Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử
Chương 4: Biến đổi DAC và ADC Th.S Lý Tú Nga
66
CHƯƠNG 4: BIẾN ĐỔI ADC VÀ DAC
4.1 Giới thiệu:
Do sự phát triển của kỹ thuật, hình thức thông tin mong muốn được lưu trữ dưới dạng
số hoá (để dễ dàng nén chúng lại với nhau) bắt buộc phải chuyển tín hiệu từ tương tự
sang số (analog to digital convert).
- Thông tin khi được ở dạng dữ liệu muốn biến đổi trở lại hình thức ban đầu của nó ta
phải biến đổi từ số sang tương tự (digital to analog convert).

Hình 4.1: sơ đồ khối biến đổi ADC và DAC.
- Hệ thống ADC chuyển sang DAC gọi là quá trình xử lý số.
- Trong bộ biến đổi ADC gồm có 2 bước:
Bước 1: lấy mẫu tín hiệu.
Bước 2: lượng tử hóa các mẫu (theo một số bit nào đó).
Ngày nay quá trình (các bước) được tích hợp dưới dạng IC như ADC0809.
4.2 Đònh lý lấy mẫu:
- Đònh nghóa: lấy mẫu (sampler) là quá trình đo đạc giá trò biên độ tín hiệu trong từng
khoảng thời gian nhất đònh, khoảng thời gian này được gọi là chu kỳ lấy mẫu.
- Sơ đồ khối:


Hình 4.2: sơ đồ khối quá trình lấy mẫu
x(t)
Tín hiệu
lấ
y
mẫu
Tín hiệu

tươn
g
tư
x(nT)
Tín hiệu
so
á

Tín hiệu
tương tự
ADC
Tín hiệu
so
á
Tín hiệu
tương tự
DAC
1s 2s 3s 4s 5s 6s t
x(t)
T 2T 3T 4T 5T 6T nT
x(nT)

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử
Chương 4: Biến đổi DAC và ADC Th.S Lý Tú Nga
67
- Tốc độ lấy mẫu: f
s
=số mẫu/ đơn vò thời gian= 1/T [Hz]
T là chu kỳ lấy mẫu
Vậy: tín hiệu thay đổi nhanh cần phải được lấy mẫu với f

s
cao
Tín hiệu thay đổi chậm cần phải được lấy mẫu với f
s
thấp.
Để giải quyết vấn đề trên đònh lý lấy mẫu cung cấp một tiêu chuẩn có tính đònh lượng
hơn.
* Đònh lý lấy mẫu (đònh lý shanon): để có thể biểu diễn chính xác tín hiệu x(t) bởi các
mẫu x(nT) cần phải thỏa mãn 2 điều kiện sau:
1) tín hiệu x(t) phải được giới hạn băng thông.
2) tần số lấy mẫu phải được chọn: f
s
≥
2f
max
, nghóa là khoảng cách thời gian lấy mẫu
T
max
2
1
f
≤

Theo đònh lý lấy mẫu, tần số lấy mẫu nhỏ nhất có thể được sẽ bằng 2 lần f
max
, nghóa là:
max
2 ff
s
= : tốc độ Nypuist.


Băng thông Nyquist: BW
Nyquist
=2f
max
* Bảng tần số lấy mẫu:
Lónh vực ứng dụng f
max
f
s
Thoại 4KHz 8KHz
Audio 20KHz 40KHz
Video 4MHz 8MHz
Ví dụ1: cho nguồn tín hiệu x(t)= tt
π
π
100cos310sin2
+
. Xác đònh tần so61 lấy mẫu f
s
, tần
số Nyquit?
Giải:
Tín hiệu x(t) có 2 thành phần: f
1
=
π
π
2
10

=5Hz và f
2
=
π
π
2
100
=50Hz
Như vậy: tần số cực đại là: f
max
= 50Hz.
-f
max
f
max
f
x(f)

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử
Chương 4: Biến đổi DAC và ADC Th.S Lý Tú Nga
68
Tốc độ Nyquist là: f
s
=2f
max
=100Hz.
Tần số Nyquist: f
s
/2=50Hz
4.3 Lượng tử hoá (quantizer):

- Sơ đồ khối:

Hình 4.3: sơ đồ khối lượng tử hóa
- Tụ giữ trong bộ lấy mẫu giữ cho mỗi mẫu đo được x(nT) trong thời gian tối đa T giây.
Sau đó bộ A/D chuyển đổi giá trò này thành 1 mẫu lượng tử hoá x
Q
(nT) được biểu diễn
bằng một số bit hữu hạn là B bits.
- Mẫu lượng tử hoá x
Q
(nT) biểu diễn bởi B bit chỉ có thể mang 1 trong 2
B
giá trò cho
phép.
- Một bộ chuyển đổi A/D đặc trưng bởi tầm đo toàn thang R, được chia đều thành 2
B
mức
lượng tử (xét trường hợp lượng tử hoá đều).

- Khoảng cách giữa các mức gọi là độ rộng lượng tử Q (hay độ phân giải lượng tử).
B
R
Q
2
=
[V] (4.1)
Ví dụ 2: bộ lượng tử hoá 3 bit với tầm toàn thang từ (1-10)V. Cho biết độ rộng lượng tử
hoá là bao nhiêu?
B bits/chu k
y

ø lấ
y
mẫu
x(nT)
x
Q
(nT)
x
(
t
)

Tín hiệu
lấy mẫu
Tín hiệu
tương tự
A/D
convert
Đ
ộ rộng lượng tử
[V]
-R/2
R/2
t


x(t)
x
Q
(nT)


Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử
Chương 4: Biến đổi DAC và ADC Th.S Lý Tú Nga
69
Giải:
Tầm điện áp toàn thang R=10V
p dụng công thức (4.1), ta có:
V
R
Q
B
25.1
2
==

- Lượng tử hoá x(t) dựa trên nguyên tắc làm tròn: thay thế mỗi giá trò x(t) bằng giá trò
mức lượng tử gần nhất.
- Mức cao nhất của lượng tử là:
Q
R
−
2
(4.2)
- Tín hiệu lượng tử hoá tạo ra ít méo dạng so với tín hiệu tương tự.
- Sai số hiệu dụng thực: e
rms
=
12
Q
(4.3)

- Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu: SNR (Signal to Noise Ratio).
B
Q
R
SNR 6log20
10
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
[dB] (4.4)
Công thức (4.4) được gọi là tầm động của lượng tử hoá.
Ví dụ 3: trong một ứng dụng âm thanh số, tín hiệu được lấy mẫu với tốc độ 44KHz và
các mẫu được lượng tử hoá bằng bộ chuyển đổi A/D có tầm toàn thang là 10V.
a) Xác đònh số bit B và tính giá trò sai số hiệu dụng thực nếu sai số lượng tử hiệu
dụng phải thấp hơn 50
V
μ

b) Tính tốc độ bit theo bps
Giải:
a) Ta có R=10V, sai số lượng tử phải thấp hơn 50
V
μ

suy ra Q=50
V
μ

p dụng công thức (4.3), ta có:
e
rms
=
12
Q
=14,4 V
μ

Số bit lượng tử, áp dụng (4.4):
B
Q
R
6log20
10
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

B=18bit


Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử
Chương 4: Biến đổi DAC và ADC Th.S Lý Tú Nga
70
b) tốc độ bit:
1bit f
s
=44KHz
B=18bit ?
Bf
s
= 18bit*44KHz= 792000bps
Ví dụ 4: bộ biến đổi ADC 8 bit có tầm điện áp ngõ vào là 0-5V
a) xác đònh khoảng cách lượng tử
b) Nếu nhiễu lượng tử có biên độ N=10mV thì chất lượng hệ thống bò ảnh hưởng như
thế nào?
Giải:
a) Khoảng cách lượng tử:
Vì chiều dài tín hiệu là 8bit nên B=8bit
Ta có R=5V.
Khoảng cách lượng tử: Q=5/2
8
=19.5mV
b) nhiễu lượng tử có biên độ N=10mV < Q=19.5mV nên không ảnh hưởng đến chất
lượng tín hiệu ra.
* Một số vấn đề cần lưu ý trong điều chế PCM (hay biến đổi tín hiệu tương tự sang số:
ADC)
- Tần số lấy mẫu càng lớn thì chất lượng càng cao (số lần tần số lấy mẫu trong một đơn
vò thời gian). Tần số lấy mẫu càng lớn thì tốc độ dữ liệu ngõ ra càng lớn.
- Nhiễu lượng tử: đánh giá ảnh hưởng của nhiễu lượng tử đến chất lượng: khi nhiễu lượng

tử có biên độ
≥ khoảng cách lượng tử thì chất lượng của bộ điều chế PCM giảm đáng kể.
- Việc chuyển đổi mã hoá dữ liệu ra sẽ có chiều dài bao nhiêu bit phụ thuộc vào số mức
lượng tử của bộ điều chế PCM.
Bài tập 1: một bộ ADC có tầm điện áp ngõ vào từ 0-5V, nhiễu lượng tử là 30mV. Hãy
xác đònh số bit của bộ ADC và SNR.
Bài tập 2: một bộ ADC có tầm điện áp ngõ vào từ 0-5V dữ liệu ngõ ra là 7 bit. Nhiễu
lượng tử có biên độ là 20mV. Hãy cho biết nhiễu lượng tử có ảnh hưởng đến chất lượng
tín hiệu?
Bài tập 3: một hệ thống studio thu thanh sử dụng kỹ thuật PCM là 13bit, tần số âm thanh
nằm trong khoảng 20Hz
÷15KHz.

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử
Chương 4: Biến đổi DAC và ADC Th.S Lý Tú Nga
71
a) Xác đònh tần số lấy mẫu.
b) Mỗi bài hát bình quân thu thanh trong khoảng 5 phút. Biết rằng dung lượng 1 đóa
CD là 720MB. Hãy xác đònh số lượng bài hát tối đa có thể thu được?
Bài tập 4: một hệ thống studio dùng kỹ thuật PCM là 13 bit băng thông tín hiệu âm
thanh là 20Hz
÷
20KHz. Mỗi bài hát thu thanh bình quân mất 5 phút dữ liệu bài hát.
Sau khi thu thanh được xử lý phần nén mp3 để giảm nhỏ dung lượng bài hát với tỉ lệ
1:20. Biết rằng CD có dung lượng là 640MB. Hãy cho biết số lượng bài hát tối đa thu
được.
Bài tập 5: một hệ thống studio dùng kỹ thuật PCM là 13 bit băng thông tín hiệu video
là 0
÷5KHz. Mỗi bài hát thu bình quân mất 5 phút dữ liệu bài hát. Sau khi dữ liệu thu
được xử lý phần nén mp3 để giảm nhỏ dung lượng bài hát với tỉ lệ 1:20. Biết rằng

VCD có dung lượng là 720MB. Hãy cho biết số lượng bài hát tối đa thu được.
4.4 Bộ chuyển đổi DAC (số sang tương tự):
- Đònh nghóa: là bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiêu tương tự.
- Sơ đồ khối:

Hình 4.4: sơ đồ khối bộ chuyển đổi DAC
- Có 3 loại DAC:
+ Bộ DAC nhò phân lưỡng cực
+ Bộ DAC nhò phân offset lưỡng cực
+ Bộ DAC lưỡng cực lấy bù 2.
R (tham chiếu)

b
B
LSB
MSB


DAC
b
1
B bit ngõ vào

x
Q
ngõ ra

Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Khoa công nghệ điện tử
Chương 4: Biến đổi DAC và ADC Th.S Lý Tú Nga
72

4.5 Điều chế DELTA:
- Sơ đồ khối:

Hình 4.5: sơ đồ khối điều chế DELTA
-Nguyên lý hoạt động:
+ Ở trạng thái ban đầu chưa có tín hiệu s
out
(t) =0, tín hiệu hồi tiếp về ngõ đảo cũng bằng
0 (s
’
(t)=0).
+ Giả sử tại thời điểm nào đó s(t)> s
’
(t) thì ngõ ra bộ so sánh )(tΔ =1 làm kích hoạt bộ
counter đếm lên 1. Ngõ ra s
’
(t) bộ DAC tăng lên giá trò q
Δ
, lúc này s(t) lại được tiếp tục
đếm so sánh với s
’
(t)
+ Giả sử tại thời điểm t
’
mà s(t
’
)< s
’
(t
’

) thì )(
'
tΔ =0 làm ngõ ra 0)(
'
=ts
out
kích hoạt bộ
counter đếm xuống 1. Ngõ ra s
’
(t
’
) bộ DAC giảm giá trò q
Δ
, lúc này s(t) lại được tiếp tục
đếm so sánh với s
’
(t)
* Nhận xét:
- Điều chế Delta cho dữ liệu ngõ ra nối tiếp (ngõ vào là song song).
- Để tăng độ chính xác của tín hiệu sau khi được khôi phục thì s
’
(t) càng gần s(t) bao
nhiêu thì càng tốt bấy nhiêu.
- Tần số lấy mẫu càng cao thì phép lấy mẫu càng khó chính xác. Để nâng cao chất lượng
thì phải tăng tần số lấy mẫu.



s
out

s
’
(t)
s(t)
)(tΔ
D
0



D
n
DAC
Up/Down
Counter