179

CHƯƠNG 6 – GIAO TIẾP TƯƠNG TỰ LT3

6.1 GIỚI THIỆU CHUNG GIAO TIẾP TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

Trong kỹ thuật, hầu hết các tín hiệu đều dưới dạng tín hiệu tương tự, trong khi các hệ thống vi xử lý thực hiện các chương trình, cho phép điều khiển tự động các hệ thống kỹ thuật lại là các hệ thống số. Hình 6.1 mô tả việc giao tiếp giữa các hệ thống vi xử lý và các quy trình đối tượng kỹ thuật, các quy trình công nghệ trong thực tế. Trên hình vẽ, để thu thập thông tin tương tự từ bên ngoài, hệ thống vi xử lý cần các bộ giao tiếp chuyển đổi tương tự sang số (ADC – Analog to Digital Converter). Và để cung cấp các tín hiệu điều khiển dưới dạng tương tự hệ thống sử dụng các giao tiếp biến đổi số sang tương tự (DAC – Digital to Analog Converter).

6.2 MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ ỨNG DỤNG

6.2.1 Mạch ứng dụng khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán là một trong số những linh kiện điện tử thường gặp nhất trong kỹ thuật tương tự, vì thế trong kỹ thuật đo lường và điều khiển công nghiệp, khuếch đại thuật toán cũng có mặt trong rất nhiều thiết bị và hệ thống. Khả năng sử dụng của các bộ khuếch đại thuật toán là rất vạn năng, chúng được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như các bộ khuếch đại một chiều, các bộ khuếch đại xoay chiều, bộ lọc tích cực, bộ dao động, bộ biến đổi trở kháng, bộ vi phân, bộ tích phân...

Ðể làm nổi bật tính chất của một bộ khuếch đại thuật toán, hãy xét tính năng của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng:

Hệ số khuếch đại khi không có phản hồi âm lớn vô cùng. Ðiện trở lối vào lớn vô cùng.

Hình 6.1: Mô hình giao tiếp các tín hiệu tương tự trong các hệ thống vi xử lý

180

Ðộ rộng dải thông lớn vô cùng. Hệ số nén đồng pha CMRR lớn vô cùng. Ðiện trở lối ra bằng không Thời gian đáp ứng bằng không. Trên thực tế, không có bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng mà chỉ tồn tại những khuếch

đại thuật toán thực có tính chất gần với những tiêu chuẩn đã nêu. Các tham số và các mạch ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán rất nhiều, không thể nêu hết trong phần này mà ở đây, chỉ nêu lên những tham số cơ bản, cách tính toán và các mạch đã được áp dụng trong hệ thống điều khiển. Các tham số cơ bản của mạch khuếch đại thuật toán

Hình 6.2: Bộ khuếch đại thuật toán.

Ud điện áp vào hiệu UP , IP điện áp vào và dòng điện vào cửa thuận. UN , IN điện áp vào và dòng điện vào cửa đảo. Ur , Ir điện áp ra và dòng điện ra.

Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp Ud = UP - UN với hệ số khuếch đại K0 khác 0. Do đó điện áp ra:

Ur = K0. Ud = K0(UP - UN) Hệ số khuếch đại hiệu K0

Khi không tải được xác định theo biểu thức sau

K0 = = Hệ số khuếch đại đồng pha KCM

Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán các điện áp bằng nhau, nghĩa là:

UP = UN = UCM ≠ 0 thì Ud = 0. Gọi UCM là điện áp vào đồng pha. Theo biểu thức trên ta có Ur=0. Tuy nhiên, thực tế không phải như vậy, giữa điện áp ra và điện áp vào đồng pha có quan hệ tỷ lệ là hệ số khuếch đại đồng pha KCM :

181

KCM = KCM nói chung phụ thuộc vào mức điện áp vào đồng pha.

Hệ số nén đồng pha CMRR Dùng để đánh giá khả năng làm việc của bộ khuếch đại thực so với bộ khuếch đại lý

tưởng (KCM=0)

CMRR = Dòng vào tĩnh

Là trị trung bình của dòng vào cửa thuận và dòng vào cửa đảo:

It = với UP = UN = 0 Dòng vào lệch không là hiệu các dòng vào tĩnh ở hai cửa của bộ khuếch đại thuật toán

I0 = IP - IN với UP = UN = 0 Thông thường I0 = 0,1IP. Trị số của dòng vào lệch không thay đổi theo nhiệt độ. Hiện

tượng này gọi là hiện tượng trôi dòng lệch không. Các sơ đồ cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán Sơ đồ khuếch đại không đảo

Hình 6.3: Sơ đồ khuếch đại không đảo

Hệ số khuếch đại của mạch:

K = Mạch đệm Ðây là trường hợp đặc biệt của mạch khuếch đại không đảo

Hình 6.4: Sơ đồ mạch đệm

182

Mạch có hệ số khuếch đại bằng 1 và dùng để phối hợp trở kháng. Mạch khuếch đại đảo

Hình 6.5: Sơ đồ mạch khuếch đại đảo

Hệ số khuếch đại của mạch:

K = Sơ đồ biến đổi dòng điện - điện áp

Hình 6.6: Sơ đồ biến đổi dòng điện - điện áp

Ðiện áp ra được tính theo biểu thức: UR = - R.IV

Mạch cộng đảo

Điện áp ngõ ra:

Hình 6.7: Mạch cộng đảo

183

Mạch trừ:

Mạch cho phép thay đổi cục tính điện áp ra:

Mạch khuếch đại đo lường:

Hình 6.8: Mạch trừ

Hình 6.9: Mạch cho phép thay đổi cục tính điện áp ra

Hình 6.10: Mạch khuếch đại đo lường

184

6.2.2 Mạch ghép kênh và chuyển mạch tương tự

Khi có nhiều kênh tương tự ngõ vào ra cần giao tiếp với hệ thống vi xử lý điều khiển, để tránh phải sử dụng nhiều bộ biến đổi A/D, D/A, người ta thường sử dụng các chuyển mạch tương tự để chọn một kênh tại một thời điểm.

Giống như một công tắc cơ khí các chuyển mạch tương tự có nhiệm vụ cách ly hoặc cho phép tín hiệu ngõ vào chuyển tới ngõ ra. Khác với các công tắc cơ khí sử dụng các tiếp điểm kim loại, được điều khiển đóng ngắt bằng tay hoặc bằng điện (như relay), các chuyển mạch điện tử thực hiện bằng các MOFET. Hình 6.11 mô tả cầu trúc của một chuyển mạch tương tự, chuyển mạch sử dụng 2 MOSFET kênh N và P mắc song song và được điều khiển trực tiếp từ bên ngoài. Các cực cổng N1 và P1 được kích lệch pha 180o, khi N1 =15V thì P=-15V và ngược lại.

Khi sử dụng các chuyển mạch tương tự cần chú ý các đặc tính của tín hiệu cần chuyển mạch như: biên độ tín hiệu cần chuyển mạch, độ méo dạng tín hiệu …. Sau đây là một số đặc tính cần xem xét khi lựa chọn các chuyển mạch tương tự.

V+: xác định biên độ tín hiệu tương tự có thể đi qua chuyển mạch tương tự mà không bị xén đỉnh. Các mạch MOSFET bên trong cần được phân cực để cho phép toàn dải biên độ của tín hiệu ngõ vào. Một số chuyển mạch tương tự có nguồn phân cực đối xứng cho phép chuyển mạch các tín hiệu đối xứng.

VIH/VIL: là tín hiệu điều khiển đóng mở chuyển mạch tương tự. Hầu hết các chuyển mạch tương tự đều cho phép đóng mở bằng các tín hiệu điều khiển số. Do đó cần xem xét mức tín hiệu điều khiển này sử dụng các cổng số thích hợp cho việc điều khiển.

Ron (On State Resistance): Ron sẽ ảnh hưởng tới việc mất và suy giảm tín hiệu chuyển mạch. Các chuyển mạch tương tự có Ron nhỏ cần sử dụng các transistor có kích thước lớn. Tuy nhiên khi sử dụng các transistor lớn và đế bán dẫn có kích thước lớn sẽ làm tăng điện dung vào ra CI/O. Các điện dung này sẽ ảnh hưởng rất lớn tới tần số đáp ứng

Hình 6.11: Cấu tạo chuyển mạch tương tự

185

của chuyển mạch tương tự. Khi chuyển mạch các tín hiệu với tần số lớn cần sử dụng các chuyển mạch có Ron và CI/O nhỏ.

Ron(flat) – Dải điện trở động: là khoảng từ nhỏ nhất đến lớn nhất của điện trở động chuyển mạch tương tự. Thông số này thường thay đổi theo nhiệt độ.

CON/COFF – Điện dung ON/OFF: thông số này cần được xem xét vì nó ảnh hưởng tới đáp ứng thời gian, thời gian ổn định và khả năng ghép nối ngõ ra (fanout) của chuyển mạch tương tự.

Tần số đáp ứng: hầu hết các chuyển mạch CMOS đều có giới hạn trên cho tần số tín hiệu chuyển mạch khá thấp. Người ta có thể thực hiện các chuyển mạch với Ron và CI/O thấp, tuy nhiên vẫn có các bộ lọc thông thấp ký sinh ở các ngõ ra làm giảm tần số đáp ứng của các chuyển mạch tương tự.

THD - Độ méo dạng sóng sin hoặc tổng hài méo dạng: thông số này xác định độ tuyến tính của chuyển mạch. Sự đáp ứng không tuyến tính của linh kiện có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân (như do thiết kế, do tính chất linh kiện …). Nhưng ảnh hưởng nhiều nhất là do sự thay đổi của RON khi tín hiệu vào thay đổi. Chuyển mạch có RON nhỏ là rất quan trọng, nhưng thông số RON(flat) cũng quan trọng không kém. Các MOSFET kênh N có đặc tính RON(flat) khá tốt khi 0 < VI/O < V+ - 2V), tuy nhiên nó sẽ tăng rất nhanh khi VI/O tiến gần tới V+ hoặc VGS giảm. Vì vậy nên chọn các chuyển mạch tương tự sao cho đảm bảo điều kiện 0 < VI/O < V+.

Nhiễu xuyên kênh (Crosstalk): Có hai loại xuyên kênh trong chuyển mạch tương tự cần được xem xét là:

- Xuyên kênh giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu ngõ ra: do đặc tính tụ ký sinh trong quá trình thực hiện các MOSFET, nên sự thay đổi của tín hiệu điều khiển có thể gây ra nhiễu trên tín hiệu ngõ ra.

- Xuyên kênh giữa các chuyển mạch chế tạo trên cùng đế bán dẫn: cũng do các tụ ký sinh khi chế tạo, tín hiệu chuyển mạch ở chuyển mạch này có thể ảnh hưởng tới tín hiệu chuyển mạch ở một kênh khác.

Cách ly ở trạng thái đóng: tương ứng với trở kháng ở trạng thái cách ly tín hiệu chuyển mạch, nó thường được đo theo đơn vị DB ở tần số đáp ứng của chuyển mạch.

Khả năng chặn tín hiệu tần số cao: Thông số này liên quan đến khả năng chặn tín hiệu khi tắt của chuyển mạch. Giống như nhiễu xuyên kênh, các tụ ký sinh có thể nối các tín hiệu tần số cao từ ngõ vào tới ngõ ra khi chuyển mạch ở trạng thái tắt.

Để chọn biến đổi một trong nhiều tín hiệu tương tự ngõ vào, người ta sẽ sữ dụng các bộ dồn kênh tín hiệu tương tự. Các bộ dồn kênh này sẽ có cấu trúc bao gồm nhiều chuyển

186

mạch tương tự nối chung ngõ ra. Một trong các chuyển mạch sẽ được chọn thông tín hiệu ngõ vào bằng một bộ giải mã địa chỉ giống như một bộ dồn kênh số.

6.2.3 Mạch tạo điện áp chuẩn

Điện áp chuẩn ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác của các quá trình biến đổi tương tự – số. Thông thường trong các bộ biến đổi A/D, D/A tích hợp sẵn các khối tạo điện áp chuẩn, ở các vi mạch không tích hợp sẵn có thể sử dụng các IC tạo áp chuẩn chuyên dụng. Các vi mạch này sẽ tạo ra điện áp ngõ ra không thay đổi theo thời gian, nhiệt độ hay theo điện áp cung cấp cho nó. Hình 6.12 mô tả cấu tạo và ký hiệu của vi mạch tạo áp chuẩn TL431A, tín hiệu điện áp đưa vào chân REFERENCE sẽ được so sánh với điện áp chuẩn 2.5 V bên trong, khuếc đại qua OP – AMP để điều khiển transitor dẫn giữ một điện áp không đổi giữa Anode và Kathode.

Hình 6.13 mô tả một mạch tạo áp chuẩn điển hình sử dụng TL431A, giá trị điện áp chuẩn ngõ ra của mạch sẽ thay đổi khi thay đổi giá trị biến trở R1.

Hình 6.12: Cấu tạo vi mạch tạo áp chuẩn TL431A

Hình 6.13: Mạch tạo áp chuẩn sử dụng TL431A

187

6.2.4 Lấy mẫu và giữ mẫu (Sample & Hold)

Quá trình lấy mẫu (Sampling) là bước đầu tiên trong chuyển đổi tương tự – số là rời rạc hoá theo thời gian tín hiệu đầu vào ban đầu. Việc lấy mẫu như vậy được bộ phận lấy mẫu và giữ – Sample & Hold Circuit (S&H) thực hiện.

Bước tiếp theo, bộ chuyển đổi tương tự – số A/D chuyển đổi các mẫu nghiệm liên tục

theo giá trị và đã đươc rời rạc hoá theo thời gian đó thành tín hiệu lượng tử hoá theo giá trị và biểu diễn dưới dạng số nhị phân.

Phải chọn tần số lấy mẫu sao cho các trị lấy mẫu có thể đặc trưng cho tín hiệu ban đầu (fsample ≥ 2 fmax), và có thể phục hồi lại tín hiệu ban đầu từ các mẫu này.

Mạch lấy mẫu và dừng S&H: Trong kỹ thuật chuyển đổi tương tự – số, tín hiệu tương tự biến thiên liên tục theo thời gian u(t) được lấy mẫu ở những thời điểm nhất định, và giá trị tín hiệu nhận được sẽ được lưu giữ trong một khoảng thời gian định trước.

Hình 6.14: Lấy mẫu tín hiệu tương tự

Hình 6.15: Mạch lấy mẫu và giữ (Track & Hold)

188

Trong nhiều bộ chuyển đổi A/D, tín hiệu phải được giữ không đổi trong suốt thời gian chuyển đổi. Để thực hiện việc đó, dùng mạch Track-and-Hold – T&H. Cấu trúc cơ bản của mạch T&H trên hình 6.15.

Sau mỗi lần mở chuyển mạch, tụ điện nạp đến giá trị điện áp đầu vào uvao(t) và lưu giữ giá trị tức thời của điện áp đầu vào trước thời điểm mở chuyển mạch. Cả hai bộ khuếch đại thuật toán làm bộ đệm buffer cho đầu vào cũng như đầu ra.

Một mạch T&H khác được mô tả trên hình 6.16.

Một transistor trường FET cực cổng cách ly (Isolated – Gate – FET) được mắc giữa KĐTT đảo pha và KĐTT tích phân. Khi usamp = 0, transistor FET sẽ dẫn và điện áp đầu đầu ra uA tương ứng điện áp đầu vào, giả thiết hằng số thời gian tích phân của KĐTT (được xác định bởi dòng điện đầu ra cực đại của KĐTT là đủ nhỏ). Vào thời điểm t=t0, transistor trường khóa ,như vậy việc nạp tụ không đổi, điện áp đầu ra UA được giữ lại ở mức giá trị UA(t)=UA(t0), cho đến khi transistor trường được điều khiển mở mạch. Khi FET đóng, các diode sẽ dẫn và nhờ đó mà tránh được hiện tượng KĐTT bị quá điều khiển.

Hình 6.16: Mạch lấy mẫu và giữ (Track & Hold) dùng FET

Hình 6.17: Ví dụ về DAC 4 bit

189

6.2.5 Các bộ biến đổi tương tự – số, số - tương tự (ADC/DAC)

6.2.5.1 Biến đổi số – Tương tự (DAC – Digital to Analog Converter)

Mục đích của bộ biến đổi DA, là biến đổi tín hiệu nhị phân n bit thành dòng hay áp tương ứng. Hình 6.17 mô tả một bộ biến đổi DA 4 bit đơn giản. Về nguyên tắc bộ chuyển đổi số-tương tự tiếp nhận một mã số n bit song song hoặc nối tiếp ở lối vào và biến đổi ra dòng điện hoặc điện áp tương ứng ở lối ra. Dòng điện hay điện áp ở lối ra là hàm biến thiên phù hợp theo mã số ở lối vào.

Sơ đồ khối một bộ DAC hoàn chỉnh hình 6.18 bao gồm ba phần tử cơ bản: Ðiện áp quy chiếu ổn định bên ngoài (Vref) DAC cơ sở Khuếch đại thuật toán Như vậy điện áp đầu ra của bộ biến đổi V0 sẽ phụ thuộc vào mã nhị phân đầu vào theo

công thức sau: V0 = Vref (B020 + B121 + ... + Bn2n)

Trong đó B0 là bit thấp nhất và Bn là bit cao nhất của mã nhị phân đầu vào, Vref là điện áp quy chiếu.

DAC cơ sở cấu tạo bằng những chuyển mạch tương tự được điều khiển bởi mã số đầu vào và các điện trở chính xác. Các chuyển mạch tương tự điều chỉnh dòng điện hay điện áp trích ra từ điện áp quy chiếu và tạo nên dòng điện hay điện áp ở đầu ra tương ứng với mã số đầu vào.

Mạch khuếch đại thuật toán dùng ở đây để chuyển đổi dòng thành áp đồng thời có chức năng tầng đệm.

Bộ biến đổi DAC có đặc điểm là đại lượng ra tương tự không liên tục, độ rời rạc của đầu ra phụ thuộc vào số bit của bộ biến đổi, những DAC có số bit đầu vào lớn thì tổng số nấc điện áp ra càng lớn và khoảng cách giữa các nấc càng nhỏ.

Hình 6.18: Sơ đồ khối DAC

190

Các tham số của bộ chuyển đổi DA: Ðộ phân giải (Solution): Liên quan đến số bit của một DAC. Nếu số bit là n thì số

trạng thái của tín hiệu nhị phân là 2n nghĩa là sẽ có 2n mức điện thế (hoặc dòng điện) khác nhau, do đó có độ phân giải là 1/2n. Ðộ phân giải càng bé thì điện thế (hoặc dòng điện đầu ra) càng có dạng liên tục, càng gần với thực tế và ngược lại.

Ðộ chính xác (Accuracy): Có thể đánh giá chất lượng của một DAC bằng sai số của nó. Ðại lượng biểu diễn sai số là độ lệch tối đa giữa đại lượng ra và một đường thẳng nối điểm 0 với điểm FS (Full Scale) trên đặc tuyến chuyển đổi DA.

Ðộ tuyến tính (Linearity): Ðộ tuyến tính của DAC cho biết độ lệch điện áp so với một đường thẳng đi qua những điểm nút của đặc tuyến chuyển đổi. Ðó là đặc tính thường gặp nhất với DAC. Ðường cong đặc tuyến là đơn điệu nếu sự thay đổi độ lệch trên là không đổi dấu. Ðể có một DAC đơn điệu, độ lệch này phải lớn hơn 0 cho mỗi nấc thang. Ngoài ra mức độ tuyến tính của DAC phải nhỏ hơn hoặc bằng 1/2 LSB để nó trở nên đơn điệu. Như vậy 1/2 LSB là đặc trưng về giới hạn đơn điệu của một DAC.

Phi tuyến vi sai: là đại lượng cho biết độ lệch giữa giá trị thực tế và lý tưởng cho một nấc điện áp ra ứng với mỗi thay đổi của mã số vào. Ðại lượng này cho biết về độ nhẵn của đường cong đặc tuyến đối với DAC.

Thời gian thiết lập: đối với một DAC là thời gian cần thiết để điện áp ra đạt tới giá trị tới hạn sai số xung quanh giá trị ổn định. Giới hạn này thường là 1/2 LSB hoặc biểu diễn bằng giá trị FS. Thời gian thiết lập trước hết phụ thuộc vào kiểu chuyển mạch, kiểu điện trở và kiểu khuếch đại dùng để xây dựng bộ DAC. Thông thường nó được định nghĩa bằng thời gian từ khi điện áp bắt đầu thay đổi cho tới khi đạt tới vùng giới hạn sai số cho trước. Nó không bao gồm thời gian trễ tính từ khi có sự thay đổi mã số ở đầu vào cho tới khi điện áp ra bắt đầu đáp ứng.

Các mạch DAC điển hình Các DAC có thể được xây dựng theo một trong những kiểu mạch sau:

Chuyển đổi DA theo kiểu điện trở trọng lượng Chuyển đổi DA theo kiểu mạch R-2R Chuyển đổi DA theo phương pháp mã hoá Shannon-Rack Bộ chuyển đổi DA theo kiểu điện trở trọng lượng (Weighted resistor DAC)

Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn Uch, các chuyển mạch, các điện trở có giá trị lần lượt là R, R/2, R/4, ... , R/2n-1 và các mạch khuếch đại thuật toán (hình 6.19). Với mạch điện này, khi một khoá điện nào được nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ cung cấp cho bộ KÐTT dòng điện. Dòng điện này độc lập với các khoá còn lại. Như vậy có thể thấy ngay rằng biên độ điện áp ra phụ thuộc vào các vị trí được đóng hay mở khoá nghĩa là được nối với điện áp chuẩn Uch hay nói cách khác phụ thuộc vào giá trị các bit tương ứng

191

trong tín hiệu số đưa vào mạch chuyển đổi. Một cách tổng quát, với một DAC có n bit thì tín hiệu ra được tính theo công thức:

Ura = -Uch (2n-1.Bn-1 + 2n-2.Bn-2 + ... + 21.B1 + 20.B0) Trong đó B0 - Bn-1 có giá trị "0" hoặc "1".

Hình 6.19: DAC theo phương pháp điện trở trọng lượng

Mạch có ưu điểm là đơn giản, nhưng nhược điểm là độ chính xác và tính ổn định của

kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số tuyệt đối của các điện trở và sự ổn định của chúng trong các môi trường khác nhau. Ngoài ra còn phụ thuộc vào tính ổn định và độ chính xác của nguồn điện áp chuẩn. Bộ chuyển đổi DA theo kiểu thang điện trở R-2R (R-2R ladder)

Hình 6.20: DAC theo phương pháp mạch R-2R

DAC với thang điện trở R-2R (hình 6.20) khắc phục được một số nhược điểm của DAC điện trở trọng lượng. Mạch chỉ gồm hai điện trở R và 2R mắc theo hình thang với nhiều khoá điện (mỗi khoá điện cho một bit) và một nguồn điện áp chuẩn Uch. Ðại lượng cần tìm là dòng Ith chảy vào mạch KÐTT khi có một số khoá điện được nối với Uch. Theo mạch điện ta có:

192

Ura = -Ith.Rf Xét tại chuyển mạch tương ứng với bit thứ i, nút tương ứng trên mạch hình thang là 2i.

Sử dụng định lý Thevenin, khi đóng chuyển mạch vào Uch thì điện thế tương đương Thevenin tại nút 2i sẽ là Uch/2 và nguồn tương có nội trở là R, như vậy tại nút 2i+1 (tiến về phía mạch KÐTT) ta có nguồn tương đương Thevenin có trị số là Uch/4 và nội trở là R.

Từ những kết quả trên suy ra rằng khi di chuyển về phía mạch KÐTT thì trị số điện thế Thevenin tại mỗi nút bằng một nửa trị số tại nút kề cận bên trái nó, và tại nút 2n-1 do đặc tính của bộ KÐTT điện thế được coi bằng 0V.

Một cách tổng quát, ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit với điện trở hình thang R-2R như sau:

Trong đó B0 - Bn-1 có giá trị "0" hoặc "1". Các DAC theo thang điện trở phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ nếu một DAC n bit

thì cần dùng 2(n-1) điện trở trong khi phương pháp điện trở trọng lượng chỉ phải dùng n thôi. Nhưng bù lại độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra được đảm bảo tốt hơn. Ghép nối DAC với hệ VXL

Khi sử dụng một DAC 8 bit trong một hệ thống vi xử lý, một cách đơn giản có thể nối các ngõ vào của chúng tới một cổng ngõ ra, hoặc một số bộ DAC còn cho phép nối trực tiếp các ngõ vào của chúng tới Bus dữ liệu như đối với một cổng vào ra thông thường.

Còn đối với các ứng dụng yêu cầu độ phân giải 12 bit, cần phải sử dụng các DAC 12 bit. Nhưng nếu hệ thống sử dụng vi xử lý 8 bit, trước hết phải nối 8 bit thấp của DAC tới một cổng vào ra, còn 4 bit cao của nó phải nối tới một cổng vào ra khác. Trong chương trình cần phải chuyển 8 bit thấp tới bằng một lệnh ghi, và 4 bit cao bằng một lệnh ghi khác. Nhưng khi sử dụng hai lần ghi như vậy, ngõ ra sẽ bị đột biến, trước khi đạt được giá trị ổn định như mong muốn. Ví dụ khi muốn biến đổi giá trị của 1 DAC 12 bit từ 0000 1111 1111 thành 0001 0000 0000. Khi ghi 8 bit thấp tới DAC, ngõ ra của nó sẽ thay đổi giá trị từ 0000 1111 1111 thành 0000 0000 0000, sau đó ghi tới 4 bit cao ngõ ra với trở về giá trị mong muốn là 0001 0000 0000. Như vậy trong khoảng thời gian giữa hai lần ghi sẽ là giá trị không mong muốn. Trong nhiều hệ thống vấn đề trên sẽ gây ra hoạt động không ổn định. Để tránh được nhược điểm này có thể sử dụng các bộ cài tại ngõ vào DAC. Bộ cài sẽ được nạp giá trị hai lần sau đó chuyển đồng thời 12 bit tới DAC. Rất nhiều bộ DAC hiện nay cho phép thực hiện công việc trên một cách dễ dàng. Hình 5.36a trình bày cấu trúc ngõ vào của DAC1230 và DAC08 của hãng national, chúng có bộ cài 4 bit thấp vì thế có thể ghi tới 12 bit ngõ vào bằng hai lệnh ghi từ các cổng vào ra 8 bit, hoặc trực tiếp từ Bus dữ liệu. Cũng có thể nối các ngõ vào của DAC này tới các đường dữ liệu của các hệ thống 16 bit như trên hình 6.21.

193

Các bộ DAC yêu cầu điện áp chuẩn chính xác, mạch hình 5.36b sử dụng điện áp chuẩn – 10,000V. Các DAC cung cấp dòng ngõ ra, vì vậy cần nối thêm một mạch Op Amp ở ngõ ra để biến đổi thành điện áp tương ứng. Thông thường sử dụng các bộ khuếch đại có ngõ vào FET, vì dòng phân cực ngõ vào của các bộ khuếch đại lưỡng cực có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của ngõ ra. Chú ý trong mạch sử dụng masse số và masse tương tự riêng nhau, để tránh nhiễu cho tín hiệu số gây ra bởi sự méo dạng của tín hiệu tương tự.

+15V

-15V

+

-

U8

LF356

3

26

7 14 5

C2

20pF

50

25K

Vout

Vcc

Zero Adjust

Iout1

Iout2

Vcc

Vref

Rfb

DAC1208

Agnd Dgnd

Full - Scale Adjust

+15V

Vref

Vout = - (Iout1 x Rfb) = -Vref (D)/4096

8 bit input latch

(a)

12 bit DAC

register

Tới các công tắc

dòng

16 bit Bus dữ liệu

Byte1 /byte2

WR2

CS

WR1

Vcc

Cung cấp từ bộ giải mã

địa chỉ WR

XFER

(b)

Hình 6.21: (a) Cấu trúc cài bên trong của DAC1208. (b) Mạch kết nối tương tự.

194

6.2.5.2 Biến đổi tương tự – số (ADC – Analog to Digital Converter) Trong phần trước chúng ta đã bàn đến việc thu nhận các tín hiệu thông qua các sensor

nhiệt, áp suất ... và các mạch khuếch đại thuật toán dùng để khuếch đại và lọc các tín hiệu điện này. Bước tiếp theo là bộ biến đổi AD biến đổi tín hiệu tương tự sang dạng số để có thể làm việc được với CPU.

Trong một bộ ADC, tín hiệu tương tự sau khi qua xử lý được đưa vào mạch lấy mẫu. Mạch lấy mẫu sẽ Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại các thời điểm khác nhau và cách đều nhau, nói cách khác đây là quá trình rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian.

Sau khi lấy mẫu, các mẫu điện áp sẽ được lượng tử hoá và mã hoá. Quá trình lượng tử hoá về bản chất là quá trình làm tròn số được thực hiện theo nguyên tắc so sánh, tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một đơn vị chuẩn. Còn mã hoá là quá trình xắp xếp lại kết quả đã lượng tử theo một quy luật nhất định tuỳ thuộc vào loại mã yêu cầu ở đầu ra bộ biến đổi.

Các tham số cơ bản của bộ chuyển đổi gồm có: Dải biến đổi của điện áp tương tự đầu vào là khoảng điện áp mà ADC có thể thực

hiện chuyển đổi được. Khoảng điện áp này có thể lấy giá trị từ 0 đến một giá trị âm hay dương, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính -UAM tới + UAM.

Ðộ chính xác của ADC: Tham số đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân giải (Resolution). Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị số được xắp xếp theo một quy luật nào đó. Số các số hạng ở mã đầu ra (số bit trong từ mã nhị phân) tương ứng với dải biến đổi điện áp vào cho biết mức chính xác của phép biến đổi.

Ví dụ một bộ biến đổi AD có số bit đầu ra là N=12 thì sẽ phân biệt được 212=2096 mức trong dải biến đổi điện áp đầu vào của nó - UAM chẳng hạn. Như vậy mỗi mức ADC phân biệt được ở đầu vào là UAM/2096. Trong thực tế người ta dùng số bit N để đặc trưng cho độ chính xác của một ADC khi dải biến đổi điện áp đầu vào là không đổi.

Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số như: méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số đơn điệu, sai số lượng tử hoá ...

Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, còn được gọi là tần số chuyển đổi fc. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi (Tc = 1/fc). Tốc độ chuyển đổi càng cao thì độ chính xác càng giảm và ngược lại.

Các phương pháp chuyển đổi AD Có nhiều cách để phân loại các bộ biến đổi AD, hay dùng hơn cả là phương pháp phân

loại về mặt thời gian. Phương pháp này có ưu điểm là cho phép phán đoán một cách tổng quát về tốc độ chuyển đổi.

195

Chuyển đổi song song (Parallel Comparator ADC): Tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn, vì vậy các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra.

Chuyển đổi nối tiếp theo mã đếm: Quá trình so sánh được thực hiện từng bước theo quy luật mã đếm. Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi.

Chuyển đổi nối tiếp theo mã nhị phân: Quá trình so sánh được thực hiện từng bước theo quy luật của mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có ý nghĩa nhất MSB (Most Significant Bit) đến bit có ít ý nghĩa nhất LSB (Least Significant Bit).

Chuyển đổi song song - nối tiếp kết hợp: Trong phương pháp này qua mỗi bước so sánh có thể xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời.

Chuyển đổi theo phương pháp song song

Hình 6.22: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song

Nguyên tắc của bộ chuyển đổi:

Tín hiệu tương tự UA được đồng thời đưa đến các bộ so sánh từ S1 - Sm. Ðiện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào thứ hai của bộ so sánh qua thang điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 - Sm. Ðầu ra của các bộ so sánh có điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở thì có mức logic "1", còn ngược lại có mức logic "0".

196

Các đầu ra của mạch được nối với một mạch "AND", đầu còn lại của mạch "AND" nối với xung nhịp. Chỉ khi xuất hiện xung nhịp ở đầu vào mạch "AND" thì xung ra của bộ so sánh được vào mạch nhớ Flip - Flop (FF). Như vậy xung nhịp đóng vai trò đảm bảo cho quá trình so sánh và đưa tín hiệu vào bộ nhớ, sau đó bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân (có thể là dạng khác). Mạch biến đổi song song có ưu điểm là tốc độ chuyển đổi nhanh, nhưng kết cấu mạch khá phức tạp nếu ta tăng độ phân giải của phép biến đổi AD (resolution). Thực vậy, để thiết lập một bộ biến đổi có độ phân giải n bit thì cần phải có (2n -1) bộ so sánh, do vậy phương pháp này chỉ dùng cho các bộ ADC tốc độ cao và độ phân giải thấp. Chuyển đổi AD theo phương pháp đếm

Hình 6.23: Sơ đồ khối mạch ADC kiểu đếm

Mạch bao gồm các phần tử: Bộ so sánh, RS Flip-Flop, cổng "AND" dùng để đóng mở

xung nhịp, bộ đếm n bit và một DAC n bit. Các phần tử được mắc thành mạch hồi tiếp. Hoạt động của mạch: Lúc đầu mạch Flip-Flop và mạch đếm được Reset, lối ra Q của

FF ở mức logic "0", bộ đếm cũng xoá về 0, do đó điện áp ra UDAC của DAC là 0V. Cổng AND mở để cho các xung nhịp vào mạch đếm. Lúc này điện áp vào Ua lớn hơn UADC nên Uss ở trị thấp. UDAC tăng dần theo hình bậc thang vì mạch đếm liên tục đổi trạng thái từ thấp lên cao, khi UDAC đủ lớn hơn Ua thì Uss chuyển lên cao làm cho lối ra Q của FF chuyển lên mức logic "0" làm cổng AND đóng lại. Lúc này nội dung bộ đếm là tín hiệu số n bit tương ứng với tín hiệu tương tự Ua cần chuyển đổi.

197

Như vậy thời gian chuyển đổi của ADC kiểu đếm phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu tương tự Ua và tần số xung nhịp. Nếu Ua càng lớn thì thời gian chuyển đổi càng dài, nếu xung nhịp cao thì thời gian chuyển đổi ngắn.

Ngoài ra ADC kiểu đếm còn có một đặc điểm là thời gian chuyển đổi của mạch sẽ hạn chế tần số biến thiên cao nhất của tín hiệu tương tự đầu vào Ua. Chuyển đổi AD theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp

Hình 6.24: Sơ đồ khối mạch ADC xấp xỉ liên tiếp

Chuyển đổi AD theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp có ưu điểm lớn là thời gian chuyển

đổi tỷ lệ thuận với số bit của mã số và thời gian thiết lập của mạch ghi chứ không phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu chuyển đổi.

Khởi đầu mạch ghi ở trạng thái Reset, sau đó mạch điều khiển kích thích để bit lớn nhất xuất hiện. Khi đó sẽ xảy ra một trong hai trường hợp:

Nếu UDAC > Ua thì bit này được bỏ qua (vẫn thiết lập "0") Nếu UADC < Ua thì bit này được duy trì (thiết lập "1") Sau đó lại kích thích để bit kế tiếp xuất hiện, và công việc so sánh cứ tiếp tục đến khi

UDAC = Ua thì quá trình chuyển đổi kết thúc. Chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai độ dốc.

Hình 6.25 trình bày sơ đồ các khối chức năng của một bộ ADC hai độ dốc. Loại ADC này thường sử dụng trong các volt kế số vì có số bit phân giải cao với giá thành hạ.

Khi bắt đầu biến đổi mạch điều khiển sẽ xoá bộ đếm về 0 và nối ngõ vào của mạch tích phân tới tín hiệu điện áp cần biến đổi. Khi điện áp cần biến đổi dương, ngõ ra mạch tích phân sẽ là một điện áp âm. Khi ngõ ra mạch so sánh có điện áp âm khoảng vài microvolt, ngõ ra bộ so sánh vẫn ở mức cao, lúc này cổng AND cho phép xung 1 Mhz

198

đưa vào bộ đếm. Sau một giá trị đếm xác định nào đó (thường là 1000), mạch điều khiển sẽ chuyển ngõ vào của mạch tích phân tới điện áp chuẩn âm và xoá bộ đếm. Với điện áp ngõ vào âm, điện áp ngõ ra của mạch tích phân sẽ tăng dần về 0. Khi ngõ ra mạch tích phân đạt tới 0 volt, ngõ ra mạch so sánh sẽ chuyển trạng thái về mức thấp cắt xung clock cung cấp tới bộ đếm. Giá trị đếm được trong bộ đếm cho tới khi ngõ ra mạch tích phân đạt tới 0 volt sẽ tương ứng với giá trị điện áp vào. Ghép nối ADC với hệ VXL Giao tiếp với ADC so sánh song song.

Trong hầu hết các ứng dụng sử dụng các bộ ADC biến đổi song song, các bộ ADC này sẽ cung cấp dữ liệu ngõ ra thông thường rất nhanh so với yêu cầu. Vì vậy hoàn toàn có thể sử dụng một mạch thâm nhập trực tiếp bộ nhớ để nạp trực tiếp các dữ liệu của ADC vào bộ nhớ mà không cần sự điều khiển của vi xử lý. Bộ vi xử lý sau đó có thể xử lý các dữ liệu đã được lấy vào bộ nhớ. Giao tiếp với ADC hai độ dốc và đếm liên tiếp. Với các bộ ADC hai độ dốc và đếm liên tiếp, thời gian biến đổi là khá chậm so với tốc độ hoạt động của CPU. Để đọc được dữ liệu đúng, cần kiểm tra trạng thái của tín hiệu chốt dữ liệu cung cấp từ mạch điều khiển trong ADC. Khi tín hiệu này tác động mức cao, vi xử lý có thể đọc được một mã dữ liệu để ghi vào bộ nhớ.

U3A

74AC11008

1

162

Display

Latchs

+

-

U1A

TL022C

3

21

84

SW ControlVref

AnalogVin

Decoder/Drivers

+

-

U2A

TL022C

3

21

84

MSB

R1

R

Reset

LatchControlCircuits

Binary or BCD counter

Hình 6.25: Bộ biến đổi AD hai độ dốc.

1-Mhz Clock C1

C

Integrator

Comparator

199

Giao tiếp với ADC xấp xỉ liên tiếp. Đọc dữ liệu trong các bộ ADC xấp xỉ liên tiếp cần thực hiện theo sự điều khiển của chương trình. Trước hết cần cung cấp tín hiệu khởi động quá trình biến đổi SC (Start Converter) từ vi xử lý tới ADC. Tiếp theo kiểm tra ngõ ra EOC của ADC để biết được thời điểm quá trình biến đổi kết thúc. Khi EOC tác động, vi xử lý có thể đọc được một dữ liệu hợp lệ cung cấp từ ADC. Với các bộ ADC có nhiều kênh vào, thông thường chúng sẽ có các đường địa chỉ và tín hiệu cài địa chỉ để chọn kênh. Công việc này được thực hiện dễ dàng bằng phần mềm.