Đang tải... (xem toàn văn)
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KĨ THUẬT GHÉP NỐI BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC Giảng viên hướng dẫn Dương Quang Duy NHÓM 5 Thàn[.]
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KĨ THUẬT GHÉP NỐI BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC Giảng viên hướng dẫn: Dương Quang Duy NHÓM Thành viên: Nguyễn Văn Long : B19DCDT134 Nguyễn Đức Trung : B19DCDT246 Ngô Đức Thọ : B19DCDT238 Phan Trung Kiên : B19DCDT115 HÀ NỘI – 2023 Mục lục Phần I Giới thiệu chuyển đổi ADC 1.1 Sự đời ADC 1.2 Khái niệm 1.3 Chức 1.4 Các tham số chuyển đổi ADC 1.4.1 Điện áp tham chiếu 1.4.2 Tốc độ lấy mẫu 1.4.3 Độ phân giải 1.4.4 Alias 1.5 Phân loại chuyển đổi ADC 1.5.1 Plash ADC 1.5.2 ADC tích hợp đếm độ dốc 1.5.3 ADC ước lượng 1.6 Ứng dụng PHẦN II Nguyên lí hoạt động ADC 2.1 Sơ đồ khối 2.2 Quy trình chuyển đổi A/D 10 2.3 Mơ hình ghép nối 11 2.4 Lưu đồ thuật toán 12 Phần III Demo sản phẩm 13 Tài liệu tham khảo 14 Lời mở đầu Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog-to-Digital Converter (ADC) thành phần quan trọng hệ thống điện tử viễn thông đại ADC cho phép chuyển đổi tín hiệu analog sang dạng tín hiệu số để xử lý vi xử lý vi mạch số hóa khác Từ điển thuật ngữ kỹ thuật gọi chuyển đổi Analog sang Digital Trong ứng dụng điện tử, ADC sử dụng để chuyển đổi tín hiệu âm thanh, tín hiệu điện áp, tín hiệu dịng điện, tín hiệu khác từ dạng liên tục sang dạng số Các ứng dụng ADC phong phú, từ ứng dụng đơn giản đo nhiệt độ, đo độ ẩm, đo áp suất đến ứng dụng phức tạp hệ thống điều khiển, viễn thơng, hệ thống đo lường xác cao, Trong trình tìm hiểu ADC, ta nghiên cứu phương pháp chuyển đổi tín hiệu analog sang số, nguyên lý hoạt động ứng dụng thực tế ADC Việc nắm vững kiến thức ADC quan trọng kỹ sư nhà thiết kế điện tử để thiết kế phát triển hệ thống điện tử viễn thơng hiệu xác PHẦN I GIỚI THIỆU VỀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC 1.1 Sự đời ADC Trước có chuyển đổi ADC, q trình chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang digital thực cách sử dụng mạch tự làm cách sử dụng chuyển đổi tương tự Tuy nhiên, phương pháp thường không xác đáng tin cậy Vậy nên để giải vấn đề chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu liên tục (analog) sang tín hiệu rời rạc (digital) dẫn đến đời chuyển đổi ADC Một số ưu điểm sử dụng ADC: • Chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số, giúp liệu dễ dàng xử lý lưu trữ thiết bị điện tử vi xử lý, nhớ, thiết bị lưu trữ đám mây, • Độ xác độ phân giải cao, giúp giảm sai số nhiễu q trình chuyển đổi tín hiệu • Tốc độ chuyển đổi nhanh, giúp hệ thống điện tử hoạt động ổn định đáp ứng nhu cầu xử lý liệu • Dễ dàng tích hợp vào hệ thống điện tử có nhiều loại kích thước khác để phù hợp với nhu cầu sử dụng 1.2 Khái niệm ADC viết tắt Analog-to-Digital Converter, thiết bị để chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số Chức ADC giúp cho thiết bị điện tử xử lý tín hiệu analog thành tín hiệu số, để xử lý, lưu trữ truyền liệu cách hiệu 1.3 Chức Chức chuyển đổi ADC chuyển từ tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital Ngồi ADC sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm viễn thông, điện tử, điều khiển giám sát môi trường Chẳng hạn viễn thơng, ADC sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện analog từ microphone sang tín hiệu số để truyền dẫn qua mạng Trong điện tử, ADC sử dụng để đo nhiệt độ, đo áp suất đo cảm biến gia tốc 1.4 Các tham số chuyển đổi ADC 1.4.1 Điện áp tham chiếu • Điện áp tham chiếu chuyển đổi ADC điện áp ánh xạ tới giá trị nhị phân lớn Ví dụ, chuyển đổi 10 bit với 5V có giá trị điện áp tham chiếu 1111111111 tương ứng giá trị 5V, giá trị 0000000000 tương ứng với giá trị 0V Mỗi bước nhị phân đại diện cho 4.9mV • Trong trường hợp điện áp thay đổi 4.9mV ADC bị đặt vào vùng chết, giá trị chuyển đổi tín hiệu ln có lỗi nhỏ Lúc sử dụng ADC có độ phân giải cao để hạn chế lỗi 1.4.2 Tốc độ lấy mẫu • Tốc độ lấy mẫu số lượng chuyển đổi analog sang kỹ thuật số giây Đơn vị tốc độ lấy mẫu Megasample giây (Ms/s) – Một triệu mẫu giây • Tốc độ lấy mẫu chuyển đổi ADC phụ thuộc vào loại chuyển đổi độ xác cần thiết Nếu độ xác cao tốc độ lấy mẫu phải giảm xuống 1.4.3 Độ phân giải • Độ phân giải mức điện áp thay đổi mức thay đổi Với ADC M bit với giá trị điện áp cực đại nV Ta có độ phân giải cho chuyển đổi n/2M • Ví dụ: Bộ ADC 10 bit với 5V điện áp ta có độ phân giải 5/210 = 4.9mV 1.4.4 Alias Điểm ý tác động tượng Aliasing đến đặc trưng số hóa, dẫn đến địi hỏi tần số số hóa phải lớn gấp đơi tần cực đại băng tần tín hiệu nhu cầu thơng thường, cịn nhu cầu kỹ thuật gấp Ví dụ phải dùng KHz để số hóa tín hiệu có băng tần 10 đến 250 Hz 1.5 Phân loại chuyển đổi ADC 1.5.1 Plash ADC • Đây loại ADC đơn giản nhanh nhất, bao gồm loạt so sánh với đầu vào không đảo ngược nối với đầu vào tín hiệu chân đảo ngược nối với thang chia điện áp • Tuy nhiên, điện áp cao mức bậc thang, tất bit đầu mức đặt thành một, điện áp ngưỡng so sánh Để giải vấn đề này, đầu cấp qua mã hóa ưu tiên chuyển đổi đầu thành nhị phân • Tốc độ bị giới hạn độ trễ truyền so sánh mã hóa ưu tiên Tuy nhiên, độ xác vừa phải 1.5.2 ADC tích hợp đếm độ dốc Tại đây, mạch tạo đoạn dốc bắt đầu thời điểm chuyển đổi đếm nhị phân khởi động lúc Một so sánh phát đoạn dốc vượt điện áp đầu vào dừng đếm nhị phân Bộ đếm nhị phân thu tỷ lệ với mức độ điện áp đầu vào Độ xác tuyệt đối chuyển đổi câu hỏi, nhiên thực đơn giản cho độ phân giải tốt, khoảng cách bước nhị phân Nếu khơng có chip, mạch tạo riêng lẻ 1.5.3 ADC ước lượng Bộ ADC có lẽ xác Nó bao gồm so sánh, DAC flash đơn giản ghi nhớ Thiết bị ban đầu giả định tất bit ghi ngoại trừ bit có ý nghĩa cao (là một) số Sau ghi gửi đến DAC chuyển thành điện áp analog, so sánh với đầu vào thông qua so sánh Nếu điện áp đầu vào cao điện áp DAC, MSB Quá trình lặp lại tất bit có đặt thành khơng một, nói cách khác giá trị ghi điện áp đầu vào ADC ADC thường sử dụng cần độ xác tốc độ khơng q giới hạn, ví dụ vi điều khiển ADC loại SA dễ dàng đạt thời gian chuyển đổi vài micro giây 1.6 Ứng dụng Với tính chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số độ xác cao, ADC thành phần quan trọng nhiều ứng dụng hệ thống điện tử công nghệ điện tử như: • Điều khiển giám sát q trình: ADC sử dụng ứng dụng điều khiển giám sát q trình, ví dụ hệ thống điều khiển nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, v.v • Thiết bị y tế: ADC sử dụng thiết bị y tế để đo tín hiệu sinh lý nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ thể, v.v • Cơng nghệ âm thanh: ADC sử dụng thiết bị âm để chuyển đổi tín hiệu âm analog thành tín hiệu số Ví dụ khuếch đại âm thanh, thiết bị ghi âm, thiết bị phát nhạc số, v.v • Viễn thông: ADC sử dụng hệ thống viễn thơng để chuyển đổi tín hiệu tín hiệu điện thoại, tín hiệu mạng, tín hiệu truyền hình, v.v • Các thiết bị điện tử: ADC sử dụng thiết bị điện tử máy tính, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, thiết bị điện tử gia dụng, v.v • Các ứng dụng công nghiệp: ADC sử dụng hệ thống điều khiển, giám sát, đo lường ứng dụng cơng nghiệp điều khiển q trình sản xuất, kiểm soát chất lượng, điều khiển cấu robot, v.v PHẦN II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ADC 2.1 Sơ đồ khối Ngun lí hoạt động: • Xung lệnh START khởi đợng hoạt động hệ thống • Xung Clock định điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu ghi • Số nhị phân ghi DAC chuyển đổi thành mức điện tương tự VAX • Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA Nếu VAX < VA đầu so sánh lên mức cao Nếu VAX > VA khoảng VT (điện ngưỡng), đầu dra so sánh xuống mức thấp ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ghi Tại thời điểm VAX xấp xỉ VA giá dtrị nhị phân ghi đại lượng số tương đương VAX đại lượng số tương đương VA, giới hạn độ phân giải độ xác hệ thống • Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO chu kỳ chuyển đổi kết thúc Tiến trình có nhiều thay dổi số loại ADC khác, chủ yếu khác cách thức điều khiển sửa đổi số nhị phân ghi 2.2 Quy trình chuyển đổi A/D Quá trình chuyển đổi gồm bước: Bước 1: Tín hiệu liên tục đầu vào lấy mẫu lấy mẫu Bộ lấy mẫu chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc lấy mẫu giá trị tín hiệu điểm thời gian định Tần số lấy mẫu cần đảm bảo đủ lớn để đáp ứng yêu cầu độ xác ứng dụng Bước 2: Tín hiệu số chuyển đổi sang dạng nhị phân mã hóa Bộ mã hóa sử dụng nguyên tắc mã hóa khác để đưa tín hiệu số từ hệ thập phân sang dạng nhị phân Bước 3: Tín hiệu số xử lý để đưa giá trị kết chuyển đổi ADC Các giá trị xử lý bổ sung để giảm thiểu nhiễu cải thiện độ xác kết 2.3 Mơ hình ghép nối Có hai mơ hình ghép nối ADC là: • Mơ hình ghép nối song song: Trong mơ hình này, tín hiệu analog đưa đến ADC song song ADC chuyển đổi phần tín hiệu thành tín hiệu kỹ thuật số Sau đó, tín hiệu kỹ thuật số tổng hợp để tạo tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối Mơ hình ghép nối song song cho phép tăng tốc độ chuyển đổi ADC đòi hỏi nhiều kênh ADC nhiều vi mạch phụ trợ để thực • Mơ hình ghép nối (Serial Connection): Trong mơ hình này, tín hiệu analog đưa vào kênh ADC chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số Mỗi lần chuyển đổi, bit liệu chuyển từ ADC đến vi mạch điều khiển Sau đó, vi mạch điều khiển tiếp tục yêu cầu chuyển đổi cho bit liệu Mô hình ghép nối đơn giản tốn so với mơ hình ghép nối song song, tốc độ chuyển đổi chậm 2.4 Lưu đồ thuật toán Phần III Demo sản phẩm ❖ Demo sử dụng vi điều khiển AT89C52 để đọc liệu nhiệt độ thị hình LCD: • Hiện chip, ngoại vi hầu hết hỗ trợ chuyển đổi ADC tích hợp chip, để nói rõ q trình chuyển đổi ADC sử dụng adc0804 với chip điều khiển chưa đc tích hợp adc at89c52 • Vậy phải chuyển đổi ADC? Là chip mà sử dụng khơng thể hiểu đc gtri điện áp 0,10,2… v.v chúng hiểu điện áp mức cao mức thấp nên cần phải sử dụng ADC để chuyển đổi điện áp thành tín hiệu nhị phân để giúp cho chip hiểu Mơ • Cấu hình chân: + Để kích xung cho chân WR ADC ta nối chân WR ADC với chân P3.3/INT1 vi điều khiển + Chân INTR ADC nối với chân P3.4/TO + Các chân CS, RD, A GND, Vin- D GND nối với đất + Chân Vin đấu với dương nguồn + chân đầu nối với chân từ P1.0 đến P1.7 vi điều khiển Để IC ADC0805 hoạt động cần có xung kích cho chân WR lên mức cao chờ chân INTR xuống mức thấp adc cho đầu Code kích xung cho chân ADC hoạt động: Tài liệu tham khảo https://dientusangtaovn.com/adc-la-gi/ https://vi.wikipedia.org/wiki/ADC https://dientuviet.com/bo-chuyen-doi-tuong-tu-sang-so-adc/