Giáo trình Kỹ thuật xung - số (Mới)

 trong thực tế. Hạn chế lớn nhất đó là khoảng cách 
chênh lệch đáng kể ở giá trị điện trở giữa LSB và MSB, nhất là trong các DAC có độ 
phân giải cao (nhiều bit). Ví dụ nếu điện trở MSB = 1k trong DAC 12 bit, thì điện trở 
LSB sẽ có giá trị trên 2M. Điều này rất khó cho việc chế tạo các IC có độ biến thiên rộng 
về điện trở để có thể duy trì tỷ lệ chính xác. 
 - Để khắc phục được nhược điểm này, người ta đã tìm ra một mạch DAC đáp ứng 
được yêu cầu đó là mạch DAC mạng R/2R ladder. Các điện trở trong mạch này chỉ 
biến thiên trong khoảng từ 2 đến 1. 
 - Mạch DAC R/2R ladder cơ bản. 
 130 
 Hình 6.6. Mạch DAC R/2R ladder cơ bản. 
 - Từ mạch ta thấy được cách sắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị được sử dụng là 
R và 2R. Dòng IOUT phụ thuộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đầu vào nhị phân 
B0B1B2B3 chi phối trạng thái của các chuyển mạch này. Dòng ra IOUT được phép chạy qua 
bộ biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện thế ra VOUT. Điện thế 
ngõ ra VOUT được tính theo công thức: 
 Với B là giá trị đầu vào nhị phân, biến thiên từ 0000 (0) đến 1111(15) 
 Ví dụ : Giả sử VREF = 5V của DAC ở hình 5.4. Tính độ phân giải và đầu ra cực đại 
của DAC này? 
 Giải 
 Độ phân giải bằng với trọng số của LSB, ta xác định trọng số LSB bằng cách gán B 
= 00012 = 1. Theo công thức (5), ta có: 
 Đầu ra cực đại xác định được khi B = 11112 = 1510. Áp dụng công thức (5) ta có: 
 Có rất nhiều loại mạch biến đổi DAC được áp dụng trong lĩnh vực kỹ thuật số và 
được chế tạo theo nhiều công nghệ khác nhau, chúng đều được sản xuất dưới dạng IC 
hóa. Mạch điện DAC là mạch điện có tốc độ xử lý cao 
 131 
 - Cấu trúc IC chuyển đổi 
 Hình 6.7. Cấu trúc IC chuyển đổi 
 - Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 
 Hình 6.8. Mạch chuyển đổi số sang tương tự 
6.2. Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) 
 - Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy mức 
điện thế vào tương tự sau đó một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số biểu diễn đầu vào 
tương tự. Tiến trình biến đổi A/D thường phức tạp và mất nhiều thời gian hơn tiến trình 
chuyển đổi D/A. 
 - Do đó có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi từ tương tự sang số. 
6.2.1. Tổng quát về chuyển đổi ADC 
 a. Sơ đồ tổng quát 
 132 
 Hình 6.9. Sơ đồ tổng quát chuyển đổi ADC 
 b. Nguyên lý hoạt động 
 - Xung lệnh START khởi đôïng sự hoạt động của hệ thống. 
 - Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu trong 
thanh ghi. 
 - Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế tương tự 
VAX. 
 - Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA. Nếu VAX < VA đầu ra của bộ 
so sánh lên mức cao. Nếu VAX > VA ít nhất bằng một khoảng VT (điện thế ngưỡng), đầu 
dra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ở thanh 
ghi. Tại thời điểm này VAX xấp xỉ VA. giá dtrị nhị phân ở thanh ghi là đại lượng số tương 
đương VAX và cũng là đại lượng số tương đương VAX , trong giới hạn độ phân giải và độ 
chính xác của hệ thống. 
 - Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết thúc. 
Tiến trình này có thể có nhiều thay dổi đối với một số loại ADC khác, chủ yếu là sự khác 
nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi. 
 c. Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của ADC 
 - Độ phân giải: Độ phân gải của một ADC biểu thị bằng số bit của tín hiệu số đầu 
ra. Số lượng bit nhiều sai số lượng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao. 
 - Dải động, điện trở đầu vào: Mức logic của tín hiệu số đầu ra và khả năng chịu tải 
(nối vào đầu vào). 
 - Độ chính xác tương đối: Nếu lý tưởng hóa thì tất cả các điểm chuyển đổiphải nằm 
trên một đường thẳng. Độ chính xác tương đối là sai dsố của các điểm chuyển đổi thực tế 
so với đặc tuyến chuyển đổi lý tưởng. Ngoài ra còn yêu cầu ADC không bị mất bit trong 
toàn bộ phạm vi công tác. 
 - Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi được xác định thời gian bởi thời gian cần 
thiết hoàn thành một lần chuyển đổi A/D. Thời gian này tính từ khi xuất hiện tín hiệu điều 
khiển chuyển đổi đến khi tín hiệu số đầu ra đã ổn định. 
 133 
 - Hệ số nhiệt độ: Hệ số nhiệt độ là biến thiên tương đối tín hiệu số đầu ra khi nhiệt 
độ biến đổi 10C trong phạm vi nhiệt độ công tác cho ph ép với điều kiện mức tương tự 
đầu vào không đổi. 
 - Tỉ số phụ thuộc công suất: Giả sử điện áp tương tự đầu vào không đổi, nếu nguồn 
cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đầu ra càng lớn thì tỉ số phụ 
thuộc nguồn càng lớn. 
6.2.2. Vấn đề lấy mẫu và giữ 
 - Để biến đổi một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta không thể biến đổi mọi 
giá trị của tín hiệu tương tự mà chỉ có thể biến đổi một số gía trị cụ thể bằng cách lấy mẫu 
tín hiệu đó theo một chu kỳ xác định nhờ một tín hiệu có dạng xung. Ngoài ra, mạch biến 
đổi cần một khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1µs - 1ms) do đó cần giữ mức tín hiệu biến 
đổi trong khoảng thời gian này để mạch có thể thực hiện việc biến đổi chính xác. Đó là 
nhiệm vụ của mạch lấy mẫu và giữ. Điện thế tương tự cần biến đổi được lấy mẫu trong 
thời gian rất ngắn do tụ nạp điện nhanh qua tổng trở ra thấp của OP-AMP khi các 
transistor dẫn và giữ giá trị này trong khoảng thời gian transistor ngưng (tụ phóng rất 
chậm qua tổng trở vào rất lớn của OP-AMP) 
6.2.3. Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang 
 - Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung được thực hiện qua 4 bước cơ bản, đó là: lấy 
mẫu; nhớ mẫu; lượng tử hóa và mã hóa. Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong 
một quá trình thống nhất. 
 - Định lý lấy mẫu: Đối với tín hiệu tương tự VI thì tín hiệu lấy mẫu VS sau quá trình 
lấy mẫu có thể khôi phục trở lại VI một cách trung thực nếu điều kiện sau đây thỏa mản: 
 fS ³ 2fImax 
 Trong đó fS : tần số lấy mẫu 
 fImax : là giới hạn trên của giải tần số tương tự 
 - Hình biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào. Nếu biểu thức (10) được 
 thỏa mản thì ta có thể dùng bộ tụ lọc thông thấp để khôi phục VI từ VS. 
 Hình 6.10. Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu 
 vào 
 - Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần có 
một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi 
 134 
lần lấy mẫu. Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi A/D trên thực tế là giá 
trị VI đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu. 
 - Lượng tử hóa và mã hóa: Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn 
không liên tục trong biến đổi giá trị. Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị 
bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn. Nghĩa là 
nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội 
số nguyên lần giá trị đơn vị. Quá trình này gọi là lượng tử hóa. Đơn vị được chọn theo qui 
định này gọi là đơn vị lượng tử, kí hiệu D. Như vậy giá trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng 
D. Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số là mã hóa. Mã nhị phân có được sau 
quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của chuyên đổi A/D. 
 - Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu: Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của 
ADC, tiến trình biến đổi có thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong 
tiến trình biến đổi. Ta có thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách sử 
dụng mạch lấy mẫu và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự không đổi trong khi chu kỳ 
chuyển đổi diễn ra. 
 Hình 6.11. Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu 
 - Khi đầu vào điều khiển = 1 lúc này chuyển mạch đóng mạch ở chế độ lấy mẫu 
 - Khi đầu vào điều khiển = 0 lúc này chuyển mạch hở mạch chế độ giữ mẫu 
 - Chuyển mạch được đóng một thời gian đủ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dòng điện 
của tín hiệu tương tự. Ví dụ nếu chuyển mạch được đóng tại thời điểm t0 thì đầu ra A1 sẽ 
nạp nhanh tụ Ch lên đến điện thế tương tự V0. khi chuyển mạch mở thì tụ Ch sẽ duy trì 
điện thế này để đầu ra của A2 cung cấp mức điện thế này cho ADC. Bộ khuếch đại đệm 
A2 đặt trở kháng cao tại đầu vào nhằm không xả điện thế tụ một cách đáng kể trong thời 
gian chuyển đổi của ADC do đó ADC chủ yếu sẽ nhận đựơc điện thế DC vào, tức là V0. 
 - Trong thực tế người ta sử dụng vi mạch LF198 là mạch S/H tích hợp có thời gian 
thu nhận dữ liệu tiêu biểu là 4ms ứng với Ch = 1000pF, và 20ms ứng với Ch = 
 135 
0.01mF. Tín hiệu máy tính sau đó sẽ mở chuyển mạch để cho phép Ch duy trì giá trị của 
nó và cung cấp mức điện thế tương tự tương đối ổn định tại đầu ra A2. 
 Hình 6.12. Vi mạch LF198 
- Cấu trúc IC chuyển đổi tương tự - số 
 Hình 6.13. Cấu trúc IC chuyển đổi tương tự - số 
 - Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) 
 136 
 +5V D8 L1
 DIP SW1 IN1
 VR1
 D7 L2
 1 D6 L3
 SW1 A0
 D5 L4
 0
 1
 SW2 A1 ADC0809 D4 L5
 0
 D3 L6
 1 SW3 A2
 D2 L7
 0
 1 SW4 STR/ALE D1 L8
 0 +5V EOC L10
 Vref
 RV1
 Hình 6.14. Mạch chuyển đổi tương tự - số 
6.2.4. Mạch ADC gần đúng lấy liên tiếp 
 Do công nghiệp chế tạo cho ra ADC nhanh và rẻ, nên chỉ tiêu tần số số hóa 
của chip thường cao hơn nhu cầu của mạch ứng dụng. Mặt khác, mạch ứng dụng 
thường thiết kế với nhiều nhịp số hóa chọn được. Nhằm khai thác tối đa năng lực 
ADC và tránh phải bố trí mạch lọc anti-alias cho mỗi mức nhịp số hóa, kỹ thuật 
Oversampling được vận dụng. 
 Nội dung của kỹ thuật Oversampling là, tín hiệu được số hóa ở tần cao hơn 
K lần tần yêu cầu làm việc, sau đó kết quả được xử lý bằng "kỹ thuật lọc số", rồi 
cộng chúng lại theo bước số hóa yêu cầu.[7] 
Giải thich về ngưỡng và độ phân giải Oversampling 
 Kết quả cộng cho ra độ phân giải cao hơn độ phân giải danh định ∆V của 
chip, ví dụ đạt được mức 20 bit bằng ADC 16 bit, tức là tăng 4 bit. Nếu cộng K số 
lại (cộng không có phủ chồng) thì gia tăng bit cao nhất là cỡ log2(K)/2, tuy nhiên 
 137 
độ phân giải thực tế bị chặn bởi độ rộng của dải bất định của comparator khi 
chuyển mức giữa hai mức kề nhau, và tùy thuộc chất lượng của chip sử dụng.[8] 
 Trường hợp ADC lý tưởng thì ngưỡng phân biệt ra mức tín hiệu L và L+1 
∆V nằm ở giữa. Trong thực tế comparator có dải bất định là δV, giá trị tín hiệu rơi 
vào dải δV sẽ cho ra hoặc là L hoặc là L+1. Oversampling dùng chip có độ phân 
giải ∆V thì đạt độ phân giải cao nhất là cỡ δV. Song nếu quan sát tín hiệu DC hoặc 
biến đổi quá chậm, thì ví dụ tín hiệu DC vào ở mức L + 0,7 ∆V, kết quả số hóa sẽ 
luôn là L+1, Oversampling không tăng được cái gì cả. Để khắc phục thì người ta 
đưa vào một lượng nhiễu răng cưa nhỏ biết trước, và loại đi trong kết quả cộng. 
6.2.5. Mạch ADC chuyển đổi song song 
Mạch đổi song song 3 bit, và mỗi bậc của tiến trình là 1v. 
Cầu chia điện thế lập ra các mức điện thế tham khảo cho mỗi mạch so sánh. Ta 
thấy có 7 mức mà các trị giá là 1, 2, 3, 4, 5,6,7v. Điện thế tương tự vào VA được 
đưa vào mỗi ngõ vào của các mạch so sánh. 
 138 
 Hình 6.15. Sơ đồ mach ADC song song 3bit và bảng chân lý 
 Nếu VA<1v, tất cả ngõ ra các mạch so sánh C1-C7 cao. 
 Nếu VA>1v, có ít nhất một ngõ ra các mạch so sánh xuống thấp. Các ngõ ra 
được đưa vào mạch mã hoá ưu tiên tác động thấp, tạo một số nhị phân tương ứng 
với chân ra mạch so sánh có hiệu lực. Chân ra mạch so sánh có hịêu lực là chân có 
chỉ số cao nhất (nếu đồng thời có nhiều chân ra cùng xuống thấp). Thí dụ, khi 
VA nằm giữa 3 và 4v. Các chân ra C1, C2 và C3 đều thấp. Tất cả các chân khác cao. 
Mạch mã hoá ưu tiên chỉ thực hiện với trị giá thấp của C3, và cho ra ngõ CBA=011 
(biễu diễn cho số nhị phân tương đương của VA với độ phân giải 1v). 
 Khi VA cao hơn 7v, C1-C7 đều thấp. Ngõ ra mạch mã hoá CBA=111. 
 Mạch ADC song song không cần xung đồng hồ, vì nó không có mạch đếm 
đồng bộ hoặc những thao tác tiến trình tuần tự. Tiến trình đổi gần như tức thời, 
ngay khi đặt VA vào. Thời gian chuyển đổi tuỳ thuộc duy nhất sự trễ của các mạch 
so sánh và mạch mã hoá. 
Mã hoá PCM thực tế : 
 Khối mã hoá PCM ( Pulse Code Modulation.- Biến điệu mã xung ) trong 
thực tế được xây dựng theo sơ đồ khối ở các phần trước. Hầu hết đều được đặt 
trong một IC. 
 139 
 CÂU HỎI ÔN TẬP 
Câu hỏi 1. Trình bày sơ đồ tổng quát, thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi DAC ? 
Câu hỏi 2. Trình bày kiến thức cơ bản về mạch DAC dùng điện trở có trị số khác nhau ? 
Câu hỏi 3. Trình bày kiến thức cơ bản về mạch ADC dùng điện trở R và 2R ? 
Câu hỏi 4. Trình bày kiến thức cơ bản về mạch DAC sử dụng nguồn dòng ? 
Câu hỏi 5. Trình bày sơ đồ tổng quát, nguyên lý hoạt động, các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu 
của ADC ? 
Câu hỏi 6. Trình bày vấn đề lấy mẫu và giữ trong mạch ADC ? 
Câu hỏi 7. Trình bày kiến thức cơ bản về mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc 
thang ? 
 140 
 Phần: KIẾN THỨC THỰC HÀNH 
 1. Mạch chuyển đổi số sang tương tự (DAC) dùng IC DAC 0808 
 PHIẾU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 
 CÔNG VTÊC: Lắp ráp, khảo sát mạch chuyển đổi số sang tương tự 
 1/B4/MĐ19 
 (DAC) dùng IC DAC 0808 
 Bước Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết 
 Ghi chú 
công việc bị 
Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, - Lựa chọn đúng đủ - Dao, kìm cắt, bo cắm 
 thiết bị, vật tư dụng cụ, thiết bị, - Đồng hồ vạn năng, 
 vật tư - Nguồn điện DC 
 - Điện trở, IC 
Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, - Lựa chọn phù hợp - Dao, kìm cắt, bo cắm 
 thiết bị, vật tư - Thao tác đúng, - Đồng hồ vạn năng, 
 chuẩn xác - Nguồn điện DC 
 - Điện trở, IC thanh 
Bước 3 - Lắp IC - Các linh kiện, dây - Điện trở, IC 
 - Lắp R kết nối bố trí hợp 
 - Lắp Led 7 thanh lý, chắc chắn, 
 vuông góc, gọn 
 - Dây nối 
 gàng 
Bước 4 - Cấp nguồn - Lựa chọn phù hợp - Nguồn điện DC 
 - Khảo sát các trường - Thao tác đúng, 
 hợp, kiểm nghiệm lại chuẩn xác 
 theo bảng chân lý 
 141 
 2. Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) dùng IC ADC 0809 
 PHIẾU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 
 CÔNG VTÊC: Lắp ráp, khảo sát mạch chuyển đổi tương tự sang số 
 2/B4/MĐ19 
 (ADC) dùng IC ADC 0809 
 Bước Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết 
 Ghi chú 
công việc bị 
Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, - Lựa chọn đúng đủ - Dao, kìm cắt, bo cắm 
 thiết bị, vật tư dụng cụ, thiết bị, - Đồng hồ vạn năng, 
 vật tư - Nguồn điện DC 
 - Điện trở, IC 
Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, - Lựa chọn phù hợp - Dao, kìm cắt, bo cắm 
 thiết bị, vật tư - Thao tác đúng, - Đồng hồ vạn năng, 
 chuẩn xác - Nguồn điện DC 
 - Điện trở, IC thanh 
Bước 3 - Lắp IC - Các linh kiện, dây - Điện trở, IC 
 - Lắp R kết nối bố trí hợp 
 - Lắp Led 7 thanh lý, chắc chắn, 
 vuông góc, gọn 
 - Dây nối 
 gàng 
Bước 4 - Cấp nguồn - Lựa chọn phù hợp - Nguồn điện DC 
 - Khảo sát các trường - Thao tác đúng, 
 hợp, kiểm nghiệm lại chuẩn xác 
 theo bảng chân lý 
 142 
 XÁC NHẬN KHOA 
 Bài giảng môn học/mô đun “Kỹ thuật xung số” đã bám sát các nội dung 
trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, 
kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. 
Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun Kỹ thuật xung sô thay thế cho 
giáo trình. 
 Người biên soạn Lãnh đạo Khoa 
 ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) 
 Đinh Phương Thùy Đỗ Xuân Sinh 
 143