Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt,
trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã tạo lên một động lực thúc đẩy và phát
triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng đợc nhu cầu của
con ngời trong cuộc sống. Con ngời với sự trợ giúp của máy móc, những
công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc
mà con ngời không thể làm đợc với khả năng của mình mà chỉ việc điều
khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích
hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối u hoá công việc.Với sự tiến bộ này đã đáp ứng
đợc những nhu cầu của con ngời trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong
sự phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên cứu, phát triển
của khoa học kỹ thuật của các nhà khoa học nói riêng
Đối với những học viên công nghệ phần cứng chúng ta thì việc nghiên cứu,
tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu t-
ơng tự thành tín hiệu số (ADC) và ngợc lại (DAC) có ý nghĩa thực tế hết sức
quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta những kiến thức sâu rộng,
hiện đại mà còn tạo cho chúng ta những kỹ năng làm việc cũng nh những
kinh nghiệm quý giá trong lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với sự
phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra tròng
Trong suốt thời gian qua, với những kiến thức đợc học ở trờng cùng với sự
giúp đỡ của th.s.Hà Mạnh Đào và các thầy cô trong trung tâm, chúng em đi
sâu việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ
chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số (ADC) và ngợc lại (DAC). Tuy
đề tài không phải là mới nhng hiểu đợc nó và ứng dụng nó có ý nghĩa hết sức
thiết thực. Nó chính là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hoá đơn
giản, cũng nh là những hệ thống phức tạp đợc ứng dụng rộng rãi trong khoa
học và đời sống
Do kiến thúc còn hạn chế, cộng với thời gian tích luỹ cha nhiều nên bản đồ
án này không tránh khỏi thiếu sót và còn nhiều vấn đề cha đề cập đến hoặc
có nhng cha đi sâu, chúng em rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô và

(The Digital to Analog Convertor ). Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công
nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm nhập ngày càng
sâu vào đời sống kinh tế, xã hội và đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát
triển những ngành khoa học mới, đơn cử nh những hệ thống tự động hoá đo
lờng và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dới đây. Để mở rộng tầm
ứng dụng, cũng nh khả năng can thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh
vực khác nhau. Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa là
khả năng kết nối máy tính cũng nh việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi,
tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ cụ thể cũng nh vật t thiết bị có trong tay mà
việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục đích
khác nhau. Đặc biệt đợc ứng dụng rộng rãi trong đo lờng và điều khiển tự
động. Tuy nhiên, để có đợc điều đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn
tín hiệu đó là nguồn tín hiệu tơng tự và nguồn tín hiệu số. Việc này hết sức
quan trọng và không thể thiếu đợc trong hệ thống xử lý số, không những thế
việc nghiên cứu tìm hiểu nó cho ta biết đợc khả năng làm việc, đọ chính xác
của hệ thống cũng nh độ tin cậy của hệ thống
Phần 1
Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng dụng
trong đo lờng và điều khiển bằng máy tính
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
2
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Chơng 1
Chuyển đổi tơng tự số ADC
(The Analog to Digital Convertor)
1 .Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tơng tự số (ADC basic principles)

Tín hiệu tơng tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số
mã hoá là rời rac theo thơi gian. Để chuỷên đổi tín hiệu tơng tự sang dạng tín
hiệu số đòi hỏi phải lợng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu

maxs
2.FF
=
thì ta gọi tần số lấy mẫu này là tàn số Nyguist.

Chu kỳ Nyguist:
a
2.F
1
F
1
Nyguist
T
==
(2).Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
3
0
t
U,i
0
t
U,i
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt

Hình 1. Tín hiệu tơng tự và tín hiệu sau khi lợng tử và rời rạc hoá

Nh vậy, một tín hiệu tơng tự có hàm tin x(t) nào đó xác định trong khoảng

c

: tần số cao nhất trong phổ x(t)

t
: bớc rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu:
c
f
c
t
2
1
==


(4).
(tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x(t) )
Nh vậy số mẫu cần lấy là:
t

=
(5).
Gỉa sử coi nh bề rộng phổ của âm thanh chất lợng cao có tần số là :
Z
KHF 20=
.Nh vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý trên :
s
a
F
sny

{
5.0).(.)( += tkxkx
(5).
Với: E là phần nguyên.
VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu nh sau:
Giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu
X(k. t)
Giá trị sau khi quy tròn
11.7 12
10.3 10
13.8 14
18.2 18
22.6 23
24.9 25
14.1 14
Bảng 1. Gía trị rời rạc sau khi lấy mẫu và sau khi quy tròn

Sau khi thực hiện xong việc lợng tử hoá từ các tín hiệu rời rạc, ta thực hiện
việc mã hoá tín hiệu số. Trớc hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị
phân thì cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để có dợc
điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu.
Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để viết 1 con số thập
phân thì phải thoả mãn điều kiện:
3
10
< số thập phân <
4
10

Tơng tự với số nhị phân:

1)log(n
<<

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
5
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt

suy ra:
1)|x(k)|max
2
E.(logn +=
. (7).
Ngoài ra, nếu con số biểu diễn là các con số đại số thì còn có cả số âmvà
số dơng cho nên trong từ mã còn có thêm một bit nữa là bit dấu để phân biệt
số âm và số dơng .
Trên cơ sở đó ta thực hiện mã hoá các giá trị trên :
x(0.

t) = (12)
10
= 01100
x(1.

t) = (10)
10
= 01010
x(2.

t) = (14)
10

ờng hợp mạch biến đổi AD là các thiết bị số thì thờng dùng hệ cơ số 2 (mã
nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số. Gỉa sử gọi tín hiệu tơng tự là
)(US
A
A
, tín
hiệu số là
)
DD
(US
,
D
S
đợc biểu diễn dới dạng mã nhị phân nh sau:
0
.2
0
b...
2n
2
2n
b
1n
.2
1n
b
D
S ++



là giá trị cực đại cho phép của diện áp tơng tự đầu vào ADC
-
x
là mức điện tử

2.các tham số cơ bản đặc trng cho chuyển đổi tơng tự số

Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
6
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
+ Dải biến đổi của điện áp tơng tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà bộ
chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi đợc. Khoảng điện áp đó có thể
lấy các giá trị số từ 0 đến một số dơng hoặc âm nào đó. Số các số hạng của
mã số của đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tơng ứng với dải biến đổi của
điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi.
Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N=12, nghĩa là một từ mã có 12 con số
nhị phân thì ADC có thể phân biệt đuợc
12
2
=4096 mức điện áp trong dải
biến đổi điện áp vào của nó. Độ phân biệt của một ADC đợc ký hiệu là Q (đ-
ợc xác định theo công thức (4) ở trên). Nh vạy, ta có thể ngầm hiểu số bit N
để đặc trng cho độ chính xác. Tuy nhiên, ngoài số bit đặc trng cho độ chính
xác của bộ chuyển đổi trong thực tế liên quan đến độ chính xác của ADC còn
có những tham số khác nh: Sai số lệch 0, sai số đơn điệu, sai số khuyếch đại
Hình 2. đặc tyuến lý tởng và thực của bộ chuyển đổi ADC

Nh vậy, so sánh hai đờng đặt tuyến truyền đạt lý tởng của ADC là một đ-
ờng bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1. Đờng đặc tuyến thực có
sai số lệch không và là một hình bậc thang không đều do ảnh hởng của sai

A
U
A
U
M
D
U
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
(ADC Composition, Diagram and Working Principle)
3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition)hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC

Nh vậy, một bộ chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch l-
ợng tử hoá tín hiệu và mạch mã hoá tín hiệu.
3.2. Nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Working Principle)

Trớc hết, mạch láy mẫu tín hiệu tơng tự tại các thời điểm khác nhau đều và
cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp
tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. Tín
hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa tới mạch lợng tử hoá để thực hiện làm tròn với
biên độ chính xác:
2
x

. Sau mạch lợng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch
mã hoá, kết quả lợng tử hoá đợc sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ
thuộc vào loại mã yêu cẩutên đầu ra của bộ chuyển đổi.
4. phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC .

Bộ tạo cửa
thời gian
Bộ
đếm
xung
Bộ tạo
xung đệm
Bộ điều
khiển
Bộ so sánh
1
U
0
+ U
x
U
0
2
n
2
1
2
0
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Nh vậy, có rất nhiều phơng pháp chuyển đổi, tuy nhiên các mạch thc tế
làm việc theo nhiều phơng pháp khác nhau. Nhng về nguyên tắc chuyển đổi
đều làm theo những phơng pháp trên. Trong quá trình thiết kế một hệ thống
đo lờng và điều khiển bằng máy tính, hay một hệ thống đo lờng số nào đó
tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống nh tốc độ,độ chính xác vật t hiện có mà lựa
chọn phơng pháp chuyển đổi khác nhau. Mỗi phơng pháp đều có u nhợc

chuẩn
Uxung
điểm
t
t
t
Hình 5 : Giản đồ thời gian
Một đầu ra
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
4.1.2.Nguyên lý làm việc
Bộ điều khỉên tạo xung điều khiển(Xung Clock), xung này có nhiệm vụ
xoá 0 bộ đếm và tạo điện áp răng ca.Nó chính làbộ tạo điện áp mẫu có độ
méo
%

nhỏ
Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp cần đo với điện áp chuẩn
0
U
.

2 đầu vào
hình 6. bộ so sánh
Khi đặt 2 điện áp đầu vào bằng nhau thì có xung ra tại thời điển
1
t
.Xung
ra này kích bộ tạo cửa thời gian là Triger ó hai trạng thái ổn định và làm cho
bộ cửa thời gian từ trạng thái 0 chuyển sang trạng thái 1. Sau khi có điện
áp

..tg
x
U
TT

==
(10)
Với:
ch
f
n
ch
TnttT === .
12
(11)
Suy ra:
dt
du
ch
f
u
x
U .=
(12).
Vì
dt
du
= const
ch
f

% nhỏ>
+ Tần số không ổn định có sai số tơng đối lớn
f
f
lớn
Do nhiễu xung can thiệp vao mạch biến đổi
Do sự không đồng bộ giữa xung mở cửa và chuỗi xung chuẩn
dẫn đến sai số phơng pháp đo
* cách khắc phục:
Trớc hết phải tạo điện áp chuẩn
ch
U
thật chuẩn % nhỏ, sai số doTần
số nhỏ
f
f
nhỏ
Giảm sai số phơng pháp, tăng tần số xung chuẩn, tuy nhiên cũng phải
phụ thuộc vào độ phân giải của bộ đếm xung.
4.2. Bộ chuyển đổi AD theo phơng pháp tích phân hai sờn rốc.
(The dual-slope integerating type A/D converter)
4.2.1. Sơ đồ khối cấu tạo.
Hình 7. sơ đồ khối cấu tạo bộ chuyển đổi theo phơng pháp hai sờn dốc
Hình 8. giản đồ thời gian
4.2.2. Nguyên lý hoạt động.
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
12
Bộ
đệ
m


2
0
U

c1
U

c2
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Mạch logic điều khiển, điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì điện áp tơng tự
cần chuyển đổi
A
U
nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R tại thời điểm
1
t
.
Khi đó ở đầu ra của mạch tích phân
1
A
Có điện áp đợc tính theo công thức
sau:


==
11
11
)( tU
RC

xung nhịp. Sau khi nạp điện áp cần đo
A
U
cho tụ điện C, mạch logic điều
khiển sẽ chuyển khoá K sang vị trí 2 đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng đ-
ợc đa đến mạch AND ( mạch Và) và làm chomạch AND thông khi có
xung nhịp tác động. Tại thời điểm này, mạch đếm ở đầu ra bắt đầu thực hiện
đếm và mạch đếm
0

đợc mạch logic điều khiển về vị trí nghỉ.
Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn
ch
U
bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ng-
ợc lại, phờng trình nạp là:

2
)
2
(
"
t
RC
ch
U
t
c
U =
(14).

RC
A
U
==
(15)
Số xung đa đến mạch đếm
0

trong thời gian
1
t
là:

n
ft .
10
=
(16).
Trong đó
n
f
là tần số của dãy xung nhịp
từ đó suy ra
n
f
z
t
0
1
=

.Z
ch
U
A
U
n
f
2.
tZ =
(18).
Sau thời gian
2.
t
mạch đếm ra bị ngắt vì điện áp trên tụ
c
U
= 0 và mạch
logic đóng cổng AND .Qúa trình lặp lại tơng tự trong quá trìng chuyển đổi
tiếp theo.
Nh vậy, theo công thức ta thấy số xung đếm đợc ở đầu ra tỷ lệ với điện áp
tơng tự
A
U
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 f
n

. chính vì lẽ đó
kết qủa chuyển đổi cũng khá chính xác, tuy nhiên yêu cầu cần thiết là tần số
nhịp phải có độ ổn định cao nghĩa là giá trị tần số xung nhịp phải nh nhau

V/2
3V/8
V/4
V/8
V/2
R
R
R
R
R
R
R
R
Mã Hoá
Lối vào Lối ra
1111111 000
0111111 001
0011111 010
0001111 011
0000111 100
0000011 101
0000001 110
0000000 111
Bit 1
Bit 2
Bit 3