BG dien tu so chuong 7

* Bộ chuyển đổi số – tơng tự đợc dùng để chuyển đổicác tín hiệu số thành tín hiệu tơng tự.* Bản chất của quá trình chuyển đổi DAC là quá trìnhnhận một nhóm xung dới dạng mã nhị phân hay

Chơng 7

Biến đổi số - tơng tự và biến đổi tơng tự - số 7.1 giới thiệu chung

Do sự phát triển nhanh chóng của kĩ thuật điện tử số,

đặc biệt là sự ứng dụng phổ biến của máy tính điện tử

số, nên thờng phải dùng mạch số để xử lý tín hiệu tơng tự.Muốn dùng hệ thống xử lí tín hiệu tơng tự, thì phảibiến đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số tơng ứng, rồi

đa vào đợc hệ thống số (máy tính chẳng hạn) xử lí Mặtkhác, thờng có yêu cầu biến đổi tín hiệu số (kết quả xử lí)thành tín hiệu tơng tự tơng ứng để đa ra sử dụng Chúng

ta gọi sự chuyển đổi từ tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số

là chuyển đổi AD, và mạch điện thực hiện công việc đó làADC Chúng ta gọi sự chuyển đổi từ tín hiệu số sang tínhiệu tơng tự là chuyển đổi DA, mạch điện tơng ứng làDAC

Những năm gần đây, sự phát triển của kỹ thuật chuyển

đổi AD và DA là cực kỳ nhanh chóng Đặc biệt để thíchhợp yêu cầu sản xuất các IC một chíp ADC, DAC ngời ta đãkhông ngừng nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều phơng phápchuyển đổi mới và rất nhiều mạch điện chuyển đổi mới.Trong chơng này, chúng ta chỉ nghiên cứu tìm hiểu DAChình T và ADC xấp xỉ tiệm cận, là những bộ biến đổi

điển hình đợc dùng nhiều

7.2 bộ biến đổi số – tơng tự (DAC)

* Bộ chuyển đổi số – tơng tự đợc dùng để chuyển đổicác tín hiệu số thành tín hiệu tơng tự.

* Bản chất của quá trình chuyển đổi DAC là quá trìnhnhận một nhóm xung dới dạng mã nhị phân hay mã nhị –thập phân (BCD) sau đó biến đổi thành một mức điệnthế hay cờng độ dòng điện tơng tự nào đó Mức độ (hay

độ lớn) của tín hiệu áp (dòng) này tỉ lệ với giá trị số đầuvào nhận đợc

7.2.1 Bộ biến đổi DAC điện trở hình T

Hình 7-2-2 là sơ đồ DAC điện trở hình T 4bit Hai loạigiá trị điện trở R và 2R đợc mắc thành 4 cực hình T nốidây chuyền S3, S2, S1, S0 là các chuyển mạch tơng tự Bênphải hình có bộ khuếch đại đảo dùng khuếch đại thuậttoán Vref là điện áp chuẩn tham khảo D3 D2 D1 D0 là mã nhịphân 4 bit đầu vào V0 là điện áp tơng tự đầu ra Cácchuyển mạch S3, S2, S1, S0 chịu sự điều khiển của tín hiệu

D3 D2 D1 D0 tơng ứng khi Di = 1 thì Si đấu vào Vref, khi Di =

0 thì Si nối đất

Bộ chuyển

đổi DAC

Hình 7-2-1: Sơ đồ khối của một

bộ DAC

Chơng 7 Biến đổi số - tơng tự và biến đổi tơng tự –

số

A B C

D D

2

3R 2R

R R

Vi

1 Nguyên lí làm việc

Để tiện thuyết minh nguyên lí làm việc của mạch hình7-2-2, chúng ta hãy đơn giản hoá mạng điện trở hình T

Nếu D3 D2 D1 D0 = 0001 thì chỉ có S0 đấu vào Vref, S3 S2

S1 đều nối đất áp dụng định lí Thevenin tuần tự đơngiản hoá mạch từ đầu AA sang phải Ta phải thấy rằng cứqua mỗi mắt mạch (A,B,C,D) thì điện áp ra suy giảm đimột nửa Vậy nếu Vref đấu vào S0 thì trên đầu ra DD chỉcòn Vref/24 Cũng với phơng pháp trên, xét riêng S3 S2 S1 đấuvào Vref thì trên đầu ra tơng ứng (D3 D2 D1 D0

=0010,0100,1000) có các điện áp Vref/23, Vref/22, Vref/21

Điện trở tơng đơng của phần mạch bên trái DD bao giờ cũng

là R

A B C

D

6 5

4 3

2 1

2R 2R

Chơng 7 Biến đổi số - tơng tự và biến đổi tơng tự –

số

A B C

D D

Vo

áp dụng nguyên lí xếp chồng đối với các giá trị điện áp trên,

ta có mạng tơng đơng mạng điện trở hình T trên hình 3c Trong đó nội trở tơng đơng là R, sức điện động nguồntơng đơng là Ve :

Ve = (Vref/24)(D3*23+ D2*22+ D1*21+ D0*20) (7-2-1)

Hình (7-2-3c) là sơ đồ tơng đơng toàn mạch, theo líthuyết mạch khuếch đại thuật toán, ta có điện áp tơng tự

đầu ra V0 là :

V0 = -Ve = - (Vref/24)(D3*23+ D2*22+ D1*21+ D0*20)

(7-2-2)Biểu thức (7-2-2) chứng tỏ rằng biên độ điện áp đầu ra

tỉ lệ thuận với giá trị tín hiệu số đầu vào Có thể thấy rằng

C

2R D

D

đối với DAC điện trở hình T n bit thì điện áp tơng tự đầu

ra V0 là

V0 = (Vref/2n)(Dn-1 *2n-1+Dn-2 *2n-2+……+D1 *21+D0 *20)

(7-2-3)

2 Sai số chuyển đổi

Các nguyên nhân dẫn đến sai số của DAC điện trở hình

T là :

- Sai lệch điện áp chuẩn Vref

- Sự trôi điểm 0 của khuếch đại thuật toán

- Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểmchuyển mạch

- Sai số của điện trở

Từ (7-2-3) ta có sai số chuyển đổi DA do riêng sai lệch

điện áp chuẩn Vref gây ra :

V= (Vref/2n)(Dn-1 *2n-1+ Dn-2 *2n-2+……+ D1 *21+ D0 *20)

(7-2-4)

Biểu thức (7-2-4) chứng tỏ sai số của điện áp tơng tự V

tỉ lệ thuận với sai lệch Vref và tỉ lệ thuận với giá trị tínhiệu số đầu vào Hình 7–2-4 biểu thị bằng đờng nết đứt

sự biến đổi của V0 khi Vref không đổi Biểu thức (7-2-4)cũng chứng tỏ rằng nếu giá trị tín hiệu không đổi thì sai

số V0 tỉ lệ thuận với sai lệch Vref Chúng ta gọi sai lệchnày là sai lệch hệ số tỉ lệ

Bộ môn Kỹ thuọ̃t Điện tử – Trờng Đại học KTCN

A B C

D

6 5

4 3

2 1

000 001 010 011 100 101 110 111 000 000 000 000

1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8

A B C

D

6 5

4 3

2 1

B Date : 3-Se p-2005 She e t of

000 001 010 011 100 101 110 111 000 000 000 000

1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8

Hình 7-2-4 : Sai số hệ số tỉ lệ Hình 7-2-5: Sai số

trôi

Sự trôi điểm 0 của bộ khuếch đại thuật toán ảnh hởng

nh nhau tới các giá trị tín hiệu số đợc biến đổi; sai số V0

do trôi điểm 0 không phụ thuộc vào giá trị tín hiệu số.Hình 7-2-5 biểu thị bằng nét đứt đặc tuyến điện áp rakhi có sai số trôi, đặc tuyến này bị dịch ngang so với đặctuyến lí tởng

Chúng ta gọi sai số này là sai số trôi (hay sai số dịchngang) Các chuyển mạch không phải lí tởng Thực tế điện

áp rơi khi nối thông của mạch điện chuyển mạch không thểtuyệt đối bằng 0 Vậy điện áp rơi này đóng vai trò tínhiệu sai số đa đến đầu vào mạng điện trở hình T Từ sựphân tích hình 7-2-3 ta thấy điện áp rơi của mỗi chuyểnmạch sẽ gây ra sai số khác nhau đối với điện áp tơng tự

đâù ra Gọi Si là điện áp rơi của chuyển mạch Si nối thông.Tổng sai số chuyển đổi do điện áp rơi các chuyển mạch là

|V0|= (23Vs3+22Vs2 +21Vs1 +20Vso).1/24

Cần lu ý rằng V0 không phải là hằng số, cũng không tỉ

lệ thuận với giá trị tín hiệu số (nói chung Vs0 Vs2 Vs3 

Vs4, hơn nữa điện áp rơi của cùng chuyển mạch cũng lấycác giá trị khác nhau trong hai trơng hợp: nối vào Vref haynối đất) Chúng ta gọi sai số này là sai số phi tuyến

Sai số giá trị điện trở cũng gây ra sai số phi tuyến sai

số của các điện trở không nh nhau, tác động gây sai sốchuyển đổi DA của những điện trở khác nhau về vị trí làkhác nhau

Từ công thức 7-2-3 có thể thấy trên thực tế thì điện áp

đầu ra chỉ phụ thuộc vào tỉ số giá trị điện trở chứ khôngphụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của mỗi điện trở Điều nàytạo thuận lợi cho sản xuất IC Trên mạch điện một chíp của

IC, rất khó bảo đảm độ chính xác cao của giá trị điện trở,nhng dễ hơn là đảm bảo độ chính xác cao của tỉ số cácgiá trị điện trở đó

Trong trạng thái động, có thể xem mạng điện trở hình T

nh một dây truyền dẫn Vậy các tín hiệu xung sinh ra tạicác chuyển mạch có thời gian truyền đến đầu vào bộkhuếch đại thuật toán không nh nhau Do đó sẽ sinh ra cácxung nhọn biên độ đáng kể ở đầu ra Lại thêm sai số thờigian chuyển mạch có thể kéo dài thời gian duy trì xungnhọn Trong trạng thái động, giá trị tức thời của điện áp t-

ơng tự đầu ra có thể lớn hơn nhiều giá trị ổn định, nghĩa

là sai số động có thể rất lớn Giá trị đỉnh của xung nhọnsinh ra trong trờng hợp bit trọng số lớn nhất của tín hiệu số

đầu vào từ 0 chuyển sang 1 trớc, còn tất cả các bit khác vẫn

ở 0 Lúc này giá trị điện áp tức thời đầu ra bằng giá trị

điện áp tơng tự đầu ra do chuyển đổi DA của tín hiệu sốlớn nhất (các bit đều là 1)

Để khử bỏ sai số động ta có thể dùng mạch giữ lấy mẫu

ở đầu ra DAC (xem 7-3-2), hơn nữa thời gian lấy mẫu chọnsau khi đã kết thúc quá trình quá độ Vì lúc lấy mẫu thìxung nhọn đã qua rồi, nên sai số động không ảnh hởng tớimẫu nữa

3 Tốc độ chuyển đổi

DAC điện trở hình T công tác song song (các tín hiệu

số đầu vào đợc đa vào song song) nên có tốc độ chuyển

đổi cao Thời gian cần thiết cho một lần chuyển đổi gồmhai đoạn: thời gian trễ truyền đạt của bit tín hiệu vào xanhất nào đó tới bộ khuếch đại thuật toán và thời gian cầnthiết để bộ khuếch đại thuật toán ổn định tín hiệu Hiệnnay IC đơn chíp DAC 10 tới 12 bit có thời gian chuyển đổi

cỡ vài s, trong đó thời gian trễ truyền đạt không quá 1s

4 DAC điện trở hình T đảo

Để tránh khỏi xung nhọn xuất hiện trong quá trình độngcủa DAC điện trở hình T, nhờ vậy nâng cao thêm tốc độchuyển đổi, ta tìm cách duy trì dòng điện chạy qua mỗinhánh trong mạch là không đổi Dù tín hiệu số đầu vào là 1hay là 0 thì dòng điện trong nhánh tơng ứng với bít đócũng không đổi Vậy là có thể loại trừ cơ bản nguyên nhântạo ra xung nhọn Hình 7-2-5 giới thiệu cách nối mạch bảo

đảm mục đích đó Chúng ta gọi mạch hình 7-2-5 là DAC

điện áp chuẩn tham khảo do đó cũng không đổi : I = Vref/R

Xét mạch hình 7-2-5, ta có:

V0= - Ii R= - (D323+ D222+ D121+ D020)Vref/24

7-2-6

Tức là điện áp tơng tự đầu ra tỉ lệ với giá trị tín hiệu

số đầu vào Ưu điểm nổi bật của mạch điện này là tốc độcao và xung nhọn đầu trong quá trình động thì rất nhỏ.Dòng điện trong các nhánh của mạng điện trở hình T đảonối trức tiếp vào đầu bộ khuếch đại thuật toán; vì vậykhông có sai lệch thời gian truyền đặt giữa chúng, tức làgiảm nhỏ sai số trạng thái động

Trong quá trình chuyển đổi trạng thái, dòng điện trongtừng nhánh vẫn không đổi, không cần thời gian thiết lập vàngắt bỏ của dòng điện (các chuyển mạch tơng tự nói chung

đều công tác theo yêu cầu trớc khi ngắt khi chuyển đổitrạng thái)

Vì những nguyên nhân trên đây, mạch DAC điện trởhinh T đảo là mạch có tốc độ chuyển đổi DA hạng caonhất.

Sai số tĩnh của mạch T đảo không có gì khác mạch Ttrên đây

h-Chúng ta biết rằng, trong mạch logic, chuyển mạch logicchỉ có yêu cầu phải thoả mãn là phân biệt mức logic (1và0) Yêu cầu này cho phép mức lôgic 1 và 0 có phạm vi biến

đổi nh đã quy định Vậy yêu cầu chuyển mạch tơng tựcao hơn nhiều yêu cầu so với chuyển mạch logic Chúng tagọi chuyển mạch có đặc điểm hai nói trên là chuyển mạchtơng tự

Chuyển mạch tơng tự thờng có hai loại: chuyển mạch

t-ơng tự lỡng cực dùng tranzito lỡng cực, chuyển mạch tt-ơng tự

đơn cực dùng tranzito trờng Chuyển mạch lỡng cực có nhiều

có nhiều cấu trúc mạch khác nhau, nhng có thể phân thànhhai nhóm cấu trúc mạch chính: bão hoà và không bão hoà.Chuyển mạch tơng tự lỡng cực bão hoà có tốc độ chuyểnmạch thấp vì tranzito làm việc ở chế độ bão hoà sâu nênthời gian tồn trữ hạt dẫn đáng kể, chuyển mạch lỡng cựckhông bão hoà có tốc độ cao vì tranzito không bão hoà khinối thông

7.2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của bộ biến đổi DAC

1 Độ phân giải

Độ phân giải là tỉ số giữa giá trị cực tiểu đối với giá trịcực đại của điện áp đầu ra, về trị số này tơng ứng tỉ sốgía trị cực tiểu đối với giá trị cực đại của tín hiệu đầu vào

Ví dụ đối với DAC 10 bit, độ phân giải là:

0000000001/1111111111=1/[(210) - 1]=1/1023  0,001 Độ phân giải DAC biểu thị bằng số bit của tín hiệu số đầuvào

2 Độ tuyến tính

Độ tuyến tính của DAC biểu thị bằng sai số phi tuyến là

số  của giá trị lệch cực đại khỏi đặc tính vào – ra lí tởng

so với giá trị đầu ra

3 Độ chính xác chuyển đổi

Độ chính xác chuyển đổi xác định bằng sai số chuyển

đổi tĩnh cực đại Sai số này bao gồm cả sai số phi tuyến,sai số tỉ lệ và sai số trôi …trong tài liệu kĩ thuật của sảnphẩm, đôi khi chỉ cho riêng từng sai số trên mà không chosai số tổng hợp

4 Thời gian xác lập dòng, áp đầu ra

Thời gian xác lập ra là thời gian từ khi tín hiệu số đợc đavào đến khi dòng hoặc áp đầu ra đã ổn định Cũng có tàiliệu kĩ thuật của sản phẩm xem thời gian xác lập ra là thờigian cần thiết để mức đâù ra đạt đến số  quy định củamức đầu ra cực đại

5 Các mức logic cao, thấp và điện trở, điện dung của đầu vào

6 Dải động, điện trở, điện dung của đầu ra

7 Hệ số nhiệt độ

Hệ số nhiệt độ là số biến thiên mức đầu ra khi nhiệt

độ tăng 1độ C trong điều kiện mức đầu ra cực đại

8 Tỉ số phụ nguồn

DAC chất lợng cao yêu cầu sự ảnh hởng của biến thiên

điện áp nguồn đối với điện áp đầu ra vô cùng nhỏ (Nguồnxét để cung cấp cho chuyển mạch và khuếch đại thuậttoán) Tỉ số phụ thuộc nguồn là tỉ số biến thiên mức biếnthiên mức điện áp đầu ra với biến thiên điện áp nguồn gây

ra nó

9 Công suất tiêu hao

7.2.3 Ví dụ IC 1 chíp DAC

Bộ biến đổi DAC 0808 là một bộ DAC thông dụng và đợc

sử dụng rộng rãi, bộ DAC 0808 có khả năng giao tiếp đợc vớicác mức logic TTL và CMOS có các thông số đặc trng sau:

 Độ phân giải 8 bit

 Thời gian chuyển đổi 150ns

 Công suất tiêu thụ 1000mW

Hình 7-2-6: Sơ đồ khối của DAC 0808

Hình 7-2-7:

Sơ đồ nguyên lý

của DAC0808

DAC 0808 đóng vỏ DIP (hai hàng chân song song) có

16 chân, xem hình 7-2-8

Hình 7-2-8 : Sơ đồ chân của DAC 0808Hình 7-2-9 giới thiệu sơ đồ nguyên lí của IC DAC 0808

Để có bộ DAC hoàn chỉnh cần phối ghép DAC0808 với bộkhuếch đại thuật toán ngoài

Hình 7-2-9: Sơ đồ nguyên lí của bộ DAC 0808

R 14

Trong hình 7-2-9 bộ khuếch đại thuật toán LF351 cóbiên độ điện áp ra V0  10V, thông thờng điện trở R14 đợcchọn sao cho VREF/R14 = 2mA

Nếu VCC= 5V, VEE = -15V, VREF = +10V và R14 = 5K thì:

 Khi đầu vào là 1111 1111, đầu ra là V0=10V

 Khi đầu vào là 1000 0000, đầu ra là V0=5V

 Khi đầu vào là 0000 0000, đầu ra là V0=0V

7.3 Bộ biến đổi tơng tự – số (ADC)

Bộ biến đổi tơng tự – số ADC đóng vai trò quan trọngtrong hệ thống xử lý tín hiệu số khi mà các luồng tín hiệu

đa vào hệ số và hệ vi xử lý là các tín hiệu tơng tự

Trong ADC, tín hiệu tơng tự đầu vào là liên tục, tínhiệu số mã hoá đầu ra là rời rạc Sự chuyển đổi AD đòi hỏiphải lấy mẫu đối với tín hiệu tơng tự ở đầu vào ở nhữngthời điểm qui định, sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu

đó thành lợng số đầu ra Vậy quá trình chuyển đổi AD nóichung thực hiện hai chức năng cơ bản là lợng tử hoá và mãhoá Lợng tử hoá là gán những giá trị của một tín hiệu tơng

tự vào vùng các giá trị rời rạc có thể xẩy ra trong quá trình ợng tử hoá Mã hoá là gán những giá trị nhị phân cho từnggiá trị rời rạc sinh ra trong trong quá trình lợng tử hoá Đối vớiADC ta cũng dùng các loại mã số nh nhị phân, BCD, bù 2, bù 1

l-7.3.1 Các bớc chuyển đổi AD và định lý lấy mẫu

Trong ADC, tín hiệu tơng tự đầu vào là liên tục, tínhiệu số mã hoá đầu ra là rời rạc Sự chuyển đổi AD đòi hỏiphải lấy mẫu đối với tín hiệu tơng tự ở đầu vào ở nhữngthời điểm qui định, sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu

đó thành lợng số đầu ra Vậy quá trình chuyển đổi AD nóichung có 4 bớc: lấy mấu, nhớ mẫu, lợng tử hoá mã hoá Nhchúng ta sẽ thấy sau đây, các bớc trên đây luôn kết hợpnhau trong một qúa trình thống nhất.Ví dụ lấy mẫu và nhớ

mẫu là công việc liên tục của cùng một mạch điện, luợng tửhoá và mã hoá là công việc đồng thời thực hiện trong quátrình chuyển đổi với khoảng thời gian cần thiết là mộtphần của thời gian nhớ mẫu.

1 Định lý lấy mẫu

Ngời ta đã chứng minh rằng đối với tín hiêu tơng tự V1thì tín hiệu lấy mẫu Vs sau quá trình lấy mẫu có thể khôiphục trở lại V1 một cách trung thực, nếu điều kiện sau đây

đợc thỏa mãn fs  2FImax (7-3-1)

fs là tần số lấy mẫu, F1max là giới hạn trên một giải tín hiệu

t-ơng tự (7-3-1) là nội dung định lý lấy mẫu

Nếu (7-3-1) đợc thoả mãn, có thể dùng bộ lọc thông thấp

để khôi phục VI từ Vs Hình 7-3-2 biểu thị đặc tính tần sốcủa bộ lọc thông thấp xét: hệ số truyền đạt điện áp |A(f)|của bộ lọc trong phạm vi giải tần < FImax cần giữ không đổicòn trong phạm vi giải tần fs - FImax phải nhanh chóng giảmxuống 0 Vậy định lí lấy mẫu quy định cho chúng ta giớihạn dới của tần số trong chuyển đổi AD

Bộ môn Kỹ thuọ̃t Điện tử – Trờng Đại học KTCN