Đồ Án: Chuyển Đổi ADC

Các vấn đề của chương gồm: - Cơ sở lý luận: Khái niệm chung về chuyển đổi A/D, D/A, các tham số cơ bản, giảibiến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào, độ chính xác của qúa trình chu

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công

nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Ngành Cơ-Điện-Điện Tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Để thúc đẩy nề kinh tế của đất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ trẻ đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy

thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xã hội Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM là một trong số những trường đã rất chú trọng đến việc hiện

đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp sinh viên

có khả năng thực tế cao.

Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc thiết kế, chế tạo

chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D DÙNG OP-AMP ”nhằm củng cố về mặt kiến thức thực tế, tổng hợp và nâng cao kiến

thức chuyên nghành

Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng với sự nỗ lực cố gắng, tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến nay đồ án của em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo trong khoa để đồ án của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo cùng với các thầy cô giáo trong khoa đã giúp chúng em hoàn thành đồ án.

LỜI CẢM ƠN

ời đầu tin em xin chân thành cảm ơn tất cả quí thầy/cô giáo đã hướng dẫn

và chỉ bảo hết sức tận tình trong thời gian em làm Đồ án Môn Học 1 vừa qua, đặc biệt là khoa Cơ - Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em hòan thành đồ án này Em cũng vô cùng biết ơn Cô/Thầy

MỤC LỤC

 LỜI MỞ ĐẦU .2

 LỜI CẢM ƠN .3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 NỘI DUNG 1.2.1 Cơ sở lý luận 1.2.1.1 Khái niệm chung 1.2.2.1 Các tham số cơ bản 1.2.2.1.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D 1.2.2.1.3 Tốc độ chuyển đổi 1.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI A/D  CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MỘT SỐ LOẠI LINH KIỆN CÓ TRONG MẠCH 2.1 IC ổn áp 7805 2.2 IC mã hóa 74LS148 2.3 IC LM339N CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 12

3.1 Sơ Đồ Khối

3.2 Sơ Nguyên Lý 13

3.2.1 Lấy mẫu 13

• Lấy mẫu tính hiệu 13

3.2.2 Mạch ADC song song 14

• Lượng tử hóa 15

• Mã hóa 17

• Thi Công Mạch 20

 KẾT LUẬN 21

 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Chương này nêu lên nguyên tắc chung chuyển đổi tín hiệu tương tự (Analog) thành tín hiệu

số (Digital) A/D và chuyển đổi tín hiệu số (Digital) thành tín hiệu tương tự (Analog) D/A Nêumột số mạch điện để thực hiện các quá trình đó Các vấn đề của chương gồm:

- Cơ sở lý luận: Khái niệm chung về chuyển đổi A/D, D/A, các tham số cơ bản, giảibiến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào, độ chính xác của qúa trình chuyển đổiA/D, tốc độ chuyển đổi

- Các bước chuyển đổi A/D: lấy mẫu và giữ mẫu, lượng tử hoá, mã hoá

- Các phương pháp chuyển đổi A/D

+ Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song

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

+ Chuyển đổi A/D theo phương pháp hai sườn dốc

So sánh các phương pháp chuyển đổi A/D

- Chuyển đổi A/D phi tuyến: đặc tính của chuyển đổi A/D phi tuyến, đặc tính của bộchuyển đổi D/A phi tuyến Đặc tính của bộ chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến thực tế

- Các phương pháp chuyển đổi D/A

+ Các bước chyuển đổi D/A

+ Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở

+ Chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở

1.2 NỘI DUNG

1.2.1 Cơ sở lý luận

1.2.1.1 Khái niệm chung

Để ghép nối giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số người ta dùng các mạchchuyển đổi tương tự - số (viết tắt là A/D) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang dạng số Hoặcdùng mạch chuyển đổi số - tương tự (viết tắt là D/A) trong trường hợp cần biến đổi số sang dạngtương tự

1.2.2.1 Các tham số cơ bản

1.2.2.1.1 Giải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào

Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi A/D thực hiện được Khoảng điện áp đó có thể lấy trị

số từ 0 đến giá trị dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính từ -UAm đến+Uam

1.2.2.1.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D

Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của bộ A/D là độ phân biệt Ta biết rằng đầu

ra của bộ A/D là các giá trị số sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó Số các số hạng của

mã số đầu ra tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào, cho biết mức chính xác của phép biếnđổi

1.2.2.1.3 Tốc độ chuyển đổi:

Tốc độ chuyển đổi cho biết kết quả chuyển đổi trong một giây được gọi là tần số chuyểnđổi fC Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi

TC là thời gian cần thiết cho một kết quả chuyển đổi Chú ý rằng fC ≠ 1

Thường fC 1 Khi bộ chuyển A/D có tốc độ cao thì độ chính xác giảm hoặc ngược lại,nghĩa là tộc độ chuyển đổi và độ chính xác mâu thuẫn với nhau Tuỳ theo yêu cầu sử dụng màdung hoà giữa các yêu cầu đó một cách hợp lí

1.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI A/D

Có nhiều phương pháp chuyển đổi A/D, người ta phân ra bốn phương pháp biến đổi sau:

- Biến đổi song song Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu được so sánh cùngmột lúc với nhiều giá trị chuẩn Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra

- Biến đổi nối tiếp theo mã đếm: Ở đây quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bướctheo quy luật của mã đếm Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trịchuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi

- Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bướctheo quy luật mã nhị phân Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quyluật mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có nghĩa lớn nhất (MSB) đến bit cónghĩa nhỏ nhất (LSB)

- Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong phương pháp này, qua mỗi bước so sánh có thểxác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời

Hình 1.1: Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng và thực của mạch chuyển đổi A/D

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MỘT SỐ LOẠI LINH KIỆN CÓ

TRONG MẠCH

2.1 Giới Thiệu IC ổn áp 7805

Có lẽ 7815 là mạch nguồn mà mọi người sử dụng nhiều nhất và thông dụng nhất

- Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ lắm ráp

- Nhược điểm: Nhiệt sinh cao, dòng chịu không được cao

Dựa vào bảng sự thật, ta thấy IC làm việc theo 10 trạng thái:

- Các trạng thái từ 0 đến 7: IC mã hóa cho ra số 3 bit

- Các trạng thái 8 và 9: dùng cho việc mở rộng, sẽ giải thích rõ hơn khi nối 2 IC để mởrộng mã hóa cho số 4 bit

Hình 2.4: Bảng Sự Thật IC 74LS148

• Các đặc điểm của IC 74LS148

Chức năng IC: Bộ mã hóa 8 đường sang 3 đường

Số cổng: 16Điện áp sử dụng (max): 4.75V - 5.25VĐiện áp vào tối đa: 5.5V

VIL – VIH: 0.8V - 2.0Kiểu chân: DIP16

Hình 2.5: Sơ đồ chân IC 74LS148

2.3 Giới Thiệu IC LM339

Hình 2.6: IC LM 339N thực tế

• Cấu tạo

IC so sánh LM339N gồm bốn bộ so sánh độc lập, với điện áp offset thấp cỡ 2mV cho cả 4

bộ so sánh LM339N được thiết kế để làm việc với một nguồn đơn trong dải điện áp rộng nhưngcũng có thể hoạt động từ nguồn kép Dòng điện cung cấp cho cực máng LM339N độc lập vớinguồn cung cấp LM339 có đặc điểm nổi bật là vùng điện áp mode chung đầu vào bao gồm cảđất, ngay cả khi hoạt động từ nguồn đơn.Các đặc điểm của LM 339N

• Các đặc điểm của LM 339N

Model: 14 chân, xuyên lỗĐiện áp: 3V - 36V (Nguồn đơn)Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ C

Hình 2.7: Sơ đồ chân IC LM339N

CHƯƠNG III: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ SƠ ĐỒ

Kĩ thuật biến đổi tương tự – số ADC

Ghi chú: XAi: tín hiệu tương tự ở thời điểm i

Z : tín hiệu số ở thời điểm i

Digital Analog

3.2. Sơ Nguyên Lý Và Tính Toán

3.2.1 Lấy Mẫu

• Lấy Mẫu Tính Hiệu

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 mản :

Hình 3.1: Tín hiệu tương tự và tín hiệu sau khi lượng tử và rời rạc hoá

3.2.2 Mạch ADC Song Song

KÉO RA CÓ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ BÊN TRONG :D

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch ADC song song

Tại các đầu ra bộ so sánh: nếu điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn: cho mức logic là 1, vànếu điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn: cho mức logic là 0 Bộ mã hóa biến đổi tín hiệu vào dướidạng mã đếm thành mã nhị phân

Trong phương pháp này, điện áp cần lượng tử hóa được so sánh đồng thời với các mứcđiện áp chuẩn, sai khác nhau một bước lượng tử q Kết quả so sánh xuất hiện đồng thời ở đầu racác bộ so sánh tương tự và chúng được chuyển thành số nhị phân N bit ở cửa ra mạch chuyển đổimã

Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch ADC song song

Sơ đồ trên là mạch chuyển đổi ADC 3 bit Phân áp điện trở thành các mức điện áp chuẩn Bước lượng tử q được xác định như sau:

Tín hiệu logic ở đầu ra bộ so sánh phụ thuộc vào quan hệ giữa và với là các giá trị điện ápvào chân âm của các bộ so sánh ( k = 1, 2, 3,…,7) Mạch chuyển đổi mã biến mã ở đầu ra của các

Sau khi thực hiện giới hạn đầu tiên đối với biên độ tương ứng với dải mẫu, đến lượt mỗimẫu sẽ được so sánh với một tập hợp các mức lượng tử và gán vào một mức xấp xỉ với nó Quiđịnh rằng tất cả các mẫu trong cùng khoảng giữa hai mức lượng tử được xem có cùng giá trị Sau

đó giá trị gán được dùng trong hệ thống truyền Sự phục hồi hình dạng tín hiệu ban đầu đòi hỏithực hiện theo hướng ngược lại

Hình 3.4: Lượng tử hóa tín hiệu rời rạc

Mạch chia áp :

bộ so sánh Thang điện trở được thiết kế đảm bảo cho các mức điện áp chuẩn giảm dần đều theocác bước lượng tử:

Độ phân giải :

Giá trị của mỗi điểm mẫu sẽ được lưu giữ bằng một biến có chiều dài xác định.Nếu biến này

dùng 3 bits, thì có nghĩa là nó có thể lưu giữ các giá trị từ 0 tới 7 ( ).

Cho nên,nệệ́u như dùng ADC 3-bit ,giá trị thấp nhất là 0 và giá trị cao nhất là 7

Bộ So Sánh :

ADC song song sử dụng bộ so sánh mà so sánh điện áp tham chiếu với điện áp đầu vàotương tự Khi điện áp tương tự vượt quá điện áp tham chiếu cho một so sánh được đưa ra, một

cao được tạo ra Nói chung ( ) bộ so sánh được yêu cầu Vì vậy, cho một chuyển đổi 3-bit 7 bộ so

sánh được yêu cầu Tuy nhiên ADC song song cung cấp một thời gian chuyển đổi nhanh vì quátrình song song

Trong phần thiết kế này được sử dụng các bộ sánh các giá trị điện áp với cácmức Thực chất đây là các bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng OPAMP

Hình 3.5: Sơ đồ khối bộ so sánh

Hiểu một cách đơn giản thì bộ so sánh này so sánh 2 mức tín hiệu đầu vào Nếu( với là điện áp tín hiệu cần so sánh, là mức điện áp chuẩn) thì tại đầu ra mang mức giá trị 1; nếuthì tại đầu ra mang mức giá trị 0

Điện Áp Chuẩn :

Chọn điện áp chuẩn để lấy mẫu là 5V.

- Như vậy bước lượng tử là:

• Mã Hóa

Với mạch chuyển đổi ADC song song có độ phân giải 3 bit, ta có = 7 bộ so sánh, như vậy ta

có 7 tín hiệu đầu ra ứng với 7 bộ so sánh Mặt khác độ phân giải của mạch là 3 bit nên cần phải

có bộ giải mã chuyển 7 tín hiệu đầu ra từ các bộ so sánh sang

3 bit nhị phân Trong phần thiết kế này, chúng tôi sử dụng IC74LS148D Đây là bộ giải mã 8-3 (từ 8 đường sang 3

Mạch mã hoá 8 đường sang 3 đường còn gọi là mã hoá bát phân sang nhị phân (có 8 ngõvào chuyển thành 3 ngõ ra) dạng số nhị phân 3 bit Trong bất cứ lúc nào cũng chỉ có 1 ngõ vào ởmức tích cực tương ứng với chỉ một tổ hợp mã số 3 ngõ ra; tức là mỗi 1 ngõ vào sẽ cho ra 1 mã 3

Với Điển áp U = 5V, Bước lượng tử

Hình 3.9

Sơ Đồ Mạch In

Hình 3.10

KẾT LUẬN

Chuyển đổi tương tự - số hiện vẫn là một trong những phần thiết yếu của công nghệ Điện tử

- Viễn thông hiện nay Chuyển đổi ADC theo phương pháp song song vẫn đang và sẽ được ứngdụng nhiều và trở thành những yếu tố quan trọng trong các hệ thống Điện tử - Viễn thông tiêntiến

Việc tính toán và phân tích tín hiệu trên các mạch chuyển đổi tương tự - số bằng các phầnmềm mô phỏng chuyên dụng không những giúp chúng ta thực tế hóa những kiến thức, hiểu biết,

kỹ năng tính toán và phân tích tín hiệu giúp em hiểu rõ hơn về cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạtđộng trong của các bộ chuyển đổi ADC Đồng thời qua việc tính toán và phân tích tín hiệu đãgiúp em có được cái nhìn tổng quan hơn về các bộ chuyển đổi ADC, biết được những ưu điểm,nhược điểm của mạch

Mạch chuyển đổi ADC theo phương pháp song song, có tốc độ chuyển đổinhanh vì quá trình so sánh được chuyển đổi song song nhưng kết cấu mạch phức tạp cần nhiềulinh kiện nên thường được ứng dụng trong các mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải nhỏ.

Trong quá trình nghiên cứu, tính toán và phân tích mạch, em mặc dù đã đầu tư thời gian,công sức tìm hiểu về mạch nhưng vì vốn kiến thức còn hạn chế nên bài tập lớn này vẫn còn nhiềuthiếu xót như chưa tìm hiểu và mô phỏng trên nhiều linh kiện khác nhau để phân tích sự ảnhhưởng của linh kiện đến chất lượng đầu ra của tín hiệu Kính mong các thầy cô trong hội đồngchấm thi góp ý, sửa đổi, và bổ sung thêm để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn!

CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢOGiáo trình

 Điện Tử Tương Tự 1

 Điện Tử Tương Tự 2

 Kỹ Thuật Số

 Cấu Kiện Điện Điện Tử

Trang internet nghiên cứu:

http:// www.alldatasheet.com

http://www.tailieu.vn

http://www.dientuvietnam.net