Hà Ngọc Thắng

Chơng 4
Thiết kế card ghép nối A/D - D/A4.1 Khái niệm chung

Ngày nay việc gia công, truyền đạt tín hiệu cũng nh quá trình điều khiển và chỉ thị phần
lớn đợc thực hiện theo phơng pháp số. Trong khi đó tín hiệu trong tự nhiên lại biến đổi
liên tục theo thời gian, nghĩa là có dạng tơng tự. Để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tơng
tự và các hệ thống xử lý số, ngời ta dùng các mạch chuyển đổi tơng tự - số (ADC -
Analog Digital Converter) nhằm biến đổi tín hiệu tơng tự sang số hoặc dùng các mạch
chuyển đổi số - tơng tự (DAC - Digital Analog Converter) trong trờng hợp cần biến đổi
tín hiệu số sang tơng tự.

4.2 Chuyển đổi tơng tự - số (ADC Analog Digital Converter)
4.2.1
Nguyên tắc làm việc của ADC

Nguyên lý làm việc của ADC đợc minh hoạ trên sơ đồ khối.
Hình 5.1: Sơ đồ khối nguyên tắc làm việc của ADC

Tín hiệu tơng tự U
A
đợc đa đến mạch lấy mẫu, mạch này có hai nhiệm vụ:
Lấy mẫu những tín hiệu tơng tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều. Thực

của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra ( số bits trong từ mã nhị phân)
tơng ứng với giải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi.
Ví dụ một ADC có số bits ở đầu ra là n = 8 thì sẽ phân biệt đợc 2
8
mức trong dải biến
đổi điện áp vào của nó. Nh vậy trong thực tế dùng số bits để đánh giá độ chính xác của
một ADC khi giải biến đổi điện áp vào là không đổi.
Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số khác nh: méo phi tuyến,
sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số lợng tử hoá.
- Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, đợc gọi là tần số
chuyển đổi f
c
. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi T
c
để đặc trng cho tốc độ
chuyển đổi. Với một ADC thờng thì f
c
< 1/T
c
vì giữa các lần chuyển đổi phải có một
thời gian cần thiết để ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu. Một ADC có tốc độ chuyển
đổi cao thì độ chính xác giảm và ngợc lại.

Hà Ngọc Thắng
-
4.2.3 Các phơng pháp chuyển đổi tơng tự - số
Có nhiều cách phân loại ADC, nhng hay dùng hơn cả là phân loại theo quá trình chuyển

phơng pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi cao nhng số bit nhỏ.
n
2
Hà Ngọc Thắng
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi A/D theo phơng pháp song song.

4.2.3.2 Chuyển đổi A/D theo phơng pháp bù

Hình 5.3: Mạch nguyên lý A/D theo nguyên tắc bù

Tại thời điểm ban đầu bộ đếm đợc đặt ở trạng thái không bởi xung Cl, nh vậy đầu ra
của nó cũng có tín hiệu không. Mạch so sánh thiết lập giá trị một tín hiệu nhịp H qua cổng
AND đợc đa vào mạch đếm. Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ Q
0
Q
m-1
đồng thời


U
U
m
Amax
A

=

Điện áp U
A
đợc diễn tả bằng phơng trình.

N.
12
U
U
m
Amax
A

=

Trong đó N là tổng số bớc của bộ đếm và dung lợng của nó đầy sau khi kết thúc qúa
trình đếm.
Thời gian biến đổi

n
A
f
N



=


=







Nếu tốc độ biến đổi điện áp U
A
lớn hơn tốc độ cực đại thì phát sinh sai số động của bộ
biến đổi. Sai số tĩnh của bộ biến đổi là sai số lợng tử U. Để giảm thời gian biến đổi, ở
bộ đếm nhị phân ta sử dụng mạch điều khiển chơng trình.
4.2.3.3 Bộ biến đổi A/D theo nguyên tắc servo
Bộ biến đổi này có ba phần tử cơ bản: mạch so sánh, mạch đếm hai chiều và bộ biến đổi
D/A.

Hà Ngọc Thắng
Hình 5.4: Mạch biến đổi A/D theo nguyên tắc servo.
Tín hiệu điện áp vào U
A
so sánh với điện áp ra D/A. Nếu U
Hà Ngọc Thắng
Hình 5.6: Tín hiệu ra bộ ADC theo thời gian.

Tín hiệu này đợc đa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tơng tự U
A

biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của U
m
. Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai
trò là bộ nội suy.

4.3.2 Các đặc tính quan trọng của DAC
- Độ phân giải: liên quan đến số bit của một DAC. Nếu số bit là m thì số trạng thái tín
hiệu của số nhị phân đa vào là 2
n
và tín hiệu ra sẽ có 2
n
mức khác nhau, do đó độ phân
giải là 1/ 2
n
. Độ phân giải càng bé thì tín hiệu đầu ra có dạng liên tục gần với thực tế.
- Độ tuyến tính: Trong một DAC lý tởng sự tăng tín hiệu số ở đầu vào sẽ tỷ lệ với sự tăng
tín hiệu số ở đầu ra.
- Độ chính xác của một DAC cho biết sự khác biệt giữa trị số thực tế của U
A

I =
( i = 0..n-1).
Cờng độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên độ điện
áp U
ra
phụ thuộc vào chỗ khoá nào đợc nối với U
ch
tức là phụ thuộc vào giá trị của bit
tơng ứng trong tín hiệu số đa vào mạch chuyển đổi.
Mạch có u điểm là đơn giản, nhng nhợc điểm là độ chính xác và tính ổn định của
kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số của các điện trở và khả năng biến thiên nh nhau theo
môi trờng của các điện trở này. Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ chính xác nh vậy
thờng khó khăn và tốn kém. Ngoài ra U
ra
còn phụ thuộc vào cả độ chính xác và tính ổn
định của nguồn điện áp chuẩn.