Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 8: Chuyển đổi tương tự - số, số - tương tự

        Tr ường Đ ại H ọc Công Ngh ệ 

Thông Tin
KHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNG

BÀI GIẢNG 
NHẬP MÔN ĐI
Ệ
N T
Ử
 
THÁNG 9/2012
1


CHƯƠNG 8:
Chuyển đổi tương tự­số, số­tương tự 
1.

Chuyển đổi tương tự­số

2.

Chuyển đổi số­tương tự

3.

Ghép nối bộ chuyển đổi với hệ vi xử 
lý

1. Chuyển đổi tương tự­số
Đại bộ phận tín hiệu tự nhiên như tiếng nói, hình 
ảnh, nhiệt độ, tốc độ,…lại là các đại lượng tương tự 
=> muốn đưa các tín hiệu này vào một hệ thống số 
để xử lý, ta cần biến đổi chúng sang dạng số => bộ 
biến đổi tương tự (analog) sang số (Digital), bộ A/D, 
thực hiện việc số hoá tín hiệu tương tự.
 Một mạch logic có chức năng ngược lại được gọi là 
bộ biến đổi số sang tương tự hay ngắn gọn là bộ 
D/A.



1.Chuynitngtưs(tt)
a)Khỏinimchung

Tín hiệu analog đợc
chuyển thnh tín hiệu bậc
thang với mỗi thang l1đại
diện số thích hợp. Các đại
diện số rời rạc có nhiều
cách biểu diễn. Nếu theo
hệ thập phân thìthờng
biểu diễn số đo, nếu để
xử lý số dùng mã nhị phân.


1. Chuyển đổi tương tự­số 
(tt)

Tæng qu¸t: tÝn hiÖu sè là SD, tư¬ng tù là SA
SD = bn­1 2n­1 + bn­2 2n­2 +… + b0 20
Trong đó các hệ số bk= 0 hoặc 1 (với k = 0   n­1) và 
được gọi là bit.
 bn­1 : bit có nghĩa lớn nhất (MSB) tương ứng với cột 
đứng đầu bên trái của dãy mã số.
 b0 gọi là bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB) ứng với cột đứng 
đầu bên phải của dãy mã số.
 Mỗi biến đổi của tín hiệu là một mức lượng tử (một 
nấc của hình bậc thang).


1. Chuyển đổi tương tự­số (tt)
Với một mạch biến đổi có N bit tức là có N số hạng trong từ 

mã nhị phân thì một nấc trên hình bậc thang chiếm một giá trị.

UAmax: giá trị cực đại cho phép tương ứng của điện áp 

tương tự ở đầu vào A/D. Q : mức lượng tử.
 Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc nên trong quá trình chuyển 
đổi A/D xuất hiện một sai số gọi là sai số lượng tử hoá, được 
xác định:

Khi chuyển đổi A/D phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu tương 

tự. Để đảm bảo khôi phục lại tín hiệu một cách trung thực 


1.Chuynitngtưs

(tt)

Theo thuyết lợng tử hoá, quá trình lợng tử hoá sinh ra
tạp âm, tạp âm ny phản ánh khi thực hiện phép biến
đổi ngợc DA, có thể coi quá trình lợng tử hoá lquá
trình cộng tín hiệu XA vtín hiệu tạp âm Xta, ngời
ta chứng minh đợc tạp âm lợng tử hoá có thể coi ltạp
âm trắng, khi -Q/2XA Q/2.
Mật độ phổ công suất của tạp âm:




: giá trị trung bình bình phơng của điện áp tạp âm



Nếu nối với một điện trở tải, công suất tạp âm phản ảnh
ở tải:



Tỉ số tín hiệu tạp âm S/N đợc xác đnh:


1. Chuyển đổi tương tự­số 

(tt)

b) Các tham số cơ bản
i.Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào: 

là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi A/D thực hiện được, 
có giá trị điện áp từ ­UAm   +Uam
ii.Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D
. Độ phân biệt Q: là giá trị của một mức lượng tử hoá (1 
LSB) là số các số hạng của mã số đầu ra tương ứng với 
dải biến đổi của điện áp vào. 

Ví dụ: 1 bộ A/D có số bit đầu ra N=12 có thể phân biệt được 
212= 4096 mức trong dải biến đổi điện áp của nó.
.Trong thực tế, thường dùng số bit N để đặc trưng cho độ 

chính xác (dải biên độ điện áp vào coi như không đổi). 
. Thông thường các bộ A/D có số bit từ 3  12. Có những bộ 


1. Chuyển đổi tương tự­số (tt)


Liªn quan ®Õn ®é chÝnh ®é chÝnh x¸c cßn cã
c¸c sai sè khuÕch ®¹i, mÐo phi tuyÕn…


1. Chuyển đổi tương tự­số (tt)


 Tốc độ chuyển đổi: cho biết kết quả chuyển đổi 
trong 1giây được gọi là tần số chuyển đổi fC, ph¶n

¶nh kh¶ n¨ng làm viÖc thêi gian thùc cña hÖ thèng,
trong hÖ thèng viÔn th«ng nã là th«ng sè tÝch luü
®é trÔ cña tÝn hiÖu, fC ph¶i càng lín càng tèt. Tốc 
độ chuyển đổi fC càng lớn thì độ chính xác Q càng 
giảm.


1. Chuyển đổi tương tự­số 

(tt)
Các bước cơ bản của quá trình biến đổi A/D
c.

Để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số phải qua 3 
bước sau:
­ Lấy mẫu, giữ mẫu.
­ Lượng tử hoá.
­ Mã hoá.


1. Chuyển đổi tương tự­số (tt)
Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau 
và cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian); 
Giữ mẫu 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 được đưa đến mạch lượng tử 
hoá để làm tròn với độ chính xác ± Q/2 . Mạch lượng tử hoá 
có nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự về mặt biên độ. Nhờ 
quá trình lượng tử hoá một tín hiệu tương tự bất kỳ được 
biểu diễn bởi một số nguyên lần mức lượng tử, nghĩa là:



.XAi là tín hiệu tương tự ở thời điểm i
.ZDi: tín hiệu số ở thời điểm i
.


1. Chuyển đổi tương tự­số 

(tt)
 Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá được sắp 


xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào 
loại mã yêu cầu trên đầu ra của bộ chuyển đổi. Trong 
nhiều loại mạch A/D quá trình lượng tử hoá và mã 
hoá xảy ra đồng thời, không thể tách rời hai quá trình 
đó.
 Phép lượng tử hoá và phép mã hoá được gọi chung là 
mạch chuyển đổi A/D.


1. Chuyển đổi tương tự­số (tt)
d. Một số phương pháp chuyển 

đổi A/D:
i. Biến đổi song song: tín hiệu 
được so sánh cùng một lúc với 
nhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả 
các bit được xác định đồng thời 

và đưa đến đầu ra.
.T¹i c¸c ®Çu ra bé so s¸nh:
nÕu ®iÖn ¸p vào >®iÖn ¸p
chuÈn: cho møc logic là 1, nÕu
®iÖn ¸p vào <®iÖn ¸p chuÈn:
cho møc logic là 0.
.Víi bé chuyÓn ®æi N bit, cÇn
(2N-1) bé so s¸nh, And, FF .


1. Chuyển đổi tương tự­số 

(tt)
Ở đây quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo 
ii.Biến đổi nối tiếp theo mã đếm

.

quy luật của 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. 
◦ Điện áp vào UA được so sánh với điện áp chuẩn dạng răng cưa 
UC nhờ bộ so sánh SS1. Khi UA>UC thì SS1=1, khi UASS1=0.
UC


1. Chuyển đổi tương tự­số (tt)
ii.

Biến đổi nối tiếp theo mã đếm 
(tt)
oBộ so sánh SS2 so sánh điện áp răng 
cưa với mức 0V (đất). Uss1 và Uss2 
được đưa đến một mạch "Và".
oXung ra UG có độ rộng tỷ lệ với độ 
lớn của điện áp vào tương tự UA, với 
giả thiết xung chuẩn dạng răng cưa có 
độ dốc không đổi.
oMạch "Và" thứ 2 chỉ cho ra các xung 
nhịp khi tồn tại UG, nghĩa là trong 
khoảng thời gian 0 < UC < UA. Mạch 
đếm đầu ra sẽ  đếm số xung nhịp đó. 
Đương nhiên, số xung này tỷ lệ với độ 
lớn của UA.


ii. Biến đổi nối tiếp theo mã đếm (tt)
o

Bộ tạo xung răng cưa là một bộ tích phân:

o

Giả sử tại t = tM thì UC = UA, ta có:

o

                          
Số xung nhịp đếm được trong thời gian tM: Z = fn.tM

o

o

Z tỷ lệ với UA như mong muốn, nhưng Z còn phụ thuộc vào R, 
C và fn. Nếu những tham số này không ổn định thì kết quả đếm 
có sai số. fn tần số xung nhịp, phải đủ lớn để đạt được độ chính 
xác cần thiết.


1. Chuyển đổi tương tự­số 

(tt)Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân
iii.

o.Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước 

theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so 
sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật mã nhị phân, 
do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có nghĩa lớn 
nhất (MSB) đến bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB)
iv.
Biến đổi song song ­ nối tiếp kết hợp
◦ Trong phương pháp này, qua mỗi bước so sánh có thể 
xác định được tối thiểu là 2 bit đồngthời.


2. Chuyển đổi số­tương tự
a) Khái niệm chung:

Chuyển đổi số­tương tự (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 từ 1 LSB.
Chuyển đổi D/A không phải là phép nghịch đảo của chuyển 
đổi A/D, vì không thể thực hiện phép nghịch đảo của quá trình 
lượng tử hóa.


b. Tham số chính của bộ D/A
i.Độ phân giải:

 

= (Kích thước bước /VFS) × 100%

    ­ n là số bit vào
    ­ VFS là điện thế ra lớn nhất hay hay điện thế toàn 
thang.
   ­ Độ phân giải cho biết khả năng phục hồi chính xác 
điện thế tương tự của một bộ biến đổi.
iii.Độ chính xác:
.Độ sai lệch toàn thang: là độ lệch cực đại của 

điện thế ra toàn thang so với giá trị thực của nó. 
◦


b. Tham số chính của bộ D/A
Thời gian xác lập: thể hiện tốc độ hoạt động của bộ 
biến đổi. Đây là thời gian cần thiết để lối ra của bộ D/A 

biến đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất của thang tương ứng 
với đầu vào nhị phân biến thiên từ “0” đến toàn “1”.
Trong thực tế, thời gian xác lập được đo khi đầu ra 
xác lập được ± ½ lớn của bước. Ví dụ, một bộ D/A có độ 
phân giải là 10mV, thời gian xác lập được đo khi đầu ra đạt 
5 mV của giá trị toàn thang.
 Điện thế dịch: Một D/A lý tưởng sẽ có điện thế trên đầu 
ra của nó đúng bằng không khi tín hiệu nhị phân trên đầu 
vào lấy giá trị toàn “0”. 
Trên thực tế, điều này khó đạt được và trên đầu ra 
của bộ D/A luôn tồn tại một điện thế nhỏ. Điện thế này có 



c. Một số phương pháp chuyển đổi D/A
q Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở:

­ Đầu vào bộ KĐTT là một thang 

điện trở, trị số phân bố theo mã 
nhị phân, các điện trở lân cận 
nhau hơn kém nhau 2 lần.

­ Tín hiệu điều khiển là tín hiệu số 

cần chuyển đổi. Bit LSB được đưa 
đến điều khiển khóa nối với điện 
trở lớn nhất R, bit có nghĩa lớn hơn 
tiếp đó được đưa đến điều khiển 
khóa nối với điện trở nhỏ hơn 

R/2 ...và MSB điều khiển khóa nối 
với điện trở nhỏ nhất


 Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện 
trở:
­ Nếu một bít có giá trị "O" thì khóa tương ứng nối đất và 
nếu một bít có giá trị "1" thì khóa K tương ứng nối với 
nguồn điện áp chuẩn Uch để tạo nên một dòng điện tỷ lệ 
nghịch với trị số điện trở của nhánh đó, ie, Io có giá trị bé 
nhất, IN­1 có giá trị lớn nhất.
­ Dòng sinh ra trong các nhánh điện trở được đưa đến đầu 
vào bộ khuyếch đại, đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán có 
điện áp:
q


Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở:

q

­ Khóa chuyển mạch K là 
một mạch khuyếch đại vi sai 
làm việc ở trạng thái bão hòa. 
Khi tín hiệu điều khiển có giá 
trị "O" thì Io qua T1 xuống đất, 
giá trị "1" thì Io được dẫn qua 
T2 đến đầu vào bộ khuyếch 
đại thuật toán.
­ Chuyển đổi D/A theo phương pháp này yêu cầu trị số của 

các điện trở phải rất chính xác. Ví dụ điện trở nhỏ nhất R/(2N­1) 
phải chính xác đến mức sai số dòng điện qua đó không vượt quá 
1 LSB, với N=16 thì sai số này khoảng 0,5%.


q

Mạch dùng mảng điện trở 2nR

­ Các dòng điện bằng nhau = Io.
­ Khi một bít nào đó của tín hiệu điều khiển là "0" thì Io 
tương ứng với bít đó bị ngắn mạch qua khóa xuống đất. 
Ngược lại, nếu tín hiệu điều khiển là "1" thì Io ứng với bít 
đó được dẫn tới đầu vào bộ khuyếch đại qua mạng điện 
trở.