Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 6: Chuyển đổi tương tự - Số chuyển đổi số

78

CHƯƠNG 6

CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ

CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ

6.1. Cơ sở lý thuyết

Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu có dạng tương tự với các hệ thống xử lý số người

ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC : Analog-Digial Converter) và các mạch

chuyển đổi số - tương tự (DAC : Digial- Analog Converter).

Hình vẽ 6.1 biểu diễn quá trình biến đổi

tín hiệu dạng tương tự sang dạng số.

V_D

Tín hiệu tương tự V_Ađược chuyển thành

dạng bậc thang đều. Với 1 phạm vi của

giá trị V_Ađược biểu diễn bởi 1 giá trị đại

diện thích hợp.

111

110

101

100

011

010

001

000

Chẳng hạn giá trị V_Ađược chuyển thành

dạng bậc thang 7 bậc và ở mỗi bậc, ta gán

cho i một giá trị rời rạc. Ví dụ khi V_Abiến

thiên trong một khoảng nhỏ 3,5 → 4,5 ta

gán cho nó một giá trị là 100.

Q

∆Q

V_A

1 2 3 4 5 6 7

Hình 6.1. Biểu diễn quá trình chuyển

tương tư sạng số

Một cách tổng quát, gọi tín hiệu tương tự là S_A(V_A), tín hiệu số là S_D(V_D). S_Dđược

biểu diễn dưới dạng mã nhị phân như sau :

S_D= b_n-1.2^n-1+ b_n-2.2^n-2+ ... + b_o.2^o

Trong đó : b_k= 0 hoặc b_k= 1 (với k = 0 → k = n - 1) và được gọi là bit.

+ b_n-1: bit có nghĩa lớn nhất (MSB : Most significant bit). Mỗi biến đổi của MSB

tương ứng với sự biến đổi nửa dải làm việc.

+ b_o: bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB : Least significant bit). Mỗi biến của LSB tương

ứng với sự biến đổi một mức lượng tử. Một mức lượng tử bằng một nấc của hình bậc

thang

Ví dụ : với một mạch biến đổi N bit với là N số hạng trong dãy mã nhị phân. (Trong

ví dụ trên hình vẽ 6.1 : N = 3) thì mỗi nấc trên hình bậc thang chiếm một giá trị.

V_AM

2^N−1

Q = V_LSB

=

79

V_AM: là giá trị cực đại cho phép của điện áp tương tự.

V_LSB= Q : gọi là mức lượng tử.

Sai số lượng tử hóa được xác định như sau :

Q

∆V_Q=

2

Khi chuyển đổi AD phải thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để đảm bảo khôi

phục lại tín hiệu một cách trung thực, tần số lấy mẫu fM phải thỏa mãn điều kiện :

f_M≥ 2 f_{th max}≅ 2B

f_{th max}: tần số cực đại của tín hiệu

B : dải tần số của tín hiệu.

6.2. Các tham số cơ bản

6.2.1. Dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi

AD có thể thực hiện chuyển đổi được.

6.2.2. Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD

gồm độ phân biệt, méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không và sai số đơn điệu.

Thực

V_D

Lý tưởng

111

110

101

Méo phi tuyến

100

011

010

001

000

Sai số khuếch đại

Sai số đơn điệu

Số sô lệch không

V_A

Hình 6.2. Độ chính xác của chuyển đổi AD

+ Độ phân biệt được đặc trưng bởi số bit N. Giả sử một ADC có số bit ở đầu ra là N

( có thể phân biệt được 2^Nmức trong dải điện áp vào của nó. Chẳng hạn N = 12 → có 2¹²

= 4096 mức.Độ phân biệt của một ADC được ký hiệu là Q và được xác định theo biểu

thức :

V_AM

2^N−1

Q = V_LSB

=

80

+ Dựa vào đường đặc tuyến truyền đạt lý tưởng và thực của ADC (hình 6.2) ta thấy :

- Đặc tuyến lý tưởng là một đường bậc thang đều và có độ dốc trung bình là 1.

- Đặc tuyến thực là một đường bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai số

khuếch đại, của méo phi tuyến, và của sai số đơn điệu.

6.2.3. Tốc độ chuyển đổi

Cho biết kết quả chuyển đổi trong 1s, được gọi là tần số chuyển đổi f_c.

Một ADC có tốc độ chuyển đổi cao thì độ chính xác giảm và ngược lại. Nghĩa là yêu

cầu về độ chính xác và tốc độ chuyển đổi mâu thuẫn với nhau. Tùy theo yêu cầu sử

dụng, phải tìm cách dung hòa các yêu cầu đó một cách hợp lý nhất.

6.3. Nguyên tắc làm việc của ADC

Nguyên tắc làm việc của ADC được minh họa theo sơ đồ :

ADC

Mạch lấy

Lượng

mẫu

V_D

Mã hoá

tử hoá

Hình 6.3 Đồ thị thời gian của điện áp vào và ra mạch lấy mẫu

Trước hết tín hiệu tương tự V_Ađược đưa đến mạch lấy mẫu. Nó có 2 nhiệm vụ:

- Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau (rời rạc

hóa 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 (tức là trong quá trình lượng tử hóa và mã hóa).

Tín hiệu ra của mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hóa để thực hiện làm

tròn với độ chính xác bằng ±Q/ 2.

81

Vậy quá trình lượng tử hóa thực chất là quá trình làm tròn số. Lượng tử hóa được

thực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một loạt

các đơn vị chuẩn.

Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả lượng tử hóa

được sắp xếp lại theo một trật tự nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra

bộ chuyển đổi . Phép lượng tử hóa và mã hóa gọi chung là phép biến đổi AD.

6.4. Các phương pháp chuyển đổi tương tự -số

Phân loại : có nhiều cách phân loại ADC. Cách phân loại hay dùng hơn cả là phân

loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian. Nó cho phép phán đoán một cách tổng

quát tốc độ chuyển đổi. Có 3 phương pháp chuyển đổi sau :

+ Chuyển đổi song song : Tín hiệu tương tự 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.

+ Chuyển đổi nối tiếp theo mã đếm : Quá trình so sánh được thực hiện từng bước

theo quy luật 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.

+ Chuyển đổi song song- nối tiếp kết hợp : Qua mỗi bước so sánh có thể xác định

được tối thiểu 2 bit đồng thời.

6.4.1. Chuyển đổi AD theo phương pháp song song

+ V_chuẩn

-

V_A

S₁

+

FF

R

V_D

-

MÃ

HOÁ

S₂

+

-

S_m

+

Xung nhịp

Hình 6.4 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song

82

Tín hiệu tương tự V_Ađược đưa đồng thời đến các bộ so sánh từ S₁đến S_m. ở đầu vào

thứ hai, điện áp chuẩn V_chuẩnđưa vào qua thang điện trở R (hình 6.4). Do đó, điện áp

chuẩn đặt vào các bộ so sánh kề nhau sẽ khác nhau một lượng không đổi từ S₁đến S_m.

đầu ra của các bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở

có mức logic 1, các đầu còn lại ở mức logic 0. Tất cả các đầu ra được nối với một đầu

vào của các cổng AND. Đầu kia của cổng AND nối với mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi

có xung nhịp thì các xung trên đầu ra bộ so sánh mới được đưa vào mạch Flip-flop.

Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ xung nhịp lại có một tín hiệu

được biến đổi đưa đến đầu ra. Xung nhịp đảm bảo cho quá trình so sánh kết thúc mới

đưa tín hiệu vào bộ nhớ.

Để đảm bảo mạch hoạt động ổn định, quá trình mã hóa ở bộ mã hóa phải kết thúc

trước khi có một chu kỳ xung nhịp mới.

Mạch này có ưu điểm là tốc độ chuyển đổi nhanh (các bit tạo ra đồng thời), sai số

biến đổi thấp, có thể tạo ra dạng mã theo ý muốn. Tuy nhiên, nó có kết cấu phức tạp do

có số linh kiện lớn. Nên việc ứng dụng chỉ có giới hạn với chuyển đổi AD có số bit nhỏ

và tốc độ cao.

V_A

1 2 3 4 5 6 7

0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0

1 1 0 0 0 0 0

1 1 1 0 0 0 0

1 1 1 1 0 0 0

1 1 1 1 1 0 0

1 1 1 1 1 1 0

1 1 1 1 1 1 1

Nhị phân

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

0 < V_A< 1

1 < V_A< 2

2 < V_A< 3

3 < V_A< 4

4 < V_A< 5

5 < V_A< 6

6 < V_A< 7

7 = V_A

• Ưu điểm :

Tốc độ biến đổi nhanh, sai số biến đổi thấp và có thể tạo ra dạng mã theo ý muốn.

• Nhược điểm :

- Kết cấu mạch phức tạp với số linh kiện khá lớn.

- Phương pháp này chỉ dùng trong các ADC yêu cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển

đổi cao.

6.4.2 Phương pháp chuyển đổi nối tiếp theo mã nhị phân

83

TẦNG 1

TẨNG 2

TẦNG 3

V_ch2

=V_Amax

/4

V_ch3

=V_Amax

/8

V_A

V_ch1

=V_Amax/2

Trừ

S

1 0

2²

2¹

2⁰

Hình 6.5. Bộ chuyển đổi AD nối tiếp theo mã nhị phân

Mỗi tầng bao gồm một bộ so sánh, một khóa điều khiển và một mạch trừ.

Một đầu vào của các bộ so sánh là mức điện áp ngưỡng. Mức điện áp ngưỡng lớn nhất

V_Amax

là

ở tầng đầu tiên và tương đương với bit lớn nhất. Ở những tầng sau, điện áp

2

V_AmaxV_Amax

ngưỡng sẽ là :

,

tùy theo số tầng sử dụng trong mạch.

4

8

Mạch chuyển đổi theo phương pháp này có số tầng bằng số bit cần xác định. Mỗi tầng

cho ra một bit. Giả sử tín hiệu vào biến thiên trong phạm v_i0 ÷ V_{A max}. Tín hiệu vào sẽ

V_Amax

được so sánh với điện áp chuẩn V_ch1

=

. Nếu V_A>

thì ngõ ra của bộ so sánh

2

(SS) sẽ cho ra mức logic 1 và lúc này khóa K sẽ được nối tới mức điện áp chuẩn V_ch1để

mạch trừ tín hiệu. Khối trừ sẽ được thực hiện lấy (V_A−V_ch1). Kết quả của phép trừ sẽ

V_Amax

được tiếp tục đưa vào so sánh ở tầng 2 với V_ch2

=

. Ngược lại nếu V_A<V_ch1thì khóa

4

K sẽ nối tới mức điện thế 0 và nhờ vậy toàn bộ tín hiệu V_Asẽ được so sánh tiếp ở tầng

sau.

Ở đây mạch thực hiện phương pháp biến đổi tuần tự nên tiến độ biến đổi giảm đáng

kể khi tăng số tầng. Vì vậy ở phương pháp này, người ta thường giới hạn số tầng là 4.

6.4.3 Chuyển đổi AD nối tiếp dùng vòng hồi tiếp

84

V_A

SS

Nguồn dao

động

CỔNG

Bộ đếm

thuận

nghịch

Kích khởi

DAC

Kết quả

Hình 6.6. Sơ đồ chuyển đổi AD nối tiếp dùng vòng hồi tiếp

x(t)

V_A

∆x < h

Sai số

2^N-1 nấc

∆x

∆t

V_ht

t

t₁t₂

t_i

T biến đổi

Hình 6.5. Đồ thị thời gian biểu diễn quá trình AD

Khi đưa xung kích khởi vào thì cổng được mở và bộ đếm hoạt động đếm xung từ

nguồn dao động. Nội dung của bộ đếm sẽ được đưa đến bộ biến đổi AD (ADC để biến đổi

thành điện áp hồi tiếpV_ht. V_htluôn luôn được so sánh với tín hiệu vào V_A. quá trình biến

đổi sẽ diễn ra cho đến khi tín hiệu hồi tiếp cân bằng với tín hiệu vào và làm đổi trạng thái

bộ so sánh. Bộ đếm là bộ đếm thuận nghịch. Mỗi khi V_A< V_htthì sẽ đếm xuống. Vì vậy

khi kết thúc thời gian biến đổi thì tín hiệu hồi tiếp sẽ luôn luôn dao động xung quanh giá

trị điện áp vào V_A. từ bộ đếm người ta lấy ra kết quả của phép biến đổi AD này.

Vậy ở phương pháp này thời gian biến đổi (T biến đổi) là một đại lượng thay đổi và

phụ thuộc vào trị số của tín hiệu vào V_A. thời gian biến đổi lớn nhất T _{Biến đổi max}tương ứng

với V_{A max}. nếu bộ đếm có N bít, chu kỳ nguồn dao động là ∆t thì :

T_{Biến đổi}= (2_N- 1) ∆t

85

Sai số tĩnh của phép biến đổi chủ yếu phụ thuộc vào sai số của bộ DAC và của bộ so sánh.

Khi mạch hoạt động không có block chọn nhớ (Sample and Hold) thì sai số động phụ

thuộc chủ yếu vào thời gian biến đổi. Mà thời gian biến đổi lại phụ thuộc vào V_Anên

trong trường hợp này sai số không tuyến tính.

Vậy nếu không sử dụng block chọn nhớ thì phương pháp này chỉ thích hợp với các tín

hiệu một chiều hay các tín hiệu có tần số thấp, biến thiên chậm.

6.4.4 Chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản

SS

1

V_G

V_C

Tạo điện áp

răng cưa

V_A

V_D

Đếm

SS

2

Tạo nhịp

Hình 6.6. Bộ chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản

V

V_C

V_A

t

V_SS1

C

R₁

R

R₁

v_ch

V_SS2

V_C

V_G

Hình 6.7. Sơ đồ khối mạch tạo điện áp

răng cưa và đồ thị biểu diễn nguyên lý

hoạt động

86

Điện áp vào V_Ađược so sánh với điện áp chuẩn dạng răng cưa Vc nhờ bộ so sánh

SS1.

Khi V_A> V_c→ V_SS= 1

Khi V_A< V_c→ V_SS= 0

Bộ so sánh 2 (SS2) so sánh điện áp răng cưa V_cvới mức 0 (đất). Sau đó V_SS1và V_SS2

được đưa đến mạch AND.

Xung ra V_Gcó độ rộng tỷ lệ với độ lớn của điện áp vào V_Avới giả thiết xung răng cưa

Vc có độ dốc không đổi.

Mạch AND thứ hai chỉ cho ra các xung nhịp trong thời gian tồn tại xung V_Gnghĩa là

trong thời gian mà 0 < V_A< V_C. mạch đếm đầu ra sẽ đếm số xung nhịp đó. Số xung này tỷ

lệ với độ lớn của V_A. Bộ tạo xung răng cưa thực chất là mạch tích phân.

Dùng điện áp chuẩn một chiều V_chđể nạp cho tụ điện C qua điện trở R.

Ta có điện áp ra :

t

V_ch

RC

−V_ch

RC

1

V’_C= -

V_chdt =

dt =

.t

∫

RC

o

R

V_ch

V_C= − ¹V_C^'=

t = | a | t

R₁

RC

Giả sử tại t = t_mthì V_C=V_A, ta có :

V_ch

V_A

V_A=

t_m⇒ t_m=

RC

V_ch

RC

Gọi Z là số xung nhịp đếm được trong thời gian t_m⇒Z = f_n.t_m

Với f_n: tần số xung nhịp

V_A

⇒

Z = f_n.

.R.C

(*)

V_ch

Từ (*) ⇒a) Z tỉ lệ với V_A

b) Muốn giảm sai số cho phép biến đổi thì phải chọn R, C loại tốt, tần số xung

nhịp f_nphải lớn, và V_chphải ổn định

87

6.4.5 Chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc

C

R

K

Nguồn dao

động chuẩn

f_n

V_SS

2

1

_

+

_

Cổng

+

V_A

V_ch

Mạch

Logic

Flip Flop

tràn

Bộ đếm

Kãt qua

Gọi :

V_C

t₁: thời gian đếm ứng với số xung làm bộ đếm

bị tràn.

Độ dốc do V_ch

tạo ra

t₂: thời gian tích điện áp chuẩn Vch

V_C: điện áp răng cưa ở đầu ra của bộ tích phân.

V_SS: điện áp ra của bộ so sánh

t

t₁

t₂

V_SS

Z : số xung đếm đượctrong thời gian t₂.

Z_o: số xung trong thời gian t₁

V_ch: điện áp chuẩn có cực tính dương

V_A: điện áp vào có cực tính âm như hình vẽ

t

Z_O

Z

Hình 6.9. Đồ thị biểu diễn nguyên lý

hoạt động của mạch

• Hoạt động của mạch :

Ở trạng thái đầu tiên, khóa K luôn đặt ở vị trí 1. Mạch tích phân sẽ tích phân V_A,

trong khi đó bộ đếm sẽ đếm xung từ nguồn dao động chuẩn tần số f_n. V_Ađược tích phân

88

trong thời gian t₁cho đến khi bộ đếm bị tràn (thời điểm t₁). Lúc này mạch logic sẽ điều

khiển chuyển khóa K sang vị trí 2 và mạch tích phân sẽ tiếp tục tích phân V_chnhưng với

chiều ngược lại vì V_chcó cực tính ngược cực tính V_A. Khi tín hiệu ra của bộ tích phân V_C

giảm xuống bằng 0 thì mạch so sánh sẽ đóng cổng. Nội dung ghi trong bộ đếm là kết quả

biến đổi. Nó tỉ lệ với thời gian tích phân điện áp chuẩn t₂.

• Điện áp nạp cho tụ C trong thời gian t₁nhờ mạch tích phân V_A.

V_A

V_Ct1=

t₁

(1)

RC

• Điện áp nạp cho tụ C trong thời gian t₂theo chiều ngược lại nhờ V_A.

V_ch

V_Ct2= -

t₂

(2)

RC

Trong thời gian t₂điện áp trên tụ giảm xuống bằng 0 :

⇒ | V_Ct1| = | V_Ct2|

V_A

V_ch

RC

⇒

t₁=

t₂

RC

V_A

⇒ t₂=

.t₁

V_ch

Số xung Z_ođếm được trong thời gian t₁:

Z_o= t₁.f_n⇒ t₁=

Z_o

f_n

f_n: tần số của dao động chuẩn

Do đó số xung đếm được của bộ đếm nhờ bộ đếm và đưa ra kết quả trong thời gian t₂

:

V_A

V_AZ_o

.

V_A

Z = t₂.f_n=

.t₁.f_n=

.f_n=

.Z_o

V_ch

V_chf_n

V_ch

Vậy nội dung trong bộ đếm tỷ lệ với điện áp vào V_Acần chuyển đổi.

V_A

Ưu điểm : trong biểu thức Z =

.Z_okhông có tham số RC của mạch và cũng không

V_ch

phụ thuộc vào xung dao động chuẩn fn như trong phương pháp đếm đơn giản vì vậy kết

quả chuyển đổi khá chính xác và để tăng độ chính xác không cần tăng f_ncao. Tuy nhiên

fn phải có độ ổn định cao, trong cả thời gian t₁và t₂f_nđều không đổi.

Sai số tĩnh do tính không ổn định của V_ch, f_n, bộ tích phân và bộ so sánh.

89

Hiện nay người ta còn thể hiện phương pháp tích phân 3,4 độ dốc.

6.4.6 Chuyển đổi AD theo phương pháp song song - nối tiếp kết hợp

B₁B₂B_N1

TẦNG

THỨ

HAI

ADC

song song

DAC

U

N1 bit

U

TẦNG THỨ NHẤT

Mạch

hiệu

Nhân

2^N1

Hình 6.10. Bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song nối tiếp kết hợp

Đây là sự kết hợp phương pháp song song và phương pháp nối tiếp nhằm dung hòa

ưu khuyết điểm của hai phương pháp này : giảm bớt độ phức tạp của phương pháp song

song và tăng tốc độ chuyển đổi so với phương pháp nối tiếp.

Cũng có thể gọi đây là phương pháp phân đoạn từng nhóm bit, với số bit trong mỗi

nhóm N₁≥ 2.

Bộ chuyển đổi ADC đầu tiên là bộ chuyển đổi song song N₁bit với N₁≥ 2. Trong

bước so sánh thứ nhất → xác định được N₁bit. Từ B₁→ B_N1. Để chuyển đổi N bit, phải

N

dùng l tầng với l = . Mỗi tầng dùng 2^N1- 1 bộ so sánh. Như vậy để chuyển đổi N bit

N₁

N

phải dùng :

l (2^N1- 1) =

(2^N1- 1) bộ so sánh.

N₁

Ví dụ N = 9; N₁= 3

Phương pháp song song-nối tiếp kết hợp : số bộ SS : l (2^N1- 1) =

N

(2^N1-1)=3.7=21

N₁

Phương pháp song song : số bộ SS : (2^N- 1) = (2^N- 1) = (2⁹- 1) = 512 - 1 = 511

6.4.7 Chuyển đổi AD phi tuyến

1

Từ biểu thức sai số lượng tử hóa : ∆V_Q= Q ta nhận thấy : sai số tuyệt đối của một

2

chuyển đổi AD không đổi, còn sai số tương đối của nó tăng lên khi biên độ tín hiệu vào

giảm. Muốn cho sai số tương đối không đổi trong toàn dải biến đổi điện áp vào thì đường

đặc tính truyền đạt của bộ biến đổi phải có dạng loga sao cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm

thay đổi trong dải biến đổi của điện áp vào.

90

V_A

V_D

V_A

Hình 6.12. Đặc tính biến đổi phi tuyến

của DAC

Hình 6.11. Đặc tính biến đổi phi tuyến

của ADC

Ưu điểm của phương pháp này là lấn át được tạp âm kể cả khi tín hiệu vào nhỏ

và lớn, cho phép tăng dung lượng của kênh thoại do giảm được số bit với cùng chất lượng

thông tin như khi lượng tử hóa tuyến tính.

Để thu lại tín hiệu trung thực như ban đầu, bộ biến đổi DA phải có cấu tạo sao cho

đường đặc tính biến đổi ngược của nó có dạng hàm mũ như hình vẽ ở trên.

Đặc tuyến biến đổi AD thường là hàm số :

y

l_n(1+ µx)

l_n(1+ µ)

V_A

y =

với x =

V_Amax

V_D

y = x

V_{D max}

µ

Độ dốc y’ tại x = 0 ⇒ y’_{| x = 0}

=

x

l_n(1+ µ)

Hình 6.13. Đặc tính biến đổi ngược của

bộ DA

6.5. Các phương pháp chuyển đổi số sang tương tự (DAC)

Chuyển đổi số tương tự (DAC) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N

bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là 1 mức lượng tử tức 1LSB

V_A

V_D

V_M

DAC

LTT

Hình 6.14. Sơ đồ khối quá trình chuyển đổi số sang tương tự

Đồ thị thời gian của tín hiệu ra sau mạch chuyển đổi DA có dạng như hình vẽ:

91

V_M

V_A

t

Hình 6.15. Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi DA

Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian như trên hình vẽ. Tín hiệu này được

đưa qua bộ lọc thông thấp lý tưởng LTT. Trên đầu ra của LTT có tín hiệu V_Abiến thiên

liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của V_M.

6.5.1 Chuyển đổi DA bằng phương pháp điện trở (theo nguyên lý mã BCD)

10M

1

5M

1

3

2.5M

0

1.25M

R_ht=10M

1M

500k

250k

125k

0

1

2

Vch

Vo

0

+

100k

50k

1

7

25k

12.5k

0

Hình 6.16. Dùng mạch nguồn V_ch

Ví dụ biến đổi DAC tín hiệu số 723 mã BCD

Gọi v₁, v₂, v₃là 3 điện áp vào, tương ứng với các điện áp ra v₀₁, v₀₂, v₀₃. Theo

nguyên lý xếp chồng ta có: v_o= v_o1+ v_o2+ v_o3

R_ht

v_o= −

v₁−

v₂−

v₃

R_td1

R_{td 2}

R_{td 3}

92

1

3

=

+

=

10^M5^M10^M

Rtd₁

3.10^M

10^M

R_ht

=> v_o1= -

.V_ch= −

= - 3 V_ch

R_td1

1

20

=

500^K10^M

Rtd₂

R_ht

=> v_o2=−

V_ch= - 20V_ch.

R_{td 2}

1

=

+

Rtd₃100^K50^K25^K

1

10^M

700

10^M

=

(100 + 200 + 400) =

R_ht

=> v_o2=−

V_ch= - 700V_ch.

R_{td 3}

R_ht

v_o= −

R_td1

R_ht

Do đó:

v₁−

v₂−

v₃= −723V_ch

R_{td 2}

R_{td 3}

Chọn V_ch=10mV ta sẽ có: v₀=-7,23V. Nghĩa là điện áp ra tỉ lệ với tín hiệu số ở đầu

vào.

Ưu khuyết điểm của mạch:

Ưu điểm:

- Chỉ cần dùng một nguồn điện áp chuẩn V_ch. Trọng số của mỗi bit sẽ tương đương

với R_htchia cho R_td, trong đó : R_tdlà điện trở mỗi một nhánh.

Khuyết điểm:

- Phương pháp này đòi hỏi nhiều điện trở chính xác với các trị số khác nhau vì vậy

gặp bất tiện khi thiết kế và sử dụng.

Để giảm nhược điểm này người ta dùng nhiều nguồn điện áp chuẩn tỷ lệ thập phân

khác nhau như hình 6.17. Từ decacde này sang decacde khác cầu điện trở sẽ cùng trị số.

Tuy nhiên điện áp chuẩn sẽ biến đổi gấp 10 lần.

93

100k

50k

1

25k

0

+

12.5k

Vch

0

Rht=100k

100k

50k

0

1

25k

Vo

10Vch

0

+

12.5k

0

100k

50k

1

25k

100Vch

+

12.5k

0

Hình 6.17. Dùng nhiều nguồn V_ch

6.5.2 Chuyển đổi DA bằng phương pháp điện trở bậc thang

2R

B

C

A

D

R

Vo

2R

2³

b₃

2⁰

b₀

2¹

b₁

2²

b₂

+

Vch

Hình 6.18 Chuyển đổi DA bằng phương pháp điện trở bậc thang

Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 6: Chuyển đổi tương tự - Số chuyển đổi số - Tương tự