Giáo trình thực tập Kỹ thuật số - Bài 14: Bộ chuyển đổi số – tương tự (Digital to Analog Converter)
Bµi 14: Bé chuyÓn ®æi sè – t−¬ng tù
(Digital to Analog Converter)
A. PhÇn tãm t¾t lý thuyÕt
Ngµy nay c¸c hÖ xö lý tÝn hiÖu sè yªu cÇu tÝn hiÖu t−¬ng tù ph¶i ®−îc chuyÓn
®æi thµnh tÝn hiÖu sè qua bé biÕn ®æi T−¬ng tù - Sè (Analog to Digital Converter -
ADC). TÝn hiÖu sè ®−îc truyÒn ®i, hoÆc ®−îc ®−a vµo m¸y tÝnh xö lý ... KÕt qu¶
cuèi cïng d¹ng sè cÇn ph¶i chuyÓn ®æi trë l¹i tÝn hiÖu t−¬ng tù qua bé biÕn ®æi Sè
- T−¬ng tù (Digital to Analog Converter - DAC) ®Ó hiÓn thÞ cho ta quan s¸t. Qu¸
tr×nh ®ã biÓu diÔn m« h×nh cña mét “hÖ xö lý sè” (Digital Processing
Unit/System). HÖ xö lý sè cã ®Çu vµo vµ ®Çu ra lµ tÝn hiÖu t−¬ng tù ®−îc m« t¶
trªn h×nh sau:
§iÖn ¸p ®Çu vµo cã thÓ thay ®æi liªn tôc tõ 0v ÷ 6V. Bé biÕn ®æi t−¬ng tù / sè
ADC chuyÓn th«ng tin t−¬ng tù thµnh th«ng tin sè ë ®Çu vµo. Bé biÕn ®æi sè /
t−¬ng tô DAC chuyÓn th«ng tin sè thµnh th«ng tin t−¬ng tù ë ®Çu ra.
1. Bé biÕn ®æi sè / t−¬ng tù (DAC) kiÓu m¹ng ®iÖn trë.
NhiÖm vô cña bé biÕn ®æi sè/ t−¬ng tù (DAC) lµ chuyÓn ®æi tÝn hiÖu sè thµnh
tÝn hiÖu t−¬ng tù. Mét tÝn hiÖu nhÞ ph©n ®−îc dÉn ®Õn c¸c ®Çu vµo cña DAC sÏ
cho ra mét ®iÖn ¸p t−¬ng øng ë ®Çu ra. H×nh sau m« t¶ chøc n¨ng cña DAC vµ
b¶ng ch©n lý kÌm theo. Sè liÖu ghi trªn b¶ng nµy chØ lµ mét vÝ dô cho dÔ hiÓu.
184
§Çu vµo
nhÞ ph©n
§Çu ra
t−¬ng tù
§−êng
D C B A
Vra(v)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
3,6
4,0
4,4
4,8
5,2
5,6
6,0
0 1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
DAC cã hai bé phËn chøc n¨ng lµ m¹ng ®iÖn trë vµ m¹ch “khuÕch ®¹i tæng”
®−îc m« t¶ trªn h×nh sau. M¹ch khuÕch ®¹i tæng th−êng lµ m¹ch khuÕch ®ai
thuËt to¸n. M¹ng ®iÖn trë t¹o nªn c¸c ®Çu vµo ABCD víi c¸c träng sè t−¬ng øng
1, 2, 4, 8. M¹ch khuÕch ®¹i tæng t¹o nªn ®iÖn ¸p ®Çu ra phï hîp víi b¶ng ch©n lý.
LSB : Bit cã ý nghÜa nhá nhÊt (Least Significant Bit).
MSB : Bit cã ý nghÜa lín nhÊt (Most Significant Bit).
LSB
MSB
C
B
A
D
Rf
+
20k
3V
R4
R3
R2
R1
150k
18.75k 37.5k 75k
+12V
V
M¹ng ®iÖn trë
-12V
LM339
KhuÕch ®¹i tæng
DAC nãi trªn cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng tæng qu¸t b»ng m¹ch logic t−¬ng
®−¬ng cho trªn h×nh d−íi ®©y.
185
Vin
LSB
MSB
C
B
A
D
Rf
R/2
R/8
R/4
R
V
M¹ng ®iÖn trë
KhuÕch ®¹i tæng
ë ®©y A, B, C, D lµ c¸c kho¸, chóng cã thÓ lµ lo¹i c¬ khÝ nh−ng chóng cã thÓ lµ
kho¸ b¸n dÉn (FET). Ký hiÖu logic, b¶ng ch©n lý vµ s¬ ®å khèi chøc n¨ng cña mét
kho¸ b¸n dÉn cho trªn h×nh sau.
Tæng dßng ®iÖn vµo cöa ®¶o (-) b»ng :
Vvao
Vvao
Vvao
Vvao
R
Vvao
R
D +
C +
B +
A =
23 D + 22 C + 21B + 20 A
)
R 8
R 4
R 2
Theo lý thuyÕt cña m¹ch khuÕch ®¹i thuËt to¸n, ta cã ph−¬ng tr×nh:
Vvao
R
Vra
Rf
(
23 D + 22 C + 21B + 20 A
)
= −
Tõ ®ã, c«ng thøc tæng qu¸t tÝnh cho Vra lµ :
Rf
Vra = − Vvao
23 D + 22 C + 21B + 20 A
)
R
Ng−êi ®äc dÔ dµng lËp l¹i b¶ng ch©n lý theo c«ng thøc trªn ®©y víi Vvµo = 3V;
R = 150KΩ ; Rf = 20KΩ . Bé DAC nãi trªn lµ bé DAC 4 bit. Ng−êi ®äc cã thÓ tù
thiÕt kÕ bé DAC 5 bit, 6 bit ...
2. Bé biÕn ®æi sè/t−¬ng tù kiÓu bËc thang(Ladder).
Bé DAC tr×nh bµy trªn ®©y kh«ng thuËn tiÖn trong thùc tÕ v× ph¶i chän nhiÒu
®iÖn trë cã gi¸ trÞ kh¸c nhau. Bé DAC kiÓu bËc thang chØ yªu cÇu chän hai lo¹i
®iÖn trë víi lo¹i nä cã gi¸ trÞ gÊp ®«i lo¹i kia. Do ®ã, bé biÕn ®æi sè / t−¬ng tù lo¹i
nµy cßn cã tªn gäi lµ “DAC kiÓu bËc thang R - 2R”.
H×nh sau lµ s¬ ®å m¹ch cña DAC 4 bit. C¸c ®iÖn trë 2R (phÝa tr¸i m¹ng ®iÖn
trë) ®−îc nèi víi Vvµo khi kho¸ ®ãng (logic “1”) vµ nèi ®Êt khi kho¸ ng¾t (logic “0”).
186
M¹ng ®iÖn trë
Vin
A
2R
2R
R
R
B
C
2R
2R
R
Rf
D
2R
V
KhuÕch ®¹i tæng
§iÖn ¸p ®Çu ra ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau ®©y :
Rf
Vra = − V
23 D + 22 C + 21B + 20 A
)
vao 16R
Kho¸ ®ãng øng víi møc logic “1”
Kho¸ ng¾t øng víi møc logic “0”
Ghi chó :
ViÖc rót ra c«ng thøc trªn ®©y ph¶i dùa vµo ®Þnh lý Thevenin (Thevenin
Theorem) hay mÉu Thevenin (Thevenin Model). ë ®©y chØ tr×nh bµy ng¾n gän mµ
kh«ng chøng minh c¸ch chuyÓn mét m¹ch chia thÕ thµnh nguån thÕ. Quan hÖ
m¹ch chia thÕ vµ nguån thÕ thÓ hiÖn trªn trªn h×nh sau.
Rtd
R2
R1 + R2
R1R2
Vin
Vtd = Vi
= V0
R1
R2
Vo
V
Vtd =
R1 + R2
Nguån t−¬ng ®−¬ng
M¹ch chia thÕ kh«ng t¶i
187
Rtd
R2
R1 + R2
Vin
Vtd = Vi
R1
R2
R1R2
R1 + R2
V
Vtd =
Rt
Rt
M¹ch chia thÕ cã t¶i
Nguån t−¬ng ®−¬ng
NhËn xÐt :
Vt® kh«ng tuú thuéc vµo m¹ch cã t¶i RT hay kh«ng cã t¶i. Khi tÝnh Vt® ta chØ coi
nh− tÝnh V0 cña m¹ch chia thÕ.
Rt® kh«ng tuú thuéc vµo m¹ch cã t¶i hay kh«ng cã t¶i. Trë t−¬ng ®−¬ng Rt®
nµy thay thÕ cho 2 trë R1 vµ R2 ®−îc coi nh− m¾c song song (R1 // R2).
Dùa theo mÉu Thevenin, ta dÔ dµng tÝnh c−êng ®é dßng t¹i ®Çu vµo ®¶o (-)
cña m¹ch khuÕch ®¹i tæng.
Gi¶ sö ®Çu vµo nhÞ ph©n DAC 4 bit nµy lµ 0001 ( A = 1, B = 0, C = 0, D = 0)
Vvao
nghÜa lµ chØ cã kho¸ A ®ãng. Theo mÉu Thevenin, dßng vµo sÏ lµ
16R
Vvao
NÕu chØ cã kho¸ B ®ãng (0010) dßng vµo sÏ lµ
8R
Vvao
NÕu chØ cã kho¸ C ®ãng (0100) dßng vµo sÏ lµ
4R
Vvao
NÕu chØ cã kho¸ D ®ãng (1000) dßng vµo sÏ lµ
2R
Tr−êng hîp c¶ 4 kho¸ ®Òu ®ãng, dßng vµo sÏ lµ tæng 4 dßng trªn:
Vvao
2R
Vvao
Vvao
Vvao
+
+
+
23 D + 22 C + 21B + 20 A
)
4R
8R
16R
ë ®©y D = C = B = A = 1 v× c¸c kho¸ ®Òu ®ãng. Dßng nµy cã trÞ sè tuyÖt ®èi
b»ng dßng ra: Vra/Rf . Sinh viªn cã thÓ tù thiÕt kÕ bé DAC kiÓu bËc thang R-2R víi
sè bit nhiÒu h¬n. C¸c bé DAC trªn thÞ tr−êng còng ph©n dßng theo kiÓu bËc thang
R-2R.
188
189
B. PhÇn thùc nghiÖm
1. Nghiªn cøu sù ho¹t ®éng cña DAC 8 bÝt
ë bµi nµy chóng ta cho tÝn hiÖu sè 8 bÝt qua bé chuyÓn ®æi DAC, thu ®−îc
tÝn hiÖu lèi ra lµ tÝn hiÖu t−¬ng tù vµ ®−îc ®o b»ng v«n kÕ .
S¬ ®å thÝ nghiÖm:
5V
5V
5.05V
+V
D7
D6
5V
5V
5V
5V
DAC8
5.030 V
DC V
D5
D4
D7
D6
D5
D4
Vout
D3 Vref+
D2 Vref-
D1
D3
D0
D2
D1
5V
5V
D0
C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm:
B−íc1:
Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông:
01 DAC 8 bÝt [Data Converters/D-A/DAC8]
08 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch]
(s)
04 V«n kÕ [Analog/Intruments/Multimeter]
Chó ý:
[ ]
( )
§−êng dÉn ®Ó lÊy linh kiÖn trong th− viÖn
Ký hiÖu phÝm t¾t
B−íc 2:
-
-
Chän chÕ ®é m« pháng analog: Simulation -> Analog Mode
§Æt Multimeter ho¹t ®éng ë chÕ ®é ®o: DC Voltage
B−íc 3:
- TiÕn hµnh thÝ nghiÖm vµ ®iÒn ®Çy ®ñ vµo b¶ng sè liÖu sau:
190
Sè thËp D7D6D5D4D3D2D1D0
ph©n
Ura(V)
Sè thËp
ph©n
D7D6D5D4D3D2D1D0
Ura(V)
0
00000000
128
160
192
224
256
10000000
32
64
96
128
2. DAC 8 bÝt (tiÕp)
Cho s¬ ®å khèi sau:
Dao ®éng ký
Clock
Generator
1KHz
Counter
74LS161
CK
DAC – 03
IN
OUT
S¬ ®å thÝ nghiÖm:
MR
5V
5V
5V
5V
V1
DAC8
D7
74LS161
0/5V
CEP
CET
CP
PE
MR
A
D6
D5
D4
Vout
D3 Vref+
D2 Vref-
D1
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
1kHz
D3
D2
D1
D0
D0
74LS161
CEP
CET
CP
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
D3
D2
D1
D0
C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm:
B−íc1:
Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông:
191
01 DAC 8 bÝt [Data Converters/D-A/DAC8]
02 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch]
(s)
01 M¸y ph¸t chøc n¨ng [Analog/Instruments/Signal Gen]
02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161]
B−íc 2:
-
-
Chän chÕ ®é m« pháng analog: Simulation -> Analog Mode
§Æt chÕ ®é m¸y ph¸t:
KÝch ®óp chuét vµo biÓu t−îng m¸y ph¸t. Chän d¹ng sãng ph¸t lµ “Sin
Wawe Data”. Sau ®ã ®Æt c¸c gi¸ trÞ theo b¶ng sau:
-
-
Ch¹y ch−¬ng tr×nh. Quan s¸t tÝn hiÖu t¹i ®iÓm A trªn cöa sæ Transient
Analysis
Chóng ta cã thÓ dïng c«ng cô “Probe” ®Ó quan s¸t tÝn hiÖu t¹i bÊt cø
®iÓm nµo b»ng c¸nh chän Probe tõ thanh c«ng cô (hoÆc kÝch chuét ph¶i
sau ®ã chän Probe) sau ®ã kÝch vµo ®iÓm muèn quan s¸t. Muèn hiÖn thÞ
tÝn hiÖu cña nhiÒu ®iÓm ®ång thêi th× khi kÝch vµo c¸c ®iÓm cÇn quan
s¸t ta ph¶i gi÷ phÝm Shift.
B−íc 3:
- TiÕn hµnh thÝ nghiÖm víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c cña m¸y ph¸t nh−: 100 KHz,
1 MHz, 2 MHz, 4 MHz. Quan s¸t d¹ng tÝn hiÖu ë lèi ra.
- Hai khèi Clock generator vµ Counter cã thÓ thay thÕ b»ng khèi Data
sequencer ë ®Þa chØ [Analog/Intruments/Data Seq]. Sinh viªn cã thÓ tù lµm
phÇn nµy.
3. KiÓm tra kiÕn thøc
Bé DAC 8 bit cã ®Çu ra n»m trong d¶i tõ 0 ®Õn 10v (Vout = 0 ÷ 10v). Sai sè phi
1
tuyÕn cho phÐp toµn thang ®o lµ ± LSB .
4
192
-
-
TÝnh ®é ph©n gi¶i.
10v
Gi¶i thÝch t¹i sao ®é thay ®æi ®iÖn ¸p gi÷a hai bËc liªn tiÕp lµ
255
-
-
Sai sè phi tuyÕn cho phÐp toµn thang ®o tÝnh ra % lµ bao nhiªu?
§Çu vµo nhÞ ph©n 0110.0110 øng víi ®Çu ra lµ bao nhiªu?
193
C. Phô lôc
Giíi thiÖu DataSheet c¸c h·ng s¶n xuÊt IC trªn thÕ giíi cña mét sè IC th«ng
dông sö dông trong bµi thùc hµnh.
1. Bé chuyÓn ®æi D/A 8 bit tèc ®é nhanh
(8-bit high speed D/A converter)
Tªn IC: DAC08
194
2. Bé chuyÓn ®æi D/A 12 bit
(12-bit D/A converter)
Tªn IC: DAC80
195
12 trang
19280
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình thực tập Kỹ thuật số - Bài 14: Bộ chuyển đổi số – tương tự (Digital to Analog Converter)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_thuc_tap_ky_thuat_so_bai_14_bo_chuyen_doi_so_tuon.pdf
