Xem mẫu
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Chương 6: Chuyển đổi A/D, D/A
b. 2N - 1.
c. 2(N – 1).
180
nguon tai.lieu . vn
