Bài giảng Kỹ thuật số - Chương 8: Biến đổi AD và DA

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật số - Chương 8: Biến đổi AD và DA

1. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 1 Ò CHƯƠNG 8 : BIẾN ĐỔI AD & DA – BẾN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ (DAC) ♦ DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác nhau ♦ DAC dùng mạng điện trở hình thang ♦ DAC dùng nguồn dòng có trọng lượng khác nhau ♦ Đặc tính kỹ thuật của DAC – BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ (ADC) ♦ Mạch lấy mẫu và giữ ♦ Nguyên tắc mạch ADC ♦ ADC dùng điện thế tham chiếu nấc thang ♦ ADC gần đúng kế tiếp ♦ ADC dốc đơn ♦ ADC tích phân ♦ ADC lưỡng cực ♦ ADC song song ___ _ Có thể nói sự biến đổi qua lại giữa các tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số là cần thiết vì: - Hệ thống số xử lý tín hiệu số mà tín hiệu trong tự nhiên là tín hiệu tương tự: cần thiết có mạch đổi tương tự sang số. - Kết quả từ các hệ thống số là các đại lượng số: cần thiết phải đổi thành tín hiệu tương tự để có thể tác động vào các hệ thống vật lý và thể hiện ra bên ngoài (thí dụ tái tạo âm thanh hay hình ảnh) hay dùng vào việc điều khiển sau đó (thí dụ dùng điện thế tương tự để điều khiển vận tốc động cơ) 8.1. Biến đổi số - tương tự (digital to analog converter, ADC) 8.1.1 Mạch biến đổi DAC dùng mạng điện trở có trọng lượng khác nhau (Weighted resistor network) (H 8.1) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
2. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 2 Trong mạch trên, nếu thay OP-AMP bởi một điện trở tải, ta có tín hiệu ra là dòng điện. Như vậy OP-AMP giữ vai trò biến dòng điện ra thành điện thế ra, đồng thời nó là một mạch cộng 3 2 3 Ta có v0 = -RF.I = -(2 b3 + 2 b2 + 2b1+b0)Vr.RF/2 R n-1 n-2 n-1 = -(2 bn-1 + 2 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr.RF /2 .R Nếu RF = R thì: n-1 n-2 n-1 v0 =-(2 bn-1 + 2 bn-2 + + 2b1 + b0)Vr. /2 . Thí dụ: 1/ Khi số nhị phân là 0000 thì v0 = 0 1111 thì v0 = -15Vr / 8 2/ Với Vr = 5V ; R = RF = 1kΩ Ta có kết quả chuyển đổi như sau: b3 b2 b1 b0 v0 (V) 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -0,625 ← LSB 0 0 1 0 -1,250 0 0 1 1 -1,875 0 1 0 0 -2.500 0 1 0 1 -3,125 0 1 1 0 -3,750 0 1 1 1 -4,375 1 0 0 0 -5,000 1 0 0 1 -5,625 1 0 1 0 -6,250 1 0 1 1 -6,875 1 1 0 0 -7,500 1 1 0 1 -8,125 1 1 1 0 -8,750 1 1 1 1 -9,375 ← Full Scale (VFS) Mạch có một số hạn chế: - Sự chính xác tùy thuộc vào điện trở và mức độ ổn định của nguồn tham chiếu Vr - Với số nhị phân nhiều bit thì cần các điện trở có giá trị rất lớn, khó thực hiện. 8.1.2 Mạch đổi DAC dùng mạng điện trở hình thang (H 8.2) Cho RF = 2R và lần lượt Cho b3 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -8(Vr /24) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
3. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 3 Cho b2 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -4(Vr /24) Cho b1 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = -2(Vr /24) Cho b0 = 1 các bit khác = 0, ta được: v0 = - (Vr /24) Ta thấy v0 tỉ lệ với giá trị B của tổ hợp bit B = (b3 b2 b1 b0 )2 ⇒ v0 = -B(Vr /24) 8.1.3 Mạch đổi DAC dùng nguồn dòng có trọng lượng khác nhau (H 8.3) 8.1.4 Đặc tính kỹ thuật của mạch đổi DAC 8.1.4.1. Bit có ý nghĩa thấp nhất (LSB) và bit có ý nghĩa cao nhất (MSB) Qua các mạch biến đổi DAC kể trên ta thấy vị trí khác nhau của các bit trong số nhị phân cho giá trị biến đổi khác nhau, nói cách khác trị biến đổi của một bit tùy thuộc vào trọng lượng của bit đó. n Nếu ta gọi trị toàn giai là VFS thì bit LSB có giá trị là: LSB = VFS / (2 - 1) n-1 n và bit MSB = VFS .2 / (2 - 1) Điều này được thể hiện trong kết quả của thí dụ 2 ở trên. (H 8.4) là đặc tuyến chuyển đổi của một số nhị phân 3 bit (a) (b) (H 8.4) (H 8.4a) là đặc tuyến lý tưởng, tuy nhiên, trong thực tế để đường trung bình của đặc tính chuyển đổi đi qua điểm 0 điện thế tương tự ra được làm lệch (1/2)LSB (H 8.4b). Như vậy điện thế tương tự ra được xem như thay đổi ở ngay giữa hai mã số nhị phân vào kế nhau. Thí ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
4. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 4 dụ khi mã số nhị phân vào là 000 thì điện thế tương tự ra là 0 và điện thế tương tự ra sẽ lên nấc kế 000+(1/2)LSB rồi nấc kế tiếp ở 001+(1/2)LSB.v.v Trị tương tự ra ứng với 001 gọi tắt là 1LSB và trị toàn giai VFS = 7LSB tương ứng với số 111 8.1.4.2 Sai số nguyên lượng hóa (quantization error) Trong sự biến đổi, ta thấy ứng với một giá trị nhị phân vào, ta có một khoảng điện thế tương tự ra. Như vậy có một sai số trong biến đổi gọi là sai số nguyên lượng hóa và =(1/2)LSB 8.1.4.3. Độ phân giải (resolution) Độ phân giải được hiểu là giá trị thay đổi nhỏ nhất của tín hiệu tương tự ra có thể có khi số nhị phân vào thay đổi. Độ phân giải còn được gọi là trị bước (step size) và bằng trọng lượng bit LSB. Số nhị phân n bit có 2n giá trị và 2n - 1 bước Hiệu thế tương tự ra xác định bởi v0 = k.(B)2 Trong đó k chính là độ phân giải và (B)2 là số nhị phân Người ta thường tính phần trăm phân giải: %res = (k / VFS)100 % Với số nhị phân n bit %res = [1 / (2n - 1)]100 % Các nhà sản xuất thường dùng số bit của số nhị phân có thể được biến đổi để chỉ độ phân giải. Số bit càng lớn thì độ phân giải càng cao (finer resolution) 8.1.4.4. Độ tuyến tính (linearity) Khi điện thế tương tự ra thay đổi đều với số nhị phân vào ta nói mạch biến đổi có tính tuyến tính 8.1.4.5. Độ đúng (accuracy) Độ đúng (còn gọi là độ chính xác) tuyệt đối của một DAC là hiệu số giữa điện thế tương tự ra và điện thế ra lý thuyết tương ứng với mã số nhị phân vào. Hai số nhị phân kế nhau phải cho ra hai điện thế tương tự khác nhau đúng 1LSB, nếu không mạch có thể tuyến tính nhưng không đúng (H 8.5) a/ Tuyến tính b/ Tuyến tính nhưng không đúng (H 8.5) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
5. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 5 8.2. Biến đổi tương tự - số (analog to digital converter, ADC) 8.2.1 Mạch lấy mẫu và giữ (sample anh hold) Để biến đổi một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta không thể biến đổi mọi giá trị của tín hiệu tương tự mà chỉ có thể biến đổi một số gía trị cụ thể bằng cách lấy mẫu tín hiệu đó theo một chu kỳ xác định nhờ một tín hiệu có dạng xung. Ngoài ra, mạch biến đổi cần một khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1µs - 1ms) do đó cần giữ mức tín hiệu biến đổi trong khoảng thời gian này để mạch có thể thực hiện việc biến đổi chính xác. Đó là nhiệm vụ của mạch lấy mẫu và giữ. (H 8.6) là dạng mạch lấy mẫu và giữ cơ bản: Điện thế tương tự cần biến đổi được lấy mẫu trong thời gian rất ngắn do tụ nạp điện nhanh qua tổng trở ra thấp của OP-AMP khi các transistor dẫn và giữ giá trị này trong khoảng thời gian transistor ngưng (tụ phóng rất chậm qua tổng trở vào rất lớn của OP-AMP) (H 8.6) 8.2.2 Nguyên tắc mạch biến đổi ADC Mạch biến đổi ADC gồm bộ phận trung tâm là một mạch so sánh (H 8.7). Điện thế tương tự chưa biết va áp vào một ngã vào của mạch so sánh, còn ngã vào kia nối đến một điện thế tham chiếu thay đổi theo thời gian Vr(t). Khi chuyển đổi điện thế tham chiếu tăng theo thời gian cho đến khi bằng hoặc gần bằng với điện thế tương tự (với một sai số nguyên lượng hóa). Lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trị ứng với điện thế vào chưa biết. Vậy nhiệm vụ của mạch tạo mã số là thử một bộ số nhị phân sao cho hiệu số giữa va và trị nguyên lượng hóa sau cùng nhỏ hơn 1/2 LSB n |va - (VFS / 2 - 1)(B)2 | < 1/2 LSB (H 8.7) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
6. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 6 8.2.3 Mạch đổi dùng điện thế tham chiếu nấc thang (a) (H 8.8) (b) Một cách đơn giản để tạo điện thế tham chiếu có dạng nấc thang là dùng một mạch DAC mà số nhị phân vào được lấy từ mạch đếm lên (H 8.8). Khi có xung bắt đầu FlipFlop và mạch đếm được đặt về 0 nên ngã ra Q của FF lên 1, mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm. Ngã ra mạch đếm tăng dần theo dạng nấc thang (VDAC), đây chính là điện thế tham chiếu, khi Vr còn nhỏ hơn va, ngã ra mạch so sánh còn ở mức thấp và Q vẫn tiếp tục ở mức cao, nhưng khi Vr vùa vượt va ngã ra mạch so sánh lên cao khiến Q xuống thấp, đóng cổng AND không cho xung CK qua và mạch đếm ngưng. Đồng thời ngã ra Q lên cao báo kết thúc sự chuyển đổi. Số đếm ở mạch đếm chính là số nhị phân tương ứng với điện thế vào. Gọi thời gian chuyển đổi là tc. Thời gian chuyển đổi tùy thuộc điện thế cần chuyển đổi. Thời gian lâu nhất ứng với điện thế vào bằng trị toàn giai: n n tc(max) = 2 / fCK=2 .TCK Mạch đổi này có tốc độ chậm. Một cách cải tiến là thay mạch đếm lên bởi một mạch đếm lên/xuống (H 8.9). Nếu ngã ra mạch so sánh cho thấy Vr nhỏ hơn va, mạch Logic sẽ điều khiển đếm lên và ngược lai thì mạch sẽ đếm xuống. Nếu va không đổi Vr sẽ dao động quanh trị va với hai trị số khác nhau 1 LSB (H 8.9) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
7. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 7 8.2.4 Mạch đổi lấy gần đúng kế tiếp (sucessive approximation converter) (H 8.10) Mạch đổi lấy gần đúng kế tiếp dùng cách tạo điện thế tham chiếu một cách có hiệu quả hơn khiến việc chuyển đổi ra mã số n bit chỉ tốn n chu kỳ xung CK. Mạch này bao gồm: một mạch so sánh, một mạch ghi dịch đặc biệt (SAR) và một mạch DAC (H 8.11). (H 8.11) Mạch SAR (H 8.11) là mạch ghi dịch có kết hợp điều khiển Logic. Mạch gồm 6 FF D mắc thành chuỗi, ngã ra FF cuối (F) hồi tiếp về FF đầu (A) , khối điều khiển gồm 4 cổng AND và 4 FF RS có ngã vào tác động mức cao, các ngã ra Q của các FF RS được đưa vào mạch DAC để tạo điện thế tương tự Vr (dùng so sánh với điện thế ra từ mạch lấy mẫu và giữ va), đồng thới đây cũng là mã số ra khi sự biến đổi đã kết thúc. ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
8. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 8 Vận hành: Lúc có xung bắt đầu, mạch SAR được đặt về 0. Ngã ra DAC được làm lệch 1/2 LSB để tạo đặc tính chuyển đổi như đã nói trong phần trước, kế đó SAR đưa bit MSB lên cao (bằng cách preset FF A), các bit khác bằng 0, số này được đưa vào mạch DAC để tạo điện thế tham chiếu Vr để so sánh với va. Tùy theo kết quả so sánh, nếu Vr > va thì ngã ra mạch so sánh ở mức cao khiến SAR bỏ đi bit MSB khi có xung CK kế tiếp xuất hiện, còn nếu Vr < va thì ngã ra mạch so sánh ở mức thấp, khiến SAR giữ bit MSB lại (FF RS 4 giữ nguyên trạng thái) đồng thời đưa bit có nghĩa kế tiếp lên cao (do FF 3 được set từ giá trị 1 ở ngã ra FF B, trị 1 này được chuyển từ FF A sang). Mạch so sánh tiếp tục làm việc và kết quả sẽ được quyết định theo cùng cách thức như đối với bit MSB Tiếp tục như vậy cho đến bit cuối cùng của SAR, lúc đó va gần Vr nhất và ta được kết quả chuyển đổi trong thời gian tối đa là n chu kỳ xung đồng hồ. Mạch chuyển đổi chấm dứt khi ngã ra FF F lên mức cao cho phép mở các đệm để cho mã số ra. 8.2.5 Mạch đổi dùng tín hiệu dốc đơn (single ramp converter) Điện thế chuẩn từng nấc tạo bởi mạch DAC có thể được thay thế bởi điện thế tham chiếu có dốc lên liên tục tạo bởi mạch tạo tín hiệu dốc lên (thường là mạch tích phân). (H 8.12) Xung bắt đầu đặt mạch đếm n bit về 0 và khởi động mạch tạo dốc lên để tạo Vr, từ một trị hơi âm, khi Vr cắt trục 0 ngã ra mạch so sánh 2 lên cao mở cổng AND cho xung CK vào mạch đếm. Khi đường dốc đạt trị số bằng trị tương tự cần biến đổi ngã ra mạch so sánh 1 lên cao đưa ngã ra Q của FF xuống thấp, cổng AND đóng và kết thúc sự chuyển đổi. Số đếm được ở mạch đếm tỷ lệ với điện thế tương tự vào. Mạch có khuyết điểm là độ dốc của Vr tùy thuộc thông số RC của mạch tích phân nên không chính xác. ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
9. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 9 (H 8.13) 8.2.6 Mạch đổi lấy tích phân (Integrating Converter) (H 8.14) Mạch này giải quyết được khuyết điểm của mạch biến đổi dùng tín hiệu dốc đơn, nghĩa là độ chính xác không tùy thuộc RC. Xung bắt đầu đưa mạch đếm về 0, mạch điều khiển mở khóa S3 của mạch tích phân, đóng khóa S1 để đưa tín hiệu tương tự va (giả sử âm) vào mạch tích phân đồng thời mở khóa S2. Ngã ra mạch tích phân có trị âm nhỏ ban đầu. Tín hiệu tương tự vào được lấy tích phân, độ dốc -va /RC. Khi ngã ra mạch tích phân vượt trục 0, ngã ra mạch so sánh lên cao mở cổng ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
10. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 10 AND đưa xung CK vào mạch đếm. Không kể lượng lệch âm ban đầu, hiệu thế ngã ra mạch tích phân là: va VI(t) = − dt ∫ RC Giả sử va không đổi trong thời gian chuyển đổi VI(t) = -(va.t /RC) Nếu va âm thì ngã ra mạch tích phân là đường dốc lên đều. Khi mạch đếm tràn (tức đếm hết dung lượng và tự động quay về 0) mạch Logic điều khiển mở khóa S1 và đóng khóa S2 đưa điện thế tham chiếu Vr (dương) đến mạch lấy tích phân. Ngã ra mạch tích phân bây giờ là đường dốc xuống với độ dốc là -Vr /RC. Khi VI xuống 0, mạch so sánh xuống thấp đóng cổng AND và kết thúc quá trình biến đổi. Số đếm sau cùng của mạch đếm tỷ lệ với điện thế tương tự vào. Giả sử RC không đổi trong quá trình biến đổi, tích phân trong thời gian t1 bằng tích phân trong thời gian t2 nên ta có: | va | t1 = Vr.t2 t1 là thời gian đếm từ 0 cho đến khi tràn nên n t1 = 2 / fCK và t2 = N / fCK. N là số đếm sau cùng. Tóm lại ta thấy số đếm được không phụ thuộc RC (H 8.15) 8.2.7 Mạch đổi lưỡng cực Một cách đơn giản để thực hiện chuyển đổi một tín hiệu tương tự lưỡng cực là dùng một mạch đảo tương tự và một mạch so sánh để xác định va âm hay dương để đảo hay không trước khi đưa vào mạch ADC đơn cực (H 8.16) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ
11. ___ Chương 8. Biến đổi AD & DA VIII - 11 (H 8.16) 8.2.8 Mạch đổi song song (parallel hay flash conversion) Đây là mạch đổi có tốc độ chuyển đổi rất nhanh, có thể đạt vài triệu lần trong một giây, áp dụng vào việc chuyển đổi tín hiệu hình trong kỹ thuật video. Thí dụ để có mạch đổi 3 bit, người ta dùng 7 mạch so sánh ở ngã vào và một mạch mã hóa ưu tiên để tạo mã số nhị phân ở ngã ra (H 8.17). - Khi va < Vr /10, các ngã ra mạch so sánh đều lên cao khiến mã số ra là 000 - Khi Vr /10 <va < 2Vr /10, ngã ra mạch so sánh 1 xuống thấp khiến mã số ra là 001 - Khi 2Vr /10 <va < 3Vr /10, ngã ra mạch so sánh 2 xuống thấp khiến mã số ra là 010 Cứ như thế, ta thấy mã số ra tỷ lệ với điện thế tương tự vào (H 8.17) ___ Nguyễn Trung Lập KỸ THUẬT SỐ