 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = - (Vr /24) Ta thấy v0 tỉ lệ với giá trị B của tổ hợp bit B = (b3 b2 b1 b0 )2 ⇒ v0 = -B(Vr /24) 8.1.3 Mạch đổi DAC dùng nguồn dòng có trọng lượng khác nhau (H 8.3) 8.1.4 Đặc tính kỹ thuật của mạch đổi DAC 8.1.4.1. Bit có ý nghĩa thấp nhất (LSB) và bit có ý nghĩa cao nhất (MSB) Qua các mạch biến đổi DAC kể trên ta thấy vị trí khác nhau của các bit trong số nhị phân cho giá trị biến đổi khác nhau, nói cách khác trị biến đổi của một bit tùy thuộc vào trọng lượng của bit đó. n Nếu ta gọi trị toàn giai là VFS thì bit LSB có giá trị là: LSB = VFS / (2 - 1) n-1 n và bit MSB = VFS .2 / (2 - 1) Điều này được thể hiện trong kết quả của thí dụ 2 ở trên. (H 8.4) là đặc tuyến chuyển đổi của một số nhị phân 3 bit (a) (b) (H 8.4) (H 8.4a) là đặc tuyến lý tưởng, tuy nhiên, trong thực tế để đường trung bình của đặc tính chuyển đổi đi qua điểm 0 điện thế tương tự ra được làm lệch (1/2)LSB (H 8.4b). Như vậy điện thế tương tự ra được xem như thay đổi ở ngay giữa hai mã số nhị phân vào kế nhau. Thí ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
3. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 5 8.2. Biến đổi tương tự - số (analog to digital converter, ADC) 8.2.1 Mạch lấy mẫu và giữ (sample anh hold) Để biến đổi một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta không thể biến đổi mọi giá trị của tín hiệu tương tự mà chỉ có thể biến đổi một số gía trị cụ thể bằng cách lấy mẫu tín hiệu đó theo một chu kỳ xác định nhờ một tín hiệu có dạng xung. Ngoài ra, mạch biến đổi cần một khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1µs - 1ms) do đó cần giữ mức tín hiệu biến đổi trong khoảng thời gian này để mạch có thể thực hiện việc biến đổi chính xác. Đó là nhiệm vụ của mạch lấy mẫu và giữ. (H 8.6) là dạng mạch lấy mẫu và giữ cơ bản: Điện thế tương tự cần biến đổi được lấy mẫu trong thời gian rất ngắn do tụ nạp điện nhanh qua tổng trở ra thấp của OP-AMP khi các transistor dẫn và giữ giá trị này trong khoảng thời gian transistor ngưng (tụ phóng rất chậm qua tổng trở vào rất lớn của OP-AMP) (H 8.6) 8.2.2 Nguyên tắc mạch biến đổi ADC Mạch biến đổi ADC gồm bộ phận trung tâm là một mạch so sánh (H 8.7). Điện thế tương tự chưa biết va áp vào một ngã vào của mạch so sánh, còn ngã vào kia nối đến một điện thế tham chiếu thay đổi theo thời gian Vr(t). Khi chuyển đổi điện thế tham chiếu tăng theo thời gian cho đến khi bằng hoặc gần bằng với điện thế tương tự (với một sai số nguyên lượng hóa). Lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trị ứng với điện thế vào chưa biết. Vậy nhiệm vụ của mạch tạo mã số là thử một bộ số nhị phân sao cho hiệu số giữa va và trị nguyên lượng hóa sau cùng nhỏ hơn 1/2 LSB n |va - (VFS / 2 - 1)(B)2 | < 1/2 LSB (H 8.7) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
4. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 7 8.2.4 Mạch đổi lấy gần đúng kế tiếp (sucessive approximation converter) (H 8.10) Mạch đổi lấy gần đúng kế tiếp dùng cách tạo điện thế tham chiếu một cách có hiệu quả hơn khiến việc chuyển đổi ra mã số n bit chỉ tốn n chu kỳ xung CK. Mạch này bao gồm: một mạch so sánh, một mạch ghi dịch đặc biệt (SAR) và một mạch DAC (H 8.11). (H 8.11) Mạch SAR (H 8.11) là mạch ghi dịch có kết hợp điều khiển Logic. Mạch gồm 6 FF D mắc thành chuỗi, ngã ra FF cuối (F) hồi tiếp về FF đầu (A) , khối điều khiển gồm 4 cổng AND và 4 FF RS có ngã vào tác động mức cao, các ngã ra Q của các FF RS được đưa vào mạch DAC để tạo điện thế tương tự Vr (dùng so sánh với điện thế ra từ mạch lấy mẫu và giữ va), đồng thới đây cũng là mã số ra khi sự biến đổi đã kết thúc. ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
5. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 9 (H 8.13) 8.2.6 Mạch đổi lấy tích phân (Integrating Converter) (H 8.14) Mạch này giải quyết được khuyết điểm của mạch biến đổi dùng tín hiệu dốc đơn, nghĩa là độ chính xác không tùy thuộc RC. Xung bắt đầu đưa mạch đếm về 0, mạch điều khiển mở khóa S3 của mạch tích phân, đóng khóa S1 để đưa tín hiệu tương tự va (giả sử âm) vào mạch tích phân đồng thời mở khóa S2. Ngã ra mạch tích phân có trị âm nhỏ ban đầu. Tín hiệu tương tự vào được lấy tích phân, độ dốc -va /RC. Khi ngã ra mạch tích phân vượt trục 0, ngã ra mạch so sánh lên cao mở cổng ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
6. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 11 (H 8.16) 8.2.8 Mạch đổi song song (parallel hay flash conversion) Đây là mạch đổi có tốc độ chuyển đổi rất nhanh, có thể đạt vài triệu lần trong một giây, áp dụng vào việc chuyển đổi tín hiệu hình trong kỹ thuật video. Thí dụ để có mạch đổi 3 bit, người ta dùng 7 mạch so sánh ở ngã vào và một mạch mã hóa ưu tiên để tạo mã số nhị phân ở ngã ra (H 8.17). - Khi va < Vr /10, các ngã ra mạch so sánh đều lên cao khiến mã số ra là 000 - Khi Vr /10 <va < 2Vr /10, ngã ra mạch so sánh 1 xuống thấp khiến mã số ra là 001 - Khi 2Vr /10 <va < 3Vr /10, ngã ra mạch so sánh 2 xuống thấp khiến mã số ra là 010 Cứ như thế, ta thấy mã số ra tỷ lệ với điện thế tương tự vào (H 8.17) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ