1
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI DAC 16 BIT
SỬ DỤNG VI MẠCH TDA 1541
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
Hải Phòng – 2016
2
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI DAC 16 BIT
SỬ DỤNG VI MẠCH TDA 1541
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
Sinh viên: Nguyễn Văn Lâm
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Đỗ Anh Dũng
Hải Phòng – 2016
3
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP TỰ DO HẠNH PHÚC
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên: Nguyễn Văn Lâm
Mã sinh viên: 1212103005
Lớp: ĐT1601
Ngành: Điện Tử Truyền Thông
Tên đề tài: Thiết kế mạch chuyển đổi DAC 16 bít sử dụng vi mạch TDA 1541
4
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp
(về lý luận, thực tiễn, các số liệu tính toán và các bản vẽ).
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán.
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp.
…………………………………………………………………………………………………………
5
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Người hướng dẫn thứ nhất
Họ và tên : Đỗ Anh Dũng
Học hàm, học vị : Thạc sĩ
Cơ quan công tác : Đại Học Dân Lập Hải Phòng
Nội dung hướng dẫn : Toàn bộ đề tài
Người hướng dẫn thứ hai
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hướng dẫn :
Đề tài được giao ngày tháng năm 2016
Yêu cầu phải hoàn thành trước ngày tháng năm 2016
Đã nhận nhiệm vụ Đ. T. T. N
Đã nhận nhiệm vụ Đ. T. T. N
Sinh viên
Cán bộ hướng dẫn Đ. T. T. N
Nguyễn Văn Lâm
Th.S Đỗ Anh Dũng
Hải Phòng, ngày ……tháng …… năm 2016
HIỆU TRƯỞNG
GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị
6
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Đánh giá chất lượng của Đ. T. T. N (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong
nhiệm vụ Đ. T. T. N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán các giá trị sử
dụng, chất lượng các bản vẽ …).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn:
(Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày ……tháng ……năm 2016
Cán bộ hướng dẫn chính
(Họ tên và chữ ký)
7
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số
liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương pháp tối ưu, cách tính toán chất
lượng thuyết minh bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện.
(Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày ……tháng ……năm 2016
Người chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
8
MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………..1
CHƯƠNG 1. BỘ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SANG SỐ –
ADC……………………………………………………………………………..2
1.1 Sơ đồ khối…………………………………………………………..2
1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của ADC…………………..3
1.3 Các bước chuyển đổi ADC…………………………………..4
1.4 ADC dạng sóng bậc thang………………………………………………7
1.5 ADC liên tiếp – xấp xỉ…………………………………………………….10
1.6 ADC nhanh
…………………………………………………………..11
CHƯƠNG 2 CHUYỂN ĐỔI SỐ SANG TƯƠNG TỰ DAC ……14
2.1 Độ phân giải
…………………………………………..15
2.2 Độ chính xác
…………………………………………………………..16
2.3 Sai số lệch …………………………………………………………………..17
2.4 Thời gian ổn định
…………………………………………………..17
2.5 Trạng thái đơn điệu ……………………………………………………17
2.6 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân và bộ khuếch đại
cộng……………………………………………………………………………………18
2.7 DAC R/2R ladder
…………………………………………………..20
2.8 DAC với đầu ra dòng …………………………………………………..21
2.9 DAC điện trở hình T …………………………………………………..23
2.10 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân và bộ khuếch đại
cộng …………………………………………………………………………………..25
2.11 DAC R/2R ladder
…………………………………………………..27
2.12 DAC với đầu ra dòng …………………………………………………..28
9
2.13 DAC điện trở hình T …………………………………………………..30
2.14 Sơ đồ khối chức năng và nhiệm vụ của khối DAC…………….33
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MẠCH DAC CHO CÁC
THIẾT BỊ ÂM THANH
………………………………………………….35
3.0 Giới thiệu về ý tưởng mạch …………………………………………..35
3.1 Mạch nguồn
…………………………………………………………..37
3.2 Mạch ổn áp nguồn 5V DC 1A………………………………………….37
3.3 Mạch nguồn ổn áp 15V DC …………………………………………..41
3.4 Mạch nhận và xử lý tín hiệu đầu vào số …………………………..42
3.5 Phân tích cấu tạo và hoạt động của mạch số dùng cs8412 ….44
3.6 Phân tích cấu tạo và hoạt động của mạch lọc dùng IC SAA7220
…………………………………………………………………………..51
3.7 Phân tích cấu tạo và hoạt động của mạch chuyển đổi DAC dùng
IC TDA1541……………………………………………………………….56
3.8 Mạch khuếch đại đệm tín hiệu đầu ra dùng IC
AD711…………….62
3.9 Một số hình ảnh thiết kế và thực tế của mạch……………………..66
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………..69
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………..70
10
Mở Đầu
Cùng với sự tiến bộ của khoa học và côngnghệ , các thiết bị điện tử đang và sẽ
tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hết
các lĩnh vực kinh tế , kĩ thuật cũng như trong đời sống xã hội . Tiếp nhận
những thành tựu khoa học đó ngày nay việc gia công và truyền đạt 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 ưu
điểm hơn hẳn các thiết bị nguyên lý tương tự , đặc biệt là trong kỹ thuật tính
toán kĩ thuật đo lường và điều khiển và đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy
tính được ứng dụng rộng rãi ngày nay .Tuy nhiên tín hiệu tự nhiên bao gồm
các đại lượng vật lý ,hóa học , sinh học là các đại lượng biến thiên theo thời
gian hay nói cách khác nó là đại lượng tương tự , để phối ghép nguồn tín hiệu
tương tự với nguồn xử lý số , nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ
thống số ta phai có mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số
ADC , tín hiệu sau khi được chuyển đổi được xử lý qua một hệ thống xử lý tín
hiệu số và được trả lại dạng tín hiệu ban đầu , đó là tín hiệu tương tự thông
qua mạch chuyển đổi tín hiệu số – tương tự DAC . 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
nghiên cứu phát triển những nghành khoa học mới như hệ thống tự động hóa
đo lường và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đề cập dưới đây .Để mở rộng
tầm ứng dụng cũng như khả năng can thiệp sâu của kĩ thuật máy tính vào các
lĩnh vực khác nhau . Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa
là khả năng kết nối máy tính cũng như việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại
vi , tùy theo yêu cầu và nhiệm vụ cụ thể cũng như vật tư thiết bị có trong tay
mà việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục
đích khác nhau cho ta biết được khả năng làm việc , độ chính xác của hệ
thống cũng như độ tin cậy của hệ thống .
11
CHƯƠNG1. BỘ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SANG SỐ – ADC
1.1SƠ ĐỒ KHỐI:
Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy
mức điện thế vào tương tự sau đó một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số
biểu diễn đầu vào tương tự. Tiến trình biến đổi A/D thường phức tạp và mất
nhiều thời gian hơn tiến trình chuyển đổi D/A. Do đó có nhiều phương pháp
khác nhau để chuyển đổi từ tương tự sang số. Hình vẽ 1.1 là sơ đồ khối của
một lớp ADC đơn giản.
Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát của một lớp ADC
Hoạt động cơ bản của lớp ADC thuộc loại này như sau:
Xung lệnh START khởi động sự hoạt động của hệ thống.
Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu
trong thanh ghi.
12
Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế
tương tự VAX.
Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào tương tự VA. Nếu VAX< VA đầu ra
của bộ so sánh lên mức cao. Nếu VAX> VA ít nhất bằng một khoảng VT (điện
thế ngưỡng), đầu ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình
biến đổi số nhị phân ở thanh ghi. Tại thời điểm này VAX xấp xỉ VA. giá trị nhị
phân ở thanh ghi là đại lượng số tương đương VAX và cũng là đại lượng số
tương đương VA, trong giới hạn độ phân giải và độ chính xác của hệ thống.
Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết
thúc.Tiến trình này có thể có nhiều thay đổi đối với một số loại ADC khác,
chủ yếu là sự khác nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong
thanh ghi.
1.2 CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CHỦ YẾU CỦA ADC
Độ phân giải.
Độ phân giải của một ADC biểu thị bằng số bit của tín hiệu số đầu ra. Số
lượng bit nhiều sai số lượng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao.
Dải động điện trở đầu vào.
Mức logic của tín hiệu số đầu ra và khả năng chịu tải (nối vào đầu vào).
Độ chính xác tương đối
Nếu lý tưởng hóa thì tất cả các điểm chuyển đổiphải nằm trên một đường
thẳng. Độ chính xác tương đối là sai số của các điểm chuyển đổi thực tế so
với đặc tuyến chuyển đổi lý tưởng. Ngoài ra còn yêu cầu ADC không bị mất
bit trong toàn bộ phạm vi công tác.
Tốc độ chuyển đổi.
Tốc độ chuyển đổi được xác định thời gian bởi thời gian cần thiết hoàn thành
một lần chuyển đổi A/D. Thời gian này tính từ khi xuất hiện tín hiệu điều
khiển chuyển đổi đến khi tín hiệu số đầu ra đã ổn định.
13
Hệ số nhiệt độ
Hệ số nhiệt độ là biến thiên tương đối tín hiệu số đầu ra khi nhiệt độ biến đổi
100C trong phạm vi nhiệt độ công tác cho phép với điều kiện mức tương tự
đầu vào không đổi.
Tỉ số phụ thuộc công suất
Giả sử điện áp tương tự đầu vào không đổi, nếu nguồn cung cấp cho ADC
biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đầu ra càng lớn thì tỉ số phụ thuộc
nguồn càng lớn.
Công suất tiêu hao.
1.3 CÁC BƯỚC CHUYỂN ĐỔI ADC
Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung được thực hiện qua 4 bước cơ bản, đó
là lấy mẫu – nhớ mẫu – lượng tử hóa – mã hóa. Các bước đó luôn luôn kết hợp
với nhau trong một quá trình thống nhất.
Định lý lấy mẫu
Đối với tín hiệu tương tự VI thì tín hiệu lấy mẫu VS sau quá trình lấy mẫu có
thể khôi phục trở lại VI một cách trung thực nếu điều kiện sau đây thỏa mãn:
fS ³ = 2fImax
Trong đó fS : tần số lấy mẫu
fImax : là giới hạn trên của giải tần số tương tự
Hình 1.1 biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào. Nếu biểu thức trên
được thỏa mãn thì ta có thể dùng bộ tụ lọc thông thấp để khôi phục VI từ VS.
Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần có
một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần
thiết sau mỗi lần lấy mẫu. Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển
14
đổi A/D trên thực tế là giá trị VI đại diện giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy
mẫu.
Hình 1.2 Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào.
Lượng tử hóa và mã hóa.
Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn không liên tục trong
biến đổi giá trị. Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số
nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn. Nghĩa là
nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện áp lấy mẫu hóa
thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị. Quá trình này gọi là lượng tử hóa. Đơn
vị được chọn theo qui định này gọi là đơn vị lượng tử, kí hiệu D. Như vậy giá
trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng D. Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín
hiệu số là mã hóa. Mã nhị phân có được sau quá trình trên chính là tín hiệu
đầu ra của chuyên đổi A/D.
Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu.
15
Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến đổi
có thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong tiến trình biến
đổi. Ta có thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách sử
dụng mạch lấy mẫu và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự không đổi trong
khi chu kỳ chuyển đổi diễn ra. Hình 1.3 là một sơ đồ của mạch lấy mẫu và
nhớ mẫu.
Hình 1.3 Sơ đồ của mạch lấy mẫu và nhớ mẫu.
Khi đầu vào điều khiển = 1 lúc này chuyển mạch đóng mạch ở chế độ lấy mẫu
Khi đầu vào điều khiển = 0 lúc này chuyển mạch hở mạch chế độ giữ mẫu
chuyển mạch được đóng một thời gian đủ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dòng
điện của tín hiệu tương tự. Bộ khuếch đại đệm A2 đặt trở kháng cao tại đầu
vào nhằm không xả điện thế tụ một cách đáng kể trong thời gian chuyển đổi
của ADC do đó ADC chủ yếu sẽ nhận được điện thế DC vào, tức là V0.
Trong thực tế người ta sử dụng vi mạch LF198 (hình 1.4) là mạch S/H tích
hợp có thời gian thu nhận dữ liệu tiêu biểu là 4ms ứng với Ch = 1000pF, và
20ms ứng với Ch = 0.01mF. Tín hiệu máy tính sau đó sẽ mở chuyển mạch để
cho phép Ch duy trì giá trị của nó và cung cấp mức điện thế tương tự tương
đối ổn định tại đầu ra A2.
16
Hình 1.4 Sơ đồ chân của LF198
1.4 ADC DẠNG SÓNG BẬC THANG
Sơ đồ khối
Phiên bản đơn giản nhất của lớp ADC sử dụng bộ đếm nhị phân làm thanh
ghi và cho phép xung nhịp đẩy bộ đếm tăng mỗi một bước cho đến khi VAX>
VA. Đây gọi là ADC sóng dạng bậc thangvì dạng sóng tại VAX có từng bậc đi
lên. Người ta còn gọi là ADC loại bộ đếm.
Hình 1.5 DAC dạng sóng bậc thang
Các thành phần của DAC dạng sóng bậc thang hình 1.5 gồm: một bộ đếm,
một DAC, một bộ so sánh tương tự, một cổng NAND 3 ngõ vào điều khiển.
17
Đầu ra của bộ so sánh dùng làm tín hiệu
(End Of Conversion – kết thúc
chuyển đổi).
Hoạt động của bộ ADC dạng sóng bậc thang
Giả sử VA, tức mức điện thế cần chuyển đổi là dương thì tiến trình hoạt động
diễn ra như sau:
Xung Khởi Động được đưa vào để Reset bộ đếm về 0. Mức cao của xung
Khởi Động cấm không cho xung nhịp đi qua cổng AND vào bộ đếm.
Nếu đầu của DAC toàn bit 0 thì đầu ra của DAC sẽ là VAX = 0V. Vì
VA>VAX nên đầu ra bộ so sánh
sẽ lên mức cao.
Khi xung Khởi Động về thấp thì cổng AND cho phép xung nhịp đi qua cổng
này và vào bộ đếm.
Khi giá trị bộ đếm tăng lên thì đầu ra DAC là VAX sẽ tăng mỗi lần mỗi bậc,
như minh họa hình 1.5.
Tiến trình cứ tiếp tục cho đến khi VAX lên đến bậc vượt quá VA một khoảng
VT. Tại thời điểm này ngõ ra của bộ so sánh
về thấp và cấm không cho
xung nhịp đi vào bộ đếm nên bộ đếm sẽ ngừng đếm.
Tiến trình chuyển đổi hoàn tất khi tín hiệu
chuyển từ trạng thái cao xuống
thấp và nội dung của bộ đếm là biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào VA.
Bộ đếm sẽ duy trì giá trị số cho đến khi nào xung Khởi Động kế tiếp vào bắt
đầu tiến trình chuyển đổi mới.
Độ phân giải và độ chính xác của ADC dạng sóng bậc thang.
Trong ADC dạng sóng bậc thang có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số của
quá trình chuyển đổi như: kích cỡ bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài
trong đơn vị nhỏ nhất. Nếu giảm kích cỡ bậc thang ta có thể hạn chế bớt sai số
nhưng luôn có khoảng cách chênh lệch giữa đại lượng thực tế và và giá trị gán
cho nó. Đây gọi là sai số lượng tử.Cũng như trong DAC, độ chính xác không
ảnh hưởng đến độ phân giải nhưng lại tùy thuộc vào độ chính xác của linh
18
kiện trong mạch như: bộ so sánh, điện trở chính xác và chuyển mạch dòng của
DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang)
cho biết kết quả ra từ ADC có thể sai biệt một khoảng như thế, do các linh
kiện không lý tưởng.
Thời gian chuyển đổi.
Thời gian chuyển đổi là khoảng thời gian giữa điểm cuối của xung khởi động
đến thời điểm kích hoạt đầu ra của
. Bộ đếm bắt đầu đếm từ 0 lên cho đến
khi VAX vượt quá VA, tại thời điểm đó
xuống mức thấp để kết thúc tiến
trình chuyển đổi. Như vậy giá trị của thời gian chuyển đổi tC phụ thuộc vào
VA. Thời gian chuyển đổi cực đại xảy ra khi VA nằm ngay dưới bậc thang cao
nhất . Sao cho VAX phải tiến lên bậc cuối cùng để kích hoạt
.
Với bộ chuyển đổi N bit, ta có:
tC(max) = (2N – 1) chu kỳ xung nhịp
ADC ở hình 1.5 sẽ có thời gian chuyển đổi cực đại
tC(max) = (210 – 1)x1ms = 1023ms
Đôi khi thời gian chuyển đổi trung bình được quy định bằng ½ thời gian
chuyển đổi cực đại.
Với bộ chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có:
Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang là thời gian chuyển đổi tăng gấp
đôi với từng bit thêm vào bộ đếm. Do vậy ADC loại này không thích hợp với
những ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi một tín hiệu tương tự thay
đổi nhanh thành tín hiệu số. Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ chậm thì bản
chất tương đối đơn giản của ADC dạng sóng bậc thang là một ưu điểm so với
các loại ADC khác.
19
1.5 ADC LIÊN TIẾP – XẤP XỈ
Bộ chuyển đổi liên tiếp – xấp xỉ ( Successive Approximation Convetr-SAC)
là một trong những loại ADC thông dụng nhất. SAC có sơ đồ phức tạp hơn
nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang. Ngoài ra SAC còn có giá trị tC cố
định, không phụ thuộc vào giá trị của đầu vào tương tự.
Hình 1.6 là một cấu hình cơ bản của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng
sóng bậc thang. Tuy nhiên SAC không sử dụng bộ đếm cung cấp đầu vào cho
DAC mà thay vào đó là thanh ghi. Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu trên
thanh ghi theo từng bit một cho đến khi dữ liệu ở thanh ghi biến thành giá trị
số tương đương với đầu vào tương tự VA trong phạm vi độ phân giải của bộ
chuyển đổi.
Hình 1.6 Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ.
Hoạt động của ADC liên tiếp – xấp xỉ như sau:
Mạch ADC hoạt động theo lưu đồ hình 1.7.
20
Hình 1.7 Lưu đồ hoạt động
Chúng ta có thể giải thích hoạt động của ADC này bằng cách dựa vào lưu đồ.
1.6 ADC NHANH
Bộ chuyển đổi nhanh (flash converter) là ADC tốc độ cao nhất hiện nay có
mặt trên thị trường, nhưng sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác. Như vậy
số lượng bộ so sánh quá lớn đã giới hạn kích cỡ của ADC nhanh.
21
Hình 1.8 Là sơ đồ của một ADC nhanh
ADC nhanh ở hình 1.8 có độ phân giải 3 bit kích thước bậc thang là 1V. Bộ
chia điện thế thiết lập mức quy chiếu cho từng bộ so sánh để có được 7 mức
ứng với 1V ( trọng số của LSB ), 2V, 3V, …7V (đầy thang). Đầu vào tương
tự VA được nối đến đầu vào còn lại của từng bộ so sánh.
Với VA< 1V thì tất cả đầu ra của bộ so sánh đều lên mức cao. Với VA> 1V thì
từ một đầu ra trở lên sẽ xuống mức thấp. Đầu ra của bộ so sánh được đưa vào
bộ mã hoá ưu tiên tích cực ở mức thấp sinh đầu ra ứng với đầu ra có số thứ tự
cao nhất ở mức thấp của bộ so sánh. Lý luận tương tự ta sẽ có được bảng giá
trị như bảng 1.1a
Bảng 1.1a Bảng sự thật của ADC nhanh 3 bit
22
ADC nhanh có độ phân giải 1V vì đầu vào tương tự phải thay đổi mỗi lần 1V
mới có thể đưa đầu ra số lên bậc kế tiếp. Muốn có độ phân giải tinh hơn thì
phải tăng tổng số mức điện thế vào (nghĩa là sử dụng nhiều điện trở chia thế
hơn) và tổng số bộ so sánh. Nói chung ADC nhanh N bit thì cần 2N – 1 bộ so
sánh, 2N điện trở, và logic mã hoá cần thiết.
Thời gian chuyển đổi
Bộ chuyển đổi nhanh không cần thiết tín hiệu xung nhịp vì tiến trình này xảy
ra liên tục. Khi giá trị đầu vào thay đổi thì đầu ra của bộ so sánh sẽ thay đổi
làm cho ngõ ra của bộ mã hóa thay đổi theo. Như vậy thời gian chuyển đổi là
thời gian cần thiết để xuất hiện một đầu ra số mới đáp lại một thay đổi ở VA.
Thời gian chuyển đổi chỉ phụ thuộc vào khoảng trễ do truyền của bộ so sánh
và bộ mã hóa. Vì vậy mà ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vô cùng ngắn.
CHƯƠNG II- CHUYỂN ĐỔI SỐ SANG TƯƠNG TỰ DAC
23
Trong kỹ thuật số, ta thấy đại lượng số có giá trị xác định là một trong hai khả
năng là 0 hoặc 1, cao hay thấp, đúng hoặc sai, vv… Trong thực tế chúng ta
thấy rằng một đại lượng số (chẳng hạn mức điện thế) thực ra có thể có một giá
trị bất kỳ nằm trong khoảng xác định và ta định rõ các giá trị trong phạm vi
xác định sẽ có chung giá trị dạng số.
Ngược lại trong kỹ thuật tương tự đại lượng tương tự có thể lấy giá trị bất kỳ
trong một khoảng giá trị liên tục. Và điều quan trọng hơn nữa là giá trị chính
xác của đại lượng tương tự là là yếu tố quan trọng.
Hầu hết trong tự nhiên đều là các đại lượng tương tự như nhiệt độ, áp suất,
cường độ ánh sáng, … Do đó muốn xử lý trong một hệ thống kỹ thuật số, ta
phải chuyển đổi sang dạng đại lượng số mới có thể xử lý và điều khiển các hệ
thống được. Và ngược lại có những hệ thống tương tự cần được điều khiển
chúng ta cũng phải chuyển đổi từ số sang tương tự. Trong phần này chúng ta
sẽ tìm hiểu về quá trình chuyển đổi từ số sang tương tự -DAC (Digital to
Analog Converter).
Chuyển đổi số sang tương tự là tiến trình lấy một giá trị được biểu diễn dưới
dạng mã số ( digital code ) và chuyển đổi nó thành mức điện thế hoặc dòng
điện tỉ lệ với giá trị số. Hình 2.1 minh họa sơ đồ khối của một bộ chuyển đổi
DAC.
24
Hình 2.1 Sơ đồ khối của một DAC
2.1 ÐỘ PHÂN GIẢI
Độ phân giải (resolution) của bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi
nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết quả của một thay đổi ở đầu
vào số.
Độ phân giải của DAC phụ thuộc vào số bit, do đó các nhà chế tạo thường ấn
định độ phân giải của DAC ở dạng số bit. DAC 10 bit có độ phân giải tinh
hơn DAC 8 bit. DAC có càng nhiều bit thì độ phân giải càng tinh hơn.
Độ phân giải luôn bằng trọng số của LSB còn gọi là kích thước bậc thang
(step size), vì đó là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị của đầu vào số thay
đổi từ bước này sang bước khác.
Hình 2.2 Dạng sóng bậc thang của 1 DAC
25
Dạng sóng bậc thang hình 2.2có 16 mức với 16 trạng thái đầu vào nhưng chỉ
có 15 bậc giữa mức 0 và mức cực đại. Với DAC có N bit thì tổng số mức
khác nhau sẽ là 2Nvà tổng số bậc sẽ là 2N – 1.
Do đó độ phân giải bằng với hệ số tỷ lệ trong mối quan hệ giữa đầu vào và
đầu ra của DAC.
Đầu ra tương tự = K x đầu vào số
Với K là mức điện thế (hoặc cường độ dòng điện) ở mỗi bậc.
Như vậy ta có công thức tính độ phân giải như sau:
Với
là đầu ra cực đại ( đầy thang )
N là số bit
Nếu tính theo phần trăm ta có công thức như sau:
2.2 ĐỘ CHÍNH XÁC
Có nhiều cách đánh giá độ chính xác có hai cách thông dụng nhất là sai số
toàn thang (full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) thường được
biểu biễn ở dạng phần trăm đầu ra cực đại (đầy thang) của bộ chuyển đổi.
Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đầu ra DAC so với giá trị dự kiến
lý tưởng được biểu diễn ở dạng phần trăm.
Sai số tuyến tính là khoảng lệch tối đa ở kích thước bậc thang so với kích
thước bậc thang lý tưởng.
