Kỹ thuật số PHẦN 5

Bài 7: BIẾN ĐỔI A/D, D/A
I. BIẾN ĐỔI D/A
Tổng quát:
Analog output = K  digital intput
K: thừa số (độ phân giải)
TD: K = 1V ? Vout = (1V) ? digital input
Do đó, ta có thể tính Vout ứng với digital input
11002 = 1210 ? Vout = 1V ? 12 = 12V.
TD: DAC 5 bit với ngõ vào là 10100, dòng ngõ ra là 10mA. Tính Iout khi ngõ vào là 11101.
Giải
Ta có: 101002 = 2010 khi Iout = 10mA.
? K = 0,5 mA.
Do đó: 111012 = 2910
? Iout = 0,5mA ? 29 = 14,5mA.
TD: DAC 8 bit với ngõ ra là 1.0V khi ngõ vào là 001100102. Xác định Vout lớn nhất của DAC.
Giải
Ta có: 001100102 = 5010
1V = K ? 50
? K = 20 mV.
Do đó, ngõ ra Vout(max) khi ngõ vào là: 1111 11112 = 25510
? Vout(max) = 20mV ? 255 = 5,1V.
Độ phân giải K: độ phân giải của biến đổi D/A là sự thay đổi nhỏ nhất của ngõ ra analog khi có sự thay đổi của ngõ vào digital.
DAC N bit sẽ có 2N mức khác nhau, số bước nhảy sẽ là 2N - 1
TD: K = 0,2V. Xác định Vout khi ngõ vào là 10001
100012 = 1710
? Vout = 0,2V ? 17 = 3,4V.
II. BIẾN ĐỔI A/D
Bộ biến đổi hoạt động theo các bước:
�� Tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi.
� Cứ mỗi xung clock, đơn vị điều khiển sửa đổi số nhị phân đầu ra và đưa vào lưu trữ trong thanh ghi.
�� Số nhị phân trong thanh ghi được chuyển đổi thành áp analog vAX qua bộ biến đổi DA.
��� OPAMP so sánh vAX với áp đầu vào vA. Nếu vAX < vA thì đầu ra ở mức cao, còn ngược lại, nếu vAX vượt qua vA một lượng vT (áp ngưỡng) thì đầu ra ở mức thấp và kết thúc quá trình biến đổi. Ơ� thời điểm này, vAX đã xấp xỉ bằng vA và số nhị phân chứa trong thanh ghi chính là giá trị digital xấp xỉ của vA (theo một độ phân giải và chính xác nhất định của từng hệ thống).
��� Đơn vị điều khiển kích hoạt tín hiệu EOC, báo rằng đã kết thúc quá trình biến đổi.
Bộ biến đổi A/D theo hàm dốc
Bộ biến đổi AD xấp xỉ liên tiếp

Đây là bộ biến được dùng rộng rãi nhất trong các bộ biến đổi AD. Nó có cấu tạo phức tạp hơn bộ biến đổi AD theo hàm dốc nhưng tốc độ biến đổi nhanh hơn rất nhiều. Hơn nữa, thời gian biến đổi là một số cố định không phụ thuộc giá trị điện áp đầu vào.
Sơ đồ mạch tương tự như bộ biến đổi AD theo hàm dốc nhưng không dùng counter cung cấp giá trị cho bộ biến đổi DA mà dùng một thanh ghi. Đơn vị điều khiển sửa đổi từng bit của thanh ghi này cho đến khi có giá trị analog xấp xỉ áp vào theo một độ phân giải
Bộ biến đổi A/D xấp xỉ liên tiếp
Bộ biến đổi Flash AD

Bộ biến đổi loại này có tốc độ nhanh nhất và cũng cần nhiều linh kiện cấu thành nhất.
Có thể làm một phép so sánh: flash AD 6-bit cần 63 OPAMP, 8-bit cần 255 OPAMP, và 10-bit cần 1023 OPAMP. Vì lẽ đó mà bộ biến đổi AD loại này bị giới hạn bởi số bit, thường là 2 đến 8-bit.
Ví dụ một flash AD 3-bit :
Mạch này có độ phân giải là 1V, cầu chia điện áp thiết lập nên các điện áp so sánh (7 mức tương ứng 1V, 2V, .) với điện áp cần biến đổi. Đầu ra của các OPAMP được nối đến một priority encoder và đầu ra của nó chính là giá trị digital xấp xỉ của điện áp đầu vào.
Các bộ biến đổi có nhiều bit hơn dễ dàng suy ra theo mạch này.
Bộ biến đổi AD theo hàm dốc dạng lên xuống (tracking ADC)

Bộ biến đổi loại này được cải tiến từ bộ biến đổi AD theo hàm dốc. Ta thấy rằng tốc độ của bộ biến đổi AD theo hàm dốc khá chậm bởi vì counter được reset về 0 mỗi khi bắt đầu quá trình biến đổi. Giá trị VAX là 0 lúc bắt đầu và tăng dần cho đến khi vượt qua VA. Rõ ràng là thời gian này là hoàn toàn lãng phí bởi vì điện áp analog thay đổi một cách liên tục, giá trị sau nằm trong lân cận giá trị trước.
Bộ biến đổi AD theo hàm dốc dạng lên xuống dùng một counter đếm lên/xuống thay cho counter chỉ đếm lên ở bộ biến đổi AD theo hàm dốc và không reset về 0 khi bắt đầu. Thay vì vậy, nó giữ nguyên giá trị của lần biến đổi trước và tăng giảm tùy thuộc vào giá trị điện áp mới so với giá trị điện áp cũ.