Mạch Chuyển đổi A/D, D/A

Chia sẻ: Van Kent Kent | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

0
512
lượt xem
145
download

Mạch Chuyển đổi A/D, D/A

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

Chương này nêu lên nguyên tắc chung chuyển đổi tín hiệu tương tự (Analog) thành tín hiệu số (Digital) A/D và chuyển đổi tín hiệu số (Digital) thành tín hiệu tương tự (Analog) D/A. Nêu một số mạch điện để thực hiện các quá trình đó. Các vấn đề của chương gồm: Cơ sở lý luận: Khái niệm chung về chuyển đổi A/D, D/A, các tham số cơ bản, giải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào, độ chính xác của qúa trình chuyển đổi A/D, tốc độ chuyển đổi. Các bước chuyển đổi A/D: lấy...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Mạch Chuyển đổi A/D, D/A

  1. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A CHƯƠNG 6: CHUYỂN ĐỔI A/D, D/A GIỚI THIỆU CHUNG Chương này nêu lên nguyên tắc chung chuyển đổi tín hiệu tương tự (Analog) thành tín hiệu số (Digital) A/D và chuyển đổi tín hiệu số (Digital) thành tín hiệu tương tự (Analog) D/A. Nêu một số mạch điện để thực hiện các quá trình đó. Các vấn đề của chương gồm: - Cơ sở lý luận: Khái niệm chung về chuyển đổi A/D, D/A, các tham số cơ bản, giải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào, độ chính xác của qúa trình chuyển đổi A/D, tốc độ chuyển đổi. - Các bước chuyển đổi A/D: lấy mẫu và giữ mẫu, lượng tử hoá, mã hoá. - Các phương pháp chuyển đổi A/D. + Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song. + Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản. + Chuyển đổi A/D theo phương pháp hai sườn dốc. So sánh các phương pháp chuyển đổi A/D. - Chuyển đổi A/D phi tuyến: đặc tính của chuyển đổi A/D phi tuyến, đặc tính của bộ chuyển đổi D/A phi tuyến. Đặc tính của bộ chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến thực tế. - Các phương pháp chuyển đổi D/A. + Các bước chyuển đổi D/A. + Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở. + Chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở. NỘI DUNG 6.1. CƠ SỞ LÝ LUẬN 6.1.1. Khái niệm chung Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự - số (viết tắt là A/D) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang dạng số hoặc dùng mạch chuyển đổi số - tương tự (D/A) trong trường hợp cần thiết biến đổi tín hiệu số sang dạng tương tự. Quá trình biến đổi một tín hiệu tương tự sang dạng số được minh hoạ bởi đặc tuyến truyền đạt trên hình 6-1. UD 111 110 101 163 ΔUQ 100 Q 011 010 001
  2. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Tín hiệu tương tự UA được chuyển thành một tín hiệu có dạng bậc thang đều. Với đặc tuyến truyền đạt như vậy, một phạm vi giá trị của UA được biểu diễn một giá trị đại diện số thích hợp. Các giá trị đại diện số là các giá trị rời rạc. Cách biểu diễn phổ biến nhất là dùng mã nhị phân (hệ cơ số 2) để biểu diễn tín hiệu số. Tổng quát, gọi tín hiệu tương tự là SA (UA), tín hiệu số là SD(UD) thì SD được biểu diễn dưới dạng của nhị phân là: S D = b n −1 .2 n −1 + b n − 2 .2 n − 2 + ... + b 0 .2 0 (6-1) Trong đó các hệ số bk= 0 hoặc 1 (với k = 0 đến k = n-1) và được gọi là bit. bn-1 được gọi là bit có nghĩa lớn nhất (MSB) tương ứng với cột đứng đầu bên trái của dãy mã số. Muốn biến đổi giá trị của MSB ứng với sự biến đổi của tín hiệu của giải làm việc. b0 gọi là bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB) ứng với cột đứng đầu bên phải của dãy mã số. Mỗi biến đổi của tín hiệu là một mức lượng tử (một nấc của hình bậc thang). Với một mạch biến đổi có N bit tức là có N số hạng trong từ mã nhị phân thì một nấc trên hình bậc thang chiếm một giá trị. U A max Q = U LSB = (6-2) 2N −1 trong đó U A max là giá trị cực đại cho phép tương ứng của điện áp tương tự ở đầu vào A/D. Giá trị U LSB hay Q gọi là mức lượng tử. Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc nên trong quá trình chuyển đổi A/D xuất hiện một sai số gọi là sai số lượng tử hoá, được xác định như sau: 1 ΔU Q = .Q (6-3) 2 Khi chuyển đổi A/D phải thực hiện lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để đảm bảo khôi phục lại tín hiệu một cách trung thực tần số lấy mẫu phải thoả mãn điều kiện sau: f M ≥ 2.f t max ≈ 2.B (6-4) trong đó ftmax là tần số cực đại của tín hiệu. B là giải tần số của tín hiệu. 164
  3. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Theo định lý lấy mẫu, nếu điều kiện (6-4) thoả mãn thì không có sự trung lặp giữa phổ cơ bản và các thành phần phổ khác sinh ra do quá trình lấy mẫu. 6.1.2. Các tham số cơ bản 6.1.2.1. Giải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi A/D thực hiện được. Khoảng điện áp đó có thể lấy trị số từ 0 đến giá trị dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính từ -UAm đến +UAm 6.1.2.2. Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D. Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của bộ A/D là độ phân biệt. Ta biết rằng đầu ra của bộ A/D là các giá trị số sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào, cho biết mức chính xác của phép biến đổi. Ví dụ: 1 bộ A/D có số bit đầu ra N=12 có thể phân biệt được 212 = 4096 mức trong giải biến đổi điện áp của nó. Độ phân biệt của bộ A/D được ký UD Lý tưởng hiệu là Q và được xác định Thực theo biểu thức (6-2). Q chính là giá trị của một mức lượng 111 tử hoá hoặc còn gọi là 1 LSB. 110 Trong thực tế thường 101 Méo phi tuyến dùng số bit N để đặc trưng cho độ chính xác, lúc đó 100 phải hiểu ngầm rằng giải Sai số khuếch đại 011 biên độ điện áp vào coi như không đổi. 010 Sai số đơn điệu UA Thông thường các bộ 001 A/D có số bit từ 3 đến 12. 1/2 LSB Sai số lệch không Có những bộ A/D đạt độ chính xác 14 đến 16 bit. Hình 6-2: Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng và thực Đường đặc tuyến của mạch chuyển đổi A/D truyền đạt lý tưởng của bộ A/D là 1 đường bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1. Đường đặc tuyến thực có sai số lệch không, sai số khuyếch đại của méo phi tuyến và sai số đơn điệu, biểu diễn trên hình 6-2. Cần chú ý rằng bộ A/D làm việc lý tưởng vẫn tồn tại sai số. Đó là sai số lượng tử hoá, được xác định theo biểu thức (6-2). Vì vậy sai số lượng tử còn gọi là sai số lý tưởng hoặc sai số hệ thống của bộ A/D. 6.1.2.3. Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi cho biết kết quả chuyển đổi trong một giây được gọi là tần số chuyển đổi fC. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc trưng cho tốc độ 165
  4. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A 1 chuyển đổi. TC là thời gian cần thiết cho một kết quả chuyển đổi. Chú ý rằng f C ≠ . TC 1 Thường f C < . Khi bộ chuyển A/D có tốc độ cao thì độ chính xác giảm hoặc ngược lại, TC nghĩa là tộc độ chuyển đổi và độ chính xác mâu thuẫn với nhau. Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà dung hoà giữa các yêu cầu đó một cách hợp lý. 6.1.3. Nguyên tắc làm việc của A/D Nguyên lý làm việc của bộ A/D được minh hoạ trên sơ đồ khối hình 6-3. Trước hết tín hiệu tương tự UA được đưa đến một mạch lấy mẫu, mạch này có 2 nhiệm vụ (xem đồ thị thời gian hình 6-4) A/D UA UM UD Mạch lấy Mã Lượng tử mẫu hoá hoá Hình 6-3: Sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của bộ A/D - Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau (rời rạc hoá 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. UA t UM UMt0 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t 166 Hình 6-4: Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra mạch lấy mẫu
  5. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hoá để làm tròn với độ chính Q xác ± . Mạch lượng tử hoá có nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự về mặt biên độ. Nhờ quá 2 trình lượng tử hoá một tín hiệu tương tự bất kỳ được biểu diễn bởi một số nguyên lần mức lượng tử, nghĩa là: X Ai X Ai ΔX Ai ZDi = Phần nguyên = − (6-5) Q Q Q Trong đó: XAi: là tín hiệu tương tự ở thời điểm i ZDi: tín hiệu số ở thời điểm i Q: Mức lượng tử ΔXi: Số dư trong phép lượng tử hoá Trong phép chia theo biểu thức (6-5) chỉ lấy phần nguyên của kết quả, phần dư còn lại (không chia hết cho Q) chính là sai số lượng tử hoá. Như vậy, quá trình lượng tử hoá thực chất là quá trình làm tròn số. Lượng tử hoá thực hiện theo nguyên tắc so sánh. Tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một loạt các đơn vị chuẩn Q. Sau mạch lượng tử hoá là 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 cầu trên đầu ra của bộ chuyển đổi. Trong nhiều loại mạch A/D quá trình lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, không thể tách rời hai quá trình đó. Phép lượng tử hoá và phép mã hoá được gọi chung là mạch chuyển đổi A/D 6.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI A/D 6.2.1. Phân loại Có nhiều phương pháp chuyển đổi A/D, người ta phân ra bốn phương pháp biến đổi sau: - Biến đổi song song. Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu được so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. - Biến đổi nối tiếp 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. - Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có nghĩa lớn nhất (MSB) đến bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB) 167
  6. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A - Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong phương pháp này, qua mỗi bước so sánh có thể xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số phương pháp chuyển đổi điển hình. 6.2.2. Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song Sơ đồ của phương pháp này như ở hình 6-5. Tín hiệu tương tự đã lấy mẫu UM được đồng thời đưa đến các bộ so sánh S1 ÷ Sm. Điện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào thứ 2 của bộ so sánh qua thang điện trở R. Do các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 đến Sm. Đầu ra các bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở, có mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0". Tất cả các đầu ra được nối đến mạch "Và", một đầu mạch "Và" nối tới mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đưa tới đầu vào "Và" thì các xung đầu ra bộ so sánh mới đưa ra mạch nhớ FF (Flip-Flop). Như vậy cứ sau 1 thời gian bằng 1 chu kỳ xung nhịp lại có 1 tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra. Xung nhịp bảo đảm cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu vào bộ nhớ. Bộ mã hoá có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân. +Uch _ UM S1 + FF R _ S2 UD + FF R _ Mã S4 + FF hoá R _ Sm + FF R 2 Nhịp Mạch Hình 6-5: Sơ đồ là tốc độlý bộ chuyển đổi vì quá trình so sánh thực hiện song này có ưu điểm nguyên biến đổi nhanh, A/D theo phương pháp song song song. Nhưng nhược điểm là kết cấu mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn. Với bộ chuyển đổi N bit, để phân biệt được 2N mức lượng tử hoá, phải dùng ( 2 N − 1 ) bộ so sánh. Vì vậy phương pháp này chỉ dùng trong các bộ A/D yêu cầu số bít nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao. Ngày nay người ta đã chế tạo các bộ A/D song song 7 bits với fC = 15MHz 168
  7. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A 6.2.3. Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản. Hình 6-6 biểu diễn sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của mạch. Hình 6-7 là đồ thị thời gian điện áp ra của các khối hình 6-6. + SS USS _ UA UC Tạo điện áp UG Đếm, Mã hóa UD răng cưa + _ USS SS Tạo nhịp Hình 6-6: Sơ đồ nguyên tắc của A/D làm việc theo phương pháp đếm đơn giản Điện áp vào UA được so sánh với điện áp chuẩn dạng răng cưa UC nhờ bộ so sánh SS1. Khi UA>UC thì SS1=1, khi UA
  8. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Dùng điện áp chuẩn một chiều Uch để nạp cho tụ C thông qua điện trở R, ta có điện áp ra: t 1 U ch UC = ∫ U ch dt = RC .t RC 0 Giả sử tại t = tm thì UC = UA, ta có: U ch UA = t M , do đó RC UA tM = .RC U ch Số xung nhịp đếm được trong thời gian tM gọi là Z Z = fn.tM, với fn là tần số xung nhịp, hay: UA Z = fn. .RC (6-6) U ch Theo (6-6) ta thấy rằng Z tỷ lệ với UA như mong muốn, nhưng Z còn phụ thuộc vào R, C và fn. Nếu những tham số này không ổn định thì kết quả đếm có sai số. Ngoài ra, trong phương pháp này yêu cầu fn phải đủ lớn để đạt được độ chính xác cần thiết. 6.2.4. Chuyển đổi A/ D theo phương pháp tích phân hai sườn dốc Mạch điện ở hình 6-9 minh hoạ nguyên tắc làm việc của bộ A/D theo phương pháp tích phân hai sườn dốc. Khi mạch logic điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì UA nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R. Trên đầu ra mạch tích phân A1 có điện áp: t 1 1 U 'C = ∫ U A dt = RC U A .t RC 0 (6-7) C K R _ S U _ 1 2 + + A A UA Uch UD Đếm Mạch Đếm "và" logic Z0 170 Nhịp Hình 6-9: Sơ đồ nguyên lý của bộ A/D làm việc theo phương pháp tích phân hai sườn dốc
  9. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Giả thiết thời gian nạp cho tụ là t1, ta có điện áp hạ trên tụ sau thời gian t1 là UA U 'Ct = .t1 (6-8) 1 RC U'Ct1 tỷ lệ với UA Tuỳ theo UA lớn hay bé mà điện áp U'C(t) có độ dốc khác nhau như trên hình 6-10. Trong thời gian t1, bộ đếm Z0 cũng đếm các xung nhịp. Hết thời gian t1 khoá K được mạch logic điều khiển sang vị trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch "Và" làm cho mạch "Và" thông đối với xung nhịp. Tại thời điểm này mạch đếm ở đầu ra bắt đầu đếm, đồng thời mạch đếm Z0 được mạch logic điều khiển về vị trí nghỉ. UC U'C1 ơ Hình 6-10: Đồ thị thời gian điện áp ra U'C1 trên mạch tích phân t UA 0 t t'2 Khi khoá K ở vị trí 2, điện áp Uch bắt đầu nạp cho1tụ C theo chiều ngược lại, phương trình nạp là: t2 U ch U C' = − ' .t (6-9) RC Sau một khoảng thời gian t2 thì: U ch U Ct 2 = − '' .t 2 (6-10) RC Giả thiết sau thời gian t2 thì | U 'C |=| U 'C | , nghĩa là điện áp trên tụ C bằng 0. Theo (6- ' 8) và (6-10) ta có: UA U t1 = ch t 2 RC RC UA hay: t2 = t1 (6-11) U ch Mặt khác, có thể xác định được số xung đưa đến mạch đếm Z0 trong khoảng thời gian t1 là: Z0 = fn.t1 (6-12) Trong đó: fn là tần số dãy xung nhịp. Từ (6-12) suy ra: 171
  10. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Z0 t1 = (6-13) fn Thay (6-13) vào (6-11) xác định được: U A Z0 t2 = . (6-14) U ch f n Do đó số xung nhịp đếm được nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng thời gian t2 là: UA Z = t 2 .f n = .Z 0 (6-15) U ch Sau thời gian t2 mạch đếm ra bị ngắt, vì UC = 0 và mạch logic đóng cổng "Và". Quá trình đó được lặp lại trong chu kỳ chuyển đổi tiếp theo. Theo (6-15) ta thấy số xung đếm được ở đầu ra tỷ lệ với điện áp tương tự UA 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 xung nhịp fn, như trong phương pháp đếm đơn giản. Nhờ vậy kết quả chuyển đổi khá chính xác và không cần chọn tần số xung nhịp fn cao. Tuy nhiên tần số xung nhịp phải có độ ổn định cao sao cho trị số của nó trong khoảng thời gian t1 và t2 như nhau để phép giản ước trong biểu thức (6-15) không gây sai số. Trong phương pháp đếm đơn giản và phương pháp tích phân hai sườn dốc, ta đã làm cho điện áp UA tỷ lệ với thời gian t1 và t2 rồi đếm số xung nhịp xuất hiện trong khoảng thời gian đó. Vì vậy các phương pháp này còn có tên gọi chung là phương pháp gián tiếp thông qua thông số thời gian. 6.2.5. Chuyển đổi A/ D, D/A phi tuyến Ta biết rằng sai số tuyệt đối của bộ chuyển đổi A/D không đổi, còn sai số tương đối của nó tăng khi biên độ tín hiệu vào giảm. Trường hợp muốn cho sai số tương đối không đổi trong toàn giải biến đổi của điện áp vào thì đường đặc tính truyền đạt của bộ biến đổi phải có dạng loga (hình 6-11a), sao cho tỷ số tín hiệu trên tạp âm thay đổi trong giải biến đổi của điện áp vào. Nhờ đó tiếng nói nhỏ không bị tạp âm lấn át và đó cũng là một cách làm cho quá trình lượng tử hoá thích ứng với đặc tính của tai người. Đó là đặc tính lấn át được tạp âm khi tín hiệu vào lớn. Ngoài ra, lượng tử hoá phi tuyến còn cho phép tăng dung lượng của kênh thoại do giảm được số bit với cùng chất lượng thông tin như nhau khi lượng tử hoá tuyến tính. UD UD UA UA 0 0 a) Hình 6-11: Đặc tính biến đổi phi tuyến b) a) của bộ biến đổi A/D; b) của bộ biến đổi D/A 172
  11. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Để có lại tín hiệu trung thực như ban đầu, bộ biến đổi ngược D/A theo phương pháp này có cấu tạo sao cho đường đặc tính biến đổi ngược của nó có dạng hàm số mũ (hình 6- 11b). Đặc trưng biến đổi A/D thường dùng hàm số: ln(1 + μx) y= (6-16) ln(1 + μ ) UA UD trong đó: x = ;y = U Amax U D max Theo (6-16) y = 0 khi x = 0 và y = 1 khi x = 1. Độ dốc y' tại x = 0: μ y ' | x =0 = ln(1 + μ ) Hình 6-12 biểu diễn hàm số này với μ = 100. So sánh với đường đặc tính y = x thì đường cong (6-13) có độ dốc gấp đôi tại gốc toạ độ. Do đó với tín hiệu bé, đường đặc tính có bậc "thang" biến đổi dày hơn. Tương ứng tỷ số tín hiệu trên tạp âm tính được là 6dB. Nếu đường đặc tính có độ dốc tại gốc tạo độ y'' = 21,7 thì tỷ số S/N = 26,7 dB Thực tế rất khó tăng hệ số μ, vì đường đặc tính cáng cong thì việc thực hiện hai đường cong biến đổi A/D và D/A có dạng như nhau, biến đổi ngược nhau và có độ dốc phù hợp rất phức tạp. Trong thực tế để đơn giản ta chia đường đặc tính truyền đạt thành 2 đoạn 1 Ax có độ dốc khác nhau: với tín hiệu bé ( x < ) dùng hàm số y1 = và với tín hiệu A 1 + ln A 1 + ln A X lớn dùng hàm số: y 2 = . 1 + ln A y 1,0 0,9 0,8 Hình 6-12: Đường cong 0,7 ln(1 + μ.x) ln(1 + μx ) y= y= với μ =100. 0,6 ln(1 + μ) ln(1 + μ) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Theo nguyên tắc đó, người ta thực hiện 0 0,1đặt tính gồm 13 séc măng: 0,8 0,9 1,0 đường 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 6 sec măng x ứng với x > 0; 6 séc măng ứng với x < 0 và séc măng thứ 13 đi qua gốc toạ độ có |y| = 2,8 (hình 6-13). Các séc măng kề nhau có độ dốc hơn kém nhau hai lần. 173
  12. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A Số séc măng 8 7 6 5 4 3 2 Số mức 0 2 4 8 16 32 64 Hình 6-13: Đặc tính truyền đạt của bộ Bằng cách có thể chếchuyển đổi D/A phiđổi A/D- 4 bit, trong đó 1 bit dùng để chỉ thị tạo một bộ chuyển tuyến dùng trong thực tế cực tính của điện áp vào, và 3 bit để biểu diễn một tín hiệu có giải biến đổi điện áp vào lớn gấp 256 lần séc măng nhỏ nhất, nghĩa là so với lượng tử hoá tuyến tính thì số bit giảm đi một nửa. Để truyền tín hiệu tiếng nói thường dùng mã 8 bít. Bằng cách chia mỗi sec măng ở trên thành 16 phần nhỏ sẽ thu được mã 8 bít mong muốn. 6.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI D/A Chuyển đổi số-tương tự (D/A) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bít) đã biết của tín hiệu số, với độ chính xác là một mức lượng tử từ 1 LSB. Chuyển đổi D/A không phải là phép nghịch đảo của chuyển đổi A/D, vì không thể thực hiện phép nghịch đảo của quá trình lượng tử hóa. Để lấy lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu số, dùng sơ đồ nguyên tắc trên hình 6-14. Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi số- tương tự là quá trình UD U UA tìm lại tín hiệu tương tự đã lấy mẫu D/A LTT được. Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian như trên hình 6-15. Tín hiệu này được đưa qua một bộ Hình 6-14: Sơ đồ khối nguyên tắc biến đổi lọc thông thấp lý tưởng. Đầu ra bộ tìm lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu số lọc được tín hiệu UA biến đổi liên tục theo thời gian, đó là tín hiệu nội quy của UM. Sau đây ta sẽ xét một số phương pháp chuyển đổi D/A cơ bản. UM UA 0 174 t Hình 6-15: Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi D/A
  13. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A 6.3.1. Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở Sơ đồ 6-16 minh họa nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp thang điện trở. Đầu vào bộ 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 hơn kém nhau 2 lần. Tín hiệu điều khiển là tín hiệu số cần chuyển đổi. Bít có nghĩa nhỏ nhất (LSB) được đưa đến điều khiển khóa nối với điện trở lớn nhất R, bit có nghĩa lớn hơn tiếp đó được đưa đến điều khiển khóa nối với điện trở nhỏ hơn R/2... và MSB điều khiển khóa nối với điện trở nhỏ nhất ( R -1 ). Nếu một bít có giá trị "O" thì khóa tương ứng nối đất và nếu một bít có giá trị N 2 "1" thì khóa K tương ứng nối với nguồn điện áp chuẩn Uch để tạo nên một dòng điện tỷ lệ nghịch với trị số điện trở của nhánh đó, nghĩa là Io có giá trị bé nhất, IN-1 có giá trị lớn nhất. Dòng sinh ra trong các nhánh điện trở được đưa đến đầu vào bộ khuyếch đại, đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán có điện áp: N −1 U M = − R ht ∑ I n (6-17) n −0 Để thực hiện chuyển mạch K trong sơ đồ 6-16 có thể dùng sơ đồ 6-17. Đây là một mạch khuyếch đại vi sai làm việc ở trạng thái bão hòa. Khi tín hiệu ht R điều khiển có giá trị "O" thì Io qua 20 21 2N-1 _ I0 I1 IN-1 + R R R UM 2 2 N −1 K Hình 6-16: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp thang điện trở T1 xuống đất, khi tín hiệu điều khiển có giá trị "1" thì Io được dẫn qua T2 đến đầu vào bộ khuyếch đại thuật toán. hiệu điều khiển số = Uch Tín Chuyển đổi D/A theo phương pháp này yêu cầu trị số của các điện trở phải rất chính R xác. Ví dụ điện trở nhỏ nhất N -1 phải chính xác đến mức sai số dòng điện qua đó không 2 vượt quá 1 LSB, với N=16 thì sai số này khoảng 0,5%. Rht _ 175 UM + T2 T1 Tín hiệu điều khiển I0 Hình 6-17: Minh họa nguyên tắc làm việc của
  14. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A 6.3.2. Chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp này như ở hình 6-18. ở đây các nguồn dòng được tạo ra bởi nguồn điện áp chuẩn Uch. Dòng điện của chúng bằng nhau và bằng Io. Tín hiệu cần chuyển đổi được đưa đến chuyển mạch K. Khi một bít nào đó của tín hiệu điều khiển là "0" thì Io tương ứng với bít đó bị ngắn mạch qua khóa xuống đất. Ngược lại, nếu tín hiệu điều khiển là "1" thì Io ứng với bít đó được dẫn tới đầu vào bộ khuyếch đại qua mạng điện trở. I0 I0 . . . I0 I0 Tín hiệu K điều khiển i0 i1 iN-2 iN-1 Rht _ R R 2R + UM 2R 2R 2R Trong sơ đồ này mạng điện trở làm nhiệm vụ phân dòng. Vì điện trở nhánh ngang Hình 6-18: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D/A bằng một nửa điện trở nhánh dọc, nên dòng đi qua mỗi khâu điện trở thì giảm đi một nửa. Dòng điện ứng với LSB đi qua N-1 khâu điện trở, dòng điện ứng với trởcó nghĩa lớn hơn đi theo phương pháp mạng điện bit qua N-2 khâu.....và dòng ứng với MSB được đưa trực tiếp đến đầu bộ khuyếch đại. Kết quả là các dòng điện ở cửa vào bộ khuyếch đại có trị số tương ứng với bit mà nó đại diện. Chúng có trị số giảm dần từ MSB đến LSB theo mã nhị phân. Điện trở ở nhánh ngang cuối I cùng có giá trị số là 2R bằng điện trở nhánh dọc để đảm bảo sự phân dòng cho i N − 2 = 0 ở 2 khâu cuối cùng cũng giống như các khâu trước. Trong sơ đồ này số điện trở phải dùng khá lớn. Nếu phải chuyển đổi N bit thì số điện trở phải dùng là 2(N-1), trong khi theo phương pháp thang điện trở chỉ phải dùng N điện trở mà thôi. 176
  15. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A TÓM TẮT Kết thúc chương người học cần hiểu và nắm được các vấn đề: - Tín hiệu trong hệ thống thông tin số là tín hiệu số. Từ tín hiệu tương tự (Analog) muốn chuyển đổi thành tín hiệu số (Digital) phải dùng bộ chuyển đổi tương tự- số viết tắt là A/D. Ngược lại khi có tín hiệu số muốn chuển thành tín hiệu tương tự phải dùng bộ chuyển đổi số- tương tự viết tắt là D/A. - Chuyển đổi A/D. Nguyên tắc chuyên đổi A/D được mô tả trên đặc tuyến truyền đạt hình 6-1. Ở đây UA là tín hiệu tương tự, UD là tín hiệu số. Ta thấy tín hiệu số là tín hiệu rơì rạc, một phạm vi giá trị của UA được biểu diễn bằng một đại diện số thích hợp dưới dạng số nhị phân. Với UAmax là điện áp tương tự cực đại đầu vào, thì mmọt nấc của hình thang (còn gọi là mức lượng tử Q) bằng: Q = UAmax /(2N – 1). Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc nên trong quá trình chuyển đổi A/D xuất hiện sai số lượng tử ΔUQ = Q/2. Trước khi chuyển đổi A/D phải lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để quá trình khôi phục lại tín hiệu tương tự trung thực, tần số lấy mẫu phải thoả mãn điều kiện fM ≥ 2Fmax, trong đó Fmax là tần số giới hạn trên của giải tín hiệu vào. - Các tham số cơ bản của bộ chuyển đổi A/D: + Giải biến đổi điện áp của tín hiệu tương tự đầu vào. + Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D: được đánh giá bằng số bít N của từ mã, khi xem giải biên độ của điện áp tín hiệu vào không đổi. Trong chuyển đổi A/D luôn tồn tại sai số được gọi là sai số lượng tử. Ngoài ra có thể có các sai số khác như sai số đơn điệu, sai số lệch không, sai số khuếch đại. + Tốc độ chuyển đổi: trong chuyển đổi A/D tốc độ chuyển đổi và đọ chính xác mâu thuẫn nhau. + Các bước chuyển đổi A/D: có ba bước: lấy mẫu tín hiệu tương tự và giữ mẫu, lượng tử hoá, mã hoá. - Các phương pháp chuyển đổi A/D. + Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song: phương pháp này có ưu điểm là tốc độ chuyển đổi nhanh nhưng phải dùng nhiều bộ so sánh. Với mạch chuyển đổi cho tín hiệu số N bít cần có 2N – 1 bộ so sánh. + Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản: phương pháp này mạch đơn giản hơn, chỉ cần hai bộ so sánh. Tuy vậy muốn có độ chính xác cao cần linh kiện RC trong mạch tạo điện áp răng cưa có sai số nhỏ, tần số xung nhịp (fn) phải lớn. + Chuyển đổi A/D theo phương pháp tích phân hai sườn dốc có ưu điểm hơn cả. Độ chính xác của quá trình chuyển đổi cao, nó không phụ thuộc độ sai số của linh kiện trong mạch cũng như yêu cầu về tần số xung nhịp. 177
  16. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A + Chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến có ưu điểm là làm tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (S/N) khi tín hiệu vào nhỏ. Ngoài ra lượng tử hoá phi tuyến còn cho phép tăng dung lượng của kênh thoại do giảm được số bít của từ mã với cùng chất lượng thông tin như nhau so với khi lượng tử hoá tuyến tính. + Chuyển đổi D/A là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự UA từ tín hiệu số UD. Bộ chuyển đổi D/A cho ta tín ta lại tín hiệu tương tự đã lấy mẫu UM. Đó là tín hiệu rời rạc theo thời gian. Tín hiệu này qua mạch lọc thông thấp lý tưởng cho tín hiệu UA biến đổi liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của UM. - Các phương pháp chuyển đổi D/A. + Chuyển đổi D/A dùng thang điện trở: mạch gồm một thang điện trở có số điện trở bằng số bít của từ mã. Trị số các điện trở liền kề cách nhau hai lần R, R/2,...,R/2N-1. Các bít tương ứng của tín hiệu số UD điều khiển chuyển mạch, nối điện áp Uch với điện trở tương ứng nếu bít nhận giá trị 1 và nối đất nếu bít nhận giá trị 0. Dòng tổng qua Rht, cho điện áp đầu ra là một xung có biên độ tương ứng với từ mã đảm nhiệm tác động đầu vào. Mạch này có nhiều loại điện trở bằng số bít N, dễ gây sai số do trị số các điện trở khác nhau quá nhiều. + Chuyển đổi D/A dùng mạng điện trở. Mạng chỉ dùng hai loại điện trở R và 2R nên ảnh hưởng của sai số linh kiện ít hơn. Do cách đấu của mạng điện trở nên dòng điện từ trái qua phải, cứ qua một nút mạch phải chia đôi giá trị. Dòng tổng gây sụt áp trên Rht cho điện áp ra là xung có biên độ tương ứng tín hiệu số tác động đầu vào. Chú ý: các phương pháp chuyển đổi A/D, D/A ở tài liệu này đều xét ở quá trình chuyển đổi tuyến tính có mức lượng tử Q đều. Hiện nay vi mạch chuyển đổi A/D, D/A dùng rất phổ biến, được chia theo các họ. Các vi mạch chuyển đổi A/D ký hiệu ADC 0801 - 0805, từ tín hiệu tương tự cho ra tín hiệu số 8 bit. Các vi mạch chuyển đổi D/A ký hiệu DAC 0806 - 0808, là bộ chuyển đổi ngược, từ tín hiệu số 8 bít cho ra tín hiệu tương tự. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 6.1. Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D phụ thuộc vào tham số nào? tại sao? 6.2. Nêu các bước chuyển đổi A/D? 6.3. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi A/D theo phương pháp song song? 6.4. Trong sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp song song mức lượng tử Q thể hiện ở đâu? Tìm biểu thức xác định giá trị đó? 6.5. Sơ đồ và nguyên lý chuyển đổi của bộ chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản? 6.6. Trong sơ đồ chuyển đổi A/D theo pương phương pháp đếm đơn giản mức lượng tử Q thể hiện ở đâu? Tìm biểu thưc xác đinh giá trị đó? 6.7. So sánh ưu điểm bộ chuyển đổi A/D theo phương pháp tích phân hai sườn đối với phương pháp đếm đơn giản? 6.8. Thế nào là chuyển đổi A/D phi tuyến? ý nghĩa thực tế của nó? 6.9. Nêu các bước chuyển đổi D/A? 178
  17. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A 6.10. Sơ đồ và nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp thang điện trở? 6.11. Sơ đồ và nguyên lý bộ chuyển đổi D/A theo phương pháp mạng điện trở? 6.12. So sánh bộ chuyển đổi D/A dùng phương pháp thang điện trở với phương pháp dùng mạng điện trở? 6.13. Một tín hiệu tương tự có giải tần số 300 Hz đến 3700 Hz. Hãy xác định tần số lấy mẫu để chuyển đổi A/D trong trường hợp đó? Nếu tần số lấy mẫu fM = 8000Hz thì chu kỳ lấy mẫu TM là bao nhiêu? 6.14. Một bộ chuyển đổi A/D có Ua max = 5v. Hãy xác định mức lượng tử Q và sai số lượng tử của nó trong các trường hợp: số bít từ mã N = 3, số bít từ mã N = 6, nhận xét? 6.15. Nêu yêu cầu tần số lấy mẫu trong chuyển đổi A/D khi tín hiệu vào có giải tần Fmin ÷ Fmax? a. fM ≥ 2Fmin. b. fM ≥ 2Fmax. c. fM < 2Fmax. 6.16. Độ chính xác trong chuyển đổi A/D phụ thuộc vào tham số nào khi Ua max không đổi? a. Độ lớn tần số lấy mẫu fM. b. Độ rộng giải tần tín hiệu vào. c. Số bít N của từ mã. 6.17. Độ chính xác trong chuyển đổi A/D dùng phương pháp đếm đơn giản phụ thuộc vào thông số nào (R, C và fn) của mạch? a. Chỉ phụ thuộc fn. b. Phụ thuộc R, C. c. Phụ thuộc R, C và fn. 6.18. Độ chính xác trong chuyển đổi A/D dùng phương pháp đếm đơn giản phụ thuộc vào thông số nào (R, C và fn) của mạch? a. Phụ thuộc fn, R và C. b. Phụ thuộc R, C. c. Không phụ thuộc. 6.19. Số điện trở dùng trong thang điện trở của mạch chuyển đổi D/A là bao nhiêu khi số bít của từ mã là N? a. 2N. b. N. c. 2(N – 1). 6.20. Số điện trở dùng trong mạng điện trở của mạch chuyển đổi D/A là bao nhiêu khi số bít của từ mã là N? a. N. 179
  18. Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A b. 2N - 1. c. 2(N – 1). 180

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản