nghiên cứu và thực nghiệm các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC

Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật. Đặc biệt, trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã tạo
lên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công
nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng đợc nhu cầu của
con ngời trong cuộc sống. Con ngời với sự trợ giúp của máy
móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp
làm việc, hay những công việc mà con ngời không thể
làm đợc với khả năng của mình mà chỉ việc điều khiển
chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại
những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối u hoá công
việc.Với sự tiến bộ này đã đáp ứng đợc những nhu cầu của
con ngời trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự
phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên
cứu, phát triển của khoa học kỹ thuật của các nhà khoa học
nói riêng
Đối với những học viên công nghệ phần cứng chúng ta
thì việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát
các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành
tín hiệu số (ADC) và ngợc lại (DAC) có ý nghĩa thực tế hết
sức quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta
những kiến thức sâu rộng, hiện đại mà còn tạo cho chúng
ta những kỹ năng làm việc cũng nh những kinh nghiệm
quý giá trong lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với
sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay khi tốt
nghiệp ra tròng
Trong suốt thời gian qua, với những kiến thức đợc học ở
trờng cùng với sự giúp đỡ của th.s.Hà Mạnh Đào và các thầy
cô trong trung tâm, chúng em đi sâu việc nghiên cứu,
tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ
chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số (ADC) và

ngợc lại (DAC). Tuy đề tài không phải là mới nhng hiểu đợc
nó và ứng dụng nó có ý nghĩa hết sức thiết thực. Nó chính
là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hoá đơn
giản, cũng nh là những hệ thống phức tạp đợc ứng dụng
rộng rãi trong khoa học và đời sống

1


Phần mở đầu
Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các
thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục đợc ứng dụng ngày
càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa cao trong hầu hết các
lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng nh trong đời sống xã
hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó,
ngày nay việc gia công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong
các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa
trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc trên
cơ sở nguyên lý số có những u điểm hơn hẳn cá thiết bị
làm việc trên cơ sở nguyên lý tơng tự, đặc biệt là trong
kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lờng và điều khiển và
đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính đợc ứng dụng
rộng rãi ngày nay.Với sự ra đời các hệ thống số đã cải thiện
, tối u những nhợc điểm mà kỹ thuật tơng tự không đáp
ứng đợc chẳng hạn nh sai số, tốc độ, tần số làm việc, tổn
hao .v.v... Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm các đại lợng
vật lý, hoá học, sinh học... là các đại lợng biến thiên theo
thời gian hay nói cách khác nó là các đại lợng tơng tự, để
phối ghép với nguồn tín hiệu tơng tự với nguồn xử lý số,
nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ thống số ta

phải có các mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tơng tự
sang dạng số ADC (The Analog to Digital Convertor), tín
hiệu sau khi đã đợc chuyển đổi đợc xử lý qua một hệ
thống xử lý tín hiệu số và đợc trả lại dạng tín hiệu ban
đầu, đó là tín hiệu tơng tự thông qua mạch chuyển đổi
tín hiệu
số-tơng tự
DAC (The Digital to Analog
Convertor ). Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công nghệ
thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm
nhập ngày càng sâu vào đời sống kinh tế, xã hội và đặc
biệt góp phần vào việc nghin cứu phát triển những ngành
khoa học mới, đơn cử nh những hệ thống tự động hoá đo
lờng và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dới
đây. Để mở rộng tầm ứng dụng, cũng nh khả năng can
thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh vực khác

2


nhau. Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng,
nghĩa là khả năng kết nối máy tính cũng nh việc kết nối
máy tính với thiết bị ngoại vi, tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ
cụ thể cũng nh vật t thiết bị có trong tay mà việc thiết kế
một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục
đích khác nhau. Đặc biệt đợc ứng dụng rộng rãi trong đo lờng và điều khiển tự động. Tuy nhiên, để có đợc điều
đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn tín hiệu đó
là nguồn tín hiệu tơng tự và nguồn tín hiệu số. Việc này
hết sức quan trọng và không thể thiếu đợc trong hệ thống
xử lý số, không những thế việc nghiên cứu tìm hiểu nó

cho ta biết đợc khả năng làm việc, đọ chính xác của hệ
thống cũng nh độ tin cậy của hệ thống

Phần 1
Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng
dụng trong đo lờng và điều khiển bằng máy tính

Chơng 1
Chuyển đổi tơng tự số ADC
(The Analog to Digital Convertor)
1 .Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tơng tự số
(ADC basic principles)
Tín hiệu tơng tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo
thời gian, tín hiệu số mã hoá là rời rac theo thơi gian. Để
chuỷên đổi tín hiệu tơng tự sang dạng tín hiệu số đòi
hỏi phải lợng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín
hiệu số liên tục. Để có đợc điều này, cần phải lấy mẫu tín
hiệu tơng tự tại những khoảng thời gian nh nhau sau đó
chuyển đổi các giá trị mẫu thành số. Nh vậy, nguyên lý
chung của sự chuyển đổi là:
- lấy mẫu
- nhớ mẫu
- lợng tử hoá
- mã hoá

3


1.1. Lấy mẫu tín hiệu (Singnal sample)
Việc lấy mâũ tín hiệu tơng tự tại những khoảng thời

gian sao cho tín hiệu số đợc mã hoá có thể khôi phục lại tín
hiệu cũ một cách trung thực, ít ảnh hởng của nhiễu và sai
số do quá trình lấy mẫu. Theo định lý lấy mẫu của
Kacchenikop hay định lý lấy mẫu của Sharnon thì để
khôi phục lại tín hiệu cũ có độ trung thực tối thiểu thì tần
số của tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối thiểu bằng hai
lần tần số lớn nhất của phổ tín hiệu tơng tự:
Fs 2.F
max (1).
Với:

Fmax là tần số max của dải phổ tín hiệu tơng tự
cần chuyển đổi

Fs

là tần số lấy mẫu

Fs 2.F
Nếu:
maxthì ta gọi tần số lấy mẫu này là
tàn số Nyguist.
Chu kỳ Nyguist:

1
1 (2).
TNyguist

F 2.F
a

U,i

0
t

U,i

0
t
4


Hình 1. Tín hiệu tơng tự và tín hiệu sau khi lợng tử và rời rạc hoá
Nh vậy, một tín hiệu tơng tự có hàm tin x(t) nào đó xác
định trong khoảng ( to,to T ) hoàn toàn có thể khôi phục
từ các mẫu rời rạc của nó x(k. t ) theo công thức:
n 1
sin (t kt )
X (t) = .x(k. t ). (t kt ) (3).
c
Với

c : tần số cao nhất trong phổ x(t)


1
t : bớc rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu: t 2 f (4).
c
c

(tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của
x(t) )

Nh vậy số mẫu cần lấy là:
(5).
t
Gỉa sử coi nh bề rộng phổ của âm thanh chất lợng cao
có tần số là :
F 20 KH Z .Nh vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý trên
1
1
5
: sny 2 F . 2.20000 2.5.10 2.5s
a
1.2. Lợng tử hoá và mã hoá tín hiệu (signal Coding
and Quantization).
Sau khi tính toán xác định tần số lấy mẫu của tín
hiệu bằngđịnh lý lấy mẫu ta đợc dãy các giá trị rời rạc.Thực
hiện việc lợng tử hoá biên độ của tín hiệu tơng tự, là biến
dãy các giá trị rời rạc bất kỳ đó thành dãy các giá trị nguyên
x(k) bằng cách hết sức đơn giản là quy trò các giá trị đó.
Tuy nhiên, phải xác định đợc mức quy tròn x (giá trị này
gọi là mức lợng tử hoá), điều này sẽ gây ra sai số lợng tử hoá
, tất nhiên ta có thể hạn chế sai số này một cách tối thiểu là
tăng tần số lấy mẫu. Số mẫu càng lớn thì sai số càng nhỏ,
điều này thể hiện qua số bit đầu ra củ bộ chuyển đổi,
ngời ta dựa vào tham số này để đánh giá chất lọng
chuyển đổi cũng nh độ trung thực của tín hiệu khôi
phục.

5


Công thức lợng tử hoá: x(k ) . x(k.t ) 0.5 (5).
Với: E là phần nguyên.
VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu nh sau:
Giá trị rời rạc sau khi lấy
mẫu
X(k. t)

Giá trị sau khi quy tròn

11.7
10.3
13.8
18.2
22.6
24.9
14.1

12
10
14
18
23
25
14

Bảng 1. Gía trị rời rạc sau khi lấy mẫu và sau khi quy

tròn
Sau khi thực hiện xong việc lợng tử hoá từ các tín hiệu
rời rạc, ta thực hiện việc mã hoá tín hiệu số. Trớc hết, để
tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị phân thì cần
phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để
có dợc điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu.
Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để
viết 1 con số thập phân thì phải thoả mãn điều kiện:
103 < số thập phân < 104
Tơng tự với số nhị phân:
2n 1 max | x(k ) | 2n (6).
Nh vậy, số bit cần thiết để thoã mã hoá là n bit.
Chẳng hạn: 2n max | x(k ) |25 25 Số bit trong mỗi từ
mã là 5 bit.
Vậy ta có công thức để xác định số bit là:

6


(n 1)log22 log2max| x(k)| n.log22
suy ra:

n E.(log max| x(k)| 1). (7).
2

Ngoài ra, nếu con số biểu diễn là các con số đại số thì
còn có cả số âmvà số dơng cho nên trong từ mã còn có
thêm một bit nữa là bit dấu để phân biệt số âm và số dơng .
Trên cơ sở đó ta thực hiện mã hoá các giá trị trên :
x(0. t) = (12) 10 = 01100

x(1. t) = (10) 10 = 01010
x(2. t) = (14) 10 = 01110
x(3. t) = (18)10 = 10010
x(4. t) = (23) 10 = 10111
x(5. t) = (25)10 = 11001
x(6. t) = (14)10 = 01110
Để đánh giá chất lợng chuyển đổi nghĩa là độ trung
thực của tín hiệu khôi phục ngời ta xác định sai số lợng tử
cực đại:
- Sai số lợng tử cực đại: x / 2
- Sai sốlợng tử càng nhỏthì độ trung thực của tín hiệu
sau khi khôi phục càng cao
Nh vậy, sau khi tín hiệu tơng tự đợc lấy mẫu (rời rạc
hoá thời gian) và mã hoá (lợng tử hoá về biên độ) nó chuyển
thành tín hiệu số này là các giá trị rời rạc đó. Cách biểu
diễn theo hệ thập phân thờng dùng để chỉ thị số đo,
còn trờng hợp mạch biến đổi AD là các thiết bị số thì thờng dùng hệ cơ số 2 (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu
số. Gỉa sử gọi tín hiệu tơng tự là SA (UA ) , tín hiệu số là
SD (UD ) , SD đợc biểu diễn dới dạng mã nhị phân nh sau:
n 1
n 2
0
SD bn 1.2
bn 22
... b0.2 (8).
Trong đó, các hệ số bk 0 hoặc bằng 1 (với k=0 đến k=n1) và đợc gọi là bit (binary digit). Trong đó, bit có trọng lợng
lớn nhất ở bên trái và bit có trọng lợng nhỏ nhất ở bên phải.ở
đây b0 là bit có trọng lợng nhỏ nhất.

7

Nh vậy, với một mạch biến đổi có N bit nghĩa là có N số
hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấc trên hình chiếm
một giá trị:
x ULSB

U Am
N
2 1

(9).

Trong đó:
- UAm là giá trị cực đại cho phép của diện áp tơng tự đầu
vào ADC
- x là mức điện tử
2.các tham số cơ bản đặc trng cho chuyển đổi tơng tự số
+ Dải biến đổi của điện áp tơng tựu 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 các giá trị
số từ 0 đến một số dơng hoặc âm nào đó. Số các số
hạng của mã số của đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tơng
ứng với dải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính
xác của phép chuyển đổi.
Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N=12, nghĩa là một từ
mã có 12 con số nhị phân thì ADC có thể phân biệt
đuợc 212 =4096 mức điện áp trong dải biến đổi điện áp
vào của nó. Độ phân biệt của một ADC đợc ký hiệu là Q (đợc xác định theo công thức (4) ở trên). Nh vạy, ta có thể
ngầm hiểu số bit N để đặc trng cho độ chính xác. Tuy

nhiên, ngoài số bit đặc trng cho độ chính xác của bộ
chuyển đổi trong thực tế liên quan đến độ chính xác
của ADC còn có những tham số khác nh: Sai số lệch 0, sai
số đơn điệu, sai số khuyếch đại

Lý tởng
Thực
11
1
11
0
10
1
10
0
01
1
01
0
00
1
00
0

Méo phi
tuyến
Sai số khuếch
đại
Sai số đơn
điệu

Sai số lệch
không

8


Hình 2. đặc tyuến lý tởng và thực của bộ
chuyển đổi ADC
Nh vậy, so sánh hai đờng đặt tuyến truyền đạt lý tởng của ADC là một đờng bậc thang đều và có độ dốc
trung bình bằng 1. Đờng đặc tuyến thực có sai số lệch
không và là một hình bậc thang không đều do ảnh hởng
của sai số khuyếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn
điệu. Trong đó, sai số khuyếch đại là sai số giữa độ dốc
trung bình của đờng đặc tuyến thực với độ dốc trung
bình của đờng đặc tuyến lý tởng. Sai số phi tuyến đợc
đặc trng bởi sự thay đổi đọ dốc đờng trung bình của
đạc tuyến thực trong dải biến đổi của điện áp vào. Sai số
này làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình bậc
thang không đều. Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất
cũng do tính phi tuyến của đờng đặc tính biến đổi gây
ra.
3.Cấu tạo, sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của

ADC

(ADC Composition, Diagram and Working
Principle)
3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition)
UA

Mạch
lấy
Mẫu

ADC

UMA
U

Lợng tử
hoá

Mã hoá

UD

hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc
của ADC

9


Nh vậy, một bộ chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu
tín hiệu, mạch lợng tử hoá tín hiệu và mạch mã hoá tín
hiệu.
3.2. Nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Working
Principle)
Trớc hết, mạch láy mẫu tín hiệu tơng tự tại các thời điểm
khác nhau đều và cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về
mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm

lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp
theo. Tín hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa tới mạch lợng tử hoá
x
để thực hiện làm tròn với biên độ chính xác: . Sau
2
mạch lợng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết
quả lợng tử hoá đợc sắp xếp lại theo một quy luật nhất
định phụ thuộc vào loại mã yêu cẩutên đầu ra của bộ
chuyển đổi.
4. phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC .
Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC ,
tuy nhiên chủ yếu phân loại theo quá trình chuyển đổi
về mặt thời gian theo cách phân loại này có 4 phơng pháp
biến đổi AD nh sau:
a.Phơng pháp chuyển đổi song song: Trong phơng
pháp nàytín hiệu đợc so sánh cùng một lúc với nnhiều giá
trị chuẩn. Do đó tất cả các bit đợc xác định đồng thời và
đa đến đầu ra.
b.Biến đổi theo mã đếm: ở đây, quá trình so sánh
đợc thực hiện lần lợt từng bớc theo quy luật của mã đếm.
Kết quả chuyển đổi đợc xác định bằng cách đếm số lợng
giá trị chuẩn có thể chứa đợc trong giá trị tín hiệu tơng tự
cần chuyển đổi.
c. Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so
sánh đựoc thực hiện lần lợt từng bớc theo quy luật mã nhị
phân. Các đơn vị chuản dùng để so sánh lấy các giá trị
giảm dần, do đó các bit đợc xác định lần lợt từng bit có
nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất.
d. Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phơng
pháp này mỗi bớc so sánhcó thể đợc xác định đợc tối thiểu

là 2 bit đồng thời.

10


Nh vậy, có rất nhiều phơng pháp chuyển đổi, tuy nhiên
các mạch thc tế làm việc theo nhiều phơng pháp khác
nhau. Nhng về nguyên tắc chuyển đổi đều làm theo
những phơng pháp trên. Trong quá trình thiết kế một hệ
thống đo lờng và điều khiển bằng máy tính, hay một hệ
thống đo lờng số nào đó tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống nh
tốc độ,độ chính xác vật t hiện có mà lựa chọn phơng
pháp chuyển đổi khác nhau. Mỗi phơng pháp đều có u
nhợc điểm khác nhau, chính vì vậy việc nghin cứu nguyên
lý hoạt động , tính năng kỹ thuạt của từng phơng pháp
cũng nh từng mạch cụ thể là nhiệm vụ của ngời thiết kế.
Sau đây ta tìm hiểu từng phơng pháp chuyển đổi:
4.1. Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp tích
phân một sờn dốc (the Ramp type ADC).
4.1.1. Sơ đồ khối :
U0 +
Ux

Bộ tạo
cửa
thời
gian

Bộ so
sánh 2

Bộ
tạo U
tuyế
n
tính
U0

Bộ
điều
khiển

2n

Bộ
đế
m
xung

21
20

Bộ tạo
xung
đệm

Bộ so
sánh 1

Hình 4. Sơ đồ khối phơng pháp tích phân

một sờn dốc

11


u

U0 +
UxU0
t

USS
1

t

USS
2

Uxung

t

T

cöa

Uxung

t

chuÈn

Uxung

t

®iÓm

t

H×nh 5 : Gi¶n ®å thêi gian

12


4.1.2.Nguyên lý làm việc
Bộ điều khỉên tạo xung điều khiển(Xung Clock), xung
này có nhiệm vụ xoá 0 bộ đếm và tạo điện áp răng ca.Nó chính làbộ tạo điện áp mẫu có độ méo % nhỏ
Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp cần đo với điện
áp chuẩn U 0 .
Bộ so sánh Một đầu ra

2 đầu vào

hình 6. bộ so sánh
Khi đặt 2 điện áp đầu vào bằng nhau thì có xung ra
tại thời điển t1.Xung ra này kích bộ tạo cửa thời gian là
Triger ó hai trạng thái ổn định và làm cho bộ cửa thời gian
từ trạng thái 0 chuyển sang trạng thái 1. Sau khi có

điện áp U ũ U 0 vào bộ so sánh 2 thì nó sẽ so sánh giá trị
và đa ra xung đếm tại thời điểm t2 . Xung đếm này làm
cho bộ tạo xung chuyển trạng thái từ trạng thái 1 sang
trạng thái 0 , đồng thời mở cửa để bộ tạo xung đếm lọt
qua, các xung này sẽ đợc lu trữ tại các thanh ghi của bộ
đếm xung. Trong thực tế, thờng sử dụng các vi mạch
khuyếch đại thuật toán làm bộ so sánh.
Ta thấy rằng ở sơ đồ nguyên lý ngoài điện áp U x cần
cho điện áp U 0 .Điện áp U 0 là điện áp đợc tạon ra nhằm
mục đích đo chính xác giá trị của điện áp U x vì khi bắt
đầu quá trình chuyển đổi nó cha ổn định do tính
không đờng thẳng.
Ta có: U x T.tg T.

du
(10)
dt

n

Với: T t2 t1 n.Tch f (11)
ch
u

du

Suy ra: U x f . dt (12).
ch
f
du

f =
U x n.10 i
= const
ch
f
dt
Giả sử i = 0 U x = n.

Vì

4.1.3 Sai số chuyển đổi và cách khắc phục.
Để thực hiện đo lờng và chuyển đổi bằng máy tính
thông qua card ghép nối chuyển đổi tơng tự-số ADC

13


ngoài việc phải hiểu nguyên lý hoạt động của nó, ta còn
phải biết tính năng đo lờng cũng nh độ chính xác của
từng bộ chuyển đổi.
Vậy độ chính xác của bộ chuyển đổi sử dụng phơng pháp trên phụ thuộc vào các yếu tố gì ?
* Để trả lời cho câu hỏi trên ta phải xem xet từng
yếu tố tuỳ thuộc:
Các điện áp chuẩn U ch
+ Diện áp răng ca khong tuyến tính nhỏ>
f

+ Tần số không ổn định có sai số tơng đối lớn f
lớn

Do nhiễu xung can thiệp vao mạch biến đổi

Do sự không đồng bộ giữa xung mở cửa và
chuỗi xung chuẩn dẫn đến sai số phơng pháp đo
* cách khắc phục:
Trớc hết phải tạo điện áp chuẩn U ch thật chuẩn % nhỏ,
sai số doTần số nhỏ

f
nhỏ
f

Giảm sai số phơng pháp, tăng tần số xung chuẩn, tuy
nhiên cũng phải phụ thuộc vào độ phân giải của bộ
đếm xung.
4.2. Bộ chuyển đổi AD theo phơng pháp tích phân
hai sờn rốc.
(The dual-slope integerating type A/D converter)
4.2.1. Sơ đồ khối cấu tạo.
c
R

U

Uch

a
Mạch
Logic

Uc
Mạch tích
phân A1 Bộ so sánh
A2

Bộ
đ
Mạch ADN ệ
m

Đếm
Z0

Tạo
xung
nhịp

14

U0


Hình 7. sơ đồ khối cấu tạo bộ chuyển đổi theo phơng pháp hai sờn dốc
UC

U

U

c

1

0

2
U

t1


c

A

t2

t



t
Hình 8. giản đồ2 thời gian
4.2.2. Nguyên lý hoạt động.
Mạch logic điều khiển, điều khiển cho khoá K ở vị trí 1
thì điện áp tơng tự cần chuyển đổi U A nạp điện cho tụ
C thông qua điện trở R tại thời điểm t1 . Khi đó ở đầu ra

của mạch tích phân A1 Có điện áp đợc tính theo công
thức sau:
U c (t1 )

1
1
U A dt
U A t1 (13).

RC
RC

C
R

U

U

c

chuẩn

Hình 9. mạch tích phân
Nh vậy, U c tỷ lệ với U A . Tuỳ theo U A lớn hay bé mà đặc
tuyến của U c (t1 ) có độ dốc khác nhau. Trong thời gian t1 , bộ
đếm 0 cũng đếm các xung nhịp. Sau khi nạp điện áp
cần đo U A cho tụ điện C, mạch logic điều khiển sẽ
chuyển khoá K sang vị trí 2 đồng thời tín hiệu từ mạch
logic cũng đợc đa đến mạch AND ( mạch Và) và làm

chomạch AND thông khi có xung nhịp tác động. Tại thời
điểm này, mạch đếm ở đầu ra bắt đầu thực hiện đếm
và mạch đếm 0 đợc mạch logic điều khiển về vị trí
nghỉ.
Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn U ch bắt đầu nạp điện cho
tụ C theo chiều ngợc lại, phờng trình nạp là:

15


U c" (t 2 )

U

ch t (14).
RC 2

Gỉa thiết sau thời gian t 2 thì | U c' U c" | , nghĩa là điện
áp U c trên tụ C bằng 0 vì hai điện áp đợc nạp vào tụ có
nhiều cách khác nhau.
Nh vậy ta có:
U
U
t1 ch t 2 t 2 A t1
RC
RC
U ch

UA

(15)

Số xung đa đến mạch đếm 0 trong thời gian
0 t1 . f n (16).
Trong đó f n là tần số của dãy xung nhịp

t1

là:

z

từ đó suy ra t1 0 . Thay vào (15) ta đợc:
fn
t2

U A Z0
.
(17).
U
fn
ch

Do đó xung nhịp đếm đợc nhờ mạch đếm ở đầu ra
trong khoảng thời gian

t2

UA

là: Z t2.fn U

.Z0 (18).

ch
t
Sau thời gian 2. mạch đếm ra bị ngắt vì điện áp trên
tụ U c = 0 và mạch logic đóng cổng AND .Qúa trình lặp lại

tơng tự trong quá trìng chuyển đổi tiếp theo.
Nh vậy, theo công thức ta thấy số xung đếm đợc ở đầu
ra tỷ lệ với điện áp tơng tự U A cần chuyển đổi. ở đây,
kết quả đếm không phụ thuộc vào các thông số RC của
mạch và cũng không phụ thuộc vào tần số f n . chính vì lẽ
đó kết qủa chuyển đổi cũng khá chính xác, tuy nhiên yêu
cầu cần thiết là tần số nhịp phải có độ ổn định cao
nghĩa là giá trị tần số xung nhịp phải nh nhau trong
khoảng thới gian t1 ,t2
Tóm lại, trong phơng pháp này.ta dã làm cho điện áp cần
chuyển đổi UA
Tỷ lệ với thời gian (t1,t2 ) rồi đếm số xung nhịp xuất hiện
trong khoảng thời gian đó. Phơng pháp này cho ta chuyển
đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số có độ chính xác
cao.

16


4.3 Phơng pháp chuyển đổi song song hay phơng pháp so
sánh trực tiếp.

(Comparaison directe).
4.3.1. Sơ đồ nguyên lý.
UA

Uch
R
R

7V/
8
3V/
8
5V/
8
V/2

Mã Hoá
Bit 1

Lối vào Lối
ra
1111111
R
Bit 2
000
0111111
R
3V/
001
8

0011111
R
V/4
010
0001111
Bit 3
R
V/8
011
0000111
V/2
R
100
0000011
101
0000001
110
Hình 10. sơ đồ nguyên lý0000000
phơng pháp chuyển
111
đổi song song
R

4.3.2.Nguyên lý hoạt động
Trong phơng pháp chuyển đổi này, tín hiệu tơng tự
cần chuyển đổi UA
cần chuyển đổi đợc đa đồng thời
tới đầu vào cá bộ so sánh. Điện áp chuẩn U ch đợc đa đến
đầu vào còn lại của các bộ so sánh qua thanh 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. Đầu ra của các
bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên
thanh điện trở có mức logic 1, ngợc lại các đầu ra của các
bộ so sánh co điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn có mức
logic 0. Tất cả các đầu ra của các bộ so sánh đợc nối vào
mạch AND có một đầu đợc nối vào một mạch tạo xung nhịp.
Chỉ khi có xung nhịp đợc đa đến tác động vào đầu
mạch AND thì các xung ra của các bộ so sánh mới đợc nạp
vào bộ nhớ là các Flip-Flop.Các xung sau khi đợc nhớ vào
mạch nhớ nó đợc ma hoá thành dạng nhị phân. Nh vậy, cúu

17


sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ xung nhịp thì
lại có một tín hiệu đợc chuyển đổi.
Nh vậy, bộ chuỷên đổi tơng tự-số làm việc theo phơng
pháp chuyển đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh
vì quá trình so sánh đợc thực hiện song song cùng một
khoảng thời gian. Tuy nhiên, kết cấu mạch phức tạp với số
linh kiện quá lớn. Với bộ chuỷên đổi N bit, để phân biệt
đợc 2n mức lợng tử hoá thì phải dùng tới (2 N - 1) bộ so sánh.
Chính vì lẽ đó bộ chuyển đổi sử dụng phơng pháp
chuyển đổi này chỉ đựoc sử dụng trong hệ thống chuyên
dụng có yêuc cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao.
Ngày nay, ngời ta đã chế tạo đợ card ADC7 bit tần số fC =
15MHZ.
4.4.Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp xấp xỉ liên
tiếp
(The Successive-approximation type ADC)

4.4.1. sơ đồ khối cấu tạo.
Phơng pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp là phơng
pháp phổ biến cho các kiểu ADC do tính năng tốc độ,
độ chín xác và tính dễ thiết kế của nó. Nó hoạt
động nhờ việc so sánh thế đợc sinh ra với thế nối
vào. Một mạch dãy và một mạch chuyển đổi số-tơng
tự ADC, một đồng hồ xung nhịp và một thanh ghi
xấp xỉ liên tiếp SAR .

Mạch dãy liên tục
tạo ra các mức
điện áp so sánh
Xung nhịp điều
khiển khởi động
qua trình
chuyển đổi

DAC N-Bit

Bit
1
Bit
N

Hình 11. Sơ đồ khối phơng pháp chuyển đổi xấp
xỉ liên tiếp

4.4.2. Nguyên lý hoạt động.
Nguyên tắc làm việc chủ yếu là dựa trên cơ sở
đúng và sai. Tín hiệu lối vào đợc xấp xỉ liên

tiếp bằng một nửa độ lớn của bớc trớc đó. Ban đầu

18


nó kiểm tra xem nếu điện thế lối vào V in lớn hơn một
nửa khoảng điện thế (VRanger ) của ADC. Gỉa sử rằng lối
ra là đúng thì phép xấp xỉ tiếp theo sẽ kiểm tra xem
nếu Vin lớn hơn (1/2 + ẳ) giải điện áp VRanger .Qúa trình
này sẽ lặp lại cho đến khi thế vào xấp xỉ đủ chính xác .
Các điện áp mẫu đợc tạo ra bằng bộ chia mẫu điện áp.
Số lợng điện áp mẫu tơng ứng với số bậc của bộ biến đổi
hay là só bit của từ mã nhị phân ở đầu ra bộ chuyển đổi

t
V
max
V xấp
xỉ
1/2V
ranger
1

0

0

1

0

1

0

t

Hình 12. Giản đồ thời gian
Bộ khuyếch đại thật toán ở đây sử dụng để so sánh hai
giá trị điện thế ở cùng độ lớn (Biên độ của tín hiệu tơng
tự), nếu không sử dụng ở chế độ phản hồi. Lối ra của bộ
khuyếch đại lý tởng là +0.5 volt, nếu V+ > V- và bằng 15
volt nếu V+ < V- Những mạch nh vậy đợc gọi là bộ so
sánh(comparator) .Trong trờng hợp này, Vout là giới hạn về
không tơng ứng với 5 volt đẻ lối ra có thể tơng thích mức
TTL .

Ngoài bộ so sánh đợc sử dụng trong bộ chuyển đổi này
còn có mạch chuyển đổi DAC có nhiệm vụ chuyển đổi số
nhị phân thành thế tơng tự tơng ứng với độ lớn (Biên độ
của tín hiệu tơng tự) với giá trị số đó .
Hiệu suất chuyển đổi của kỹ thuật này là chuyển đổi
có độ phân giải cao,
có thể làm việc trong thời gian
rất ngắn hay tốc độ chuyển đổi cao. Tuy nhiên, tốc độ

19


chuyển đổi còn phụ thuộc vào các mạch nối dặc biệt là

bộ DAC và bộ so sánh.
Ngoài ra, sai số của phép chuyển đổi này phụ thuộc
vào độ chính xác, độ ổn định của điện áp mẫu và sai
số cả các thiết bị so sánh.

Chơng 2.
Chuyển đổi số - tơng tự DAC
(The Digital to Analog Convertor)
Chuyển đổi số tơng tự (DAC) là một khâu không
kém phần quan trọng trong một hệ thống đo lờng và điều
khiển bằng máy tính. Để điều khiển một hệ thống nh
điều khiển tăng, giảm ổn nhiệt của một lò nhiệt dùng
trong công nghiệp haynh điều khiển động cơ điện ...
thì máy tính cần phát ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu
này là tín hiệu số vì thế trong hâù hết các hệ thống tự
động hoá cần phải chuyển tín hiệu này thành tín hiệu tơng tự (dòng điện và điện áp biến thiên liên tục).Mạch
điện thực hiện chức năng này là mạch chuyển đổi số- tơng tự(DAC).
Nh vậy, mạch chuyển đổi tơng tự-số sẽ thực hiện
chuyển đổi từ n bit(Binary Digit) thành 2 n giá trị điện áp
khác nhau, các điện áp này đựơc lấy ra từ một diện áp so
sánh xác định. Nguồn điện áp so sánh có thể tìm thấy ở
chính bên trong bộ chuỷên đổi DA hoặc từ một nguồn
điện áp từ bên ngoài. Độ phân giải đợc chỉ ra nh là độ
rộng của giá trị số đợc biến đổi.Vì thế, một bộ biến đổi
n
D/A n bit có thể tạo ra 2 giá trị lối ra khác nhau. Khi ta
chọn dải điều chỉnh có độ rộng 10v nh thờng thấy trong
công nghiệp, thì sẽ có những bớc nhảy điện áp nhỏ nhất
nh sau:
N

Độ phân giải

Điện áp nhỏ nhất

8
10
12
16

1/256
1/1024
1/4096
1/65536

39.1 mV
0.97 mV
0.24 mV
0.015 mV

20


Bảng 2. Độ phân dải của DAC tơng ứng với số
bit
1.Sơ đồ khối-nguyên tắc làm việc.
Chuyển đổi số-tơng tự (DAC) là quá trình làm lại tín
hiệu tơng tự từ N số hạng hay nói cách khác từ N bit đã biết
của tín hiệu so với độ chính xác là một mức lợng tử là LBS .
UD

DAC

UM

LTD

UA

Hình 13. sơ đồ khối quá trình khôi phục tín
hiệu tơng tự
Để lấy đợc tín hiệu tơng tự từ tín hiệu số là tín hiệu
rời rạc theo thời gian, tín hiệu nàyđợc đa qua một bộ lọc
thông thấp lý tởng.Trên đầu ra của bộ lọc có tín hiệu U A
biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của U m
. ở đây bộ loc thông thấp đóng vai trò nh một bộ nội suy
UM

0

Hình 14. Giản đồ thời gian

t

2.các phơng pháp chuyển đổi số- tơng tự
2.1.Chuyển đổi số-tơng tự bằng phơng pháp đấu
điện trở R-2R

21

Phơng pháp này đợc sử dụng rộng rãi nhất ở các bộ
chuyển đổi DA. Sự sắp xếp khá đặc biệt của
các điện trở đã mang lại nhỡng u điểm nổi bật
so với các phơng pháp khác .Phần chính của
mạng các điện trở có thể xem nh là một bộ chia
điện áp. Bộ chia này có đặc tính là mỗi điểm
nút đợc đấu tải bằng một điện trở R.Nhờ vậy
mà mỗi điểm nút dòng điện di qua đợc chia
theo tỷ lệ 1:1 và đối vói bit cao nhất đi qua
điện trở đợc tính bằng công thức:
I = Uref / 2R (15)
Còn dòngqua điện trở tiếp theo sẽ là:
I = Uref / 2R.0.5(16).
Ngoài ra một bộ phận chuyển mạch qua lại sẽ xác định
liệu dòng điện sẽ đi xuống mass hay là đi qua điểm lấy
tổng của mạch. Mức High đặt ở chuyển mạch sao cho
dòng điện đi qua điểm lấy tổng và do vậy đóg góp vào
dòng điện tổng cộng. Dòng điẹn tổng cộng ở lối ra OUT1
sau đó đợc tính theo công thức :
I =Uref.n/256.R
n ở đây là giá trị byte dữ liệu (kề sát lối ra). Khi chân ra
OUT1 với lối vào không đảo của một bộ khuyếch đại thuật
toán có điện trở R đợc đáu nh điện trở phản hồi thì điện
áp đợc tính nh sau:

Ua =-IR = -Uref .n/256

RN
2N

R

21

R
2

2N-1

R
UM

2N1

K

Uch

Tín hiệu điều
khiển số

22


Hình 15. Sơ đồ nguyên lý ADC thang điện trở
2.2.2. Nguyên tắc hoạt động
Sơ đồ trên mô tả nguyên tắc hoạt động của bộ
chuyển đổi AD theo phơng pháp thang điẹn trở. ở đầu
vào của bbộ khuyếch đại thuật toán là một thang điện trở
mà trị số của chúng phân bố theo mã nhị phân, các điện

trở lân cận nhau có trị số hơn kém nhau 2 lần.Tín hiệu
điều khiển chính là tín hiệu số cần chuyển đổi. Bit có
trọng số nhỏ nhất (LBS) đợc đa đến điều khiển khoá nối
với điện trở lớn nhất (R), bit có trọng số lớn hơn, tiếp đó đa
đến điều khiển khoá nối với điện trở nhỏ hơn (R/2)... và
MSB nối với điện trở nhỏ nhất (R/2 N-1). Nừu 1 bit có giá trị
0 thì khoá tơng ứng
Nối với đất và nếu một bit có giá tri 1 thì khoá tơng ứng
nối với nguồn điện áp chuẩn Uch để tạo nên dòng điện tỷ
lệ nghịch với trị số điện trởcủa nhánh đó, nghĩa là I 0 có
trị số nhỏ nhất và IN-1có trị số lớn nhất. Dòng điện sinh ra
trong các nhánh điện trở đợc đa đến đầu vào bộ
khuyếch đại thuật toán, ở đầu ra bộ khuyếch đại thuật
toán có điện ra đợc tính bằng công thức: UM = -RN.

N1

In
no

(19).
Để thực hiện chuyển mạch K trong sơ đồ trên ta có thể sử
dụng sơ đồ sau:

T2

T1

Tín hiệu
điều

khiển số
U
h

c

23


Hình 16. sơ đồ nguyên lý chuyển mạch K
2.3.chuyển đổi số-tơng tự bằng phơng pháp
Shannon-Rack.
2.3.1. sơ đồ nguyên lý.

K1

K2

I
C

R

Hình17.sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D-A theo phơng pháp mã hoá Shannon-Rack.
2.3.2.Nguyên lý hoạt động.
Đây là một quá trìng chuyển đổi nối tiếp từng bit một.
Tín hiệu điều khiển số đợc đa lần lợt từ LBS đến MSB
đến điều khiển K1.Giả sử _gọi thời gian chuyển đổi 1 bit
là T thì trong khoảng đầu T/2, K2mở, K1đóng, nếu tín
hiệu điều khiển là 1 và mở khi tín hiệu điều khiển là

0. Khi K đóng thì tụ đợc nạp. Sang nửa sau của T/2,
K1mở, K2đóng, C phóng điệnqua R và UC giảm rần. Quá
trình đó lặp lại khi lần lợt đa ra các bit đến điều khiển
K1. Nếu cần chuyển đổi N bit thì thời gian cần chuyển
đổi là NT. Sau khoảng thời gian NT điện áp còn lại trên tụ
điện chính là điện áp tơng tự cần tìm. Tuy nhiên, để có
điện áp UC sau mỗi bit (sau khoảng thời gian T) tỉ lệ với bit
tơng ứng, phải chộn thời gian phóng của tụ điện qua điện
trở R theo điều kiện T/2 = 0.7RC sao cho nếu điện áp
trên tụ là U0thì sau khi phóng, điện áp còn lại là U C= U0 e0.7
= 0.496 U0

24


phần 2
ứng dụng của máy tính trong đo lờng và điều
khiển
Máy tính (computer) có cấu trúc do Phonnerman đề
xuất bao gồm có khối xử lý trung tâm CPU (Center
Processing Unit) có chức năng thực hiện các chuỗi lệnh của
chơng trình đã đợc ghi vào trong bộ nhớ, bộ nhớ M
(Memory) lu trữ dữ liệu và các chơng trình. Ngoài ra còn
các cửa vào ra I/O (In/Out Port) đóng vai trò là các khối
ghép nối giữa máy tính và các thiết bị ngoài , làm nhiệm
vụ rao đổi tin giữa máy tính và môi trờng bên ngoài.
Ngoài ra còn có các cửa vào ra I/O (In/Out Port) đóng vai
trò là các khối ghép nối giữa máy tính và các thiết bị
ngoài, làm nhiệm vụ trao đổi tin giữa máy tính và môi trờng bên ngoài.
Nh vậy, ngoài chế độ tự trị (of-line) không nối với các

thiết bị ngoài thông dụng nh: bàn phím, màn hình, chuột,
đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm, đĩa quang), máy đọc, máy
in...Máy tính còn hoạt dộng ở chế độ nối mạch (on-line) hay
thời gian thực (real time). ở chế độ này, máy tính nhận các
thông số về thông số đo vật lý(nhiệt độ, áp suất,điện áp,
dòng điện...) và đa ra tín hiệu điều khiển cần thiết để
điều chỉnh nhằm có một thông số ổn điịnh hoặc tối u.Ngời máy(robot) là một ví dụ đặc trng của việc ứng
dụng kỹ thuật máy tính trong đo lờng và điều khiển tự
động trong công nghiệp.
Muốn thiết kế, bảo quản tốt hệ đo-điều khiểncông
nghiệp ứng dụng kỹ thuật ghép nối điều quan trọng thiết
yếu là phải nắm vững kỹ thuật máy tính, kỹ thuật viết chơng trình điều khiển. Ngoài ra còn phải nắm vững các
kỹ thuật ghép nối theo các chế độ song song, nối tiếp,
trực tiếp khối nhớ(DMA).
Dể thực hiện việc ghép nối máy tính ta có các khả năng
lựa chọn:
Ghép nối qua cổng song song (cổng máy in hay
LPT)
Ghép nối qua cổng nối tiếp (cổng COM)
Qua rãnh cắm mở rộng

25