THỰC TẬP KỸ THUẬT SỐ - BÀI 14 pdf

184
Bài 14: Bộ chuyển đổi số tơng tự
(Digital to Analog Converter)
A. Phần tóm tắt lý thuyết
Ngày nay các hệ xử lý tín hiệu số yêu cầu tín hiệu tơng tự phải đợc chuyển
đổi thành tín hiệu số qua bộ biến đổi Tơng tự - Số (Analog to Digital Converter -
ADC). Tín hiệu số đợc truyền đi, hoặc đợc đa vào máy tính xử lý Kết quả
cuối cùng dạng số cần phải chuyển đổi trở lại tín hiệu tơng tự qua bộ biến đổi Số
- Tơng tự (Digital to Analog Converter - DAC) để hiển thị cho ta quan sát. Quá
trình đó biểu diễn mô hình của một hệ xử lý số (Digital Processing
Unit/System). Hệ xử lý số có đầu vào và đầu ra là tín hiệu tơng tự đợc mô tả
trên hình sau:






Điện áp đầu vào có thể thay đổi liên tục từ 0v
ữ
6V. Bộ biến đổi tơng tự / số
ADC chuyển thông tin tơng tự thành thông tin số ở đầu vào. Bộ biến đổi số /
tơng tụ DAC chuyển thông tin số thành thông tin tơng tự ở đầu ra.
1. Bộ biến đổi số / tơng tự (DAC) kiểu mạng điện trở.
Nhiệm vụ của bộ biến đổi số/ tơng tự (DAC) là chuyển đổi tín hiệu số thành
tín hiệu tơng tự. Một tín hiệu nhị phân đợc dẫn đến các đầu vào của DAC sẽ
cho ra một điện áp tơng ứng ở đầu ra. Hình sau mô tả chức năng của DAC và
bảng chân lý kèm theo. Số liệu ghi trên bảng này chỉ là một ví dụ cho dễ hiểu.

185














DAC có hai bộ phận chức năng là mạng điện trở và mạch khuếch đại tổng
đợc mô tả trên hình sau. Mạch khuếch đại tổng thờng là mạch khuếch đai
thuật toán. Mạng điện trở tạo nên các đầu vào ABCD với các trọng số tơng ứng
1, 2, 4, 8. Mạch khuếch đại tổng tạo nên điện áp đầu ra phù hợp với bảng chân lý.
LSB : Bit có ý nghĩa nhỏ nhất (Least Significant Bit).
MSB : Bit có ý nghĩa lớn nhất (Most Significant Bit).

DAC nói trên có thể biểu diễn dới dạng tổng quát bằng mạch logic tơng
đơng cho trên hình dới đây.
Đầu vào
nhị phân
Đầu ra
tơng tự
Đờng
D C B A V
ra
(v)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
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
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
-12V
+12V
LSB
MSB
Mạng điện trở
Khuếch đại tổng
+
3V
D
C B A
LM339
R4
18.75k
R3
37.5k
R2
75k
R1
150k
Rf
20k
V

186

ở đây A, B, C, D là các khoá, chúng có thể là loại cơ khí nhng chúng có thể là
khoá bán dẫn (FET). Ký hiệu logic, bảng chân lý và sơ đồ khối chức năng của một
khoá bán dẫn cho trên hình sau.
Tổng dòng điện vào cửa đảo (-) bằng :

(
)
ABCD
R
V
A
R
V
B
R
V
C
R
V
D
R
V
vaovaovaovaovao
0123
2222
248
+++=+++

Theo lý thuyết của mạch khuếch đại thuật toán, ta có phơng trình:
R
V
vao
()
f
ra
R
V
ABCD =+++
0123
2222
Từ đó, công thức tổng quát tính cho V
ra
là :

(
)
ABCD
R
R
VV
f
vaora
0123
2222 +++=

Ngời đọc dễ dàng lập lại bảng chân lý theo công thức trên đây với V
vào

= 3V;
R = 150K
; R
f
= 20K . Bộ DAC nói trên là bộ DAC 4 bit. Ngời đọc có thể tự
thiết kế bộ DAC 5 bit, 6 bit
2. Bộ biến đổi số/tơng tự kiểu bậc thang(Ladder).
Bộ DAC trình bày trên đây không thuận tiện trong thực tế vì phải chọn nhiều
điện trở có giá trị khác nhau. Bộ DAC kiểu bậc thang chỉ yêu cầu chọn hai loại
điện trở với loại nọ có giá trị gấp đôi loại kia. Do đó, bộ biến đổi số / tơng tự loại
này còn có tên gọi là DAC kiểu bậc thang R - 2R.
Hình sau là sơ đồ mạch của DAC 4 bit. Các điện trở 2R (phía trái mạng điện
trở) đợc nối với V
vào
khi khoá đóng (logic 1) và nối đất khi khoá ngắt (logic 0).


LSB
MSB
Mạng điện trở
Khuếch đại tổng
R
R/2
R/4R/8
Vin
V
Rf
ABC
D

187













Điện áp đầu ra đợc tính theo công thức sau đây :

(
)
ABCD
R
R
VV
f
vaora
0123
2222
16
+++=
Khoá đóng ứng với mức logic 1
Khoá ngắt ứng với mức logic 0

Ghi chú :
Việc rút ra công thức trên đây phải dựa vào định lý Thevenin (Thevenin
Theorem) hay mẫu Thevenin (Thevenin Model). ở đây chỉ trình bày ngắn gọn mà
không chứng minh cách chuyển một mạch chia thế thành nguồn thế. Quan hệ
mạch chia thế và nguồn thế thể hiện trên trên hình sau.

21
21
0
21
2
RR
RR
V
V
RR
R
VV
td
itd
+
=
=
+
=




Khuếch đại tổng

Mạng điện trở
Vin
A
B
C
D
2R
2R
2R
2R
2R
R
R
R
Rf
V
Vo
td
Nguồn tơng đơng
Mạch chia thế không tải
Rtd
V
Vin
R2
R1

188

21
21

21
2
RR
RR
V
RR
R
VV
td
itd
+
=
+
=



Nhận xét :
V
tđ
không tuỳ thuộc vào mạch có tải R
T
hay không có tải. Khi tính V
tđ
ta chỉ coi
nh tính V
0
của mạch chia thế.
R
tđ

không tuỳ thuộc vào mạch có tải hay không có tải. Trở tơng đơng R
tđ

này thay thế cho 2 trở R
1
và R
2
đợc coi nh mắc song song (R
1
// R
2
).
Dựa theo mẫu Thevenin, ta dễ dàng tính cờng độ dòng tại đầu vào đảo (-)
của mạch khuếch đại tổng.
Giả sử đầu vào nhị phân DAC 4 bit này là 0001 ( A = 1, B = 0, C = 0, D = 0)
nghĩa là chỉ có khoá A đóng. Theo mẫu Thevenin, dòng vào sẽ là
R
V
vao
16

Nếu chỉ có khoá B đóng (0010) dòng vào sẽ là
R
V
vao
8

Nếu chỉ có khoá C đóng (0100) dòng vào sẽ là
R
V

vao
4

Nếu chỉ có khoá D đóng (1000) dòng vào sẽ là
R
V
vao
2

Trờng hợp cả 4 khoá đều đóng, dòng vào sẽ là tổng 4 dòng trên:

(
)
ABCD
R
V
R
V
R
V
2R
V

vaovaovaovao
0123
2222
1684
++++++
ở đây D = C = B = A = 1 vì các khoá đều đóng. Dòng này có trị số tuyệt đối
bằng dòng ra: V

ra
/R
f
. Sinh viên có thể tự thiết kế bộ DAC kiểu bậc thang R-2R với
số bit nhiều hơn. Các bộ DAC trên thị trờng cũng phân dòng theo kiểu bậc thang
R-2R.



td
Nguồn tơng đơngMạch chia thế có tải
Rt
Rt
R1
R2
Vin
V
Rtd

189

190
B. Phần thực nghiệm
1. Nghiên cứu sự hoạt động của DAC 8 bít
ở bài này chúng ta cho tín hiệu số 8 bít qua bộ chuyển đổi DAC, thu đợc
tín hiệu lối ra là tín hiệu tơng tự và đợc đo bằng vôn kế .
Sơ đồ thí nghiệm:
D0
5V
D1

5V
D2
5V
D3
5V
D4
5V
D5
5V
D6
5V
D7
5V
+V
5.05V
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
DC V
5.030 V

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]
08 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s)
04 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter]
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
Bớc 3:

- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau:


191


2. DAC 8 bít (tiếp)
Cho sơ đồ khối sau:

Sơ đồ thí nghiệm:
MR
5V
5V
A
74LS161
CEP
CET
CP
D3
D2
D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
1kHz
V1
0/5V
5V
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3

D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
74LS161
CEP
CET
CP
D3
D2
D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
5V

Các bớc tiến hành thí nghiệm:
Bớc1:

Thực hiện vẽ mạch nh hình trên bằng cách sử dụng:
Số thập
phân
D

7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
U
ra
(V) Số thập
phân
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D

2
D
1
D
0
U
ra
(V)
0 00000000 128 10000000
32 160
64 192
96 224
128 256
Clock
Generator

1KHz
Counter
74LS161
CK
DAC 03
IN
OUT
Dao động ký

192
01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8]
02 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s)
01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen]
02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161]

Bớc 2:

- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode
- 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:

- Chạy chơng trình. Quan sát tín hiệu tại điểm A trên cửa sổ Transient
Analysis
- Chúng ta có thể dùng công cụ Probe để quan sát tín hiệu tại bất cứ
điểm nào bằng cánh chọn Probe từ thanh công cụ (hoặc kích chuột phải
sau đó chọn Probe) sau đó kích vào điểm muốn quan sát. Muốn hiện thị
tín hiệu của nhiều điểm đồng thời thì khi kích vào các điểm cần quan
sát ta phải giữ phím Shift.
Bớc 3:

- Tiến hành thí nghiệm với các giá trị khác của máy phát nh: 100 KHz,
1 MHz, 2 MHz, 4 MHz. Quan sát dạng tín hiệu ở lối ra.
- Hai khối Clock generator và Counter có thể thay thế bằng khối Data
sequencer ở địa chỉ [Analog/Intruments/Data Seq]. Sinh viên có thể tự làm
phần này.
3. Kiểm tra kiến thức
Bộ DAC 8 bit có đầu ra nằm trong dải từ 0 đến 10v (V
out
= 0
ữ
10v). Sai số phi
tuyến cho phép toàn thang đo là
LSB
4

1

.

193
- Tính độ phân giải.
- Giải thích tại sao độ thay đổi điện áp giữa hai bậc liên tiếp là
255
10
v

- Sai số phi tuyến cho phép toàn thang đo tính ra % là bao nhiêu?
- Đầu vào nhị phân 0110.0110 ứng với đầu ra là bao nhiêu?





194
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 D/A 8 bit tèc ®é nhanh
(8-bit high speed D/A converter)
Tªn IC: DAC08

195
2. Bé chuyÓn ®æi D/A 12 bit
(12-bit D/A converter)
Tªn IC: DAC80