Bài giảng kỹ thuật số P10

Bước tiếp theo, bộ chuyển đổi tương tự – số A/D chuyển đổi các mẫu nghiệm liên tục theo giá trị và đã đươc rời rạc hoá theo thời gian đó thành tín hiệu lượng tử hoá theo giá trị và biểu

CHƯƠNG 6

GIAO TIẾP TƯƠNG TỰ - SỐ

6.1 BIẾN ĐỔI ADC

6.2.1 Khái niệm

Bộ biến đổi tương tự sang số (ADC) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xử lí

thông tin khi mà các luồng tín hiệu đưa vào hệ vi xử lí là tín hiệu dạng tương tự

Các bộ chuyển đổi thực hiện hai chức năng cơ bản là lượng tử hóa và mã hóa

Lượng tử hóa là gán những giá trị của một tín hiệu tương tự vào vùng các giá trị

rời rạc sinh ra trong quá trình mã hóa Đối với ADC ta cũng dùng các loại mã số

như nhị phân, BCD, bù một, bù hai

Quá trình lấy mẫu (Sampling)

Bước đầu tiên trong chuyển đổi tương tự – số là rời rạc hoá theo thời gian tín

hiệu đầu vào ban đầu Việc lấy mẫu như vậy được bộ phận lấy mẫu và giữ –

Sample & Hold Circuit (S&H) thực hiện

Bước tiếp theo, bộ chuyển đổi tương tự – số A/D chuyển đổi các mẫu nghiệm

liên tục theo giá trị và đã đươc rời rạc hoá theo thời gian đó thành tín hiệu lượng

tử hoá theo giá trị và biểu diễn dưới dạng số nhị phân

Phải chọn tần số lấy mẫu sao cho các trị lấy mẫu có thể đặc trưng cho tín hiệu

ban đầu mà không bị tổn thất thông tin (fsample ≥ 2 fmax)

Mạch lấy mẫu và dừng S&H

Trong kỹ thuật chuyển đổi tương tự – số, tín hiệu tương tự biến thiên liên tục

theo thời gian u(t) được lấy mẫu ở những thời điểm nhất định, và giá trị tín hiệu

nhận được sẽ được lưu giữ trong một khoảng thời gian định trước Trong nhiều bộ

chuyển đổi A/D, tín hiệu phải được giữ không đổi trong suốt thời gian chuyển

đổi Để thực hiện việc đó, dùng mạch Track-and-Hold – T&H

Cấu trúc cơ bản của mạch T&H

Sau mỗi lần mở chuyển mạch, tụ điện nạp đến giá trị điện áp đầu vào u vao (t) và

lưu giữ giá trị tức thời của điện áp đầu vào trước thời điểm mở chuyển mạch Cả

hai bộ khuyếch đại thuật toán làm bộ đệm buffer cho đầu vào cũng như đầu ra

Một khả năng khác thực hiện mạch T&H

Một transistor trường FET (Isolated – Gate – FET) được mắc giữa KĐTT đảo pha

và KĐTT tích phân Khi u samp= 0, transistor FET sẽ dẫn và điện áp đầu ra u ra

tương ứng điện áp đầu vào âm u vao, giả thiết hằng số thời gian tích phân của

KĐTT tích phân (được xác định bởi dòng điện đầu ra cực đại của KĐTT) là đủ

nhỏ Vào thời điểm t = t0, transistor trường khoá, như vậy việc nạp tụ (điện áp tụ

điện) không đổi và điện áp đầu ra u ra được giữ lại ở mức giá trị u ra (t) = u ra

( t0), cho đến khi transistor trường lại được điều khiển mở mạch Khi FET đóng,

các diode sẽ dẫn và nhờ đó mà tránh được hiện tượng KĐTT bị quá điều khiển

Chuyển đổi song song (Flash Converter, giải điều nhiều lần) Để có thể tiến

hành chuyển đổi cực nhanh, người ta sử dụng các chuyển đổi song song, còn

được gọi là Flash Converter hay bộ giải điều nhiều lần Trong kiểu chuyển đổi

này, điện áp cần chuyển đổi sẽ được đồng thời so sánh cân bằng với (2N −1)

Bộ chuyển đổi A/D 3 bit với các bộ so song song 2N ref 8

ref

Hình N3.4.15 – Phần chủ yếu của chuyển đổi song song là(2N −1) bộ so sánh, hoạt động chức

năng mạch so sánh với điện áp ra u ra =+U B tương ứng tín hiệu logic K=1, nhưng

nếu u ra =−U Bthì tương ứng K=0 như sau

Việc chuyển đổi được tiến hành chỉ một bước, cho phép tốc độ chuyển đổi đạt

mức cao nhất có thể, nhưng giá thành cao tương ứng, vì đồng thời phải dùng số

lượng lớn các bộ so sánh(2N −1) Tín hiệu của một trong bảy bộ so của chuyển

đổi song song 3 bit được giới thiệu trong bảng N3.4-3

Xấp xỉ hoá lũy tiến liên tục (phương pháp cân, chuyển đổi theo bậc) Phương

pháp này dựa trên cơ sở nguyên lý cân bằng Trong sơ đồ bộ chuyển đổi, hoạt

động theo nguyên lý xấp xỉ hoá lũy tiến, còn gọi là chuyển đổi theo bậc, ngoài

modul điều khiển quá trình và thanh ghi còn có bộ so sánh và một chuyển đổi số

– tương tự D/A

Trong các bước lũy tiến, bộ so sẽ thử xem điện áp cần chuyển đổi lớn hơn hay

nhỏ hơn điện áp u(Z) do bộ chuyển đổi ngược D/A tạo ra Tiếp theo, bit bậc cao

nhất (MSB) sẽ được đặt định, được chuyển đổi D/A biến đổi ngược trở lại thành

điện áp tương tự u(Z) và so sánh với điện áp đầu vào u vao Tùy theo giá trị u(Z)

lớn hay nhỏ hơn u vaomà điện áp quy chiếu sẽ được cộng vào hay trừ đi từ giá trị

đó, và theo đó mà số nhị nguyên tương ứng của tín hiệu số nhị phân đầu ra sẽ là

0 hay 1 Trong mỗi chu trình tiếp theo, sẽ làm tiếp chữ số nhị nguyên cho bậc

dưới và quá trình so sánh sẽ được lặp lại Đối với một chuyển đổi N bit thì cần N

bước so sánh và chu trình lặp lại tuần hoàn

Chuyển đổi A/D 4 bit theo nguyên lý xấp xỉ hoá lũy tiến

Tín hiệu của bộ chuyển đổi song song 3 bit

Điện áp vào Tín hiệu so sánh

1 2 3 4 5 6

7K K K K K K K

Mã nhị phân

0 1

2Z Z Z

Điện áp tương tự

vao u LSB

vao U

u 12

0≤ <

LSB vao

2

1 ≤ <

LSB vao

2

3 ≤ <

LSB vao

2

5 ≤ <

LSB vao

2

7 ≤ <

LSB vao

2

9 ≤ <

LSB vao

2

11 ≤ <

vao LSB u

2

13

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 0 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

0 8 /

ref U

2 U ref /8

3 U ref /8

4 U ref /8

5 U ref /8

6 U ref /8

7 U ref /8

Bộ rời rạc hoá nhiều tầng theo bậc (phương pháp phối hợp song song và cân

bằng)

Bộ rời rạc hoá nhiều tầng giải quyết thoả hiệp giữa tốc độ chuyển đổi và giá

thành Vì đối với các chuyển đổi thuần tuý theo phương pháp song song (rời rạc

hoá nhiều tầng) thì cần rất nhiều bộ so sánh, ví dụ: một chuyển đổi A/D 8 bit thì

cần tới 255 bộ so, người ta phân bậc bộ rời rạc hoá thành tầng Việc đó cho phép

giảm số lượng bộ so sánh, nhưng đồng thời tốc độ chuyển đổi chậm hơn

Sơ đồ khối chuyển đổi 8 bit bằng hai chuyển đổi song song 4 bit mắc theo bậc

Chuyển đổi A/D thứ nhất nhận việc lượng tử hoá thô, lượng tử hoá 4 bit bậc cao

Kết quả chuyển đổi này sẽ được bộ chuyển đổi D/A biến đổi ngược thành điện

áp tương tự và trừ đi từ điện áp đầu vào Tín hiệu sai lệch (vi sai) sẽ được bộ

chuyển đổi A/D thứ hai lượng tử hoá (hệ số 16 lần tinh hơn) Kết quả chuyển đổi

này cho 4 bit bậc thấp hơn Việc hạn chế được số lượng bộ so sánh(trong ví dụ

trước thì giảm được từ 255 xuống 30), làm hạ giá thành chuyển đổi nói chung

Chuyển đổi theo phương pháp phân tầng cascade Theo phương pháp phân tầng,

người ta dùng một bộ chuyển đổi song song N bit (Flash Converter) để chuyển

đổi 2N bit Ở đây cần hai chu trình chuyển đổi So với bộ chuyển đổi ở trên thì ở

đây tiết kiệm được một bộ chuyển đổi Tín hiệu tương tự ở đầu vào u vao trong

chu trình nhịp đồng bộ đầu tiên (S1 đóng, S2 mở) được biến đổi bởi bộ chuyển

đổi N bit Kết quả, cho N bit bậc cao nhất, được bộ chuyển đổi ngược D/A biến

đổi thánh giá trị tương tự tương ứng, đem trừ đi điện áp đầu vào u vao ban đầu

Điện áp vi sai được khuyếch đại lên 2Nlần, và được đưa trở lại bộ chuyển đổi

song song N bit (S1 mở, S2 đóng) Đem cộng kết quả của chuyển đổi 1 và 2, rốt

cuộc ta có kết quả của chuyển đổi 2N bit “giả lập – pseudo”

Chuyển đổi A/D theo phương pháp phân tầng cascade

Chuyển đổi theo phương pháp phân tầng lặp lại

Trong chuyển đổi phân tầng lặp lại (Recursive – Subranging – Analog – Digital –

Converter RSR-A/DC), sẽ tiến hành biến đổi tương tự – số một từ mã (n.N) bit

bằng chuyển đổi song song N bit với n bước tuần tự Về nguyên lý hoạt động, các

chuyển đổi này dựa trên nguyên lý tiệm cận từng bước, vơi khác biệt là thay vì

sử dụng các bộ so sánh tương tự làm chuyển đổi 1 bit, ở đây sử dụng bộ chuyển

đổi song song N bit Nói chung, cũng cần phải đảm bảo độ chính xác khuếch đại

đối với toàn thang đo (n.N) bit Cũng như trong phương pháp phân tầng đơn giản,

sử dụng một bộ chuyển đổi số – tương tự D/A để biến đổi ngược giá trị kết quả

thành giá trị tương tự tương ứng để trừ đi từ giá trị đầu vào u vao Như vậy, cần

dùng một chuyển đổi D/A (n.N) bit So với phương pháp tiệm cận từng bước đơn

thuần, có sự cải thiện do chuyển đổi (n.N) bit mà chỉ cần n thay vì (n.N) chu trình

xấp xỉ hoá Giống như trong các phương pháp phân tầng đã nêu, cũng dùng bit

thứ N để hiệu chính sai số, điều đó cần thêm một chu trình nhịp phụ

Bộ chuyển đổi A/DC 12 bit theo PP phân tầng lặp lại

a)- Sơ đồ nguyên lý; b)- Xác định giá trị số bằng hạn chế lũy tiến (k và i - số tự nhiên)

Chuyển đổi bậc Incremental (phương pháp đếm) Trong chuyển đổi A/D dựa

trên cơ sở phương pháp đếm, điện áp so cân bằng u(Z) được một bộ chuyển đổi

D/A tạo ra Bộ chuyển đổi D/A đó được một bộ đếm thông thường mắc phía đầu

vào điều khiển

Chuyển đổi A/D theo nguyên lý chuyển đổi bậc Incremental

Ngay khi u(Z) vượt quá điện áp u vao cần chuyển đổi, thì việc chuyển đổi bị

ngưng lại Từ trạng thái bộ đếm có thể trực tiếp tính ra được giá trị số của điện

áp được chuyển đổi Ưu điểm của phương pháp này là giảm được chi phí cấu tạo

thiết bị (chỉ cần một bộ so), trong khi có nhược điểm là giảm tốc độ chuyển đổi

Số chu trình cần thiết trong chuyển đổi phụ thuộc vào độ lớn của điện áp vào

vao

u Để có được kết quả giá trị cỡ N bit sẽ cần tối đa 2N bước

Chuyển đổi bám sát (phương pháp đếm) Ngược với chuyển đổi bậc Incremental

nêu trên, chuyển đổi bám sát đếm tới – lui Cấu tạo nguyên lý của chuyển đổi

bám sát (hình N3.4-22) về cơ bản khác với chuyển đổi bậc Incremental là thay vì

bộ đếm tới thuần túy, ở đây sử dụng bộ đếm thuận - nghịch phối hợp Như vậy,

tín hiệu ra của D/AC luôn bám sát theo tín hiệu vào Trong đó, sự biến động tín

hiệu vào trong thời gian một chu kỳ nhịp đồng bộ không được lớn hơn giá trị

LSB

U Khi biến động tín hiệu nhanh thì thời gian để đạt tới sự cân bằng tiếp theo

có thể là rất lâu, trường hợp xấu có thể lâu tới cỡ 2Nchu kỳ nhịp đồng bộ

• ADC 0801/ ADC0802/ ADC0803/ ADC0804/ ADC0805 (IC CMOS 20 chân),

đây là các bộ biến đổi A/D 8 bit với 1 kênh tương tự, sử dụng phương pháp liên

tiếp xấp xỉ Các bộ biến đổi này được thiết kế để có thể giao tiếp với các BUS

nhờ vào việc điều khiển bus 3 trạng thái Khi giao tiếp với bộ vi xử lý, chúng sẽ

đóng vai trò như những bộ nhớ được định vị hay nói cách khác chúng là các port

I/O Điện áp tham chiếu chuẩn ở đầu vào có thể được điều chỉnh cho phép mã

hóa các giá trị điện áp analog nhỏ hơn trải đều độ phân giải của 8 bit

• Đặc điểm chung:

9 Dễ dàng giao tiếp với bộ vi xử lý hoặc hoạt động độc lập

9 Mức logic đầu vào / ra tương thích với cả 2 loại MOS và TTL

9 Bộ phát xung nhịp cùng nằm trên chip

9 Dải tín hiệu analog lối vào 0 … 5V khi điện áp nguồn nuôi là 5V

9 Không cần hiệu chỉnh zero

9 Hoạt động toàn vùng 5V hay 2.5V tùy theo giá trị điện áp tham chiếu

9 Dòng tiêu thụ : 1.9mA

9 Thời gian biến đổi: 100μs

9 Có tầng khuếch đại thuật toán ở chân 9 để có phối hợp trở kháng

9 Điện trở vào ở chân 9: 1.1kΩ

• Ngoài ra còn có các IC: ADC 0808/ ADC0809, đây là các bộ biến đổi A/D 8 bit

với 8 kênh tương tự

Sinh viên tra sơ đồ chân và sơ đồ kết nối cho mạch thực tế

6.2 BIẾN ĐỔI DAC

6.2.1 Khái niệm

Chuyển đổi số – tương tự Digital – Analog Converter (DAC) là biến đổi tín hiệu

đã được mã hoá dạng số trở lại thành giá trị điện áp tương tự

Nguyên lý chuyển đổi số – tương tự

Giả thiết rằng giá trị số Z được xử lý như một số nhị phân N bit theo mã nhị phân

và xử lý song song (1 bit mỗi đường dữ liệu) Tiếp theo, giả thiết rằng chỉ xét

đến các chuyển đổi D/A mà chỉ chuyển đổi, xử lý những số dương trong phạm vi

ADC0804

+IN -IN

AGND

VREF/2

GND

DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0

CLKR

VCC/VREF

CLKIN

INTR CS

RD WR

1 2

0≤ ≤ max = N −

Z

ở đây: số nhị phân Z bin = z N−1 z z1 0 biểu thị bởi N chữ số nhị nguyên z i:

0 0

1 1

2 2

1

12 z 2 z 2 z 2

z

Z = N N− + + + +

− Số nhị phân N bit ở đầu vào của bộ chuyển đổi D/A được một thanh ghi đầu vào

tiếp nhận, và khi có tác động sườn xung nhịp tiếp theo, nó được chuyển đổi thành

giá trị tương tự tương ứng Độ lớn bước lượng tử hoá U LSB do quá trình rời rạc

hoá, tương ứng với vi sai tín hiệu tương tự ở đầu ra giữa hai giá trị số kế tiếp:

N ref LSB U

ở đây U ref - điện áp quy chiếu (reference) của bộ chuyển đổi D/A Độ lớn bước

lượng tử tương ứng giá trị tương tự của bit bậc thấp nhất Least Significant Bit

LSB Đặc tuyến truyền đạt của bộ chuyển đổi D/A đơn cực lý tưởng 3 bit ( U LSB

= U ref/ 8) như sau

Trong đó, K là số điểm rời rạc hoá trên đặc tuyến truyền đạt, quy định số bit N

của bộ chuyển đổi:

N

Điện áp tương tự ở đầu ra u ra của chuyển đổi D/A nằm trong khoảng:

( ) ( N)

ref N

n

ref N

LSB

2

1 2 1

2

Một trong những đại lượng đặc trưng quan trọng của bộ chuyển đổi D/A là tỷ số

chuyển đổi và thời gian chuyển đổi

• Tỷ số chuyển đổi: bao nhiêu giá trị số được chuyển đổi thành giá trị tương tự

trong một đơn vị thời gian

• Thời gian chuyển đổi, nói chung, tương ứng trị nghịch đảo của tỷ số chuyển

đổi

Sơ đồ thực hiện chuyển đổi số – tương tự D/A bằng Phép cộng dòng hay áp trọng

số ï

a)- Phương án khuyếch đại u / i ; b)- Phương án có khuyếch đại i / u

Bộ chuyển đổi trên có bộ khuyếch đại u / i cung cấp dòng ra không đổi I ref=U ref

/ R ref Nếu song song với điện trở R i mắc một chuyển mạch S i được điều khiển

bởi từ mã Z,, sao cho nó mở khi có chữ số nhị nguyên 1 (S i(z i =1)=1), và khi có

số 0 nó vẫn giữ trạng thái đóng (S i(z i =0)=0), thì điện áp đầu ra bằng:

∑

=

−

=

=

0

1 0

N

i i i ref ref N

i i i ref

R

U R S I

ở đây điện trở trọng số nhị phân R i là:

R

R i =2i , - i = 0,1,…,N – 1

Hình b giới thiệu phương án sơ đồ có bộ khuyếch đại i / u, hoạt động như một bộ

cộng đảo Khác với phương án trước, trong sơ đồ này chuyển mạch S i sẽ đóng

(S i z i =1 =1) khi có số nhị nguyên 1 Và điện áp đầu ra u ra bằng:

∑−

=

−

0

1

N

i ref ref ra

R S U R

ở đây điện trở R i có trọng số nhị phân nghịch đảo so với trong biểu thức trên

i i

R R

2

= , i = 0,1, …, N – 1,

và S i = 1 khi số nhị nguyên thứ i là 1, còn ngoài ra thì S i= 0

Phương án thực hiện sơ đồ Bộ chuyển đổi D/A 4 bit có khuyếch đại i / u trên cơ

sở chuyển mạch bán dẫn

Sơ đồ được phân bậc thứ nguyên sao cho khi số nhị nguyên thứ i được đặt định ở

mức 1 (tương ứng điện áp dương trong phạm vi U B, tức là U(z i = 1)≈U B), thì

transistor tương ứng được mở và dòng collector của nó, vốn do độ lớn điện trở

i

R 2 quy định, sẽ chạy qua “điện trở tổng” R ref Như vâïy, phép cộng theo biểu

thức (N3.4-8) được thực hiện Điện áp rơi trên điện trở i

R 2 có giá trị bằng U ref

vì điện áp dao động trên diode U D gần tương xứng điện áp BE âm của transistor

(U D ≈−U BE) Diode zener ổn áp giữ cho điện áp U ref không đổi

Đối với những chuyển đổi D/A thiết kế trên cơ sở các mạng trở kháng như trên,

thông thường phải đáp ứng yêu cầu rất cao về độ chính xác của các điện trở mắc

trong mạch Bộ chuyển đồi số – tương tự N bit có liên hệ tương quan giữa điện

áp đầu ra cực đại u ra.max và bước lượng tử U LSB là:

( ) LSB N

Nếu phải đảm bảo sai số tuyệt đối lớn nhất Δu ra của điện áp đầu ra u ra nhỏ

hơn U LSB 2, tức là Δu ra ≤U LSB 2, thì phải áp dụng luật phân bố sai số đối với

sai số hệ thống cho biểu thức (N3.4-6):

LSB N

i

i i ref ref N

i

i i

i i ref

ref

R

U R R

R S R

U u

2

1 1

0

1 0

<

Δ

= Δ

∂

∂

=

=

−

=

Trị số analog tương tự của bậc lượng tử hoá đầu tiên có thể xác định từ các biểu

thức (N3.4-6) và (N3.4-7), là hàm của điện áp quy chiếu và giá trị điện trở R và

ref

R :

R R

U U

ref

ref LSB =

R

U R

S R

U u

ref ref N

i

i i ref

ref ra

2

1 1

0

<

Δ

=

=