Giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử - Chương 6: Chuyển đổi tương tự. Số chuyển đổi số, tương tự

ệu vào và làm đổi trạng thái 
bộ so sánh. Bộ đếm là bộ đếm thuận nghịch. Mỗi khi VA < Vht thì sẽ đếm xuống. Vì vậy 
khi kết thúc thời gian biến đổi thì tín hiệu hồi tiếp sẽ luôn luôn dao động xung quanh giá 
trị điện áp vào VA. từ bộ đếm người ta lấy ra kết quả của phép biến đổi AD này. 
Vậy ở phương pháp này thời gian biến đổi (T biến đổi) là một đại lượng thay đổi và 
phụ thuộc vào trị số của tín hiệu vào VA. thời gian biến đổi lớn nhất T Biến đổi max tương ứng 
với VA max. nếu bộ đếm có N bít, chu kỳ nguồn dao động là ∆t thì : 
 TBiến đổi = (2N - 1) ∆t 
 85
Sai số tĩnh của phép biến đổi chủ yếu phụ thuộc vào sai số của bộ DAC và của bộ so sánh. 
Khi mạch hoạt động không có block chọn nhớ (Sample and Hold) thì sai số động phụ 
thuộc chủ yếu vào thời gian biến đổi. Mà thời gian biến đổi lại phụ thuộc vào VA nên 
trong trường hợp này sai số không tuyến tính. 
Vậy nếu không sử dụng block chọn nhớ thì phương pháp này chỉ thích hợp với các tín 
hiệu một chiều hay các tín hiệu có tần số thấp, biến thiên chậm. 
6.4.4 Chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản 
 SS
1
 SS
2
Tạo điện áp 
răng cưa 
VA 
VC VG 
Đếm 
Tạo nhịp 
 VD 
 Hình 6.6. Bộ chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản 
V
VA 
VC 
 tVSS1 
R1
R1R 
C 
vch
VC
tVSS2
tVG 
Hình 6.7. Sơ đồ khối mạch tạo điện áp 
răng cưa và đồ thị biểu diễn nguyên lý 
hoạt động 
t 
 86
Điện áp vào VA được so sánh với điện áp chuẩn dạng răng cưa Vc nhờ bộ so sánh 
SS1. 
 Khi VA > Vc → VSS = 1 
 Khi VA < Vc → VSS = 0 
Bộ so sánh 2 (SS2) so sánh điện áp răng cưa Vc với mức 0 (đất). Sau đó VSS1 và VSS2 
được đưa đến mạch AND. 
Xung ra VG có độ rộng tỷ lệ với độ lớn của điện áp vào VA với giả thiết xung răng cưa 
Vc có độ dốc không đổi. 
Mạch AND thứ hai chỉ cho ra các xung nhịp trong thời gian tồn tại xung VG nghĩa là 
trong thời gian mà 0 < VA < VC. mạch đếm đầu ra sẽ đếm số xung nhịp đó. Số xung này tỷ 
lệ với độ lớn của VA. Bộ tạo xung răng cưa thực chất là mạch tích phân. 
 Dùng điện áp chuẩn một chiều Vch để nạp cho tụ điện C qua điện trở R. 
Ta có điện áp ra : 
 V’C = - t.RC
V
dt
RC
V
dtV
RC
ch
t
o
ch
t
o
ch
−== ∫∫1 
 VC = tRC
V
V
R
R ch'
C =−
1
1 = | a | t 
Giả sử tại t = tm thì VC =VA, ta có :
 VA = 
ch
A
mm
ch
V
Vtt
RC
V =⇒ RC 
Gọi Z là số xung nhịp đếm được trong thời gian tm ⇒Z = fn.tm 
Với fn : tần số xung nhịp 
 ⇒ Z = fn . 
ch
A
V
V .R.C (*) 
Từ (*) ⇒a) Z tỉ lệ với VA 
 b) Muốn giảm sai số cho phép biến đổi thì phải chọn R, C loại tốt, tần số xung 
nhịp fn phải lớn, và Vch phải ổn định 
 87
6.4.5 Chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc 
R
C
Cổng 
VSS
Bộ đếm Flip Flop tràn 
Mạch 
Logic 
K
21 +
VA 
 +
_
Vch
Kãút quaí
Nguồn dao 
động chuẩn
fn
 _
Gọi : VC 
Độ dốc do Vch 
 tạo ra 
t1 t2 
t
t
t
ZZO 
VSS
t1 : thời gian đếm ứng với số xung làm bộ đếm 
 bị tràn. 
t2 : thời gian tích điện áp chuẩn Vch 
VC : điện áp răng cưa ở đầu ra của bộ tích phân. 
VSS : điện áp ra của bộ so sánh 
Z : số xung đếm đượctrong thời gian t2. 
Zo : số xung trong thời gian t1 
Vch : điện áp chuẩn có cực tính dương 
VA : điện áp vào có cực tính âm như hình vẽ 
 Hình 6.9. Đồ thị biểu diễn nguyên lý 
hoạt động của mạch • Hoạt động của mạch : 
Ở trạng thái đầu tiên, khóa K luôn đặt ở vị trí 1. Mạch tích phân sẽ tích phân VA, 
trong khi đó bộ đếm sẽ đếm xung từ nguồn dao động chuẩn tần số fn. VA được tích phân 
 88
trong thời gian t1 cho đến khi bộ đếm bị tràn (thời điểm t1). Lúc này mạch logic sẽ điều 
khiển chuyển khóa K sang vị trí 2 và mạch tích phân sẽ tiếp tục tích phân Vch nhưng với 
chiều ngược lại vì Vch có cực tính ngược cực tính VA. Khi tín hiệu ra của bộ tích phân VC 
giảm xuống bằng 0 thì mạch so sánh sẽ đóng cổng. Nội dung ghi trong bộ đếm là kết quả 
biến đổi. Nó tỉ lệ với thời gian tích phân điện áp chuẩn t2. 
• Điện áp nạp cho tụ C trong thời gian t1 nhờ mạch tích phân VA. 
 VCt1 = RC
VA t1 (1) 
• Điện áp nạp cho tụ C trong thời gian t2 theo chiều ngược lại nhờ VA. 
 VCt2 = - RC
Vch t2 (2) 
Trong thời gian t2 điện áp trên tụ giảm xuống bằng 0 : 
⇒ | VCt1| = | VCt2| 
⇒ 
RC
VA t1 = RC
Vch t2 
⇒ t2 = 
ch
A
V
V .t1 
Số xung Zo đếm được trong thời gian t1 : 
 Zo = t1.fn ⇒ t1 = 
n
o
f
Z 
 fn : tần số của dao động chuẩn 
Do đó số xung đếm được của bộ đếm nhờ bộ đếm và đưa ra kết quả trong thời gian t2 
: 
 Z = t2.fn = 
ch
A
V
V .t1.fn = 
ch
A
V
V .
n
o
f
Z .fn = 
ch
A
V
V .Zo 
Vậy nội dung trong bộ đếm tỷ lệ với điện áp vào VA cần chuyển đổi. 
Ưu điểm : trong biểu thức Z =
ch
A
V
V .Zo không có tham số RC của mạch và cũng không 
phụ thuộc vào xung dao động chuẩn fn như trong phương pháp đếm đơn giản vì vậy kết 
quả chuyển đổi khá chính xác và để tăng độ chính xác không cần tăng fn cao. Tuy nhiên 
fn phải có độ ổn định cao, trong cả thời gian t1 và t2 fn đều không đổi. 
Sai số tĩnh do tính không ổn định của Vch, fn, bộ tích phân và bộ so sánh. 
 89
Hiện nay người ta còn thể hiện phương pháp tích phân 3,4 độ dốc. 
6.4.6 Chuyển đổi AD theo phương pháp song song - nối tiếp kết hợp 
ADC 
song song 
DAC 
N1 bit 
Mạch 
hiệu 
Nhân 
2N1
BN1B2B1
U
TẦNG THỨ NHẤT 
U
TẦNG 
THỨ 
HAI 
Hình 6.10. Bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song nối tiếp kết hợp 
Đây là sự kết hợp phương pháp song song và phương pháp nối tiếp nhằm dung hòa 
ưu khuyết điểm của hai phương pháp này : giảm bớt độ phức tạp của phương pháp song 
song và tăng tốc độ chuyển đổi so với phương pháp nối tiếp. 
Cũng có thể gọi đây là phương pháp phân đoạn từng nhóm bit, với số bit trong mỗi 
nhóm N1 ≥ 2. 
Bộ chuyển đổi ADC đầu tiên là bộ chuyển đổi song song N1 bit với N1 ≥ 2. Trong 
bước so sánh thứ nhất → xác định được N1 bit. Từ B1 → BN1. Để chuyển đổi N bit, phải 
dùng l tầng với l =
1N
N . Mỗi tầng dùng 2N1 - 1 bộ so sánh. Như vậy để chuyển đổi N bit 
phải dùng : l (2N1 - 1) = 
1N
N (2N1 - 1) bộ so sánh. 
Ví dụ N = 9; N1 = 3 
Phương pháp song song-nối tiếp kết hợp : số bộ SS : l (2N1 - 1) = 
1N
N (2N1 -1)=3.7=21 
Phương pháp song song : số bộ SS : (2N - 1) = (2N - 1) = (29 - 1) = 512 - 1 = 511 
6.4.7 Chuyển đổi AD phi tuyến 
Từ biểu thức sai số lượng tử hóa : ∆VQ = 2
1 Q ta nhận thấy : sai số tuyệt đối của một 
chuyển đổi AD không đổi, còn sai số tương đối của nó tăng lên khi biên độ tín hiệu vào 
giảm. Muốn cho sai số tương đối không đổi trong toàn dải biến đổi điện áp vào thì đường 
đặc tính truyền đạt của bộ biến đổi phải có dạng loga sao cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm 
thay đổi trong dải biến đổi của điện áp vào. 
 90
VA VD 
VD VA 
Hình 6.12. Đặc tính biến đổi phi tuyến 
của DAC 
Hình 6.11. Đặc tính biến đổi phi tuyến 
của ADC 
 Ưu điểm của phương pháp này là lấn át được tạp âm kể cả khi tín hiệu vào nhỏ 
và lớn, cho phép tăng dung lượng của kênh thoại do giảm được số bit với cùng chất lượng 
thông tin như khi lượng tử hóa tuyến tính. 
Để thu lại tín hiệu trung thực như ban đầu, bộ biến đổi DA phải có cấu tạo sao cho 
đường đặc tính biến đổi ngược của nó có dạng hàm mũ như hình vẽ ở trên. 
Đặc tuyến biến đổi AD thường là hàm số : y
x
Hình 6.13. Đặc tính biến đổi ngược của 
bộ DA 
y = x
 y =
)1(
)1(
µ
µ
+
+
n
n
l
xl với x =
maxA
A
V
V 
 y = 
maxD
D
V
V 
Độ dốc y’ tại x = 0 y’| x = 0 =⇒ )1( µ
µ
+nl
6.5. Các phương pháp chuyển đổi số sang tương tự (DAC) 
Chuyển đổi số tương tự (DAC) là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N 
bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là 1 mức lượng tử tức 1LSB 
DAC LTT 
VA VD VM 
Hình 6.14. Sơ đồ khối quá trình chuyển đổi số sang tương tự 
Đồ thị thời gian của tín hiệu ra sau mạch chuyển đổi DA có dạng như hình vẽ: 
 91
 VM 
VA 
 t
Hình 6.15. Đồ thị thời gian của tín hiệu sau mạch chuyển đổi DA 
Tín hiệu đầu ra là tín hiệu rời rạc theo thời gian như trên hình vẽ. Tín hiệu này được 
đưa qua bộ lọc thông thấp lý tưởng LTT. Trên đầu ra của LTT có tín hiệu VA biến thiên 
liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của VM. 
6.5.1 Chuyển đổi DA bằng phương pháp điện trở (theo nguyên lý mã BCD) 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
0 
0 
0 
0 
0 
0 
3 
2 
7 
1M
125k
250k
500k
5M
10M
1.25M
2.5M
50k
100k
12.5k
25k
+ 
Rht=10M 
 Vch 
Vo 
Hình 6.16. Dùng mạch nguồn Vch 
Ví dụ biến đổi DAC tín hiệu số 723 mã BCD 
Gọi v1, v2, v3 là 3 điện áp vào, tương ứng với các điện áp ra v01, v02, v03 . Theo 
nguyên lý xếp chồng ta có: vo = vo1 + vo2 + vo3 
 vo = 3
3
2
2
1
1
v
R
Rv
R
Rv
R
R
td
ht
td
ht
td
ht −−− 
 92
 MMMRtd 10
3
5
1
10
11
1
=+= 
 => vo1 = - M
M
ch
td
ht V
R
R
10
10.3.
1
−= = - 3 Vch 
 MKRtd 10
20
500
11
2
== 
 => vo2 = ch
td
ht V
R
R
2
− = - 20Vch. 
MM
KKKRtd
10
700)400200100(
10
1
25
1
50
1
100
11
3
=++=
++=
 => vo2 = ch
td
ht V
R
R
3
− = - 700Vch. 
Do đó: vo = ch
td
ht
td
ht
td
ht Vv
R
R
v
R
R
v
R
R
7233
3
2
2
1
1
−=−−− 
Chọn Vch=10mV ta sẽ có: v0=-7,23V. Nghĩa là điện áp ra tỉ lệ với tín hiệu số ở đầu 
vào. 
Ưu khuyết điểm của mạch: 
Ưu điểm: 
- Chỉ cần dùng một nguồn điện áp chuẩn Vch. Trọng số của mỗi bit sẽ tương đương 
với Rht chia cho Rtd, trong đó : Rtd là điện trở mỗi một nhánh. 
Khuyết điểm: 
- Phương pháp này đòi hỏi nhiều điện trở chính xác với các trị số khác nhau vì vậy 
gặp bất tiện khi thiết kế và sử dụng. 
Để giảm nhược điểm này người ta dùng nhiều nguồn điện áp chuẩn tỷ lệ thập phân 
khác nhau như hình 6.17. Từ decacde này sang decacde khác cầu điện trở sẽ cùng trị số. 
Tuy nhiên điện áp chuẩn sẽ biến đổi gấp 10 lần. 
 93
1 
1 
1 
1 
1 
1 
0 
0 
0 
0 
0 
100k
12.5k
25k
50k
+ 
0 
50k
25k
12.5k
100k
100k
+ 
Rht=100k
12.5k
25k
50k
+ 
Vch 
Vo10Vch 
100Vch 
Hình 6.17. Dùng nhiều nguồn Vch 
6.5.2 Chuyển đổi DA bằng phương pháp điện trở bậc thang 
2R 
CBA R 
b1 b0 
2120 
2R 2R2R 
+ 
Vch 
b2 
22
2R
R
b3 
D
23
2R
R 
Vo 
Hình 6.18 Chuyển đổi DA bằng phương pháp điện trở bậc thang