Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi A/D và D/A

Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi A/D và D/A

Em xin gửi lời biết ơn chân thành tới thầy giáo ThS Trương Thanh Bình đãgiành nhiều thời gian và tận tâm hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án tốtnghiệp.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và các bạn trong tập thể hai lớpĐTV52 - ĐH đã động viên, giúp đỡ và góp ý cho em rất nhiều trong quá trìnhhọc tập và thực hiện đồ án này

Mặc dù em đã rất cố gắng để thực hiện đồ án một cách hoàn chỉnh nhấtsong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi nhữngthiếu sót Vì vậy em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp quý báu của quýThầy Cô và các bạn cùng lớp để đề tài của em được hoàn chỉnh hơn

Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong khoa Điện – Điện Tử thậtdồi dào sức khỏe và thành công để tiếp tục giảng dạy và truyền đạt kiến thức chonhững thế hệ mai sau

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2015

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Anh

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan:

Đồ án này là do em thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS.Trương Thanh Bình

Các số liệu đo đạc, hình ảnh và kết luận trong đồ án hoàn toàn trung thực

Em xin chịu trách nhiệm về việc nghiên cứu của mình

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Anh

ii

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CHUYỂN ĐỔI A/D VÀ D/A 2

1.1 Cơ sở lý thuyết 2

1.2 Các tham số cơ bản của mạch chuyển đổi A/D 3

1.2.1 Dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào 3

1.2.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D 4

1.2.3 Tốc độ chuyển đổi 4

1.3 Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi A/D 5

1.4 Các phương pháp chuyển đổi A/D 6

1.4.1 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song 6

1.4.2 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp 7

1.4.3 Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp 9

1.4.4 Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản 10

1.4.5 Mạch chuyển đổi A/D bằng phương pháp tích phân hai sườn dốc 12

1.4.6 Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song - nối tiếp kết hợp 15

1.5 Mạch chuyển đổi số sang tương tự D/A 15

1.5.1 Nguyên lý chuyển đổi D/A 15

1.5.2 Mạch chuyển đổi D/A với điện trở có trọng số khác nhau (1 nguồn điện áp chuẩn) 16

1.5.3 Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn 17

1.5.4 Mạch biến đổi D/A với điện trở mắc hình thang 18

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MODUL THÍ NGHIỆM 19

2.1 Các tham số kỹ thuật 19

2.1.1 Phần phát ( ITF-201A-T) 19

2.1.2 Phần thu ( ITF-201A-R) 20

2.1.3 Đặc tính môi trường 21

2.2 Mô tả quá trình hoạt động 21

2.2.1 Phần phát (ITF-201A-T) 22

2.2.2 Phần thu (ITF-201A-R) 23

2.3 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang 24

2.4 Phân loại sợi quang 26

2.4.1 Phân loại theo chỉ số chiết suất 26

2.4.2 Phân loại theo mode truyền dẫn 27

2.4.3 Phân loại theo vật liệu điện môi 27

2.5 Bộ phát quang (E/O conversion) 27

2.5.1 Diode phát quang ( Light Emitting Diode : LED) 27

2.5.2 Laser diode (LD) 28

2.6 Bộ thu quang (O/E conversion) 28

2.6.1 Photo diode PIN 28

2.6.2 Diode quang thác APD (Avalanche Photo Diode) 28

2.7 Bộ chuyển đổi A/D (A/D Conversion) 29

2.7.1 Nguyên lý của bộ chuyển đổi A/D 29

2.7.2 Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi A/D 30

2.7.3 Sự khác nhau giữa truyền dẫn số và tương tự 31

2.8 Sự điều khiển hoạt động 32

2.8.1 Phần phát (ITF-201A-T) 32

2.8.2 Phần thu (ITF-201A-R) 36

CHƯƠNG III: QUY TRÌNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 40

3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch thí nghiệm 40

3.2 Tín hiệu đầu vào là 1 Hz, bản nhạc (melody) và tín hiệu từ micro 41

iv

3.3 Tín hiệu đầu vào xoay chiều 43

3.3.1 Tín hiệu xoay chiều khi được truyền dẫn tương tự 43

3.3.2 Tín hiệu xoay chiều khi được truyền dẫn số qua bộ A/D và bộ D/A 49

3.4 Tín hiệu đầu vào một chiều 55

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADC (A/D) Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự / số

DAC (D/A) Digital Analog Converter Bộ chuyển đổi số / tương tự

E/O Electrical/Optical Bộ chuyển đổi điện / quang

O/E Optical/Electrical Bộ chuyển đổi quang / điện

MSB Most Significant Bit Bit có nghĩa lớn nhất

LSB Least Significant Bit Bit có nghĩa nhỏ nhất

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

APO Avalanche Photo Diode Diode quang thác

LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp lý tưởng

S/P Serial / Parallel Bộ chuyển đổi nối tiếp / song songP/S Parallel / Serial Bộ chuyển đổi song song / nối tiếp

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số 2

Hình 1.4 Dạng tín hiệu vào ra của mạch chuyển đổi A/D 5Hình 1.5 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song 7Hình 1.6 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp 8Hình 1.7 Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp 9Hình 1.8 Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D 10Hình 1.9 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản 10Hình 1.10 Giản đồ thời gian biến đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản 11Hình 1.11 Sơ đồ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc 13Hình 1.12 Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D của mạch

tích phân hai sườn dốc

14

Hình 1.13 Bộ A/D theo phương pháp song song- nối tiếp kết hợp 15Hình 1.14 Sơ đồ khối quá trình chuyển đổi số sang tương tự 15Hình 1.15 Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A 16Hình 1.16 Mạch chuyển đổi D/A với 1 nguồn điện áp chuẩn 16Hình 1.17 Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn 17Hình 1.18 Mạch biến đổi D/A bằng phương pháp điện trở bậc thang 18

Hình 2.12 Khối nguồn cung cấp, đầu vào, khuếch đại và bộ chuyển đổi A/D 32

viii

Hình 2.13 Bộ chuyển đổi E/O 35

Hình 3.2 Sơ đồ khối của mạch khi tín hiệu xoay chiều được truyền dẫn

tương tự

44

Hình 3.3 Bộ mạch điện khi tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự 44

Hình 3.5 Biểu diễn sự kết nối khi đưa tín hiệu xoay chiều vào 46

Hình 3.7 Dạng sóng đầu ra của tín hiệu xoay chiều khi truyền đi theo dạng

tương tự

47

Hình 3.8 Cáp sợi quang có một đầu nối quang Light Bar 47Hình 3.9 Dạng sóng đầu ra của tín hiệu xoay chiều khi có một Light Bar 48Hình 3.10 Đặc tính biên độ - tần số của tín hiệu xoay chiều khi được truyền

dẫn tương tự

49

Hình 3.11 Sơ đồ khối của mạch khi tín hiệu xoay chiều được truyền dẫn số

qua bộ A/D và D/A

49

Hình 3.12 Bộ mạch điện khi tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua bộ

chuyển đổi A/D và D/A

Hình 3.18 Tín hiệu ra sau bộ biến biến đổi D/A khi sử dụng sợi cáp quang

có một đầu nối quang Light Bar

các trạng thái hiển thị của đèn LED

57

x

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay việc truyền dẫn tín hiệu số hoặc tương tự qua cáp sợi quang ngàycàng phổ biến và đáng tin cậy hơn Bởi lẽ cáp sợi quang có nhiều ưu điểm vượttrội hơn trong việc truyền dẫn các tín hiệu so với các phương thức truyền dẫnkhác như suy hao ít, tốc độ truyền dẫn cao…Để truyền tín hiệu số thì trước hếttín hiệu cần được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự sang số ( A/D ) để biến đổicác tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để giảm ảnh hưởng của nhiễu trong quátrình truyền dẫn và có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao và chính xác Phía thu

sẽ thực hiện việc biến đổi tín hiệu số trở lại thành tín hiệu tương tự ban đầu qua

bộ chuyển đổi D/A

Nhận thức được tầm quan trọng của việc chuyển đổi tín hiệu từ tương tự

sang số và từ số sang tương tự, em đã chon đề tài “ Xây dựng quy trình thí

nghiệm của mạch biến đổi A/D và D/A ”

Nội dung đồ án gồm 3 chương:

Chương I: Nguyên lý chung về chuyển đổi A/D và D/A

Chương II: Tổng quan về modul thí nghiệm

Chương III: Quy trình và kết quả thí nghiệm

Mặc dù đã cố gắng nhưng do kiến thức bản thân còn hạn chế nên nội dung

đồ án này không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý củacác thầy, cô giáo và các bạn sinh viên để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Anh

VA

000 001 010 011 100 101 110 111

Q ΔUQUQ

CHƯƠNG I: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ CHUYỂN ĐỔI A/D VÀ D/A 1.1 Cơ sở lý thuyết

“Việc gia công, truyền đạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thịphần lớn thực hiện theo phương pháp số Trong khi đó tín hiệu tự nhiên lại biếnthiên liên tục theo thời gian nghĩa là tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự

Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số, người

ta dùng mạch chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog – Digital – Converter) vàngược lại có các mạch chuyển đổi số - tương tự DAC (Digital – Analog –Converter).” ( Phạm Minh Hà, 2005, 330 )

Quá trình chuyển đổi tương tự - số là quá trình rời rạc hóa tín hiệu tương tựtrong một khoảng đều Lúc này mỗi giá trị đại diện cho một khoảng của tín hiệutương tự Quá trình biến đổi tương tự số được minh họa như hình vẽ sau:

Hình 1.1 Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số

Tín hiệu tương tự V A được chuyển thành dạng bậc thang đều Với 1 phạm vicủa giá trị VA được biểu diễn bởi 1 giá trị đại diện thích hợp

“Một cách tổng quát, nếu gọi tín hiệu tương tự là S A (V A ), tín hiệu số là S D (V D ), khi đó S D được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân như sau :

2

S D=b n−1.2n−1+b n−2.2n−2+ +b0.20

Trong đó :

b k = 0 hoặc b k = 1 (với k = 0 → k = n - 1) và được gọi là bit

b n-1 : bit có nghĩa lớn nhất (MSB : Most Significant Bit) Mỗi biến đổi của

MSB tương ứng với sự biến đổi nửa dải làm việc

b 0 : bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB : Least Significant Bit) Mỗi biến của LSB

tương ứng với sự biến đổi một mức lượng tử Một mức lượng tử bằng một nấccủa hình bậc thang

Một mạch biến đổi N bit với N số hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấctrên hình bậc thang chiếm một giá trị:

f M ≥ 2 fth max ≅ 2B

f thmax tần số cực đại của tín hiệu

B : dải tần số của tín hiệu.” ( Phạm Minh Hà, 2005, 331)

1.2 Các tham số cơ bản của mạch chuyển đổi A/D

1.2.1 Dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào

“Dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà bộchuyển đổi A/D có thể thực hiện chuyển đổi được.” (Phạm Minh Hà, 2005, 332)

Méo phi tuyến

Sai số khuếch đạiSai số đơn điệu

1.2.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D

Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D gồm độ phân biệt, méo phi tuyến, sai

số khuếch đại, sai số lệch không và sai số đơn điệu

Hình 1.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D

Độ phân biệt được đặc trưng bởi số bit N Giả sử một bộ A/D có số bit ởđầu ra là N Độ phân biệt của một bộ A/D được ký hiệu là Q và được xác địnhtheo biểu thức :

Q=V LSB= V AM

2N−1Đặc tuyến lý tưởng là một đường bậc thang đều có độ dốc trung bình là 1 Đặc tuyến thực là một đường bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai sốđơn điệu, của sai số khuếch đại và méo phi tuyến

1.2.3 Tốc độ chuyển đổi

Là kết quả chuyển đổi trong 1s và gọi là tần số chuyển đổi f c

Một bộ A/D có tốc độ chuyển đổi thấp thì độ chính xác tăng và ngược lại.Tùy theo yêu cầu sử dụng, phải tìm cách dung hòa các yêu cầu đó một cách hợp

lý nhất

4

Thực

Mạch lấy mẫu

ADCLượng tử hóa Mã hóa

VA

t

VM, VD

t t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13

Quatization Error

1.3 Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi A/D

Bộ chuyển đổi A/D là chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Quá trìnhchuyển đổi A/D là quá trình rời rạc hóa tín hiệu tương tự trong một khoảng đều,lúc này mỗi giá trị đại diện cho một khoảng của tín hiệu tương tự

Hình 1.3 Sơ đồ khối mạch chuyển đổi A/D

Hình 1.4 Dạng tín hiệu vào ra của mạch chuyển đổi A/D

“Đầu tiên tín hiệu tương tự VA được đưa đến mạch lấy mẫu với 2 nhiệm vụ:+ Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đềunhau (rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian)

+ Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quátrình chuyển đổi tiếp theo (tức là trong quá trình lượng tử hóa và mã hóa)

Tín hiệu ra của mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hóa để thực

hiện làm tròn với độ chính xác bằng ±Q/ 2

Vậy quá trình lượng tử hóa thực chất là quá trình làm tròn số Lượng tử hóađược thực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi được so sánhvới một loạt các đơn vị chuẩn

Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa Trong mạch mã hóa, kết quảlượng tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầutrên đầu ra của bộ chuyển đổi Phép lượng tử hóa và mã hóa gọi chung là phépbiến đổi A/D.” ( Phạm Minh Hà, 2005, 334)

1.4 Các phương pháp chuyển đổi A/D

Ta thường phân loại mạch chuyển đổi A/D theo quá trình chuyển đổi vềmặt thời gian Có 3 phương pháp chuyển đổi sau :

+ Chuyển đổi song song : Tín hiệu tương tự được so sánh cùng một lúc vớinhiều giá trị chuẩn Tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra + Chuyển đổi nối tiếp theo mã đếm : Quá trình so sánh được thực hiện từngbước theo quy luật mã đếm Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm

số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cầnchuyển đổi

+ Chuyển đổi song song- nối tiếp kết hợp : Qua mỗi bước so sánh có thểxác định được tối thiểu 2 bit đồng thời

1.4.1 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song

Tín hiệu tương tự VA được đưa đến tất các các đầu vào thuận của mạch sosánh từ SS1 đến SSm Tín hiệu cửa đảo của mạch so sánh được đưa vào tín hiệuchuẩn Vch qua mạch phân áp của thang điện trở R Khi điện áp cửa thuận VA lớnhơn Vch thì đầu ra của bộ so sánh nhận mức logic “1” và ngược lại có mức “0”.Tất cả các đầu ra được nối với một đầu vào của các cổng AND, đầu kia của cổngAND được nối với mạch tạo xung nhịp, chỉ khi có xung nhịp thì các xung trênđầu ra bộ so sánh mới được đưa tới mạch Flip-Flop Như vậy cứ sau mỗi khoảngthời gian bằng một chu kỳ của xung nhịp lại có một tín hiệu biến đổi Xung nhịpđảm bảo cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu vào bộ nhớ Để đảm

6

Mạch này có ưu điểm là tốc độ chuyển đổi nhanh, sai số biến đổi thấp và

có thể tạo ra dạng mã theo ý muốn Tuy nhiên, nó có kết cấu phức tạp do có sốlinh kiện lớn Nên phương pháp này chỉ dùng trong các bộ A/D có số bit nhỏ vàtốc độ cao

Hình 1.5 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song

1.4.2 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp

Dải điện áp biến đổi của mạch VA<Vch Tín hiệu đầu ra có N bít sẽ có Ntầng, mỗi tầng cho ra một bit với tầng 1 cho ra bít lớn nhất MSB và tầng cuốicho ra bít nhỏ nhất LSB Điện áp chuẩn được đưa vào cửa đảo của mạch so

sánh Tầng 1 là

V ch

2 , các tầng tiếp theo bằng điện áp chuẩn tầng trước chia 2.Mỗi tầng bao gồm một bộ so sánh, một khóa điều khiển K và một mạch trừ

Tầng 1

21

8

ch V

20 LSB

Hình 1.6 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp

Ở tầng 1: VA được đưa vào cửa thuận của mạch so sánh,

V ch

2 được đưa

vào của đảo Nếu V A>V ch

2 thì tín hiệu ra của mạch so sánh cho mức “1” và

MSB =1, khóa K sẽ ở vị trí 1 lúc này đưa tín hiệu

2 thì tín hiệu ra mạch so sánh cho mức “0” và MSB=0, khóa

K sẽ ở vị trí 2, điện áp đưa vào mạch trừ là 0V hay Vh1 = VA – 0 = VA

Ở tầng 2 như trên, chỉ có khác tín hiệu vào cửa thuận mạch so sánh là Vh1,

còn tín hiệu vào cửa đảo mạch so sánh là

b0 b1 bn-1

Ở đây mạch thực hiện phương pháp biến đổi tuần tự nên tiến độ biến đổigiảm đáng kể khi tăng số tầng Vì vậy ở phương pháp này, người ta thường giớihạn số tầng là 4

1.4.3 Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp

Hình 1.7 Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp

Nguyên lý chuyển đổi A/D dùng vòng hồi tiếp:

+ Biến tín hiệu tương tự thành số xung

+ Đếm số xung bằng bộ đếm nhị phân

+ Trạng thái ra của bộ đếm nhị phân là tín hiệu số cần chuyển đổi

Mục đích của chuyển đổi vòng hồi tiếp là biến VA thành số xung Trước khichuyển đổi trạng thái của bộ đếm thuận nghịch là “0” (Vht=0)

Tín hiệu sau mạch trừ Vh = VA - Vht Giả thiết VA>0 dẫn đến Vh>0 đầu racủa mạch so sánh có mức “1” logic, bộ đếm bắt đầu đếm số xung từ bộ tạo xungchuẩn đưa đến và trạng thái ra của bộ đếm tăng dần Điện áp ra của mạchchuyển đổi D/A là Vht tăng dần hay Vh giảm dần cho đến khi Vht = VA thì Vh = 0

bộ đếm sẽ ngừng đếm trạng thái ra của bộ đếm tại thời điểm này là tín hiệu sốcần chuyển đổi

Nếu VA giảm dần đến Vh<0, bộ đếm nghịch sẽ hoạt động trạng thái ra của

bộ đếm sẽ giảm dần cho đến khi VA = Vh = 0, bộ đếm nghịch sẽ ngừng hoạtđộng, trạng thái ra của bộ đếm là tín hiệu số cần chuyển đổi Phương pháp nàygọi là phương pháp chuyển đổi liên tiếp

Khi VA = VAmax, thời gian biến đổi là tbdm, khi đó Vht biến đổi N-1 nấc (N sốbít đầu ra) suy ra t bdm=(2N−1)ΔVt : ΔUQt chu kỳ của nguồn dao động xung chuẩn

Đồ thị thời gian biễu diễn quá trình chuyển đổi A/D:

Hình 1.8 Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D

Sai số tĩnh của phép biến đổi chủ yếu phụ thuộc vào sai số của bộ A/D và

Phương pháp không có block chọn nhớ chỉ phù hợp với tín hiệu một chiềuhoặc tín hiệu biến thiên chậm

1.4.4 Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản

10

Tạo xung nhịp chuẩn Vss2

Vx

t

t

t t

f)

tx

Hình 1.9 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản

Đồ thị biểu diễn nguyên lý hoạt động:

Hình 1.10 Giản đồ thời gian biến đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản

Mạch tạo điện áp răng cưa tạo ra xung răng cưa Vr với biên độ lớn nhất củaxung lớn hơn hoặc bằng VAmax (hình a)

+ Nếu Vr >0 thì Vss2 = “1”

+ Nếu Vr <0 thì Vss2 = “0”

Vss1 và Vss2 qua mạch AND 1 cho ra tín hiệu VG = Vss1*Vss2 như hình d.Mạch tạo xung chuẩn tao ra dãy điện áp xung kim có tần số xung fx hình e.Dãy xung chuẩn và tín hiệu VG có độ rộng tx qua mạch AND2 cho điện áp

Vx, số lượng xung của dãy xung Vx tỉ lệ với tx hay tỷ lệ với VA, dãy xung Vx qua

bộ đếm nhị phân là tín hiệu số cần chuyển đổi Mạch tạo xung điện áp răng cưathực chất là một mạch tích phân

Dùng điện áp chuẩn một chiều V ch để nạp cho tụ điện C qua điện trở R.

Ta có điện áp ra:

V ' C=− 1

RC∫0

t

V ch dt=− V ch

RC∫0

Điều khiển

Tạo xung chuẩn

1

2

Vch

+ Mở cửa cho dãy xung chuẩn vào bộ đếm nhị phân

+ Trạng thái ra của bộ đếm nhị phân là tín hiệu số cần chuyển

IC1 là mạch tích phân điện áp đầu ra của mạch tích phân là Vq(t) Điện ápvào phụ thuộc vào Vdk nếu Vdk nhận giá trị “0”, khóa K ở vị trí 1 và tín hiệu vàomạch tích phân là VA, nếu Vdk nhận giá trị “1”, khóa K ở vị trí 2 và tín hiệu vào

là Vch

Hình 1.11 Sơ đồ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc

SS1 là mạch so sánh so sánh giữa Vq(t) và 0 nếu Vq(t)>0 thì Vs = “1”, nếu

Vq(t)<0 thì Vs = “0”

AND1 là mạch nhân logic giữa Vs và Vdk, P = VS*Vdk

AND2 là mạch nhân logic giữa P và Vc, Q = P*Vc

Mạch điều khiển: đếm số xung của mạch tạo xung chuẩn khi số xung đếmđược nhỏ hơn n1 thì Vdk = 0, khi số xung đếm được bằng n1 thì Vdk = 1, số xung

n1 tương đương với khoảng thời gian t1 = (n1 – 1).ΔUQt (ΔUQt là chu kỳ xung chuẩn)Khi Vdk= 0 (số xung nhỏ hơn n1), khóa K ở vị trí 1 mạch tích phân sẽ tíchphân VA, khi đó:

t

t t

Hình 1.12 Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D của mạch

tích phân hai sườn dốc

Khi V A tăng thì độ dốc sườn trước tăng, dẫn đến thời gian tx = t2 – t1 tăng sốxung n2 tăng lên và ngược lại

14

DAC LPF

Số xung đầu ra mạch AND2 tỷ lệ với tx hay VA

Phương pháp này có độ chính xác cao tuy nhiên để chuyển đổi chính xácthì Vch phải ổn định và fc không đổi và lớn

1.4.6 Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song - nối tiếp kết hợp

ADC song song

DAC

hiệu

Nhân 2^N1

B B 1 2 B N1

TẦNG THỨ NHẤT

TẦNG THỨ HAI

Hình 1.13 Bộ A/D theo phương pháp song song- nối tiếp kết hợp

Đây là sự kết hợp phương pháp song song và phương pháp nối tiếp nhằmdung hòa ưu khuyết điểm của hai phương pháp này : giảm bớt độ phức tạp củaphương pháp song song và tăng tốc độ chuyển đổi so với phương pháp nối tiếp Cũng có thể gọi đây là phương pháp phân đoạn từng nhóm bit, với số bittrong mỗi nhóm N1 ≥ 2

Bộ chuyển đổi A/D đầu tiên là bộ chuyển đổi song song N1 bit với N1 ≥ 2.Trong bước so sánh thứ nhất → xác định được N1 bit Từ B1 → BN1 Để chuyển

đổi N bit, phải dùng l tầng với 1=

1.5 Mạch chuyển đổi số sang tương tự D/A

1.5.1 Nguyên lý chuyển đổi D/A

Chuyển đổi D/A là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit)

đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử 1LSB

UR

5M 2.5M 1.25M

Uch

1M 500K 250K 125K 100K 50K 25K 12.5K

10M I1

I2

I3

IN If

Hình 1.14 Sơ đồ khối quá trình chuyển đổi số sang tương tự

Đồ thị thời gian của tín hiệu ra sau mạch chuyển đổi DA:

Hình 1.15 Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A

Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian như trên hình vẽ Tín hiệunày được đưa qua bộ lọc thông thấp lý tưởng LPF Trên đầu ra của LPF có tín

hiệu V A biến thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của V M

1.5.2 Mạch chuyển đổi D/A với điện trở có trọng số khác nhau (1 nguồn điện áp chuẩn)

Hình 1.16 Mạch chuyển đổi D/A với 1 nguồn điện áp chuẩn

16

UR

50K 25K 12.5K Uch

100K 50K 25K 12.5K 10Uch

100K 50K 25K 12.5K 100Uch

100K I1

I2

I3

IN If

Ưu điểm: Chỉ cần dùng một nguồn điện áp chuẩn Vch Trọng số của mỗibit sẽ tương đương với Rht chia cho Rtd, trong đó : Rtd là điện trở mỗi mộtnhánh

Nhược điểm: Phương pháp này đòi hỏi nhiều điện trở chính xác với các trị

số khác nhau vì vậy gặp bất tiện khi thiết kế và sử dụng

Để giảm nhược điểm này người ta dùng nhiều nguồn điện áp chuẩn tỷ lệthập phân khác nhau như hình 1.16 Từ decacde này sang decacde khác cầu điệntrở sẽ cùng trị số Tuy nhiên điện áp chuẩn sẽ biến đổi gấp 10 lần

1.5.3 Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn

Hình 1.17 Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn

UR 2R

20 b0

Uch

IN

If R

R

2R 2R

2R 2R

Ưu điểm: Số chủng loại R ít

Nhược điểm: Phải dùng nhiều điện áp chuẩn

1.5.4 Mạch biến đổi D/A với điện trở mắc hình thang

Hình 1.18 Mạch biến đổi D/A bằng phương pháp điện trở bậc thang

Mạch D/A trên hình 1.18 còn được gọi là mạch D/A mạng R/2R ladder cơbản Các điện trở trong mạch này chỉ biến thiên trong khoảng từ 2 đến 1

Từ hình 1.18 ta thấy được cách sắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị được

sử dụng là R và 2R Dòng IOUT phụ thuộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đầu vàonhị phân B0B1B2B3 chi phối trạng thái của các chuyển mạch này Dòng ra IOUT

được phép chạy qua bộ biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thànhđiện thế ra Ur Điện thế ngõ ra Ur được tính theo công thức:

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MODUL THÍ NGHIỆM 2.1 Các tham số kỹ thuật

2.1.1 Phần phát ( ITF-201A-T)

Nguồn tín hiệu bên trong: Sóng hình vuông 1 Hz (10 Vp-p) Giai điệu IC (2 bài hát)

Micro: Bên trong hoặc bên ngoài

Đầu vào bên ngoài:

Độ nhạy đầu vào: 0.1 V ÷ 10 V

Điện áp chịu đựng đầu vào: 100 V

Phương pháp truyền dẫn: Truyền dẫn tương tự và số

Bộ chuyển đổi A/D:

Chế độ: So sánh liên tiếp

Độ phân giải: 8 bits

Chu kỳ lấy mẫu: 0.5 ms ÷ 10 ms

Đầu ra:

Phương thức: Điều chế quang sử dụng LED

Độ dài bước sóng: 660nm

Phân cực: Tương tự / số / biến đổi

Phương pháp truyền dẫn dữ liệu: Phù hợp với RS-232

Bộ chuyển đổi DA:

Đầu vào DA: 8 bits

Công suất tiêu thụ: 15 VAmax

2.2 Mô tả quá trình hoạt động

Bộ mạch điện về truyền dẫn quang học ITF-210A bao gồm 9 khối chính:

- Phần phát (ITF-201A-T) gồm có 5 khối:

Nguồn cung cấp

Đầu vào

Bộ khuếch đại

Bộ chuyển đổi A/D

Bộ chuyển đổi E/O

- Phần thu (ITF-201A-R) gồm có 4 khối:

Nguồn cung cấp

Bộ chuyển đổi O/E

Bộ chuyển đổi D/A

Đầu ra

Tín hiệu vào, bộ chuyển đổi E/O, bộ chuyển đổi O/E và việc khôi phục lạitín hiệu có thể được nghiên cứu bằng sự kết nối phần phát (ITF-201A-T) tớiphần thu (ITF-201A-R) của bộ thí nghiệm thông qua một sợi cáp quang

2.2.1 Phần phát (ITF-201A-T)

Các tín hiệu truyền đã được chuyển đổi từ tín hiệu điện như là tín hiệu đến

từ bộ tạo tín hiệu hoặc tín hiệu âm thanh,… thành tín hiệu quang để truyền đi

Hình 2.1 Mặt trước của ITF-201A-T

 INPUT - ĐẦU VÀO

Tín hiệu đầu vào có thể được thay đổi cho việc thí nghiệm, gồm có tínhiệu:

 Tín hiệu một chiều

 AMPLIFIER - BỘ KHUẾCH ĐẠI

Bộ khuếch đại khuếch đại tín hiệu đầu vào và truyền chúng tới bộ chuyểnđổi tương tự/số hoặc trực tiếp tới mạch chuyển đổi điện/quang

 A/D CONVERTER - BỘ CHUYỂN ĐỔI A/D

Mạch chuyển đổi A/D chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số 8 bitsthông qua kỹ thuật làm tròn liên tiếp Kết quả tín hiệu song song 8 bits đượcchuyển đổi thành tín hiệu nối tiếp rồi được truyền tới bộ chuyển đổi điện/quang

 E/O CONVERTER - BỘ CHUYỂN ĐỔI E/O

Mạch này điều chế quang học các tín hiệu điện và truyền phát chúng nhưcác tín hiệu quang tới bên thu

2.2.2 Phần thu (ITF-201A-R)

Tín hiệu điều chế quang là đầu vào cho phần thu (ITF-201A-R) thông quasợi quang, nơi phần tử thu nhận ánh sáng rồi chuyển nó thành tín hiệu điện (bộchuyển đổi O/E) Tín hiệu điện đã khuếch đại có thể được quan sát như mộtdạng sóng trong máy hiện sóng hoặc được tái tạo như một dạng âm thanh

Tín hiệu quang đầu vào được chuyển thành tín hiệu điện sau đó đi qua bộchuyển đổi D/A và được khôi phục lại

Hình 2.2 Mặt trước của ITF-201A-R

 O/E CONVERTER - BỘ CHUYỂN ĐỔI O/E

Bộ chuyển đổi này biến đổi tín hiệu quang thu nhận được từ phía phátthành tín hiệu điện sử dụng một diode quang

 D/A CONVERTER - BỘ CHUYỂN ĐỔI D/A

Bộ chuyển đổi này biến đổi các tín hiệu quang nối tiếp thành các tín hiệusong song sau đó qua bộ chuyển đổi D/A để tạo ra các tín hiệu tương tự

 OUTPUT - ĐẦU RA

Tín hiệu tương tự đầu ra của mạch hoặc tín hiệu đã qua bộ chuyển đổi D/A,cho phép dẫn tín hiệu điện đã khuếch đại qua mạch khuếch đại loa để được táitạo như âm thanh

2.3 Sự truyền dẫn ánh sáng trong sợi quang

Sợi quang được sử dụng để truyền tín hiệu quang, là sợi vô cùng nhỏ bằngthủy tinh, nhựa hoặc những vật liệu tương tự Nó bao gồm hai lớp vật liệu đồngtâm có chiết suất khác nhau và một lớp vỏ bảo vệ bên ngoài

Hình 2.3 Cấu tạo của sợi quang

Phần trung tâm được gọi là lõi dùng để truyền dẫn tín hiệu quang Lớp bọcquanh lõi nhằm ổn định và giữ ánh sáng tập trung trong lõi

24

Mặt phân cách Môi trường I (n 1 )

Mối quan hệ này có thể được biểu diễn như sau:

θc=cos−1( n2

n1)

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được thiết kế với mộtlõi có chiết suất n1 và một lớp bọc có chiết suất n2 (n1>n2), tín hiệu quang truyềntrong lõi sợi quang sẽ phản xạ toàn phần tại mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc

Tia khúc xạ

2.4 Phân loại sợi quang

2.4.1 Phân loại theo chỉ số chiết suất

2.4.1.1 Sợi quang có chiết suất nhảy bậc (Step - Index : SI)

Loại này có chiết suất của lõi và lớp bọc khác nhau theo từng nấc Các tiasáng với các góc tới khác nhau từ nguồn quang đi vào đầu sợi sẽ truyền theo cácđường khác nhau nhưng với cùng một vận tốc Hiện tượng tán sắc làm hạn chếbăng thông của sợi quang và ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu Do SI có độ tánsắc lớn nên không thể truyền tín hiệu có tốc độ cao qua đường dẫn dài được Đểkhắc phục nhược điểm này người ta thiết kế loại sợi quang có chiết suất biến đổiđều GI

Hình 2.6 Sự truyền dẫn của sợi SI 2.4.1.2 Sợi quang có chiết suất biến đổi đều (Graded - Index : GI)

Loại này có dạng phân bố chiết suất trong lõi hình parabol, do chiết suấtcủa lõi biến đổi liên tục nên tia sáng truyền trong lõi bị uốn cong dần Đườngtruyền của các tia sáng trong sợi GI khác nhau với vận tốc cũng thay đổi theo.Sợi GI có độ tán sắc nhỏ hơn nhiều so với sợi SI

Hình 2.7 Sự truyền dẫn của sợi GI

26

n 1

2.4.2 Phân loại theo mode truyền dẫn

2.4.2.1 Sợi đa mode ( Multi mode : MM)

Sợi đa mode với đường kính lõi là 50 µm tới khoảng 100 µm có thể truyềnđược nhiều tia sáng cùng một lúc Sợi đa mode có thể có chiết suất nhảy bậchoặc chiết suất biến đổi đều

2.4.2.2 Sợi đơn mode ( Single mode : SM)

Sợi đơn mode với đường kính lõi nhỏ hơn 10 µm có dạng phân bố chiếtsuất nhảy bậc và chỉ truyền duy nhất một tia sáng, do đó độ tán sắc rất nhỏ nênbăng thông của sợi đơn mode rất rộng ( ≥ 10 GHz ) Vì vậy ngày nay sợi đơnmode được sử dụng rất phổ biến

2.4.3 Phân loại theo vật liệu điện môi

Sợi quang thủy tinh

Sợi quang bằng nhựa

Sợi quang phủ polyme

Sợi quang bằng nhiều vật liệu

2.5 Bộ phát quang (E/O conversion)

Bộ phát quang có chức năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang

2.5.1 Diode phát quang ( Light Emitting Diode : LED)

LED có cấu trúc đơn giản, tính tuyến tính tốt và tuổi thọ cao Nó có giáthành rẻ, độ tin cậy cao và các mạch điều khiển thì dễ sản xuất LED phần lớnđược sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ trung bình thấp trên khoảng cách ngắn.LED có cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p (chứa các lỗ trống tự do mangđiện tích dương) ghép với một khối bán dẫn loại n (chứa các điện tử tự do mangđiện tích âm) Tại vùng tiếp giáp p-n, điện tử và lỗ trống sẽ kết hợp với nhau tạothành các nguyên tử trung hòa Khi dòng điện di chuyển từ p sang n, điện tử sẽ