Bài giảng Kỹ thuật số - Chương 10: Kết nối với mạch tương tự - Đặng Ngọc Khoa

11
Chương 10
Kết nối với mạch tương tự
Th.S Đặng Ngọc Khoa
Khoa Điện - Điện Tử
2
Kết nối với mạch tương tự
„ Transducer: biến đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện
„ Analog-to-digital converter (ADC)
„ Digial system: xử lý tín hiệu
„ Digital-to-analog converter (DAC)
„ Thực thi kết quá
23
Biến đổi D/A
„ Nhiều phương pháp ADC sử dụng DAC
„ Vref được sử dụng để xác định ngõ ra full-
scale.
„ Trong trường hợp tổng quát, ngõ ra analog 
= K x giá trị số ngõ vào
4
Biến đổi D/A
„ DAC 4 bit, ngõ ra điện áp tương tự
35
Ngõ ra tương tự
„ Ngõ ra của bộ biến đổi DAC không hoàn
toàn là tín hiệu analog bởi vì nó chỉ xác
định ở một số giá trị nhất định.
„ Với mạch trên, ngõ ra chỉ có thể có những
giá trị, 0, 1, 2, , 15 volt.
„ Khi số ngõ vào tăng lên thì tín hiệu ngõ ra
càng giống với tín hiệu tương tự.
6
Bước nhảy
„ Bước nhảy của bộ biến đổi D/A được định
nghĩa là khoảng thay đổi nhỏ nhất của ngõ ra
khi có sự thay đổi giá trị ngõ vào.
„ Bộ biến đổi D/A N bit: số mức ngõ ra khác
nhau =2^N, số bước nhảy =2^N-1
„ Bước nhảy = K = Vref/(2^N-1)
47
Bước nhảy
„ Bước nhảy = 1 volt
8
Ví dụ 10-1
„ Cần sử dụng bộ DAC bao nhiêu bit để có thể
điều khiển motor thay đổi tốc độ mỗi 2 vòng.
1000rpm/2rpm(per step) = 500 steps
2N - 1 > 500 steps. Suy ra N = 9?
59
Ngõ vào BCD
„ Trọng số của những ngõ vào khác nhau
„ Ngõ vào 2 số BCD
10
Mạch đảo Mạch không đảo
Vi
Mạch biến đổi D/A
„ Tính chất của Opamp
Vo/Vi = 1+R2/R1
Rin = infinity
Vo /Vi = - R2/R1
Rin = R1
611
V1
V2
V3
R1
R2
R3
Rf
Mạch biến đổi D/A
„ Trọng số của những ngõ vào khác nhau
Vo = -Rf(V1/R1 + V2/R2 + V3/R3) 
12
Mạch biến đổi D/A
Bước nhảy= |5V(1K/8K)| = .625V
Max out = 5V(1K/8K + 1K/4K + 1K/2K + 1K/1K) = -9.375V
713
Bộ DAC 4 bit
14
DAC với ngõ ra dòng điện
Biến đổi dòng sang áp
815
Mạch biến đổi D/A
„ Với những mạch biến đổ D/A ở trên, trọng
số các bit được xác định dựa vào giá trị
của các điện trở.
„ Trong một mạch phải sử dụng nhiều điện
trở với những giá trị khác nhau
„ Bộ DAC 12 bit
„ Điện trở MSB = 1K
„ Điện trở LSB = 1x212 = 2M
„ Mạch sau chỉ sử dụng 2 giá trị điện trở
16
Mạch biến đổi D/A
„ DAC R/2R
917
DAC – Thông số kỹ thuật
„ Nhiều bộ DAC được tích hợp vào trong
những IC, một số thông số tiêu biểu của nó
„ Resolution: bước nhảy của bộ DAC
„ Accuracy: sai số sai số của bộ DAC
„ Offset error: ngõ ra của DAC khi tất cà ngõ vào
bằng 0
„ Settling time: thời gian yêu cầu để DAC thực
hiện biến đổi khi ngõ vào chuyển đổi từ trạng
thái all 0 đến trạng thái all 1
18
IC DAC
„ AD7524 (Figure 11-9)
„ CMOS IC
„ 8 bit D/A
„ Sử dụng R/2R
„ Max settling time: 100 ns
„ Full range accuracy: +/- 0.2% F.S.
10
19
IC DAC
•Khi ngõ vào CS và WR ở mức thấp, OUT1 là ngõ ra analog. 
•Khi cả 2 ở mức cao, OUT1 được chốt và giá trị nhị phân ngõ vào
không được biến đổi ở ngõ ra. 
•OUT2 thông thường được nối đất
20
Ứng dụng DAC
„ Control
„ Sử dụng ngõ ra số của máy tính để điều
chỉnh tốc độ của motor hay nhiệt độ.
„ Automatic testing
„ Tạo tín hiệu từ máy tính để kiểm tra mạch
annalog
„ Signal reconstruction
„ Tái tạo tín hiệu analog từ tín hiệu số. Ví dụ hệ
thống audio CD
„ A/D conversion
11
21
Ví dụ 10-2
„ Sử dụng DAC để điều chỉnh biên độ của
tín hiệu analog
22
Biến đổi A/D
„ ADC – miêu tả giá trị analog ngõ vào bằng
giá trị số nhị phân.
„ ADC phức tạp và tốn nhiều thời gian biến đổi
hơn DAC
„ Một số ADC sử dụng bộ DAC là một phần
của nó
„ Một opamp được sử dụng làm bộ so sánh
trong ADC
12
23
Biến đổi A/D
„ Bộ đếm nhị phân được sử dụng như là một
thanh ghi và cho phép xung clock tăng giá trị bộ
đếm cho đến khi VAX ≥VA
24
Hoạt động của bộ ADC
„ Lệng START bắt đầu quá trình biến đổi
„ Control unit thay đổi giá trị nhị phân trong thanh
ghi
„ Giá trị nhị phân trong thanh ghi được biến đổi
thành giá trị nhị phân VAX
„ Bộ so sánh so sánh VAX với VA. Khi VAX < VA, ngõ
ra bộ so sánh ở mức cao. When VAX > VA, ngõ ra
có mức thấp, quá trình biến đổi kết thúc, giá trị nhị
phân nằm trong thanh ghi. 
„ Bộ phận điều khiển sẽ phát ra tín hiệu end-of-
conversion signal, EOC.
13
25
Biến đổi A/D
26
Biến đổi A/D
Dạng sóng thể hiện quá trình máy
tính thiết lập một chu trình biến đổi
là lưu giá trị nhị phân vào bộ nhớ.
14
27
Sai số lượng tử
„ Có thể giảm sai số lượng tử bằng cách tăng số
bit nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn
28
Khôi phục tín hiệu
„ Sau khi kết thúc một quá trình ADC ta sẽ
có giá trị nhị phân của một mẫu.
„ Quá trì khôi phục tín hiệu analog như sau
15
29
Khôi phục tín hiệu
„ Aliasing
„ Nguyên nhân là do tần số lấy mẫu không đúng
„ Giới hạn Nyquist
„ Tần số lấy mẫu phải ít nhất lớn hơn 2 lần tần số cao
nhất của tín hiệu ngõ vào.
„ Lấy mẫu ở tần số nhỏ hơn 2 lần tần số ngõ vào sẽ
tạo nên kết quả sai khi khôi phục tín hiệu.
30
Quá trình lấy mẫu không đúng
16
31
ADC xấp xỉ liên tục (SDC)
„ Sử dụng rộng rãi hơn ADC
„ Phức tạp hơn nhưng có thời gian biết đổi
ngắn hơn
„ Thời gian biến đổi cố định, không phụ
thuộc vào giá trị analog ngõ vào
„ Nhiều SAC được tích hợp trong những IC
32
Successive-approximation ADC
17
33
Successive-approximation ADC
„ SAC 4 bit sử dụng DAC có bước nhảy 1 V
34
ADC0804 – SAC 8 bit
18
35
ADC0804 – SAC 8 bit
„ Có hai ngõ vào analog cho phép hai ngõ vào vi sai.
„ Ngưỡng xác định tại ±1/2LSB. Ví dụ, bước nhảy là
10mV, bit LSB sẽ ở trạng thái 1 tại 5mV.
„ IC có thanh ghi xung clock bên trong tạo ra tần số
f = 1/(1.1RC). Hoặc có thể sử dụng xung clock bên
ngoài.
„ Nếu sử xung clock có tần số 606kHz, thời gian biến
đổi xấp xỉ 100us.
„ Sử dụng nối đầt riêng bởi vì đất của thiết bị số tồn
tại nhiễu do quá trình thay đổi dòng đột ngột khi
thay đổi trạng thái.
36
Ứng dụng của IC ADC0804 
19
37
Flash ADC
„ Tốc độ biến đổi cao
„ Mạch phức tạp hơn nhiều
„ Flash ADC 6 bit yêu cầu 63 bộ so sánh tương tự
„ Flash ADC 8 bit yêu cầu 255 bộ so sánh tương tự
„ Flash ADC 10 bit yêu cầu 1023 bộ so sánh tương tự
„ Thời gian biến đổi – không sử dụng xung clock 
do vậy quá trình biến đổi là liên tục. Thời gian
biến đổi rất ngắn chỉ khoảng 17 ns.
„ Bộ biến đổi flash 3 bit được miêu tả như hình sau
38
Flash ADC 3 bit
20
39
Mạch lấy mẫu và giữ
40
Câu hỏi?