Giáo trình thí nghiệm kỹ thuật số 4 IUH

BÀI 4 Bộ CHUYỂN ĐỐI DAC ADC MỤC TIÊU Bài thí nghiệm sẽ giúp sinh viên cùng cổ kiến thức và cỏ các kỹ năng sau Phân tích được các đặc điểm, cấu tạo và nguyên tắc hoạt dộng của mạch ADC và DAC cơ bản Th.

BÀI 4: Bộ CHUYỂN ĐỐI DAC-ADC

- MỤC TIÊU

Bài thí nghiệm sẽ giúp sinh viên cùng cổ kiến thức và cỏ các kỹ năng sau:

- Phân tích được các đặc điểm, cấu tạo và nguyên tắc hoạt dộng của mạch ADC và DAC cơ bản

- Thực hiện được các qui tắc thiết kế mạch chuyển đổi A/D và D/A Đồng thời phân tích và thiết kế dược các mạch điều khiển số bao gồm cả chức năng chuyển đổi A/D và D/A

- Phân tích, kiểm tra và sửa chữa được các hư hỏng trong các mạch chuyển dổi A/D và D/A và mạch điều khiển số công nghiệp

- Trình bày được cấu tạo và hoạt động của một số loại IC ADC và IC DAC,

từ đó có khả năng thiết kế các mạch diều khiển số ứng dụng theo yêu cầu

4.1 Bộ CHUYÊN ĐỔI DAC

Bộ chuyển đổi DAC {Digital Analog Converter') có chức năng biến đồi {mũ hóa) tín hiệu dạng số (Digital) sang tín hiệu dạng tương tự (Analog) Tín hiệu dạng

tương tự có thể là điện áp hay dòng điện Mức độ thay đối tín hiệu {độ phân giải)

phụ thuộc vào cấu tạo của mỗi bộ DAC

❖ Tín hiệu vào

Tín hiệu vào là dạng số (mà nhị phân, mã BCD, mã nhị phân có dấu, )

❖ Tín hiệu ra

Tín hiệu ra có thể là điện áp hoặc dòng điện, tổng quát:

Analog output = K X Digital input

Với K : hệ số tuyến tính {có đơn vị là Vôn hay Ampe)

Ví dụ: Bộ DAC 8bit có Vo=lV ứng với trạng thái vào là OOIIOOIO2 = 5010

—*K = 20mV

Và điện áp ra lớn nhất sẽ tương ứng với trạng thái ỉ ỉ ỉ 1 ỉ 1112 = 25510

Vout (max) = K X Digital input

= 5.1 V

❖ Buo’c phân giải (Resolution)

Bước phân giải hay còn gọi là Step size, là độ thay đổi nhỏ nhất của ngõ ra khi

có sự thay đối ngõ vào Bước phân giải chính là mức điện áp ra ứng với trạng

thái ngõ vào đầu tiên {ví dụ 0001 đối với bộ DAC 4biì) Bộ DAC có số bit càng

lớn thì bước phân giải càng nhỏ

* Vo max = 20 mV X 255

Vỉ dụ 1. Dạng sóng điện áp tại ngõ ra của bộ DAC 4bit với Step size = 1 V

Hình 4.1 Dạng sóng ngõ ra của bộ DAC 4bit

Vỉ dụ 2'. Với bộ DAC lObit có bước phân giải là lOmV {Step size =10mV) thì

điện áp ngõ ra lớn nhất là:

Vo/Wív = (210 -1) X Step size

= 1023 X 10 mV = 10.23 V

StCD size

% Bước phân giải = ■' ■> ;-y- X 100 % Dai điện ap

= (10 mV/10,23 V) xioo% -0.1%

1

hoặc % Bước phân giải = —— -—:—— X100 %

rống trạng thái vào

= (1 /1023) X 100 % - 0.1 %

—> Dải điện áp ra là (0 -ỉ- 10.23V) với % bước phân giải là 0.1%

Ví dụ 3: Với dải điện áp ra 0 —> 10 V, ta có bước phân giải tương ứng:

-BỘDACóbit: Step size = 10 /(26-1) = 10:63 = 0.159 V -BỘDAC8bit: Step size = 10/(28-1) = 10:255 = 0.039 V

—> Bộ DAC cỏ số bit càng lớn thì bước phân giải càng nhỏ

❖ Cấu tạo bộ chuyển đổi DAC

> Cấu tạo bộ DAC dạng đon giản

Sơ đồ mạch bên dưới là cấu tạo của bộ DAC đơn giản bao gồm các điện

trở và bộ cộng Op-amp

Hình 4.2 Sơ đồ cẩu tạo dạng cơ bản của một bộ DAC

- Theo sơ đồ hình 4.2, ta có RF = 1KQ và giá trị điện trở RỊ N tại các ngõ vào nhị phân: R]) = RF, Rc - 2RD Ì RB = 2Rc , RA - 2RB thì điện áp ngõ

ra sẽ được tính như sau:

Voirr = -(V2 D+ ệvc + ^VB + ^VA4 O) Mỗi giá trị điện áp ra sẽ tương ứng với một trạng thái nhị phân 4bit tại ngõ vào Step size chính là giá trị điện áp ra ứng với trạng thái nhị phân: 00012

- VREFlà diện áp tham chiếu, giả sử với điện áp VREF - 5V:

Nhận xét:

+ VREF

•-Đối với mạch điện trên ta thấy rằng nếu sử dụng bộ DAC càng nhiều bit thì giá trị điện trở ngõ vào tại bit LSB (RA) sẽ rất lớn so với giá trị điện trờ tại bit MSB, diều này dẫn đến khỏ khăn trong việc chế tạo Do dỏ, đểkhắc phục vấn đề này người t.a sẽ thay thế bằng mạch điện với các điện trở kết nối kiểu bậc thang R-2R

- Cấu tạo bộ DAC vói các điện trỏ’ kết nối kiểu bậc thang R-2R.

Hình 4.3 Sơ đồ cấu tạo của bộ DAC dạng R-2R

- Điện áp ngõ ra:

VREF „ _ OUT ~ - IJ

o x 15

O •

Với B là giá trị thập phân của mỗi trạng thái số nhị phân B3B2B1B0

- Giả sử với điện áp VREF = 5V, Step size của bộ DAC 4 bit sẽ ứng với

trạng thái nhị phân B3B2B1B0 = 00012 = 110»ta cỏ:

5V

—> Step size = - X 1 = - 0.625 V

- Điện áp lớn nhất tại ngõ ra ứng với trạng thái ngõ vào 11112 - 1510

5V

-V0UT = - V xl5 = -9.375 VO

Phân loại các bộ DAC

Ngoài bộ DAC với ngõ vào là mã nhị phân được trình bày ở phần trước, còn có

một số bộ chuyển dổi D/A khác:

- Bộ DAC với mã vào là số BCD: đặc diem của loại DAC này là các ngố vào là

mã BCD Hình bên dưới mô tả bộ DAC với ngõ vào là 2 số BCD (8bit) sẽ cho

ra 100 mức điện áp tương ứng

- Bộ DAClưỡng cực (DACs): điểm khác biệt của loại DAC này là dữ liệu ngõ

vào là mã nhị phân có dấu (bit 0 ứng với dấu +, bit 1 ứng với dấu -) và dải điện

áp ra tương ứng sẽ có cả điện áp dương và điện áp âm

Ví dụ: Với bộ DAC lưỡng cực 6bit (26 -1 = 63) có Step size = 0.2 V, thì:

Bài 4 BO CHUYÊN ĐỔI ADC - DAC iffigi . . _Èaisl

—> Tín hiệu vào từ 1000002 (-32 jo) —>0111112 (+3110)

—> Tín hiệu ra nằm trong khoảng (- 6.4V —> + 6.2V),

Bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converter) có chức năng biến đổi (giải

mã) tín hiệu dạng tương tự (Analog) sang tín hiệu dạng số (Digital).

❖ Tín hiệu vào

Tín hiệu vào là các tín hiệu dạng tương tự (dòng điện hoặc điện áp)

❖ Tín hiệu ra

Tín hiệu ra là tín hiệu dạng số Mỗi mã số nhị phân ngõ ra sẽ tương ứng với một

mức tín hiệu ngõ vào

❖ fCấu tạo của bộ ADC

Hình 4.4 bên dưới mô tả chức năng của các khối cơ bản bên trong bộ ADC

Thời gian chuyển đổi tc đượC’ quyết định bởi tần số xung CK được đưa

vào khối điều khiển (cổng AND) Khối điều khiển này sẽ cho phép thực hiện

quá trình chuyển đổi khi có tín hiệu xung được cấp tại ngõ vào START (tích cực cạnh xuống).

Trong khi quá trình chuyển đổi xảy ra, khối so sánh (Op-amp) sẽ liên tục

so sánh điện áp đặt trước tại ngõ vào VA với điện áp VAX (ngõ ra của bộ DAC bên trong) Khi VAX tăng đến giá trị vừa lớn hơn VA một khoảng áp bằng VT (VAX-VA > VT) thì ngõ ra bộ so sánh chính là chân EOC (end-of-conversỉon) sẽ

bang mức THẤP và kết thúc quá trình chuyến đối

Ngõ ra của bộ ADC (kết quả chuyển đổi) chính là mã nhị phân được lấy

ở ngõ ra khối bộ đếm (counter) Khi có tín hiệu lệnh START thì bộ đem dược reset và bắt đầu quá trình chuyển đổi khác "

4.3 CÁC BÀI THỤC HÀNH

4.3.1 Khảo sát và kiểm tra chức năng IC DAC0808

DAC0808 là bộ chuyển đối D/A với 8bit ngõ vào Digital và 1 ngõ ra Analog

• Sơ đồ chân:

Hình 4.5 Sơ đồ chăn của IC DAC0808

- A J —> As'. ngõ vào dữ liệu 8bit

- Iouf- ngõ điện áp ra.

V REF (+), V REF (-) • 2 ngõ vào điện áp tham chiếu.

(V ỊN = V R EF(+) - V R EF(-) ỈOV < V] N < +Ỉ8V)

- COM', chân cho phép chuyển đổi

- GND, V EE , Vcâ nguồn cấp (Vccmax = + V EEmax = - 18VỴ

• Sơ đồ mạch biến đổi D/A sử dụng IC DAC0808:

Hình 4.6 Sơ đồ khảo sát quá trĩnh chuyên đổi DAC0808

COM (Compensation)

V REE (-)

V REF (+)

vcc

A8 (LSB) A7 A6 A5

• Biểu thức điện áp ra:

Với: A là giá trị thập phân ứng với mỗi trạng thái nhị phân 8bit (Ai A8) Vin - VREF(+) - VREF(-)

• Thực hành:

- Sinh viên thực hiện lắp ráp mạch biến đổi D/A như hình ở khối D9.1 trên

mô hình, với ngõ vào 8 bit được cấp từ ngõ ra của bộ đếm nhị phân 8 bit dùng 2IC 74LS93 và ngõ ra sẽ đưa qua bộ đệm đảo sử dụng OPAM

Hình 4.7 Sơ đồ kết nối DAC0808 trên mô hình

- Ngõ vào xung CLK được kết nối với (PS1) (hoặc có thể sử dụng khối tạo xung D5.1Ỵ

- Ngõ ra (VQƯT) được kết nối với (LED1) để hiển thị độ sáng ứng với từng trạng thái điện áp ra

- Các ngõ ra bộ đếm được kết nối với các LED đon để hiển thị mã nhị phân ngõ vào

- Công tắc (SW1) kết nối chân Reset bộ đếm (CLR)

❖ Phân tích hoạt động của mạch

❖ Lập biểu thức điện áp ngõ ra VOUT

-VoilT - Vin 256 X A

PS1

SW1

121A2 8

9 2B2 7 8?C2 6

Ị Ị T D 2 5

c

IC2 D 7493

MR1 MR2

2 Í1

VREF-R3 GND 12V

A8 A7 A6 A5

A4 A3 A2

IC3

DAC0808

□ND COMM

❖ Lập công thức tính Step size của bộ DAC trcn.

❖ Thực hành và ghi lại kết quả theo bảng:

- Thực hiện cấp xung vào bộ đếm và đo điện áp ngõ ra VQUT, với điện

áp VREF = +10V , ghi lại các kết quả vào bảng:

Xung cấp

Ngõ vào Digital

Ngõ ra Analog

SW

1

(RST)

PSI

(CLK)

LED9 (D2)

LED8 (C2)

LED7 (Bi)

LED6

(Â2)

LED5 (Di)

LED4 (Ci)

LED3 (Bl)

LED2 (Al)

VoiIT

(VOUT)

ON

OF

F

OF

F

OF

F

preset)

1

2

e

❖ Thay đối điện áp VREF = +5 V và thực hiện tương tự

❖ Nhận xét các kết quả thu được

4.3.2 Khảo sát và kiểm tra chức năng IC ADC0804

ADC0804 là bộ chuyển đổi A/D với 1 kênh ngõ vào Analog và 8 ngõ ra Digital

Đây là loại ADC được thiết kế tương thích cho việc giao tiếp với các bộ Vi xứ

lí và Vi điều khiển Các chân ngõ ra 3 trạng thái và dải điện áp chuyển đổi ở

ngõ vào nằm trong khoảng

0—»Vcc-• Sơ đồ chân:

[2Õ][Ĩ9][Ĩ8][Ĩ7]íĩẽ1[Ĩ5líĨ4][Ĩ3][Ĩ2l[ĩĩ1

Vcc CK.O D Q D Ị D2 D3 D4 D$ Dg D7

ADC0804

- D o —> D 7 ngõ ra dữ liệu 8bit.

V Ị (+ ), V Ị( ): 2 ngõ vào của điện áp cần chuyển đổi (V lN = V Ị (Ạ ) - Vj ( } ).

V REF /2- ngõ vào điện áp tham chiếu (khi để hở thì mặc định V REF =

^cc) cs\ (Chip select)', chân chọn IC (khỉ giao tiếp với các bộ Vi xứ lí

hoặc Vỉ điều khiển), tích cực ở mức thấp.

- RD\ (Read) : chân cho phép đọc dữ liệu từ AĐC (hoặc cho phép xuất

dữ liệu ngõ ra - Output Enable), tích cực ở mức thấp.

WR\ (Write)', chân cho phép chuyến đổi A/D, tích cực ở mức thấp.

- INTR\: ngõ ra báo bắt đầu quá trình chuyển đổi A/D (= mức TĨĨẤP)

và khi kết thúc quá trình (= mức CAO)

- CK OUT ' chân chọn nguồn xung Clock bên trong (khi kết nối với điện

trở với chân CKIN)

- CK ỈN : ngõ vào của xung Clock bên ngoài (khỉ sử dụng nguồn xung bên trong, chân này được kết với chân CK 0UT qua R và c xuống mass).

- AGND, DGND, Vcc‘. nguồn cấp (Vcc = +5V, AGND: mass của các nguồn Analog, DGND: mass của các nguồn Digital).

• Sơ dồ mạch biến đổi A/D sử dụng IC ADC0804:

• Thực hành:

- Sinh viên thực hiện lắp ráp theo sơ đồ mạch hình trên

- Điện áp cần chuyển đổi (VIN) cấp vào ADC dược cấp bởi biến trở

VR=20K

- Chân báo bắt dầu hay kết thúc quá trình chuyển đổi (INTR\) nối với

LED1

- Các ngõ ra Digital (Do - D7) được kết nối với 8 LED

- Công tắc (SW1) kết nối các chân (CS\, RD\, WR\) của ADC để cho

phép hoặc ngưng quá trình chuyển đổi A/D

❖ Phân tích hoạt động của mạch

❖ Thực hành và ghi*lại kết quả theo bảng:

- Thay đổi biến trở để cấp điện áp vào (VjN) và ghi lại các trạng thái

LED tương ứng vào bảng:

Ngõ vào

(START) (vôn) (D7) (Do) (Ds) (Do) (Da) (D2) (Di) (Do) (INTR\)

ON

❖ Nhận xét các kết quả thu được

4.4 CÁC ỨNG DỤNG Bộ CHUYÊN ĐỐI DAC - ADC

4.4.1 Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC

• Yêu cầu:

Thiết kế một mạch điều khiển tốc độ động cơ DC (VM = 5V, IM < 500mA) Với ngõ vào là trạng thái của số nhị phân 8 bit được tạo bởi 8 công tắc (Binary Switch)

• Thiết kế:

Với yêu cầu trên, ta sỗ sử dụng bộ chuyển đổi DAC0808 có chức năng chuyển đổi mã nhị phân ở ngõ vào thành tín hiệu diện áp tương ứng Sau khi dược so sánh với giá trị điện áp hồi tiếp ứng với tốc độ hiện tại thông qua bộ khuếch đại vi sai, giá trị điện áp ngõ ra sẽ được chuyển đổi thành tần số bởi bộ (V to F) và chuẩn hóa dạng xung từ bộ tạo xung đơn ổn (Oneshot), từ đó tạo ra xung điều khiển động cơ đạt được tốc độ mong muốn Sơ đồ khối được trình bày ở hình bên

Hình 4.10 Sơ đồ khối mạch điều khiên tốc độ động cơ DC

• Thực hành:

• Sinh viên lựa chọn các loại IC và thực hiện lắp ráp mạch điều khiển theo sơ đồ khối ở trên

• Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch

• Nhận xét các kết quả thực hiện

• Phụ chú:

Sơ đồ mạch chi tiết:

Error

12V ° 12V

DIGITAL DC MOTOR SPEED CONTROL SYSYTEM

4.4.2 Mạch điều khiển nhiệt độ

•Yêu cầu:

Thiết kế một mạch điều khiển ổn định nhiệt độ đặt, với ngõ vào là các công tắc đặt nhiệt độ dưới dạng mã nhị phân của 2 số BCD (BCD Switch) và một ngõ vào cảm biến nhiệt, hai ngõ ra là động cơ (mô tả sự hoạt động của máy điều hòa) và một bóng đèn để tăng nhiệt

•Thiết kế:

- Theo yêu cầu đặt ra, ta sẽ sử dụng bộ chuyển đổi ADC0804 có chức năng chuyển đổi giá trị điện áp (nhiệt độ phòng) thành 8bit mã nhị phân tương ứng Giá trị này sẽ được so sánh với mã nhị phân đặt trước (ứng với nhiệt độ đặt) thông qua

bộ so sánh (Comparator)

- Quá trình ổn định nhiệt độ phòng diễn ra như sau: nếu nhiệt độ phòng lớn hơn nhiệt độ dặt thì ngõ ra bộ so sánh QA>B=1> tạo tín hiệu điều khiển dộng cơ (máy diều hòa giảm nhiệt độ), ngược lại nếu nhiệt độ phòng nhỏ hơn thì QA<B=1 tạo tín hiệu điều khiển bóng đèn sáng làm tăng nhiệt dộ

Hình 4.12 Sơ đồ khối mạch điều khiến nhiệl độ

• Thực hành:

- Sinh viên thực hiện lấp ráp mạch điều khiển theo sơ đồ khối ở trên

- Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch

- Nhận xét các két quả thực hiện

• Phụ chú:

Sơ đồ mạch chi tiết:

+5V