Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi ad và da

  • 74 trang
  • file .docx
LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Hàng Hải
Việt Nam và sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn ThS. Trương Thanh Bình em
đã thực hiện đề tài: “ Xây dựng quy trình thí nghiệm của mạch biến đổi A/D và
D/A” .
Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn đến Ban giám hiệu
nhà trường cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện Tử đã tận tình hướng
dẫn, giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại Học
Hàng Hải Việt Nam.
Em xin gửi lời biết ơn chân thành tới thầy giáo ThS. Trương Thanh Bình đã
giành nhiều thời gian và tận tâm hướng dẫn giúp em hoàn thành đồ án tốt
nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và các bạn trong tập thể hai lớp
ĐTV52 - ĐH đã động viên, giúp đỡ và góp ý cho em rất nhiều trong quá trình
học tập và thực hiện đồ án này.
Mặc dù em đã rất cố gắng để thực hiện đồ án một cách hoàn chỉnh nhất
song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những
thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp quý báu của quý
Thầy 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 thật
dồi dào sức khỏe và thành công để tiếp tục giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho
những thế hệ mai sau.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Anh
i
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
iii
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
v
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
SI Step Index Chiết suất nhảy bậc
GI Graded Index Chiết suất biến đổi đều
MM Multi Mode Sợi đa mode
SM Single Mode Sợi đơn mode
LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp lý tưởng
S/P Serial / Parallel Bộ chuyển đổi nối tiếp / song song
P/S Parallel / Serial Bộ chuyển đổi song song / nối tiếp
vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng Tên bảng Trang
Bảng 3.1 Biên độ tín hiệu ra theo tần số tín hiệu vào khi được 48
truyền dẫn tương tự
Bảng 3.2 Biên độ tín hiệu ra theo tần số tín hiệu vào khi được 54
truyền dẫn số
Bảng 3.3 Biểu diễn các trạng thái của đèn LED và điện áp vào, 58
ra của mạch
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình Tên hình Trang
Hình 1.1 Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số 2
Hình 1.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D 4
Hình 1.3 Sơ đồ khối mạch chuyển đổi A/D 5
Hình 1.4 Dạng tín hiệu vào ra của mạch chuyển đổi A/D 5
Hình 1.5 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp song song 7
Hình 1.6 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp 8
Hình 1.7 Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp 9
Hình 1.8 Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D 10
Hình 1.9 Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản 10
Hình 1.10 Giản đồ thời gian biến đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản 11
Hình 1.11 Sơ đồ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc 13
Hình 1.12 Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình chuyển đổi A/D của mạch tích 14
phân hai sườn dốc
Hình 1.13 Bộ A/D theo phương pháp song song- nối tiếp kết hợp 15
Hình 1.14 Sơ đồ khối quá trình chuyển đổi số sang tương tự 15
Hình 1.15 Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A 16
Hình 1.16 Mạch chuyển đổi D/A với 1 nguồn điện áp chuẩn 16
Hình 1.17 Mạch biến đổi D/A dùng nhiều điện áp chuẩn 17
Hình 1.18 Mạch biến đổi D/A bằng phương pháp điện trở bậc thang 18
Hình 2.1 Mặt trước của ITF-201A-T 22
Hình 2.2 Mặt trước của ITF-201A-R 23
Hình 2.3 Cấu tạo của sợi quang 24
Hình 2.4 Phản xạ và khúc xạ ánh sáng 25
viii
Hình 2.5 Phản xạ toàn phần 25
Hình 2.6 Sự truyền dẫn của sợi SI 26
Hình 2.7 Sự truyền dẫn của sợi GI 26
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý của bộ A/D 29
Hình 2.9 Lấy mẫu tín hiệu 30
Hình 2.10 Lượng tử hóa tín hiệu 30
Hình 2.11 Mã hóa tín hiệu 31
Hình 2.12 Khối nguồn cung cấp, đầu vào, khuếch đại và bộ chuyển đổi A/D 32
Hình 2.13 Bộ chuyển đổi E/O 35
Hình 2.14 Nguồn cung cấp, bộ chuyển đổi O/E và D/A 37
Hình 2.15 Đầu ra của ITF-201A-R 38
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch điện 40
Hình 3.2 Sơ đồ khối của mạch khi tín hiệu xoay chiều được truyền dẫn 44
tương tự
Hình 3.3 Bộ mạch điện khi tín hiệu xoay chiều truyền dẫn tương tự 44
Hình 3.4 Máy phát tín hiệu EZ FG-7002C 45
Hình 3.5 Biểu diễn sự kết nối khi đưa tín hiệu xoay chiều vào 46
Hình 3.6 Dạng sóng của tín hiệu xoay chiều đầu vào 46
Hình 3.7 Dạng sóng đầu ra của tín hiệu xoay chiều khi truyền đi theo dạng 47
tương tự
Hình 3.8 Cáp sợi quang có một đầu nối quang Light Bar 47
Hình 3.9 Dạng sóng đầu ra của tín hiệu xoay chiều khi có một Light Bar 48
Hình 3.10 Đặc tính biên độ - tần số của tín hiệu xoay chiều khi được truyền 49
dẫn tương tự
Hình 3.11 Sơ đồ khối của mạch khi tín hiệu xoay chiều được truyền dẫn số 49
qua bộ A/D và D/A
Hình 3.12 Bộ mạch điện khi tín hiệu xoay chiều truyền dẫn số qua bộ 50
ix
chuyển đổi A/D và D/A
Hình 3.13 Tín hiệu ra khi fM = 2000 Hz 51
Hình 3.14 Tín hiệu ra khi fM = 1000 Hz 52
Hình 3.15 Tín hiệu ra khi fM = 500 Hz 52
Hình 3.16 Tín hiệu ra khi fM = 200 Hz 52
Hình 3.17 Tín hiệu ra khi fM = 100 Hz 53
Hình 3.18 Tín hiệu ra sau bộ biến biến đổi D/A khi sử dụng sợi cáp quang 53
có một đầu nối quang Light Bar
Hình 3.19 Đặc tính biên độ - tần số của tín hiệu xoay chiều khi truyền qua 54
bộ A/D và D/A
Hình 3.20 Sơ đồ khối của mạch điện khi đưa tín hiệu 1 chiều vào 55
Hình 3.21 Biểu diễn sự kết nối khi đưa tín hiệu một chiều vào 57
Hình 3.22 Biểu diễn sự khảo sát điện áp vào và ra của tín hiệu 1 chiều cùng 57
các trạng thái hiển thị của đèn LED
x
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay việc truyền dẫn tín hiệu số hoặc tương tự qua cáp sợi quang ngày
càng phổ biến và đáng tin cậy hơn. Bởi lẽ cáp sợi quang có nhiều ưu điểm vượt
trội hơn trong việc truyền dẫn các tín hiệu so với các phương thức truyền dẫn
khác như suy hao ít, tốc độ truyền dẫn cao…Để truyền tín hiệu số thì trước hết
tín hiệu cần được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự sang số ( A/D ) để biến đổi
các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để giảm ảnh hưởng của nhiễu trong quá
trình 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 của
các 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
1
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 thị
phần lớn thực hiện theo phương pháp số. Trong khi đó tín hiệu tự nhiên lại biến
thiên 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) và
ngược 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 tự
trong một khoảng đều. Lúc này mỗi giá trị đại diện cho một khoảng của tín hiệu
tương tự. Quá trình biến đổi tương tự số được minh họa như hình vẽ sau:
VD
111
110
101
100
011
ΔUQ
010
Q
001
000 VA
1 2 3 4 5 6 7
Hình 1.1. Đặc tuyến truyền đạt của mạch biến đổi tương tự - số
Tín hiệu tương tự VA được chuyển thành dạng bậc thang đều. Với 1 phạm vi
của 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 SA(VA), tín hiệu số là SD
(VD), khi đó SD được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân như sau :
2
S D=b n−1 . 2n−1 +b n−2 . 2n−2 +.. .+b 0 . 20
Trong đó :
bk = 0 hoặc bk = 1 (với k = 0 → k = n - 1) và được gọi là bit.
bn-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.
b0 : 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 nấc
của hình bậc thang.
Một mạch biến đổi N bit với N số hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấc
trên hình bậc thang chiếm một giá trị:
V AM
Q=V LSB=
2 N −1
VAM : là giá trị cực đại cho phép của điện áp tương tự.
VLSB = Q : gọi là mức lượng tử.
Sai số lượng tử hóa được xác định như sau :
Q
ΔV Q =
2
Khi chuyển đổi A/D phải thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để đảm
bảo khôi phục lại tín hiệu một cách trung thực, tần số lấy mẫu f M phải thỏa mãn
điều kiện :
fM ≥ 2 fth max ≅ 2B
fthmax 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 bộ
chuyển đổi A/D có thể thực hiện chuyển đổi được.” (Phạm Minh Hà, 2005, 332)
3
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.
Thực
VD
Lý tưởng
111
110
101
Méo phi tuyến
100
011 Sai số khuếch đại
010 Sai số đơn điệu
001
Sai số lệch không
000
VA
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 ở
đầu ra là N. Độ phân biệt của một bộ A/D được ký hiệu là Q và được xác định
theo biểu thức :
V AM
Q=V LSB=
2 N −1
Đặc 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 số
đơn 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 fc.
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
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 trình
chuyển 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.
Mạch lấy ADC
VA mẫu VM VD
Lượng tử hóa Mã hóa
Hình 1.3. Sơ đồ khối mạch chuyển đổi A/D
VA
t
VM, VD
Quatization Error
t
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13
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 đều
nhau (rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian).
+ Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá
trình 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.
5
Vậy quá trình lượng tử hóa thực chất là quá trình làm tròn số. Lượng tử hóa
được thực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh
với một loạt các đơn vị chuẩn.
Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả
lượng tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu
trên đầu ra của bộ chuyển đổi. Phép lượng tử hóa và mã hóa gọi chung là phép
biến 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 về
mặt thời gian. Có 3 phương pháp chuyển đổi sau :
+ Chuyển đổi song song : Tín hiệu tương tự được so sánh cùng một lúc với
nhiều 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 từng
bước 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 cần
chuyển đổi.
+ Chuyển đổi song song- nối tiếp kết hợp : Qua mỗi bước so sánh có thể
xác 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 so
sánh từ SS1 đến SSm. Tín hiệu cửa đảo của mạch so sánh được đưa vào tín hiệu
chuẩn Vch qua mạch phân áp của thang điện trở R. Khi điện áp cửa thuận V A lớn
hơn 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 cổng
AND được nối với mạch tạo xung nhịp, chỉ khi có xung nhịp thì các xung trên
đầu ra bộ so sánh mới được đưa tới mạch Flip-Flop. Như vậy cứ sau mỗi khoảng
thời gian bằng một chu kỳ của xung nhịp lại có một tín hiệu biến đổi. Xung nhịp
đảm bảo cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu vào bộ nhớ. Để đảm
6
bảo mạch hoạt động ổn định, quá trình mã hóa ở bộ mã hóa phải kết thúc trước
khi có một chu kỳ xung nhịp mới.
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 số
linh kiện lớn. Nên phương pháp này chỉ dùng trong các bộ A/D có số bit nhỏ và
tốc độ cao.
Vch
VA SS1
AND FF
R VD
SS2 Mã hóa
AND FF
R
SSm-1
AND FF
Xung nhịp
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 V Atầng, mỗi tầng cho ra một bit với tầng 1 cho ra bít lớn nhất MSB và tầng cuối
cho ra bít nhỏ nhất LSB. Điện áp chuẩn được đưa vào cửa đảo của mạch so
V ch
sánh. Tầng 1 là 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.
7
Vch Vch
Tầng 1
Vh1 Vh2
VA Trừ
K
Vch 2
4 8
1
2
0
22 21 20
MSB LSB
Hình 1.6. Mạch chuyển đổi A/D theo phương pháp nối tiếp
V ch
Ở tầng 1: VA được đưa vào cửa thuận của mạch so sánh, 2 được đưa vào
V ch
V A>
của đảo. Nếu 2 thì tín hiệu ra của mạch so sánh cho mức “1” và MSB =1,
V ch
khóa K sẽ ở vị trí 1 lúc này đưa tín hiệu 2 vào mạch trừ, tín hiệu ra của mạch
V ch
V h1 =V A −
trừ là 2 , nó sẽ được đưa đến cửa thuận của mạch so sánh tầng 2. Nếu
V ch
V A<
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 V h1,
V ch
còn tín hiệu vào cửa đảo mạch so sánh là 4 .
Ở tầng 3 tương tự tín hiệu vào cửa thuận mạch so sánh là V h2, tín hiệu vào
V ch
cửa đảo mạch so sánh là 8
Ở đây mạch thực hiện phương pháp biến đổi tuần tự nên tiến độ biến đổi
giảm đáng kể khi tăng số tầng. Vì vậy ở phương pháp này, người ta thường giới
hạn số tầng là 4.
8
1.4.3. Mạch chuyển đổi A/D nối tiếp dùng mạch vòng hồi tiếp
Kích khởi
Vh = VA - Vht
Bộ đếm Tạo xung chuẩn
VA Trừ thuận nghịch
bn-1
Vht
b1
b0
Chuyển đổi DA
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 khi
chuyển 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 ra
của mạch so sánh có mức “1” logic, bộ đếm bắt đầu đếm số xung từ bộ tạo xung
chuẩn đưa đến và trạng thái ra của bộ đếm tăng dần. Điện áp ra của mạch
chuyển 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 số
cần 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 V A = Vh = 0, bộ đếm nghịch sẽ ngừng hoạt
động, trạng thái ra của bộ đếm là tín hiệu số cần chuyển đổi. Phương pháp này
gọi là phương pháp chuyển đổi liên tiếp.
9
Khi VA = VAmax, thời gian biến đổi là t bdm, khi đó Vht biến đổi N-1 nấc (N số
bít đầu ra) suy ra t bdm =( 2 −1 ) Δt : Δt chu kỳ của nguồn dao động xung chuẩn.
N
Đồ thị thời gian biễu diễn quá trình chuyển đổi A/D:
V
VA
2 N  1nâc Sai số
Vh
Δt
t
tbdm
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
bộ so sánh.
Mạch có hai chế độ hoạt động là:
+ Có Block chọn nhớ (Sample and hold)
+ Không có Block chọn nhớ
Khi hoạt động chuyển đổi không có block chọn nhớ sai số phụ thuộc vào
thời gian biến đổi mà tbd lại phụ thuộc vào VA nên trường hợp này sai số không
tuyến tính.
Phương pháp không có block chọn nhớ chỉ phù hợp với tín hiệu một chiều
hoặc tín hiệu biến thiên chậm.
1.4.4. Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản
VA
Vss1
SS1
VD
AND1 AND2
Vr VG Đếm
Tạo điện áp răng cưa Vx
Vc
SS2
Vss2 Tạo xung nhịp chuẩn
10