Bộ chuyển đổi tương tự - số

Dưới đây chỉ là một ví dụ sơ đồ logic của bộ ADC này bao gồm một DAC, một mạch đếm modun 16, một cửa và, một mạch so sánh điện áp.. Trải qua 5 chu trình, bộ ADC biến đổi điện áp tương tự

Bài 15: Bộ chuyển đổi tương tự - số

(Analog to Digital Converter)

A Phần tóm tắt lý thuyết

1 Bộ biến đổi tương tự/số (ADC)

Hình vẽ sau mô tả chức năng của ADC 4 bit

Bảng chân lý của bộ ADC này có thể lấy toàn bộ số liệu trong bảng chân lý bộ DAC bài trước Mạch điện bố trí bên trong của bộ ADC khá phức tạp Dưới đây chỉ là một ví dụ sơ đồ logic của bộ ADC này bao gồm một DAC, một mạch đếm modun 16, một cửa và, một mạch so sánh điện áp

Mạch so sánh thực hiện việc so sánh điện áp ở đầu vào A và điện áp ở đầu vào

B Nếu điện áp lối vào A lớn hơn điện áp lối vào B (A > B) thì mức logic đầu ra X của Comparator là cao (A > B, X = 1) Ngược lại thì mức logic đầu ra thấp (A < B,

X = 0)

Đầu vào tương tự

Đầu ra nhị phân

Đường

Vra(v) D C B A

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 0 1

1 1 1 0

1 1 1 1 Giả sử điện áp Vvào bộ ADC là 1,5V và mạch đếm đã được xoá trước khi hoạt

động Trải qua 5 chu trình, bộ ADC biến đổi điện áp tương tự đầu vào 1,5V thành

đầu ra nhị phân 0100 theo đúng bảng chân lý Quá trình diễn ra như sau:

Chu

Trình Mạch so sánh Cửa và Mạch đếm Chỉ thị LED DAC

Số TT A B X CK X CP QD QC QB QA D C B A Vra

1

2

3

4

5

1,5v 0 1

1,5v 0,4 1

1,5v 0,8 1

1,5v 1,2 1

1,5v 1,6 0

CK 1

CK 1

CK 1

CK 1

CK 1

CP 0 0 0 1

CP 0 0 1 0

CP 0 0 1 1

CP 0 1 0 0

0 0 1 0 0 Không có xung nhịp

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 0 (dừng)

0,4 0,8 1,2 1,6 1,6 (dừng) Việc phân tích như trên để dễ hiểu về sự hoạt động của một bộ ADC Quá trình xảy ra rất nhanh tuỳ theo tần số của xung nhịp CK Tần số này có thể trên

1 MHz Có nhiều kiểu ADC đã được sử dụng Kiểu nói trên là “kiểu đếm bậc thang” Có loại ADC trong đó không dùng mạch đếm mà dùng mạch phát bậc thang Loại này gọi là kiểu “bậc thang” Loại có tốc độ biến đổi rất nhanh gọi là

“kiểu gần đúng liên tiếp” loại này có cấu trúc bên trong phức tạp hơn

2 Thông số đặc trưng

Hình vẽ sau giúp ta hiểu rõ ý nghĩa của một số thông số

Điện áp (hay dòng) biến đổi theo bậc (step) , mỗi bậc tương ứng với một lượng tăng điện áp gọi là lượng tăng 1LSB Danh từ này bắt nguồn từ chỗ điện áp thay

đổi ngay từ bit có ý nghĩa nhỏ nhất Chất lượng của một bộ biến đổi được đánh giá bằng độ phân giải Độ phân giải tính bằng tỷ số lượng tăng 1 LSB với giá trị cực

đại của đại lượng tương tự Ví dụ trong bộ DAC 4 bit mà ta đưa ra ví dụ ở trên độ phân giải bằng :

15

1 0

, 6

4 ,

Công thức tổng quát như sau:

Độ phân giải =

1 2

1

ư

n ; n là số bit

Số bit càng lớn và do đó độ phân giải càng nhỏ thì chất lượng càng cao Độ phân giải của bộ biến đổi 6 bit là

63

1 , 8 bit là

255

1 , 10 bit là

023 1

1

và 12 bit là

095

4

1

Sự thay đổi nhịp nhàng (hay đơn điệu) của một bộ biến đổi là rất cần thiết, nhất là bộ DAC (hình a phần trên) Hình b là không nhịp nhàng bởi vì có đoạn mà

điện áp không tăng đúng 1 LSB khi số nhị phân thay đổi So với đường chuẩn (chấm chấm), sai số gặp phải là

2

1 + LSB và tiếp theo đó là

2

1

ư LSB Sai số cho

phép là phải nhỏ hơn

2 1

± LSB cho toàn thang đo

Thời gian thiết lập tS của DAC là thời gian cần thiết để điện áp đầu ra đạt

đ−ợc giá trị ổn định trong phạm vi sai số

2

1

± LSB (tS = ns ữ s) à

Có rất nhiều loại DAC và ADC với phạm vi ứng dụng khác nhau Do vậy, khi dùng DAC hoặc ADC ta phải biết đầy đủ các đặc tr−ng và khả năng ứng dụng của chúng

B Phần thực nghiệm

1 Nghiên cứu bộ biến đổi tương tự - số (ADC) theo kiểu đếm bậc thang

ƒ Ngày nay người ta đã sản xuất nhiều bộ ADC dưới dạng chíp hoàn chỉnh Tuy nhiên sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử bên trong chíp vẫn theo nguyên tắc chung như ta trình bày trong lý thuyết Bộ ADC nào cũng có mạch so sánh và bộ DAC Sự khác nhau ở chỗ người ta sử dụng loại mạch nào nằm giữa Comparator và DAC để tạo tín hiệu bậc thang Nếu dùng mạch đếm như ta nói ở trên thì đó là Counter – Ramp ADC Nếu là mạch phát bậc thang (Ram Generator) đó là Ramp ADC, nếu là mạch ghi gần

đúng liên tiếp (Successive aproximation Register = Sar) đó là SAR ADC

ƒ Sau đây ta sẽ nghiên cứu bộ biến đổi ADC kiểu bậc thang có sơ đồ khối như sau:

ƒ Sơ đồ thí nghiệm:

8 8 8

CLOCK

Generator

Output

(leddisplaY)

Hex –

7 seg display

Vi

V0

CK

74LS161 Counter

CLR

DAC – 03 (D/A Converterr)

Bộ so sánh Data in

Vo

0 1 2 3 4 5 6 7

7 5

3 2 0

7 6 5 3 1

1

5V

DC V 2.500 V

74LS161A

CEP CET CP

D3 D1

PE MR

TC Q3 Q1

5V

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

5V

5V

5V

IN+

V+

V- LATCH GND OUT _

DAC8

D7 D5 D3 D1 Vref-Vout

1 Hz

CP

D3 D2 D0

PE

TC Q2 Q0

ƒ Các bước tiến hành thí nghiệm:

Bước1:

Thực hiện vẽ mạch như hình trên bằng cách sử dụng:

01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8]

01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s)

01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter]

01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561]

08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9)

01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen]

02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161]

Chú ý:

Bước 2:

- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode

- Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage

- Đặt chế độ máy phát:

Kích đúp chuột vào biểu tượng máy phát Chọn dạng sóng phát là “Sin Wawe Data” Sau đó đặt các giá trị theo bảng sau:

Bước 3:

- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau:

Vi (V) CLR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 VO

x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,96 1

1,80 1 2,50 1 3,20 1 5,00 1

- Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các Vi như trên):

2 Nghiên cứu bộ biến đổi tương tự - số (ADC) theo kiểu gần đúng liên tiếp (Suceesive – Approximation – Type ADC)

ƒ ở đây có sử dụng “mạch ghi gần đúng liên tiếp” (SAR) đặt xen giữa mạch

so sánh và DAC Ưu việt của ADC theo kiểu này là tốc độ nhanh Nếu dùng ADC 8 bit thì chỉ cần 8 xung nhịp là đủ để điện áp ra V0 của DAC tiến tới lân cận giá trị điện áp vào Vi

ƒ Sơ đồ khối được bố trí như sau:

ƒ Sơ đồ thí nghiệm:

Bộ so sánh Data in

Vo

1

0 2 4 6

1 3 5 7

0 1 2 3 4 5 6 7

7 5 4 2 0

1 Hz

0/5V

DC V 2.500 V

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

5V

5V

IN+

IN-V+

V- LATCH GND OUT _

DAC8

D7 D6 D4 D2 D0 Vref-Vref+

Vout

74LS502

Start Qd Q0 Q1 Q3 Q5

Q7 CK

D

ƒ Các bước tiến hành thí nghiệm:

Bước1:

Thực hiện vẽ mạch như hình trên bằng cách sử dụng:

01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8]

01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s)

EOC

CK

START

8

8

8

Binary output (lED dispay)

Vi

V0

74LS502`

SAR

DAC - 03 (D/A Converter)

01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter]

01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561]

08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9)

01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen]

01 IC 74LS502 [User Difined/Macro/74LS502]

Bước 2:

- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode

- Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage

- Đặt chế độ máy phát:

Kích đúp chuột vào biểu tượng máy phát Chọn dạng sóng phát là “Sin Wawe Data” Sau đó đặt các giá trị theo bảng sau:

Bước 3:

- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau:

Vi (V) CLR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 VO

x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,96 1

1,80 1 2,50 1 3,20 1 5,00 1

- Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các Vi như trên):

C Phụ lục

Giới thiệu DataSheet các hãng sản xuất IC trên thế giới của một số IC thông dụng sử dụng trong bài thực hành

1 Bộ chuyển đổi A/D 8 bit với 8 kênh lối vào

(8-bit àP Compatible A/D Converters with 8-channel Multiplexer)

Tên IC: ADC0808, ADC0809

2 Bộ chuyển đổi A/D 8 bit

(8-bit A/D Converters)

Tên IC: ADC0802, ADC0803, ADC0804

3 Bộ chuyển đổi A/D hiện thị 3 số r−ỡi

Tên IC: ADC7106, ADC7107

4 Bộ chuyển đổi A/D 12 bit

Tên IC: ADC7109