Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt,
trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã tạo lên một động lực thúc đẩy và phát
triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng đợc nhu cầu của
con ngời trong cuộc sống. Con ngời với sự trợ giúp của máy móc, những
công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc
mà con ngời không thể làm đợc với khả năng của mình mà chỉ việc điều
khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích
hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối u hoá công việc.Với sự tiến bộ này đã đáp ứng
đợc những nhu cầu của con ngời trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong
sự phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên cứu, phát triển
của khoa học kỹ thuật của các nhà khoa học nói riêng
Đối với những học viên công nghệ phần cứng chúng ta thì việc nghiên cứu,
tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu t-
ơng tự thành tín hiệu số (ADC) và ngợc lại (DAC) có ý nghĩa thực tế hết sức
quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta những kiến thức sâu rộng,
hiện đại mà còn tạo cho chúng ta những kỹ năng làm việc cũng nh những
kinh nghiệm quý giá trong lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với sự
phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra tròng
Trong suốt thời gian qua, với những kiến thức đợc học ở trờng cùng với sự
giúp đỡ của th.s.Hà Mạnh Đào và các thầy cô trong trung tâm, chúng em đi
sâu việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ
chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số (ADC) và ngợc lại (DAC). Tuy
đề tài không phải là mới nhng hiểu đợc nó và ứng dụng nó có ý nghĩa hết sức
thiết thực. Nó chính là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hoá đơn
giản, cũng nh là những hệ thống phức tạp đợc ứng dụng rộng rãi trong khoa
học và đời sống
Do kiến thúc còn hạn chế, cộng với thời gian tích luỹ cha nhiều nên bản đồ
án này không tránh khỏi thiếu sót và còn nhiều vấn đề cha đề cập đến hoặc
có nhng cha đi sâu, chúng em rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô và

các bạn trong chuyên ngành phần cứng nói riêng và trong toàn trung tâm đào
tạo công nghệ cao bách khoa nói chung
Chúng em xin chân thành cám ơn th.s.Hà Mạnh Đào cùng các thầy cô
trong trung tâm đào tạo công nghệ cao bách khoa đã tận tình hớng dẫn và tạo
nhiều điều kiện tốt trong quá trình học tập cũng nh trong quá trình hoàn
thành bản đồ án này

Phần mở đầu
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
1
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử
đang và sẽ tiếp tục đợc ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa
cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng nh trong đời sống xã
hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó, ngày nay việc gia
công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến
hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc trên cơ
sở nguyên lý số có những u điểm hơn hẳn cá thiết bị làm việc trên cơ sở
nguyên lý tơng tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lờng và
điều khiển và đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính đợc ứng dụng rộng
rãi ngày nay.Với sự ra đời các hệ thống số đã cải thiện , tối u những nhợc
điểm mà kỹ thuật tơng tự không đáp ứng đợc chẳng hạn nh sai số, tốc độ, tần
số làm việc, tổn hao .v.v... Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm các đại lợng
vật lý, hoá học, sinh học... là các đại lợng biến thiên theo thời gian hay nói
cách khác nó là các đại lợng tơng tự, để phối ghép với nguồn tín hiệu tơng tự
với nguồn xử lý số, nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ thống số ta
phải có các mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tơng tự sang dạng số ADC
(The Analog to Digital Convertor), tín hiệu sau khi đã đợc chuyển đổi đợc
xử lý qua một hệ thống xử lý tín hiệu số và đợc trả lại dạng tín hiệu ban đầu,
đó là tín hiệu tơng tự thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu số-tơng tự DAC

(The Digital to Analog Convertor ). Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công
nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm nhập ngày càng
sâu vào đời sống kinh tế, xã hội và đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát
triển những ngành khoa học mới, đơn cử nh những hệ thống tự động hoá đo
lờng và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dới đây. Để mở rộng tầm
ứng dụng, cũng nh khả năng can thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh
vực khác nhau. Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa là
khả năng kết nối máy tính cũng nh việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi,
tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ cụ thể cũng nh vật t thiết bị có trong tay mà
việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục đích
khác nhau. Đặc biệt đợc ứng dụng rộng rãi trong đo lờng và điều khiển tự
động. Tuy nhiên, để có đợc điều đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn
tín hiệu đó là nguồn tín hiệu tơng tự và nguồn tín hiệu số. Việc này hết sức
quan trọng và không thể thiếu đợc trong hệ thống xử lý số, không những thế
việc nghiên cứu tìm hiểu nó cho ta biết đợc khả năng làm việc, đọ chính xác
của hệ thống cũng nh độ tin cậy của hệ thống
Phần 1
Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng dụng
trong đo lờng và điều khiển bằng máy tính
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
2
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Chơng 1
Chuyển đổi tơng tự số ADC
(The Analog to Digital Convertor)
1 .Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tơng tự số (ADC basic principles)

Tín hiệu tơng tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số
mã hoá là rời rac theo thơi gian. Để chuỷên đổi tín hiệu tơng tự sang dạng tín
hiệu số đòi hỏi phải lợng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu

số liên tục. Để có đợc điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những
khoảng thời gian nh nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành số. Nh
vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là:
- lấy mẫu
- nhớ mẫu
- lợng tử hoá
- mã hoá

1.1. Lấy mẫu tín hiệu (Singnal sample)

Việc lấy mâũ tín hiệu tơng tự tại những khoảng thời gian sao cho tín hiệu
số đợc mã hoá có thể khôi phục lại tín hiệu cũ một cách trung thực, ít ảnh h-
ởng của nhiễu và sai số do quá trình lấy mẫu. Theo định lý lấy mẫu của
Kacchenikop hay định lý lấy mẫu của Sharnon thì để khôi phục lại tín hiệu
cũ có độ trung thực tối thiểu thì tần số của tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối
thiểu bằng hai lần tần số lớn nhất của phổ tín hiệu tơng tự:
maxs
2.FF

(1).
Với:
max
F
là tần số max của dải phổ tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi

s
F
là tần số lấy mẫu

Nếu:

maxs
2.FF
=
thì ta gọi tần số lấy mẫu này là tàn số Nyguist.

Chu kỳ Nyguist:
a
2.F
1
F
1
Nyguist
T
==
(2).


Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
3
0
t
U,i
0
t
U,i
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt

Hình 1. Tín hiệu tơng tự và tín hiệu sau khi lợng tử và rời rạc hoá

Nh vậy, một tín hiệu tơng tự có hàm tin x(t) nào đó xác định trong khoảng

(
T
o
t,
o
t +
) hoàn toàn có thể khôi phục từ các mẫu rời rạc của nó x(k.
t

)
theo công thức:
X (t) =


1n
.x(k.
t

).
)(
)(sin
tkt
c
tkt




(3).
Với

c

: tần số cao nhất trong phổ x(t)

t
: bớc rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu:
c
f
c
t
2
1
==


(4).
(tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x(t) )
Nh vậy số mẫu cần lấy là:
t

=
(5).
Gỉa sử coi nh bề rộng phổ của âm thanh chất lợng cao có tần số là :
Z
KHF 20=
.Nh vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý trên :
s
a
F
sny

à
5.2
5
10.5.2
20000.2
1
.2
1
=

===
1. 2. Lợng tử hoá và mã hoá tín hiệu (signal Coding and
Quantization).
Sau khi tính toán xác định tần số lấy mẫu của tín hiệu bằngđịnh lý lấy
mẫu ta đợc dãy các giá trị rời rạc.Thực hiện việc lợng tử hoá biên độ của tín
hiệu tơng tự, là biến dãy các giá trị rời rạc bất kỳ đó thành dãy các giá trị
nguyên x(k) bằng cách hết sức đơn giản là quy trò các giá trị đó. Tuy nhiên,
phải xác định đợc mức quy tròn
x
(giá trị này gọi là mức lợng tử hoá), điều
này sẽ gây ra sai số lợng tử hoá , tất nhiên ta có thể hạn chế sai số này một
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
4
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
cách tối thiểu là tăng tần số lấy mẫu. Số mẫu càng lớn thì sai số càng nhỏ,
điều này thể hiện qua số bit đầu ra củ bộ chuyển đổi, ngời ta dựa vào tham số
này để đánh giá chất lọng chuyển đổi cũng nh độ trung thực của tín hiệu khôi
phục.
Công thức lợng tử hoá:
}

{
5.0).(.)( += tkxkx
(5).
Với: E là phần nguyên.
VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu nh sau:
Giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu
X(k. t)
Giá trị sau khi quy tròn
11.7 12
10.3 10
13.8 14
18.2 18
22.6 23
24.9 25
14.1 14
Bảng 1. Gía trị rời rạc sau khi lấy mẫu và sau khi quy tròn

Sau khi thực hiện xong việc lợng tử hoá từ các tín hiệu rời rạc, ta thực hiện
việc mã hoá tín hiệu số. Trớc hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị
phân thì cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để có dợc
điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu.
Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để viết 1 con số thập
phân thì phải thoả mãn điều kiện:
3
10
< số thập phân <
4
10

Tơng tự với số nhị phân:

n
kx
n
2|)(|max
1
2 <<

(6).

Nh vậy, số bit cần thiết để thoã mã hoá là n bit.

Chẳng hạn:
5
225|)(|max2 <=< kx
n

Số bit trong mỗi từ mã là 5 bit.

Vậy ta có công thức để xác định số bit là:




2
2
n.log|x(k)|max
2
log2
2

1)log(n
<<

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
5
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt

suy ra:
1)|x(k)|max
2
E.(logn +=
. (7).
Ngoài ra, nếu con số biểu diễn là các con số đại số thì còn có cả số âmvà
số dơng cho nên trong từ mã còn có thêm một bit nữa là bit dấu để phân biệt
số âm và số dơng .
Trên cơ sở đó ta thực hiện mã hoá các giá trị trên :
x(0.

t) = (12)
10
= 01100
x(1.

t) = (10)
10
= 01010
x(2.

t) = (14)
10

= 01110
x(3.

t) = (18)
10
= 10010
x(4.

t) = (23)
10
= 10111
x(5.

t) = (25)
10
= 11001
x(6.

t) = (14)
10
= 01110
Để đánh giá chất lợng chuyển đổi nghĩa là độ trung thực của tín hiệu khôi
phục ngời ta xác định sai số lợng tử cực đại:
- Sai số lợng tử cực đại:
2/x
- Sai sốlợng tử càng nhỏthì độ trung thực của tín hiệu sau khi khôi phục
càng cao
Nh vậy, sau khi tín hiệu tơng tự đợc lấy mẫu (rời rạc hoá thời gian) và mã
hoá (lợng tử hoá về biên độ) nó chuyển thành tín hiệu số này là các giá trị rời
rạc đó. Cách biểu diễn theo hệ thập phân thờng dùng để chỉ thị số đo, còn tr-

ờng hợp mạch biến đổi AD là các thiết bị số thì thờng dùng hệ cơ số 2 (mã
nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số. Gỉa sử gọi tín hiệu tơng tự là
)(US
A
A
, tín
hiệu số là
)
DD
(US
,
D
S
đợc biểu diễn dới dạng mã nhị phân nh sau:
0
.2
0
b...
2n
2
2n
b
1n
.2
1n
b
D
S ++

+


=
(8).
Trong đó, các hệ số
0=k
b
hoặc bằng 1 (với k=0 đến k=n-1) và đợc gọi là
bit (binary digit). Trong đó, bit có trọng lợng lớn nhất ở bên trái và bit có
trọng lợng nhỏ nhất ở bên phải.ở đây
0
b
là bit có trọng lợng nhỏ nhất.
Nh vậy, với một mạch biến đổi có N bit nghĩa là có N số hạng trong dãy mã
nhị phân thì mỗi nấc trên hình chiếm một giá trị:
1
N
2
Am
U
Ux
LSB

==
(9).
Trong đó:
-
Am
U

là giá trị cực đại cho phép của diện áp tơng tự đầu vào ADC
-
x
là mức điện tử

2.các tham số cơ bản đặc trng cho chuyển đổi tơng tự số

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
6
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
+ Dải biến đổi của điện áp tơng tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà bộ
chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi đợc. Khoảng điện áp đó có thể
lấy các giá trị số từ 0 đến một số dơng hoặc âm nào đó. Số các số hạng của
mã số của đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tơng ứng với dải biến đổi của
điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi.
Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N=12, nghĩa là một từ mã có 12 con số
nhị phân thì ADC có thể phân biệt đuợc
12
2
=4096 mức điện áp trong dải
biến đổi điện áp vào của nó. Độ phân biệt của một ADC đợc ký hiệu là Q (đ-
ợc xác định theo công thức (4) ở trên). Nh vạy, ta có thể ngầm hiểu số bit N
để đặc trng cho độ chính xác. Tuy nhiên, ngoài số bit đặc trng cho độ chính
xác của bộ chuyển đổi trong thực tế liên quan đến độ chính xác của ADC còn
có những tham số khác nh: Sai số lệch 0, sai số đơn điệu, sai số khuyếch đại
Hình 2. đặc tyuến lý tởng và thực của bộ chuyển đổi ADC

Nh vậy, so sánh hai đờng đặt tuyến truyền đạt lý tởng của ADC là một đ-
ờng bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1. Đờng đặc tuyến thực có
sai số lệch không và là một hình bậc thang không đều do ảnh hởng của sai

số khuyếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn điệu. Trong đó, sai số
khuyếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đờng đặc tuyến thực với độ
dốc trung bình của đờng đặc tuyến lý tởng. Sai số phi tuyến đợc đặc trng bởi
sự thay đổi đọ dốc đờng trung bình của đạc tuyến thực trong dải biến đổi của
điện áp vào. Sai số này làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình bậc thang
không đều. Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi tuyến của
đờng đặc tính biến đổi gây ra.

3.Cấu tạo, sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của ADC
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
7
Lý tưởng
Thực
Méo phi tuyến
Sai số khuếch đại
Sai số đơn điệu
Sai số lệch không
000
001
010
011
100
101
110
111
U
A
U
A
U

A
U
A
U
M
D
U
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
(ADC Composition, Diagram and Working Principle)
3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition)


hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC

Nh vậy, một bộ chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch l-
ợng tử hoá tín hiệu và mạch mã hoá tín hiệu.
3.2. Nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Working Principle)

Trớc hết, mạch láy mẫu tín hiệu tơng tự tại các thời điểm khác nhau đều và
cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp
tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. Tín
hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa tới mạch lợng tử hoá để thực hiện làm tròn với
biên độ chính xác:
2
x

. Sau mạch lợng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch
mã hoá, kết quả lợng tử hoá đợc sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ
thuộc vào loại mã yêu cẩutên đầu ra của bộ chuyển đổi.
4. phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC .

Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC , tuy nhiên chủ yếu
phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian theo cách phân loại này
có 4 phơng pháp biến đổi AD nh sau:
a.Phơng pháp chuyển đổi song song: Trong phơng pháp nàytín hiệu đợc
so sánh cùng một lúc với nnhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit đợc xác
định đồng thời và đa đến đầu ra.
b.Biến đổi theo mã đếm: ở đây, quá trình so sánh đợc thực hiện lần lợt
từng bớc theo quy luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi đợc xác định bằng
cách đếm số lợng giá trị chuẩn có thể chứa đợc trong giá trị tín hiệu tơng tự
cần chuyển đổi.
c. Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực hiện
lần lợt từng bớc theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuản dùng để so
sánh lấy các giá trị giảm dần, do đó các bit đợc xác định lần lợt từng bit có
nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất.
d. Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phơng pháp này mỗi bớc so
sánhcó thể đợc xác định đợc tối thiểu là 2 bit đồng thời.
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
8
Mạch lấy
Mẫu
ADC
Lượng
tử hoá
Mã hoá
Bộ tạo
U
tuyến
tính
Bộ so sánh
2

Bộ tạo cửa
thời gian
Bộ
đếm
xung
Bộ tạo
xung đệm
Bộ điều
khiển
Bộ so sánh
1
U
0
+ U
x
U
0
2
n
2
1
2
0
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Nh vậy, có rất nhiều phơng pháp chuyển đổi, tuy nhiên các mạch thc tế
làm việc theo nhiều phơng pháp khác nhau. Nhng về nguyên tắc chuyển đổi
đều làm theo những phơng pháp trên. Trong quá trình thiết kế một hệ thống
đo lờng và điều khiển bằng máy tính, hay một hệ thống đo lờng số nào đó
tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống nh tốc độ,độ chính xác vật t hiện có mà lựa
chọn phơng pháp chuyển đổi khác nhau. Mỗi phơng pháp đều có u nhợc

điểm khác nhau, chính vì vậy việc nghin cứu nguyên lý hoạt động , tính năng
kỹ thuạt của từng phơng pháp cũng nh từng mạch cụ thể là nhiệm vụ của ng-
ời thiết kế. Sau đây ta tìm hiểu từng phơng pháp chuyển đổi:
4.1. Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp tích phân một sờn dốc (the
Ramp type ADC).
4.1.1. Sơ đồ khối :
Hình 4. Sơ đồ khối phơng pháp tích phân một sờn dốc
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
9
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
10
u
U
0
+ U
x
U
0
t
U
SS1
t
U
SS2
t
Uxung
cửa
T
Uxung

chuẩn
Uxung
điểm
t
t
t
Hình 5 : Giản đồ thời gian
Một đầu ra
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
4.1.2.Nguyên lý làm việc
Bộ điều khỉên tạo xung điều khiển(Xung Clock), xung này có nhiệm vụ
xoá 0 bộ đếm và tạo điện áp răng ca.Nó chính làbộ tạo điện áp mẫu có độ
méo
%

nhỏ
Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp cần đo với điện áp chuẩn
0
U
.

2 đầu vào
hình 6. bộ so sánh
Khi đặt 2 điện áp đầu vào bằng nhau thì có xung ra tại thời điển
1
t
.Xung
ra này kích bộ tạo cửa thời gian là Triger ó hai trạng thái ổn định và làm cho
bộ cửa thời gian từ trạng thái 0 chuyển sang trạng thái 1. Sau khi có điện
áp

0
U
ũ
U +
vào bộ so sánh 2 thì nó sẽ so sánh giá trị và đa ra xung đếm tại
thời điểm
2
t
. Xung đếm này làm cho bộ tạo xung chuyển trạng thái từ trạng
thái 1 sang trạng thái 0 , đồng thời mở cửa để bộ tạo xung đếm lọt qua,
các xung này sẽ đợc lu trữ tại các thanh ghi của bộ đếm xung. Trong thực tế,
thờng sử dụng các vi mạch khuyếch đại thuật toán làm bộ so sánh.
Ta thấy rằng ở sơ đồ nguyên lý ngoài điện áp
x
U
cần cho điện áp
0
U
.Điện
áp
0
U
là điện áp đợc tạon ra nhằm mục đích đo chính xác giá trị của điện áp
x
U
vì khi bắt đầu quá trình chuyển đổi nó cha ổn định do tính không đờng
thẳng.
Ta có:
dt
du

..tg
x
U
TT

==
(10)
Với:
ch
f
n
ch
TnttT === .
12
(11)
Suy ra:
dt
du
ch
f
u
x
U .=
(12).
Vì
dt
du
= const
ch
f

=
f
f

i
n
x
U 10.=
Giả sử i = 0

x
U
= n.
4.1.3 Sai số chuyển đổi và cách khắc phục.
Để thực hiện đo lờng và chuyển đổi bằng máy tính thông qua card ghép
nối chuyển đổi tơng tự-số ADC ngoài việc phải hiểu nguyên lý hoạt động của
nó, ta còn phải biết tính năng đo lờng cũng nh độ chính xác của từng bộ
chuyển đổi.
Vậy độ chính xác của bộ chuyển đổi sử dụng phơng pháp trên phụ
thuộc vào các yếu tố gì ?
* Để trả lời cho câu hỏi trên ta phải xem xet từng yếu tố tuỳ thuộc:
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
11
Bộ so sánh
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Các điện áp chuẩn
ch
U
+ Diện áp răng ca khong tuyến tính <méo

% nhỏ>
+ Tần số không ổn định có sai số tơng đối lớn
f
f
lớn
Do nhiễu xung can thiệp vao mạch biến đổi
Do sự không đồng bộ giữa xung mở cửa và chuỗi xung chuẩn
dẫn đến sai số phơng pháp đo
* cách khắc phục:
Trớc hết phải tạo điện áp chuẩn
ch
U
thật chuẩn % nhỏ, sai số doTần
số nhỏ
f
f
nhỏ
Giảm sai số phơng pháp, tăng tần số xung chuẩn, tuy nhiên cũng phải
phụ thuộc vào độ phân giải của bộ đếm xung.
4.2. Bộ chuyển đổi AD theo phơng pháp tích phân hai sờn rốc.
(The dual-slope integerating type A/D converter)
4.2.1. Sơ đồ khối cấu tạo.
Hình 7. sơ đồ khối cấu tạo bộ chuyển đổi theo phơng pháp hai sờn dốc
Hình 8. giản đồ thời gian
4.2.2. Nguyên lý hoạt động.
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
12
Bộ
đệ
m

Mạch
Logic
Đếm Z
0
Tạo
xung
nhịp
R
c
U
c
U
ch
Ua
Mạch tích
phân A1
Bộ so sánh A2
Mạch ADN
U
0
U
C
U
A
t
t
1
t
2
t

2
0
U

c1
U

c2
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Mạch logic điều khiển, điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì điện áp tơng tự
cần chuyển đổi
A
U
nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R tại thời điểm
1
t
.
Khi đó ở đầu ra của mạch tích phân
1
A
Có điện áp đợc tính theo công thức
sau:


==
11
11
)( tU
RC

dtU
RC
t
c
U
AA
(13).
Hình 9. mạch tích phân
Nh vậy,
c
U
tỷ lệ với
A
U
. Tuỳ theo
A
U
lớn hay bé mà đặc tuyến của
)(
1
t
c
U
có độ dốc khác nhau. Trong thời gian
1
t
, bộ đếm
0

cũng đếm các

xung nhịp. Sau khi nạp điện áp cần đo
A
U
cho tụ điện C, mạch logic điều
khiển sẽ chuyển khoá K sang vị trí 2 đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng đ-
ợc đa đến mạch AND ( mạch Và) và làm chomạch AND thông khi có
xung nhịp tác động. Tại thời điểm này, mạch đếm ở đầu ra bắt đầu thực hiện
đếm và mạch đếm
0

đợc mạch logic điều khiển về vị trí nghỉ.
Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn
ch
U
bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ng-
ợc lại, phờng trình nạp là:

2
)
2
(
"
t
RC
ch
U
t
c
U =
(14).

Gỉa thiết sau thời gian
2
t
thì
|
"'
|
c
U
c
U =
, nghĩa là điện áp
c
U
trên tụ C
bằng 0 vì hai điện áp đợc nạp vào tụ có nhiều cách khác nhau.
Nh vậy ta có:

1221
t
ch
U
A
U
tt
RC
ch
U
t

RC
A
U
==
(15)
Số xung đa đến mạch đếm
0

trong thời gian
1
t
là:

n
ft .
10
=
(16).
Trong đó
n
f
là tần số của dãy xung nhịp
từ đó suy ra
n
f
z
t
0
1
=

. Thay vào (15) ta đợc:

n
f
Z
ch
U
A
U
t
0
.
2
=
(17).
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
13
R
C
U
chuẩn
U
c
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Do đó xung nhịp đếm đợc nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng thời
gian
2
t
là:
0

.Z
ch
U
A
U
n
f
2.
tZ =
(18).
Sau thời gian
2.
t
mạch đếm ra bị ngắt vì điện áp trên tụ
c
U
= 0 và mạch
logic đóng cổng AND .Qúa trình lặp lại tơng tự trong quá trìng chuyển đổi
tiếp theo.
Nh vậy, theo công thức ta thấy số xung đếm đợc ở đầu ra tỷ lệ với điện áp
tơng tự
A
U
cần chuyển đổi. ở đây, kết quả đếm không phụ thuộc vào các
thông số RC của mạch và cũng không phụ thuộc vào tần số f
n

. chính vì lẽ đó
kết qủa chuyển đổi cũng khá chính xác, tuy nhiên yêu cầu cần thiết là tần số
nhịp phải có độ ổn định cao nghĩa là giá trị tần số xung nhịp phải nh nhau

trong khoảng thới gian t
1
,t
2

Tóm lại, trong phơng pháp này.ta dã làm cho điện áp cần chuyển đổi U
A
Tỷ lệ với thời gian (t
1
,t
2
) rồi đếm số xung nhịp xuất hiện trong khoảng thời
gian đó. Phơng pháp này cho ta chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số
có độ chính xác cao.
4.3 Phơng pháp chuyển đổi song song hay phơng pháp so sánh trực tiếp.
(Comparaison directe).
4.3.1. Sơ đồ nguyên lý.
Hình 10. sơ đồ nguyên lý phơng pháp chuyển đổi song song
4.3.2.Nguyên lý hoạt động
Trong phơng pháp chuyển đổi này, tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi U
A
cần chuyển đổi đợc đa đồng thời tới đầu vào cá bộ so sánh. Điện áp chuẩn
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
14
U
A
Uch
7V/8
3V/8
5V/8

V/2
3V/8
V/4
V/8
V/2
R
R
R
R
R
R
R
R
Mã Hoá
Lối vào Lối ra
1111111 000
0111111 001
0011111 010
0001111 011
0000111 100
0000011 101
0000001 110
0000000 111
Bit 1
Bit 2
Bit 3