Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 14 pdf

Bài 14
bộ biến đổi tơng tự số (adc)
Mục đích: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và các phơng pháp của biến đổi tơng tự số
(ADC). Tiến hành khảo sát một số loại ADC đợc thực hiện theo các phơng pháp
đợc nêu và đo đạc, đánh giá chúng.

Phần lý thuyết

1. Cơ sở lý thuyết
1.1. Khái niệm chung: Do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử số, đặc
biệt là sự ứng dụng phổ biến của máy tính điện tử số, nên thờng dùng mạch số để
xử lý tín hiệu tơng tự.
Muốn dùng hệ thống số xử lý tín hiệu tơng tự thì phải biến đổi tín hiệu
tơng tự thành tín hiệu số tơng ứng, rồi đa vào để hệ thống số xử lý. Mặt khác
thờng có yêu cầu biến đổi tín hiệu số (kết quả xử lý) thành tín hiệu tơng tự tơng
ứng để đa ra sử dụng. Chúng ta gọi sự chuyển đổi tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số
là chuyển đổi AD, và mạch thực hiện công việc đó là bộ biến đổi tơng tự - số (ADC
- Analog Digital Converter). Chúng ta gọi sự chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu
tơng tự là chuyển đổi số - tơng tự (DA), và mạch thực hiện chuyển đổi số - tơng
tự là DAC (Digital Analog Converter).
Quá trình biến đổi 1 tín hiệu tơng tự sang dạng số đợc minh họa bởi đặc
tính truyền đạt nh hình 14.1.
U
D
U
A
111

110
101
100
011
010
001
000
1 2 3 4 5 6 7
(U
Amax
)




Q
Q
U

Hình 14.1: Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tơng tự - số với U
A

256
U
A
: Điện áp vào tơng tự.
U
D
: Điện áp ra số.
Giá trị của tín hiệu tơng tự U

A
đợc chuyển thành một đại lợng số mà mối
quan hệ giữa chúng có dạng bậc thang đều. Với đặc tính truyền đạt nh vậy, một
phạm vi giá trị của U
A
đợc biểu diễn bởi một giá trị đại diện số thích hợp. Các giá
trị đại diện số là các giá trị rời rạc.
Một cách tổng quát, tín hiệu số
.
0
0
2
2
1
1
2 22 bbbS
n
n
n
nD
+++=




trong đó các hệ số b
K
= 0 hoặc 1.
(với b
K

nhận 2 giá trị 0 và 1 gọi là bit).
b
n-1
đợc gọi là bit có nghĩa lớn nhất (MSB - Most Significant bit) tơng
ứng với cột đứng bên trái của dãy mã số. Một biến đổi giá trị của MSB ứng với sự
biến đổi của tín hiệu là nửa dải làm việc.
b
0
là bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB - Least Significant bit) tơng ứng với cột
đứng đầu tiên bên phải của dãy mã số. Một biến đổi giá trị của LSB ứng với 1 mức
lợng tử (1 nấc của hình bậc thang).
1.2. Các tham số cơ bản.

1.2.1. Dải biến đổi của điện áp tơng tự ở 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 trị số từ 0 đến một trị số dơng hoặc âm nào đó hoặc
cũng có thể là điện áp có hai cực tính từ U
Am
đến +U
Am
.

1.2.2. Độ phân giải.
Độ phân giải của ADC biểu thị bằng số bit của tín hiệu ở đầu ra. Số bit càng
nhiều thì sai số lợng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao.
Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N = 12 có thể phân biệt đợc 2
12
= 4069
mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Độ phân biệt của một ADC đợc ký hiệu
là Q và đợc xác định bởi biểu thức sau:

12

=
N
Am
U
Q

Q là giá trị của một mức lợng tử hoá hoặc còn gọi là một LSB.
Thông thờng các ADC có số bit từ 3 đến 12. Ngoài ra còn có một số các
ADC đạt đợc độ chính xác có số bit từ 14 đến 16 bit.
Liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác đợc minh
họa trên hình 14.2.

257
Sai số lệch không
Lý tởng
Thực
Sai số đơn điệu
Sai số khuếch đại
Méo phi tuyến
LSB
2
1
U
D
U
A
111
110

101
100
011
010
001
000


Hình 14.2: Đặc tuyến truyền đạt lý tởng và thực của mạch
biến đổi tơng tự - số (ADC).

Đặc tuyến truyền đạt lý tởng của ADC là một đờng bậc thang đều và có độ
dốc trung bình bằng 1. Đặc tuyến thực có sai số lệch không, nghĩa là nó không xuất
phát tại giá trị ứng với
2
1
LSB. Nó là hình bậc thang không đều do ảnh hởng của
sai số khuếch đại, méo phi tuyến.

1.2.3. Tốc độ chuyển đổi.
Tốc độ chuyển đổi là số chuyển đổi trong một giây gọi là tần số chuyển đổi
f
C
. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi T
C
để đặc trng cho tốc độ
chuyển đổi. T
C
là thời gian cần thiết cho 1 lần chuyển đổi.
Chú ý rằng

C
C
T
f
1

. Thờng
C
C
T
f
1
<
và giữa các lần chuyển đổi còn có 1
khoảng thời gian cần thiết cho ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu.
1.3. Nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi tơng tự - số (ADC).
Trong bộ biến đổi tơng tự - số (ADC) tín hiệu tơng tự ở đầu vào là liên tục,
tín hiệu số mã hoá ở đầu ra là rời rạc. Sự chuyển đổi AD đòi hỏi phải lấy mẫu đối
với tín hiệu tơng tự ở đầu vào ở những thời điểm quy định, sau đó chuyển đổi các
giá trị mẫu đó thành tín hiệu số ở đầu ra. Quá trình chuyển đổi tơng tự - số nói
chung có 4 bớc: Lấy mẫu - Giữ mẫu - lợng tử hoá - mã hoá. Các bớc trên đây

258
luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất. Ví dụ lấy mẫu và giữ mẫu là
một công việc liên tục trong cùng một mạch điện, lợng tử hoá và mã hoá là công
việc đồng thời thực hiện trong một quá trình chuyển đổi với một khoảng thời gian
cần thiết là một phần của thời gian giữ mẫu.

1.3.1. Lấy mẫu tín hiệu.
Tín hiệu tơng tự ở lối vào U

A
, sau quá trình lấy mẫu và xử lý gọi là tín hiệu
U
S
và chúng có thể khôi phục lại tín hiệu tơng tự U
A
một cách trung thực nếu điều
kiện sau đợc thoả mãn:
max
2
VS
ff (14-1)
ở đây: f
S
là tần số của tín hiệu lấy mẫu.

là giới hạn trên của dải tần số tín hiệu tơng tự.
maxV
f
Nếu (14.1) đợc thoả mãn có thể dùng bộ lọc thông thấp để khôi phục tín
hiệu tơng tự U
A
từ tín hiệu U
S
. Hình 14.3 mô tả lấy mẫu tín hiệu tơng tự. Hình
14- 4 là đặc tính tần số của bộ lọc khôi phục tín hiệu.


t
o

U
A

Hình 14.3: Lấy mẫu tín hiệu tơng tự đầu vào.
o
)( fK
f
maxv
f

Hình 14. 4: Đặc tính tần số của bộ lọc khôi phục tín hiệu.

Vì mỗi lần chuyển đổi của điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tơng ứng đều
cần một thời gian nhất định, nên phải nhớ là mất một khoảng thời gian cần thiết sau
mỗi lần lấy mẫu, đủ để biến đổi thành tín hiệu số.

259
1.3.2. Lợng tử hoá và mã hoá
Tín hiệu số không những rời rạc về mặt thời gian, mà còn không liên tục
trong biến đổi giá trị. Mỗi giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số
nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất đợc chọn. Nghĩa là nếu
dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu, thì tất phải bắt điện áp lấy mẫu hoá thân
thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị. Quá trình này là quá trình lợng tử hoá. Đơn
vị đợc chọn theo qui định này gọi là đơn vị lợng tử, ký hiệu là . Rõ ràng là giá trị
của bit LSB của tín hiệu số bằng . Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu
số gọi là mã hoá. Mã nhị phân có đợc sau quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của
bộ chuyển đổi tơng tự - số.
Tín hiệu tơng tự là liên tục thì không phải luôn luôn là bội số nguyên lần
của , do đó ta không tránh khỏi sai số lợng tử hoá. Tồn tại những cách khác nhau
phân chia các mức lợng tử dẫn đến sai số lợng tử hoá khác nhau.

Sau đây là các giá trị chuyển đổi tín hiệu điện áp lợng tử từ 0 ữ 1V thành tín
hiệu số nhị phân 3 bit. Nếu chọn
V
8
1
=
đồng thời qui định điện áp tơng tự trong
phạm vi từ 0 ữ
V
8
1
, xem nh là 0 ì thì tín hiệu số tơng ứng là 000. Tơng tự,
điện áp tơng ứng từ
V
8
1
ữ
V
8
2
là 1 ì , tơng ứng với 001 v.v Theo cách phân
chia mức lợng tử đó, ta có hình 14.5a.

111 7

= 7/8V



110 6

= 6/8V



101 5

= 5/8V



100 4

= 4/8V



011 3

= 3/8V



010 2

= 2/8V



001 1

= 1/8V



000 0

= 0/8V



1V
7/8
6/8
5/8
4/8
3/8
2/8
1/8
0

(a)
111 7

= 14/15V
110 6

= 12/15V
101 5

= 10/15V
100 4

= 8/15V
011 3

= 6/15V
010 2

= 4/15V
001 1

= 2/15V
000 0

= 0








1V
13/15
11/15
9/15
7/15
5/15

3/15
1/15
0

















(b)
Hình 14.5


260
Hai phơng pháp phân chia mức lợng tử và sai số lợng tử.
Hình 14.b Chỉ ra phơng pháp phân chia mức lợng tử có thể giảm nhỏ hơn
sai số lợng tử. Chọn
V
15

2
=
.
Qui định: + Điện áp tơng tự
V
15
1
0 ữ








ữ
2
0
tơng ứng 000.
+ Điện áp tơng tự
15
2
15
1
ữV
tơng ứng 001 v.v
Sai số cực đại của phơng pháp này là
V
15

1
2
=

.
1.3.3. Mạch lấy mẫu, giữ mẫu.
Hình 14.6 giới thiệu IC lấy mẫu, giữ mẫu LF-198.

U
R
D
1
L
S
1
2
+

+
C
K
U
đk
R
1
30K
R
2
300

U
o
U
V
D
2


Hình 14.6: Mạch điện của IC LF-198 lấy mẫu - giữ mẫu.

Trong hình gồm 2 bộ khuếch đại thuật toán. S là chuyển mạch điện tử. L là
mạch ghép điều khiển chuyển mạch S.
Tín hiệu điều khiển U
đk
= 1, chuyển mạch S đóng, U
đk
= 0, chuyển mạch S
ngắt.
Khi S đóng cả 2 bộ khuếch đại thuật toán hoạt động ở chế độ lặp lại (hệ số
khuếch đại điện áp bằng 1)
VOr
UUU
=
=
. Tụ điện C
K
mắc nối tiếp với R
2
và nối
đất có điện áp bằng U

V
. Khi U
đk
= 0 thì S ngắt, điện áp trên tụ và điện áp ra đợc
duy trì.

261
Điện áp lối vào U
V
có thể biến thiên đáng kể trớc khi S đợc đóng trở lại
cho lần lấy mẫu kế tiếp. Do điện áp U
O
có thể biến thiên rất lớn ở một trong hai
trạng thái bão hòa của khuếch đại thuật toán vợt quá khả năng chịu điện áp của
chuyển mạch S khi đóng trở lại. Đồng thời, khi khuếch đại thuật toán làm việc ở chế
độ bão hòa chỉ làm việc ở tần số thấp. Do đó đa thêm diode D
1
, D
2
, làm nhiệm vụ
nối mạch hồi tiếp âm của khuếch đại thuật toán thứ nhất và điện áp U
O
= U
V
0,6V
sẽ khắc phục đợc các nhợc điểm trên.
Khi chuyển mạch S đóng điện áp đặt lên 2 diode bằng không, vì vậy chúng
có điện trở lớn, không có tác dụng khi lấy mẫu.
2. Các phơng pháp biến đổi tơng tự - số.
2.1. Phân loại

Có nhiều cách phân loại các loại biến đổi tơng tự - số. Cách phân loại hay
dùng hơn cả là cách phân loại quá trình biến đổi về mặt thời gian. Nó cho phép phán
đoán một cách tổng quát tốc độ chuyển đổi. Theo cách phân loại này ngời ta phân
biệt 4 phơng pháp biến đổi AD sau đây:
- Biến đổi song song. Trong phơng pháp biến đổi song song, tín hiệu đợc
so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn. Tất cả các bit đợc xác định đồng thời
và đa đến đầu ra.
- Biến đổi nối tiếp theo mã đếm. ở đây quá trình đợc thực hiện lần lợt từng
bớc theo qui luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi đợc xác định bằng cách đếm
số lợng giá trị chuẩn biểu diễn giá trị tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi.
- Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân. Quá trình so sánh đợc thực hiện lần
lợt từng bớc theo qui luật của mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy
các giá trị giảm dần theo qui luật của mã nhị phân, do đó các bit đợc xác định lần
lợt từ bít có trọng số lớn nhất (MSB) đến bít có trọng số nhỏ nhất (LSB).
- Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp. Trong phơng pháp này mỗi bớc so
sánh có thể xác định đợc tối thiểu là 2 bit đồng thời.
Các mạch thực tế làm việc theo nhiều phơng pháp khác nhau, nhng đều có
thể xếp vào 1 trong 4 loại trên.
2.2. Chuyển đổi AD theo ph
ơng pháp song song.
Trong phơng pháp chuyển đổi song song, tín hiệu tơng tự U
S
đợc đồng
thời đa tới các bộ so sánh
m
SS
ữ
1
. Điện áp chuẩn đợc đa tới đầu vào thứ hai của
các bộ so sánh, thông qua thang điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so

sánh lân cận khác nhau một lợng không đổi và giảm dần từ bộ so sánh S
1
đến từ bộ
so sánh S
m
. Đầu ra của bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên

262
thang điện trở có mức lôgic 1 các đầu ra còn lại có mức lôgic 0 . Tất cả các đầu
ra đợc nối với mạch AND (và), một đầu mạch AND đợc nối với mạch tạo xung
nhịp chỉ khi có xung nhịp đa đến đầu vào mạch AND thì các xung trên đầu ra
mạch so sánh mới đa tới mạch nhớ FF (Flip - Flop).
Nh vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ của xung nhịp lại có
một tín hiệu đợc biến đổi và đa tới đầu ra. Xung nhịp đảm bảo cho quá trình so
sánh kết thúc mới đa tới tín hiệu vào bộ nhớ.
Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh, vì quá trình so sánh
đợc thực hiện song song, nhng mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn. Với bộ
chuyển đổi N bit để phân biệt đợc 2
N
mức lợng tử hóa phải dùng (2
N
-1) bộ so
sánh. Vì vậy phơng pháp này chỉ dùng trong các ADC yêu cầu số bit N nhỏ và tốc
độ chuyển đổi cao.
FF
FF
FF
FF
Mã
hóa

o
o
o
o
U
D
R
U
S
o
o Xung nhịp
o
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
U
G

+

+
S
2

+
S
3
S
1
.
.
.
.

+
S
n
R
R
R
B1
B2
B3
Bn
U
CB
Hình 14.7: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phơng pháp song song
2.3. Chuyển đổi AD theo phơng pháp đếm đơn giản.
Hình 14.8. Trình bày sơ đồ nguyên tắc của ADC làm việc theo phơng pháp

đếm đơn giản. Hình 14.9. Giản đồ thời gian điện áp ra của các khối trong hình 14.8.

263
U
A
+

Tạo điện áp
răng ca
SS
1
U
C
o
o
U
SS2
SS
2
+

Bộ
đếm
o
Xung nhịp
.
.
U
G
U

SS1
o
U
D
o
o

Hình 14.8: Sơ đồ nguyên tắc của ADC làm việc theo
phơng pháp đếm đơn giản.
t
U
G
o
t
o
t
o
t
o
U
C
U
A
U
SS2
U
SS1

Hình 14.9: Giản đồ thời gian điện áp ra của các khối trong hình 14.8.

Điện áp vào U
A
đợc so sánh với điện áp chuẩn răng ca U
C
nhờ bộ so sánh
SS1. Khi
thì U
CA
UU >
SS1
= 1, khi
CA
UU
<
thì U
SS1
= 0.

264
Bộ so sánh SS2 so sánh điện áp răng ca với mức 0V (đất), do đó khi có điện
áp răng ca U
SS2
= 1, khi không có thì U
SS2
= 0.
U
SS1
và U
SS2
đợc đa đến lối vào một mạch AND. Xung ra U

G
có độ rộng tỉ
lệ với độ lớn của điện áp vào U
A
, giả thiết xung chuẩn dạng răng ca có độ dốc
không đổi. Mạch AND thứ hai chỉ cho ra các xung nhịp khi tồn tại xung U
G
, nghĩa
là trong khoảng thời gian
AG
UU
<
<
0 . Mạch đếm sẽ đếm số xung nhịp trong thời
gian tồn tại U
G
trong một chu kỳ của xung răng ca. Đơng nhiên số xung này tỉ lệ
với độ lớn của U
A
.
2.4. Bộ biến đổi ADC xấp xỉ tiệm cận.
Ra số liệu
song song
Bộ nhớ xấp
xỉ tiệm cận
COM
U
v
U
o

Điện áp chuẩn
CLOCK
Tín hiệu điều khiển CON V
chuyển đổi
DAC


Hình 14.10: ADC xấp xỉ tiệm cận

Hình 14.10 là sơ đồ khối ADC xấp xỉ tiệm cận. Trong sơ đồ này có các khối
sau: Bộ so sánh (COM), DAC, điện áp chuẩn, bộ nhớ xấp xỉ tiệm cận, lôgic điều
khiển, tín hiệu đồng hồ (CLOCK) v.v Trớc khi thực hiện chuyển đổi AD, bộ nhớ
phải bị xóa về 0. Bắt đầu chuyển đổi, xung đồng hồ lập bit MSB trong bộ nhớ ở mức
1, số liệu ra của bộ nhớ là 100 0. Tín hiệu số này đợc DAC chuyển đổi thành điện
áp tơng tự tơng ứng U
o
. Bộ COM so sánh U
V
và U
o
. Nếu , tín hiệu số quá
lớn thì bit MSB bị xóa về 0. Nếu
Vo
UU >
Vo
UU
<
, tín hiệu số vẫn còn bé thì bit MSB duy
trì giá trị 1. Tiếp theo, cùng một phơng pháp nh trên, xung đồng hồ tiếp lập bit có
trọng số bé hơn ở mức 1, sau khi so sánh, lôgic mạch xác định giá trị 1 này có duy

trì hay không. Cứ thế tiếp tục mãi đến bit LSB thì xong. Sau quá trình so sánh tất cả
các bit, dữ liệu trong bộ nhớ chính là tín hiệu số mong muốn.
Quá trình trên tơng tự nh quá trình cân một vật bằng cân bàn. Các quả cân

265
đợc chọn lựa từ lớn đến bé, mỗi lần chọn lựa một quả cân bằng nửa quả cân của lần
lựa chọn trớc.

DAC 3 bit
Q
F
A
Q
F
B
Q
F
1
D
>
o
Q
F
2
D
>
Q
F
4
D

Q
F
5
D
>
Q
F
3
D
>
U
V
o
U
o
C
o C(2
2
) MSB
6
o B(2
1
)
7
o A(2
o
) LSB
8
U
V

+
2
12 3
4
5
Q
F
C
S R
S RS R
>




<
=
oV
oV
C
UU
UU
U
,0
,1
CP


Hình 14.11: Mạch điện ADC xấp xỉ tiệm cận 3 bit.

Xét mạch điện ADC xấp xỉ tiệm cận 3 bit. Hình 14-11, F
A
, F
B
, F
C
là bộ nhớ
xấp xỉ tiệm cận 3 bit.
và các cổng 1 ữ 5 là mạch lôgic điều khiển.
51
FF ữ
51
FF
ữ

đợc đấu thành bộ ghi dịch vòng. Trớc khi bắt đầu chuyển đổi thiết lập
, Q0
4321
==== QQQQ
5
= 1. Xung đồng hồ CP thứ nhất đến: Q
1
= 1,
, Q0
5432
==== QQQQ
A
= 1, Q
B

= Q
C
= 0. Tín hiệu số đa đến DAC là 100, đầu
ra là điện áp tơng tự U
o
tơng ứng. Bộ so sánh C so sánh U
o
và U
V
, nếu
oV
UU
<

thì U
C
= 1, nếu thì U
oV
UU
C
= 0.

266
Trong nhịp đồng hồ thứ hai: Bộ ghi dịch vòng dịch phải 1 bit, nghĩa là Q
2
= 1,
. Nếu U0
5431
==== QQQQ
C

= 1 thì cổng AND 1 thông, Reset F
A
, Q
A
= 0 (xóa
MSB). Nếu U
C
= 0 thì cổng AND 1 vẫn ngắt, F
A
duy trì trạng thái Q
A
= 1. Đồng
thời, Q
2
= 1 lập F
B
ở 1, Q
B
= 1.
Đến nhịp đồng hồ thứ ba: Bộ ghi dịch vòng dịch phải 1 bit nữa, nghĩa là
Q
3
= 1, . Kết quả F0
5421
==== QQQQ
C
lập 1, Q
C
= 1. Đồng thời cổng AND 2
thông, tùy theo giá trị U

C
đầu ra bộ so sánh C mà Q
B
= 0 hay Q
B
= 1.
ở nhịp đồng hồ thứ t: Q
4
= 1, 0
5321
=
=
=
=
QQQQ . Kết quả so sánh U
C

quyết định Q
C
= 0 hay Q
C
= 1.
Nhịp đồng hồ tiếp theo Q
5
= 1, 0
4321
=
=
=
=

QQQQ . Kết quả chuyển đổi
thể hiện ở trạng thái F
A
, F
B
, F
C
đợc đa ra đầu ra thông qua các cổng AND 6, 7, 8.
Bộ trừ tổng trên hình 14-11 làm giảm giá trị đầu ra DAC một lợng
2

, với
mục đích giảm sai số điện tử. Để sai số lợng tử không lớn hơn
2

thì mức so sánh
thứ nhất không phải là , mà là
2

, còn đối với mức so sánh khác phải chênh nhau
, nghĩa là cũng phải giảm đi
2

. Nhờ bộ trừ mà tất cả các mức tín hiệu đầu ra DAC
đều giảm bớt
2

trớc khi đem so sánh với U
V
.

Trong ví dụ này ta thấy một lần chuyển đổi AD cần 5 chu kỳ đồng hồ CP.
Nếu số bit tăng thêm thì thời gian chuyển đổi cũng tăng lên theo. Hiện nay ADC
xấp xỉ tiệm cận đợc ứng dụng rộng rãi.
3. Chuyển đổi số - tơng tự
Chuyển đổi số - tơng tự là quá trình tìm lại tín hiệu tơng tự từ N số hạng (N
bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lợng tử tức là 1 LSB.
Hình 14.12 trình bày sơ đồ khối để biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tơng
tự, qua mạch lọc thông thấp để thu đợc tín hiệu ban đầu:
DAC
Bộ lọc
thông thấp
u
A
u
D

Hình 14.12: Sơ đồ khối biểu diễn quá trình biến đổi số
thành tín hiệu tơng tự ban đầu.


267
Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi số - tơng tự là quá trình biến đổi
DA ta có tín hiệu lấy mẫu và giữ mẫu là tín hiệu hình bậc thang. Sau đó qua
bộ lọc thông thấp, đợc tín hiệu tơng tự u
A
.
3.1. Các thông số cơ bản của bộ biến đổi DAC
3.1.1 Độ phân giải
Độ phân giải là tỉ số giữa giá trị cực tiểu đối với giá trị cực đại của điện áp
đầu ra, về trị số tỉ số này tơng ứng với tỉ số giá trị cực tiểu đối với giá trị cực đại

của tín hiệu số đầu vào.
Thí dụ đối với DAC 10 bit, có độ phân giải là:

001,0
1023
1
12
1
1111111111
0000000001
10
=

=
(14.2)
Độ phân giải của DAC cũng có thể biểu thị bằng số bit tín hiệu số đầu vào.
3.1.2 Độ tuyến tính
Độ tuyến tính của DAC biểu thị bằng sai số phi tuyến. Sai số phi tuyến là số
phần trăm của giá trị lệch cực đại khỏi đặc tính vào ra lý tởng so với giá trị cực đại
ở đầu ra.
3.1.3 Độ chính xác chuyển đổi
Độ chính xác chuyển đổi xác định bằng sai số chuyển đổi tĩnh cực đại. Sai số
này phải bao gồm sai số phi tuyến, sai số hệ số tỉ lệ và sai số trôi v.v, trong tài liệu
kỹ thuật đôi khi ngời ta cho riêng từng sai số trên mà không cho sai số tổng hợp.
3.1.4 Thời gian xác lập dòng điện, điện áp đầu ra
Thời gian xác lập, là thời gian từ khi tín hiệu số đợc đa vào đến khi dòng
điện hoặc điện áp đầu ra ổn định.
Ngoài các tham số trên còn một số tham số khác nh: các mức lôgic cao,
thấp, điện trở và điện dung đầu vào. Dải động, điện trở và điện dung đầu ra v.v.
3.2. Các bộ chuyển đổi DAC

3.2.1 Bộ chuyển đổi DAC điện trở hình chữ T
Hình 14.13 là sơ đồ DAC điện trở hình chữ T. Hai loại giá trị điện trở R và
2R đợc mắc thành 4 cực hình chữ T nối dây chuyền S
3
, S
2
, S
1
, S
o
là chuyển mạch
tơng tự.
Bên phải hình có bộ khuếch đại đảo dùng khuếch đại thuật toán.
là điện
áp chuẩn tham chiếu, d
ref
u
3
, d
2
, d
1
, d
o
là mã nhị phân 4 bit đầu vào. u
o
là điện áp đầu ra.
Các chuyển mạch S
3
, S

2
, S
1
, S
o
đợc điều khiển bởi các tín hiệu số tơng ứng d
3
, d
2
,
d
1
, d
o
. Khi d
1
= 1 thì S
1
nối với , khi d
ref
u
1
= 0 thì S
1
nối đất.

268
+
-
2R2R2R2R2R

RRR
2R
3R
ABCD
I
t
IR
Ui
ABCD
So S1 S2 S3
LSB MSB
d
o d1 d2 d3
Uo
Uref

Hình 14.13: DAC điện trở hình chữ T.
a) Nguyên lý hoạt động
Để giải thích nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 14.13, chúng ta đơn giản
hóa mang điện trở hình chữ T.
Nếu d
3
, d
2
, d
1
, d
o
= 0001 thì chỉ có S
o

đầu nối với , còn d
ref
u
3
, d
2
, d
1
đều nối
đất. áp dụng định lý Thevenin tuần tự đơn giản hóa mạch từ AA sang phải. Ta thấy
cứ qua mỗi mắt mạch (A, B, C, D) thì điện áp ra suy giảm đi một nửa. Vậy nếu

nối vào S
ref
u
o
thì trên đầu ra DD chỉ còn
4
2
ref
u
. Cùng với phơng pháp trên, xét từng S
3
,
S
2
, S
1
nối với thì trên đầu ra DD tơng ứng (d
ref

u
3
, d
2
, d
1
, d
o
= 0010, 0100, 1000) có
các điện áp
3
2
ref
u
,
2
2
ref
u
,
1
2
ref
u
. Điện trở tơng đơng của mạch bên trái DD bao giờ
cũng là R.
áp dụng nguyên lý chồng chất đối với các giá trị điện áp trên, ta có mạch
tơng đơng mạng điện trở hình chữ T trên hình 14.14.b trong đó điện trở nội tơng
đơng là R, sức điện động nguồn tơng đơng là u
e

:
()
o
o
ref
e
dddd
u
u 2222
2
1
1
2
2
3
3
4
+++=
(14.3)
Hình 14.14.c là sơ đồ tơng đơng toàn mạch, theo lý thuyết mạch khuếch
đại thuật toán, ta có điện áp tơng tự đầu ra u
o
là:
()
o
o
ref
eo
dddd
u

uu 2222
2
1
1
2
2
3
3
4
+++==
(14.4)

269
uref
2R2R2R2R
RRR
2R
ABCD
ABCD
Ui
2
ref
U
ref
U
ref
U
ref
U
ABCD

ABCD
RRRR
(a)
2
2
3
2
4
2

R
U
i
U
e
+
-
2R
R
U
i
U
e
(b)
(c)
3R
U
o

Hình 14.14. Mạch tơng đơng của mạch điện hình 14.13: Mạng điện trở

hình chữ T khi d
3
, d
2
, d
1
, d
o
= 0001 (a); mạch tơng đơng của mạng điện
trở hình chữ T (b);
Mạch tơng đơng của mạch hình 14.13 (c).

Biểu thức 14.5 chứng tỏ rằng biên độ điện áp tơng tự đầu ra tỉ lệ thuận với
giá trị tín hiệu số ở đầu vào. Có thể thấy rằng, đối với DAC điện trở hình chữ T n bit
thì điện áp tơng tự ở đầu ra u
o
là:
()
o
o
n
n
n
n
n
ref
o
dddd
u
u 22 22

2
1
1
2
2
1
1
++++=




(14.5)
b) Sai số chuyển đổi
Các nguyên nhân dẫn đến sai số của DAC hình chữ T là:
- Sai lệch của điện áp chuẩn tham chiếu
.
ref
u
- Sai lệch điểm không của khuếch đại thuật toán.

270
- Điện áp sụt trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm chuyển mạch.
- Sai số của điện trở.
Trong trạng thái động có thể mạng điện trở hình chữ T nh một dãy truyền
dẫn. Vậy các tín hiệu xung sinh ra tại các chuyển mạch có thời gian truyền dẫn đến
bộ khuếch đại thuật toán không nh nhau. Do đó sẽ sinh ra các xung nhọn biên độ
đáng kể ở đầu ra. Lại thêm sai số thời gian chuyển mạch có thể kéo dài thời gian
duy trì xung nhọn. Trong trạng thái động, giá trị tức thời của điện áp tơng tự đầu ra
có thể lớn hơn nhiều so với giá trị ổn định, nghĩa là sai số động có thể rất lớn. Giá trị

đỉnh của xung nhọn sinh ra trong trờng hợp bit có trọng số lớn nhất các tín hiệu số
đầu vào từ 0 chuyển sang 1, còn tất cả các bit khác vẫn ở 1. Lúc này giá trị điện áp
tức thời ở đầu ra bằng giá trị điện áp tơng tự đầu ra do chuyển đổi DA của tín hiệu
số lớn nhất (các bit đều là 1).
Để khử bỏ ảnh hởng của sai số động, ta có thể dùng mạch giữ mẫu ở đầu ra
của DAC (xem phần mạch lấy mẫu, giữ mẫu). Hơn nữa thời gian lấy mẫu, chọn sau
khi đã kết thúc quá trình quá độ. Khi đó lúc lấy mẫu, thì xung nhọn đã qua rồi, nên
sai số không ảnh hởng đến mẫu nữa.
c) Tốc độ chuyển đổi
DAC hình chữ T công tác song song (các bit tín hiệu số đầu vào, đợc đa
vào song song) nên có tốc độ chuyển đổi cao. Thời gian cần thiết cho một lần
chuyển đổi gồm hai đoạn: thời gian trễ của bit tín hiệu vào xa nhất nào đó đến bộ
khuếch đại thuật toán và thời gian cần thiết để bộ khuếch đại thuật toán ổn định tín
hiệu ra. Hiện nay IC đơn chíp DAC từ 10
ữ 12 bit có thời gian chuyển đổi cỡ vài às,
trong đó thời gian trễ truyền đạt không quá 1
às.
3.1.2 Bộ chuyển đổi DAC điện trở hình chữ T đảo
Hình 14.15 trình bày sơ đồ DAC điện trở hình chữ T đảo.
2R2R2R
RRR
So
S1
S2 S3
LSB MSB
d
o d1 d2 d3
+
-
I/16 I/16

I/8
I/4 I/2
I1
2R
2R
R
Uref
Uo

Hình 14.15. DAC điện trở hình chữ T đảo.

271
Để tránh khỏi các xung nhọn xuất hiện trong quá trình động của DAC điện
trở hình chữ T, nhờ vậy nâng cao đợc tốc độ chuyển đổi, ta tìm cách duy trì dòng
điện qua mỗi nhánh trong mạng là không đổi. Dù tín hiệu số đầu vào là 1 hay là 0
thì dòng điện chạy qua trong nhánh tơng ứng với bit đó cũng không đổi.
Vậy là có thể loại trừ cơ bản nguyên nhân tạo ra xung nhọn. Hình 14.15 giới
thiệu mạch điện đảm bảo mục đích đó. Chúng ta gọi mạch hình 14.15 là DAC điện
trở hình chữ T đảo.
Nếu bit bất kỳ của tín hiệu số đầu vào là 1 thì chuyển mạch tơng ứng sẽ nối
điện trở nhánh xét vào đầu đảo của bộ khuếch đại thuật toán, nếu bit là 0 thì chuyển
mạch sẽ nối điện trở xuống đất. Vậy dù trạng thái tín hiệu đầu vào thế nào thì dòng
điện mỗi nhánh đều giữ không đổi. Dòng điện tổng lấy từ nguồn điện áp chuẩn do
đó cũng không đổi:
R
u
I
ref
=

Do đó có điện áp đầu ra:

()
o
o
ref
o
dddd
u
RIu 2222
2
1
1
2
2
3
3
4
1
+++==
(14.6)
Tức là điện áp tơng tự đầu ra tỉ lệ với với giá trị tín hiệu số đầu vào. Ưu
điểm nổi bật của mạch này là tốc độ cao, và xung nhọn ở đầu ra trong quá trình
động là rất nhỏ.
Dòng điện trong các nhánh của mạng điện trở hình chữ T đảo nối trực tiếp
vào đầu vào của bộ khuếch đại thuật toán; vì vậy không có sai lệch thời gian truyền
đạt chúng, tức là giảm nhỏ sai số trạng thái động. Trong quá trình chuyển đổi trạng
thái, dòng điện trong từng nhánh vẫn không đổi, không cần thời gian kiến lập và
ngắt bỏ của dòng điện (các chuyển mạch tơng tự nói chung đều công tác theo yêu
cầu trớc thông sau ngắt khi chuyển đổi trạng thái).

Vì những nguyên nhân trên đây, mạch DAC điện trở hình chữ T đảo là mạch
có tốc độ chuyển đổi DA hạng cao nhất.
Sai số tĩnh của mạch điện trở hình chữ T đảo cũng giống nh mạch điện trở
hình chữ T trên đây.






272

Phần thực nghiệm

A. Thiết bị sử dụng:
1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử tơng tự.
2. Panel thí nghiệm AE - 114N về bộ biến đổi tơng tự - (Gắn lên thiết bị
chính - khối đế nguồn).
3. Dao động ký 2 chùm tia.
4. Dây nối cắm 2 đầu.
B. Cấp nguồn và nối dây
Khối thí nghiệm AE- 114N chứa mảng sơ đồ đã nối với các chốt cấp nguồn.
1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị chính, cung cấp các thế
chuẩn
, cố định.
V5 V12
2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị chính,
cung cấp các giá trị điện thế một chiều
V15 0
+

và
V15 0

. Khi vặn các biến trở
chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết. Sử dụng đồng hồ đo thế DC
trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt.
3. Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của khối thiết bị chính tới
trạm nguồn của khối, hoặc cấp trực tiếp cho mảng sơ đồ cần khảo sát.
Chú ý : cắm đùng phân cực của nguồn và đồng hồ đo.
C. Các bài thực tập
Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi các đại lợng tơng tự thành
giá trị số (ADC - Analog to Digital Converter).
Sơ đồ hình 14-1 gồm bộ biến đổi điện thế thành độ rộng xung T (T1:T3, IC1,
2) mở cổng IC2B cho máy phát xung nhịp (IC3), tạo chuỗi xung n gửi tới sơ đồ đếm
trên IC4:IC9 và chỉ thị trên bộ LED 7 segment.
Trong quá trình biến đổi, số đếm n ~ T ~ U.
Các bớc thực hiện:
1. Cấp nguồn +5,
cho mảng sơ đồ A14-1.
V12
2. Nối mạch của sơ đồ A14-1 với các mạch của khối thiết bị chính nh sau:
- Nối lối vào START với lối ra của máy phát chức năng của khối thiết bịi
chính. Máy phát ở chế độ phát dạng vuông góc, đặt ở tần số phát 50Hz. Biên độ
xung 5V.
Đặt nguồn điều chỉnh 0 +15V ở khối thiết bị chính ở thế 5V và nối với lối
vào Analog của mảng sơ đồ A14-1.

273

274
3. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 2V/ cm, thời gian quét ở
cmms1,0 . Dao động ký đặt ở chế độ đồng bộ ngoại với xung 50Hz từ máy phát của
thiết bị chính. Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của màn
dao động ký.
Nối kênh 1 dao động ký vào lối vào START. Sử dụng kênh 2 dao động ký để
quan sát dạng tín hiệu tại các điểm của sơ đồ A14-1.
4. Khảo sát bộ hình thành xung tam giác:
Sử dụng kênh 2 của dao động ký để quan sát dạng tín hiệu tại R (trên tụ C1)
và tín hiệu ra RAMP OUT (T
3
) của bộ hình thành xung tam giác. Đo biên độ và vẽ
lại dạng tín hiệu ra theo tín hiệu khởi phát START (vẽ giản đồ vào trong bài báo cáo
thực tập). Điều chỉnh P1 để xung ra không có dạng bão hoà biên độ ra cực đại cỡ
5
ữ 6V.
5. Khảo sát bộ so sánh (IC1):
Vặn biến trở P2 của mảng A14-1 cho thế vào tại chốt I (R8) là +4V.
Sử dụng kênh 2 của dao động ký để quan sát dạng tín hiệu tại lối vào đảo và
không đảo của IC1. Quan sát dạng tín hiệu ra tại C. Xác định thời điểm lối ra
chuyển trạng thái theo sự so sánh tín hiệu ở các lối vào IC1. Vẽ dạng tín hiệu ra theo
tín hiệu khởi phát START (vẽ vào giản đồ chung ở dới).
6. Khảo sát bộ hình thành xung đếm (hình A14-2):
Sử dụng kênh 2 của dao động ký để quan sát dạng tín hiệu tại T và S. Vẽ
dạng tín hiệu ra theo tín hiệu khởi phát START. (vẽ giản đồ vào trong bài báo cáo
thực tập).
7. Khảo sát bộ đếm đôi (IC3):
Sử dụng kênh 2 của dao động ký để quan sát dạng tín hiệu tại CON 1- CON 2
- CON 3. Vẽ dạng tín hiệu ra theo tín hiệu đếm S.
8. Đặt P2 = 0V, chỉnh P1 để số đếm đợc chỉ thị là 0. Đặt P2 = 5V, chỉnh P1

để số đếm đợc chỉ thị là 500. Lặp lại phép điều chỉnh vài lần.
9. Thực hiện các bớc nh trong bảng A14-1. Dùng đồng hồ đo thế để đo giá
trị thế tơng ứng tại điểm I (R8) và ghi số đếm trên LED chỉ thị vào bảng A14-1.
Bảng A14-1
U
vào
(điểm I) 500mV 1V 2V 3V 4V 5V
Số đếm n

275
10. Vẽ đồ thị biểu diễn số đếm lối ra (trục y) theo điện thế vào (trục x).
Nhận xét kết quả.
11. Giải thích nguyên tắc hoạt động của sơ đồ nguyên lý hình 14-1. Phát biểu
tóm tắt về nguyên tắc bộ biến đổi tơng tự - số.






276