Bài giảng Mạch số - Bài 7: Biến đổi A/D, D/A

Bài 7: BIẾN ĐỔI A/D, D/A CẢM BIẾN ADC HỆ THỐNG XỬ LÝ SỐ (MÁY TÍNH) DAC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ ANALOG INPUT ANALOG OUTPUT DIGITAL INPUT DIGITAL OUTPUT ĐIỀU KHIỂN, ĐLVL KHÁC I. BIẾN ĐỔI D/A D/A CONVERTER (DAC) D C B A ANALOG OUTPUT DIGITAL INPUTS DAC 4 BIT D C B A V out 0 0 0 0 1 1 1 1 0V 15V Tổng quát : Analog output = K  digital intput K: thừa số ( độ phân giải ) TD: K = 1V  V out = (1V)  digital input Do đó , ta có thể tính V out ứng với digital input 1100 2 = 12 10  V out = 1V  12 = 12V. TD: DAC 5 bit với ngõ vào là 10100, dòng ngõ ra là 10mA. Tính I out khi ngõ vào là 11101. Giải Ta có : 10100 2 = 20 10 khi I out = 10mA.  K = 0,5 mA . Do đó : 11101 2 = 29 10  I out = 0,5mA  29 = 14,5mA. TD: DAC 8 bit với ngõ ra là 1.0V khi ngõ vào là 00110010 2 . Xác định V out lớn nhất của DAC. Giải Ta có : 00110010 2 = 50 10 1V = K  50  K = 20 mV. Do đó , ngõ ra V out(max ) khi ngõ vào là : 1111 1111 2 = 255 10  V out(max ) = 20mV  255 = 5,1V. Độ phân giải K: độ phân giải của biến đổi D/A là sự thay đổi nhỏ nhất của ngõ ra analog khi có sự thay đổi của ngõ vào digital. Đếm 4 bit DAC Clock Vout Độ phân giải 1V 0V 1V 2V 3V DAC N bit sẽ có 2 N mức khác nhau , số bước nhảy sẽ là 2 N – 1 TD: K = 0,2V. Xác định V out khi ngõ vào là 10001 10001 2 = 17 10  V out = 0,2V  17 = 3,4V. II. BIẾN ĐỔI A/D + - v A đầu vào analog Đơn vị điều khiển 1 0 Thanh ghi Bộ biến đổi DA . . . v AX Kết quả digital So sánh OPAMP EOC ( kết thúc chuyển đổi ) Start Clock Bộ biến đổi hoạt động theo các bước : ·   Tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi . · Cứ mỗi xung clock, đơn vị điều khiển sửa đổi số nhị phân đầu ra và đưa vào lưu trữ trong thanh ghi . ·   Số nhị phân trong thanh ghi được chuyển đổi thành áp analog v AX qua bộ biến đổi DA. ·    OPAMP so sánh v AX với áp đầu vào v A . Nếu v AX < v A thì đầu ra ở mức cao , còn ngược lại , nếu v AX vượt qua v A một lượng v T ( áp ngưỡng ) thì đầu ra ở mức thấp và kết thúc quá trình biến đổi . Ơû thời điểm này , v AX đã xấp xỉ bằng v A và số nhị phân chứa trong thanh ghi chính là giá trị digital xấp xỉ của v A ( theo một độ phân giải và chính xác nhất định của từng hệ thống ). ·    Đơn vị điều khiển kích hoạt tín hiệu EOC, báo rằng đã kết thúc quá trình biến đổi . + - v A đầu vào analog Counter Bộâ biến đổi DA . . . v AX Kết quả digital So sánh OPAMP EOC Start Clock Reset Clock v AX Start v A EOC t C Khi chuyển đổi hoàn tất , counter ngừng đếm Bộ biến đổi A/D theo hàm dốc 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 định không phụ thuộc giá trị điện áp đầu vào . Sơ đồ mạch tương tự như bộ biến đổi AD theo hàm dốc nhưng không dùng counter cung cấp giá trị cho bộ biến đổi DA mà dùng một thanh ghi . Đơn vị điều khiển sửa đổi từng bit của thanh ghi này cho đến khi có giá trị analog xấp xỉ áp vào theo một độ phân giải + - v A đầu vào analog Đơn vị điều khiển Thanh ghi MSB LSB Bộâ biến đổi DA . . . v AX So sánh OPAMP EOC Clock . . . Start START Xóa tất cả các bit Bắt đầu ở MSB Set bit = 1 V AX > V A ? Clear bit = 0 Xong hết bit ? Quá trình biến đổi kết thúc và giá trị biến đổi nằm trong thanh ghi END Đúng Sai Đến bit thấp kế Sai Đúng Bộ biến đổi A/D xấp xỉ liên tiếp 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 bị giới hạn bởi số bit, thường là 2 đến 8-bit. Ví dụ một flash AD 3-bit : Mạch này có độ phân giải là 1V, cầu 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 trị digital xấp xỉ của điện áp đầu vào . Các bộ biến đổi có nhiều bit hơn dễ dàng suy ra theo mạch này . MSB C B A Aùp analog đầu vào 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 trị V AX là 0 lúc bắt đầu và tăng dần cho đến khi vượt qua V A . Rõ ràng là thời gian này là hoàn toàn lãng phí bởi vì điện áp analog thay đổi một cách liên tục , giá trị sau nằm trong lân cận giá trị 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 đầu . Thay vì vậy , nó giữ nguyên giá trị của lần biến đổi trước và tăng giảm tùy thuộc vào giá trị điện áp mới so với giá trị điện áp cũ .