Mạch điện tử - Chuyển đổi tương tự - số

78
CHỈÅNG 6
CHUØN ÂÄØI TỈÅNG TỈÛ - SÄÚ
CHUØN ÂÄØI SÄÚ - TỈÅNG TỈÛ
6.1. Cå såí l thuút
Âãø phäúi ghẹp giỉỵa ngưn tên hiãûu cọ dảng tỉång tỉû våïi cạc hãû thäúng xỉí l säú ngỉåìi
ta dng cạc mảch chuøn âäøi ttỉång tỉû - säú (ADC : Analog-Digial Converter) v cạc
mảch chuøn âäøi säú - tỉång tỉû (DAC : Digial- Analog Converter).
Hçnh v (6.1) biãøu diãùn quạ trçnh biãún âäøi
tên hiãûu dảng tỉång tỉû sang dảng säú.
Tên hiãûu tỉång tỉû V
A
âỉåüc chuøn thnh
dảng báûc thang âãưu. Våïi 1 phảm vi ca
giạ trë V
A
âỉåüc biãøu diãùn båíi 1 giạ trë âải
diãûn thêch håüp.
Chàóng hản giạ trë V
A
âỉåüc chuøn thnh
dảng báûc thang 7 báûc v åí mäùi báûc, ta gạn
cho V
A
mäüt giạ trë råìi rảc. Vê dủ khi V
A

biãún thiãn trong mäüt khong nh 3,5 →
4,5 ta gạn cho nọ mäüt giạ trë l 100.

Mäüt cạch täøng quạ, gi tên hiãûu tỉång tỉû l S
A
(V
A
), tên hiãûu säú l S
D
(V
D
). S
D
âỉåüc
biãøu diãùn dỉåïi dảng m nhë phán nhỉ sau :
S
D
= b
n-1
.2
n-1
+ b
n-2
.2
n-2
+ ... + b
o
.2
o

Trong âọ : b
k
= 0 hồûc b

k
= 1 (våïi k = 0 → k = n - 1) v âỉåüc gi l bit.
+ b
n-1
: bit cọ nghéa låïn nháút (MSB : Most significant bit). Mäùi biãún âäøi ca MSB
tỉång ỉïng våïi sỉû biãún âäøi nỉía di lm viãûc.
+ b
o
: bit cọ nghéa nh nháút (LSB : Least significant bit). Mäùi biãún ca LSB tỉång
ỉïng våïi sỉû biãún âäøi mäüt mỉïc lỉåüng tỉí. Mäüt mỉïc lỉåüng tỉí bàòng mäüt náúc ca hçnh báûc thang
Vê dủ : våïi mäüt mảch biãún âäøi N bit våïi l N säú hảng trong dy m nhë phán. (Trong
vê dủ trãn hçnh v 6.1 : N = 3) thç mäùi náúc trãn hçnh báûc thang chiãúm mäüt giạ trë.
111
110
101
100
011
010
001
000
1 2 3 4 5 6 7
V
A
V
D
Q

∆Q

Hçnh 6.1. Biãøu diãùn quạ trçnh chuøn

âäøi tỉång tỉû sang säú

79
Q = V
LSB
=
12
V
N
AM


V
AM
: laỡ giaù trở cổỷc õaỷi cho pheùp cuớa õióỷn aùp tổồng tổỷ.
V
LSB
= Q : goỹi laỡ mổùc lổồỹng tổớ.
Sai sọỳ lổồỹng tổớ hoùa õổồỹc xaùc õởnh nhổ sau :
V
Q
=
2
Q

Khi chuyóứn õọứi AD phaới thổỷc hióỷn vióỷc lỏỳy mỏựu tờn hióỷu tổồng tổỷ. óứ õaớm baớo khọi
phuỷc laỷi tờn hióỷu mọỹt caùch trung thổỷc, tỏửn sọỳ lỏỳy mỏựu f
M
phaới thoớa maợn õióửu kióỷn :
f

M
2 f
th max
2B
f
th max
: tỏửn sọỳ cổỷc õaỷi cuớa tờn hióỷu
B : daới tỏửn sọỳ cuớa tờn hióỷu.
6.2. Caùc tham sọỳ cồ baớn
6.2.1. Giaới bióỳn õọứi cuớa õióỷn aùp tổồng tổỷ ồớ õỏửu vaỡo laỡ khoaớng õióỷn aùp maỡ bọỹ chuyóứn õọứi
AD coù thóứ thổỷc hióỷn chuyóứn õọứi õổồỹc.
6.2.2. ọỹ chờnh xaùc cuớa bọỹ chuyóứn õọứi AD
gọửm õọỹ phỏn bióỷt, meùo phi tuyóỳn, sai sọỳ khuóỳch õaỷi, sai sọỳ lóỷch khọng vaỡ sai sọỳ õồn õióỷu.










111
110
101
100
011
010
001

000
V
A
V
D
Lyù tổồớng
Thổỷc
Sai sọỳ lóỷch khọng
Sai sọỳ õồn õióỷu
Sai sọỳkhuóỳch õaỷi
Meùo phi tuyóỳn
Hỗnh 6.2. ọỹ chờnh xaùc cuớa chuyóứn õọứi AD

80
+ ọỹ phỏn bióỷt õổồỹc õỷc trổng bồới sọỳ bit N. Giaớ sổớ mọỹt ADC coù sọỳ bit ồớ õỏửu ra laỡ N
coù thóứ phỏn bióỷt õổồỹc 2
N
mổùc trong daới õióỷn aùp vaỡo cuớa noù. Chúng haỷn N = 12 coù
2
12
= 4096 mổùc.
ọỹ phỏn bióỷt cuớa mọỹt ADC õổồỹc kyù hióỷu laỡ Q vaỡ õổồỹc xaùc õởnh theo bióứu thổùc :
Q = V
LSB
=
12
V
N
AM

+ Dổỷa vaỡo õổồỡng õỷc tuyóỳn truyóửn õaỷt lyù tổồớng vaỡ thổỷc cuớa ADC (hỗnh 6.2) ta thỏỳy :
- ỷc tuyóỳn lyù tổồớng laỡ mọỹt õổồỡng bỏỷc thang õóửu vaỡ coù õọỹ dọỳc trung bỗnh laỡ 1.
- ỷc tuyóỳn thổỷc laỡ mọỹt õổồỡng bỏỷc thang khọng õóửu do aớnh hổồớng cuớa sai sọỳ
khuóỳch õaỷi, cuớa meùo phi tuyóỳn, vaỡ cuớa sai sọỳ õồn õióỷu.
6.2.3. Tọỳc õọỹ chuyóứn õọứi
Cho bióỳt kóỳt quaớ chuyóứn õọứi trong 1s, õổồỹc goỹi laỡ tỏửn sọỳ chuyóứn õọứi f
c
.
Mọỹt ADC coù tọỳc õọỹ chuyóứn õọứi cao thỗ õọỹ chờnh xaùc giaớm vaỡ ngổồỹc laỷi. Nghộa laỡ yóu
cỏửu vóử õọỹ chờnh xaùc vaỡ tọỳc õọỹ chuyóứn õọứi mỏu thuỏựn vồùi nhau. Tuỡy theo yóu cỏửu sổớ
duỷng, phaới tỗm caùch dung hoỡa caùc yóu cỏửu õoù mọỹt caùch hồỹp lyù nhỏỳt.
6.3. Nguyón từc laỡm vióỷc cuớa ADC
Nguyón từc laỡm vióỷc cuớa ADC õổồỹc minh hoỹa theo sồ õọử :











Hỗnh 6.3 ọử thở thồỡi gian cuớa õióỷn aùp vaỡo vaỡ ra maỷch lỏỳy mỏựu

Maỷch lỏỳy
mỏựu
ADC

Lổồỹng
tổớ hoùa
Maợ hoùa
V
D


81
Trỉåïc hãút tên hiãûu tỉång tỉû V
A
âỉåüc âỉa âãún mảch láúy máùu. Mảch ny cọ 2 nhiãûm
vủ:
- Láúy máùu tên hiãûu tỉång tỉû tải nhỉỵng thåìi âiãøm khạc nhau v cạch âãưu nhau (råìi rảc
họa tên hiãûu vãư màût thåìi gian).
- Giỉỵ cho biãn âäü âiãûn ạp tải cạc thåìi âiãøm láúy máùu khäng âäøi trong quạ trçnh
chuøn âäøi tiãúp theo (tỉïc l trong quạ trçnh lỉåüng tỉí họa v m họa).
Tên hiãûu ra ca mảch láúy máùu âỉåüc âỉa âãún mảch lỉåüng tỉí họa âãø thỉûc hiãûn lm trn
våïi âäü chênh xạc bàòng ± Q⁄ 2.
Váûy quạ trçnh lỉåüng tỉí họa thỉûc cháút l quạ trçnh lm trn säú. Lỉåüng tỉí họ
a âỉåüc
thỉûc hiãûn theo ngun tàõc so sạnh, tên hiãûu cáưn chuøn âäøi âỉåüc so sạnh våïi mäüt loảt
cạc âån vë chøn Q.
Sau mảch lỉåüng tỉí họa l mảch m họa. Trong mảch m họa, kãút qu lỉåüng tỉí họa
âỉåüc sàõp xãúp lải theo mäüt tráût tỉû nháút âënh phủ thüc vo loải m u cáưu trãn âáưu ra
bäü chuøn âäøi .
Phẹp lỉåüng tỉí họa v m họa gi chung l phẹp biãún âäøi AD.
6.4. Cạc phỉång phạp chuøn âäøi tỉång tỉû -säú
Phán loải : cọ nhiãưu cạch phán loải ADC. Cạch phán loải hay dng hån c l phán
loải theo quạ trçnh chuøn âäøi vãư màût thåìi gian. Nọ cho phẹp phạn âoạn mäüt cạch täøng
quạt täúc âäü chuøn âäøi. Cọ 3 phỉång phạp chuøn âäøi sau :

+ Chuøn âäøi song song : Tên hiãûu tỉång tỉû âỉåüc so sạnh cng mäüt lục våïi nhiãưu giạ
trë chøn. Do âọ táút c cạc bit âỉåüc xạc âënh âäưng thåìi v âỉa âãún âáưu ra.
+ Chuøn âäøi näúi tiãúp theo m âãúm : Quạ trçnh so sạnh âỉåüc thỉûc hiãûn tỉìng bỉåïc
theo quy lût m âãúm. Kãút qu chuøn âäøi âỉåüc xạc âënh bàòng cạch âãúm säú lỉåüng giạ
trë chøn cọ thãø chỉïa âỉåüc trong giạ trë tên hiãûu tỉång tỉû
cáưn chuøn âäøi.
+ Chuøn âäøi song song- näúi tiãúp kãút håüp : Qua mäùi bỉåïc so sạnh cọ thãø xạc âënh
âỉåüc täúi thiãøu 2 bit âäưng thåìi.
6.4.1. Chuøn âäøi AD theo phỉång phạp song song





82

Hỗnh 6.4: Sồ õọử nguyón lyù bọỹ chuyóứn õọứi AD theo phổồng phaùp song song
Tờn hióỷu tổồng tổỷ V
A
õổồỹc õổa õọửng thồỡi õóỳn caùc bọỹ so saùnh tổỡ S
1
õóỳn S
m
. ồớ õỏửu vaỡo
thổù hai, õióỷn aùp chuỏứn U
ch
õổa vaỡo qua thang õióỷn trồớ R (hỗnh 12). Do õoù, õióỷn aùp
chuỏứn õỷt vaỡo caùc bọỹ so saùnh kóử nhau seợ khaùc nhau mọỹt lổồỹng khọng õọứi tổỡ S
1
õóỳn S
m
.
õỏửu ra cuớa caùc bọỹ so saùnh coù õióỷn aùp vaỡo lồùn hồn õióỷn aùp chuỏứn lỏỳy trón thang õióỷn trồớ
coù mổùc logic 1, caùc õỏửu coỡn laỷi ồớ mổùc logic 0. Tỏỳt caớ caùc õỏửu ra õổồỹc nọỳi vồùi mọỹt õỏửu
vaỡo cuớa caùc cọứng AND. ỏửu kia cuớa cọứng AND nọỳi vồùi maỷch taỷo xung nhởp. Chố khi coù
xung nhởp thỗ caùc xung trón õỏửu ra bọỹ so saùnh mồùi õổồỹc õổa vaỡo maỷch Flip-flop. Nhổ
vỏỷy cổù sau mọỹt khoaớng thồỡi gian bũng mọỹt chu kyỡ xung nhởp laỷi coù mọỹt tờn hióỷu õổồỹc
bióỳn õọứi õổa õóỳn õỏửu ra. Xung nhởp õaớm baớo cho quaù trỗnh so saùnh kóỳt thuùc mồùi õổa tờn
hióỷu vaỡo bọỹ nhồù.
óứ õaớm baớo maỷch hoaỷt õọỹng ọứn õởnh, quaù trỗnh maợ hoùa ồớ
bọỹ maợ hoùa phaới kóỳt thuùc
trổồùc khi coù mọỹt chu kyỡ xung nhởp mồùi.
Maỷch naỡy coù ổu õióứm laỡ tọỳc dọỹ chuyóứn õọứi nhanh (caùc bit taỷo ra õọửng thồỡi), sai sọỳ
bióỳn õọứi thỏỳp, coù thóứ taỷo ra daỷng maợ theo yù muọỳn. Tuy nhión, noù coù kóỳt cỏỳu phổùc taỷp do

-
S
1

+
R
R
R
FF
FF
FF

MAẻ
HOẽA

Xung nhởp
U
D
+ V
chuỏứn

V
A


-
S
2

+

-
S
m

+

83
coù sọỳ linh kióỷn lồùn. Nón vióỷc ổùng duỷng chố coù giồùi haỷn vồùi chuyóứn õọứi AD coù sọỳ bit nhoớ
vaỡ tọỳc õọỹ cao.

V
A
1 2 3 4 5 6 7 Nhở phỏn
0 < V
A
< 1
1 < V
A
< 2
2 < V
A
< 3
3 < V
A
< 4
4 < V
A
< 5
5 < V

A
< 6
6 < V
A
< 7
7 = V
A

0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0 0
1 1 1 0 0 0 0
1 1 1 1 0 0 0
1 1 1 1 1 0 0
1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1 1
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
ặu õióứm :
Tọỳc õọỹ bióỳn õọứi nhanh, sai sọỳ bióỳn õọứi thỏỳp vaỡ coù thóứ taỷo ra daỷng maợ theo yù muọỳn.
Nhổồỹc õióứm :
- Kóỳt cỏỳu maỷch phổùc taỷp vồùi sọỳ linh kióỷn khaù lồùn.
- Phổồng phaùp naỡy chố duỡng trong caùc ADC yóu cỏửu sọỳ bit N nhoớ vaỡ tọỳc õọỹ chuyóứn
õọứi cao.

6.4.2 Phổồng phaùp chuyóứn õọứi nọỳi tióỳp theo maợ nhở phỏn







S
S
Trổỡ
V
ch2
=V
Amax
/4
V
ch3
=V
Amax

/8
V
A
V
ch1

=V
Amax
/2

1

0

2
2
2
1
2
0
TệNG 1 TệNG 2
TệNG 3
Hỗnh 6.5. Bọỹ chuyóứn õọứi AD nọỳi tióỳp theo maợ nhở phỏn