Bộ chuyển đổi tương tự - số

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (538.41 KB, 15 trang )

196
Bài 15: Bộ chuyển đổi tơng tự - số
(Analog to Digital Converter)
A. Phần tóm tắt lý thuyết
1. Bộ biến đổi tơng tự/số (ADC).
Hình vẽ sau mô tả chức năng của ADC 4 bit.

Bảng chân lý của bộ ADC này có thể lấy toàn bộ số liệu trong bảng chân lý bộ
DAC bài trớc. Mạch điện bố trí bên trong của bộ ADC khá phức tạp. Dới đây
chỉ là một ví dụ sơ đồ logic của bộ ADC này bao gồm một DAC, một mạch đếm
modun 16, một cửa và, một mạch so sánh điện áp.
Mạch so sánh thực hiện việc so sánh điện áp ở đầu vào A và điện áp ở đầu vào
B. Nếu điện áp lối vào A lớn hơn điện áp lối vào B (A > B) thì mức logic đầu ra X
của Comparator là cao (A > B, X = 1). Ngợc lại thì mức logic đầu ra thấp (A < B,
X = 0).

197
Đầu vào
tơng tự
Đầu ra
nhị phân
Đờng
V
ra
(v) D C B A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0
0,4
0,8
1,2

1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
3,6
4,0
4,4
4,8
5,2
5,6
6,0
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1
Giả sử điện áp V
vào

bộ ADC là 1,5V và mạch đếm đã đợc xoá trớc khi hoạt
động. Trải qua 5 chu trình, bộ ADC biến đổi điện áp tơng tự đầu vào 1,5V thành
đầu ra nhị phân 0100 theo đúng bảng chân lý. Quá trình diễn ra nh sau:

Chu
Trình
Mạch so sánh
Cửa và
Mạch đếm Chỉ thị LED DAC
Số TT A B X CK X C
P
Q
D
Q
C
Q
B
Q
A
D C B A V
ra
1
2
3
4
5

1,5v 0 1
1,5v 0,4 1
1,5v 0,8 1

1,5v 1,2 1
1,5v 1,6 0
CK 1
CK 1
CK 1
CK 1
CK 1
C
P
0 0 0 1
C
P
0 0 1 0
C
P
0 0 1 1
C
P
0 1 0 0
0 0 1 0 0
Không có xung nhịp
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 0
(dừng)
0,4
0,8
1,2

1,6
1,6
(dừng)
Việc phân tích nh trên để dễ hiểu về sự hoạt động của một bộ ADC. Quá
trình xảy ra rất nhanh tuỳ theo tần số của xung nhịp CK. Tần số này có thể trên
1 MHz. Có nhiều kiểu ADC đã đợc sử dụng. Kiểu nói trên là kiểu đếm bậc
thang. Có loại ADC trong đó không dùng mạch đếm mà dùng mạch phát bậc
thang. Loại này gọi là kiểu bậc thang. Loại có tốc độ biến đổi rất nhanh gọi là
kiểu gần đúng liên tiếp loại này có cấu trúc bên trong phức tạp hơn.

198
2. Thông số đặc trng.
Hình vẽ sau giúp ta hiểu rõ ý nghĩa của một số thông số.

Điện áp (hay dòng) biến đổi theo bậc (step) , mỗi bậc tơng ứng với một lợng
tăng điện áp gọi là lợng tăng 1LSB. Danh từ này bắt nguồn từ chỗ điện áp thay
đổi ngay từ bit có ý nghĩa nhỏ nhất. Chất lợng của một bộ biến đổi đợc đánh giá
bằng độ phân giải. Độ phân giải tính bằng tỷ số lợng tăng 1 LSB với giá trị cực
đại của đại lợng tơng tự. Ví dụ trong bộ DAC 4 bit mà ta đa ra ví dụ ở trên độ
phân giải bằng :

15

1
0,6
4,0
=

Công thức tổng quát nh sau:
Độ phân giải =
12
1

n
; n là số bit
Số bit càng lớn và do đó độ phân giải càng nhỏ thì chất lợng càng cao. Độ
phân giải của bộ biến đổi 6 bit là
63
1
, 8 bit là
255
1
, 10 bit là
023.1
1
và 12 bit là
095.4
1

Sự thay đổi nhịp nhàng (hay đơn điệu) của một bộ biến đổi là rất cần thiết,
nhất là bộ DAC (hình a phần trên). Hình b là không nhịp nhàng bởi vì có đoạn mà
điện áp không tăng đúng 1 LSB khi số nhị phân thay đổi. So với đờng chuẩn
(chấm chấm), sai số gặp phải là

2
1
+
LSB và tiếp theo đó là
2
1

LSB. Sai số cho
phép là phải nhỏ hơn
2
1

LSB cho toàn thang đo.

199
Thời gian thiết lập t
S
của DAC là thời gian cần thiết để điện áp đầu ra đạt
đợc giá trị ổn định trong phạm vi sai số
2
1

LSB (t
S
= ns
à
ữ
s).
Có rất nhiều loại DAC và ADC với phạm vi ứng dụng khác nhau. Do vậy, khi
dùng DAC hoặc ADC ta phải biết đầy đủ các đặc trng và khả năng ứng dụng của

chúng.

200
B. Phần thực nghiệm
1. Nghiên cứu bộ biến đổi tơng tự - số (ADC) theo kiểu đếm bậc thang

Ngày nay ngời ta đã sản xuất nhiều bộ ADC dới dạng chíp hoàn chỉnh.
Tuy nhiên sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử bên trong chíp vẫn theo
nguyên tắc chung nh ta trình bày trong lý thuyết. Bộ ADC nào cũng có
mạch so sánh và bộ DAC. Sự khác nhau ở chỗ ngời ta sử dụng loại mạch
nào nằm giữa Comparator và DAC để tạo tín hiệu bậc thang. Nếu dùng
mạch đếm nh ta nói ở trên thì đó là Counter Ramp ADC. Nếu là mạch
phát bậc thang (Ram Generator) đó là Ramp ADC, nếu là mạch ghi gần
đúng liên tiếp (Successive aproximation Register = Sar) đó là SAR ADC.
Sau đây ta sẽ nghiên cứu bộ biến đổi ADC kiểu bậc thang có sơ đồ khối
nh sau:

Sơ đồ thí nghiệm:
8
8
8
CLOC
K

Generator
1Hz
Binary
Output
(leddisplaY)
Hex

7 seg
display
V
i

V
0
CK
74LS161
Counter
CLR
DAC 03
(D/A Converterr)

201
Bộ so sánh
Data in
Vo
0
1
2
3
4
5
6
7
7
6
5
4
3
2
1
0
7
6
5
4
3
2
1
0
1
CLR

5V
DC V
2.500 V
74LS161A
CEP
CET
CP
D3
D2
D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
5V
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Vi
2.5V
5V

5V
5V
IN+
IN-
V+
V- LATCH
GND
OUT
OUT
___
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
1 Hz
0/5V
74LS161A
CEP
CET
CP
D3
D2

D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0

Các bớc tiến hành thí nghiệm:
Bớc1:

Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng:
01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8]
01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s)
01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter]
01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561]
08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9)
01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen]
02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161]
Chú ý:

[ ] Đờng dẫn để lấy linh kiện trong th viện
( ) Ký hiệu phím tắt
Bớc 2:

- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode
- Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage
- Đặt chế độ máy phát:

202
Kích đúp chuột vào biểu tợng máy phát. Chọn dạng sóng phát là Sin
Wawe Data. Sau đó đặt các giá trị theo bảng sau:

Bớc 3:

- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau:
V
i
(V)
CLR

Q
7
Q
6
Q
5
Q
4
Q
3
Q
2
Q
1
Q
0
V

O
x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,96 1
1,80 1
2,50 1
3,20 1
5,00 1
- Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết
quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các V
i
nh trên):
2. Nghiên cứu bộ biến đổi tơng tự - số (ADC) theo kiểu gần đúng liên
tiếp (Suceesive Approximation Type ADC)
ở đây có sử dụng mạch ghi gần đúng liên tiếp (SAR) đặt xen giữa mạch
so sánh và DAC. Ưu việt của ADC theo kiểu này là tốc độ nhanh. Nếu dùng
ADC 8 bit thì chỉ cần 8 xung nhịp là đủ để điện áp ra V
0
của DAC tiến tới
lân cận giá trị điện áp vào V
i
.
Sơ đồ khối đợc bố trí nh sau:

203

 S¬ ®å thÝ nghiÖm:
Bé so s¸nh
Data in
Vo
1
0
2
4
6
1
3
5
7
0
1
2
3
4

5
6
7
7
6
5
4
3
2
1
0
1 Hz
0/5V
Start
0V
DC V
2.500 V
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Vi
2.5V
5V
5V
IN+

IN-
V+
V- LATCH
GND
OUT
OUT
___
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
74LS502
Start
Qd
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7

CK
D

 C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm:
B−íc1:

Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông:
01 DAC 8 bÝt [Data Converters/D-A/DAC8]
01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s)
EOC

C
K
START
8
8
8
Binary
output
(lED dispay)

V
i
V
0
74LS502`
SAR
DAC - 03
(D/A Converter)

204
01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter]
01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561]
08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9)
01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen]
01 IC 74LS502 [User Difined/Macro/74LS502]
Bớc 2:

- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode
- Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage
- Đặt chế độ máy phát:
Kích đúp chuột vào biểu tợng máy phát. Chọn dạng sóng phát là Sin
Wawe Data. Sau đó đặt các giá trị theo bảng sau:

Bớc 3:

- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau:
V
i
(V)
CLR
Q
7
Q
6
Q
5
Q
4

Q
3
Q
2
Q
1
Q
0
V
O
x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,96 1
1,80 1
2,50 1
3,20 1
5,00 1
- Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết
quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các V
i
nh trên):

205
C. Phô lôc
Giíi thiÖu DataSheet c¸c h·ng s¶n xuÊt IC trªn thÕ giíi cña mét sè IC th«ng
dông sö dông trong bµi thùc hµnh.
1. Bé chuyÓn ®æi A/D 8 bit víi 8 kªnh lèi vµo
(8-bit µP Compatible A/D Converters with 8-channel Multiplexer)
Tªn IC: ADC0808, ADC0809