Bài giảng Kỹ thuật số - Bài 7: Biến đổi A/D, D/A

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật số - Bài 7: Biến đổi A/D, D/A

1. Baøi 7: BIEÁN ÑOÅI A/D, D/A ANALOG DIGITAL DIGITAL ANALOG INPUT INPUT OUTPUT OUTPUT ÑAÏI HEÄ THOÁNG LÖÔÏNG VAÄT LYÙ CAÛM BIEÁN ADC XÖÛ LYÙ SOÁ DAC (MAÙY TÍNH) ÑIEÀU KHIEÅN, ÑLVL KHAÙC
2. I. BIEÁN ÑOÅI D/A D DIGITAL C D/A CONVERTER ANALOG INPUTS B (DAC) OUTPUT A DAC 4 BIT D C B A V out Toång quaùt: 0 0 0 0 0V Analog output = K digital intput 1 1 1 1 15V K: thöøa soá (ñoä phaân giaûi)
3. TD: K = 1V Vout = (1V) digital input Do ñoù, ta coù theå tính Vout öùng vôùi digital input 11002 = 1210 Vout = 1V 12 = 12V. TD: DAC 5 bit vôùi ngoõ vaøo laø 10100, doøng ngoõ ra laø 10mA. Tính Iout khi ngoõ vaøo laø 11101. Giaûi Ta coù: 101002 = 2010 khi Iout = 10mA. K = 0,5 mA. Do ñoù: 111012 = 2910 Iout = 0,5mA 29 = 14,5mA.
4. TD: DAC 8 bit vôùi ngoõ ra laø 1.0V khi ngoõ vaøo laø 001100102. Xaùc ñònh Vout lôùn nhaát cuûa DAC. Giaûi Ta coù: 001100102 = 5010 1V = K 50 K = 20 mV. Do ñoù, ngoõ ra Vout(max) khi ngoõ vaøo laø: 1111 11112 = 25510 Vout(max) = 20mV 255 = 5,1V. Ñoä phaân giaûi K: ñoä phaân giaûi cuûa bieán ñoåi D/A laø söï thay ñoåi nhoû nhaát cuûa ngoõ ra analog khi coù söï thay ñoåi cuûa ngoõ vaøo digital.
5. Clock Ñeám Vout DAC 3V 4 bit 2V 1V 0V Ñoä phaân giaûi 1V DAC N bit seõ coù 2N möùc khaùc nhau, soá böôùc nhaûy seõ laø 2N – 1 TD: K = 0,2V. Xaùc ñònh Vout khi ngoõ vaøo laø 10001 100012 = 1710 Vout = 0,2V 17 = 3,4V.
6. II. BIEÁN ÑOÅI A/D ñaàu vaøo analog 1 + 0 Start vA Ñôn vò OPAMP ñieàu khieån - Clock So saùnh EOC (keát thuùc chuyeån ñoåi) Boä bieán Thanh ñoåi DA . . . ghi vAX Keát quaû digital
7. Boä bieán ñoåi hoaït ñoäng theo caùc böôùc: • Tín hieäu Start ñeå baét ñaàu bieán ñoåi. • Cöù moãi xung clock, ñôn vò ñieàu khieån söûa ñoåi soá nhò phaân ñaàu ra vaø ñöa vaøo löu tröõ trong thanh ghi. • Soá nhò phaân trong thanh ghi ñöôïc chuyeån ñoåi thaønh aùp analog vAX qua boä bieán ñoåi DA. • OPAMP so saùnh vAX vôùi aùp ñaàu vaøo vA. Neáu vAX < vA thì ñaàu ra ôû möùc cao, coøn ngöôïc laïi, neáu vAX vöôït qua vA moät löôïng vT (aùp ngöôõng) thì ñaàu ra ôû möùc thaáp vaø keát thuùc quaù trình bieán ñoåi. Ôû thôøi ñieåm naøy, vAX ñaõ xaáp xæ baèng vA vaø soá nhò phaân chöùa trong thanh ghi chính laø giaù trò digital xaáp xæ cuûa vA (theo moät ñoä phaân giaûi vaø chính xaùc nhaát ñònh cuûa töøng heä thoáng). • Ñôn vò ñieàu khieån kích hoaït tín hieäu EOC, baùo raèng ñaõ keát thuùc quaù trình bieán ñoåi.
8. ñaàu vaøo analog Clock v A + EOC OPAMP Start - So saùnh vA vAX Khi chuyeån Reset ñoåi hoaøn taát, counter ngöøng ñeám Boäâ bieán Counter Clock EOC ñoåi DA . . . t v C AX Start Keát quaû digital Boä bieán ñoåi A/D theo haøm doác
9. Boä bieán ñoåi AD xaáp xæ lieân tieáp Ñaây laø boä bieán ñöôïc duøng roäng raõi nhaát trong caùc boä bieán ñoåi AD. Noù coù caáu taïo phöùc taïp hôn boä bieán ñoåi AD theo haøm doác nhöng toác ñoä bieán ñoåi nhanh hôn raát nhieàu. Hôn nöõa, thôøi gian bieán ñoåi laø moät soá coá ñònh khoâng phuï thuoäc giaù trò ñieän aùp ñaàu vaøo. Sô ñoà maïch töông töï nhö boä bieán ñoåi AD theo haøm doác nhöng khoâng duøng counter cung caáp giaù trò cho boä bieán ñoåi DA maø duøng moät thanh ghi. Ñôn vò ñieàu khieån söûa ñoåi töøng bit cuûa thanh ghi naøy cho ñeán khi coù giaù trò analog xaáp xæ aùp vaøo theo moät ñoä phaân giaûi
10. Boä bieán ñoåi A/D xaáp xæ lieân tieáp ñaàu vaøo START analog v + A Clock Xoùa taát caû caùc bit OPAMP - Baét ñaàu ôû MSB So saùnh Ñôn vò ñieàu Start khieån EOC Set bit = 1 . . . Ñuùng V > V ? Clear bit = 0 Thanh ghi AX A MSB LSB Sai . . . Ñeán bit Sai thaáp keá Xong heát bit ? Ñuùng Boäâ bieán ñoåi DA Quaù trình bieán ñoåi keát thuùc vaø giaù trò bieán ñoåi naèm trong thanh ghi vAX END
11. Boä bieán ñoåi Flash AD Boä bieán ñoåi loaïi naøy coù toác ñoä nhanh nhaát vaø cuõng caàn nhieàu linh kieän caáu thaønh nhaát. Coù theå laøm moät pheùp so saùnh: flash AD 6-bit caàn 63 OPAMP, 8-bit caàn 255 OPAMP, vaø 10-bit caàn 1023 OPAMP. Vì leõ ñoù maø boä bieán ñoåi AD loaïi naøy bò giôùi haïn bôûi soá bit, thöôøng laø 2 ñeán 8-bit. Ví duï moät flash AD 3-bit : Maïch naøy coù ñoä phaân giaûi laø 1V, caàu chia ñieän aùp thieát laäp neân caùc ñieän aùp so saùnh (7 möùc töông öùng 1V, 2V, ) vôùi ñieän aùp caàn bieán ñoåi. Ñaàu ra cuûa caùc OPAMP ñöôïc noái ñeán moät priority encoder vaø ñaàu ra cuûa noù chính laø giaù trò digital xaáp xæ cuûa ñieän aùp ñaàu vaøo. Caùc boä bieán ñoåi coù nhieàu bit hôn deã daøng suy ra theo maïch naøy.
12. MSB C B A Aùp analog ñaàu vaøo
13. Boä bieán ñoåi AD theo haøm doác daïng leân xuoáng (tracking ADC) Boä bieán ñoåi loaïi naøy ñöôïc caûi tieán töø boä bieán ñoåi AD theo haøm doác. Ta thaáy raèng toác ñoä cuûa boä bieán ñoåi AD theo haøm doác khaù chaäm bôûi vì counter ñöôïc reset veà 0 moãi khi baét ñaàu quaù trình bieán ñoåi. Giaù trò VAX laø 0 luùc baét ñaàu vaø taêng daàn cho ñeán khi vöôït qua VA. Roõ raøng laø thôøi gian naøy laø hoaøn toaøn laõng phí bôûi vì ñieän aùp analog thay ñoåi moät caùch lieân tuïc, giaù trò sau naèm trong laân caän giaù trò tröôùc. Boä bieán ñoåi AD theo haøm doác daïng leân xuoáng duøng moät counter ñeám leân/xuoáng thay cho counter chæ ñeám leân ôû boä bieán ñoåi AD theo haøm doác vaø khoâng reset veà 0 khi baét ñaàu. Thay vì vaäy, noù giöõ nguyeân giaù trò cuûa laàn bieán ñoåi tröôùc vaø taêng giaûm tuøy thuoäc vaøo giaù trò ñieän aùp môùi so vôùi giaù trò ñieän aùp cuõ.