PHẦN MỘT
CƠ SỞ LÝ THUYẾT.
I./ Khái niệm chung:
Hiện nay trong các hệ thống thông tin, truyền thông, điện dân dụng . . . sử dụng chủ yếu là
phương pháp số, nhưng thực tế các tín hiệu hữu ích: tiếng nói, tín hiệu chuyển đổi đo lường
lại hầu hết là tín hiệu tượng tự, cho nên cần phải chuyển đổi sang tín hiệu số, sau đó xử lý để
đạt được yêu cầu đề ra, và sau cùng là phải chuyển đổi ngược lại từ tín hiệu số về tín hiệu
tương tự, có thể khái quat hệ thống đó bằng sơ đồ khối sau đây :

Trong khuôn khổ của kĩ thuật mạch điện tử, chỉ xét phần ADC và DAC, còn các phần khác sẽ
nghiên cứu trong các môn học : xử lí tín hiệu số, kĩ thuật số, hệ thống truyền dẫn
Một cách tổng quát, mọi tín hiệu tương tự S(t), đều có thể biểu diễn dưới dạng các tín hiệu nhị
phân (tín hiệu số) theo hàm :
S(t) = b
n-1
.2
n-1
+ b
n-2
.2
n-2
+ + b
1
.2
1
+ b
0
.2
0
.
Trong đó S(t) là tín hiệu tương tự, b

U
Amax
: trị cực đại cho phép của điện áp tương tự đầu vào.
Q : gọi là mức lượng tử.
Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc, nên trong quá trình chuyển đổi AD xuất hiện sai số gội là sai
số lượng tử hóa, được xác định bởi :
V
U =
1
2
Q (2)
Chuyển đổi AD cần lấy mẫu tín hiệu tương tự, nên để khôi phục tín hiệu đạt chất lượng
cao thì phải tuân theo định lý lấy mẫu, tức là tần số tín hiệu lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện
lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu Analog vào :
Fm>=2fthmax=2B

(B: băng tần tín hiệu tương tự);
Ttheo lí thuyết lượng tử hóa, quá trình lượng tử hóa, quá trình lượng tử hóa sinh ra tạp âm, tạp
âm này phản ánh khi thực hiện phep biến đổi ngược DA, có thể coi quá trình lượng tử hóa là
quá trình cộng tín hiệu X
A
và tín hiệu tạp âm X
ta
, người ta chứng minh được tạp âm lượng tử
hóa cs thể coi là tạp âm trắng, khi -Q≤ X
A
≤ Q/2.Và mật độ phổ công suất của tạp âm được xác
định :
Sta() =
2

6
(2
N
- 1) (5)
II./ Các tham số cơ bản:
1./ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào :
Là khoản điện áp mà trong bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện được.
Khoảng điện áp đó có thể lấy trij số từ 0 tới môt giá trị dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có
thể là điện áp 2 cực tính từ -U
AM
 +U
AM
.
2./ Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD:
Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân biệt. Ta biết rằng trên
đầu ra của ADC là các giá trị số ss]ơcj sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó. Số các số
hạng của mã số ở đầu ra (số bit trong mã hóa nhị phân) tương ứng với dải biến đổi của điện áp
vào cho biết mức chính xác của phép biến đổi.
Ví dụ: một ADC có số bit ra N=8 có thể phân biệt được 2
8
=256 mức trong dải biến đổi
điện áp vào của nó, độ phân biệt của một ADC chính là mức lượng tử Q ở trên. Q chính là giá
trị của một mức lượng tử hóa còn được gọi là LSB.
3./ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi
AD mà bộ chuyển đổi có thể chuyển đổi được, giá trị này có thể âm, dương, hoặc dải từ âm
sang dương, thực tế ta cần kết hợp với các mạch hạn biên, nén trước khi đưa đến IC chuyển
đổi AD.
4./ Độ chính xác : thường đặc trưng bởi số bit, số lượng bit lượng tử hóa càng nhiều thì độ
chính xác càng cao, thường ta có các IC chuyển đổi AD 8bit, 10bit, 12bit, 20bit, 32bit . . .
Ngoài ra còn có các thông số khác ảnh hưởng đến độ chính xác như: sai số lệch không, sai số

b.) Nguyên tắc làm việc của ADC
Nguyên tắc làm việc của ADC được minh họa như Hình 1
Analog Tin hiệu ânlog đã đọc Tín hiệu đã lấy mẫu Digital
H1: Sư đồ mô tả quá trình chuyển đổi.
Đầu tiên tín hiệu tương tự được xử lí bởi một bộ lọc thông thấp, chức năng của nó là để hạn
chế dải tần của tín hiệu, loại bỏ các thành phần tần số cao không cần thiết. Sau khi lọc lấy được
tín hiệu có tần số thấp thì được cho vào bộ lấy mẫu và giữ mẫu với tốc độ f
s
do tốc độ đồng hồ
chuẩn quy định. Mạch lấy mẫu và giữ cảm biến mức tín hiệu tương tự mỗi lần trong một chu kì
lấy mẫu và "cố định" trị số đó cho tới điểm tương ứng trong chu kì lấy mẫu tiếp theo. Việc lấy
mẫu được tiến hành trong các khoảng thời gian đều đặn và để tránh hiện tượng chồng phổ. Đầu
tiên tín hiệu được rời rạc hóa, lấy mẫu tín hiệu tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau
:

Bộ lọc thông
thấp(Low pas
Kilter)
Lấy mẫu và giữ
mẫu (Sample
and Hold)
Bộ đổi A / D
(A/D Converter)

- Tiếp theo : giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình
lượng tử hóa và mã hóa, tín hiệu rời rạc hóa được làm tròn với độ chính xác là ±Q/2 ,
theo công thức sau :
• Z
Di
= int

về số lẫn biên độ. Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả lượng
tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra
của bộ chuyển đổi.
PHẦN HAI:
CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ/SỐ:
Chúng ta sẽ khảo sát một số phương pháp biến đổi số phổ biến hiện nay. Mục đích
chính của chúng ta là thiết kế mạch ADC theo phương pháp biến đổi điện áp - tần số
VFC sẽ được trình bày ở phần sau. Ở đây chúng ta chỉ mang tính chất giới thiệu
nhằm mục đích có cơ sở để so sánh với phương pháp của chúng ta
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ/SỐ

I. Flash ADC ( Hay còn gọi là ADC theo phương pháp song song).
- Điện áp U
A
được đưa đồng thời đến đầu vào của các bộ so sánh: SS1, SS2, ,SSn, điện
áp chuẩn U
ch
được đưa dến đầu vào thứ hai qua thang điện trở R, do vậy các điện áp
chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ
SS1  SSn.
- - Tại các đầu ra bộ so sánh: nếu điện áp vào > điện áp chuẩn: cho mức logic là 1 và nếu
điện áp vào < điện áp chuẩn : cho mức logic 0.
- - Tất cả tín hiệu ra so sánh nối với mạch Và(AND). Chỉ khi có xung nhịp (Ck) đưa đến
mạch AND thì đầu ra mạch AND mới có tín hiệu đưa đến các Flip-Flop(FF). như
-
-
- vậy cứ sau khoảng thời gian xung nhịp lại có một tín hiệu biến đổi và đứ đến đầu ra,
đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu số vào bộ nhớ.
- - Bộ mã hóa biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch biến đổi
này là mạch song song, có tốc độ chuyển đổi nhanh, nhưng phức tạp hơn mạch nối tiếp,


II. Chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc:
- Mạch logic điều khiển khóa K ở vị trí 1 thì U
A
nạp cho tụ C qua R, trên đầu ra mạch tích
phân xác định được:
U'
C
=
1
RC
A
U dt
∫
=
1
RC
U
A
t .
Như vậy sau khoảng thời gian t
1
, ta có : U'
C1
=
1
RC
U
A
t

RC
= −
sau khoảng thời gian t
2
ta được
2 2
1
''
Ct ch
U U t
RC
= −
- Giả sử sau khoảng thời gian t
2
ta có
' ''
C C
U U=
(điện áp tụ bằng 0)
•
2 1 2 1
1 1
.
A
ch A
ch
U
U t U t t t
RC RC U
⇔ = ⇒ =

2
o
A
n o A
ch ch
Z
U
Z t f Z U
U U
= = =
(4)
Sau khoảng t
2
mạch đếm ra bị ngắt, vì U
C
= 0.
Quá trình trên được lặp đi lặp lại trong chu kì chuyển đổi tiếp theo. Từ (4) ta thấy
số xung đếm được ở đầu ra tie lệ với U
A
, kết quả đếm độc lập với R, C, f
n
nhưng phương pháp
này có tần số xung nhịp có độ ổn định cao (sao cho trị số là như nhau trong 2 khoảng thời gian
t
1
và t
2
).
PHẦN BA:
ADC DÙNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP - TẦN SỐ (VFC)

1
40RC
(RC nối ra ngoài qua Z
1
Z
2
xuống 0V).
Sơ đồ khối của phương pháp biến đổi điện áp sang tần số (Voltage to Frequency Converter -
VFC):
U
X
F
X
= K.U
X

K[
Hz
V
]
I./ Cấu trúc khối, nguyên lí biến đổi điện áp - tần số, tìm hệ số biến đổi :
x
x
f
U
V
V
= K.
SƠ ĐỒ KHỐI PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP - TẦN SỐ.
│U

R2
0R1
C
100n
R
0R1
3
2
1
8 4
U1:A
AD644
5
6
7
8 4
U1:B
AD644
3
2
1
8 4
U2:A
AD644
Nguyên lí biến đổi điện áp tần số :
- Ban đầu đưa điện áp │U
X
│được đưa vào hai bộ khuếch đại đảo và khuếch đại lặp để tạo
ra đồng thời hai mức điện áp ± U
X

Ngăt
= -
1
2
R
R
.U
Max
.
Khi U
q
giảm tới :U
q
(t) = U
Ngắt
thì  SFF lật trạng thái : U
Max
 U
Min
.
- Lúc này sẽ điều khiển chuyển mạch : T1 tắt, T2 mở.(T
-
1
, T
+
2
), lúc này mạch tiến hành đọc
-│U
X
│< 0. và đưa tới mạch tích phân  Tạo ra tín hiệu U

X1
> U
X2
U
X2
0 t1 t2 t
U
X1
U
Ra1
t1 t2
0 t
T
X1
U
Ra2
t
0 t'1 t'2 t
T
X2
Đồ thị thời gian của tín hiệu vào và ra.
Tìm hệ số biến đổi
X
X
f
u
V
V
= K
• Khi U

. .
t
X Max
R
U dt RC U
R
=
∫

1
1
2
. . .
X Max
R
U t RC U
R
=
(1)
• Khi U
Ra
= U
Min
 U
X
< 0 : Quét lên.
• U
q
tăng dần cho đến U
Nối

.
t
X Min
t
R
U dt RC U
R
= −
∫

1
2 1
2
( ) .
X Min
R
U t t RC U
R
− = −
(2)
Cộng (1) và (2) ta có :
1 1
1 2 1
2 2
( ) . .
X X Max Min
R R
U t U t t RC U RC U
R R
+ − = −


2
1
1
.
( )
X
X Max Min
f R
K
U R RC U U
= =
−
(Khz/V) (*)
II./ Thiết kế mạch điện nguyên lí ( lựa chọn linh kiện thực hiện mạch
nguyên lí) :
1./ Điện áp vào chỉ có cực tính dương : 0V đến 10V.
( Dùng mạch lấy modul kết hợp với mạch chỉ thị dấu)

- Tín hiệu vào đưa vào một chuyển mạch thang đo để trích lấy mẫu tín hiệu khoảng 1V để
đưa vào mạch vào. Như vậy kết quả sau khi biến đổi ta phải đọc giá trị khi đã nhân với
hệ số nhân của chuyển mạch này.
Ví dụ: khi thang đo ở vị trí 1 thì ta lấy kết quả nhân với 1, còn khi thang đo ở vị trí 2
thi ta phai lấy kết quả đo nhân với 10.
Ở đây, mạch vào gồm cả mạch lấy modul kết hợp với mạch chỉ thị dấu rồi mới đưa tín
hiệu vaò đẩu vào của chuyển mạch điện tử của bộ chuyển đổi điện áp - tần số.
Tín hiệu sau khi được trích lấy mẫu thì cho qua mạch chỉ thị dấu để xác định dấu của
điện áp vào.
a./ Sơ đồ và nguyên lí mạch chỉ thị dấu như sau:
Mạch

- Tín hiệu này lại tiếp tục được đưa vào mạch lấy căn để tạo ra tín hiệu lấy modul.
Trong mạch thiết kế thì ta chỉ có một tín hiệu Ux (Uy=0) nên tại đẩu ra số 1 của OP ta
chỉ thu được tín hiệu là : U
x
2
. Tín hiệu này sau khi cho qua mạch lấy căn bậc hai thì ta sẽ thu
được tín hiệu lấy modul như sau :
x
U
.
2./ Chỉ thị tần số ra theo phương pháp đếm:
Tín hiệu lấy modul sau khi qua chuyển mạch tương tự sẽ được đưa vào mạch tích phân
của bộ biến đổi điện áp - tần số, tín hiệu U
q
tạo ra sẽ biến thiên tăng hoặc giảm dần tùy thuộc
vào đầu vào của mạch tích phân là âm hay dương. Tín hiệu quét này sẽ đến chạm vào mạch
Trigơ Smit làm lật trạng thái của mạch Trigơ,cứ mỗi lần mạch này đảo trạng thái một lần thì
ứng một nữa chu kì của tần số, khi điện áp càng tăng thì mạch đảo trạng thái càng nhanh, lúc
đó tần số của điện áp sẽ tăng theo tỉ lệ tuyến tính với điện áp vào theo công thức (*) :
2
1
1
.
( )
X
X Max Min
f R
K
U R RC U U
= =

xung
Mạch
/kđ
Trigơ
Tạo
xung
xoa
Mạch
Giải
mã
Chỉ
thị
số
1
1
1
1
1
ch ch
s f nHz
mS f nKhz
t T S f nMhz
nS f nGhz
S f nThz
µ
ρ
→ =


→ =

-
1
n
±
 
↑⇒
 ÷
↑
 
Sai số   Độ chính xác giảm.
Ta có giản đồ của các tín hiệu theo thời gian tại các điểm trong sơ đồ như sau:
Giả thiết tín hiệu vào cần đo là tín hiệu tam giác, ta có:
(1)
T
x
 f
X
= 1/T
X
0 t
(2)
0
(3)
0 t
(4)
0 t
(5)
tV
mở cửa
0 t

Sai số của phương pháp đo tần bằng đếm xung là:
- Sai số chủ yếu là do sai số của khoảng thời gian chuẩn ( độ ổn định của bộ tạo xung
chuẩn VDDK).
- - Sai số đo không đồng bộ giữa xung mở và xung đếm. Làm cho số lượng xung đếm
được trong thời gian T
III. Tìm hiểu IC AD534 sử dụng trong việc biến đổi điện áp - tần số, Vcc ±15V:
U
Vào
=100mV - 10V; U
Ra
= ±15V( dùng khuếch đại thuật toán AD211)
K = 1Khz; f
Ra
= K.U
Vào
; K =
1
40RC
(RC nối ra ngoài qua Z
1
Z
2
xuống 0V).
AD534 là một vi mạch được gia công cắt gọt bằng công nghệ laser mang tới độ chính
xác cao chỉ gặp trước đây ở các mạch lai đắt tiền hoặc ở các sản phẩm chuyên dụng. Tỷ lệ
lỗi lớn nhất khi nhân là ± 0,25% đảm bảo hoạt động của AD534 dưới ảnh hưởng tác động
của bên ngoài. Với việc hạn chế phần lớn nguồn cung cấp, hệ số nhiệt thấp và sự ổn định
trong một thời gian dài cảu các điện trở và Diod Zerner được chế tạo theo công nghệ dán
tạo khả năng làm việc lâu dài dưới các ảnh hưởng không mong muốn của môi trường. Đây
là bộ nhân đầu tiên cung cấp đầy đủ các tính năng, trở kháng cao ở tất cả các đầu vào bao

MDSSR ( nhân, chia, bình phương, khai căn)
được thực hiện một cách dễ dàng với việc loại
bỏ những hạn chế về cực tính ở các thiết kế
trước đây. Các tín hiệu tại đầu ra có thể có
được khuếch đại hoặc không khuếch đại, có thể là tín hiệu âm hoặc dương Ngoài ra nếu
cần thiết chúng ta cũng có thể tạo tín hiệu dòng điện ở đầu ra hoặc tần số nếu cần thiết.
3./ Mô tả chức năng và các chế độ làm việc cơ bản:
Hình dưới mô tả sơ đồ khối chức năng của AD534. Đầu vào được chuyển đổi thành 3 dòng
điện khác nhau bởi 3 bộ biến đổi điện áp - dòng điện giống nhau. Đầu ra của X,Y được tạo
ra bởi khối tế bào cận tuyến tính Gilbert. Trên IC được sử dụng "Buried Zer" cung cấp khả
năng cân bằng cao, nó được chế tạo bằng công nghệ Laser mang tới phạm vi của các thành
phần là 10V. Sự khác nhau giữa XY/SF và Z là khi tạo ra các hệ số khuếch đại lớn tại các
đầu ra. Khi đó nó tạo ra các dòng điện khép kín và sẽ làm giảm đột ngột sự tuyến tính tại
các đầu vào khuếch đại, làm méo các tín hiệu nguồn trong quá trình thiết kế. Hiệu ứng này
có thể được kiểm nghiệm khi ta áp dụng vào bộ nhân phạm vi giá trị lớn nhất của đầu vào
X(± 10V) với ± 0,005% FS, đây chính là điểm gây lỗi mặc dù nó đã xảy ra tại X=± 6,4V.
Sai số này chính là tham số chính để xác định độ chính xác và đặc tính của thiết bị.
Hàm tổng quát đưa ra tại đầu ra là:
( ) ( )
( )
1 2 1 2
1 2Out
X X Y Y
V a Z Z
SF
− − 
= − −
 ÷
 
Với A là hệ số khuếch đại của vòng mạch mở, thường là 70dB ở chế độ một chiều X, Y,

C
E
f
RC
=
Cách mắc cho
chế độ chia
Cách mắc cho chế độ khai căn
PHẦN BỐN:
Thiết Kế Mạch Biến Đổi Điện Ap – Tần Số Sử Dụng AD534 Đo Chỉ Thị Tần Số Ra Bằng
Phương Pháp Đếm.
Sơ đồ mạch nguyên lí như sau:
Sau khi thiết kế xong mach nguyên lí được tối ưu, đơn giản, ta tiến hành chạy mạch in trong
Proteus. Kết quả ta được mạch in như sau:
Sơ đồ mạch in
Khi chạy xong mạch in ta tiến hành lắp ráp theo mô hình mô phong 3D như sau:
class="bi x1 y1a7 w40 h44"