Bài giảng Kỹ thuật số - Phần 5: Biến đổi A/D, D/A

Bài 7: BIẾN ĐỔI A/D, 
D/A
ANALOG
INPUT
ĐẠI
LƯN
G VẬT
LÝ

CẢM BIẾN

DIGITAL
INPUT

ADC

HỆ THỐNG
XỬ LÝ SỐ
(MÁY TÍNH)

ĐIỀU
KHIỂN,
ĐLVL
KHÁC

 

 

DIGITAL
OUTPUT

ANALOG
OUTPUT

DAC


 

 


I. BIẾN ĐỔI D/A
D
DIGITAL C
INPUTS B
A

D/A

CONVERTER

(DAC)

ANALOG 
OUTPUT

DAC 4 BIT
D C B A

V out

0

0V
 
 
 
15V

1

 

0 0
0
 
 
 
1 1
1

Tổng quát:
Analog output = K   digital intput
K: thừa số (độ phân
giải)
 


TD: K = 1V

Vout = (1V)

digital input

Do đó, ta có thể tính Vout ứng với digital
input
11002 = 1210 Vout = 1V 12 = 12V.
TD: DAC 5 bit với ngõ vào là 10100, dòng
ngõ ra là 10mA.
Tính Iout khi ngõ vào là
11101.
Giải
Ta có: 101002 = 2010 khi Iout = 10mA.
K = 0,5 mA.
Do đó: 111012 = 2910
 

Iout = 0,5mA
 

29 = 14,5mA.


TD: DAC 8 bit với ngõ ra là 1.0V khi ngõ vào
là 001100102. Xác đònh Vout lớn nhất của
DAC.
Giải
Ta có: 001100102 = 5010
1V = K

50

K = 20 mV.
Do đó, ngõ ra Vout(max) khi ngõ vào là: 1111
11112 = 25510
Độ phân giải K: độ phân giải của biến đổi
= 20mV
255 =nhất
5,1V. của ngõ ra
out(max)
D/A là Vsự
thay
đổi nhỏ
analog khi có sự thay đổi của ngõ vào digital.
 

 


Clock 

Đếm
4 bit

DAC

Vout 
2V 

3V 

1V 

0V 
Độ
phân
giải 1V 

DAC N bit sẽ có 2N mức khác nhau, số bước
nhảy sẽ là 2N – 1
TD:

K = 0,2V. Xác đònh Vout khi ngõ vào là 10001
100012 = 1710
Vout = 0,2V

 

 

17 = 3,4V.


II. BIẾN ĐỔI A/D
đầu vào
analog

vA

1
0

+

OPAMP

vAX

So
sánh

Bộ
biến
đổi
DA

Thanh
ghi
. . .

­

Kết quả
digital

 

Đơn vò
điều

khiển

 

Start
Clock

EOC
(kết thúc
chuyển đổi)


ộ biến đổi hoạt động theo các bước:
   Tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi.

 Cứ mỗi xung clock, đơn vò điều khiển
sửa đổi số nhò phân đầu ra và đưa vào
lưu trữ trong thanh ghi.
   Số nhò phân trong thanh ghi được chuyển
đổi thành áp analog vAX qua bộ biến đổi
DA.
    OPAMP so sánh vAX với áp đầu vào vA.
Nếu vAX < vA thì đầu ra ở mức cao, còn
 
 
ngược lại, nếu v vượt qua v một lượng v


đầu vào
analog

vA

Clock

+
OPAMP

­

EOC
Start

So
sánh

vA
vAX

Reset

Counter

EOC

Clock

tC

Start

. . .

vAX

Bộâ
biến
đổi DA

Kết quả
digital

Bộ biến đổi A/D theo hàm dốc

 

 

Khi
chuyển
đổi hoàn
tất,
counter
ngừng
đếm


•Bộ biến đổi AD xấp xỉ liên tiếp
Đây là bộ biến được dùng rộng rãi
nhất trong các bộ biến đổi AD. Nó có cấu

tạo phức tạp hơn bộ biến đổi AD theo hàm
dốc nhưng tốc độ biến đổi nhanh hơn rất
nhiều. Hơn nữa, thời gian biến đổi là một số
cố đònh không phụ thuộc giá trò điện áp đầu
vào.
Sơ đồ mạch tương tự như bộ biến đổi AD
theo hàm dốc nhưng không dùng counter cung
cấp giá trò cho bộ biến đổi DA mà dùng một
thanh ghi. Đơn vò điều khiển sửa đổi từng bit
của thanh ghi này cho đến khi có giá trò analog
xấp xỉ áp vào theo một độ phân giải
 

 


Bộ biến đổi A/D xấp xỉ liên tiếp
đầu vào
analog
+
vA

START

­
So
sánh

Đơn vò
điều

khiển
. . .

Thanh ghi
MSB ………
LSB . . .

Bộâ biến
đổi DA
vAX

 

Start

Xóa tất cả
các bit
Bắt đầu ở
MSB

EOC

Set bit = 1

Clock

OPAMP

 

VAX > VA ?

Đú
ng Clear bit = 0

Sai

Đến Sai
bit
thấp
kế

Xong hết
bit ?

Đú
ng

Quá trình biến
đổi kết thúc
và giá trò biến
đổi nằm trong
thanh ghi

END


Bộ biến đổi Flash AD
Bộ biến đổi loại này có tốc độ nhanh
nhất và cũng cần nhiều linh kiện cấu

thành nhất.
Có thể làm một phép so sánh: flash AD
6-bit cần 63 OPAMP, 8-bit cần 255 OPAMP, và
10-bit cần 1023 OPAMP. Vì lẽ đó mà bộ biến
đổi AD loại này bò giới hạn bởi số bit,
thường là 2 đến 8-bit.
nàyAD
có
độ:  phân giải là 1V, cầu
Ví dụ Mạch
một flash
3-bit
chia điện áp thiết lập nên các điện áp so
sánh (7 mức tương ứng 1V, 2V, …) với điện
áp cần biến đổi. Đầu ra của các OPAMP
được nối đến một priority encoder và đầu ra
của nó chính là giá trò digital xấp xỉ của
điện áp đầu vào.
 
 
Các bộ biến
đổi có nhiều bit hơn dễ


+1 0V

1K

-

1K

-

1K

-

I5

C4

I4

-

1K

-

C2

I2

C1

I1

+

1V

I3

+

2V

C3

+

1K

-

3V

 

C5

MSB

Priority
encoder

C
B
A

1K

1K

I6

+

4V

C6

+

5V

I7

+

6V

C7

+

7V

-

3K

Aùp analog ñaàu
vaøo

 


Bộ biến đổi AD theo hàm dốc dạng lên xuống (tracking 
ADC)
Bộ biến đổi loại này được cải tiến từ
bộ biến đổi AD theo hàm dốc. Ta thấy rằng
tốc độ của bộ biến đổi AD theo hàm dốc
khá chậm bởi vì counter được reset về 0 mỗi
khi bắt đầu quá trình biến đổi. Giá trò V AX là 0
lúc bắt đầu và tăng dần cho đến khi vượt
qua VA. Rõ ràng là thời gian này là hoàn
toàn lãng phí bởi vì điện áp analog thay đổi
một cách liên tục, giá trò sau nằm trong lân
cận giá trò trước.
Bộ biến đổi AD theo hàm dốc dạng lên
xuống dùng một counter đếm lên/xuống thay
cho  counter chỉ  đếm lên ở bộ biến đổi AD
theo hàm dốc và không reset về 0 khi bắt