Giáo trình Thực tập Kỹ thuật số - Bài 14: Bộ chuyển đổi số tương tự (Digital to Analog Converter)

 184
Bài 14: Bộ chuyển đổi số – t−ơng tự 
(Digital to Analog Converter) 
A. Phần tóm tắt lý thuyết 
Ngày nay các hệ xử lý tín hiệu số yêu cầu tín hiệu t−ơng tự phải đ−ợc chuyển 
đổi thành tín hiệu số qua bộ biến đổi T−ơng tự - Số (Analog to Digital Converter - 
ADC). Tín hiệu số đ−ợc truyền đi, hoặc đ−ợc đ−a vào máy tính xử lý ... Kết quả 
cuối cùng dạng số cần phải chuyển đổi trở lại tín hiệu t−ơng tự qua bộ biến đổi Số 
- T−ơng tự (Digital to Analog Converter - DAC) để hiển thị cho ta quan sát. Quá 
trình đó biểu diễn mô hình của một “hệ xử lý số” (Digital Processing 
Unit/System). Hệ xử lý số có đầu vào và đầu ra là tín hiệu t−ơng tự đ−ợc mô tả 
trên hình sau: 
Điện áp đầu vào có thể thay đổi liên tục từ 0v ữ 6V. Bộ biến đổi t−ơng tự / số 
ADC chuyển thông tin t−ơng tự thành thông tin số ở đầu vào. Bộ biến đổi số / 
t−ơng tụ DAC chuyển thông tin số thành thông tin t−ơng tự ở đầu ra. 
1. Bộ biến đổi số / t−ơng tự (DAC) kiểu mạng điện trở. 
Nhiệm vụ của bộ biến đổi số/ t−ơng tự (DAC) là chuyển đổi tín hiệu số thành 
tín hiệu t−ơng tự. Một tín hiệu nhị phân đ−ợc dẫn đến các đầu vào của DAC sẽ 
cho ra một điện áp t−ơng ứng ở đầu ra. Hình sau mô tả chức năng của DAC và 
bảng chân lý kèm theo. Số liệu ghi trên bảng này chỉ là một ví dụ cho dễ hiểu. 
 185
DAC có hai bộ phận chức năng là mạng điện trở và mạch “khuếch đại tổng” 
đ−ợc mô tả trên hình sau. Mạch khuếch đại tổng th−ờng là mạch khuếch đai 
thuật toán. Mạng điện trở tạo nên các đầu vào ABCD với các trọng số t−ơng ứng 
1, 2, 4, 8. Mạch khuếch đại tổng tạo nên điện áp đầu ra phù hợp với bảng chân lý. 
LSB : Bit có ý nghĩa nhỏ nhất (Least Significant Bit). 
MSB : Bit có ý nghĩa lớn nhất (Most Significant Bit). 
DAC nói trên có thể biểu diễn d−ới dạng tổng quát bằng mạch logic t−ơng 
đ−ơng cho trên hình d−ới đây. 
Đầu vào 
nhị phân 
Đầu ra 
t−ơng tự Đ−ờng 
D C B A Vra(v) 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
11 
12 
13 
14 
15 
16 
0 0 0 0 
0 0 0 1 
0 0 1 0 
0 0 1 1 
0 1 0 0 
0 1 0 1 
0 1 1 0 
0 1 1 1 
1 0 0 0 
1 0 0 1 
1 0 1 0 
1 0 1 1 
1 1 0 0 
1 1 0 1 
1 1 1 0 
1 1 1 1 
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 
-12V
+12V
LSBMSB
Mạng điện trở
Khuếch đại tổng
+
3V
D C B A
LM339
R4
18.75k
R3
37.5k
R2
75k
R1
150k
Rf
20k
V
 186
ở đây A, B, C, D là các khoá, chúng có thể là loại cơ khí nh−ng chúng có thể là 
khoá bán dẫn (FET). Ký hiệu logic, bảng chân lý và sơ đồ khối chức năng của một 
khoá bán dẫn cho trên hình sau. 
Tổng dòng điện vào cửa đảo (-) bằng : 
 ( )ABCD
R
V
A
R
V
B
R
V
C
R
V
D
R
V vaovaovaovaovao 0123 2222
248
+++=+++ 
Theo lý thuyết của mạch khuếch đại thuật toán, ta có ph−ơng trình: 
R
Vvao ( )
f
ra
R
V
ABCD −=+++ 0123 2222 
Từ đó, công thức tổng quát tính cho Vra là : 
 ( )ABCD
R
R
VV fvaora
0123 2222 +++−= 
Ng−ời đọc dễ dàng lập lại bảng chân lý theo công thức trên đây với Vvào = 3V; 
R = 150KΩ ; Rf = 20KΩ . Bộ DAC nói trên là bộ DAC 4 bit. Ng−ời đọc có thể tự 
thiết kế bộ DAC 5 bit, 6 bit ... 
2. Bộ biến đổi số/t−ơng tự kiểu bậc thang(Ladder). 
Bộ DAC trình bày trên đây không thuận tiện trong thực tế vì phải chọn nhiều 
điện trở có giá trị khác nhau. Bộ DAC kiểu bậc thang chỉ yêu cầu chọn hai loại 
điện trở với loại nọ có giá trị gấp đôi loại kia. Do đó, bộ biến đổi số / t−ơng tự loại 
này còn có tên gọi là “DAC kiểu bậc thang R - 2R”. 
Hình sau là sơ đồ mạch của DAC 4 bit. Các điện trở 2R (phía trái mạng điện 
trở) đ−ợc nối với Vvào khi khoá đóng (logic “1”) và nối đất khi khoá ngắt (logic “0”). 
LSBMSB
Mạng điện trở
Khuếch đại tổng
RR/2R/4R/8
Vin
V
Rf
ABCD
 187
Điện áp đầu ra đ−ợc tính theo công thức sau đây : 
 ( )ABCD
R
R
VV fvaora
0123 2222
16
+++−= 
Khoá đóng ứng với mức logic “1” 
Khoá ngắt ứng với mức logic “0” 
Ghi chú : 
Việc rút ra công thức trên đây phải dựa vào định lý Thevenin (Thevenin 
Theorem) hay mẫu Thevenin (Thevenin Model). ở đây chỉ trình bày ngắn gọn mà 
không chứng minh cách chuyển một mạch chia thế thành nguồn thế. Quan hệ 
mạch chia thế và nguồn thế thể hiện trên trên hình sau. 
21
21
0
21
2
RR
RR
V
V
RR
R
VV
td
itd
+=
=+=
Khuếch đại tổng
Mạng điện trởVin
A
B
C
D
2R
2R
2R
2R
2R
R
R
R
Rf
V
Vo
td
Nguồn t−ơng đ−ơngMạch chia thế không tải
Rtd
V
Vin
R2
R1
 188
21
21
21
2
RR
RR
V
RR
R
VV
td
itd
+=
+=
Nhận xét : 
Vtđ không tuỳ thuộc vào mạch có tải RT hay không có tải. Khi tính Vtđ ta chỉ coi 
nh− tính V0 của mạch chia thế. 
Rtđ không tuỳ thuộc vào mạch có tải hay không có tải. Trở t−ơng đ−ơng Rtđ 
này thay thế cho 2 trở R1 và R2 đ−ợc coi nh− mắc song song (R1 // R2). 
Dựa theo mẫu Thevenin, ta dễ dàng tính c−ờng độ dòng tại đầu vào đảo (-) 
của mạch khuếch đại tổng. 
Giả sử đầu vào nhị phân DAC 4 bit này là 0001 ( A = 1, B = 0, C = 0, D = 0) 
nghĩa là chỉ có khoá A đóng. Theo mẫu Thevenin, dòng vào sẽ là 
R
Vvao
16
Nếu chỉ có khoá B đóng (0010) dòng vào sẽ là 
R
Vvao
8
Nếu chỉ có khoá C đóng (0100) dòng vào sẽ là 
R
Vvao
4
Nếu chỉ có khoá D đóng (1000) dòng vào sẽ là 
R
Vvao
2
Tr−ờng hợp cả 4 khoá đều đóng, dòng vào sẽ là tổng 4 dòng trên: 
 ( )ABCD
R
V
R
V
R
V
2R
V
 vaovaovaovao 0123 2222
1684
++++++ 
ở đây D = C = B = A = 1 vì các khoá đều đóng. Dòng này có trị số tuyệt đối 
bằng dòng ra: Vra/Rf . Sinh viên có thể tự thiết kế bộ DAC kiểu bậc thang R-2R với 
số bit nhiều hơn. Các bộ DAC trên thị tr−ờng cũng phân dòng theo kiểu bậc thang 
R-2R. 
td
Nguồn t−ơng đ−ơngMạch chia thế có tải
Rt
Rt
R1
R2
Vin
V
Rtd
 189
 190
B. Phần thực nghiệm 
1. Nghiên cứu sự hoạt động của DAC 8 bít 
ƒ ở bài này chúng ta cho tín hiệu số 8 bít qua bộ chuyển đổi DAC, thu đ−ợc 
tín hiệu lối ra là tín hiệu t−ơng tự và đ−ợc đo bằng vôn kế . 
ƒ Sơ đồ thí nghiệm: 
D0
5V
D1
5V
D2
5V
D3
5V
D4
5V
D5
5V
D6
5V
D7
5V
+V
5.05V
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
DC V
 5.030 V
ƒ Các b−ớc tiến hành thí nghiệm: 
B−ớc1: 
 Thực hiện vẽ mạch nh− hình trên bằng cách sử dụng: 
 01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8] 
 08 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 
 04 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter] 
Chú ý: 
 [ ] Đ−ờng dẫn để lấy linh kiện trong th− viện 
 ( ) Ký hiệu phím tắt 
B−ớc 2: 
- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode 
- Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage 
B−ớc 3: 
- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau: 
 191
2. DAC 8 bít (tiếp) 
ƒ Cho sơ đồ khối sau: 
ƒ Sơ đồ thí nghiệm: 
MR
5V5V
A
74LS161
CEP
CET
CP
D3
D2
D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
1kHz
V1
0/5V
5V
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
74LS161
CEP
CET
CP
D3
D2
D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
5V
ƒ Các b−ớc tiến hành thí nghiệm: 
B−ớc1: 
 Thực hiện vẽ mạch nh− hình trên bằng cách sử dụng: 
Số thập 
phân 
D7D6D5D4D3D2D1D0 Ura(V) Số thập 
phân 
D7D6D5D4D3D2D1D0 Ura(V) 
0 00000000 128 10000000 
32 160 
64 192 
96 224 
128 256 
Clock 
Generator 
 1KHz 
Counter 
74LS161 
 CK 
DAC – 03
IN 
 OUT 
Dao động ký 
 192
 01 DAC 8 bít [Data Converters/D-A/DAC8] 
 02 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 
 01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen] 
 02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161] 
B−ớc 2: 
- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode 
- Đặt chế độ máy phát: 
Kích đúp chuột vào biểu t−ợng máy phát. Chọn dạng sóng phát là “Sin 
Wawe Data”. Sau đó đặt các giá trị theo bảng sau: 
- Chạy ch−ơng trình. Quan sát tín hiệu tại điểm A trên cửa sổ Transient 
Analysis 
- Chúng ta có thể dùng công cụ “Probe” để quan sát tín hiệu tại bất cứ 
điểm nào bằng cánh chọn Probe từ thanh công cụ (hoặc kích chuột phải 
sau đó chọn Probe) sau đó kích vào điểm muốn quan sát. Muốn hiện thị 
tín hiệu của nhiều điểm đồng thời thì khi kích vào các điểm cần quan 
sát ta phải giữ phím Shift. 
B−ớc 3: 
- Tiến hành thí nghiệm với các giá trị khác của máy phát nh−: 100 KHz, 
1 MHz, 2 MHz, 4 MHz. Quan sát dạng tín hiệu ở lối ra. 
- Hai khối Clock generator và Counter có thể thay thế bằng khối Data 
sequencer ở địa chỉ [Analog/Intruments/Data Seq]. Sinh viên có thể tự làm 
phần này. 
3. Kiểm tra kiến thức 
Bộ DAC 8 bit có đầu ra nằm trong dải từ 0 đến 10v (Vout = 0 ữ 10v). Sai số phi 
tuyến cho phép toàn thang đo là LSB
4
1± . 
 193
- Tính độ phân giải. 
- Giải thích tại sao độ thay đổi điện áp giữa hai bậc liên tiếp là 
255
10v
- Sai số phi tuyến cho phép toàn thang đo tính ra % là bao nhiêu? 
- Đầu vào nhị phân 0110.0110 ứng với đầu ra là bao nhiêu? 
 194
C. Phụ lục 
Giới thiệu DataSheet các hãng sản xuất IC trên thế giới của một số IC thông 
dụng sử dụng trong bài thực hành. 
1. Bộ chuyển đổi D/A 8 bit tốc độ nhanh 
(8-bit high speed D/A converter) 
Tên IC: DAC08 
 195
2. Bộ chuyển đổi D/A 12 bit 
(12-bit D/A converter) 
Tên IC: DAC80