HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 1
=====o0o=====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI :

BỘ CHUYỂN ĐỔI DAC
Giảng viên hướng dẫn : Trần Thị Thúy Hà
Môn học

: Thiết kế ngoại vi và kĩ thuật ghép nối

Nhóm mơn học

: 02

Nhóm bài tập lớn

: 08

Sinh viên thực hiện

: Lê Phương Nam
Nguyễn Hải Long

B18DCDT163
B18DCDT131

Nguyễn Ngọc Tiến B18DCDT210
Trần Trung hiếu

HÀ NỘI, 04 / 2022
---⁃⁃⁃⁃‹‹‹﴾֍﴿›››⁃⁃⁃⁃---

B18DCDT079


2

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học

MỤC LỤC
1. Bộ chuyển đổi DAC là gì ? .....................................................................................3
1.1

Bộ chuyển đổi DAC là gì ? ..............................................................................3

1.2

Tại sao cần DAC ?............................................................................................3

2. Cách hoạt động của DAC .......................................................................................4
2.1

Độ phân giải ......................................................................................................4

2.2

Các loại DAC và cách hoạt động ....................................................................5


2.2.1

DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân và bộ khuếch đại cộng. ........6

2.2.2

DAC R/2R ladder ......................................................................................7

2.2.3

Một vài tích chất khác của DAC ............................................................10

3. Một số hạn chế và ứng dụng của DAC ...............................................................11
3.1

Hạn chế của DAC ...........................................................................................11

3.2

Ứng dụng của DAC ........................................................................................12

Phân công công việc và đánh giá các thành viên trong nhóm .................................13
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................14

NHĨM 8

2


3


Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học

Bộ chuyển đổi DAC
1. Bộ chuyển đổi DAC là gì ?
1.1 Bộ chuyển đổi DAC là gì ?
Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang analog thường được gọi là DAC viết tắt của Digital
to Analog Converter, D / A hoặc D2A là một thiết bị chuyển đổi các giá trị nhị phân (0
và 1) thành một tập hợp các điện áp liên tục (tín hiệu analog).

Hình 1.1 : Sơ đồ khối hệ thống nhúng của điện thoại di động
1.2 Tại sao cần DAC ?
Trong thực tế mọi sự cảm nhận từ các giác quan đa phần đều dựa trên các tín hiệu
tương tự (tín hiệu Analog) đặc biệt là tai. Vì thế những tín hiệu từ các thiết bị máy móc
tạo ra muốn con người hiểu được thì phải chuyển đổi sang tín hiệu hiệu tương tự (tín
hiệu Analog)

Hình 1.2: ADC được sử dụng trong thực tế
NHÓM 8

3


4

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học

Trong kỹ thuật số, ta thấy đại lượng số có giá trị xác định là một trong hai khả năng
là 0 hoặc 1, cao hay thấp, đúng hoặc sai, vv… Trong thực tế chúng ta thấy rằng một đại
lượng số (chẳng hạn mức điện thế) thực ra có thể có một giá trị bất kỳ nằm trong khoảng

xác định và ta định rõ các giá trị trong phạm vi xác định sẽ có chung giá trị dạng số..
Ví dụ: Với logic TTL ta có: Từ 0V đến 0,8V là mức logic 0, từ 2V đến 5V là mức
logic 1 . Như vậy thì bất kỳ mức điện thế nào nằm trong khoảng 0 – 0,8V đều mang giá
trị số là logic 0, còn mọi điện thế nằm trong khoảng 2 – 5V đều được gán giá trị số là 1.
Ngược lại trong kỹ thuật tương tự, đại lượng tương tự có thể lấy giá trị bất kỳ trong
một khoảng giá trị liên tục. Và điều quan trọng hơn nữa là giá trị chính xác của đại lượng
tương tự là là yếu tố quan trọng
Trong khi các tín hiệu tương tự có thể liên tục và cung cấp vô số giá trị điện áp khác
nhau, mặt khác, các mạch kỹ thuật số hoạt động với tín hiệu nhị phân chỉ có hai trạng
thái rời rạc, logic “1” (CAO) hoặc logic “0” (THẤP). Vì vậy, cần phải có một mạch điện
tử có thể chuyển đổi giữa hai lĩnh vực khác nhau của tín hiệu tương tự thay đổi liên tục
và tín hiệu kỹ thuật số rời rạc, và đây là lúc Phương pháp chuyển đổi DAC ra đời.

Hình 1.3: Sự khác nhau giữa hai dạng tín hiệu
2. Cách hoạt động của DAC
2.1 Độ phân giải
Độ phân giải (resolution) của bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi nhỏ nhất
có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết qua của một thay đổi ở đầu vào số.
Độ phân giải của DAC phụ thuộc vào số bit, do đó các nhà chế tạo thường ấn định
độ phân giải của DAC ở dạng số bit. DAC 10 bit có độ phân giải tinh hơn DAC 8 bit.
DAC có càng nhiều bit thì độ phân giải càng tinh hơn.

NHÓM 8

4


5

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học


Độ phân giải luôn bằng trọng số của LSB. Cịn gọi là kích thước bậc thang (step
size), vì đó là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị của đầu vào số thay đổi từ bước này
sang bước khác.

Hình 1.4 : Độ phân giải của bộ ADC 4 Bit
Dạng sóng bậc thang (hình 2.1) có 16 mức với 16 thạng thái đầu vào nhưng chỉ có
15 bậc giữa mức 0 và mức cực đại. Với DAC có N bit thì tổng số mức khác nhau sẽ là
2^N, và tổng số bậc sẽ là 2N – 1.
2.2 Các loại DAC và cách hoạt động
 Nguyên tắc chung trong quá trình chuyển đổi DAC
Chuyển đổi tương tự(DAC) là q 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.

Hình 1.5: Sơ đồ khối của quá trình chuyển đổi DAC
NHÓM 8

5


6

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học

Tín hiệu đầu ra của DAC 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 LTT có tín hiệu VA biến
thiên liên tục theo thời gian là tín hiệu nội suy của Vm
2.2.1 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân và bộ khuếch đại cộng.
Hình 2.1 là sơ đồ mạch của một mạch DAC 4 bit dùng điện trở và bộ khuếch đại
đảo. Bốn đầu vào A, B, C, D có giá trị giả định lần lượt là 0V và 5V.


Hình 1.6 : Sơ đồ nguyên lý DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân và bộ
khuếch đại cộng
Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier – Op Amp) được dùng làm bộ
cộng đảo cho tổng trọng số của bốn mức điện thế vào. Ta thấy các điện trở đầu vào
giảm dần 1/2 lần điện trở trước nó. Nghĩa là đầu vào D (MSB) có RIN = 1k, vì vậy bộ
khuếch đại cộng chuyển ngay mức điện thế tại D đi mà không làm suy giảm (vì Rf =
1k). Đầu vào C có R = 2k, suy giảm đi 1/2, tương tự đầu vào B suy giảm 1/4 và đầu
vào A giảm 1/8. Do đó đầu ra bộ khuếch đại được tính bởi biểu thức:

(4)
Dấu âm (-) biểu thị bộ khuếch đại cộng ở đây là khuếch đại cộng đảo. Dấu âm này
chúng ta không cần quan tâm.
Như vậy ngõ ra của bộ khuếch đại cộng là mức điện thế tương tự, biểu thị tổng
trọng số của các đầu vào. Dựa vào biểu thức (4) ta tính được các mức điện áp ra tương
ứng với các tổ hợp của các ngõ vào (hình 2.4):

NHĨM 8

6


7

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học

Hình 1.7: Tín hiệu vào và điện áp đầu ra của bộ ADC 4 Bit
2.2.2 DAC R/2R ladder
Mạch DAC ta vừa khảo sát sử dụng điện trở có trọng số nhị phân tạo trọng số thích
hợp cho từng bit vào. Tuy nhiên có nhiều hạn chế trong thực tế. Hạn chế lớn nhất đó là

khoảng cách chênh lệch đáng kể ở giá trị điện trở giữa LSB và MSB, nhất là trong các
DAC có độ phân giải cao (nhiều bit). Ví dụ nếu điện trở MSB = 1k trong DAC 12 bit,
thì điện trở LSB sẽ có giá trị trên 2M. Điều này rất khó cho việc chế tạo các IC có độ
biến thiên rộng về điện trở để có thể duy trì tỷ lệ chính xác.
Để khắc phục được nhược điểm này, người ta đã tìm ra một mạch DAC đáp ứng
được yêu cầu đó là mạch DAC mạng R/2R ladder. Các điện trở trong mạch này chỉ biến
thiên trong khoảng từ 2R đến R. Hình 1.8 là một mạch DAC R/2R ladder cơ bản.

NHÓM 8

7


8

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học

Hình 1.8 : Sơ đồ nguyên lý DAC R/2R ladder 4 Bit
Từ hình 2.2 ta thấy được cách sắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị được sử dụng là
R và 2R. Dịng IOUT phụ thuộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đầu vào nhị phân B0 B1
B2 B3 chi phối trạng thái của các chuyển mạch này. Dòng ra IOUT được phép chạy qua
bộ biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện thế ra VOUT. Điện thế
ngõ ra VOUT được tính theo cơng thức:
𝑽𝑶𝑼𝑻 =

𝑹𝒇 𝑽𝑨 𝑽𝑩 𝑽𝑪 𝑽𝑫
{ +
+
+ }
𝑹 𝟐𝟒 𝟐𝟑 𝟐𝟐 𝟐𝟏


Hoặc tương đương (khi Rf = R):
𝑽𝑶𝑼𝑻 =

𝑽𝑨 + 𝟐𝑽𝑩 + 𝟒𝑽𝑪 + 𝟖𝑽𝑫
𝟏𝟔

Trong đó giá trị mẫu số là 16 tương ứng với 16 (2^4) kết hợp đầu vào có thể có của
mạng bậc thang R-2R 4 bit của DAC.
Chúng ta có thể mở rộng phương trình này hơn nữa để thu được phương trình DAC
R-2R tổng quát cho bất kỳ số lượng đầu vào kỹ thuật số nào cho bộ chuyển đổi R-2R D
/ A vì trọng số của mỗi bit đầu vào sẽ ln được tham chiếu đến bit ít quan trọng nhất
(LSB), Phương trình DAC R-2R tổng quát :
𝑽𝑶𝑼𝑻 =

𝑹𝒇 𝑽𝟏
𝑽𝟐
𝑽𝟑
𝑽𝑵−𝟏 𝑽𝑵
{ 𝑵 + 𝑵−𝟏 + 𝑵−𝟐 + ⋯ + 𝟐 + 𝟏 }
𝑹 𝟐
𝟐
𝟐
𝟐
𝟐

Trong đó: “n” đại diện cho số lượng đầu vào kỹ thuật số trong mạng bậc thang điện
trở R-2R của DAC tạo ra độ phân giải: V LSB = V IN / 2 n .

NHÓM 8


8


9

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học

Rõ ràng khi đó bit đầu vào V A khi CAO sẽ gây ra sự thay đổi nhỏ nhất trong điện
áp đầu ra, trong khi bit đầu vào V D khi CAO sẽ gây ra sự thay đổi lớn nhất trong điện
áp đầu ra. Do đó, điện áp đầu ra mong đợi được tính bằng cách tính tổng hiệu ứng của
tất cả các bit đầu vào riêng lẻ được kết nối CAO.
Lý tưởng nhất, mạng bậc thang nên tạo ra mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp đầu
vào và đầu ra tương tự vì mỗi đầu vào sẽ có mức tăng bước bằng LSB, chúng ta có thể
tạo bảng giá trị điện áp đầu ra dự kiến cho tất cả 16 kết hợp của 4 đầu vào với + 5V đại
diện cho điều kiện logic “1” như được hiển thị.
Đầu ra bộ chuyển đổi 4 bit R-2R DAC :
Đầu vào kỹ thuật số

Biểu thức V OUT

V OUT

D

C

B

A


(8*VD + 4*VC + 2*VB +
1*VA)/24

Volts

0

0

0

0

(0*5 + 0*5 + 0*5 + 0*5)/16

0

0

0

0

1

(0*5 + 0*5 + 0*5 + 1*5)/16

0.3125


0

0

1

0

(0*5 + 0*5 + 2*5 + 0*5)/16

0.6250

0

0

1

1

(0*5 + 0*5 + 2*5 + 1*5)/16

0.9375

0

1

0


0

(0*5 + 4*5 + 0*5 + 0*5)/16

1.2500

0

1

0

1

(0*5 + 4*5 + 0*5 + 1*5)/16

1.5625

0

1

1

0

(0*5 + 4*5 + 2*5 + 0*5)/16

1.8750


0

1

1

1

(0*5 + 4*5 + 2*5 + 1*5)/16

2.1875

1

0

0

0

(8*5 + 0*5 + 0*5 + 0*5)/16

2.5000

1

0

0


1

(8*5 + 0*5 + 0*5 + 1*5)/16

2.8125

1

0

1

0

(8*5 + 0*5 + 2*5 + 0*5)/16

3.1250

1

0

1

1

(8*5 + 0*5 + 2*5 + 1*5)/16

3.4375


1

1

0

0

(8*5 + 4*5 + 0*5 + 0*5)/16

3.7500

1

1

0

1

(8*5 + 4*5 + 0*5 + 1*5)/16

4.0625

1

1

1


0

(8*5 + 4*5 + 2*5 + 0*5)/16

4.3750

1

1

1

1

(8*5 + 4*5 + 2*5 + 1*5)/16

4.6875

NHÓM 8

9


10

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc mơn học

Hình 1.9 : Điện áp đầu ra của DAC sắp xếp theo số Bit đầu vào tăng dần
Lưu ý rằng điện áp đầu ra tương tự quy mô đầy đủ cho mã nhị phân 1111 không bao
giờ đạt cùng giá trị với điện áp đầu vào kỹ thuật số (+ 5V) nhưng nhỏ hơn tương đương

với một bit LSB, (312,5mV trong ví dụ này). Tuy nhiên, số lượng bit đầu vào kỹ thuật
số (độ phân giải) càng cao thì điện áp đầu ra tương tự càng gần đạt đến mức đầy đủ khi
tất cả các bit đầu vào đều ở mức CAO. Tương tự như vậy khi tất cả các bit đầu vào ở
mức THẤP, kết quả là độ phân giải thấp hơn của LSB làm cho V OUT gần với 0 volt.
2.2.3 Một vài tích chất khác của DAC
- Độ Chính Xác
Có nhiều cách đánh giá độ chính xác. Hai cách thơng dụng nhất là sai số toàn thang
(full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) thường được biểu biễn ở dạng phần
trăm đầu ra cực đại (đầy thang) của bộ chuyển đổi.
Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đầu ra DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng),
được biểu diễn ở dạng phần trăm.
Sai số tuyến tính là khoảng lệch tối đa ở kích thước bậc thang so với kích thước bậc
thang lý tưởng.

NHĨM 8

10


11

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học

Điều quan trọng của một DAC là độ chính xác và độ phân giải phải tương thích với
nhau.
- Sai Số Lệch
Theo lý tưởng thì đầu ra của DAC sẽ là 0V khi tất cả đầu vào nhị phân toàn là bit 0.
Tuy nhiên trên thực tế thì mức điện thế ra cho trường hợp này sẽ rất nhỏ, gọi là sai số
lệch ( offset error). Sai số này nếu khơng điều chỉnh thì sẽ được cộng vào đầu ra DAC
dự kiến trong tất cả các trường hợp.

Nhiều DAC có tính năng điều chỉnh sai số lệch ở bên ngoài, sẽ cho phép chúng ta
triệt tiêu độ lệch này bằng cách áp mọi bit 0 ở đầu vào DAC và theo dõi đầu ra. Khi đó
ta điều chỉnh chiết áp điều chỉnh độ lệch cho đến khi nào đầu ra bằng 0V.
- Thời Gian Ổn Định
Thời gian ổn định (settling time) là thời gian cần thiết để đầu ra DAC đi từ zero đến
bậc thang cao nhất khi đầu vào nhị phân biến thiên từ chuỗi bit toàn 0 đến chuổi bit toàn
là 1. Thực tế thời gian ổn định là thời gian để đầu vào DAC ổn định trong phạm vi ±1/2
kích thước bậc thang (độ phân giải) của giá trị cuối cùng.
Ví dụ: Một DAC có độ phân giải 10mV thì thời gian ổn định được đo là thời gian
đầu ra cần có để ổn định trong phạm vi 5mV của giá trị đầy thang.
Thời gian ổn định có giá trị biến thiên trong khoảng 50ns đến 10ns. DAC với đầu ra
dịng có thời gian ổn định ngắn hơn thời gian ổn định của DAC có đầu ra điện thế.
- Trạng Thái Đơn Điệu
DAC có tính chất đơn điệu ( monotonic) nếu đầu ra của nó tăng khi đầu vào nhị phân
tăng dần từ giá trị này lên giá trị kế tiếp. Nói cách khác là đầu ra bậc thang sẽ khơng có
bậc đi xuống khi đầu vào nhị phân tăng dần từ zero đến đầy thang.
3. Một số hạn chế và ứng dụng của DAC
3.1 Hạn chế của DAC
Sự chính xác: Các bộ DAC chỉ có thể tạo ra nhiều bước điện áp như số nhị phân cho
phép, nói cách khác là gần như không thể tạo ra các giá trị điện áp thực sự liên tục.
Sự phức tạp : Hầu hết các mạch DAC được đề cập ở trên đều cần một vài bộ phận
và điều này có thể khơng phải lúc nào cũng thực tế. Tuy nhiên, có sẵn các chip DAC rời
có thể giao tiếp với vi điều khiển thơng qua SPI và I2C.

NHĨM 8

11


12


Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học

3.2 Ứng dụng của DAC
 Xử lí Tín hiệu âm thanh
- Hầu hết các tín hiệu âm thanh hiện đại được lưu trữ dưới dạng kỹ thuật số (ví dụ
như MP3 và CD ) và để có thể nghe được qua loa, chúng phải được chuyển đổi
những tín hiệu kĩa thuật số này thành tín hiệu tương tự. Do đó, DAC được tìm
thấy trong máy nghe nhạc CD , máy nghe nhạc kỹ thuật số và card âm thanh của
máy tính , laptop .

Hình 1.10 : Ứng dụng của DAC trong lĩnh vực âm thanh
- Trong các ứng dụng thoại qua IP, nguồn tín hiệu thu được phải trải qua quá trình
chuyển đổi ADC và sau đó được tái tạo thành tương tự bằng cách sử dụng DAC
rồi đưa ra loa của thiết bị.
 Xử lí Tín hiệu Video
- Trình phát video kỹ thuật số sử dụng DAC để phát bất kỳ video kỹ thuật số nào
bằng những màn hình hỗ trợ đầu ra analog. Các trình phát video này chuyển đổi
tín hiệu kỹ thuật số từ tệp nguồn kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự.
 Thu thập dữ liệu
Nhiều loại cảm biến khơng dây tích hợp DAC để truyền nhận dữ liệu với bộ xử
lí thơng qua tín hiệu tương tự.
 Cơ khí
- Điều khiển động cơ
- Tham gia vào q trình tự động hóa
 Thơng tin liên lạc
- DAC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông hiện đại cho phép
tạo ra các tín hiệu truyền dẫn được xác định bằng kỹ thuật số. DAC tốc độ cao
được sử dụng cho thông tin liên lạc di động và DAC tốc độ cực cao được sử dụng
-


trong hệ thống truyền thơng quang học .

NHĨM 8

12


13

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học

Phân công công việc và đánh giá các thành viên trong nhóm
Tên đề tài

Tên thành viên

Bộ chuyển đổi DAC

Lê Phương Nam

Công việc được phân
công
Thuyết trình và làm silde

Nguyễn Hải Long

Trình bày ví dụ

Trần Trung Hiếu


Tìm kiếm nội dung

Nguyễn Ngọc Tiến

Tìm kiếm nội dung

Nhóm tự đánh giá
Lê Phương Nam : 9 Điểm
Nguyễn Hải Long : 9 Điểm
Trần trung Hiếu : 9 Điểm
Nguyễn Ngọc Tiến : 9 điểm

NHÓM 8

13


14

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối – Bài tập lớn kết thúc môn học

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thơng khi
đã đưa mơn Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối vào trong chương trình giảng dạy.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến giảng viên bộ môn Trần Thị Thúy Hà đã dạy
dỗ, rèn luyện và truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian
kỳ học vừa qua. Trong lớp học của cô,chúng em đã được tiếp thu thêm nhiều kiến thức
bổ ích, học tập được tinh thần làm việc nghiêm túc, hiệu quả. Đây thực sự là những điều
rất cần thiết cho quá trình học tập và cơng tác sau này của cả nhóm.

Thời lượng mơn học khơng nhiều, mặc dù đã có cố gắng nhưng những hiểu biết
và kỹ năng về môn học này của chúng em cịn hạn chế. Do đó bài báo cáo của chúng
em có thể cịn có những thiếu sót và những chỗ chưa chính xác, kính mong giảng viên
bộ mơn xem xét và góp ý giúp Bài báo cáo của nhóm em được hồn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2022
Sinh viên thực hiện
Lê Phương Nam
Nguyễn Hải Long
Nguyễn Ngọc Tiến
Trần Trung Hiếu

NHÓM 8

14