Bµi 15: Bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè
(Analog to Digital Converter)
A. PhÇn tãm t¾t lý thuyÕt
1. Bé biÕn ®æi t−¬ng tù/sè (ADC).
H×nh vÏ sau m« t¶ chøc n¨ng cña ADC 4 bit.
B¶ng ch©n lý cña bé ADC nµy cã thÓ lÊy toµn bé sè liÖu trong b¶ng ch©n lý bé
DAC bµi tr−íc. M¹ch ®iÖn bè trÝ bªn trong cña bé ADC kh¸ phøc t¹p. D−íi ®©y
chØ lµ mét vÝ dô s¬ ®å logic cña bé ADC nµy bao gåm mét DAC, mét m¹ch ®Õm
modun 16, mét cöa vµ, mét m¹ch so s¸nh ®iÖn ¸p.
M¹ch so s¸nh thùc hiÖn viÖc so s¸nh ®iÖn ¸p ë ®Çu vµo A vµ ®iÖn ¸p ë ®Çu vµo
B. NÕu ®iÖn ¸p lèi vµo A lín h¬n ®iÖn ¸p lèi vµo B (A > B) th× møc logic ®Çu ra X
cña Comparator lµ cao (A > B, X = 1). Ng−îc l¹i th× møc logic ®Çu ra thÊp (A < B,
X = 0).
196
§−êng
§Çu vµo
t−¬ng tù
§Çu ra
nhÞ ph©n
Vra(v)
D C B A
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
3,6
4,0
4,4
4,8
5,2
5,6
6,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0 0
0 0
0 1
0 1
1 0
1 0
1 1
1 1
0 0
0 0
0 1
0 1
1 0
1 0
1 1
1 1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
Gi¶ sö ®iÖn ¸p Vvµo bé ADC lµ 1,5V vµ m¹ch ®Õm ®· ®−îc xo¸ tr−íc khi ho¹t
®éng. Tr¶i qua 5 chu tr×nh, bé ADC biÕn ®æi ®iÖn ¸p t−¬ng tù ®Çu vµo 1,5V thµnh
®Çu ra nhÞ ph©n 0100 theo ®óng b¶ng ch©n lý. Qu¸ tr×nh diÔn ra nh− sau:
Chu
Tr×nh
M¹ch so s¸nh
Cöa vµ
Sè TT
A
CK
X
CP QD QC QB QA
D
C
B
A
Vra
1
2
3
4
5
1,5v
1,5v
1,5v
1,5v
1,5v
CK
CK
CK
CK
CK
1
1
1
1
1
CP 0 0 0 1
CP 0 0 1 0
CP 0 0 1 1
CP 0 1 0 0
0 0 1 0 0
Kh«ng cã xung nhÞp
0
0
0
0
0
0 0
0 1
0 1
1 0
1 0
(dõng)
1
0
1
0
0
0,4
0,8
1,2
1,6
1,6
(dõng)
B
0
0,4
0,8
1,2
1,6
X
1
1
1
1
0
M¹ch ®Õm
ChØ thÞ LED
DAC
ViÖc ph©n tÝch nh− trªn ®Ó dÔ hiÓu vÒ sù ho¹t ®éng cña mét bé ADC. Qu¸
tr×nh x¶y ra rÊt nhanh tuú theo tÇn sè cña xung nhÞp CK. TÇn sè nµy cã thÓ trªn
1 MHz. Cã nhiÒu kiÓu ADC ®· ®−îc sö dông. KiÓu nãi trªn lµ “kiÓu ®Õm bËc
thang”. Cã lo¹i ADC trong ®ã kh«ng dïng m¹ch ®Õm mµ dïng m¹ch ph¸t bËc
thang. Lo¹i nµy gäi lµ kiÓu “bËc thang”. Lo¹i cã tèc ®é biÕn ®æi rÊt nhanh gäi lµ
“kiÓu gÇn ®óng liªn tiÕp” lo¹i nµy cã cÊu tróc bªn trong phøc t¹p h¬n.
197
2. Th«ng sè ®Æc tr−ng.
H×nh vÏ sau gióp ta hiÓu râ ý nghÜa cña mét sè th«ng sè.
§iÖn ¸p (hay dßng) biÕn ®æi theo bËc (step) , mçi bËc t−¬ng øng víi mét l−îng
t¨ng ®iÖn ¸p gäi lµ l−îng t¨ng 1LSB. Danh tõ nµy b¾t nguån tõ chç ®iÖn ¸p thay
®æi ngay tõ bit cã ý nghÜa nhá nhÊt. ChÊt l−îng cña mét bé biÕn ®æi ®−îc ®¸nh gi¸
b»ng ®é ph©n gi¶i. §é ph©n gi¶i tÝnh b»ng tû sè l−îng t¨ng 1 LSB víi gi¸ trÞ cùc
®¹i cña ®¹i l−îng t−¬ng tù. VÝ dô trong bé DAC 4 bit mµ ta ®−a ra vÝ dô ë trªn ®é
ph©n gi¶i b»ng :
0,4
6,0
=
1
15
C«ng thøc tæng qu¸t nh− sau:
§é ph©n gi¶i =
1
; n lµ sè bit
2 −1
n
Sè bit cµng lín vµ do ®ã ®é ph©n gi¶i cµng nhá th× chÊt l−îng cµng cao. §é
ph©n gi¶i cña bé biÕn ®æi 6 bit lµ
1
1
1
, 8 bit lµ
, 10 bit lµ
vµ 12 bit lµ
63
255
1.023
1
...
4.095
Sù thay ®æi nhÞp nhµng (hay ®¬n ®iÖu) cña mét bé biÕn ®æi lµ rÊt cÇn thiÕt,
nhÊt lµ bé DAC (h×nh a phÇn trªn). H×nh b lµ kh«ng nhÞp nhµng bëi v× cã ®o¹n mµ
®iÖn ¸p kh«ng t¨ng ®óng 1 LSB khi sè nhÞ ph©n thay ®æi. So víi ®−êng chuÈn
(chÊm chÊm), sai sè gÆp ph¶i lµ +
phÐp lµ ph¶i nhá h¬n ±
1
1
LSB vµ tiÕp theo ®ã lµ − LSB. Sai sè cho
2
2
1
LSB cho toµn thang ®o.
2
198
Thêi gian thiÕt lËp tS cña DAC lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®iÖn ¸p ®Çu ra ®¹t
®−îc gi¸ trÞ æn ®Þnh trong ph¹m vi sai sè ±
1
LSB (tS = ns ÷ µ s).
2
Cã rÊt nhiÒu lo¹i DAC vµ ADC víi ph¹m vi øng dông kh¸c nhau. Do vËy, khi
dïng DAC hoÆc ADC ta ph¶i biÕt ®Çy ®ñ c¸c ®Æc tr−ng vµ kh¶ n¨ng øng dông cña
chóng.
199
B. PhÇn thùc nghiÖm
1. Nghiªn cøu bé biÕn ®æi t−¬ng tù - sè (ADC) theo kiÓu ®Õm bËc thang
Ngµy nay ng−êi ta ®· s¶n xuÊt nhiÒu bé ADC d−íi d¹ng chÝp hoµn chØnh.
Tuy nhiªn s¬ ®å nguyªn lý cña m¹ch ®iÖn tö bªn trong chÝp vÉn theo
nguyªn t¾c chung nh− ta tr×nh bµy trong lý thuyÕt. Bé ADC nµo còng cã
m¹ch so s¸nh vµ bé DAC. Sù kh¸c nhau ë chç ng−êi ta sö dông lo¹i m¹ch
nµo n»m gi÷a Comparator vµ DAC ®Ó t¹o tÝn hiÖu bËc thang. NÕu dïng
m¹ch ®Õm nh− ta nãi ë trªn th× ®ã lµ Counter – Ramp ADC. NÕu lµ m¹ch
ph¸t bËc thang (Ram Generator) ®ã lµ Ramp ADC, nÕu lµ m¹ch ghi gÇn
®óng liªn tiÕp (Successive aproximation Register = Sar) ®ã lµ SAR ADC.
Sau ®©y ta sÏ nghiªn cøu bé biÕn ®æi ADC kiÓu bËc thang cã s¬ ®å khèi
nh− sau:
CLR
CLOCK
Generator
1Hz
Binary
CK
74LS161
8
Output
(leddisplaY)
Counter
8
Vi
Hex –
DAC – 03
(D/A Converterr)
V0
S¬ ®å thÝ nghiÖm:
200
8
7 seg
display
CLR
5V
5V
74LS161A
0/5V
CEP
CET
CP
PE
MR
D3
D2
D1
D0
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
1 Hz
74LS161A
CEP
CET
CP
PE
MR
D3
D2
D1
D0
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
1
3
2
1
0
5V
7
Q6
5
Q5
4
Q4
3
Q3
2
Q2
1
Q1
0
Q0
5V
Data in
Vi
Bé so s¸nh
2.5V
___
V+
OUT
IN+
OUT
INGND
V- LATCH
DAC8
Vout
5V
Vo
Vref+
Vref-
2.500 V
DC V
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
7
6
5
4
Q7
6
7
6
5
4
3
2
1
0
C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm:
B−íc1:
Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông:
01 DAC 8 bÝt [Data Converters/D-A/DAC8]
01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch]
(s)
01 V«n kÕ [Analog/Intruments/Multimeter]
01 Bé so s¸nh [Comparaters/Comparators/AD 8561]
08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display]
01 M¸y ph¸t chøc n¨ng [Analog/Instruments/Signal Gen]
02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161]
Chó ý:
[]
§−êng dÉn ®Ó lÊy linh kiÖn trong th− viÖn
()
Ký hiÖu phÝm t¾t
B−íc 2:
-
Chän chÕ ®é m« pháng analog: Simulation -> Analog Mode
-
§Æt Multimeter ho¹t ®éng ë chÕ ®é ®o: DC Voltage
-
§Æt chÕ ®é m¸y ph¸t:
201
(9)
KÝch ®óp chuét vµo biÓu t−îng m¸y ph¸t. Chän d¹ng sãng ph¸t lµ “Sin
Wawe Data”. Sau ®ã ®Æt c¸c gi¸ trÞ theo b¶ng sau:
B−íc 3:
- TiÕn hµnh thÝ nghiÖm vµ ®iÒn ®Çy ®ñ vµo b¶ng sè liÖu sau:
Vi (V)
CLR
x
0
0,96
1
1,80
1
2,50
1
3,20
1
5,00
1
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
0 0
VO
0 0 0 0 0 0
0
- Thay ®æi tÇn sè xung nhÞp CK, tiÕn hµnh l¹i thÝ nghiÖm vµ so s¸nh víi kÕt
qu¶ trªn (chó ý tiÕn hµnh thÝ nghiÖm víi c¸c Vi nh− trªn):
2. Nghiªn cøu bé biÕn ®æi t−¬ng tù - sè (ADC) theo kiÓu gÇn ®óng liªn
tiÕp (Suceesive – Approximation – Type ADC)
ë ®©y cã sö dông “m¹ch ghi gÇn ®óng liªn tiÕp” (SAR) ®Æt xen gi÷a m¹ch
so s¸nh vµ DAC. ¦u viÖt cña ADC theo kiÓu nµy lµ tèc ®é nhanh. NÕu dïng
ADC 8 bit th× chØ cÇn 8 xung nhÞp lµ ®ñ ®Ó ®iÖn ¸p ra V0 cña DAC tiÕn tíi
l©n cËn gi¸ trÞ ®iÖn ¸p vµo Vi.
S¬ ®å khèi ®−îc bè trÝ nh− sau:
202
START
CK
EOC
74LS502`
SAR
8
Vi
DAC - 03
(D/A Converter)
Binary
output
8
8
(lED dispay)
V0
S¬ ®å thÝ nghiÖm:
0V
Start
1
0/5V
74LS502
1 Hz
CK
Start
Qd
5V
D
Data in
Vi
Bé so s¸nh
2.5V
___
V+
OUT
IN+
OUT
INGND
V- LATCH
DAC8
Vout
5V
Vo
Q7
Q6
Q5
Q4
Q3
Q2
Q1
Q0
Vref+
Vref-
2.500 V
DC V
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
7
6
5
4
3
2
1
0
7
Q7
6
Q6
5
Q5
4
Q4
3
Q3
2
Q2
1
Q1
0
Q0
7
6
5
4
3
2
1
0
C¸c b−íc tiÕn hµnh thÝ nghiÖm:
B−íc1:
Thùc hiÖn vÏ m¹ch nh− h×nh trªn b»ng c¸ch sö dông:
01 DAC 8 bÝt [Data Converters/D-A/DAC8]
01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch]
203
(s)
01 V«n kÕ [Analog/Intruments/Multimeter]
01 Bé so s¸nh [Comparaters/Comparators/AD 8561]
08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display]
(9)
01 M¸y ph¸t chøc n¨ng [Analog/Instruments/Signal Gen]
01 IC 74LS502 [User Difined/Macro/74LS502]
B−íc 2:
-
Chän chÕ ®é m« pháng analog: Simulation -> Analog Mode
-
§Æt Multimeter ho¹t ®éng ë chÕ ®é ®o: DC Voltage
-
§Æt chÕ ®é m¸y ph¸t:
KÝch ®óp chuét vµo biÓu t−îng m¸y ph¸t. Chän d¹ng sãng ph¸t lµ “Sin
Wawe Data”. Sau ®ã ®Æt c¸c gi¸ trÞ theo b¶ng sau:
B−íc 3:
- TiÕn hµnh thÝ nghiÖm vµ ®iÒn ®Çy ®ñ vµo b¶ng sè liÖu sau:
Vi (V)
CLR
x
0
0,96
1
1,80
1
2,50
1
3,20
1
5,00
1
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
VO
0 0
0
0 0 0 0 0 0
- Thay ®æi tÇn sè xung nhÞp CK, tiÕn hµnh l¹i thÝ nghiÖm vµ so s¸nh víi kÕt
qu¶ trªn (chó ý tiÕn hµnh thÝ nghiÖm víi c¸c Vi nh− trªn):
204
C. Phô lôc
Giíi thiÖu DataSheet c¸c h·ng s¶n xuÊt IC trªn thÕ giíi cña mét sè IC th«ng
dông sö dông trong bµi thùc hµnh.
1. Bé chuyÓn ®æi A/D 8 bit víi 8 kªnh lèi vµo
(8-bit µP Compatible A/D Converters with 8-channel Multiplexer)
Tªn IC: ADC0808, ADC0809
205
2. Bé chuyÓn ®æi A/D 8 bit
(8-bit A/D Converters)
Tªn IC: ADC0802, ADC0803, ADC0804
206
207
3. Bé chuyÓn ®æi A/D hiÖn thÞ 3 sè r−ìi
Tªn IC: ADC7106, ADC7107
208
4. Bé chuyÓn ®æi A/D 12 bit
Tªn IC: ADC7109
209
210
- Xem thêm -
.PDF 
15 
91 
121 
