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 tơng 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

1


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

2


Phần 1
Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng dụng
trong đo lờng và điều khiển bằng máy tính

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 số liên tục. Để có đợc điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại
những khoảng thời gian nh nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành
số. Nh vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là:
- lấy mẫu
- nhớ mẫu
- lợng tử hoá
- mã hoá
1.1. Lấy mẫu tín hiệu (Singnal sample)

U,i

0
U,i

t

0
t
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 ( to , to + T ) hoàn toàn có thể khôi phục từ các mẫu rời rạc của nó
x(k. t ) theo công thức:
n 1
sin (t kt )
X (t) = .x(k. t ). (t kt ) (3).
c
Với c : tần số cao nhất trong phổ x(t)


1
t : bớc rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu: t = = 2 f (4).
c
c

(tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x(t) )

Nh vậy số mẫu cần lấy là: =
(5).
t

Giá trị sau khi quy tròn

11.7
10.3
13.8
18.2
22.6
24.9
14.1

12
10
14
18
23
25
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:
103 < số thập phân < 104
Tơng tự với số nhị phân:
2n1 < max | x(k ) |< 2n (6).
Nh vậy, số bit cần thiết để thoã mã hoá là n bit.
Chẳng hạn: 2n < max | x(k ) |= 25 < 25 Số bit trong mỗi từ mã là 5 bit.

(mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số. Gỉa sử gọi tín hiệu tơng tự là S A (U A )
, tín hiệu số là S D (U D ) , S D đợc biểu diễn dới dạng mã nhị phân nh sau:
n1
n2
0
S D = bn 1 .2
+ bn 2 2
+ ... + b 0 .2 (8).
Trong đó, các hệ số bk =0 hoặc bằng 1 (với k=0 đến k=n-1) và đợc gọi là
bit (binary digit). Trong đó, bit có trọng lợng lớn nhất ở bên trái và bit có
trọng lợng nhỏ nhất ở bên phải.ở đây b0 là bit có trọng lợng nhỏ nhất.
Nh vậy, với một mạch biến đổi có N bit nghĩa là có N số hạng trong dãy mã
nhị phân thì mỗi nấc trên hình chiếm một giá trị:
x = U LSB =

U Am
N
2 1

(9).

Trong đó:
- U Am là giá trị cực đại cho phép của diện áp tơng tự đầu vào ADC

6


- x là mức điện tử
2.các tham số cơ bản đặc trng cho chuyển đổi tơng tự số
+ Dải biến đổi của điện áp tơng tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà bộ

đờng 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 số khuyếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn điệu. Trong đó, sai số
khuyếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đờng đặc tuyến thực với
độ dốc trung bình của đờng đặc tuyến lý tởng. Sai số phi tuyến đợc đặc trng
bởi sự thay đổi đọ dốc đờng trung bình của đạc tuyến thực trong dải biến

7


đổi của điện áp vào. Sai số này làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình
bậc thang không đều. Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi
tuyến của đờng đặc tính biến đổi gây ra.
3.Cấu tạo, sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của ADC
(ADC Composition, Diagram and Working Principle)
3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition)
UA

Mạch lấy
Mẫu

ADC

UMA
U
Lượng
tử hoá

Mã hoá


c. Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực hiện
lần lợt từng bớc theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuản dùng để so
sánh lấy các giá trị giảm dần, do đó các bit đợc xác định lần lợt từng bit có
nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất.
d. Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phơng pháp này mỗi bớc so
sánhcó thể đợc xác định đợc tối thiểu là 2 bit đồng thời.
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
điểm khác nhau, chính vì vậy việc nghin cứu nguyên lý hoạt động , tính
năng kỹ thuạt của từng phơng pháp cũng nh từng mạch cụ thể là nhiệm vụ
của ngời thiết kế. Sau đây ta tìm hiểu từng phơng pháp chuyển đổi:
4.1. Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp tích phân một sờn dốc (the
Ramp type ADC).
4.1.1. Sơ đồ khối :
U0 + Ux

Bộ tạo cửa
thời gian

Bộ so sánh
2

Bộ
đếm
xung



USS1

t

USS2

Uxung

t

∆T

cöa

Uxung

t

chuÈn

Uxung

t

®iÓm

t

H×nh 5 : Gi¶n ®å thêi gian


Ta có: U x =T.tg =T.
(10)
dt
n

Với: T = t2 t1 = n.Tch = f (11)
ch
u

du

Suy ra: U x = f . dt (12).
ch

f
du
U x = n.10 i
= const f ch =
f
dt
Giả sử i = 0 U x = n.

Vì

4.1.3 Sai số chuyển đổi và cách khắc phục.
Để thực hiện đo lờng và chuyển đổi bằng máy tính thông qua card ghép
nối chuyển đổi tơng tự-số ADC ngoài việc phải hiểu nguyên lý hoạt động
của nó, ta còn phải biết tính năng đo lờng cũng nh độ chính xác của từng bộ
chuyển đổi.

(The dual-slope integerating type A/D converter)
4.2.1. Sơ đồ khối cấu tạo.
c
R

Uc

Uch

Ua

Mạch tích
phân A1

Bộ so sánh A2
Mạch ADN

Mạch
Logic

Bộ
đệ
m

U0

Đếm Z0
Tạo
xung
nhịp

12

t


Mạch logic điều khiển, điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì điện áp tơng
tự cần chuyển đổi U A nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R tại thời điểm
t1 . Khi đó ở đầu ra của mạch tích phân A1 Có điện áp đợc tính theo công
thức sau:
U c (t1 ) =

1
1
U A dt =
U A t1 (13).

RC
RC

C
R

U

U

c

chuẩn