Báo cáo tìm hiểu về bộ chuyển đổi adc

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ TIÊN TIẾN    BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC Giảng viên hướng dẫn: Dương Quang Duy Mục lục Phần I Giới Thiệu Về Bộ 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 Ưu điểm, nhược điểm chuyển đổi ADC 1.7 Cách sử dụng chuyển đổi ADC 1.8 Ứng dụng PHẦN II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ADC 10 2.1 Sơ đồ khối 10 2.2 Quy trình chuyển đổi A/D 11 2.3 Mơ hình ghép nối 11 2.4 Phương thức chuyển đổi ADC 12 2.5 Sơ đồ ghép nối với thiết bị ngoại vi 13 2.5.1 Ghép nối với vi điều khiển .13 2.5.2 Ghép nối với cảm biến 14 2.6 Thiết lập giao thức bên phát bên thu 14 Tài liệu tham khảo .16 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 Các ví dụ chuyển đổi ADC hệ cũ bao  gồm: ADC đời cũ: ADC0804 ADC đời cũ phổ biến sử dụng ứng dụng nhúng Nó có độ phân giải bit tốc độ chuyển đổi 640 khối lượng chuyển đổi giây Tuy nhiên, tiêu thụ lượng lớn so với ADC đời ADC đời cũ: ADC0809 ADC đời cũ sử dụng rộng rãi ứng dụng điện tử tiêu thụ thấp Nó có độ phân giải bit tốc độ chuyển đổi 100 khối lượng chuyển đổi giây, nhiên, tiêu thụ lượng lớn ADC đời mới: ADS1256 ADC đời phổ biến sử dụng ứng dụng yêu cầu độ xác độ ổn định cao Nó có độ phân giải 24 bit tốc độ chuyển đổi 30.000 khối lượng chuyển đổi giây, tiêu thụ lượng thấp có tính tự động điều chỉnh nhiễu giảm méo ADC đời mới: MAX11156 ADC đời phổ biến sử dụng ứng dụng yêu cầu độ xác tốc độ cao Nó có độ phân giải 16 bit tốc độ chuyển đổi 500 khối lượng chuyển đổi giây Ngoài ra, MAX11156 tích hợp giảm méo khử nhiễu để cải thiện chất lượng tín hiệu  Các ADC hệ thiết kế để khắc phục số nhược điểm ADC trước đó, bao gồm:  Độ phân giải cao hơn: Các ADC có độ phân giải cao hơn, cho phép chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số dạng số học với độ xác cao  Tốc độ chuyển đổi nhanh hơn: Các ADC có tốc độ chuyển đổi nhanh hơn, cho phép chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số dạng số học tốc độ cao  Tiêu thụ lượng thấp hơn: Các ADC tiêu thụ lượng thấp so với ADC trước đó, giúp tiết kiệm điện giảm chi phí sử dụng  Chất lượng tín hiệu tốt hơn: Các ADC thiết kế để cải thiện chất lượng tín hiệu, bao gồm giảm nhiễu độ méo thấp  Kích thước nhỏ hơn: Các ADC có kích thước nhỏ hơn, cho phép tích hợp vào ứng dụng có hạn chế khơng gian 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 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 Cách sử dụng chuyển đổi ADC Để sử dụng chuyển đổi ADC, chúng cần thực bước sau: Bước 1: Kết nối tín hiệu analog đến chân đầu vào chuyển đổi ADC Bước 2: Thiết lập thông số cho chuyển đổi ADC Các thông số bao gồm độ phân giải, tốc độ chuyển đổi, nguồn cấp, v.v Thông số thường thiết lập thông qua ghi điện tử đoạn mã lệnh vi điều khiển Bước 3: Khởi động chuyển đổi ADC Bạn cần khởi động chuyển đổi ADC để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số Bước 4: Đọc kết chuyển đổi Sau chuyển đổi ADC hồn thành q trình chuyển đổi, kết lưu trữ ghi truyền qua kênh truyền liệu Bước 5: Xử lý kết chuyển đổi Sau đọc kết chuyển đổi, bạn cần xử lý kết để đưa định hiển thị kết cho người dùng Ví dụ ứng dụng đo lường, kết chuyển đổi hiển thị hình sử dụng để tính tốn thơng số khác Đó bước để sử dụng chuyển đổi ADC nhiên thực tế việc sử dụng chuyển đổi ADC khác tùy thuộc ứng dụng cụ thể 1.7 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 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  Công 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 công nghiệp điều khiển 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 Nguyên 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 Đầu tiên, 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 Sau đó, 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 Cuối cùng, 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 Mơ hình ghép nối đơn giản tốn so với mơ hình ghép nối song song, tốc độ chuyển đổi chậm 2.4 Phương thức chuyển đổi ADC ADC (Analog-to-Digital Converter) thiết bị phần hệ thống điện tử sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số Các phương pháp chuyển đổi ADC thường sử dụng gồm:  Phương pháp so sánh: phương pháp so sánh tín hiệu đầu vào với giá trị tham chiếu điều chỉnh, sau đưa kết chuyển đổi Phương pháp thường sử dụng ADC tốc độ cao  Phương pháp tích lũy giữ: phương pháp sử dụng tích lũy để tích lũy giá trị tín hiệu đầu vào sau chuyển đổi thành tín hiệu số Phương pháp thường sử dụng ADC độ xác cao  Phương pháp đa giai đoạn: phương pháp chia tín hiệu đầu vào thành tín hiệu nhỏ chuyển đổi tín hiệu nhỏ cách Phương pháp sử dụng ADC với độ phân giải cao  Phương pháp sigma-delta: phương pháp sử dụng lọc sigma-delta để chuyển đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu số Phương pháp thường sử dụng ADC độ xác cao tiêu thụ điện thấp Mỗi phương pháp chuyển đổi ADC có ưu điểm hạn chế riêng, phương pháp thường sử dụng cho ứng dụng khác tùy thuộc vào yêu cầu tốc độ, độ xác, độ phân giải tiêu thụ điện hệ thống điện tử 2.5 Cách sử dụng ADC với thiết bị ngoại vi  ADC vi xử lí STM32103C8T6 Ở kit ADC sử dụng 10 kênh từ PA_0 đến PB_1 kênh sử dụng để đọc điện áp đầu vào tùy thuộc vào người dùng sử dụng  Vi điều khiển Atmega16 Sơ đồ ghép nối mô tả mô  Cấu hình chân cho vi điều khiển:  Để đo giá trị biến trở chân ADC0 cần nối dây biến trở với chân PA0 vi điều khiển, cấu hình cấp nguồn 5V cho AVCC, chọn điện áp tham chiếu AFEF 5V  Để đọc giá trị ADC, cần định cấu hình ADC, bật ADC, bắt đầu chuyển đổi ADC, sau đọc giá trị ADC  Code : Khởi tạo ADC_VREF Chương trình đọc ADC đơn kênh 10 bit  Vi điều khiển AT89C52 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/