[email protected] 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
chất đây là quá trình rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian.
Giữ cho biên độ tín hiệu tại các thời điểm lấy mẫu không thay đổi trong quá trình
chuyển đổi tiếp theo ( quá trình lợng tử hoá và mã hoá). Quá trình lợng tử hoá
[email protected]

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.
[email protected] 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
đổi về mặt thời gian. Trong đồ án này chỉ giới thiệu một số phơng pháp điển hình.

4.2.3.1 Chuyển đổi A/D theo phơng pháp song song
Nguyên tắc hoạt động.
Tín hiệu tơng tự U
A
[email protected] 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
[email protected] Hà Ngọc Thắng
qua bộ biến đổi D/A sẽ có điện áp U
0
cho đến khi U
0
U
A
thì bộ so sánh lật giá trị, đầu ra

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
T =

Trong đó f
n
là tần số xung nhịp.
Thời gian biến đổi phụ thuộc độ lớn điên áp. Tốc độ thay đổi điện áp có thể đạt giá trị
cực đại.







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.
[email protected] 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
A
> U
0
thì bộ biến đếm đếm
theo chiều tiến. Nếu U
A
< U
0
thì bộ đếm đếm theo chiều lùi cho đến khi U


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
và trị số lý
thuyết cho bởi một giá trị bất kỳ của tín hiệu số ở đầu vào. Sự sai khác này càng nhỏ thì
độ chính xác càng cao.
- Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu số ở đầu vào của một DAC thay đổi, tín hiệu ở đầu ra
không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nào đó gọi là thời
gian thiết lập. Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một DAC.

4.3.3 Một số mạch DAC điển hình
4.3.3.1 Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lợng


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.

[email protected] Hà Ngọc Thắng
4.3.3.2 Bộ biển đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R
Hình 5.8: Sơ đồ biến đổi D/A dùng mạng điện trở R và 2R

DAC với thang điện trở R - 2R khắc phục đợc một số nhợc điểm của DAC mạng điện
trở trọng lợng. Mạch chỉ gồm hai loại điện trở R và 2R với nhiều chuyển mạch ( mỗi
chuyển mạch cho 1 bit) và một nguồn điện áp chuẩn U
ch
. Đại lợng cần tìm là I
th
vào mạch
khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với U
ch
.
Lúc đó ta có:
fthra
R.IU
=
.
Xét tại chuyển mạch tơng ứng với bit thứ i, nút tơng ứng trên mạch là nút 2
i

ch
/(2k.2R). Tại nút 2
n-1
do đặc tính của khuếch đại thuật toán
mà điện thế tại đây đợc coi là 0V.
Tóm lại, một cách tổng quát ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit (từ B
0

ữ B
n-1
) với mạng điện trở R - 2R.

()
0
0
2n
2n
in
1n
n
f
chra
B2 B2B2
R2
R
UU +++=





IC chức năng khác để lắp ráp thành mạch nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đề ra.
Để làm căn cứ cho việc lựa chọn ADC và DAC thì cần phải đặc biệt quan tâm đến độ
chính xác của nó. Tham số đặc trng cho độ chính xác của ADC, DAC là độ phân giải có
liên quan chặt chẽ đến số bit của nó.
[email protected] Hà Ngọc Thắng
Đồ án này là điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng vi xử lý nên ta chọn ADC 0809
và DAC 0808 là các IC chuyển đổi A/D và D/A 8 bits tơng thích với các họ vi xử lý thông
dụng trên thị trờng. Để đạt đợc độ chính xác cao hơn ta phải chọn các ADC, DAC có độ
phân giải cao hơn.

4.4.2 Bản đồ địa chỉ vào ra trong IBM và PC tơng thích
Trớc khi một Card mở rộng đợc cài đặt trong rãnh cắm của một máy tính PC thì địa chỉ
cổng vào/ra cần phải đợc lựa chọn. Việc lựa chọn địa chỉ cơ bản này rất quan trọng bởi vì
mỗi Card mở rộng đợc cắm vào bản mạch chính của máy tính đều phải có một địa chỉ vào
ra duy nhất. Thông thờng bus PC dự tính một vùng 1024 địa chỉ vào ra. Việc định từng
vùng địa chỉ cho máy tính đã đợc IBM chuẩn hoá, ứng với mỗi vùng địa chỉ có chức năng
riêng mà các thiết bị ngoại vi khác không đợc xâm phạm đến. Vì vậy vùng vào ra của một
Card mở rộng không đợc phép bao trùm lên vùng địa chỉ vào ra của máy tính.
Bản đồ địa chỉ sau đây sẽ chỉ ra từng vùng địa chỉ riêng biệt phục vụ cho các mục đích
khác nhau. Điạ chỉ vào/ra (Hex) Chức năng
000 - 00F Bộ điều khiển DMA 1(8232).
020 021 Bộ điều khiển ngắt (8259).
040 043 Bộ phát thời gian (8254).
060 063 Bộ kiểm tra bàn phím (8242).

Với việc thiết kế Card cắm trên Slot của máy tính ta cần quan tâm đến các tín hiệu trên
Slot của máy tính.
Trong bộ vi xử lý ta cần quan tâm đến 3 phần chính sau đây:
CPU: là bộ vi xử lý trung tâm, tại đây diễn ra các lệnh điều khiển, xử lý và thu
thập các thông tin.
Bộ nhớ thờng: Dùng để chứa chơng trình và số liệu (code, stack, data) của
chơng trình hạt nhân và stack. Có khả năng liên hệ trực tiếp với CPU thông qua
Data bus và Address bus.
Các thiết bị ngoại vi ghép nối với máy tính: Các thiết bị ngoại vi đợc liên hệ với
CPU qua các cổng.
[email protected] Hà Ngọc Thắng
Sự phân chia này giúp cho ngời sử dụng có thể mở rộng khả năng của máy tính trong
việc bổ sung hay loại bỏ một số các chức năng tuỳ theo yêu cầu của mình. Sơ đồ chân của Slot 8 bits trên máy tính

Hình 5.10: Sơ đồ Slot máy tính
Sau đây là bảng mô tả chức năng các chân của rãnh cắm ISA ( các chân liên quan đến
việc thiết kế Card mở rộng A/D - D/A).
Tín hiệu Tên Mô tả
0 A19 Bus địa chỉ (vào / ra). 20 bits thấp hơn của bus địa chỉ hệ thống
AEN Cho phép địa chỉ
(Address enable - lối
ra).

Chân Address enable cho phép dùng một card 4.4.3 Giới thiệu một số linh kiện sử dụng trong Card
4.4.3.1 IC chuyển đổi ADC 0809
[email protected] Hà Ngọc Thắng
Hình 5.11: Sơ đồ ADC 0809
ADC 0809 là bộ biến đổi A/D 8 bits chế tạo theo công nghệ CMOS, biến đổi theo nguyên
tắc xấp xỉ liên tiếp. Bộ dồn 8 kênh có thể tiếp cận trực tiếp đến các tín hiệu tơng tự ở đầu
vào.
Vi mạch gồm 28 chân, trong đó có 8 chân vào cho tín hiệu tơng tự từ IN0 đến IN7. 8
chân ra cho tín hiệu số từ D0 đến D7, 3 chân A
0
,

A
1
,

A
2
cho phép giải mã chọn một trong 8
kênh đầu vào tơng tự. Chân CLOCK có tác dụng đa xung nhịp cho quá trình lấy mẫu.
Chân START cho biết bắt đầu giải mã khi trình biến đổi. Chân ENABLE ở mức logic cao
cho phép đa số liệu ra từ D0 đến D7.
Các thông số của vi mạch.

A
2
A
1
A
0
Kênh vào
0 0 0 IN0
0 0 1 IN1
0 1 0 IN2
0 1 1 IN3
1 0 0 IN4
1 0 1 IN5
1 1 0 IN6
1 1 1 IN7

4.4.3.2 Vi mạch chuyển đổi số - tơng tự DAC 0808

Hình 5.12: Sơ đồ DAC 0808

DAC 0808 là bộ biến đổi số - tơng tự 8 bits với thời gian đa dòng ra lớn nhất là 150 ns
trong khi chỉ tiêu thụ 33mW với nguồn

5V.
Các thông số của vi mạch:
[email protected] Hà Ngọc Thắng
- Độ chính xác 0,19%.

Khi 74LS138 hoạt động các đầu vào địa chỉ A, B, C chọn đầu ra nào thì đầu ra đó trở
thành mức thấp. Bảng chân lý của vi mạch giải mã 74LS138.
Đầu vào cho phép Đầu vào địa chỉ Đầu ra giải m
[email protected] Hà Ngọc Thắng
E
1
E
2
E
3
C B A Y
1
Y
2
Y
3
Y
4
Y
5
Y
6
Y
7

lớn, trở kháng tơng đổi thấp. Trạng thái thứ 3 cao trở và tăng mức logic cao khiến cho vi
mạch này có thể đợc nối thẳng tới các đờng bus. 8 chốt của 74LS373 là trong suốt, nghĩa
là khi chân kích hoạt cao thì các đầu ra Q sẽ đúng bằng đầu vào dữ liệu, khi chân kích hoạt
xuống thấp thì chúng đợc chốt ở mức dữ liệu đã đặt.

4.5 Cấu tạo Card
4.5.1 Bộ tạo xung nhịp

Để cho card có thể hoạt động đợc thì phải có tín hiệu clock với tần số cỡ 40kHz ữ 12
MHz. Có 2 cách để phát tín hiệu Clock.
- Lấy từ nguồn xung nhịp của máy tính.
- Tạo mạch cung cấp xung nhịp riêng.
[email protected] Hà Ngọc Thắng
Theo cách thứ nhất thì có u điểm là không phải tạo ra một bộ xung phát riêng nhng
nhợc điểm lớn nhất của phơng pháp này là Card khó có thể hoạt động tốt trên những máy
tính khác nhau vì mỗi máy tính có tần số xung nhịp khác nhau. Do đó để Card tơng thích
với mọi máy tính ta chọn phơng án 2. Sơ đồ mạch nguyên lý tạo xung nhịp nh sau:

Hình 5.16: Sơ đồ mạch tao xung nhịp

4.5.2 Bộ tạo điện áp chuẩn
Hình 5.17: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo điện áp chuẩn

Ta có thể lấy điện áp chuẩn từ Slot của máy tính, tuy nhiên điện áp này có sai số khá lớn
( khoảng 5 %) trong khi ADC và DAC có độ chính xác tới

1/2 bits. Nh vậy nếu lấy thẳng

Khi thu thập tín hiệu máy tính đa tín hiệu chọn kênh qua 8 đờng dữ liệu từ (D0 ữ D7).
Sau đó máy tính đa địa chỉ của 74LS373 (1) qua 20 đờng địa chỉ trên Slot. Vi mạch giải
mã địa chỉ 74LS138 phát tín hiệu để 74LS373(1) làm việc chuyển số thứ tự của kênh tín
hiệu đo vào 3 bits địa chỉ chọn kênh của ADC , địa chỉ này đợc chốt trong 74LS373(1).
Tiếp đó máy ra lệnh bắt đầu biến đổi ADC bằng tín hiệu đa vào chân START của ADC
0809 sau đó một khoảng thời gian chờ cho ADC biến đổi xong máy đa lệnh cho ADC xuất
dữ liệu vào máy tính. Khi xuất dữ liệu ra, dữ liệu từ máy tính qua bus dữ liệu ( D0 ữ D7)
[email protected] Hà Ngọc Thắng
đa ra các cổng của DAC qua các bộ chốt 74LS373(2) và 74LS373(3). Lúc đó tuỳ theo địa
chỉ máy tính đa ra mà dữ liệu đợc chuyển qua ADC tơng ứng.