Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Chia sẻ: Vo Kiem | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:39

1
560
lượt xem
181
download

Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó, ngày nay việc gia công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

  1. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt PHẦN MỞ ĐẦU Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó, ngày nay việc gia công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý số có những ưu điểm hơn hẳn cá thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý tương tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lường và điều khiển và đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính được ứng dụng rộng rãi ngày nay.Với sự ra đời các hệ thống số đã cải thiện , tối ưu những nhược điểm mà kỹ thuật tương tự không đáp ứng được chẳng hạn như sai số, tốc độ, tần số làm việc, tổn hao .v.v... Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm các đại lượng vật lý, hoá học, sinh học... là các đại lượng biến thiên theo thời gian hay nói cách khác nó là các đại lượng tương tự, để phối ghép với nguồn tín hiệu tương tự với nguồn xử lý số, nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ thống số ta phải có các mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số ADC (The Analog to Digital Convertor), tín hiệu sau khi đã được chuyển đổi được xử lý qua một hệ thống xử lý tín hiệu số và được trả lại dạng tín hiệu ban đầu, đó là tín hiệu tương tự thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu số-tương tự DAC (The Digital to Analog Convertor ). Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm nhập ngày càng sâu vào đời sống kinh tế, xã hội và đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát triển những ngành khoa học mới, đơn cử như những hệ thống tự động hoá đo lường và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dưới đây. Để mở rộng tầm ứng dụng, cũng như khả năng can thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh vực khác nhau. Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa là khả năng kết nối máy tính cũng như việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi, tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ cụ thể cũng như vật tư thiết bị có trong tay mà việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục đích khác nhau. Đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong đo lường và điều khiển tự động. Tuy nhiên, để có được điều đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn tín hiệu đó là nguồn tín hiệu tương tự và nguồn tín hiệu số. Việc này hết sức quan trọng và không thể thiếu được trong hệ thống xử lý số, không những thế việc nghiên cứu tìm Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 1
  2. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt hiểu nó cho ta biết được khả năng làm việc, đọ chính xác của hệ thống cũng như độ tin cậy của hệ thống PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU ỨNG DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH Chương 1 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ – SỐ ADC (The Analog to Digital Convertor) 1 .Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tương tự – số (ADC basic principles) Tín hiệu tương tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số mã hoá là rời rac theo thơi gian. Để chuỷên đổi tín hiệu tương tự sang dạng tín hiệu số đòi hỏi phải lượng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu số liên tục. Để có được điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những khoảng thời gian như nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành số. Như vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là: - lấy mẫu - nhớ mẫu - lượng tử hoá - mã hoá 1.1. Lấy mẫu tín hiệu (Singnal sample) Việc lấy mâũ tín hiệu tương tự tại những khoảng thời gian sao cho tín hiệu số được mã hoá có thể khôi phục lại tín hiệu cũ một cách trung thực, ít ảnh hưởng của nhiễu và sai số do quá trình lấy mẫu. Theo định lý lấy mẫu của Kacchenikop hay định lý lấy mẫu của Sharnon thì để khôi phục lại tín hiệu cũ có độ trung thực tối thiểu thì tần số của tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối thiểu bằng hai lần tần số lớn nhất của phổ tín hiệu tương tự: F s ≥ 2.F max (1). Với: F max là tần số max của dải phổ tín hiệu tương tự cần chuyển đổi Fs là tần số lấy mẫu Nếu: F s = 2.F max thì ta gọi tần số lấy mẫu này là tàn số Nyguist. Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 2
  3. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Chu kỳ Nyguist: 1 1 TNyguist = = F 2.F a (2). U,i 0 U,i t 0 t Hình 1. Tín hiệu tương tự và tín hiệu sau khi lượng tử và rời rạc hoá Như vậy, một tín hiệu tương tự có hàm tin x(t) nào đó xác định trong khoảng ( t o , t o + T ) hoàn toàn có thể khôi phục từ các mẫu rời rạc của nó x(k. Δt ) theo công thức: n−1 sin ω (t − kΔt ) X (t) = ∑ .x(k. Δt ). (3). ωc (t − kΔt ) Với ωc : tần số cao nhất trong phổ x(t) Δ t : bước rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu: Δt = π = 1 (4). ωc 2 f c (tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x(t) ) Τ Như vậy số mẫu cần lấy là: Ν = (5). Δt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 3
  4. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Gỉa sử coi như bề rộng phổ của âm thanh chất lượng cao có tần số là : F = 20KH Z .Như vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý trên : 1 1 Τsny = = = 2.5.10−5 = 2.5μs 2 Fa . 2.20000 1. 2. Lượng tử hoá và mã hoá tín hiệu (signal Coding and Quantization). Sau khi tính toán xác định tần số lấy mẫu của tín hiệu bằngđịnh lý lấy mẫu ta được dãy các giá trị rời rạc.Thực hiện việc lượng tử hoá biên độ của tín hiệu tương tự, là biến dãy các giá trị rời rạc bất kỳ đó thành dãy các giá trị nguyên x(k) bằng cách hết sức đơn giản là quy trò các giá trị đó. Tuy nhiên, phải xác định được mức quy tròn Δ x (giá trị này gọi là mức lượng tử hoá), điều này sẽ gây ra sai số lượng tử hoá , tất nhiên ta có thể hạn chế sai số này một cách tối thiểu là tăng tần số lấy mẫu. Số mẫu càng lớn thì sai số càng nhỏ, điều này thể hiện qua số bit đầu ra củ bộ chuyển đổi, người ta dựa vào tham số này để đánh giá chất lưọng chuyển đổi cũng như độ trung thực của tín hiệu khôi phục. Công thức lượng tử hoá: x(k ) = Ε.{x(k.Δt ) + 0.5 } (5). Với: E là phần nguyên. VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu như sau: Giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu Giá trị sau khi quy tròn X(k. Δ t) 11.7 12 10.3 10 13.8 14 18.2 18 22.6 23 24.9 25 14.1 14 Bảng 1. Gía trị rời rạc sau khi lấy mẫu và sau khi quy tròn Sau khi thực hiện xong việc lượng tử hoá từ các tín hiệu rời rạc, ta thực hiện việc mã hoá tín hiệu số. Trước hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị phân thì cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để có dược điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu. Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để viết 1 con số thập phân thì phải thoả mãn điều kiện: Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 4
  5. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt 103 < số thập phân < 104 Tương tự với số nhị phân: 2n−1 < max | x(k ) |< 2n (6). Như vậy, số bit cần thiết để thoã mã hoá là n bit. Chẳng hạn: 2n < max | x(k ) |= 25 < 25 ⇒ Số bit trong mỗi từ mã là 5 bit. Vậy ta có công thức để xác định số bit là: (n − 1)log2 2 < log2max | x(k)| < n.log2 2 suy ra: n = E.(log max | x(k) | +1) . (7). 2 Ngoài ra, nếu con số biểu diễn là các con số đại số thì còn có cả số âmvà số dương cho nên trong từ mã còn có thêm một bit nữa là bit dấu để phân biệt số âm và số dương . Trên cơ sở đó ta thực hiện mã hoá các giá trị trên : x(0. Δ t) = (12) 10 = 01100 x(1. Δ t) = (10) 10 = 01010 x(2. Δ t) = (14) 10 = 01110 x(3. Δ t) = (18) 10 = 10010 x(4. Δ t) = (23) 10 = 10111 x(5. Δ t) = (25) 10 = 11001 x(6. Δ t) = (14) 10 = 01110 Để đánh giá chất lượng chuyển đổi nghĩa là độ trung thực của tín hiệu khôi phục người ta xác định sai số lượng tử cực đại: - Sai số lượng tử cực đại: Δx / 2 - Sai sốlượng tử càng nhỏthì độ trung thực của tín hiệu sau khi khôi phục càng cao Như vậy, sau khi tín hiệu tương tự được lấy mẫu (rời rạc hoá thời gian) và mã hoá (lượng tử hoá về biên độ) nó chuyển thành tín hiệu số này là các giá trị rời rạc đó. Cách biểu diễn theo hệ thập phân thường dùng để chỉ thị số đo, còn trường hợp mạch biến đổi AD là các thiết bị số thì thường dùng hệ cơ số 2 (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số. Gỉa sử gọi tín hiệu tương Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 5
  6. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt tự là S A (U A ) , tín hiệu số là S D (U D ) , S D được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân như sau: S D = bn −1 .2 n −1 + bn − 2 2 n − 2 + ... + b0 .2 0 (8). Trong đó, các hệ số bk =0 hoặc bằng 1 (với k=0 đến k=n-1) và được gọi là bit (binary digit). Trong đó, bit có trọng lượng lớn nhất ở bên trái và bit có trọng lượng nhỏ nhất ở bên phải.ở đây b0 là bit có trọng lượng nhỏ nhất. Như vậy, với một mạch biến đổi có N bit nghĩa là có N số hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấc trên hình chiếm một giá trị: U Am Δx = U LSB = N (9). 2 −1 Trong đó: - U Am là giá trị cực đại cho phép của diện áp tương tự đầu vào ADC - Δx là mức điện tử 2.các tham số cơ bản đặc trưng cho chuyển đổi tương tự số + Dải biến đổi của điện áp tương tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi được. Khoảng điện áp đó có thể lấy các giá trị số từ 0 đến một số dương hoặc âm nào đó. Số các số hạng của mã số của đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi. Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N=12, nghĩa là một từ mã có 12 con số nhị phân thì ADC có thể phân biệt đuợc 212 =4096 mức điện áp trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Độ phân biệt của một ADC được ký hiệu là Q (được xác định theo công thức (4) ở trên). Như vạy, ta có thể ngầm hiểu số bit N để đặc trưng cho độ chính xác. Tuy nhiên, ngoài số bit đặc trưng cho độ chính xác của bộ chuyển đổi trong thực tế liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác như: Sai số lệch 0, sai số đơn điệu, sai số khuyếch đại Lý tưởng Thực 111 110 101 Méo phi tuyến 100 011 Sai số khuếch đại 010 001 Sai số đơn điệu 000 Sai số lệch không Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 6
  7. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Hình 2. đặc tyuến lý tưởng và thực của bộ chuyển đổi ADC Như vậy, so sánh hai đường đặt tuyến truyền đạt lý tưởng của ADC là một đường bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1. Đường đặc tuyến thực có sai số lệch không và là một hình bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai số khuyếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn điệu. Trong đó, sai số khuyếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đường đặc tuyến thực với độ dốc trung bình của đường đặc tuyến lý tưởng. Sai số phi tuyến được đặc trưng bởi sự thay đổi đọ dốc đường trung bình của đạc tuyến thực trong dải biến đổi của điện áp vào. Sai số này làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình bậc thang không đều. Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi tuyến của đường đặc tính biến đổi gây ra. 3.Cấu tạo, sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Composition, Diagram and Working Principle) 3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition) ADC UA UA UM Mạch lấy Lượng Mã hoá UD Mẫu tử hoá hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC Như vậy, một bộ chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch lượng tử hoá tín hiệu và mạch mã hoá tín hiệu. 3.2. Nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Working Principle) Trước hết, mạch láy mẫu tín hiệu tương tự tại các thời điểm khác nhau đều và cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa tới mạch lượng tử hoá để Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 7
  8. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Δx thực hiện làm tròn với biên độ chính xác: ± . Sau mạch lượng tử hoá là 2 mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cẩutên đầu ra của bộ chuyển đổi. 4. phân loại chuyển đổi tương tự-số ADC . Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tương tự-số ADC , tuy nhiên chủ yếu phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian theo cách phân loại này có 4 phương pháp biến đổi AD như sau: a.Phương pháp chuyển đổi song song: Trong phương pháp nàytín hiệu được so sánh cùng một lúc với nnhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. b.Biến đổi theo mã đếm: ở đây, quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của 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. c. Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuản dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần, do đó các bit được xác định lần lượt từng bit có nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất. d. Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phương pháp này mỗi bước so sánhcó thể được xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời. Như vậy, có rất nhiều phương pháp chuyển đổi, tuy nhiên các mạch thưc tế làm việc theo nhiều phương pháp khác nhau. Nhưng về nguyên tắc chuyển đổi đều làm theo những phương pháp trên. Trong quá trình thiết kế một hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính, hay một hệ thống đo lường số nào đó tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống như tốc độ,độ chính xác vật tư hiện có mà lựa chọn phương pháp chuyển đổi khác nhau. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau, chính vì vậy việc nghin cứu nguyên lý hoạt động , tính năng kỹ thuạt của từng phương pháp cũng như từng mạch cụ thể là nhiệm vụ của người thiết kế. Sau đây ta tìm hiểu từng phương pháp chuyển đổi: 4.1. Bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp tích phân một sườn dốc (the Ramp type ADC). 4.1.1. Sơ đồ khối : U0 + Ux Bộ tạo cửa Bộ so sánh thời gian 2n Bộ Bộ tạo đếm U xung Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm tuyến 21 tính 20 8
  9. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Hình 4. Sơ đồ khối phương pháp tích phân một sườn dốc Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 9
  10. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt u U0 + Ux U0 t USS1 USS2 t Uxung ΔT t cửa Uxung t chuẩn Uxung t điểm t Hình 5 : Giản đồ thời gian Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 10
  11. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt 4.1.2.Nguyên lý làm việc Bộ điều khỉên tạo xung điều khiển(Xung Clock), xung này có nhiệm vụ xoá “0” bộ đếm và tạo điện áp răng cưa.Nó chính làbộ tạo điện áp mẫu có độ méo γ % nhỏ Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp cần đo với điện áp chuẩn U 0 . Bộ so sánh Một đầu ra 2 đầu vào hình 6. bộ so sánh Khi đặt 2 điện áp đầu vào bằng nhau thì có xung ra tại thời điển t 1 .Xung ra này kích bộ tạo cửa thời gian là Triger ó hai trạng thái ổn định và làm cho bộ cửa thời gian từ trạng thái “0” chuyển sang trạng thái “1”. Sau khi có điện áp U ò + U 0 vào bộ so sánh 2 thì nó sẽ so sánh giá trị và đưa ra xung đếm tại thời điểm t2 . Xung đếm này làm cho bộ tạo xung chuyển trạng thái từ trạng thái “1” sang trạng thái “0” , đồng thời mở cửa để bộ tạo xung đếm lọt qua, các xung này sẽ được lưu trữ tại các thanh ghi của bộ đếm xung. Trong thực tế, thường sử dụng các vi mạch khuyếch đại thuật toán làm bộ so sánh. Ta thấy rằng ở sơ đồ nguyên lý ngoài điện áp U x cần cho điện áp U 0 .Điện áp U 0 là điện áp được tạon ra nhằm mục đích đo chính xác giá trị của điện áp U x vì khi bắt đầu quá trình chuyển đổi nó chưa ổn định do tính không đường thẳng. du Ta có: U x = Δ T .tg α = ΔT. (10) dt n Với: ΔT = t2 − t1 = n.Tch = (11) f ch u du Suy ra: U x = . (12). f dt ch Δf ⇒ U x = n.10 i du Vì = const f ch = dt f Giả sử i = 0 ⇒ U x = n. 4.1.3 Sai số chuyển đổi và cách khắc phục. Để thực hiện đo lường và chuyển đổi bằng máy tính thông qua card ghép nối chuyển đổi tương tự-số ADC ngoài việc phải hiểu nguyên lý hoạt động của nó, ta còn phải biết tính năng đo lường cũng như độ chính xác của từng bộ chuyển đổi. Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 11
  12. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Vậy độ chính xác của bộ chuyển đổi sử dụng phương pháp trên phụ thuộc vào các yếu tố gì ? * Để trả lời cho câu hỏi trên ta phải xem xet từng yếu tố tuỳ thuộc: • Các điện áp chuẩn U ch + Diện áp răng cưa khong tuyến tính Δf + Tần số không ổn định có sai số tương đối lớn lớn f • Do nhiễu xung can thiệp vao mạch biến đổi • Do sự không đồng bộ giữa xung mở cửa và chuỗi xung chuẩn dẫn đến sai số phương pháp đo * cách khắc phục: • Trước hết phải tạo điện áp chuẩn U ch thật chuẩn γ% nhỏ, sai số Δf doTần số nhỏ nhỏ f • Giảm sai số phương pháp, tăng tần số xung chuẩn, tuy nhiên cũng phải phụ thuộc vào độ phân giải của bộ đếm xung. 4.2. Bộ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn rốc. (The dual-slope integerating type A/D converter) 4.2.1. Sơ đồ khối cấu tạo. c R Uc Ua Uch Mạch tích phân A1 Bộ so sánh A2 Bộ U0 đệ Mạch Mạch ADN m Logic Đếm Z0 Tạo xung nhịp Hình 7. sơ đồ khối cấu tạo bộ chuyển đổi theo phương pháp hai sườn dốc UC ’ ’ U c1 U c2 UA 0 t1 t2 t ’ t2 Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 12
  13. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Hình 8. giản đồ thời gian 4.2.2. Nguyên lý hoạt động. Mạch logic điều khiển, điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì điện áp tương tự cần chuyển đổi U A nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R tại thời điểm t1 . Khi đó ở đầu ra của mạch tích phân A1 Có điện áp được tính theo công thức sau: 1 1 U c (t1 ) = RC ∫ U A dt = RC U At1 (13). C R Uc Uchuẩn Hình 9. mạch tích phân Như vậy, U c tỷ lệ với U A . Tuỳ theo U A lớn hay bé mà đặc tuyến của U c (t1 ) có độ dốc khác nhau. Trong thời gian t1 , bộ đếm Ζ 0 cũng đếm các xung nhịp. Sau khi nạp điện áp cần đo U A cho tụ điện C, mạch logic điều khiển sẽ chuyển khoá K sang vị trí 2 đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch AND ( mạch “Và”) và làm chomạch AND thông khi có xung nhịp tác động. Tại thời điểm này, mạch đếm ở đầu ra bắt đầu thực hiện đếm và mạch đếm Ζ 0 được mạch logic điều khiển về vị trí nghỉ. Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn U ch bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ngược lại, phường trình nạp là: " U U c (t 2 ) = − ch t 2 (14). RC ' " Gỉa thiết sau thời gian t 2 thì | U c = U c | , nghĩa là điện áp U c trên tụ C bằng “0” vì hai điện áp được nạp vào tụ có nhiều cách khác nhau. Như vậy ta có: UA U U t1 = ch t 2 ⇒ t 2 = A t1 (15) RC RC U ch Số xung đưa đến mạch đếm Ζ 0 trong thời gian t1 là: Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 13
  14. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Ζ 0 = t1 . f n (16). Trong đó f n là tần số của dãy xung nhịp z từ đó suy ra t1 = 0 . Thay vào (15) ta được: fn U A Z0 t2 = . (17). U f ch n Do đó xung nhịp đếm được nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng UA thời gian t2 là: Z = t 2. fn .Z0 (18). U ch Sau thời gian t 2. mạch đếm ra bị ngắt vì điện áp trên tụ U c = 0 và mạch logic đóng cổng AND .Qúa trình lặp lại tương tự trong quá trìng chuyển đổi tiếp theo. Như vậy, theo công thức ta thấy số xung đếm được ở đầu ra tỷ lệ với điện áp tương tự U A cần chuyển đổi. ở đây, kết quả đếm không phụ thuộc vào các thông số RC của mạch và cũng không phụ thuộc vào tần số fn . chính vì lẽ đó kết qủa chuyển đổi cũng khá chính xác, tuy nhiên yêu cầu cần thiết là tần số nhịp phải có độ ổn định cao nghĩa là giá trị tần số xung nhịp phải như nhau trong khoảng thới gian t1 ,t2 Tóm lại, trong phương pháp này.ta dã làm cho điện áp cần chuyển đổi UA Tỷ lệ với thời gian (t1,t2 ) rồi đếm số xung nhịp xuất hiện trong khoảng thời gian đó. Phương pháp này cho ta chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số có độ chính xác cao. 4.3 Phương pháp chuyển đổi song song hay phương pháp so sánh trực tiếp. (Comparaison directe). 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý. UA Uch R 7V/8 Mã Hoá R 3V/8 Bit 1 Lối vào Lối ra R 5V/8 1111111 000 R 0111111 001 V/2 0011111 010 Bit 2 R 0001111 011 3V/8 0000111 100 R 0000011 101 V/4 0000001 110 R 0000000 111 Bit 3 V/8 R V/2 Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 14
  15. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Hình 10. sơ đồ nguyên lý phương pháp chuyển đổi song song 4.3.2.Nguyên lý hoạt động Trong phương pháp chuyển đổi này, tín hiệu tương tự cần chuyển đổi UA cần chuyển đổi được đưa đồng thời tới đầu vào cá bộ so sánh. Điện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào còn lại của các bộ so sánh qua thanh điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần. Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thanh điện trở có mức logic “1”, ngược lại các đầu ra của các bộ so sánh co điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn có mức logic “0. Tất cả các đầu ra của các bộ so sánh được nối vào mạch AND có một đầu được nối vào một mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp được đưa đến tác động vào đầu mạch AND thì các xung ra của các bộ so sánh mới được nạp vào bộ nhớ là các Flip-Flop.Các xung sau khi được nhớ vào mạch nhớ nó được ma hoá thành dạng nhị phân. Như vậy, cúu sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ xung nhịp thì lại có một tín hiệu được chuyển đổi. Như vậy, bộ chuỷên đổi tương tự-số làm việc theo phương pháp chuyển đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh vì quá trình so sánh được thực hiện song song cùng một khoảng thời gian. Tuy nhiên, kết cấu mạch phức n tạp với số linh kiện quá lớn. Với bộ chuỷên đổi N bit, để phân biệt được 2 mức lượng tử hoá thì phải dùng tới (2N - 1) bộ so sánh. Chính vì lẽ đó bộ chuyển đổi sử dụng phương pháp chuyển đổi này chỉ đựoc sử dụng trong hệ thống chuyên dụng có yêuc cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao. Ngày nay, người ta đã chế tạo đượ card ADC7 bit tần số fC = 15MHZ. 4.4.Bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp (The Successive-approximation type ADC) 4.4.1. sơ đồ khối cấu tạo. Phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp là phương pháp phổ biến cho các kiểu ADC do tính năng tốc độ, độ chín xác và tính dễ thiết kế của nó. Nó hoạt động nhờ việc so sánh thế được sinh ra với thế nối vào. Một mạch dãy và một mạch chuyển đổi số-tương tự ADC, một đồng hồ xung nhịp và một thanh ghi xấp xỉ liên tiếp SAR . Mạch dãy liên tục tạo ra các mức điện áp so Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 1 Bit Xung nhịp điều khiển Bit N 15 khởi động qua trình
  16. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Hình 11. Sơ đồ khối phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp 4.4.2. Nguyên lý hoạt động. Nguyên tắc làm việc chủ yếu là dựa trên cơ sở “đúng” và “sai”. Tín hiệu lối vào được xấp xỉ liên tiếp bằng một nửa độ lớn của bước trước đó. Ban đầu nó kiểm tra xem nếu điện thế lối vào Vin lớn hơn một nửa khoảng điện thế (VRanger ) của ADC. Gỉa sử rằng lối ra “là đúng” thì phép xấp xỉ tiếp theo sẽ kiểm tra xem nếu Vin lớn hơn (1/2 + ẳ) giải điện áp VRanger .Qúa trình này sẽ lặp lại cho đến khi thế vào xấp xỉ đủ chính xác . Các điện áp mẫu được tạo ra bằng bộ chia mẫu điện áp. Số lượng điện áp mẫu tương ứng với số bậc của bộ biến đổi hay là só bit của từ mã nhị phân ở đầu ra bộ chuyển đổi t V max V xấp xỉ 1/2V ranger 1 0 0 1 0 1 0 t Hình 12. Giản đồ thời gian Bộ khuyếch đại thật toán ở đây sử dụng để so sánh hai giá trị điện thế ở cùng độ lớn (Biên độ của tín hiệu tương tự), nếu không sử dụng ở chế độ phản hồi. Lối ra của bộ khuyếch đại lý tưởng là +0.5 volt, nếu V+ > V- và bằng –15 volt nếu V+ < V- Những mạch như vậy được gọi là bộ so Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 16
  17. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt sánh(comparator) .Trong trường hợp này, Vout là giới hạn về không tương ứng với 5 volt đẻ lối ra có thể tương thích mức TTL . Ngoài bộ so sánh được sử dụng trong bộ chuyển đổi này còn có mạch chuyển đổi DAC có nhiệm vụ chuyển đổi số nhị phân thành thế tương tự tương ứng với độ lớn (Biên độ của tín hiệu tương tự) với giá trị số đó . Hiệu suất chuyển đổi của kỹ thuật này là chuyển đổi có độ phân giải cao, có thể làm việc trong thời gian rất ngắn hay tốc độ chuyển đổi cao. Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi còn phụ thuộc vào các mạch nối dặc biệt là bộ DAC và bộ so sánh. Ngoài ra, sai số của phép chuyển đổi này phụ thuộc vào độ chính xác, độ ổn định của điện áp mẫu và sai số cả các thiết bị so sánh. Chương 2. CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ DAC (The Digital to Analog Convertor) Chuyển đổi số –tương tự (DAC) là một khâu không kém phần quan trọng trong một hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính. Để điều khiển một hệ thống như điều khiển tăng, giảm ổn nhiệt của một lò nhiệt dùng trong công nghiệp haynhư điều khiển động cơ điện ... thì máy tính cần phát ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này là tín hiệu số vì thế trong hâù hết các hệ thống tự động hoá cần phải chuyển tín hiệu này thành tín hiệu tương tự (dòng điện và điện áp biến thiên liên tục).Mạch điện thực hiện chức năng này là mạch chuyển đổi số- tương tự(DAC). Như vậy, mạch chuyển đổi tương tự-số sẽ thực hiện chuyển đổi từ n n bit(Binary Digit) thành 2 giá trị điện áp khác nhau, các điện áp này đựơc lấy ra từ một diện áp so sánh xác định. Nguồn điện áp so sánh có thể tìm thấy ở chính bên trong bộ chuỷên đổi DA hoặc từ một nguồn điện áp từ bên ngoài. Độ phân giải được chỉ ra như là độ rộng của giá trị số được biến n đổi.Vì thế, một bộ biến đổi D/A n bit có thể tạo ra 2 giá trị lối ra khác nhau. Khi ta chọn dải điều chỉnh có độ rộng 10v như thường thấy trong công nghiệp, thì sẽ có những bước nhảy điện áp nhỏ nhất như sau: N Độ phân giải Điện áp nhỏ nhất 8 1/256 39.1 mV 10 1/1024 0.97 mV 12 1/4096 0.24 mV 16 1/65536 0.015 mV Bảng 2. Độ phân dải của DAC tương ứng với số bit Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 17
  18. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt 1.Sơ đồ khối-nguyên tắc làm việc. Chuyển đổi số-tương tự (DAC) là quá trình làm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng hay nói cách khác từ N bit đã biết của tín hiệu so với độ chính xác là một mức lượng tử là LBS . UD UM UA DAC LTD Hình 13. sơ đồ khối quá trình khôi phục tín hiệu tương tự Để lấy được tín hiệu tương tự từ tín hiệu số là tín hiệu rời rạc theo thời gian, tín hiệu nàyđược đưa qua một bộ lọc thông thấp lý tưởng.Trên đầu ra của bộ lọc có tín hiệu UA biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um . ở đây bộ loc thông thấp đóng vai trò như một bộ nội suy UM 0 t Hình 14. Giản đồ thời gian 2.các phương pháp chuyển đổi số- tương tự 2.1.Chuyển đổi số-tương tự bằng phương pháp đấu điện trở R-2R Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất ở các bộ chuyển đổi DA. Sự sắp xếp khá đặc biệt của các điện trở đã mang lại nhưỡng ưu điểm nổi bật so với các phương pháp khác .Phần chính của mạng các điện trở có thể xem như là một bộ chia điện áp. Bộ chia này có đặc tính là mỗi điểm nút được đấu tải bằng một điện trở R.Nhờ vậy mà mỗi điểm nút dòng điện di qua được chia theo tỷ lệ 1:1 và đối vói bit cao nhất đi qua điện trở được tính bằng công thức: I = Uref / 2R (15) Còn dòngqua điện trở tiếp theo sẽ là: I = Uref / 2R.0.5(16). Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 18
  19. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Ngoài ra một bộ phận chuyển mạch qua lại sẽ xác định liệu dòng điện sẽ đi xuống mass hay là đi qua điểm lấy tổng của mạch. Mức High đặt ở chuyển mạch sao cho dòng điện đi qua điểm lấy tổng và do vậy đóg góp vào dòng điện tổng cộng. Dòng điẹn tổng cộng ở lối ra OUT1 sau đó được tính theo công thức : I =Uref.n/256.R n ở đây là giá trị byte dữ liệu (kề sát lối ra). Khi chân ra OUT1 với lối vào không đảo của một bộ khuyếch đại thuật toán có điện trở R được đáu như điện trở phản hồi thì điện áp được tính như sau: Ua =-IR = -Uref .n/256 RN 2N 21 2N-1 R R R UM 2 2 N −1 K Tín hiệu điều khiển số Uch Hình 15. Sơ đồ nguyên lý ADC thang điện trở 2.2.2. Nguyên tắc hoạt động Sơ đồ trên mô tả nguyên tắc hoạt động của bộ chuyển đổi AD theo phương pháp thang điẹn trở. ở đầu vào của bbộ khuyếch đại thuật toán là một thang điện trở mà trị số của chúng phân bố theo mã nhị phân, các điện trở lân cận nhau có trị số hơn kém nhau 2 lần.Tín hiệu điều khiển chính là tín hiệu số cần chuyển đổi. Bit có trọng số nhỏ nhất (LBS) được đưa đến Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 19
  20. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt điều khiển khoá nối với điện trở lớn nhất (R), bit có trọng số lớn hơn, tiếp đó đưa đến điều khiển khoá nối với điện trở nhỏ hơn (R/2)... và MSB nối với điện trở nhỏ nhất (R/2N-1). Nừu 1 bit có giá trị “0” thì khoá tương ứng Nối với đất và nếu một bit có giá tri “1” thì khoá tương ứng nối với nguồn điện áp chuẩn Uch để tạo nên dòng điện tỷ lệ nghịch với trị số điện trởcủa nhánh đó, nghĩa là I0 có trị số nhỏ nhất và IN-1có trị số lớn nhất. Dòng điện sinh ra trong các nhánh điện trở được đưa đến đầu vào bộ khuyếch đại thuật toán, ở đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán có điện ra được tính bằng N −1 công thức: UM = -RN. ∑ In n =o (19). Để thực hiện chuyển mạch K trong sơ đồ trên ta có thể sử dụng sơ đồ sau: T2 T1 Tín hiệu điều khiển số Uch Hình 16. sơ đồ nguyên lý chuyển mạch K 2.3.chuyển đổi số-tương tự bằng phương pháp Shannon-Rack. 2.3.1. sơ đồ nguyên lý. K1 K2 I C R Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản