Điều khiển động cơ điện một chiều P5

Hà Ngọc Thắng

Chơng 4
Thiết kế card ghép nối A/D - D/A


4.1 Khái niệm chung

Ngày nay việc gia công, truyền đạt tín hiệu cũng nh quá trình điều khiển và chỉ thị phần
lớn đợc thực hiện theo phơng pháp số. Trong khi đó tín hiệu trong tự nhiên lại biến đổi
liên tục theo thời gian, nghĩa là có dạng tơng tự. Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tơng
tự và các hệ thống xử lý số, ngời ta dùng các mạch chuyển đổi tơng tự - số (ADC -
Analog Digital Converter) nhằm biến đổi tín hiệu tơng tự sang số hoặc dùng các mạch
chuyển đổi số - tơng tự (DAC - Digital Analog Converter) trong trờng hợp cần biến đổi
tín hiệu số sang tơng tự.

4.2 Chuyển đổi tơng tự - số (ADC Analog Digital Converter)
4.2.1
Nguyên tắc làm việc của ADC

Nguyên lý làm việc của ADC đợc minh hoạ trên sơ đồ khối.
Hình 5.1: Sơ đồ khối nguyên tắc làm việc của ADC

Tín hiệu tơng tự U
A
đợc đa đến mạch lấy mẫu, mạch này có hai nhiệm vụ:
Lấy mẫu những tín hiệu tơng tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều. Thực

chất đây là quá trình rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian.
Giữ cho biên độ tín hiệu tại các thời điểm lấy mẫu không thay đổi trong quá trình
chuyển đổi tiếp theo ( quá trình lợng tử hoá và mã hoá). Quá trình lợng tử hoá




Hà Ngọc Thắng
thực chất là quá trình làm tròn số. Lợng tử hoá đợc thực hiện theo nguyên tắc so
sánh tín hiệu cần chuyển với các tín hiệu chuẩn. Mạch lợng tử hoá làm nhiệm vụ
rời rạc tín hiệu tơng tự về mặt biên độ. Trong mạch mã hoá, kết quả lợng tử hoá
đợc xắp xếp lai theo một quy luật nhất định phụ thuộc loại mã yêu cầu ở đầu ra
bộ chuyển đổi.
Nhiều loại ADC , quá trình lợng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc đó không
thể tách rời hai quá trình , phép lợng tử hoá và mã hoá đợc gọi chung là phép
biến đổi AD.

4.2.2 Các tham số cơ bản của ADC

Các tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi của điện áp tơng tự ở đầu
vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi.
- Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tơng tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0 đến
một số dơng hoặc số âm nào đó, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính:
-U
A
ữ+U
A
.
- Độ chính xác của ADC: Tham số đầu tiên đặc trng cho độ chính xác của ADC là độ
phân giải. Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị đợc sắp xếp theo một quy luật

của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra ( số bits trong từ mã nhị phân)
tơng ứng với giải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi.
Ví dụ một ADC có số bits ở đầu ra là n = 8 thì sẽ phân biệt đợc 2
8
mức trong dải biến
đổi điện áp vào của nó. Nh vậy trong thực tế dùng số bits để đánh giá độ chính xác của
một ADC khi giải biến đổi điện áp vào là không đổi.
Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số khác nh: méo phi tuyến,
sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số lợng tử hoá.
- Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, đợc gọi là tần số
chuyển đổi f
c
. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi T
c
để đặc trng cho tốc độ
chuyển đổi. Với một ADC thờng thì f
c
< 1/T
c
vì giữa các lần chuyển đổi phải có một
thời gian cần thiết để ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu. Một ADC có tốc độ chuyển
đổi cao thì độ chính xác giảm và ngợc lại.




Hà Ngọc Thắng
-
4.2.3 Các phơng pháp chuyển đổi tơng tự - số
Có nhiều cách phân loại ADC, nhng hay dùng hơn cả là phân loại theo quá trình chuyển

đổi về mặt thời gian. Trong đồ án này chỉ giới thiệu một số phơng pháp điển hình.

4.2.3.1 Chuyển đổi A/D theo phơng pháp song song
Nguyên tắc hoạt động.
Tín hiệu tơng tự U
A
đợc đồng thời đa đến các bộ so sánh từ S
1
đến S
m
. Điện áp chuẩn
U
ch
đợc đa đến đầu vào thứ 2 của các bộ so sánh qua thang điện trở R. Do đó các điện áp
chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lợng không đổi và giảm dần từ S
1
đến
S
m
. Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở có
mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0". Các đầu ra của mạch so sánh đợc nối
với mạch AND, một đầu mạch AND đợc nối với mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung
nhịp đa đến đầu vào AND thì các xung trên đầu ra của bộ so sánh mới đa vào mạch nhớ
Flip_Flop (FF). Nh vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp lại có một tín
hiệu đợc biến đổi và đa đến đầu ra. Xung nhịp đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới
đa xung nhịp vào bộ nhớ. Bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu và dới dạng mã đếm thành mã
nhị phân.
Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nên đợc gọi là ADC nhanh nhng
kết cấu của mạch rất phức tạp ví dụ nh ADC n bits cần phải dùng
-1 bộ so sánh. Vì vậy

phơng pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi cao nhng số bit nhỏ.
n
2









Hà Ngọc Thắng
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi A/D theo phơng pháp song song.

4.2.3.2 Chuyển đổi A/D theo phơng pháp bù

Hình 5.3: Mạch nguyên lý A/D theo nguyên tắc bù

Tại thời điểm ban đầu bộ đếm đợc đặt ở trạng thái không bởi xung Cl, nh vậy đầu ra
của nó cũng có tín hiệu không. Mạch so sánh thiết lập giá trị một tín hiệu nhịp H qua cổng
AND đợc đa vào mạch đếm. Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ Q
0
Q
m-1
đồng thời

Hà Ngọc Thắng
qua bộ biến đổi D/A sẽ có điện áp U
0
cho đến khi U
0
U
A
thì bộ so sánh lật giá trị, đầu ra
của nó có giá trị 0 cổng AND sẽ khoá và bộ đếm sẽ dừng. Trên đầu ra bộ đếm Q
0
Q
m-1
ở
dạng số tỉ lệ với điện áp vào U
A
, số này đợc xếp vào bộ ghi. Tiếp theo bộ đếm đợc xoá và
chuẩn bị cho chu kỳ biến đổi tiếp theo. Sau mỗi chu kỳ bộ ghi sẽ ghi số liệu mới của bộ
đếm. Nếu nh bộ đếm nhị phân có m bits thì điện áp vào cực đại U
maxA
:


12U
m
Amax
=
Điện áp U
A
đợc lợng tử theo gia số:
12

U
U
m
Amax
A

=

Điện áp U
A
đợc diễn tả bằng phơng trình.

N.
12
U
U
m
Amax
A

=

Trong đó N là tổng số bớc của bộ đếm và dung lợng của nó đầy sau khi kết thúc qúa
trình đếm.
Thời gian biến đổi

n
A
f
N

T =

Trong đó f
n
là tần số xung nhịp.
Thời gian biến đổi phụ thuộc độ lớn điên áp. Tốc độ thay đổi điện áp có thể đạt giá trị
cực đại.

n
m
maxAn
m
maxAA
max
A
f
12
U
N
f
.
12
N.U
T
U
dt
dU

=

=


=







Nếu tốc độ biến đổi điện áp U
A
lớn hơn tốc độ cực đại thì phát sinh sai số động của bộ
biến đổi. Sai số tĩnh của bộ biến đổi là sai số lợng tử U. Để giảm thời gian biến đổi, ở
bộ đếm nhị phân ta sử dụng mạch điều khiển chơng trình.
4.2.3.3 Bộ biến đổi A/D theo nguyên tắc servo
Bộ biến đổi này có ba phần tử cơ bản: mạch so sánh, mạch đếm hai chiều và bộ biến đổi
D/A.




Hà Ngọc Thắng
Hình 5.4: Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc servo.
Tín hiệu điện áp vào U
A
so sánh với điện áp ra D/A. Nếu U

A
> U
0
thì bộ biến đếm đếm
theo chiều tiến. Nếu U
A
< U
0
thì bộ đếm đếm theo chiều lùi cho đến khi U
A
= U
0
thì bộ đếm
dừng, tơng tự nh cơ cấu servo. Tuy vậy tốc độ biến đổi điện áp vào U
A
luôn luôn phải nhỏ
hơn tốc độ của bộ đếm và bộ biến đổi D/A. Nên thời gian biến đổi phụ thuộc vào tần số
xung nhịp f
H
và phản ứng của bộ so sánh.

4.3 Chuyển đổi số tơng - tự (DAC Digital Analog Converter)
4.3.1 Nguyên tắc làm việc của DAC

Chuyển đổi số tơng tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết của tín
hiệu số. Bộ chuyển đổi số tơng tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song song ở đầu vào
và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra.
Tín hiệu đầu ra của DAC. U
m
là tín hiệu rời rạc theo thời gian.

Hà Ngọc Thắng
Hình 5.6: Tín hiệu ra bộ ADC theo thời gian.

Tín hiệu này đợc đa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tơng tự U
A

biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của U
m
. Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai
trò là bộ nội suy.

4.3.2 Các đặc tính quan trọng của DAC
- Độ phân giải: liên quan đến số bit của một DAC. Nếu số bit là m thì số trạng thái tín
hiệu của số nhị phân đa vào là 2
n
và tín hiệu ra sẽ có 2
n
mức khác nhau, do đó độ phân
giải là 1/ 2
n
. Độ phân giải càng bé thì tín hiệu đầu ra có dạng liên tục gần với thực tế.
- Độ tuyến tính: Trong một DAC lý tởng sự tăng tín hiệu số ở đầu vào sẽ tỷ lệ với sự tăng
tín hiệu số ở đầu ra.
- Độ chính xác của một DAC cho biết sự khác biệt giữa trị số thực tế của U
A

và trị số lý
thuyết cho bởi một giá trị bất kỳ của tín hiệu số ở đầu vào. Sự sai khác này càng nhỏ thì
độ chính xác càng cao.
- Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu số ở đầu vào của một DAC thay đổi, tín hiệu ở đầu ra
không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nào đó gọi là thời
gian thiết lập. Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một DAC.

4.3.3 Một số mạch DAC điển hình
4.3.3.1 Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lợng

Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn U
ch
, các bộ chuyển mạch và điện trở có giá trị R,
R/2, R/4... và một mạch khuếch đại thuật toán. Sơ đồ nguyên lý hình 5.7




Hà Ngọc Thắng

Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý biến đổi D/A với mạng điện trở trọng lợng.

Khi một khoá điện nào đó đợc nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ cung cấp cho bộ
khuếch đại thuật toán dòng điện cờng độ là:

i
ch
i
2.R
U

I =
( i = 0..n-1).
Cờng độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên độ điện
áp U
ra
phụ thuộc vào chỗ khoá nào đợc nối với U
ch
tức là phụ thuộc vào giá trị của bit
tơng ứng trong tín hiệu số đa vào mạch chuyển đổi.
Mạch có u điểm là đơn giản, nhng nhợc điểm là độ chính xác và tính ổn định của
kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số của các điện trở và khả năng biến thiên nh nhau theo
môi trờng của các điện trở này. Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ chính xác nh vậy
thờng khó khăn và tốn kém. Ngoài ra U
ra
còn phụ thuộc vào cả độ chính xác và tính ổn
định của nguồn điện áp chuẩn.