Bài tập lớn môn thiết kế ngoại vi và kĩ thuật ghép nối (3)

Bộ chuyển đổi ADC ADC từ viết tắt Analog to Digital Converter hay chuyển đổi analog sang kỹ thuật số mạch chuyển đổi giá trị điện áp liên tục (analog) sang giá trị nhị phân (kỹ thuật số) mà thiết bị kỹ thuật số hiểu sau sử dụng để tính tốn kỹ thuật số Mạch ADC vi mạch ADC nhúng vào vi điều khiển Ứng dụng ADC phần tử phổ biến, có mặt tất thiết bị kỹ thuật số tiếp nhận thông tin từ cảm biến analog ADC thường tích hợp với cảm biến đặt đầu thu, truyền liệu dạng số khối xử lý Nó đảm bảo ưu việt liệu trung thực, truyền đưa dễ dàng xử lý thuận tiện Các nhóm  ADC nhanh, dấu phảy tĩnh số bit thấp, cỡ 8-12 bit, dùng cho biến đổi tín hiệu video, radar, cảm biến CCD,  ADC âm thanh, dấu phảy tĩnh số bit trung bình, dùng thiết bị âm  ADC kỹ thuật, dấu phảy tĩnh động, số bit cỡ 24-32, dùng thiết bị đo lường tín hiệu, ví dụ ADC 24-bit 2.5 MHz AD7760  ADC đo lường đơn giản cho số BCD với 3-5 digit không kể dấu, ví dụ ICL7135 Một số chip tích hợp với mạch "giải mã thanh" để số LED hay LCD ICL7106, ICL7107 Chúng dùng máy đo thơng dụng, Multimeter số, có bán chợ Nhật Tảo Lĩnh vực  Đo đạc vật lý, hóa học, sinh học, y học, đo lường điện,  Âm nhạc, hình ảnh, truyền hình truyền thông,  Thông tin liên lạc, thiết bị dân sinh, Flash ADC tạo sớm, dùng cho cường độ âm dãy LED máy hát nhạc, ví dụ IC LM3914 Nguyên lý làm viêc chuyển đổi ADC dựa theo sơ đồ sau Ở tín hiệu lấy mẫu VA đưa vào mạch lấy mẫu,mạch có hai nhiệm vụ : +) Thử lấy mẫu thời điểm tương tự thời điểm khác cách đều.Thực chất trình rời rạc hóa tín hiệu mặt thời gian +) Thứ hai giữ cho biên độ tín hiệu thời điểm lấy mẫu khơng thay đổi q trình chuyển đổi +) Tại q trình lương tự hóa,thực chat q trình làm trịn số.Lương tử hóa thực theo nguyên tắc so sánh tín hiệu cần chuyển với tín hiệu chuẩn.Mạch lượng tử hóa làm nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự mặt biên độ.Có thể hiểu lượng tử hóa gắn tín hiệu tương tự vào vùng giá trị rời rạc xảy trinh lượng tử hóa +)Sau lượng tử hóa,kết xếp lại mạch mã hóa theo quy luật định phụ thuộc laoij mã yêu cầu đầu chuyển dổi.Ở q trình hiểu mã hóa gắn giá trị nhị phân cho gái trị rời rạc sinh q trình lượng tử hóa Có ý nhiều loại ADC có q trình lượng tử hóa mã hóa xảy dồng thời,Lúc khơng thể tách rời hai q trình,hai phép lượng tử hóa mã hóa gọi chung phép biến đổi AD Ưu điểm ADC  Những ưu điểm Bộ chuyển đổi từ Analog sang Digital bao gồm:  Flash ADC nhanh so với chuyển đổi Analog sang kỹ thuật số khác  So với chuyển đổi khác, Sigma Delta ADC cung cấp độ phân giải cao với chi phí thấp  ADC xấp xỉ hoạt động tốc độ cao đáng tin cậy  Bộ ADC Sigma-Delta có khả định hình nhiễu cao cung cấp độ phân giải cao  ADC tạo đường ống cung cấp độ phân giải cao tốc độ cao Nhược điểm ADC  Độ phức tạp mạch tăng lên sử dụng Bộ so sánh Flash ADCs  Flash ADC đắt tiền  Chuyển đổi tín hiệu khơng định kỳ ADC đường ống khó khăn thường chạy với tốc độ định kỳ  ADC đường ống nhạy cảm với cách bố trí bảng  Độ trễ đường ống tín hiệu đầu vào xảy ADC đường ống, điều gây không tuyến tính tham số Offset Gain  Các chuyển đổi Khoảng cách sử dụng cho độ phân giải cao chậm Các phương pháp chuyển đổi ADC chính: ADC xấp xỉ (SAR): ADC xấp xỉ loại chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số chuyển đổi dạng sóng tương tự liên tục thành dạng biểu diễn kỹ thuật số rời rạc cách sử dụng tìm kiếm nhị phân thơng qua tất mức lượng tử hóa trước cuối hội tụ thành đầu kỹ thuật số cho chuyển đổi Sơ đồ khối SAR điển hình Đầu vào tương tự hầu hết ADC 5V, lý gần tất mặt trước điều hịa tín hiệu cung cấp đầu có điều kiện giống SAR ADC điển hình sử dụng mạch lấy mẫu mạch giữ lấy điện áp tương tự điều hòa từ đầu cuối điều hịa tín hiệu Một DAC bo mạch tạo điện áp tham chiếu tương tự đầu mã kỹ thuật số mẫu giữ mạch Cả hai điều đưa vào so sánh gửi kết phép so sánh tới SAR Quá trình tiếp tục cho “n” lần liên tiếp, với “n” độ phân giải bit ADC, giá trị gần với tín hiệu thực tìm thấy SAR ADC khơng có lọc khử cưa (AAF) vốn có , trừ thêm vào trước ADC hệ thống DAQ, kỹ sư chọn tỷ lệ mẫu thấp, tín hiệu sai (hay cịn gọi “bí danh”) số hóa SAR ADC Việc đặt biệt hiệu đặc biệt có vấn đề khơng thể sửa sau số hóa Khơng có cách để sửa chữa phần mềm Nó phải ngăn chặn cách ln lấy mẫu nhanh tần số Nyquist tất tín hiệu đầu vào cách lọc tín hiệu trước ADC Ưu điểm Mạch đơn giản cần so sánh Tỷ lệ mẫu cao so với ADC delta-sigma Xử lý tốt dạng sóng tự nhiên khơng tự nhiên Nhược điểm Bộ lọc khử cưa phải thêm bên Độ phân giải bit dải động bị giới hạn so với ADC delta-sigma Các ứng dụng Các ứng dụng cho ADC SAR bao gồm hệ thống DAQ, từ hệ thống ADC ghép kênh cấp thấp đến hệ thống ADC đơn tốc độ cao kênh, điều khiển đo lường cơng nghiệp, hình ảnh CMOS ADC delta-sigma (∆Σ) ADC Delta-sigma ( ΔΣ ; sigma-delta , ΣΔ ) phương pháp để mã hóa tín hiệu tương tự thành tín hiệu kỹ thuật số tìm thấy chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) Nó sử dụng để chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số tần số thấp, đếm bit cao thành tín hiệu kỹ thuật số tần số cao hơn, đếm bit thấp phần q trình chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự phần chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC ) Sơ đồ khối delta-sigma ADC điển hình Bộ lọc thông thấp triển khai DSP giúp loại bỏ nhiễu lượng tử hóa mang lại hiệu suất tín hiệu thành nhiễu tuyệt vời Bộ ADC Delta-sigma hoạt động cách lấy mẫu mức tín hiệu cao nhiều so với tốc độ lấy mẫu chọn Sau đó, DSP tạo luồng liệu có độ phân giải cao từ liệu lấy mẫu mức với tốc độ mà người dùng chọn Việc lấy mẫu mức cao hàng trăm lần so với tỷ lệ mẫu chọn Cách tiếp cận tạo luồng liệu có độ phân giải cao (24-bit phổ biến) có ưu điểm cho phép lọc khử cưa nhiều tầng (AAF), khiến cho số hóa tín hiệu sai Tuy nhiên, áp đặt loại giới hạn tốc độ, vậy, ví dụ: ADC delta-sigma thường không nhanh ADC SAR Ưu điểm Đầu có độ phân giải cao (24-bit) Lấy mẫu mức làm giảm nhiễu lượng tử hóa Lọc khử cưa vốn có Nhược điểm Giới hạn tốc độ mẫu khoảng 200 kS / s Không xử lý dạng sóng hình dạng khơng tự nhiên SAR Các ứng dụng Các ứng dụng cho ADC Delta-sigma bao gồm thu thập liệu, đặc biệt tiếng ồn độ rung, cân công nghiệp, rung động xoắn quay, giám sát chất lượng điện, đo lường cơng nghiệp xác, âm băng tần, truyền thơng Bộ chuyển đổi ADC tích hợp ADC tích hợp loại chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số chuyển đổi điện áp đầu vào chưa biết thành biểu diễn kỹ thuật số thông qua việc sử dụng tích hợp Trong cách triển khai nó, chuyển đổi độ dốc kép, điện áp đầu vào chưa xác định áp dụng cho đầu vào tích hợp phép tăng dốc khoảng thời gian cố định (khoảng thời gian chạy lên) Sau đó, điện áp tham chiếu biết có cực tính ngược lại áp dụng cho tích hợp phép tăng đầu tích hợp trở (khoảng thời gian chạy xuống) Điện áp đầu vào tính hàm điện áp tham chiếu, khoảng thời gian chạy lên không đổi khoảng thời gian chạy xuống đo Phép đo thời gian chạy xuống thường thực theo đơn vị đồng hồ chuyển đổi, đó, thời gian tích hợp dài cho phép độ phân giải cao Tương tự vậy, tốc độ chuyển đổi cải thiện cách hy sinh độ phân giải Các chuyển đổi kiểu đạt độ phân giải cao, thường làm phải trả giá tốc độ Vì lý này, chuyển đổi khơng tìm thấy ứng dụng xử lý âm tín hiệu Việc sử dụng chúng thường bị giới hạn vôn kế kỹ thuật số dụng cụ khác yêu cầu phép đo xác cao Bộ khuếch đại tích hợp điển hình, hiển thị so sánh, hẹn điều khiển Ưu điểm Các phép đo xác xác Nhược điểm Thời gian chuyển đổi chậm lặp lặp lại đoạn đường lên xuống Các ứng dụng Các ứng dụng cho ADC tích hợp bao gồm vạn kế cầm tay để bàn Bộ chuyển đổi Flash A / D ADC flash (còn gọi ADC chuyển đổi trực tiếp ) loại chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số sử dụng bậc thang điện áp tuyến tính với so sánh "nấc" bậc thang để so sánh điện áp đầu vào với điện áp tham chiếu liên tiếp Thường thang tham chiếu cấu tạo nhiều điện trở ; nhiên, triển khai đại cho thấy phân chia điện áp theo điện dung Đầu so sánh thường đưa vào mã hóa kỹ thuật số, mã hóa chuyển đổi đầu vào thành giá trị nhị phân (các đầu thu thập từ so sánh coi giá trị bậc ) Bộ chuyển đổi flash nhanh so với nhiều loại ADC khác, thường thu hẹp câu trả lời "đúng" loạt giai đoạn So với thứ này, chuyển đổi flash đơn giản và, so sánh tương tự, yêu cầu logic cho trình chuyển đổi cuối sang nhị phân Để có độ xác tốt nhất, thường mạch theo dõi giữ chèn vào phía trước đầu vào ADC Điều cần thiết cho nhiều loại ADC (như ADC xấp xỉ liên tiếp ), ADC flash khơng thực cần điều này, so sánh thiết bị lấy mẫu Sơ đồ Flash ADC Ưu điểm Loại ADC nhanh Chuyển đổi tức khơng có độ trễ Nhược điểm Mạch ngày lớn tiêu thụ nhiều điện với bit Độ phân giải giới hạn hiệu 8-bit Các ứng dụng Các ứng dụng cho Flash ADC bao gồm máy sóng kỹ thuật số nhanh nhất, phép đo vi sóng, sợi quang, phát RADAR radio băng rộng 5 Bộ chuyển đổi A / D Pipelined Đối với ứng dụng yêu cầu tốc độ lấy mẫu cao ADC SAR delta-sigma cung cấp, khơng u cầu tốc độ cực cao Flash ADC, chúng tơi có ADC Pipelin Trong Flash ADC, so sánh chốt đồng thời, thiếu độ trễ Nhưng điều đòi hỏi nhiều lượng - đặc biệt ngày nhiều so sánh sử dụng để đạt độ phân giải bit cao Tuy nhiên, ADC Pipelined, tín hiệu tương tự khơng chốt tất so sánh lúc, lan tỏa lượng cần thiết để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành giá trị kỹ thuật số Do đó, so sánh flash “ghép nối” thành trình bán nối tiếp gồm 2-3 chu kỳ Điều có lợi cho phép đạt độ phân giải cao mà không tốn nhiều lượng, áp đặt hai hình phạt: tốc độ lấy mẫu cao phương pháp Flash túy có độ trễ thường chu kỳ Điều giảm nhẹ phần nào, khơng loại bỏ hồn tồn Hình minh họa ADC có đường ống Các ADC kiến trúc phổ biến cho ứng dụng từ 2-3 MS / s đến 100 MS / s (có thể có GS / s) Đối với tỷ lệ mẫu vượt mức này, công nghệ Flash ADC thường sử dụng Độ phân giải Pipelined ADC cao tới 16 bit tốc độ mẫu thấp thường bit tốc độ mẫu cao Một lần nữa, ln có đánh đổi tốc độ độ phân giải Ưu điểm Nhanh gần loại ADC Flash túy (nhanh SAR Delta-sigma) Nhược điểm Độ trễ trình chuyển đổi "pipelined" nối tiếp Tốc độ mẫu tối đa bị giới hạn độ phân giải bit Các ứng dụng Các ứng dụng cho ADC Pipelined bao gồm máy sóng kỹ thuật số, RADAR, radio phần mềm, máy phân tích quang phổ, video HD, hình ảnh siêu âm, máy thu kỹ thuật số, modem cáp Ethernet Độ phân giải tối đa Tỷ lệ mẫu tối đa Ứng dụng Loại ADC Ưu điểm Nhược điểm Xấp xỉ (SAR) Tỷ lệ tốc độ / độ phân giải tốt Khơng có bảo vệ khử cưa vốn có 18 bit 10 MHz Thu thập liệu Delta-sigma (ΔΣ) Hiệu suất động cao, bảo vệ khử cưa vốn có Độ trễ tín hiệu không tự nhiên 32 bit MHz Thu thập liệu, Tiếng ồn & Rung, Âm Tích hợp Chính xác, khơng tốn Tốc độ thấp 20 bit 100 Hz Vôn kế Pipelined Rất nhanh Độ phân giải hạn chế 16 bit GHz Máy sóng Flash Nhanh Độ phân giải bit thấp 12 bit 10 GHz Máy sóng So sánh loại ADC ... tương tự-kỹ thuật số chuyển đổi điện áp đầu vào chưa biết thành biểu diễn kỹ thuật số thơng qua vi? ??c sử dụng tích hợp Trong cách triển khai nó, chuyển đổi độ dốc kép, điện áp đầu vào chưa xác... chốt tất so sánh lúc, lan tỏa lượng cần thiết để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành giá trị kỹ thuật số Do đó, so sánh flash ? ?ghép nối? ?? thành trình bán nối tiếp gồm 2-3 chu kỳ Điều có lợi cho... flash đơn giản và, so sánh tương tự, yêu cầu logic cho trình chuyển đổi cuối sang nhị phân Để có độ xác tốt nhất, thường mạch theo dõi giữ chèn vào phía trước đầu vào ADC Điều cần thiết cho nhiều