Thiết kế board giao tiếp - Chương 4 ppt

1
Chương4: Analog Interface
n Analog Signal Interface Overview
n Analog Electronics -Conditioner
n Digital to Analog Converters
n Analog to Digital Converters
4.1 Analog Signal Interface Overview
n Làmột hàm của 1 (hoặc
nhiều) biến độc lập, đại
lượng vật lý theo thời
gian: như tiếng nói,
nhiệt độ,…theo thời
gian: A = f(t, h)
n Xuất hiện liên tục trong
khoảng thời gian
t
0
=> t
1
n Giátrị biến thiên liên
tục trong khoảng biên
độ từ A
0
=> A
1
, cóthể
đa trị.
A
A
0
t

0
t
1
t
A
1
0
2
4.1 Analog Signal Interface Overview
4.1 Analog Signal Interface Overview
n Trongthựctế: Rờirạchóa
n TrongMáytínhsố, thôngtin thuvề:
n Rờirạchóavềthờigian
n Rờirạchóavềgiátrị
n => Để máytínhthuthập, cầnphải“rờirạchóa”
cáctínhiệuvềthờigianvàgiátrị, dùngthiếtbị
chuyển đổiADC tạoracáctínhiệusố, để:
n Xử lý, cấtvàokhosốliệu
n Truyền đixa
n Táitạolạihay tổnghợptínhiệu: DùngthiếtbịDAC tạo
lạicáctínhiệuanalog
3
4.1 Analog Signal Interface Overview
Đối tượng
vật lý,
công nghệ
ADC
DAC
CPU,
Mem

Storage
.
.
.
.
.
.
4.1 Analog Signal Interface Overview
4
4.1 Analog Signal Interface Overview
n Process:
n Làcácquátrìnhcôngnghệ như: dâychuyềnlàmgiấy;
phối-trộn-nghiền-nung=> sảnxuấtcement; dâychuyền
luyện-nung-cánthép; sảnxuất-trộnphânbónNPK, các
nhàmáy điện,…
n Sensors:
n Làvậtliệu/thiếtbịdùng để chuyển đổicác đạilượngvật
lýkhông điệntử(T, Ph,…) thànhtínhiệu điện(u, I, R, f)
n Vậtliệu: do đặctínhtựnhiêncủavậtchất–vídụPt100,
cặpnhiệt điện,…
n Thiếtbị: Cósựgiacông, chế tác–vídụLM35,…
n Conditioners:
n VìtínhiệutừSensors rấtnhỏ, cóthể cónhiễuvàphi
tuyến=> cómạch điệntừanalog để xử lýtínhiệu: khuếch
đại, lọcnhiễu, bùphi tuyến,…chophùhợp.
4.1 Analog Signal Interface Overview
n MUX: analog multiplexer
n Tríchmẫuvàgiữ -Sample & Hold
n ADC: analog to digital convertor:
n Central system: hệ nhúng/MT:

n DAC: digital to analog convertor
n Mạch điệntửanalog
n Actuators: Cơ cấuchấphành
5
4.2 Analog Electronics -Conditioner
n Operational Amplifiers -OpAmps–khuếch đại
thuậttoán để tạocácbọconditioners –chuẩnhóa
tínhiệu
n Analog Switches & Analog Multiplexers
n Reference Voltage Sourcers–nguồnápchuẩn
n Sample & Hold –Tríchmẫuvàgiữ
n ConverssionErrors –Saisốchuyển đổi
n …
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Làvi mạchkhuếch đại, xử lýtínhiệutừ0Hz
n Tínhiệugồm:
n 2 chântínhiệuInv.InpvàNon Inv.Inp
n Chân output
n Nguồncấp: +Vcc, -Vcc(GND)
n Chỉnhoffset
n Cóthêmchânnốitụđể bùtầnsố
6
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Xử lýtínhiệuDC (0Hx up)
n Hệ số khuếch đạilớn, từ kilo…Mega…and even
more…
n Trở vàolớnvàiKΩđến10
12
Ω, trở ranhỏ, tốtcho
cácmạchghépnốianalog, phốihợptrở kháng.

E
1
r
1
E
2
r
2
LOAD
R
in
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Comparator
7
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n NON Inverting Amp
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Inverting Amp
8
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Adder (Mixer)
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Differential
9
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Instrumentation
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Integrator
10
4.2 Analog Electronics -OPAMP

n Differentiator
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n Follower
U
out
= U
in
11
4.2 Analog Electronics -OPAMP
n I/U converter
4.2 Analog Electronics -OPAMP
Một số lưu ý khi dùng
n Hệ số khuếch đại chọn tùy thuộc các mạch:
n Mạch kđ thông thường (đảo dấu và không đảo dấu: vài
lần đến 10 lần), nếu hệ số khuếch đại lớn thìnhiều tầng
=> ổn định vàdễdàng kiểm soát.
n Mạch khuếch đại vi sai (Differential apmlifier):
từ 10 => 50 lần, vào vi sai –ra vi sai (Instrumentation
Ampl): 30 => 100 lần
n Chọn hệ số khuếch đại càng lớn:
n Băng thông giảm bấy nhiêu lần
n Điện trở vào giảm bấy nhiêu lần
n Độổn định của mạch giảm: trôi zero theo thời gian, nhiệt độ, …
12
4.3 Digital to Analog Converters
n Digital to Analog: số => tín hiệu dòng điện/điện
áp, liên tục về thời gian, rời rạc về giátrị.
n Phân loại:
n Công nghệ chế tạo
n Số bit (reslution)

n Thời gian chuyển đổi 10s ns 100s ns,
n Cấu trúc: Built-in latched –ghép nối trực tiếp với
bus/unlatched cần cóout-port, bus 8 hay 16 bit
n Signed – điện áp ra 2 dấu hoặc unsnigned – điên áp ra
1 dấu
4.3 Digital to Analog Converters
n Ứng dụng
n Tổng hợp tín hiệu
n Đàn Organ
n Phát tín hiệu chuẩn
n Voice chip
n VGA/SVGA: RAM-DAC
n Tái tạo: Âm thanh số, MP3, CD, …
n Ghép nối giữa các hệ thống (PC, PLC, …) => bộ điều
khiển analog, tạo ra các Setpoint
n Bộ nhân tín hiệu analog –4 góc: nhân hệ số với U
in
thay cho U
ref
13
4.3 Digital to Analog Converters
n Nguyên lý cấu trúc vàhoạt động
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC:
n Là phương pháp dùng lưới điện trở R-2R chia
cây nhị phân dòng điện
n Đơn giản
n Chính xác cao
n Chuyển đổi nhanh
n Rẻ

n Trên thị trường dùng phương pháp này
14
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC:
n Mạng R-2R nối kiểu cây nhị phân
n Khi bi = 0 or 1 => ki R or L, Non Inv.Inp of OpAmp
grounded => Inv. Inp = #0V => ki luôn đóng xuống đất
bất kể bi = x
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC:
n Nếu muốn thay đổi giátrị?
n Vídụ: U
ref
= 5,12V, n = 10
=> U
out
= ?
15
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC: Tạo các tín hiệu cơ bản
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC: Sóng điều chế
16
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC, tham khảo
n Tra cứu các vi mạch DAC: (pdf files)
n www.national.com/product/interface/ad-da
n DAC0808 -single pole, 8 bit, 100ns
n DAC0800 -signed voltage output, 8 bit, 100ns
n DAC0832 -latched 8 bit dac -bus interface directly,

n DAC1210 -latched 12 bit dac –8/16 bit bus interface
directly, 200ns
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC
17
4.3 Digital to Analog Converters
R-2R Ladder DAC
4.3 Analog to Digital Convertors
n Làthiết bị cóhai chức năng (lượng tử hóa):
n Rời rạc hóa tín hiệu về thời gian
n Rời rạc hóa tín hiệu về biên độ
n Phân loại:
n Theo từng ứng dụng: ADC để xử lý tín hiệu và đo
n Chuyển đổi gián tiếp: u(t) => time (đại lượng trung gian) => code
n Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code
n Chuyển đổi phi tuyến: CODE (TP3057 –Mitel hay AC’97 Intel)
18
4.3 Analog to Digital Convertors
n Chuyển đổi gián tiếp: Tích phân hai sườn dốc
n u(t) => Time Interval/f/T => code
n Chậm, rẻ tiền ($s), độ phân ly vàchính xác cao
n Dùng trong đo lường, thu thập số liệu trong công nghiệp…
không cần nhanh, loại được nhiễu
n Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code
n Nhanh, độ phân ly thấp hơn [đắt tiền], dùng để thu thập và
xử lý tín hiệu biến thiên nhanh
n Chuyển đổi kiểu xấp xỉ liên tiếp: 10k …10MSps
n Chuyển đổi song song: 10M …500 MSps
4.3 Analog to Digital Convertors
n Chuyển đổi gián tiếp: Tích phân hai sườn dốc

n u(t) => Time Interval/f/T => code
n Chậm, rẻ tiền ($s), độ phân ly vàchính xác cao
n Dùng trong đo lường, thu thập số liệu trong công nghiệp…
không cần nhanh, loại được nhiễu
n Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code
n Nhanh, độ phân ly thấp hơn [đắt tiền], dùng để thu thập và
xử lý tín hiệu biến thiên nhanh
n Chuyển đổi kiểu xấp xỉ liên tiếp: 10k …10MSps
n Chuyển đổi song song: 10M …500 MSps
19
4.3 Analog to Digital Convertors
n Ðịnh lý lấy mẫu Shannon -Kochennicov:
Tín hiệu u(t) liên tục, trong nócóchứa thành phần f
max
, (năng
lượng của tín hiệu f
max
= 0) thìcóthể khôi phục lại tín hiệu
không bị sai từ những giátrị gián đoạn, với điều kiện:
f
SAMPLE
>= 2f
MAX
n Định lý này cótính pháp lý
n Để kỹ sư hiểu số mẫu tối thiểu bao nhiêu là đủ,
không quádày => lãng phí(tốc độ ADC, thời gian
xử lý, bộ nhớ); lấy thưa thìsẽbịsai
4.3 Analog to Digital Convertors
n Dual Slope Integration ADC:
20

4.3 Analog to Digital Convertors
n Successive Approximation ADC:
4.3 Analog to Digital Convertors
n Successive Approximation ADC, ICs:
n ICL 7107
n In: -2V 2V, Out: -1999 => 1999, 4.000 counts <=> 12 bit,
n LED 7 Seg drive directly w current soursers for display
n Converssion time: 20 40ms
n ICL 7135
n Inp: -0.2V…+02.V ho.c -2V +2V, 40.000 count > 15bit,
Out: -19999 => +19999, 400 ms converssion time
n De-Multiplexed Out BCD for 5 digits of 7 Seg, scanned
n ICL 7109, w REF & Clock
n Inp: -2V +2V, Out: 12 bin + pole, 8/16 bit interface to CS
21
4.3 Analog to Digital Convertors
n Interfacing to the ICL -7135 ADC:
4.3 Analog to Digital Convertors
n Successive Approximation ADC:
22
Bàitập
1. Viếtchươngtrìnhtạocáctínhiệucơbản(vuông, răng
cưa, sin, tam giác,…)
2. Giả lậpDAC bằngphầnmềm.
3. Thiếtkếmạch đonhiệt độ
4. …