Bài giảng Kỹ thuật số - Chương 10: Kết nối với mạch tương tự - Đặng Ngọc Khoa

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật số - Chương 10: Kết nối với mạch tương tự - Đặng Ngọc Khoa

1. Chương 10 Kếtnốivớimạch tương tự Th.S Đặng NgọcKhoa Khoa Điện-ĐiệnTử 1 Kếtnốivớimạch tương tự „ Transducer: biến đổi đạilượng vật lý thành tín hiệu điện „ Analog-to-digital converter (ADC) „ Digial system: xử lý tín hiệu „ Digital-to-analog converter (DAC) „ Thựcthikếtquá 2 1
2. Biến đổiD/A „ Nhiềuphương pháp ADC sử dụng DAC „ Vref đượcsử dụng để xác định ngõ ra full- scale. „ Trong trường hợptổng quát, ngõ ra analog = K x giá trị số ngõ vào 3 Biến đổiD/A „ DAC 4 bit, ngõ ra điệnáptương tự 4 2
3. Ngõ ra tương tự „ Ngõ ra củabộ biến đổi DAC không hoàn toàn là tín hiệuanalog bởivìnóchỉ xác định ở mộtsố giá trị nhất định. „ Vớimạch trên, ngõ ra chỉ có thể có những giá trị, 0, 1, 2, , 15 volt. „ Khi số ngõ vào tăng lên thì tín hiệungõra càng giống vớitínhiệutương tự. 5 Bướcnhảy „ Bướcnhảycủabộ biến đổi D/A được định nghĩalàkhoảng thay đổinhỏ nhấtcủangõra khi có sự thay đổigiátrị ngõ vào. „ Bộ biến đổiD/A N bit: số mứcngõrakhác nhau =2^N, số bướcnhảy=2^N-1 „ Bướcnhảy= K = Vref/(2^N-1) 6 3
4. Bướcnhảy „ Bướcnhảy= 1 volt 7 Ví dụ 10-1 „ Cầnsử dụng bộ DAC bao nhiêu bit để có thể điềukhiển motor thay đổitốc độ mỗi2 vòng. 1000rpm/2rpm(per step) = 500 steps 2N -1 >500 steps.? Suy ra N = 9 8 4
5. Ngõ vào BCD „ Trọng số củanhững ngõ vào khác nhau „ Ngõ vào 2 số BCD 9 Mạch biến đổiD/A „ Tính chấtcủaOpamp Mạch đảo Mạch không đảo Vi V /V = 1+R /R Vo /Vi = - R2/R1 o i 2 1 R = R Rin = infinity in 1 10 5
6. Mạch biến đổiD/A „ Trọng số củanhững ngõ vào khác nhau Rf R1 V1 R2 V2 R3 V3 Vo = -Rf(V1/R1 + V2/R2 + V3/R3) 11 Mạch biến đổiD/A Bướcnhảy= |5V(1K/8K)| = .625V Max out = 5V(1K/8K + 1K/4K + 1K/2K + 1K/1K) = -9.375V 12 6
7. Bộ DAC 4 bit 13 DAC với ngõ ra dòng điện Biến đổidòngsang áp 14 7
8. Mạch biến đổiD/A „ Vớinhững mạch biến đổ D/A ở trên, trọng số các bit đượcxácđịnh dựavàogiátrị củacácđiệntrở. „ Trong mộtmạch phảisử dụng nhiều điện trở vớinhững giá trị khác nhau „ Bộ DAC 12 bit „ Điệntrở MSB = 1K 12 „ Điệntrở LSB = 1x2 = 2M „ Mạch sau chỉ sử dụng 2 giá trịđiệntrở 15 Mạch biến đổiD/A „ DAC R/2R 16 8
9. DAC – Thông số kỹ thuật „ Nhiềubộ DAC đượctíchhợpvàotrong những IC, mộtsố thông số tiêu biểucủanó „ Resolution: bướcnhảycủabộ DAC „ Accuracy: sai số sai số củabộ DAC „ Offset error: ngõ ra củaDAC khitấtcàngõvào bằng 0 „ Settling time: thờigianyêucầu để DAC thực hiệnbiến đổi khi ngõ vào chuyển đổitừ trạng thái all 0 đếntrạng thái all 1 17 IC DAC „ AD7524 (Figure 11-9) „ CMOS IC „ 8 bit D/A „ Sử dụng R/2R „ Max settling time: 100 ns „ Full range accuracy: +/- 0.2% F.S. 18 9
10. IC DAC •Khi ngõ vào CS và WR ở mứcthấp, OUT1 là ngõ ra analog. •Khi cả 2 ở mứccao, OUT1 đượcchốtvàgiátrị nhị phân ngõ vào không đượcbiến đổi ở ngõ ra. •OUT2 thông thường đượcnối đất 19 Ứng dụng DAC „ Control „ Sử dụng ngõ ra số của máy tính để điều chỉnh tốc độ của motor hay nhiệt độ. „ Automatic testing „ Tạotínhiệutừ máy tính để kiểmtramạch annalog „ Signal reconstruction „ Tái tạotínhiệuanalog từ tín hiệusố. Ví dụ hệ thống audio CD „ A/D conversion 20 10
11. Ví dụ 10-2 „ Sử dụng DAC để điềuchỉnh biên độ của tín hiệu analog 21 Biến đổiA/D „ ADC – miêu tả giá trị analog ngõ vào bằng giá trị số nhị phân. „ ADC phứctạpvàtốn nhiềuthờigianbiến đổi hơnDAC „ Mộtsố ADC sử dụng bộ DAC là mộtphần củanó „ Mộtopampđượcsử dụng làm bộ so sánh trong ADC 22 11
12. Biến đổiA/D „ Bộđếmnhị phân đượcsử dụng như là một thanh ghi và cho phép xung clock tăng giá trị bộ đếmchođếnkhiVAX ≥VA 23 Hoạt động củabộ ADC „ Lệng START bắt đầuquátrìnhbiến đổi „ Control unit thay đổigiátrị nhị phân trong thanh ghi „ Giá trị nhị phân trong thanh ghi đượcbiến đổi thành giá trị nhị phân VAX „ Bộ so sánh so sánh VAX vớiVA. Khi VAX VA, ngõ ra có mứcthấp, quá trình biến đổikết thúc, giá trị nhị phân nằm trong thanh ghi. „ Bộ phận điềukhiểnsẽ phát ra tín hiệuend-of- conversion signal, EOC. 24 12
13. Biến đổiA/D 25 Biến đổiA/D Dạng sóng thể hiệnquátrìnhmáy tính thiếtlậpmộtchutrìnhbiến đổi là lưugiátrị nhị phân vào bộ nhớ. 26 13
14. Sai số lượng tử „ Có thể giảmsaisố lượng tử bằng cách tăng số bit nhưng không thể loạibỏ hoàn toàn 27 Khôi phụctínhiệu „ Sau khi kết thúc một quá trình ADC ta sẽ có giá trị nhị phân củamộtmẫu. „ Quá trì khôi phụctínhiệu analog như sau 28 14
15. Khôi phụctínhiệu „ Aliasing „ Nguyên nhân là do tầnsố lấymẫukhôngđúng „ GiớihạnNyquist „ Tầnsố lấymẫuphảiítnhấtlớnhơn2 lầntầnsố cao nhấtcủatínhiệu ngõ vào. „ Lấymẫu ở tầnsố nhỏ hơn2 lầntầnsố ngõ vào sẽ tạonênkếtquả sai khi khôi phụctínhiệu. 29 Quá trình lấymẫukhôngđúng 30 15
16. ADC xấpxỉ liên tục (SDC) „ Sử dụng rộng rãi hơnADC „ Phứctạphơnnhưng có thờigianbiết đổi ngắnhơn „ Thờigianbiến đổicốđịnh, không phụ thuộcvàogiátrị analog ngõ vào „ NhiềuSAC đượctíchhợp trong những IC 31 Successive-approximation ADC 32 16
17. Successive-approximation ADC „ SAC 4 bit sử dụng DAC có bướcnhảy1 V 33 ADC0804 – SAC 8 bit 34 17
18. ADC0804 – SAC 8 bit „ Có hai ngõ vào analog cho phép hai ngõ vào vi sai. „ Ngưỡng xác định tại ±1/2LSB. Ví dụ, bướcnhảylà 10mV, bit LSB sẽởtrạng thái 1 tại5mV. „ IC có thanh ghi xung clock bên trong tạoratầnsố f = 1/(1.1RC). Hoặccóthể sử dụng xung clock bên ngoài. „ Nếusử xung clock có tầnsố 606kHz, thờigianbiến đổixấpxỉ 100us. „ Sử dụng nối đầtriêngbởivìđấtcủathiếtbị số tồn tạinhiễu do quá trình thay đổidòngđộtngộtkhi thay đổitrạng thái. 35 Ứng dụng của IC ADC0804 36 18
19. Flash ADC „ Tốc độ biến đổicao „ Mạch phứctạphơn nhiều „ Flash ADC 6 bit yêu cầu 63 bộ so sánh tương tự „ Flash ADC 8 bit yêu cầu 255 bộ so sánh tương tự „ Flash ADC 10 bit yêu cầu 1023 bộ so sánh tương tự „ Thờigianbiến đổi–khôngsử dụng xung clock do vậyquátrìnhbiến đổilàliêntục. Thờigian biến đổirấtngắnchỉ khoảng 17 ns. „ Bộ biến đổiflash 3 bit đượcmiêutả như hình sau 37 Flash ADC 3 bit 38 19
20. Mạch lấymẫuvàgiữ 39 Câu hỏi? 40 20