Giáo trình môn học Kỹ thuật số

nh cứ tiếp tục cho đến khi VAX lên đến bậc vượt quá VA một khoảng VT. Tại thời điểm này ngõ ra của bộ so sánh EOC về thấp và cấm không cho xung nhịp đi vào bộ đếm nên bộ đếm sẽ ngừng đếm.
Tiến trình chuyển đổi hoàn tất khi tín hiệu EOC chuyển từ trạng thái cao xuống thấp và nội dung của bộ đếm là biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào VA.
Bộ đếm sẽ duy trì giá trị số cho đến khi nào xung Khởi Động kế tiếp vào bắt đầu tiến trình chuyển đổi mới.
2.3.3 Độ phân giải và độ chính xác  của ADC dạng sóng bậc thang
Trong ADC dạng sóng bậc thang có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số của quá trình chuyển đổi như: kích cở bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài trong đơn vị nhỏ nhất. Nếu giảm kích cở bậc thang ta có thể hạn chế bớt sai số nhưng luôn có khoảng cách chênh lệch giữa đại lượng thức tế và và giá trị gán cho nó. Đây gọi là sai số lượng tử.
Cũng như trong DAC, độ chính xác không ảnh hưởng đến độ phân giải nhưng lại tùy thuộc vào độ chính xác của linh kiện trong mạch như: bộ so sánh, điện trở chính xác và chuyển mạch dòng của DAC, nguồn điện quy chiếu,Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang) cho biết kết quả ra từ ADC có thể sai biệt một khoảng như thế, do các linh kiện không lý tưởng.
Ví dụ 1
Giả sử ADC dạng sóng bậc thang ở hình 11 có các thông số sau đây: tần số xung nhịp = 1Mz; VT = 0.1mV; DAC có đầu ra cực đại = 10.23V và đầu vào 10 bit. Hãy xác định:
a. Giá trị số tương đương cho VA = 3.728V
b. Thời gian chuyển đổi
c. Độ phân giải của bộ chuyển đổi này
Bài giải:
a. DAC có đầu vào 10 bit và đầu ra cực đại = 10.23V nên ta tính được tổng số bậc thang có thể có là: 210 – 1 = 1023
Suy ra kích cở bậc thang là:
10,23V1023=10mV
Dựa trên thông số trên ta thấy VAX tăng theo từng bậc 10mV khi bộ đếm đếm lên từ 0. vì VA = 3.728, VT = 0.1mV nên VAX phải đạt từ 3.728 trở lên trước khi bộ so sánh chuyển sang trạng thái mức thấp. Như vậy phải có số bậc:
 bậc
khi đó ở cuối tiến trình chuyển đổi, bộ đếm duy trì số nhị phân tương đương 37310, tức 0101110101. Đây cũng chính là giá trị số tương đương của VA = 3.728V do ADC này tạo nên.
b. Muốn hoàn tất quá trình chuyển đổi thì đòi hỏi dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc, có nghĩa 373 xung nhịp áp ào với tốc độ 1 xung trên 1ms, cho nên tổng thời gian chuyển đổi là 373ms.
c. Độ phân giải của ADC này bằng với kích thước bậc thang của DAC tức là 10mV. Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm là:
11023×100%≈0,1%
2.3.4 Thời gian chuyển đổi
Thời gian chuyển đổi là khoảng thời gian giữa điểm cuối của xung khởi động đến thời điểm kích hoạt đầu ra của EOC. Bộ đếm bắt đầu đếm từ 0 lên cho đến khi VAX vượt quá VA, tại thời điểm đó EOC xuống mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đổi. Như vậy giá trị của thời gian chuyển đổi tC phụ thuộc vào  VA. Thời gian chuyển đổi cực đại xảy ra khi VA nằm ngay dưới bậc thang cao nhất. Sao cho VAX phải tiến lên bậc cuối cùng để kích hoạt EOC.
- Với bộ chuyển đổi N bit, ta có:
- tC(max) = (2N – 1) chu kỳ xung nhịp
ADC ở hình 7.11 sẽ có thời gian chuyển đổi cực đại
- tC(max) = (210 – 1)x1ms = 1023ms
Đôi khi thời gian chuyển đổi trung bình được quy định bằng ½ thời gian chuyển đổi cực đại.
Với bộ chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có:
	 chu kỳ xung nhịp ( 7.11)
Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang là thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với từng bit thêm vào bộ đếm. Do vậy ADC loại này không thích hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi một tín hiệu tương tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số. Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ chậm thì bản chất tương đối đơn giản của ADC dạng sống bậc thang là một ưu điểm so với các loại ADC khác.
2.4. Mạch ADC gần đúng lấy liên tiếp	
Bộ chuyển đổi gần đúng lấy liên tiếp ( Successive Approximation  Convetr - SAC) là một trong những loại ADC thông dụng nhất. SAC có sơ đồ phức tạp hơn nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang. Ngoài ra SAC còn có giá trị tC cố định, không phụ thuộc vào giá trị của đầu vào tương tự.
Hình 7.12 là một cấu hình cơ bản của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng sóng bậc thang. Tuy nhiên SAC không sử dụng bộ đếm cung cấp đầu vào cho DAC mà thay vào đó là thanh ghi. Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu trên thanh ghi theo từng bit một cho đến khi dử liệu ở thanh ghi  biến thành giá trị số tương đương với đầu vào tương tự VA trong phạm vi độ phân giải của bộ chuyển đổi.
Hình 7.12: Sơ đồ khối ADC liên tiếp xấp xỉ
Ví dụ 2:
SAC 8 bit có độ phân giải là 20mV. Với đầu vào tương tự là 2.17V, hãy tính đầu ra số tương ứng.
Giải
Số bậc của SAC:
2,1720mV=108,5
Như vậy ở bậc thứ 108 sẽ có VAX = 2,16V, bậc 109 có VAX = 2.18V. SAC luôn sinh đầu ra VAX  cuối cùng tại bậc thang bên dưới VA. Do vậy, ở trường hợp VA = 2.17, đầu ra số sẽ là 10810 = 011011002.
Thời gian chuyển đổi
Logic điều khiển đếm từng bit trên thanh ghi, gán 1 cho nó, quyết định có cần duy trì chúng tại mức 1 hay không rồi chuyển sang bit kế tiếp. Thời gian xử lý mỗi bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, nghĩa là tổng thời gian chuyển đổi của SAC N bit sẽ là N chu kỳ xung nhịp. 
Ta có:
tC cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp
Thời gian chuyển đổi này luôn như nhau bất chấp giá trị của VA. Điều này là đo logic điều khiển phải xử lý mỗi bit dể xem có cần đến mức 1 hay không.
Ví dụ 3
So sánh thời gian chuyển đổi của ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang và SAC 10 bit. Giả thiết cả hai đều áp dụng tần số xung nhịp 500kHz.
Giải
- Với ADC dạng sóng bậc thang, thời gian cực đại sẽ là:
 (2N – 1) x (1 chu kỳ xung nhịp) = 1023 x 2ms = 2046ms
- Với SAC, thời gian chuyển đổi luôn bằng 10 chu kỳ xung nhịp tức là
10 x 2ms = 20ms
Vậy với SAC thì thời gian chuyển đổi nhanh gấp 100 lần ADC dạng sóng bậc thang. 	
2.5. Mạch ADC chuyển đổi song song	
Xét một bộ biến đổi 3 bit thực hiện theo phương pháp song song như hình 7.13. Với 3 bít có thể biểu diễn 23=8 số khác nhau, kể cả số 0 (không). Do đó cần có 7 bộ so sánh, 7 điện áp chuẩn từng nấc được tạo ra bởi các phân áp. Nếu điện áp vào không vượt ra khỏi giới hạn dải từ 5/2 ULSB đến 7/2 ULSB thì các bộ sao sánh từ thứ 1 đến thứ 3 xác lập ở trạng thái “1”, còn các bộ so sánh từ thứ 4 đến thứ 7 xác lập ở trạng thái “0”. Các mạch logic cần thiết để diễn đạt trạng thái này thành số 3. Theo bảng 7.14 cho quan hệ giữa các trạng thái của các bộ so sánh với các số nhị phân tương ứng. Nếu điện áp vào bị thay đổi đi có thể sẽ nhận được kết quả sai do đó bộ mã hoá ưu tiên không thể đấu trực tiếp đến các lối ra của các bộ so sánh. Ta hãy xét đến chẳng hạn việc chuyển từ số 3 sang số 4 (do đó, trong mã nhị phân là từ 011 đến 100). Nếu bit già do thời gian trễ sẽ giảm đi mà thay đổi trạng thái của mình sớm hơn các bít khác thì sẽ xuất hiện số 111, tức là số 7. Trị số sai tương ứng với một nửa dải đo. Bởi vì các kết quả biến đổi A/D, như đã biết, được ghi vào bộ nhớ, như vậy là tồn tại một xác xuất nhất định để nhận được một trị số hoàn toàn sai. Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách, chẳng hạn, dùng một bộ nhớ - trích mẫu để ngăn sự biến động điện áp vào trong thời gian đo. Tuy nhiên, phương pháp này đã hạn chế tần số cho phép của điện áp vào, bởi vì cần phải có thời gian xác lập cho mạch nhớ - trích mẫu. Ngoài ra không thể loại bỏ hoàn toàn xác xuất thay đổi trạng thái ra của các bộ so sánh, bởi vì các mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có độ trôi đáng kể.
Hình 7.13: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp song song
Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách sau mỗi bộ so sánh, ta dùng một trigơ với tư cách là một bộ nhớ đệm lật theo sườn để nhớ các trị analog. Trigơ này, dưới tác dụng của tín hiệu nhịp sẽ khởi động cho các trigơ tiếp sau. Ở trường hợp này bảo đảm giữ nguyên trạng thái dừng trên lối ra bộ mã hoá ưu tiên khi tác động sườn xung để khởi động trigơ. 
Như đã thấy rõ ở bảng 1, các bộ so sánh xác lập ở trạng thái “1” theo trình tự từ dưới lên trên. Trình tự này sẽ không được đảm bảo nếu các sườn xung là dựng đứng. Bởi vì do có sự khác nhau về thời gian trễ của các bộ so sánh nên có thể sẽ chuyển sang một trình khác. Trong các tình huống xác định, trạng thái quá độ này có thể được ghi vào các trigơ như là khi sườn xung khởi động trigơ và sườn tín hiệu trùng nhau. Tuy nhiên, bộ mã hoá ưu tiên đã cho phép tránh được điều này nhờ tính chất là: nó không chú ý đến các bít trẻ “1” .
 Bảng 7.14: Sự biến đổi trạng thái trong bộ biến đổi A/D song song tuỳ thuộc vào điện áp lối vào.
Điện áp vào
Trạng thái của các bộ so sánh 
Số nhị phân
Số thập phân tương ứng
Ue/ULSB
K7
K6
K5
K4
K3
K2
K1
Z2
Z1
Z0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
2
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
2
3
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
3
4
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
4
5
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
5
6
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
6
7
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
7
Thời gian lấy mẫu cần phải nhỏ hơn thời gian trễ của bộ so sánh, còn điểm bắt đầu của nó được xác định bởi sườn xung khởi động. Sự khác nhau về thời gian trễ đã gây ra độ bất định thời gian(khe) của mẫu. Để giảm nhỏ trị số của nó đến mức đã tính toán trong mục trước, tốt nhất là sử dụng các bộ so sánh có khả năng giảm nhỏ thời gian trễ. Nhờ các tầng làm việc song song nên phương pháp biến đổi A/D vừa mô tả là nhanh nhất.	
3. Giới thiệu IC
- Mục tiêu: Đo kiểm tra, xác định lỗi của một số IC. Thay thế IC vào trong mạch điện một cách chính xác.
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại IC có chức năng chuyển đổi từ số sacng tương tự. Ở đây chỉ giới thiệu 2 loại IC thông dụng, các loại khác bạn đọc có thể tham khảo trong Datasheet hay trên Internet.
3.1. IC AD7524
IC AD7524 ( IC CMOS) là IC chuyên dụng dùng để chuyển đổi từ số sang tương tự. AD7524 là bộ chuyển đổi D/A 8 bit, dùng mạng R/2R ladder. Có sơ đồ bên trong như hình 7.15.
Hình 7.15: Sơ đồ bên trong IC AD7524
AD7524 có đầu vào 8 bit, có thể bị chốt trong dưới sự điều khiển của đầu vào CHỌN CHIP (CS) và đầu vào ghi (WR)  khi cả hai đầu vào điều khiển này đều ở mức thấp, thì 8 đầu vào dữ liệu D7 ÷ D0 sinh ra dòng tương tự OUT1 và OUT2 (thường OUT2 nối đất).
Nếu một trong hai đầu vào điều khiển lên cao thì lúc này dữ liệu vào bị chốt lại và đầu ra tương tự duy trì tại mức ứng với dữ liệu số bị chốt đó. Những thay đổi kế tiếp ở đầu vào sẽ không tác động đến ngõ ra tương tự OUT1 ở trạng thái chốt này. Các thông số của IC được liệt kê ở bảng hình 7.16
Bảng 7.16 Các thông số của IC DA7524
VDD = 5V
VDD = 15V
Đơn vị
MIN NOM MAX
MIN NOM MAX
Điện áp nguồn cấp, VDD
4,75 5 5,25
14,5 15 15,5
V
Điện áp tham chiếu, Vref
+10
+10
V
Điện áp đầu vào mức cao, VIH
2,4
13,5
V
Điện áp đầu vào mức thấp, VIL
0,8
1,5
V
CS thời gian cài đặc, tSU(CS)
40
40
ns
CS thời gian giữ, th(CS)
0
0
ns
Cài đặc thời gian dữ liệu đầu vào, tSU(CS)
25
25
ns
Giữ thời gian dữ liệu đầu vào, tSU(CS)
10
10
ns
Chu kỳ xung, WR low, tw(WR)
40
40
ns
Nhiệt độ môi trường hoạt động, TA
-55 125
-55 125
0C
Quan hệ ngõ vào và ngõ ra tương ứng được trình bày ở bảng hình 7.16
Bảng 7.16a: Quan hệ ngõ vào và ngõ ra
Đầu vào số (Digital input)
(Xem trong chú ý 1)
Đầu ra tương tự 
(Analog output)
MSB
LSB
11111111
10000001
10000000
01111111
00000000
-Vref (255/256)
-Vref (129/256)
-Vref (128/256) = -Vref /2
-Vref (1/256)
0
Chú ý 1: LSB = 1/256 (Vref )
Bảng 7.16b: Quan hệ ngõ vào và ngõ ra
Đầu vào số (Digital input)
(Xem trong chú ý 2)
Đầu ra tương tự 
(Analog output)
MSB
LSB
11111111
10000001
10000000
01111111
00000001
00000000
Vref (127/128)
Vref (128)
0
-Vref (128)
-Vref (127/128)
-Vref 
Chú ý 2: LSB = 1/128 (Vref )
Ứng dụng của IC AD7524 thường dùng giao tiếp với các vi xử lý và vi điều khiển để chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự nhằm điều khiển các đối tượng cần điều khiển. Sau đây là một số ứng dụng của IC AD7524 giao tiếp với các IC khác như hình 7.17
Hình 7.17a: Giao tiếp giữa AD7524 với 6800
Hình 7.17b: Giao tiếp giữa AD7524 với 8051
Hình 7.17c: Giao tiếp giữa AD7524 với Z-80A
3.2 IC DAC0830
DAC 0830 là IC thuộc họ CMOS. Là bộ chuyển đổi D/A 8 bit dùng mạng R/2R ladder. Có thể giao tiếp trực tiếp với các vi xử lý để mở rộng hoạt động chuyển đổi D/A.
Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong của DAC0830 như hình 7.18
Hình 7.18: Cấu trúc bên trong của ICDAC0804
Hoạt động của các chân
(CS)( CHIP SELECT) là chân chọn hoạt động ở mức thấp. Được kết hợp với chân ITL để có thể viết dữ liệu.
ITL (INPUT LACTH ENABLE) là chân cho phép chốt ngõ vào, hoạt động ở mức cao. ITL kết hợp với (CS) để cho phép viết.
WR1 (WRITE) hoạt động ở mức thấp. Được sử dụng để nạp các bit dữ liệu ngõ vào chốt. Dữ liệu được chốt khi WR1 ở mức cao. Để chốt được dữ liệu vào thì (CS) và WR1 phải ở mức thấp trong khi đó ITL phải ở mức cao.
WR1 (WRITE) tác động ở mức thấp. Chân này kết hợp với chân WR1 cho phép dữ liệu chốt ở ngõ vào mạch chốt được truyền tới thanh nghi DAC trong IC.
WR1 (TRANSFER CONTROL SIGNAL) tác động ở mức thấp. Cho phép WR1 được viết.
DI0 – DI7 là các ngõ vào số trong đó DI0 là LSB còn DI7 là MSB.
I01 ngõ ra dòng DAC1. Có trị số cực đại khi tất cả các bit vào đều bằng 1, còn bằng 0 khi tất cả các bit vào đều bằng 0.
I02 ngõ ra dòng DAC2.  Nếu I01 tăng từ 0 cho đến cực đại thì I02 sẽ giảm từ cực đại về 0 để sao cho I01 + I02 = hằng số.
Rfb điện trở hồi tiếp nằm trong IC. Luôn được sử dụng để hồi tiếp cho Op Amp mắc ở ngoài.
Vref ngõ vào điện áp tham chiếu từ -10 đến +10V.
VCC điện áp nguồn cấp cho IC hoạt động từ 5 đến 15V.
GND (mass) chung cho I01 và I02.
Sau đây là một số ứng dụng của DAC0830 chuyển đổi từ số sang tương tự 
 +  Điều khiển volume bằng số như hình 7.19
Hình 7.19: Ứng dụng DAC0830 để điều khiển Volume
+  Điều khiển máy phát sóng bằng số như hình 7.20
Hình 7.20: Ứng dụng DAC 0830 để điều khiển máy phát sóng
+ Bộ Điều khiển dòng bằng số như hình 7.21
Hình 7.21: Bộ điều khiển dòng bằng só
Công thức tính dòng ra: IOUT=VREF1R1+D256RFB1+R2R3
+ DAC8030 có thể điều khiển được dòng ra thay đổi theo dữ liệu số vào. Dòng ra thay đổi từ 4mA (khi D = 0) đến 19.9mA (khi D = 255).
+ Mạch điện trên sử dụng cho các mức điện áp vào khác nhau từ 16V đến 55V.
+ P2 thay đổi giá trị dòng.
YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 7
Nội dung:
+ Về kiến thức: Trình bày được khái niệm, cấu trúc và thông số giữa các mạch chuyển đổi số - tương tự và mạch tương tự - số, hiểu được chức năng của các họ của IC
+ Về kỹ năng: sử dụng thành thạo các dụng cụ đo để đo được các chân tín hiệu điện áp ở ngõ vào – ra của IC, lắp ráp một số mạch cơ bản,.... 
+ Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp.
Phương pháp:
+ Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm.
+ Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành đo được các thông số trong mạch điện theo yêu cầu của bài, lắp ráp một số mạch cơ bản 
+ Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, ngăn nắp trong công việc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Mạch điện tử (tập 1 – 2), Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2005
[2] Kỹ thuật xung cơ bản và nâng cao, Nguyễn Tấn Phước, NXB TP HCM, 2002
[3] Kỹ thuật số, Nguyễn Thuý Vân, NXB KHKT, 2004
[4] Kỹ thuật điện tử số, Đặng Văn Chuyết, NXB Giáo dục.
[5] Cơ sở kỹ thuật điện tử số, Vũ Đức Thọ, NXB Giáo dục.