Giáo trình Thực tập Kỹ thuật số - Bài 15: Bộ chuyển đổi tương tự, số (Digital to Analog Converter)

 196
Bài 15: Bộ chuyển đổi t−ơng tự - số 
(Analog to Digital Converter) 
A. Phần tóm tắt lý thuyết 
1. Bộ biến đổi t−ơng tự/số (ADC). 
Hình vẽ sau mô tả chức năng của ADC 4 bit. 
Bảng chân lý của bộ ADC này có thể lấy toàn bộ số liệu trong bảng chân lý bộ 
DAC bài tr−ớc. Mạch điện bố trí bên trong của bộ ADC khá phức tạp. D−ới đây 
chỉ là một ví dụ sơ đồ logic của bộ ADC này bao gồm một DAC, một mạch đếm 
modun 16, một cửa và, một mạch so sánh điện áp. 
Mạch so sánh thực hiện việc so sánh điện áp ở đầu vào A và điện áp ở đầu vào 
B. Nếu điện áp lối vào A lớn hơn điện áp lối vào B (A > B) thì mức logic đầu ra X 
của Comparator là cao (A > B, X = 1). Ng−ợc lại thì mức logic đầu ra thấp (A < B, 
X = 0). 
 197
Đầu vào 
t−ơng tự 
Đầu ra 
nhị phân Đ−ờng 
Vra(v) D C B A 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
9 
10 
11 
12 
13 
14 
15 
16 
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 
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 
Giả sử điện áp Vvào bộ ADC là 1,5V và mạch đếm đã đ−ợc xoá tr−ớc khi hoạt 
động. Trải qua 5 chu trình, bộ ADC biến đổi điện áp t−ơng tự đầu vào 1,5V thành 
đầu ra nhị phân 0100 theo đúng bảng chân lý. Quá trình diễn ra nh− sau: 
Chu 
Trình 
Mạch so sánh Cửa và Mạch đếm Chỉ thị LED DAC 
Số TT A B X CK X CP QD QC QB QA D C B A Vra 
1 
2 
3 
4 
5 
1,5v 0 1 
1,5v 0,4 1 
1,5v 0,8 1 
1,5v 1,2 1 
1,5v 1,6 0 
CK 1 
CK 1 
CK 1 
CK 1 
CK 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 
Không có xung nhịp
0 0 0 1 
0 0 1 0 
0 0 1 1 
0 1 0 0 
0 1 0 0 
(dừng) 
0,4 
0,8 
1,2 
1,6 
1,6 
(dừng)
Việc phân tích nh− trên để dễ hiểu về sự hoạt động của một bộ ADC. Quá 
trình xảy ra rất nhanh tuỳ theo tần số của xung nhịp CK. Tần số này có thể trên 
1 MHz. Có nhiều kiểu ADC đã đ−ợc sử dụng. Kiểu nói trên là “kiểu đếm bậc 
thang”. Có loại ADC trong đó không dùng mạch đếm mà dùng mạch phát bậc 
thang. Loại này gọi là kiểu “bậc thang”. Loại có tốc độ biến đổi rất nhanh gọi là 
“kiểu gần đúng liên tiếp” loại này có cấu trúc bên trong phức tạp hơn. 
 198
2. Thông số đặc tr−ng. 
Hình vẽ sau giúp ta hiểu rõ ý nghĩa của một số thông số. 
Điện áp (hay dòng) biến đổi theo bậc (step) , mỗi bậc t−ơng ứng với một l−ợng 
tăng điện áp gọi là l−ợng tăng 1LSB. Danh từ này bắt nguồn từ chỗ điện áp thay 
đổi ngay từ bit có ý nghĩa nhỏ nhất. Chất l−ợng của một bộ biến đổi đ−ợc đánh giá 
bằng độ phân giải. Độ phân giải tính bằng tỷ số l−ợng tăng 1 LSB với giá trị cực 
đại của đại l−ợng t−ơng tự. Ví dụ trong bộ DAC 4 bit mà ta đ−a ra ví dụ ở trên độ 
phân giải bằng : 
15
1
0,6
4,0 = 
Công thức tổng quát nh− sau: 
Độ phân giải = 
12
1
−n ; n là số bit 
Số bit càng lớn và do đó độ phân giải càng nhỏ thì chất l−ợng càng cao. Độ 
phân giải của bộ biến đổi 6 bit là 
63
1
, 8 bit là 
255
1
, 10 bit là 
023.1
1
 và 12 bit là 
095.4
1
 ... 
Sự thay đổi nhịp nhàng (hay đơn điệu) của một bộ biến đổi là rất cần thiết, 
nhất là bộ DAC (hình a phần trên). Hình b là không nhịp nhàng bởi vì có đoạn mà 
điện áp không tăng đúng 1 LSB khi số nhị phân thay đổi. So với đ−ờng chuẩn 
(chấm chấm), sai số gặp phải là 
2
1+ LSB và tiếp theo đó là 
2
1− LSB. Sai số cho 
phép là phải nhỏ hơn 
2
1± LSB cho toàn thang đo. 
 199
Thời gian thiết lập tS của DAC là thời gian cần thiết để điện áp đầu ra đạt 
đ−ợc giá trị ổn định trong phạm vi sai số 
2
1± LSB (tS = ns àữ s). 
Có rất nhiều loại DAC và ADC với phạm vi ứng dụng khác nhau. Do vậy, khi 
dùng DAC hoặc ADC ta phải biết đầy đủ các đặc tr−ng và khả năng ứng dụng của 
chúng. 
 200
B. Phần thực nghiệm 
1. Nghiên cứu bộ biến đổi t−ơng tự - số (ADC) theo kiểu đếm bậc thang 
ƒ Ngày nay ng−ời ta đã sản xuất nhiều bộ ADC d−ới dạng chíp hoàn chỉnh. 
Tuy nhiên sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử bên trong chíp vẫn theo 
nguyên tắc chung nh− ta trình bày trong lý thuyết. Bộ ADC nào cũng có 
mạch so sánh và bộ DAC. Sự khác nhau ở chỗ ng−ời ta sử dụng loại mạch 
nào nằm giữa Comparator và DAC để tạo tín hiệu bậc thang. Nếu dùng 
mạch đếm nh− ta nói ở trên thì đó là Counter – Ramp ADC. Nếu là mạch 
phát bậc thang (Ram Generator) đó là Ramp ADC, nếu là mạch ghi gần 
đúng liên tiếp (Successive aproximation Register = Sar) đó là SAR ADC. 
ƒ Sau đây ta sẽ nghiên cứu bộ biến đổi ADC kiểu bậc thang có sơ đồ khối 
nh− sau: 
ƒ Sơ đồ thí nghiệm: 
8
8
8
CLOCK 
Generator 
 1Hz 
Binary 
Output 
(leddisplaY) 
Hex – 
7 seg 
display 
 Vi 
 V0 
CK 
74LS161 
Counter 
CLR 
 DAC – 03 
(D/A Converterr) 
 201
Bộ so sánhData in
Vo
0
1
2
3
4
5
6
7
7
6
5
4
3
2
1
0
7
6
5
4
3
2
1
0
1
CLR
5V
DC V
 2.500 V
74LS161A
CEP
CET
CP
D3
D2
D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
5V
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Vi 2.5V
5V
5V
5V
IN+
IN-
V+
V- LATCH
GND
OUT
OUT
___
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
1 Hz
0/5V 74LS161ACEP
CET
CP
D3
D2
D1
D0
PE
MR
TC
Q3
Q2
Q1
Q0
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] 
 01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 
 01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter] 
 01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561] 
 08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 
 01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen] 
 02 IC 74LS161 [Digital by Number/741xx/74161] 
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 
- Đặt chế độ máy phát: 
 202
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: 
B−ớc 3: 
- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau: 
Vi (V) CLR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 VO 
x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
0,96 1 
1,80 1 
2,50 1 
3,20 1 
5,00 1 
- Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết 
quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các Vi nh− trên): 
2. Nghiên cứu bộ biến đổi t−ơng tự - số (ADC) theo kiểu gần đúng liên 
tiếp (Suceesive – Approximation – Type ADC) 
ƒ ở đây có sử dụng “mạch ghi gần đúng liên tiếp” (SAR) đặt xen giữa mạch 
so sánh và DAC. Ưu việt của ADC theo kiểu này là tốc độ nhanh. Nếu dùng 
ADC 8 bit thì chỉ cần 8 xung nhịp là đủ để điện áp ra V0 của DAC tiến tới 
lân cận giá trị điện áp vào Vi. 
ƒ Sơ đồ khối đ−ợc bố trí nh− sau: 
 203
ƒ Sơ đồ thí nghiệm: 
Bộ so sánhData in
Vo
1
0
2
4
6
1
3
5
7
0
1
2
3
4
5
6
7
7
6
5
4
3
2
1
0
1 Hz
0/5V
Start 0V
DC V
 2.500 V
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Vi 2.5V
5V
5V
IN+
IN-
V+
V- LATCH
GND
OUT
OUT
___
DAC8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Vref-
Vref+
Vout
74LS502
Start
Qd
Q0
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7CK
D
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] 
 01 Logic switch [Switches/Digital/Logic Switch] (s) 
EOC 
CK
START
8
8
8
Binary 
output 
(lED dispay) 
 Vi 
 V0 
74LS502`
SAR 
 DAC - 03 
(D/A Converter) 
 204
 01 Vôn kế [Analog/Intruments/Multimeter] 
 01 Bộ so sánh [Comparaters/Comparators/AD 8561] 
 08 Logic Display [Displays/Digital/Logic Display] (9) 
 01 Máy phát chức năng [Analog/Instruments/Signal Gen] 
 01 IC 74LS502 [User Difined/Macro/74LS502] 
B−ớc 2: 
- Chọn chế độ mô phỏng analog: Simulation -> Analog Mode 
- Đặt Multimeter hoạt động ở chế độ đo: DC Voltage 
- 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: 
B−ớc 3: 
- Tiến hành thí nghiệm và điền đầy đủ vào bảng số liệu sau: 
Vi (V) CLR Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 VO 
x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
0,96 1 
1,80 1 
2,50 1 
3,20 1 
5,00 1 
- Thay đổi tần số xung nhịp CK, tiến hành lại thí nghiệm và so sánh với kết 
quả trên (chú ý tiến hành thí nghiệm với các Vi nh− trên): 
 205
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 A/D 8 bit với 8 kênh lối vào 
(8-bit àP Compatible A/D Converters with 8-channel Multiplexer) 
Tên IC: ADC0808, ADC0809 
 206
2. Bộ chuyển đổi A/D 8 bit 
(8-bit A/D Converters) 
Tên IC: ADC0802, ADC0803, ADC0804 
 207
 208
3. Bộ chuyển đổi A/D hiện thị 3 số r−ỡi 
Tên IC: ADC7106, ADC7107 
 209
4. Bộ chuyển đổi A/D 12 bit 
Tên IC: ADC7109 
 210