Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi A/D và D/A

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Hàng Hải
Việt Nam và sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn ThS. Trương Thanh Bình em
đã thực hiện đề tài: “ Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi A/D và
D/A” .
Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu
nhà trường cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện Tử đã tận tình hướng
dẫn, giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại Học
Hàng Hải Việt Nam.
Em xin gửi lời biết ơn chân thành tới thầy giáo ThS. Trương Thanh Bình đã
giành nhiều thời gian và tận tâm hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án tốt
nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và các bạn trong tập thể hai lớp
ĐTV52 - ĐH đã động viên, giúp đỡ và góp ý cho em rất nhiều trong quá trình
học tập và thực hiện đồ án này.
Mặc dù em đã rất cố gắng để thực hiện đồ án một cách hoàn chỉnh nhất
song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những
thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp quý báu của quý
Thầy Cô và các bạn cùng lớp để đề tài của em được hoàn chỉnh hơn.
Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong khoa Điện – Điện Tử thật
dồi dào sức khỏe và thành công để tiếp tục giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho
những thế hệ mai sau.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Anh
1


LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan:
Đồ án này là do em thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS.
Trương Thanh Bình.
Các số liệu đo đạc, hình ảnh và kết luận trong đồ án hoàn toàn trung thực.
Em xin chịu trách nhiệm về việc nghiên cứu của mình.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Anh

2


MỤC LỤC

3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC (A/D)

Analog Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự / số

DAC (D/A)

Digital Analog Converter

Bộ chuyển đổi số / tương tự

E/O

Electrical/Optical

Bộ chuyển đổi điện / quang

O/E

Optical/Electrical

Bộ chuyển đổi quang / điện

MSB

Most Significant Bit

Bit có nghĩa lớn nhất

LSB

Least Significant Bit

Bit có nghĩa nhỏ nhất

LED

Light Emitting Diode

Diode phát quang

APO

Avalanche Photo Diode

Diode quang thác

SI

Step Index

Chiết suất nhảy bậc

GI

Graded Index

Chiết suất biến đổi đều

MM

Multi Mode

Sợi đa mode

SM

Single Mode

Sợi đơn mode

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp lý tưởng

S/P

Serial / Parallel

Bộ chuyển đổi nối tiếp / song song

P/S

Parallel / Serial

Bộ chuyển đổi song song / nối tiếp

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3

Tên bảng
Biên độ tín hiệu ra theo tần số tín hiệu vào khi được
truyền dẫn tương tự
Biên độ tín hiệu ra theo tần số tín hiệu vào khi được

truyền dẫn số
Biểu diễn các trạng thái của đèn LED và điện áp vào, ra
của mạch

5

Trang
48
54
58


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16

Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12

Tên hình
Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số
Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D
Sơ đồ khối mạch chuyển đổi A/D
Dạng tín hiệu vào ra của mạch chuyển đổi A/D
Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song
Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp
Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp
Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D
Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản
Giản đồ thời gian biến đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản
Sơ đồ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc
Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D của mạch
tích phân hai sườn dốc
Bộ A/D theo phương pháp song song- nối tiếp kết hợp

Sơ đồ khối quá trình chuyển đổi số sang tương tự
Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A
Mạch chuyển đổi D/A với 1 nguồn điện áp chuẩn
Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn
Mạch biến đổi D/A bằng phương pháp điện trở bậc thang
Mặt trước của ITF-201A-T
Mặt trước của ITF-201A-R
Cấu tạo của sợi quang
Phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Phản xạ toàn phần
Sự truyền dẫn của sợi SI
Sự truyền dẫn của sợi GI
Sơ đồ nguyên lý của bộ A/D
Lấy mẫu tín hiệu
Lượng tử hóa tín hiệu
Mã hóa tín hiệu
Khối nguồn cung cấp, đầu vào, khuếch đại và bộ chuyển đổi A/D
6

Trang
2
4
5
5
7
8
9
10
10
11

13
14
15
15
16
16
17
18
22
23
24
25
25
26
26
29
30
30
31
32


Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5

Hình 3.6
Hình 3.7

Bộ chuyển đổi E/O
Nguồn cung cấp, bộ chuyển đổi O/E và D/A
Đầu ra của ITF-201A-R
Sơ đồ khối của mạch điện
Sơ đồ khối của mạch khi tín hiệu xoay chiều được truyền dẫn
tương tự
Bộ mạch điện khi tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự
Máy phát tín hiệu EZ FG-7002C
Biểu diễn sự kết nối khi đưa tín hiệu xoay chiều vào
Dạng sóng của tín hiệu xoay chiều đầu vào
Dạng sóng đầu ra của tín hiệu xoay chiều khi truyền đi theo dạng
tương tự
Cáp sợi quang có một đầu nối quang Light Bar
Dạng sóng đầu ra của tín hiệu xoay chiều khi có một Light Bar

Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10 Đặc tính biên độ - tần số của tín hiệu xoay chiều khi được truyền
dẫn tương tự
Hình 3.11 Sơ đồ khối của mạch khi tín hiệu xoay chiều được truyền dẫn số
qua bộ A/D và D/A
Hình 3.12 Bộ mạch điện khi tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua bộ
chuyển đổi A/D và D/A
Hình 3.13 Tín hiệu ra khi fM = 2000 Hz
Hình 3.14 Tín hiệu ra khi fM = 1000 Hz
Hình 3.15 Tín hiệu ra khi fM = 500 Hz
Hình 3.16 Tín hiệu ra khi fM = 200 Hz

Hình 3.17 Tín hiệu ra khi fM = 100 Hz
Hình 3.18 Tín hiệu ra sau bộ biến biến đổi D/A khi sử dụng sợi cáp quang
có một đầu nối quang Light Bar
Hình 3.19 Đặc tính biên độ - tần số của tín hiệu xoay chiều khi truyền qua
bộ A/D và D/A
Hình 3.20 Sơ đồ khối của mạch điện khi đưa tín hiệu 1 chiều vào
Hình 3.21 Biểu diễn sự kết nối khi đưa tín hiệu một chiều vào
Hình 3.22 Biểu diễn sự khảo sát điện áp vào và ra của tín hiệu 1 chiều cùng
các trạng thái hiển thị của đèn LED

7

35
37
38
40
44
44
45
46
46
47
47
48
49
49
50
51
52
52

52
53
53
54
55
57
57


8


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay việc truyền dẫn tín hiệu số hoặc tương tự qua cáp sợi quang ngày
càng phổ biến và đáng tin cậy hơn. Bởi lẽ cáp sợi quang có nhiều ưu điểm vượt
trội hơn trong việc truyền dẫn các tín hiệu so với các phương thức truyền dẫn
khác như suy hao ít, tốc độ truyền dẫn cao…Để truyền tín hiệu số thì trước hết
tín hiệu cần được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự sang số ( A/D ) để biến đổi
các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để giảm ảnh hưởng của nhiễu trong quá
trình truyền dẫn và có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao và chính xác. Phía thu
sẽ thực hiện việc biến đổi tín hiệu số trở lại thành tín hiệu tương tự ban đầu qua
bộ chuyển đổi D/A.
Nhận thức được tầm quan trọng của việc chuyển đổi tín hiệu từ tương tự
sang số và từ số sang tương tự, em đã chon đề tài “ Xây dựng quy trình thí
nghiệm của mạch biến đổi A/D và D/A ”.
Nội dung đồ án gồm 3 chương:
Chương I: Nguyên lý chung về chuyển đổi A/D và D/A.
Chương II: Tổng quan về modul thí nghiệm.
Chương III: Quy trình và kết quả thí nghiệm.
Mặc dù đã cố gắng nhưng do kiến thức bản thân còn hạn chế nên nội dung

đồ án này không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của
các thầy, cô giáo và các bạn sinh viên để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Anh

9


CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CHUYỂN ĐỔI A/D VÀ D/A
1.1. Cơ sở lý thuyết
“Việc gia công, truyền đạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị
phần lớn thực hiện theo phương pháp số. Trong khi đó tín hiệu tự nhiên lại biến
thiên liên tục theo thời gian nghĩa là tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự.
Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số, người
ta dùng mạch chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog – Digital – Converter) và
ngược lại có các mạch chuyển đổi số - tương tự DAC (Digital – Analog –
Converter).” ( Phạm Minh Hà, 2005, 330 ).
Quá trình chuyển đổi tương tự - số là quá trình rời rạc hóa tín hiệu tương tự
trong một khoảng đều. Lúc này mỗi giá trị đại diện cho một khoảng của tín hiệu
tương tự. Quá trình biến đổi tương tự số được minh họa như hình vẽ sau:
VD
111
110
101
100
011

ΔUQ

010
Q

001
000

1

2

3

4

5

6

7

VA

Hình 1.1. Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số
Tín hiệu tương tự VA được chuyển thành dạng bậc thang đều. Với 1 phạm vi
của giá trị VA được biểu diễn bởi 1 giá trị đại diện thích hợp.
“Một cách tổng quát, nếu gọi tín hiệu tương tự là SA(VA), tín hiệu số là SD
(VD), khi đó SD được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân như sau :
10

S D = bn −1 .2 n −1 + bn −2 .2 n−2 + ... + b0 .2 0

Trong đó :
bk = 0 hoặc bk = 1 (với k = 0 → k = n - 1) và được gọi là bit.
bn-1 : bit có nghĩa lớn nhất (MSB : Most Significant Bit). Mỗi biến đổi của
MSB tương ứng với sự biến đổi nửa dải làm việc.
b0 : bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB : Least Significant Bit). Mỗi biến của LSB
tương ứng với sự biến đổi một mức lượng tử. Một mức lượng tử bằng một nấc
của hình bậc thang.
Một mạch biến đổi N bit với N số hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấc
trên hình bậc thang chiếm một giá trị:
Q = VLSB =

V AM
2 N −1

VAM : là giá trị cực đại cho phép của điện áp tương tự.
VLSB = Q : gọi là mức lượng tử.
Sai số lượng tử hóa được xác định như sau :
∆VQ =

Q
2

Khi chuyển đổi A/D phải thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để đảm
bảo khôi phục lại tín hiệu một cách trung thực, tần số lấy mẫu f M phải thỏa mãn
điều kiện :
fM ≥ 2 fth max ≅ 2B
fthmax tần số cực đại của tín hiệu
B : dải tần số của tín hiệu.” ( Phạm Minh Hà, 2005, 331)

11


1.2. Các tham số cơ bản của mạch chuyển đổi A/D
1.2.1. Dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào
“Dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà bộ
chuyển đổi A/D có thể thực hiện chuyển đổi được.” (Phạm Minh Hà, 2005, 332)
1.2.2. Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D
Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D gồm độ phân biệt, méo phi tuyến, sai
số khuếch đại, sai số lệch không và sai số đơn điệu.
VD

Thực
Lý tưởng

111
110
101
Méo phi tuyến

100
011

Sai số khuếch đại

010
001

Sai số đơn điệu

Sai số lệch không

000

VA
Hình 1.2. Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D

Độ phân biệt được đặc trưng bởi số bit N. Giả sử một bộ A/D có số bit ở
đầu ra là N. Độ phân biệt của một bộ A/D được ký hiệu là Q và được xác định
theo biểu thức :
Q = VLSB =

V AM
2 N −1

Đặc tuyến lý tưởng là một đường bậc thang đều có độ dốc trung bình là 1.
Đặc tuyến thực là một đường bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai số
đơn điệu, của sai số khuếch đại và méo phi tuyến.
12


1.2.3. Tốc độ chuyển đổi
Là kết quả chuyển đổi trong 1s và gọi là tần số chuyển đổi fc.
Một bộ A/D có tốc độ chuyển đổi thấp thì độ chính xác tăng và ngược lại.
Tùy theo yêu cầu sử dụng, phải tìm cách dung hòa các yêu cầu đó một cách hợp
lý nhất.
1.3. Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi A/D
Bộ chuyển đổi A/D là chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Quá trình
chuyển đổi A/D là quá trình rời rạc hóa tín hiệu tương tự trong một khoảng đều,
lúc này mỗi giá trị đại diện cho một khoảng của tín hiệu tương tự.

Mạch lấy mẫu

VA

VM

ADC

VD

Lượng tử hóa Mã hóa

Hình 1.3. Sơ đồ khối mạch chuyển đổi A/D
VA

t
VM, VD

Quatization Error

t
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13

Hình 1.4. Dạng tín hiệu vào ra của mạch chuyển đổi A/D
“Đầu tiên tín hiệu tương tự VA được đưa đến mạch lấy mẫu với 2 nhiệm vụ:
+ Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều
nhau (rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian).
13

+ Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá
trình chuyển đổi tiếp theo (tức là trong quá trình lượng tử hóa và mã hóa).
Tín hiệu ra của mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hóa để thực
hiện làm tròn với độ chính xác bằng ±Q/ 2.
Vậy quá trình lượng tử hóa thực chất là quá trình làm tròn số. Lượng tử hóa
được thực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh
với một loạt các đơn vị chuẩn.
Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả lượng
tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên
đầu ra của bộ chuyển đổi. Phép lượng tử hóa và mã hóa gọi chung là phép biến
đổi A/D.” ( Phạm Minh Hà, 2005, 334)
1.4. Các phương pháp chuyển đổi A/D
Ta thường phân loại mạch chuyển đổi A/D theo quá trình chuyển đổi về
mặt thời gian. Có 3 phương pháp chuyển đổi sau :
+ Chuyển đổi song song : Tín hiệu tương tự được so sánh cùng một lúc với
nhiều giá trị chuẩn. Tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra.
+ Chuyển đổi nối tiếp theo mã đếm : Quá trình so sánh được thực hiện từng
bước theo quy luật mã đếm. Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm
số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần
chuyển đổi.
+ Chuyển đổi song song- nối tiếp kết hợp : Qua mỗi bước so sánh có thể
xác định được tối thiểu 2 bit đồng thời.
1.4.1. Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song
Tín hiệu tương tự VA được đưa đến tất các các đầu vào thuận của mạch so
sánh từ SS1 đến SSm. Tín hiệu cửa đảo của mạch so sánh được đưa vào tín hiệu
chuẩn Vch qua mạch phân áp của thang điện trở R. Khi điện áp cửa thuận V A lớn
hơn Vch thì đầu ra của bộ so sánh nhận mức logic “1” và ngược lại có mức “0”.
Tất cả các đầu ra được nối với một đầu vào của các cổng AND, đầu kia của cổng
14

VA

AND được nối với mạch tạo xung nhịp, chỉ khi có xung nhịp thì các xung trên
đầu ra bộ so sánh mới được đưa tới mạch Flip-Flop. Như vậy cứ sau mỗi khoảng
thời gian bằng một chu kỳ của xung nhịp lại có một tín hiệu biến đổi. Xung nhịp
Vch

đảm bảo cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu vào bộ nhớ. Để đảm
bảo mạch hoạt động ổn định, quá trình mã hóa ở bộ mã hóa phải kết thúc trước
khi có một chu kỳ xung nhịp mới.
Mạch này có ưu điểm là tốc độ chuyển đổi nhanh, sai số biến đổi thấp và có
thể tạo ra dạng mã theo ý muốn. Tuy nhiên, nó có kết cấu phức tạp do có số linh
kiện lớn. Nên phương pháp này chỉ dùng trong các bộ A/D có số bit nhỏ và tốc
độ cao.
AND

AND

Xung nhịp

Hình 1.5. Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song
1.4.2. Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp
Dải điện áp biến đổi của mạch V Atầng, mỗi tầng cho ra một bit với tầng 1 cho ra bít lớn nhất MSB và tầng cuối
cho ra bít nhỏ nhất LSB. Điện áp FF
chuẩn được đưa vào cửa đảo của mạch so
15

FF

Vh2

Vh1
1

2

Tầng 1

sánh. Tầng 1 là

Vch
2

Vch
8

, các tầng tiếp theo bằng
điện áp chuẩn tầng trước chia 2.
20
Mỗi tầng bao gồm một bộ so sánh, mộtLSB
khóa điều khiển K và một mạch trừ.

Vch
4

21

R

0

SS1

SS2

K

VA Trừ

Vchphương pháp nối tiếp
Hình 1.6. Mạch chuyển đổi A/D theo
2
Ở tầng 1: VAMSB
được đưa vào cửa thuận của mạch so sánh,

Vch
2

được đưa vào
22

SSm-1

VA >

của đảo. Nếu

Vch
2

thì tín hiệu ra của mạch so sánh cho mức “1” và MSB =1,

khóa K sẽ ở vị trí 1 lúc này đưa tín hiệu
Vh1 = V A −

trừ là
VA <

Vch
2

Vch
2

Vch
2

vào mạch trừ, tín hiệu ra của mạch

, nó sẽ được đưa đến cửa thuận của mạch so sánh tầng 2. NếuR

thì tín hiệu ra mạch so sánh cho mức “0” và MSB=0, khóa K sẽ ở vị trí

2, điện áp đưa vào mạch trừ là 0V hay Vh1 = VA – 0 = VA.

16

VA

Ở tầng 2 như trên, chỉ có khác tín hiệu vào cửa thuận mạch so sánh là V h1,

còn tín hiệu vào cửa đảo mạch so sánh là

Vch
4

.

Ở tầng 3 tương tự tín hiệu vào cửa thuận mạch so sánh là V h2, tín hiệu vào

cửa đảo mạch so sánh là

Vch
8

Ở đây mạch thực
phương pháp biến đổi tuần tự nên tiến độ biến đổi
Vh = hiện
VA - Vht
giảm đáng kể khi tăng số tầng.
Kíchnày,
khởi người ta thường giới
bn-1Vì vậy ở phương pháp
hạn số tầng
Vht là 4.

b1
b0

Tạo xung chuẩn

1.4.3. Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp

B
thuậ

Trừ

Chuyể

Hình 1.7. Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp
Nguyên lý chuyển đổi A/D dùng vòng hồi tiếp:
+ Biến tín hiệu tương tự thành số xung
+ Đếm số xung bằng bộ đếm nhị phân
+ Trạng thái ra của bộ đếm nhị phân là tín hiệu số cần chuyển đổi.

17


Mục đích của chuyển đổi vòng hồi tiếp là biến VA thành số xung. Trước khi
chuyển đổi trạng thái của bộ đếm thuận nghịch là “0” (Vht=0).
Tín hiệu sau mạch trừ Vh = VA - Vht. Giả thiết VA>0 dẫn đến Vh>0 đầu ra
của mạch so sánh có mức “1” logic, bộ đếm bắt đầu đếm số xung từ bộ tạo xung
chuẩn đưa đến và trạng thái ra của bộ đếm tăng dần. Điện áp ra của mạch
chuyển đổi D/A là Vht tăng dần hay Vh giảm dần cho đến khi Vht = VA thì Vh = 0
bộ đếm sẽ ngừng đếm trạng thái ra của bộ đếm tại thời điểm này là tín hiệu số

cần chuyển đổi.
Nếu VA giảm dần đến Vh<0, bộ đếm nghịch sẽ hoạt động trạng thái ra của
bộ đếm sẽ giảm dần cho đến khi V A = Vh = 0, bộ đếm nghịch sẽ ngừng hoạt
động, trạng thái ra của bộ đếm là tín hiệu số cần chuyển đổi. Phương pháp này
gọi là phương pháp chuyển đổi liên tiếp.
Khi VA = VAmax, thời gian biến đổi là tbdm, khi đó Vht biến đổi N-1 nấc (N số
bít đầu ra) suy ra

(

)

tbdm = 2 N − 1 ∆t

: Δt chu kỳ của nguồn dao động xung chuẩn.

Đồ thị thời gian biễu diễn quá trình chuyển đổi A/D:
V

VA

2 N − 1nâc

Sai số
Vh

Δt

t

tbdm

Hình 1.8. Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D
Sai số tĩnh của phép biến đổi chủ yếu phụ thuộc vào sai số của bộ A/D và
bộ so sánh.
Mạch có hai chế độ hoạt động là:
+ Có Block chọn nhớ (Sample and hold)
+ Không có Block chọn nhớ
18


VD

Vr

Khi hoạt động chuyển đổi không có block chọn nhớ sai số phụ thuộc vào

thời gian biến đổi mà tbd lại phụ thuộc vào VA nên trường hợp này sai số không
tuyến tính.
Phương pháp không có block chọn nhớ chỉ phù hợp với tín hiệu một chiều
hoặc tín hiệu biến thiên chậm.
1.4.4. Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản

VA

Vss1

SS1

AND1

VG

Tạo điện áp răng cưa

AND2
Vx

Đếm

Vc đếm đơn giản
Hình 1.9. Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp
SS2

Vss2
Đồ thị biểu diễn nguyên lý
hoạt động:
V

Tạo xung nhịp chuẩn

Vr

VA
a)
Vss1

t2 tm

t1

t

b)
t
Vss2
c)

t

VG
d)

tx

t

VC
e)

t

Vx
f)
19

t


Hình 1.10. Giản đồ thời gian biến đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản
Mạch tạo điện áp răng cưa tạo ra xung răng cưa Vr với biên độ lớn nhất của

xung lớn hơn hoặc bằng VAmax (hình a)
Mạch SS1 so sánh VA và Vr dạng điện áp ra như hình b
+ Nếu VA>Vr thì VSS1 = “1”
+ Nếu VAMạch SS2 so sánh giữa Vr và “0” dạng điện áp ra như hình c
+ Nếu Vr >0 thì Vss2 = “1”
+ Nếu Vr <0 thì Vss2 = “0”
Vss1 và Vss2 qua mạch AND 1 cho ra tín hiệu VG = Vss1*Vss2 như hình d.
Mạch tạo xung chuẩn tao ra dãy điện áp xung kim có tần số xung fx hình e.
Dãy xung chuẩn và tín hiệu V G có độ rộng tx qua mạch AND2 cho điện áp
Vx, số lượng xung của dãy xung Vx tỉ lệ với tx hay tỷ lệ với VA, dãy xung Vx qua
bộ đếm nhị phân là tín hiệu số cần chuyển đổi. Mạch tạo xung điện áp răng cưa
thực chất là một mạch tích phân.
Dùng điện áp chuẩn một chiều Vch để nạp cho tụ điện C qua điện trở R.
Ta có điện áp ra:
t

t

V
−V
1
V 'C = −
Vch dt = − ch ∫ dt = ch t
∫
RC 0
RC 0
RC

VC = −

V
R1
V 'C = ch t = a t
R1
RC

Gỉa sử tại t = tm thì VC = VA, ta có:
VA =

Vch
tm ⇒
RC

tm =

VA
RC
Vch

20


Gọi Z là số xung nhịp đếm được trong thời gian tm → Z = fn.tm
Với fn: tần số xung nhịp
VA
.R.C
2Vch

⇒ Z = fn.

Vch

(*)

1

Từ (*) ta suy ra Z tỷ lệ với VA.

K

Muốn giảm sai số cho phép biến đổi thì phải chọn R, C loại tốt, tần số xung
nhịp fn phải lớn và Vch phải ổn định.
1.4.5. Mạch chuyển đổi A/D bằng phương pháp tích phân hai sườn dốc
Nguyên lý:
+ Chuyển tín hiệu tương tự thành khoảng thời gian
+ Mở cửa cho dãy xung chuẩn vào bộ đếm nhị phân
+ Trạng thái ra của bộ đếm nhị phân là tín hiệu số cần chuyển.
IC1 là mạch tích phân điện áp đầu ra của mạch tích phân là V q(t). Điện áp
vào phụ thuộc vào Vdk nếu Vdk nhận giá trị “0”, khóa K ở vị trí 1 và tín hiệu vào
mạch tích phân là VA, nếu Vdk nhận giá trị “1”, khóa K ở vị trí 2 và tín hiệu vào
là Vch.

Hình 1.11. Sơ đồ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc
SS1 là mạch so sánh so sánh giữa Vq(t) và 0 nếu Vq(t)>0 thì Vs = “1”, nếu
Vq(t)<0 thì Vs = “0”
21


AND1 là mạch nhân logic giữa Vs và Vdk, P = VS*Vdk
AND2 là mạch nhân logic giữa P và Vc, Q = P*Vc

Mạch điều khiển: đếm số xung của mạch tạo xung chuẩn khi số xung đếm
được nhỏ hơn n1 thì Vdk = 0, khi số xung đếm được bằng n 1 thì Vdk = 1, số xung
n1 tương đương với khoảng thời gian t1 = (n1 – 1).Δt (Δt là chu kỳ xung chuẩn)
Khi Vdk= 0 (số xung nhỏ hơn n1), khóa K ở vị trí 1 mạch tích phân sẽ tích
phân VA, khi đó:
Vqt = −

1
V
V
Va dt = − a ∫ dt = − a .t
∫
RC
RC
RC

Quan hệ giữa Vq(t) và t là đường thẳng có độ dốc thay đổi theo V A (VA càng
lớn độ dốc càng tăng)
Khi số xung của mạch dao động chuẩn đạt n 1 xung thì Vdk = 1, khóa K
chuyển sang vị trí 2 lúc này mạch tích phân sẽ tích phân Vch, khi đó:
Vqt = −

1
V
V
Vch dt = − ch ∫ dt = − ch .t
∫
RC
RC
RC

điện áp ra giảm dần cho đến t = t 2,

Vq(t)=0.
Quan hệ giữaVq(t)
Vq(t) và t là đường thẳng có độ dốc không thay đổi do V ch =

VA2
const, khoảng n2
thời gian để Vq(t) giảm về 0 là tx = t2 – t1 tỷ lệ với VA, trong khoảng
n2
VA1

thời gian tx có n2 xung, mạch đếm sẽ đếm số xung này và trạng thái ra của mạch
a)

đếm là tín hiệu số cần chuyển đổi.
t1

Vs

t2

t3

t

b)
t
Vdk

c)

t
P

d)

tx
VC

t

n1

e)
22

Q

t

f)
t


Hình 1.12. Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D của mạch
tích phân hai sườn dốc
Khi V A tăng thì độ dốc sườn trước tăng, dẫn đến thời gian tx = t2 – t1 tăng số
xung n2 tăng lên và ngược lại.
Số xung đầu ra mạch AND2 tỷ lệ với tx hay VA

Phương pháp này có độ chính xác cao tuy nhiên để chuyển đổi chính xác
thì Vch phải ổn định và fc không đổi và lớn.
1.4.6. Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song - nối tiếp kết hợp

Hình 1.13. Bộ A/D theo phương pháp song song- nối tiếp kết hợp
Đây là sự kết hợp phương pháp song song và phương pháp nối tiếp nhằm
dung hòa ưu khuyết điểm của hai phương pháp này : giảm bớt độ phức tạp của
phương pháp song song và tăng tốc độ chuyển đổi so với phương pháp nối tiếp.
Cũng có thể gọi đây là phương pháp phân đoạn từng nhóm bit, với số bit
trong mỗi nhóm N1 ≥ 2.
23


Bộ chuyển đổi A/D đầu tiên là bộ chuyển đổi song song N 1 bit với N1 ≥ 2.
Trong bước so sánh thứ nhất → xác định được N 1 bit. Từ B1 → BN1. ĐểIfchuyển
IN

đổi N bit, phải dùng l tầng với

N
1=
N1

I

. Mỗi tầng dùng 2N1 - 1 bộ so sánh. Như

I3

1.( 2 N 1 − 1) =

vậy để chuyển đổi N bit phải dùng:

N N1
( 2 − 1)
N1

bộ so sánh.

1.5. Mạch chuyển đổi số sang tương tự D/A
1.5.1. Nguyên lý chuyển đổi D/A
Chuyển đổi D/A là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit)
đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử 1LSB.
VD

DAC

VM

LPF

VA

Hình 1.14. Sơ đồ khối quá trình chuyển đổi số sang tương tự
Đồ thị thời gian của tín hiệu ra sau mạch chuyển đổi DA:

Hình 1.15. Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A
Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian như trên hình vẽ. Tín hiệu
này được đưa qua bộ lọc thông thấp lý tưởng LPF. Trên đầu ra của LPF có tín
hiệu VA biến thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của VM.

1.5.2. Mạch chuyển đổi D/A với điện trở có trọng số khác nhau (1 nguồn
điện áp chuẩn)
24


If
IN

I2

I1

I3

Hình 1.16. Mạch chuyển đổi D/A với 1 nguồn điện áp chuẩn
Ưu điểm: Chỉ cần dùng một nguồn điện áp chuẩn Vch. Trọng số của mỗi
bit sẽ tương đương với Rht chia cho Rtd, trong đó : Rtd là điện trở mỗi một
nhánh.
Nhược điểm: Phương pháp này đòi hỏi nhiều điện trở chính xác với các trị
số khác nhau vì vậy gặp bất tiện khi thiết kế và sử dụng.
Để giảm nhược điểm này người ta dùng nhiều nguồn điện áp chuẩn tỷ lệ
thập phân khác nhau như hình 1.16. Từ decacde này sang decacde khác cầu điện
trở sẽ cùng trị số. Tuy nhiên điện áp chuẩn sẽ biến đổi gấp 10 lần.
1.5.3. Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn

25