Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 8: Chuyển đổi tương tự - số, số - tương tự

Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 8: Chuyển đổi tương tự - số, số - tương tự trình bày các nội dung: Chuyển đổi tương tự - số, chuyển đổi số - tương tự, ghép nối bộ chuyển đổi với hệ vi xử lý. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

         Tr ườ ng Đ i H c Công Ngh   ạ ọ ệ

CH ƯƠ NG 8:

Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s , s ­t ự ố ố ươ ng t ự  

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s ự ố

2. Chuy n đ i s ­t ể ổ ố ươ ng t ự

3. Ghép n i b  chuy n đ i v i h  vi x   ố ộ ể ổ ớ ệ ử lý

 Đ i b  ph n tín hi u t  nhiên nh  ti ng nói, hình ạ ộ ậ ệ ự ư ế

nh, nhi t đ , t c đ ,…l i là các đ i l ng t ng t  

ả ệ ộ ố ộ ạ ạ ượ ươ ự

=> mu n đ a các tín hi u này vào m t h  th ng s  ố ư ệ ộ ệ ố ố

đ  x  lý, ta c n bi n đ i chúng sang d ng s  => ể ử ầ ế ổ ạ ố b   ộ

bi n đ i t ế ổ ươ ng t  (analog) sang s  (Digital), b  A/D,  ự ố ộ

th c hi n vi c s  hoá tín hi u tự ệ ệ ố ệ ương t ự

 M t m ch logic có ch c năng ngộ ạ ứ ượ ạ ược l i đ c g i là ọ

b  bi n đ i s  sang t ộ ế ổ ố ươ ng t  hay ng n  ự ắ g n là ọ b   ộ

D/A.

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s ự ố

diÖn sè rêi r¹c cã nhiÒu

c¸ch biÓu diÔn NÕu theo

Tæng qu¸t: tÝn hiÖu sè là SD, tư¬ng tù là SA

SD = bn­1 2n­1 + bn­2 2n­2 +… + b0 20Trong đó các h  s  ệ ố bk= 0 ho c 1 (v i k = 0  ặ ớ  n­1) và 

đ ượ c g i là bit ọ

 bn­1 : bit có nghĩa l n nh t (MSB) tớ ấ ương  ng v i c t ứ ớ ộ

đ ng đ u bên trái c a dãy mã s ứ ầ ủ ố

 b0 g i là bit có nghĩa nh  nh t (LSB)  ng v i c t đ ng ọ ỏ ấ ứ ớ ộ ứ

đ u bên ph i c a dãy mã s ầ ả ủ ố

 M i bi n đ i c a tín hi u là m t m c lỗ ế ổ ủ ệ ộ ứ ượng t  (m t ử ộ

n c c a hình b c thang).ấ ủ ậ

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s   ự ố

(tt)

V i m t m ch bi n đ i có N bit t c là có N s  h ng trong t  ớ ộ ạ ế ổ ứ ố ạ ừ

mã nh  phân thì m t n c trên hình b c thang chi m m t giá tr ị ộ ấ ậ ế ộ ị

UAmax: giá tr  c c đ i cho phép tị ự ạ ương  ng c a đi n áp ứ ủ ệ

tương t    đ u vào A/D. Q : m c lự ở ầ ứ ượng tử

 Do tín hi u s  là tín hi u r i r c nên trong quá trình chuy n ệ ố ệ ờ ạ ể

đ i A/D xu t hi n m t sai s  g i là sai s  lổ ấ ệ ộ ố ọ ố ượng t  hoá, đử ược xác đ nh:ị

Khi chuy n đ i A/D ph i th c hi n l y m u tín hi u tể ổ ả ự ệ ấ ẫ ệ ương 

t  Đ  đ m b o ự ể ả ả khôi ph c l i tín hi u m t cách trung th c ụ ạ ệ ộ ự  

t n s  l y m u ph i tho  mãn đi u ki n sau: ầ ố ấ ẫ ả ả ề ệ fM  2 fthmax  2B

fthmax là t n s  c c đ i c a tín hi u ầ ố ự ạ ủ ệ

tương t ự

B là d i băng t n c a tín hi u tả ầ ủ ệ ương t ự

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s   ự ố (tt)

 Theo thuyết lượng tử hoá, quá trình lượng tử hoá sinh ra tạp âm, tạp âm này phản ánh khi thực hiện phép biến

đổi ngược DA, có thể coi quá trình lượng tử hoá là quá trình cộng tín hiệu XA và tín hiệu tạp âm Xta, người

ta chứng minh được tạp âm lượng tử hoá có thể coi là tạp

âm trắng, khi -Q/2≤ XA ≤ Q/2

 Mật độ phổ công suất của tạp âm:

◦ : giá trị trung bình bình phương của điện áp tạp âm

 Nếu nối với một điện trở tải, công suất tạp âm phản ảnh

ở tải:

 Tỉ số tín hiệu tạp âm S/N được xác định:

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ưs   ự ố

(tt)

b) Các tham s  c  b nố ơ ả

i. D i bi n đ i c a đi n áp tín hi u t ả ế ổ ủ ệ ệ ươ ng t    đ u vào:  ự ở ầ

là kho ng đi n áp mà b  chuy n đ i A/D th c hi n đả ệ ộ ể ổ ự ệ ược, 

có giá tr  đi n áp t  ­UAm ị ệ ừ  +Uam

ii. Đ  chính xác c a b  chuy n đ i A/D ộ ủ ộ ể ổ

.Đ  phân bi t Q ộ ệ : là giá tr  c a m t m c lị ủ ộ ứ ượng t  hoá (1 ử

LSB) là s  các s  h ng c a mã s  đ u ra tố ố ạ ủ ố ầ ương  ng v i ứ ớ

d i bi n đ i c a đi n áp vào. ả ế ổ ủ ệ

Ví d : 1 b  A/D có s  bit đ u ra N=12 có th  phân bi t đ ụ ộ ố ầ ể ệ ượ c  212= 4096 m c trong d i bi n đ i đi n áp c a nó ứ ả ế ổ ệ ủ

.Trong th c t , thự ế ường dùng s  bit N  ố đ  đ c tr ng cho đ  ể ặ ư ộchính xác (d i biên đ  đi n áp vào coi nh  không đ iả ộ ệ ư ổ ). 

.Thông thường các b  A/D có s  bit t  3 ộ ố ừ 12. Có nh ng b  ữ ộA/D đ t đ  chính xác 14 ạ ộ 16 bit

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s   ự ố

(tt)

 Liên quan đến độ chính độ chính xác còn có các sai số khuếch đại, méo phi tuyến…

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ưs   ự ố (tt)

  T c đ  chuy n đ i:  ố ộ ể ổ cho bi t k t qu  chuy n đ i ế ế ả ể ổ

trong 1giõy được g i là t n s  chuy n đ i ọ ầ ố ể ổ fC, phản

ảnh khả năng làm việc thời gian thực của hệ thống, trong hệ thống viễn thông nó là thông số tích luỹ

độ trễ của tín hiệu, fC phải càng lớn càng tốt T c ố

đ  chuy n đ i ộ ể ổ fC càng l n thỡ đ  chớnh xỏc Q càng ớ ộ

gi m.ả

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ưs   ự ố (tt)

c.Các bướ ơ ảc c  b n c a quá trình bi n đ i A/Dủ ế ổ

Đ  chuy n đ i tín hi u tể ể ổ ệ ương t  thành tín hi u s  ph i qua 3 ự ệ ố ả

 L y m u ấ ẫ tín hi u tệ ương t  t i nh ng th i đi m khác nhau ự ạ ữ ờ ể

và cách đ u nhau (r i r c hoá tín hi u v  m t th i gian); ề ờ ạ ệ ề ặ ờ

Gi  m u ữ ẫ cho biên đ  đi n áp t i các th i đi m l y m u ộ ệ ạ ờ ể ấ ẫ

không đ i trong quá trình chuy n đ i ti p theo.ổ ể ổ ế

 Tín hi u ra m ch l y m u đệ ạ ấ ẫ ược đ a đ n m ch ư ế ạ lượng t  ử

hoá đ  làm tròn v i đ  chính xác ± Q/2 . M ch l ng t  hoá ể ớ ộ ạ ượ ử

có nhi m v  r i r c tín hi u tệ ụ ờ ạ ệ ương t  v  m t biên đ  Nh  ự ề ặ ộ ờquá trình lượng t  hoá m t tín hi u tử ộ ệ ương t  b t k  đự ấ ỳ ược 

bi u di n b i m t s  nguyên l n m c lể ễ ở ộ ố ầ ứ ượng t , nghĩa là:ử

.XAi là tín hi u tệ ương t    th i đi m iự ở ờ ể

.ZDi: tín hi u s    th i đi m iệ ố ở ờ ể

.Q: M c lứ ượng tử

.ΔXAi: S  d  trong phép lố ư ượng t  hoáử

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s   ự ố (tt)

  Trong m ch ạ mã hoá, k t qu  l ng t  hoá đ c s p ế ả ượ ử ượ ắ

x p l i theo m t quy lu t nh t đ nh ph  thu c vào ế ạ ộ ậ ấ ị ụ ộ

lo i mã yêu c u trên đ u ra c a b  chuy n đ i. Trong ạ ầ ầ ủ ộ ể ổnhi u lo i m ch A/D quá trình lề ạ ạ ượng t  hoá và mã ử

hoá x y ra đ ng th i, không th  tách r i hai quá trình ả ồ ờ ể ờđó

 Phép lượng t  hoá và phép mã hoá đử ược g i chung là ọ

m ch chuy n đ i A/D.ạ ể ổ

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s   ự ố

(tt)

d.  M t s  ph ộ ố ương pháp chuy n ể

đ i A/D:ổ

i. Bi n đ i song song ế ổ : tín hi u ệ

được so sánh cùng m t lúc v i ộ ớ

nhi u giá tr  chu n. Do đó t t c  ề ị ẩ ấ ả

các bit được xác đ nh đ ng th i ị ồ ờ

và đ a đ n đ u raư ế ầ .

.T¹i c¸c ®Çu ra bé so s¸nh:

nÕu ®iÖn ¸p vào > ®iÖn ¸p

chuÈn: cho møc logic là 1, nÕu

®iÖn ¸p vào < ®iÖn ¸p chuÈn:

ii. Bi n đ i n i ti p theo mã đ m ế ổ ố ế ế

cách đ m s  l ế ố ượ ng giá tr  chu n có th  ch a đ ị ẩ ể ứ ượ c trong giá tr   ị tín hi u t ệ ươ ng t  c n chuy n đ i.  ự ầ ể ổ

◦ Đi n áp vào UA đ ệ ượ c so sánh v i đi n áp chu n d ng răng c a  ớ ệ ẩ ạ ư

UC nh  b  so sánh SS1. Khi UA>UC thì SS1=1, khi UA<UC thì  ờ ộ SS1=0.

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s   ự ố

(tt)

UC

ii. Bi n đ i n i ti p theo mã đ m  ế ổ ố ế ế

o B  t o xung răng c a là m t b  tích phân: ộ ạ ư ộ ộ

o       

có sai số. fn t n s  xung nh p, ph i đ  l n đ  đ t đ ầ ố ị ả ủ ớ ể ạ ượ c đ  chính  ộ xác c n thi t ầ ế

ii. Bi n đ i n i ti p theo mã đ m (tt) ế ổ ố ế ế

iii. Bi n đ i n i ti p theo mã nh  phân ế ổ ố ế ị

o.Quá trình so sánh được th c hi n l n lự ệ ầ ượ ừt t ng bước theo quy lu t mã nh  phân. Các đ n v  chu n dùng đ  so ậ ị ơ ị ẩ ểsánh l y các giá tr  gi m d n theo quy lu t mã nh  phân, ấ ị ả ầ ậ ị

do đó các bit được xác đ nh l n lị ầ ượ ừt t  bit có nghĩa l n ớ

nh t (MSB) đ n bit có nghĩa nh  nh t (LSB)ấ ế ỏ ấ

iv. Bi n đ i song song ­ n i ti p k t h p ế ổ ố ế ế ợ

◦Trong phương pháp này, qua m i bỗ ước so sánh có th  ểxác đ nh đị ượ ốc t i thi u là 2 bit đ ngth i.ể ồ ờ

1. Chuy n đ i t ể ổ ươ ng t ­s   ự ố

(tt)

a) Khái ni m chung:ệ

Chuy n đ i s ­tể ổ ố ương t  (D/A) là quá trình tìm l i tín hi u ự ạ ệ

tương t  t  N s  h ng (N bit) đã bi t c a tín hi u s , v i đ  ự ừ ố ạ ế ủ ệ ố ớ ộchính xác là m t m c lộ ứ ượng t  t  1 LSB.ử ừ

Chuy n đ i D/A không ph i là phép ngh ch đ o c a chuy n ể ổ ả ị ả ủ ể

đ i A/D, vì không th  th c hi n phép ngh ch đ o c a quá trình ổ ể ự ệ ị ả ủ

lượng t  hóa.ử

2.  Chuy n đ i s ­t ể ổ ố ươ ng t ự

   ­ Đ  phân gi i cho bi t kh  năng ph c h i chính xác  ộ ả ế ả ụ ồ

đi n th  t ệ ế ươ ng t  c a m t b  bi n đ i ự ủ ộ ộ ế ổ

iii.Đ  chính xác: ộ

.Đ  sai l ch toàn thang:  ộ ệ là đ  l ch c c đ i c a  ộ ệ ự ạ ủ

0,1% * 10 V = ± 10 mV

.Đ  sai l ch tuy n tính:  ộ ệ ế Đ  tuy n tính sai phân là  ộ ế

theo %. 

V × 0,01 % = 0,0625 mV.

b. Tham s  chính c a b  D/A ố ủ ộ

= (Kích th ướ c b ướ c /VFS) × 100%

 Th i gian xác l p:  ờ ậ th  hi n t c đ  ho t đ ng c a b   ể ệ ố ộ ạ ộ ủ ộ

bi n đ i. Đây là th i gian c n thi t đ  l i ra c a b  D/A  ế ổ ờ ầ ế ể ố ủ ộ

bi n đ i t  0 đ n giá tr  l n nh t c a thang t ế ổ ừ ế ị ớ ấ ủ ươ ng  ng  ứ

v i đ u vào nh  phân bi n thiên t  “0” đ n toàn “1” ớ ầ ị ế ừ ế

Trong th c t , th i gian xác l p đ ự ế ờ ậ ượ c đo khi đ u ra  ầ xác l p đ ậ ượ c ± ½ l n c a b ớ ủ ướ c. Ví d , m t b  D/A có đ   ụ ộ ộ ộ phân gi i là 10mV, th i gian xác l p đ ả ờ ậ ượ c đo khi đ u ra đ t  ầ ạ

5 mV c a giá tr  toàn thang ủ ị

 Đi n th  d ch:  ệ ế ị M t D/A lý t ộ ưở ng s  có đi n th  trên đ u  ẽ ệ ế ầ

ra c a nó đúng b ng không khi tín hi u nh  phân trên đ u  ủ ằ ệ ị ầ vào l y giá tr  toàn “0”.  ấ ị

Trên th c t , đi u này khó đ t đ ự ế ề ạ ượ c và trên đ u ra  ầ

c a b  D/A luôn t n t i m t đi n th  nh  Đi n th  này có  ủ ộ ồ ạ ộ ệ ế ỏ ệ ế tên là đi n th  d ch. Đi n th  d ch s  gây ra sai l ch giá tr   ệ ế ị ệ ế ị ẽ ệ ị

đi n th  bi n đ i, g i là l i tr ệ ế ế ổ ọ ỗ ượ t. Đ  tránh l i tr ể ỗ ượ t, c n  ầ

ph i hi u ch nh đi n th  d ch ả ệ ỉ ệ ế ị

b. Tham s  chính c a b  D/A ố ủ ộ

qChuy n đ i D/A b ng ph ể ổ ằ ươ ng pháp thang đi n tr : ệ ở

c.  M t s  ph ộ ố ươ ng pháp chuy n đ i D/A ể ổ

­  Đ u vào b  KĐTT là m t thang  ầ ộ ộ

đi n tr , tr  s  phân b  theo mã  ệ ở ị ố ố

nh  phân, các đi n tr  lân c n  ị ệ ở ậ

nhau h n kém nhau 2 l n ơ ầ

­  Tín hi u đi u khi n là tín hi u s   ệ ề ể ệ ố

c n chuy n đ i. Bit LSB đ ầ ể ổ ượ c đ a  ư

đ n đi u khi n khóa n i v i đi n  ế ề ể ố ớ ệ

tr  l n nh t R, bit có nghĩa l n h n  ở ớ ấ ớ ơ

ti p đó đ ế ượ c đ a đ n đi u khi n  ư ế ề ể

khóa n i v i đi n tr  nh  h n  ố ớ ệ ở ỏ ơ

R/2  và MSB đi u khi n khóa n i  ề ể ố

v i đi n tr  nh  nh t ớ ệ ở ỏ ấ

­ N u m t bít có giá tr  "O" thì khóa t ế ộ ị ươ ng  ng n i đ t và  ứ ố ấ

n u m t bít có giá tr  "1" thì khóa K t ế ộ ị ươ ng  ng n i v i  ứ ố ớ

ngu n đi n áp chu n Uch đ  t o nên m t dòng đi n t  l   ồ ệ ẩ ể ạ ộ ệ ỷ ệ ngh ch v i tr  s  đi n tr  c a nhánh đó, ie, Io có giá tr  bé  ị ớ ị ố ệ ở ủ ị

­ Chuy n đ i D/A theo phể ổ ương pháp này yêu c u tr  s  c a ầ ị ố ủ

các đi n tr  ph i r t chính xác. Ví d  đi n tr  nh  nh t R/(2N­1) ệ ở ả ấ ụ ệ ở ỏ ấ

ph i chính xác đ n m c sai s  dòng đi n qua đó không vả ế ứ ố ệ ượt quá 

1 LSB, v i N=16 thì sai s  này kho ng 0,5%.ớ ố ả

­ Các dòng đi n b ng nhau = Io ệ ằ

­ Khi m t bít nào đó c a tín hi u đi u khi n là "0" thì Io  ộ ủ ệ ề ể

t ươ ng  ng v i bít đó b  ng n m ch qua khóa xu ng đ t.  ứ ớ ị ắ ạ ố ấ

Ng ượ ạ c l i, n u tín hi u đi u khi n là "1" thì Io  ng v i bít  ế ệ ề ể ứ ớ

đó đ ượ c d n t i đ u vào b  khuy ch đ i qua m ng đi n  ẫ ớ ầ ộ ế ạ ạ ệ

tr ở

.M ng đi n tr  làm nhi m v  phân dòng.ạ ệ ở ệ ụ

.Vì đi n tr  nhánh ngang b ng m t n a đi n tr  nhánh d c, nên ệ ở ằ ộ ử ệ ở ọdòng đi qua m i khâu đi n tr  thì gi m đi m t n a. Dòng đi n ỗ ệ ở ả ộ ử ệ

ng

ứ

v i LSB đi qua N­1 khâu đi n tr , dòng đi n  ng v i bit có ớ ệ ở ệ ứ ớ

nghĩa l n h n đi qua N­2 khâu và dòng  ng v i MSB đớ ơ ứ ớ ược 

đ a tr c ti p đ n đ u b  khuy ch đ i.ư ự ế ế ầ ộ ế ạ

.K t qu  là các dòng đi n   c a vào b  khuy ch đ i có tr  s  ế ả ệ ở ử ộ ế ạ ị ố

tương  ng v i bit mà nó đ i di n. Chúng có tr  s  gi m d n t  ứ ớ ạ ệ ị ố ả ầ ừMSB đ n LSB theo mã nh  phân.ế ị

.Đi n tr    nhánh ngang cu i cùng có giá tr  s  là 2R b ng ệ ở ở ố ị ố ằ

đi n tr  nhánh d c đ  đ m b o s  phân dòng cho iN­2= I0/2   ệ ở ọ ể ả ả ự ởkhâu cu i cùng cũng gi ng nh  các khâu trố ố ư ước

(tt)