đồ án thiết kế mạch adc xấp xỉ đều

Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức.. Trong trườn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ

Lời nói đầu -& -

Kỹ thuật điện tử đã và đang bùng nổ một cách mạnh mẽ , xâm nhập vào mọi lĩnh vực của cuộc sống con người Chúng ta có thể bắt gặp

ở khắp mọi nơi các thiết bị điện tử ,từ các thiết bị dân dụng phục vụ cho sinh hoạt tới các thiết bị công nghiệp phục vụ cho sản xuất.Tất cả chúng đều đang phục vụ đắc lực cho cuộc sống của con người

Đặc biệt , từ khi kỹ thuật số ra đời đã mở ra một cuộc cách mạng mới cho ngành điện tử Các thiết bị trở nên nhỏ gọn hơn , nhiều tình năng hơn, tiêu thụ công suất ít hơn và độ tin cập cao hơn nhiều Sự bùng nổ của ngành công nghiệp vi điện tử , chế tạo IC , các bộ vi xử lý , vi điều khiển

đã thay thế được phần lớn các khối chức năng trong mạch điện , làm giảm

đi rất nhiều công sức cho người thiết kế cũng như bảo trì , bảo dưỡng Bên cạnh đó những chiếc máy vi tính, máy CD, máy VCD, truyền hình số cho đến các băng đĩa CD đã dần dần thay thế các máy và băng từ tín hiệu tương tự (analog) bởi bộ phận dải rộng, độ chính xác cao và dễ dàng trong quá trình xử lý tín hiệu Tuy nhiên trong cuộc sống hằng ngày chúng ta lại thường tiếp xúc với những tín hiệu tương tự nhiều hơn Ví dụ: Điện thoại, sóng đài truyền hình, dòng điện sinh hoạt, âm thanh Vì thế phải cần có một sự chuyển đổi tín hiệu tương tự (analog) – số (digital)

để xử lý dữ liệu, sau đó chuyển đổi ngược lại từ số (digital) – tương tự (analog) để đưa vào điều khiển, khống chế thiết bị Đó là những lý do để chúng em thực hiện đề tài này

Mục đích, yêu cầu của đề tài:

1 Nguyên lý ADC đếm, xây dựng cấu trúc khối thực hiện đếm từ trạng thái ban đầu Zx = 0

2 Thiết lập mạch điện nguyên lý với số kết quả Zx thể hiện ở mã nhị phân 8 bit, Ux là điện áp một chiều ±16V

Có mạch báo dấu Ux , nguồn điện áp tham chiếu Uref = 16V,

Rnguồn = 0.02 Ohm ; Các số liệu khác tự chọn

Tuy nhiên do khả năng có hạn cũng như những hạn chế về mặt kỹ thuật , đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót Rất mong thầy và các bạn góp ý để được hoàn thiện hơn Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Viết Nguyên đã có những chỉ dẫn giúp chúng em hoàn thành đồ án này

Nhóm sinh viên

Quan hệ vào ra các khối ADC.

Nếu bộ ADC xuất mã ra gồm n bit thì số mức ra rời rạc là 2n Đối với quan hệ tuyến tính, tần số vào được lượng tử hóa theo đúng mức này Mỗi mức như vậy là một tín hiệu analog được phân biệt với hai mã kế tiếp nhau, nó chính là kích thước của LSB (Least Significant Bit)

Q= LSB = FS/2N

Trong đó : Q : Lượng tử

LSB : bit có trọng số thấp nhất

FS : giá trị toàn thang

Tất cả các giá trị analog của lượng tử Q được biểu diễn bởi mã số,

mà mã này tương ứng với giá trị trung bình của lượng tử (có thể hiểu là giữa khoảng LSB) gọi là mức ngưỡng Các giá trị Analog nằm trong

khoảng từ mức ngưỡng sai biệt đi ± ½ LSB vẫn được thể hiện bằng cùng một mẫu, đó là sai số lượng tử hóa Sai số này có thể sẽ giảm đi bằng cách tăng số bit trong mã ra bộ ADC.

Quan hệ vào ra

1.2 Độ phân giải:

Nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức Nói cách khác, mạch chuyển đổi với

7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải (resolution) càng lớn Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ

ra Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân

để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải

n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân giải ít hơn 8 bit Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với

độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô điều khiển Trong 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng digital

1.3 Độ chính xác:

Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong

khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V

Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A đang “phí phạm” tính chính xác của thiết bị Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage) Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất

mà thiết bị có thể chuyển đổi Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314 Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1) Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán

để chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn

Khi sử dụng bộ ADC đơn cực mà có tín hiệu vào là lưỡng cực trong khoảng ±Vpp thì ta cần phải cộng điện áp vào Vi với một điện áp nền bằng +Vpp, khi đó ta sẽ có Vi nằm trong khoảng 0 +2Vpp; tín hiệu này sẽ được đưa tới đầu vào bộ ADC Nếu sử dụng ADC lưỡng cực thì không cần cộng tín hiệu và đầu ra ta sẽ nhận được mã lưỡng cực

Hình vẽ cho thấy đầu vào và đầu ra của bộ ADC Mọi ADC đều yêu cầu có tín hiệu Vr Bất kỳ một sai số nào trên Vr đều gây ra lỗi độ lợi ở đặc tính của AD Vì vậy Vr là tín hiệu đảm bảo độ chính xác và ổn định của bộ AD Dùng IC ổn áp có thể thỏa mãn điều này.

1.7 Tín hiệu điều khiển:

Mọi bộ ADC đều có tính xung Clock và tín hiệu điều khiển để hoạt động Thiết bị ngoài giao tiếp với ADC sẽ khởi động quá trình AD bằng cách phát một xung Start vào đầu vào Start của ADC, ADC sẽ nhận biết cạnh lên của xung Start và ngay sau đó nó sẽ kéo đường EOC (End of Conversion) xuống thấp (không tích cực) Lúc này ADC đang thực hiện quá trình biến đổi, tương ứng với mỗi xung Clock đưa vào ADC sẽ thực hiện được một bước biến đổi, sau một bước nhất định tùy theo bộ ADC, thì quá trình biến đổi hoàn thành Khi biến đổi xong, ADC sẽ nâng đường EOC lên mức cao, tín hiệu này có thể dùng để kích một ngắt cứng của máy tính (nếu dùng giao tiếp với máy tính) Để đọc được dữ liệu đầu ra của bộ ADC thì phải nâng đường OE (Output Enable) của ADC lên mức cao, sau khi đọc xong thì lại trả đường này về mức thấp

2.Các kỹ thuật ADC:

2.1 ADC kiểu đếm:

Sơ đồ khối AD có Vr dạng nấc thang.

Counter: Bộ đếm tạo đầu ra cho bộ ADC bằng hoặc lớn hơn giá trị vào Ux Nó được reset tại mọi thời điểm bắt đầu thực hiện AD và đếm dần lên sau mỗi xung Clock Cứ mỗi lần đếm bộ DAC lại nâng lên mỗi nấc thang (1 LSB) Bộ so sánh sẽ dùng bộ đếm lại khi điện áp DAC (áp hồi tiếp) đạt tới giá trị vào Ux

Nhược điểm của phương pháp này là Tc (thời gian chuyển đổi) theo mức tín hiệu vào và đôi khi rất lâu Tc=2x Tclock đối với bộ DAC n bit khi biến đổi một tín hiệu vào ở mức FS (Full Scale)

Một cải tiến của phương này là “tracking” hay “servo” sử dụng bộ đếm thuận nghịch cho phép DAC đưa tín hiệu vào liên tục Bằng sự khống chế bộ đếm từ bên ngoài tại một điểm nhất định ta dùng bộ DAC kiểu tracking như một bộ S & H (Sample and Hold)

2.2 ADC thăng bằng liên tục:

Sơ đồ khối giống như phương pháp trước, nhưng bộ đếm là bộ đếm thuận nghịch

Về cơ bản cũng giống như phương pháp trên nhưng bộ đếm hoạt động được ở chế độ thuận nghịch Khi tín hiệu Vht < Vi thì bộ đếm sẽ đếm lên, ngược lại thì bộ đếm sẽ đếm xuống Quá trình xác lập ghi nhận

Clock

Khối so sánh

Bộ đếm thuận

DAC Chốt

Bộ giải mã

Xung xóa CL

Bộ chỉ thịUx

được khi giá trị Vht dao động xung quanh giá trị Vi Tc cũng phụ thuộc vào Vi và nhược điểm sai số cũng giống phương pháp trên: sai số động phụ thuộc vào thời gian biến đổi và sai số tĩnh chủ yếu ở bộ biến đổi DA

và bộ so sánh

Đồ thị thời gian AD thăng bằng liên tục

2.3.Phương pháp biến đổi ADC hàm dốc tuyến tính: (phương pháp tích phân một độ dốc)

Về bản chất thực hiện biến đổi trung gian từ điện áp ra khoảng thời gian sau đó đo khoảng thời gian theo phương pháp số Quá trình biến đổi

sẽ xảy ra như sau:

Sơ đồ khối phương pháp ADC hàm dốc tuyến tính

Sau thời gian kích khởi, bộ đếm sẽ bắt đầu đếm lên và mạch quét sẽ bắt đầu tạo ra tín hiệu tuyến tính thời gian Tín hiệu quét và tín hiệu vào Vi được so sánh với nhau, khi hai tín hiệu này bằng nhau thì mạch so sánh sẽ đóng cổng không cho xung tới bộ đếm nữa Như vậy nội dung của bộ đếm sẽ tỉ lệ với thời gian to, mà to lại tỉ lệ thuận với giá trị Vi nên nội dung bộ đếm tỉ lệ với Vi.

Dạng sóng ADC hàm dốc tuyến tính

Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ tuyến tính của tín hiệu quét (sai số độ dốc càng nhỏ, độ chính xác càng cao), tín hiệu phụ thuộc vào tần số của từng xung

Phương pháp này có tốc độ hoạt động cao hơn các phương pháp ban đầu, và độ chính xác cũng cao hơn do không cần sử dụng bộ biến đổi DA

2.4 ADC xấp xỉ liên tiếp:

Sơ đồ khối mạch ADC xấp xỉ liên tiếp.

Phương pháp này được dùng trong kỹ thuật biến đổi AD tốc độ cao – trung bình Nó cũng dùng một bộ DAC bên trong để tạo ra một điện áp bằng mức vào và của tín hiệu sau đúng bằng n chu kỳ xung Clock cho trường hợp ADC n bit

Phương pháp này cho phép rút ngắn Tc rất nhiều và không phụ thuộc vào tín hiệu vào Vi Kỹ thuật này phụ thuộc vào sự xấp xỉ tín hiệu vào với mã nhị phân, sau đó thay đổi các bit trong mã này một cách liên tiếp cho đến khi đạt được mã gần đúng nhất Tại mỗi bước của quá trình này, giá trị xấp xỉ của mã nhị phân thu được sẽ được lưu vào SAR (Successive Approximate Register) Việc biến đổi luôn được bắt đầu tại MSB (Most Significant Bit) của SAR khi đó được bật lên Bộ so sánh sẽ so sánh đầu

ra của ADC với Vi và ra lệnh cho bộ điều khiển ngắt MSB nếu như giá trị ban đầu này vượt quá đầu vào AD Trong chu kỳ xung Clock kế tiếp, MSB lại được phát trở lại Một lần nữa bộ so sánh sẽ quyết định lấy hay

bỏ MSB này Sự biến đổi này sẽ tiến dần đến sự đúng nhất so với tín hiệu vào xuất dữ liệu này ra

2.5 ADC tích phân hai độ dốc:

Kỹ thuật này thấy rõ trên sơ đồ khối Ta thấy điện áp vào được tích phân trong khoảng thời gian t1, đúng bằng lúc bộ đếm đếm hết Tại cuối t1, bộ đếm sẽ reset và bộ tích phân chuyển qua mức tham chiếu âm, đầu

ra của bộ tích phân sẽ giảm tuyến tính về zero tại đó bộ đếm ngưng đếm

và được reset Điện tích nạp tụ trong khoảng thời gian t gần bằng điện tích xả trong khoảng thời gian t2:

t1 x V1 = t2 x V2  t2 / t1 = V1 / V2 = X

Tỉ số X cũng chính là tỉ số mà mã nhị phân của bộ đếm lớn nhất ( giá trị đếm được vào cuối t2 cũng là giá trị xuất ra Kỹ thuật này có một

số ưu điểm, nhất là chất lượng khử ồn Tín hiệu vào được tích phân qua một chu kỳ, do đó bất kỳ mức ồn nào cũng có tần số là bội số của 1/t1 đều bị loại.

Sơ đồ khối ADC tích phân hai độ dốc.

Đồ thị dạng sóng của ADC tich phân 2 độ dốc

Chú ý rằng, tần số xung Clock không ảnh hưởng gì đến độ phân giải Độ phân giải của kỹ thuật này chỉ bị giới hạn bởi chất lượng mạch

và không phụ thuộc vào độ phi tuyến của bộ AD: Do đó đầu ra của bộ tích phân có thể nhảy cấp tự do mà không sợ phát sinh mã lỗi ở đầu ra Vì

vậy mà độ phân giải tốt rất dễ đạt được và có thể thay đổi bằng cách chỉnh kích thước của vòng đếm và tần số xung Clock.

Tần số thấp là nhược điểm duy nhất của phương pháp Phương pháp này thường được dùng cho các đồng hồ hiện số, máy đo đa năng chỉ thị số, cảm biến nhiệt độ và những ứng dụng có yêu cầu không cao về tần

số lấy mẫu

2.6 ADC dùng biến đổi V – F (điện áp – tần số):

Sơ đồ khối bộ biến đổi AD dạng V-F

Hình trên cho thấy kỹ thuật này trong bộ biến đổi AD Áp vào Analog được một bộ VF chính xác biến thành một dãy xung có tần số tỉ lệ với áp vào

Một bộ đếm sẽ đếm số xung này trong một khoãng thời gian nhất định rồi xuất số đếm cho bộ AD Giống kỹ thuật tích phân độ dốc kép, kỹ thuật này có tần số thấp nhưng khử nhiễu tốt Nếu thời gian Tc thấp ở mức có thể chấp nhận được thì phương pháp VF cho phép đạt được độ phân giải cao với tín hiệu thay đổi chậm với giá thành hạ

Ưu điểm của phương pháp này là có khả năng điều khiển từ xa trong môi trường ồn Có thể làm một bộ VF như một hàm truyền dữ liệu từ xa dưới dạng số đến trạm kiểm soát, tại đây có bộ xử lý (tiếp nhận + bộ đếm + xuất dữ liệu) Điều này tránh được việc truyền tín hiệu Analog qua môi trường nhiễu có khả năng làm xấu tín hiệu Việc truyền bằng tín hiệu VF cũng có khả năng triệt nhiễu bằng cách tạo sự cách ly giữa bộ biến đổi với thiết bị cảm biến, một yêu cầu quan trọng trong các trạm kiểm soát và điều khiển các hệ thống điện cao áp Thực tế, kỹ thuật này phụ thuộc vào các vi mạch VFC thông dụng, rẻ tiền, có chất lượng tốt (tuyến tính và ổn định)

2.7 ADC song song:

Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song.

Được dùng trong kỹ thuật cần biến đổi AD tốc độ cao, như kỹ thuật Video, kỹ thuật Radar, dao động ký số Trong kỹ thuật này,tín hiệu vào được so sánh ngay lập tức với tất cả các mức ngưỡng bằng cách dùng nhiều bộ so sánh Việc lượng tử hóa do vậy thực hiện hoàn tất trong cùng một lúc Bộ giải mã nhanh lập tức đổi các tín hiệu so sánh được tới đầu ra

ADC dùng phương pháp này có tần số lấy nẫu phụ thuộc vào tốc

độ (thời gian trễ) của các bộ so sánh Thông thuờng vi mạch so sánh có thời gian trễ trong khoảng 10-12ns, vì vậy trên lý thuyết, tần số lấy mẫu của ADC có độ phân giải 8 Bits cần tới 2^8 – 1=255 bộ so sánh, do vậy kích thước vi mạch sẽ rất lớn

B – BIẾN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ (DAC):

Biến đổi DA thường là giai đoạn cuối của một hệ thống xử lý số: sau khi tín hiệu tương tự ở đầu vào được mạch ADC biến đổi sang dạng

số, nó được xử lý, lưu trữ dưới dạng số bởi hệ xử lý trung tâm rồi kết quả

xử lý sẽ được đưa đến mạch DAC để xuất ra dữ liệu dạng tương tự Mạch DAC nhận ở đầu vào một giá trị số nhị phân tự nhiên và xuất ra ở ngõ ra một điện áp dạng tương tự có giá trị tỉ lệ với giá trị ngõ vào

1 Quan hệ vào-ra:

Biến đổi DA có tính chất tỉ lệ Tín hiệu vào Digital N được biến đổi thành một điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị Q (phụ thuộc vào tín hiệu tham chiếu Vref ) bằng cách so sánh giá trị ở đầu vào với giá trị đầy thang của đầu vào Bất kì một sai số tín hiệu Vref nào cũng sẽ dẫn tới sai số mức ra,

vì vậy người ta cố gắng cho Vref càng ổn định càng tốt

Thông thường, ở các bộ biến đổi DAC thương mại, ngõ ra sẽ xuất hiện dòng điện, vì vậy ta phải mắc them một biến đổi dòng thành áp có thể nhận được điện áp ra

2 – Đầu vào bộ DAC:

Đa số các bộ DAC có đầu vào 8 bits, 10bits, 12 bits, 16 bits…Đầu vào các bộ DAC thường là các mã nhị phân tự nhiên hoặc có dấu Nếu mã đầu vào có dấu thì tín hiệu tham chiếu Vref phải là tín hiệu lưỡng cực

Bộ DAC sẽ liên tục biến đổi số ở ngõ vào thành giá trị tương tự ở ngõ

ra, thời gian cho một lần biến đổi như vậy tuỳ theo bộ DAC Vì vậy để đảm bảo chính xác, người ta mắc them ở ngõ vào bộ DAC một mạch chốt dữ liệu để tránh hiện tượng bộ DAC xuất ra tín hiệu không xác định trong khoảng thời gian tự do giữa hai lần cập nhật dữ liệu ở ngõ vào

3 – Đầu ra bộ DAC:

Tuỳ theo công nghệ chế tạo mà đầu ra của bộ DAC có thể là dòng hoặc áp

4 – Tín hiệu điều khiển:

Hầu hết các bộ DAC đều không cần tín hiệu điều khiển