Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC.doc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây [310.45 KB, 37 trang ]
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt,
trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã tạo lên một động lực thúc đẩy và phát
triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng đợc nhu cầu của
con ngời trong cuộc sống. Con ngời với sự trợ giúp của máy móc, những
công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc
mà con ngời không thể làm đợc với khả năng của mình mà chỉ việc điều
khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích
hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối u hoá công việc.Với sự tiến bộ này đã đáp ứng
đợc những nhu cầu của con ngời trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong
sự phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên cứu, phát triển
của khoa học kỹ thuật của các nhà khoa học nói riêng
Đối với những học viên công nghệ phần cứng chúng ta thì việc nghiên cứu,
tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu t-
ơng tự thành tín hiệu số [ADC] và ngợc lại [DAC] có ý nghĩa thực tế hết sức
quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta những kiến thức sâu rộng,
hiện đại mà còn tạo cho chúng ta những kỹ năng làm việc cũng nh những
kinh nghiệm quý giá trong lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với sự
phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra tròng
Trong suốt thời gian qua, với những kiến thức đợc học ở trờng cùng với sự
giúp đỡ của th.s.Hà Mạnh Đào và các thầy cô trong trung tâm, chúng em đi
sâu việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ
chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số [ADC] và ngợc lại [DAC]. Tuy
đề tài không phải là mới nhng hiểu đợc nó và ứng dụng nó có ý nghĩa hết sức
thiết thực. Nó chính là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hoá đơn
giản, cũng nh là những hệ thống phức tạp đợc ứng dụng rộng rãi trong khoa
học và đời sống
Do kiến thúc còn hạn chế, cộng với thời gian tích luỹ cha nhiều nên bản đồ
án này không tránh khỏi thiếu sót và còn nhiều vấn đề cha đề cập đến hoặc
có nhng cha đi sâu, chúng em rất mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô và
các bạn trong chuyên ngành phần cứng nói riêng và trong toàn trung tâm đào
tạo công nghệ cao bách khoa nói chung
Chúng em xin chân thành cám ơn th.s.Hà Mạnh Đào cùng các thầy cô
trong trung tâm đào tạo công nghệ cao bách khoa đã tận tình hớng dẫn và tạo
nhiều điều kiện tốt trong quá trình học tập cũng nh trong quá trình hoàn
thành bản đồ án này
Phần mở đầu
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
1
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử
đang và sẽ tiếp tục đợc ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa
cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng nh trong đời sống xã
hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó, ngày nay việc gia
công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến
hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc trên cơ
sở nguyên lý số có những u điểm hơn hẳn cá thiết bị làm việc trên cơ sở
nguyên lý tơng tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lờng và
điều khiển và đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính đợc ứng dụng rộng
rãi ngày nay.Với sự ra đời các hệ thống số đã cải thiện , tối u những nhợc
điểm mà kỹ thuật tơng tự không đáp ứng đợc chẳng hạn nh sai số, tốc độ, tần
số làm việc, tổn hao .v.v... Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm các đại lợng
vật lý, hoá học, sinh học... là các đại lợng biến thiên theo thời gian hay nói
cách khác nó là các đại lợng tơng tự, để phối ghép với nguồn tín hiệu tơng tự
với nguồn xử lý số, nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ thống số ta
phải có các mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tơng tự sang dạng số ADC
[The Analog to Digital Convertor], tín hiệu sau khi đã đợc chuyển đổi đợc
xử lý qua một hệ thống xử lý tín hiệu số và đợc trả lại dạng tín hiệu ban đầu,
đó là tín hiệu tơng tự thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu số-tơng tự DAC
[The Digital to Analog Convertor ]. Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công
nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm nhập ngày càng
sâu vào đời sống kinh tế, xã hội và đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát
triển những ngành khoa học mới, đơn cử nh những hệ thống tự động hoá đo
lờng và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dới đây. Để mở rộng tầm
ứng dụng, cũng nh khả năng can thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh
vực khác nhau. Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa là
khả năng kết nối máy tính cũng nh việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi,
tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ cụ thể cũng nh vật t thiết bị có trong tay mà
việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục đích
khác nhau. Đặc biệt đợc ứng dụng rộng rãi trong đo lờng và điều khiển tự
động. Tuy nhiên, để có đợc điều đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn
tín hiệu đó là nguồn tín hiệu tơng tự và nguồn tín hiệu số. Việc này hết sức
quan trọng và không thể thiếu đợc trong hệ thống xử lý số, không những thế
việc nghiên cứu tìm hiểu nó cho ta biết đợc khả năng làm việc, đọ chính xác
của hệ thống cũng nh độ tin cậy của hệ thống
Phần 1
Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng dụng
trong đo lờng và điều khiển bằng máy tính
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
2
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Chơng 1
Chuyển đổi tơng tự số ADC
[The Analog to Digital Convertor]
1 .Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tơng tự số [ADC basic principles]
Tín hiệu tơng tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số
mã hoá là rời rac theo thơi gian. Để chuỷên đổi tín hiệu tơng tự sang dạng tín
hiệu số đòi hỏi phải lợng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu
số liên tục. Để có đợc điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những
khoảng thời gian nh nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành số. Nh
vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là:
- lấy mẫu
- nhớ mẫu
- lợng tử hoá
- mã hoá
1.1. Lấy mẫu tín hiệu [Singnal sample]
Việc lấy mâũ tín hiệu tơng tự tại những khoảng thời gian sao cho tín hiệu
số đợc mã hoá có thể khôi phục lại tín hiệu cũ một cách trung thực, ít ảnh h-
ởng của nhiễu và sai số do quá trình lấy mẫu. Theo định lý lấy mẫu của
Kacchenikop hay định lý lấy mẫu của Sharnon thì để khôi phục lại tín hiệu
cũ có độ trung thực tối thiểu thì tần số của tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối
thiểu bằng hai lần tần số lớn nhất của phổ tín hiệu tơng tự:
maxs
2.FF
[1].
Với:
max
F
là tần số max của dải phổ tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi
s
F
là tần số lấy mẫu
Nếu:
maxs
2.FF
=
thì ta gọi tần số lấy mẫu này là tàn số Nyguist.
Chu kỳ Nyguist:
a
2.F
1
F
1
Nyguist
T
==
[2].
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
3
0
t
U,i
0
t
U,i
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
Hình 1. Tín hiệu tơng tự và tín hiệu sau khi lợng tử và rời rạc hoá
Nh vậy, một tín hiệu tơng tự có hàm tin x[t] nào đó xác định trong khoảng
[
T
o
t,
o
t +
] hoàn toàn có thể khôi phục từ các mẫu rời rạc của nó x[k.
t
]
theo công thức:
X [t] =
1n
.x[k.
t
].
][
][sin
tkt
c
tkt
[3].
Với
c
: tần số cao nhất trong phổ x[t]
t
: bớc rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu:
c
f
c
t
2
1
==
[4].
[tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x[t] ]
Nh vậy số mẫu cần lấy là:
t
=
[5].
Gỉa sử coi nh bề rộng phổ của âm thanh chất lợng cao có tần số là :
Z
KHF 20=
.Nh vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý trên :
s
a
F
sny
à
5.2
5
10.5.2
20000.2
1
.2
1
=
===
1. 2. Lợng tử hoá và mã hoá tín hiệu [signal Coding and
Quantization].
Sau khi tính toán xác định tần số lấy mẫu của tín hiệu bằngđịnh lý lấy
mẫu ta đợc dãy các giá trị rời rạc.Thực hiện việc lợng tử hoá biên độ của tín
hiệu tơng tự, là biến dãy các giá trị rời rạc bất kỳ đó thành dãy các giá trị
nguyên x[k] bằng cách hết sức đơn giản là quy trò các giá trị đó. Tuy nhiên,
phải xác định đợc mức quy tròn
x
[giá trị này gọi là mức lợng tử hoá], điều
này sẽ gây ra sai số lợng tử hoá , tất nhiên ta có thể hạn chế sai số này một
Đề tài: các phơng pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm
4
Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt
cách tối thiểu là tăng tần số lấy mẫu. Số mẫu càng lớn thì sai số càng nhỏ,
điều này thể hiện qua số bit đầu ra củ bộ chuyển đổi, ngời ta dựa vào tham số
này để đánh giá chất lọng chuyển đổi cũng nh độ trung thực của tín hiệu khôi
phục.
Công thức lợng tử hoá:
}
{
5.0].[.][ += tkxkx
[5].
Với: E là phần nguyên.
VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu nh sau:
Giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu
X[k. t]
Giá trị sau khi quy tròn
11.7 12
10.3 10
13.8 14
18.2 18
22.6 23
24.9 25
14.1 14
Bảng 1. Gía trị rời rạc sau khi lấy mẫu và sau khi quy tròn
Sau khi thực hiện xong việc lợng tử hoá từ các tín hiệu rời rạc, ta thực hiện
việc mã hoá tín hiệu số. Trớc hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị
phân thì cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để có dợc
điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu.
Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để viết 1 con số thập
phân thì phải thoả mãn điều kiện:
3
10
< số thập phân <
4
10
Tơng tự với số nhị phân:
n
kx
n
2|][|max
1
2