thiết kế bộ chuyển đổi adc 10 bit sử dụng phương pháp xấp xỉ liên tiếp sar

Kết quả của nghiên cứu là vận dụng các hoạt động của cmos để tạo ra mạch chuyển đổi ADC với ngõ ra là tín hiệu số hoạt động ổn định với tần số cho phép tương ứng với giá trị của tín hiệu

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2024

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC 10 BIT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ LIÊN TIẾP (SAR)

GVHD: PGS.TS PHAN VĂN CA SVTH: LÊ HOÀNG LONG ĐỖ TUẤN KIỆT

S K L 0 1 2 3 5 8

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Lê Hoàng Long MSSV: 19161016 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông

Lớp: 18161CLVT2A - 19161CLVT2B

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Văn Ca

Ngày nhận đề tài: 24/09/2023 Ngày nộp đề tài: 05/01/2024 Tên đề tài: Thiết kế bộ chuyển đổi ADC 10 bit sử dụng phương pháp xấp xỉ liên

tiếp (SAR)

1 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

• Kiến thức về các môn: Vi mạch, VLSI, Mạch điện, Kỹ thuật số • Các tài liệu liên quan về CMOS, VHDL

• Các kiến thức về ADC, DAC

• Bài báo “8 Bit Sar Analog To Digital Converter In 90nm Cmos”

2 Nội dung thực hiện đề tài:

• Tìm hiểu và tóm tắt ADC

• Nguyên lý hoạt động của ADC và ADC_SAR

• Tính toán và thiết kế sơ đồ mạch trên phần mềm Cadence • Mô phỏng và điều chỉnh các thông số trên Cadence • So sánh với các công nghệ khác và nhận xét

• Viết báo cáo

• Bảo vệ đồ án tốt nghiệp

3 Sản phẩm: Mô phỏng mạch ADC bằng phương pháp SAR trên Cadence

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS Phan Văn Ca

ii

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin đảm bảo rằng dự án cuối cùng này do chính nhóm thực hiện với sự hỗ trợ của giảng viên và không phải là bản sao chép bài nghiên cứu của người khác Dữ liệu thông tin thứ cấp từ đồ án tốt nghiệp được tham khảo và trích dẫn rõ ràng

Chúng tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan này!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 01 năm 2024

Sinh viên

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Hoàng Long Đỗ Tuấn Kiệt

iii

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Thầy Phan Văn Ca Cảm ơn Thầy đã dành thời gian quý báu để động viên chúng tôi bằng tinh thần và kiến thức của Thầy và giúp đỡ chúng tôi rất nhiều để vượt qua những ngày tháng khó khăn để khám phá, tìm hiểu những lĩnh vực mới Sau đó chúng tôi đã tỉ mỉ hoàn thành dự án cuối cùng một cách tốt nhất

Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và các thầy cô bộ môn Điện - Điện tử vì kiến thức và tâm huyết của các thầy cô Những kiến thức quý giá làm nền tảng đầu tiên giúp tôi có được những kiến thức cơ bản và cần thiết trong những năm học vừa qua, giúp tôi hoàn thành tốt môn học Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô, và xin chúc các thầy cô sức khỏe và một cuộc sống học tập tuyệt vời phía trước

Một lần nữa, chúng tôi xin cảm ơn Thầy Phan Văn Ca và Thầy Nguyễn Ngô Lâm đã tận tình hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong dự án này Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và lời cảm ơn chân thành của mình

Chúng tôi đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ và đúng thời hạn nhưng với kiến thức hạn hẹp chắc chắn sẽ còn nhiều thiếu sót Rất mong thầy cô và bạn đọc thông cảm Rất mong nhận được những phản hồi từ thầy cô và độc giả

Cảm ơn rất nhiều!

iv

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, ngành công nghiệp điện tử nghiên cứu và sản xuất mạch bán dẫn trên khắp thế giới nói chung đã trở thành ngành công nghiệp cốt lõi mà các nước phát triển và đang phát triển trên thế giới khao khát sở hữu Vì vậy, các công ty công nghệ muốn thâm nhập vào lĩnh vực vi mạch và cạnh tranh trên toàn cầu Hằng năm, họ liên tục đưa ra thị trường các sản phẩm có sự cải tiến về công nghệ khác nhau như giảm chiều dài kênh dẫn, giảm diện tích chip, công suất hay các sản phẩm có sự đánh đổi về công nghệ để đưa ra các dòng phân khúc khác nhau,…

Trước sự phát triển bùng nổ và thay đổi không ngừng, các thiết bị điện tử cần phải được cải tiến liên tục để có thể đóng góp tốt hơn cho cuộc sống con người và thâm nhập vào cuộc sống hằng ngày của chúng ta Và ngày nay, các thiết bị điện, điện tử và thông tin rất cần thiết cho hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống chúng ta Tất cả chúng ta đều gặp nhiều loại thiết bị điện tử, từ gia dụng đến sản xuất, đơn giản đến thông minh

Song song đó, những năm gần đây, Việt Nam được các tập đoàn vi mạch lớn trên thế giới đầu tư vào ngày càng nhiều như Intel là tập đoàn đầu tiên của Mỹ đã đầu tư vào Việt Nam vào năm 2006, tiếp theo đó là Renesas, Microchip, Samsung,…trong đó, tập đoàn FPT của Việt Nam cũng đã tham gia vào nghiên cứu và sản xuất vi mạch từ tháng 3 năm 2022

Công nghệ bán dẫn ngày càng cải tiến công nghệ bên trong, có thể giảm giá thành và cải thiện hiệu suất của sản phẩm Hơn nữa, nó còn tích hợp các tính năng phức tạp và nâng cao Một tập hợp các chức năng đơn giản trên chip bán dẫn Mạch kỹ thuật số linh hoạt, mạnh mẽ và phức tạp hơn mạch tương tự Tuy nhiên, có một số chức năng không thể xử lý được bằng mạch kỹ thuật số và cần có sự trợ giúp của mạch tương tự Vì vậy, các thiết bị điện tử cần có mạch chuyển đổi từ analog sang digital và ngược lại Hai loại phổ biến nhất là bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC)

MỤC LỤC

Trang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI NÓI ĐẦU iv

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH viii

DANH SÁCH BẢNG x

Chương 1.TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung - đối tượng nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Tóm tắt đề tài 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Tổng quan về chuyển đổi tương tự sang số 5

2.1.1 Phép biến đổi tương tự sang số 5

2.1.2 Bộ chuyển đổi tương tự sang số (analog to digital) 6

2.1.3 Chức năng của ADC 7

2.2 Các tham số cơ bản của ADC 7

2.2.1 Tín hiệu vào và ra 7

2.2.2 Độ phân giải 10

2.2.3 Độ chính xác 10

2.2.4 Bộ chuyển đổi ADC 12

2.2.5 Đầu ra bộ ADC 12

2.2.6 Tín hiệu tham chiếu Vr 12

2.3 Nguyên lý hoạt động của ADC 13

2.4 Các kỹ thuật chuyển đổi ADC 14

2.4.1 ADC kiểu đếm 15

2.4.2 ADC thăng bằng liên tục 15

2.4.3 Phương pháp biến đổi ADC hàm dốc tuyến tính (phương pháp tích phân một độ dốc) 16

2.4.4 ADC tích phân hai độ dốc 18

2.4.5 ADC dùng biến đổi điện áp – tần số (VF) 19

2.4.6 ADC so sánh song song (flash) 20

2.4.7 ADC Wilkinson 21

2.4.8 ADC xấp xỉ liên tiếp (SAR - ADC) 23

2.4.8.1 Sơ đồ khối và chức năng từng khối 23

2.4.8.2 Nguyên lí hoạt động của bộ SAR – ADC 10 bit 24

2.5 Chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự (Digital to Analog – DAC) 27

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28

3.1 Yêu cầu hệ thống 28

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống 28

3.3 Lưu đồ hoạt động 29

3.4 Thiết kế hệ thống 30

3.4.1 Khối so sánh OpAmp 30

3.4.2 Khối lấy mẫu Sample_Hold 32

3.4.3 Khối SAR 33

3.4.4 Khối chuyển đổi tín hiệu số - tương tự DAC 36

3.4.5 Toàn bộ mạch SAR – ADC 37

Chương 4 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 38

4.1 Khối Sample – hold 38

4.2 Khối Op – Amp 39

4.3 Khối DAC 40

4.4 Khối SAR 40

4.5 Mạch SAR – ADC 10 bit 41

4.6 Công suất tiêu thụ của mạch 43

4.7 Đánh giá mạch 43

4.7.1 Theo nhiệt độ và Vdd 43

4.7.2 Đánh giá mạch đang thực hiện so với các mạch đã được công bố 45

4.8 Nhận xét và đánh giá tổng số tài nguyền xây dựng mô hình ADC 46

4.8.1 Tổng số tài nguyên sử dụng 46

4.8.2 Nhận xét 46

Chương 5.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 48

5.1 Kết luận 48

5.2 Hạn chế và phương hướng phát triển trong tương lai 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

vii

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

viii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sơ đồ khối chung của phép biến đổi tương tự sang số 5

Hình 2.2: Đồ thị thời gian tín hiệu vào và ra của mạch lấy mẫu 5

Hình 2.3: Quan hệ tín hiệu vào ra của các khối ADC 8

Hình 2.4: Quan hệ vào ra các tín hiệu 9

Hình 2.5: Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD 11

Hình 2.6: Các tín hiệu ngõ vào/ra chính của ADC 13

Hình 2.7: Sơ đồ khối tổng quát của ADC 14

Hình 2.8: Sơ đồ khối AD có Vr dạng nấc thang 15

Hình 2.9: Đồ thị thời gian AD thăng bằng liên tục 16

Hình 2.10: Sơ đồ khối phương pháp ADC hàm dốc tuyến tính 17

Hình 2.11: Dạng sóng ADC hàm dốc tuyến tính 17

Hình 2.12: Sơ đồ khối AD tích phân hai độ dốc 18

Hình 2.13: Đồ thị dạng sóng của ADC tich phân 2 độ dốc 19

Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ biến đổi AD dạng V-F 20

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song 21

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lí ADC Wilkinson 22

Hình 2.17: Sơ đồ khối SAR – ADC 23

Hình 2.18: Quan hệ giữ tín hiệu vào và ra 27

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ADC – SAR 28

Hình 3.2: Lưu đồ hoạt động của SAR – ADC 29

ix

Hình 3.3: Sơ đồ mạch của OpAmp 30

Hình 3.4: Đóng gói khối so sánh OpAmp 31

Hình 3.5: Sơ đồ mạch của Sample_Hold 32

Hình 3.6: Đóng gói mạch Sample_Hold 32

Hình 3.7: Sơ đồ mạch của khối SAR 33

Hình 3.8: Sơ đồ mạch của khối SAR khi phóng to 34

Hình 3.9: Mạch D_FF 34

Hình 3.10: Đóng gói khối SAR 36

Hình 3.11: Mạch DAC 36

Hình 3.12: Mạch SAR – ADC 37

Hình 4.1: Kết quả dạng sóng của khối Sample - Hold 38

Hình 4.2: Kết quả dạng sóng của khối Op - Amp 39

Hình 4.3: Kết quả dạng sóng của khối DAC 40

Hình 4.4: Kết quả dạng sóng của khối SAR 40

Hình 4.5: Kết quả 10 ngõ ra của ADC 41

Hình 4.6: Kết quả dạng sóng ngõ ra của ADC 42

Hình 4.7: Biểu đồ thể hiện công suất tiêu thụ 43

Hình 4.8: Đồ thị thể hiện công suất tiêu thụ 44

Chương 1 Tổng quan đề tài

1

Chương 1

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Vớisự phát triển thành công tiền nhiệm của lĩnh vực điện tử, ngày nay đã mở ra một thời đại mới, ở đó nó đã cải tiến và phát triển giúp cho lĩnh vực điện tử nói riêng và công nghệ thông tin - truyền thông nói chung là ngành công nghiệp bán dẫn Nó đã trở thành một thành phần chính của công nghiệp điện tử và lĩnh vực thông tin cho ngày nay và tương lai; vi mạch bán dẫn ngày nay là linh kiện cực kì quan trọng và không thể thiếu cho các thiết bị điện tử trong cuộc sống hàng ngày hay trong ngành công nghiệp quốc phòng

Chất bán dẫn là thành phần quan trọng của các thiết bị điện tử, đặc biệt là thiết bị kỹ thuật số và chúng tạo thành những con chip nhỏ, cực nhỏ của linh kiện điện tử được lắp đặt trong các thiết bị như điện thoại, ô tô thông minh, ô tô tự lái và thậm chí cả trung tâm dữ liệu và công nghệ trí tuệ nhân tạo Các thiết bị điện tử số tiếp tục được phát triển nhanh hơn, mạnh hơn và thông minh hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Do tham vọng cao của nhiều người dùng và nhà quản lý công nghệ, thiết bị điện tử kỹ thuật số, đặc biệt là chip vi xử lý, ngày càng trở nên đa dạng và mạnh mẽ hơn, các ứng dụng cũng ngày càng đến gần chúng ta hơn Bên cạnh sự phát triển đa dạng của ngành vi xử lý, nguồn tài nguyên vi xử lý cũng đang thu hút sự chú ý để cải tiến sản phẩm và thay thế các tài nguyên có hại cho môi trường Nếu bạn sử dụng nó quá nhiều cho các mục đích thực tế khác nhau, nó có thể bị hao mòn nhanh chóng Internet, mạng truyền thông không dây và các thiết bị thông minh kết nối vạn vật ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội, với mục đích giúp con người chấm dứt lao động chân tay quá nhiều

Ngoài ra, lĩnh vực sản xuất linh kiện, thiết bị điện tử của ngành bán dẫn không còn mới mẻ đối với ngành công nghiệp Việt Nam Nhu cầu về vi mạch bán dẫn tăng

Chương 1 Tổng quan đề tài

Trong bài báo cáo này, chúng tôi đã tập trung vào nghiên cứu và mô phỏng về công nghệ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số (ADC) Trình bày quá trình xử lý tín hiệu của các dạng ADC Trong đó, chúng tôi tập trung phân tích và đánh giá mô hình “ADC xấp xỉ liên tiếp (SAR)” và đưa ra so sánh hiệu suất xử lý với các dạng ADC khác nhau, từ đó đưa ra ưu nhược điểm của SAR và tìm cách khắc phục nó

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu về công nghệ CMOS 110 nm và hoạt động của các CMOS trong các khối của hệ thống chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và thiết kế mạch chuyển đổi ADC bằng phương pháp xấp xỉ liến tiếp (SAR) với công nghệ 110nm Kết quả của nghiên cứu là vận dụng các hoạt động của cmos để tạo ra mạch chuyển đổi ADC với ngõ ra là tín hiệu số hoạt động ổn định với tần số cho phép tương ứng với giá trị của tín hiệu tương tự ở ngõ vào Ngoài ra, công suất mạch được sử dụng để so sánh với các thông số khác nhau như nhiệt độ, điện áp cung cấp để chọn ra thông số hoạt động phù hợp cho mạch được thiết kế

Khi nghiên cứu đề tài này, chúng tôi muốn phát huy thành quả của ứng dụng để tạo ra một con chip có ích trong hệ thống chuyển đổi dữ liệu Không những thế, nó còn là tài liệu cho các đối tượng muốn nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan đề tài

3

Ngoài ra, quá trình thực hiện đề tài còn là một cơ hội để chúng tôi tự kiểm tra lại những kiến thức đã được học ở trường Đồng thời phát huy sự sáng tạo, khả năng giải quyết vấn đề theo yêu cầu đặt ra

1.3 Nội dung - đối tượng nghiên cứu

Nội dung 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo cơ bản, nguyên lý hoạt động, tính năng của ADC

Nội dung 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo công nghệ CMOS Nội dung 3: Các giải pháp thiết kế vi mạch, mô phỏng mạch

Nội dung 4: Thiết kế các mạch con, lưu đồ giải thuật và các mạch tín hiệu Nội dung 5: Thiết kế hoàn chỉnh mạch ADC

Nội dung 6: Chạy thử nghiệm và cân chỉnh mạch Nội dung 7: Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp

Nội dung 8: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Có nhiều nguyên lý chuyển đổi tương tự sang số Nhưng trong đồ án này, chúng tôi sẽ sử dụng nguyên lý xấp xỉ liên tiếp (SAR) để thiết kế bộ ADC 10 bit Và trong đồ án này chúng tôi sẽ không tạo ra thành phẩm mà chỉ dừng lại ở bước mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Cadence

Chương 1 Tổng quan đề tài

- Chương 5 Kết Luận Và Hướng Phát Triển: Trình bày những kết quả mà đồ án đã đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Hình 2.1: Sơ đồ khối chung của phép biến đổi tương tự sang số

Nguyên tắc làm việc:

Đầu tiên là tín hiệu tương tự từ ngõ vào sẽ được đưa qua mạch lấy mẫu, ở đây tín hiệu tương tự sẽ được lấy mẫu sau đó rời rạc tín hiệu đó theo thời gian nhưng không làm thay đổi biên độ của tín hiệu đó

Hình 2.2: Đồ thị thời gian tín hiệu vào và ra của mạch lấy mẫu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Q - ∆XAi

Trong đó:

ZDi: là tín hiệu số tại thời điểm i

XAi: là tín hiệu tương tự tại thời điểm i Q: là mức lượng tử

∆XAi: là số dư phép đo lượng tử hóa Int: là phần nguyên

Sau khi tín hiệu được lượng tử hóa thì được đưa qua mạch mã hóa để sắp xếp lại và mã hóa tín hiệu theo một quy luật nào đó phụ thuộc vào dạng mã được yêu cầu

2.1.2 Bộ chuyển đổi tương tự sang số (analog to digital)

Bộ chuyển đổi tương tự sang số là thành phần quan trọng cần thiết khi sử dụng các phương pháp kỹ thuật số để xử lý thông tin và chức năng điều khiển Vì các tín hiệu thực tế thường ở dạng tương tự, nên cần có bộ tiếp nhận dữ liệu bao gồm các thành phần truyền thông tương tự và kỹ thuật số và bộ xử lý tín hiệu tương tự sang số hoặc ngược lại

Bộ chuyển đổi tương tự sang số (viết tắt là ADC) thực hiện hai chức năng cơ bản: lượng tử hóa và mã hóa

Bộ chuyển đổi tương tự sang số sẽ nhận tín hiệu từ các thiết bị tương tự ở ngõ vào, sau đó mất khoảng thời gian cho ra mã số ở ngõ ra có giá trị tương ứng với tín hiệu ngõ vào Vì vậy quá trình này rất phức tạp và mất nhiều thời gian hơn so với quá trình của bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) và có nhiều cấu trúc khác nhau

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

7

Bảng 2.1: Các đặc điểm của các loại ADC thường dùng

STT Đặc trưng Flash ADC Wilkinson ADC ADC xấp xỉ liên tiếp

2 Khả năng nhận số đếm

4 Độ phân giải năng

2.1.3 Chức năng của ADC

Bộ ADC được dùng để đo biên độ cực đại của xung ở dạng tương tự và chuyển đổi giá trị đó thành giá trị số nhị phân “0” và “1” Ngõ ra tín hiệu dạng số tỷ lệ với biên độ tương tự ở ngõ vào của ADC Đối với các xung tới tuần tự, ngõ ra dạng số từ ADC được kết nối với một bộ nhớ chuyên dụng hoặc một máy tính và được sắp xếp thành một biểu đồ, biểu đồ này thể hiện phổ của ngõ vào tương ứng với biên độ xung[1] Tín hiệu tương tự ngõ vào bộ biến đổi ADC được cấp từ ngõ ra bộ khuếch đại phổ kế

Thông qua các chức năng của bộ khuếch đại, chẳng hạn như chọn lựa cực tính, hình thành xung, hồi phục đường cơ bản hoặc chống hiệu ứng chồng chập, tín hiệu tương tự sẽ được bộ ADC biến đổi thành giá trị số nhị phân, tức là được lượng tử hoá[2] Chữ số BCD này được khối xử lý đa kênh thu nhận và gửi dữ liệu đến máy tính nhằm hình thành phổ bức xạ

2.2 Các tham số cơ bản của ADC 2.2.1 Tín hiệu vào và ra

Bộ chuyển đổi tương tự sang số có tỷ lệ thuận, do đó tín hiệu đầu vào tương tự được chuyển đổi thành phân số X bằng cách so sánh nó với tín hiệu tham chiếu, Vref Đầu ra của ADC là phần mã này Sai số ở tín hiệu Vref gây ra sai số ở mức đầu ra nên Vref phải được điều chỉnh để giữ cho hệ thống ổn định nhất có thể

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

8

Hình 2.3: Quan hệ tín hiệu vào ra của các khối ADC

Nếu mã đầu ra của bộ chuyển đổi ADC là n bit thì số mức đầu ra rời rạc là 2n Về mối quan hệ tuyến tính, tần số đầu vào phải được lượng tử hóa theo mức này và mỗi mức này là một tín hiệu tương tự được phân biệt bằng hai mã liên tiếp Đây là kích thước của tín hiệu LSB (Least Significant Bit)

Trong đó :

Q = VLSB : Gọi là mức lượng tử LSB : bit có trọng số thấp nhất

VAM = FS : là giá trị lớn nhất cho phép của điện áp tương tự Với sai số của lượng tử hóa được xác định như sau:

∆VQ = Q

Để hệ thống số hoạt động chính xác thì khi chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số phải thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự Để đảm bảo khôi phục lại được tín hiệu một cách trung thực nhất thì tần số lấy mấy fM phải thỏa mãn điều kiện thoe định lí Nyquist:

fth max: tần số cực đại của tín hiệu B: dải tần số của tín hiệu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

9

Mã bao gồm các giá trị lượng tử Q tương tự nhau, tương ứng với giá trị trung bình của lượng tử gọi là ngưỡng Ngoài ra, các giá trị analog trong phạm vi ngưỡng có sai số ±1/2 LSB nhưng được biểu thị bằng cùng một giá trị mẫu, gọi là lỗi lượng tử hóa Một cách khác để giảm lỗi này là sử dụng ADC để tăng số bit trong mã đầu ra

Hình 2.4: Quan hệ vào ra các tín hiệu

bk = 0 hoặc 1; với k = 0 → k = n – 1, được gọi là bit

bn-1: là bit có trọng số cao nhất (Most Significant Bit – MSB) Với mỗi thay đổi của MSB tương ứng với sự biến đổi của nửa dải làm việc

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

10

b0 : là bit có trọng số thấp nhất (Least Significant Bit – LSB) Với mỗi thay đổi của LSB tương ưng với sự biến đổi của một mức lượng tử Một mức lượng tử bằng một bậc của hình bậc thang

2.2.2 Độ phân giải

Độ phân giải là số bit cần thiết để chứa tất cả các mức giá trị số ở đầu ra Ví dụ: mạch có 8 giá trị đầu ra cần 3 bit nhị phân để mã hóa tất cả các giá trị đó, do đó mạch chuyển đổi ADC có 7 bộ so sánh có độ phân giải 3 bit

Độ phân giải càng cao thì kết cấu càng mịn Ví dụ: nếu mạch có bốn bộ so sánh, đầu ra tín hiệu số sẽ có năm mức giá trị Tương tự, nếu có 7 bộ so sánh trong mạch thì sẽ có 8 mức giá trị số ở đầu ra Khoảng cách giữa các mức tín hiệu với 8 mức nhỏ hơn so với 4 mức Nói cách khác, nếu có bảy bộ so sánh trong mạch chuyển đổi, các giá trị tín hiệu số ở đầu ra sẽ đồng đều hơn so với khi chỉ có bốn bộ so sánh

Độ phân giải phụ thuộc vào chất lượng chuyển đổi ADC Lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác và khả năng xử lý cần thiết của bộ điều khiển Ví dụ: để tạo mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n-bit, bạn cần bộ so sánh 2n - 1 Nếu độ phân giải của bộ chuyển đổi ADC cao thì giá trị này có thể rất lớn Do đó, độ phân giải chuyển đổi flash ADC của bộ chuyển đổi thường nhỏ hơn 8 bit

2.2.3 Độ chính xác

Độ chính xác của bộ ADC bao gồm độ phân biệt, độ méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không và sai số đơn điệu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

11

Hình 2.5: Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD

Về độ phân biệt, nó được đặc trưng bởi số bit N Ví dụ một ADC có số bit ở đầu ra là N thì có thể phân biệt được 2N mức trong dải điện áp vào của nó

Độ phân biệt được ký hiệu là Q và theo công thức:

Cùng một ADC nhưng sử dụng ở các mức điện áp khác nhau tùy theo nhu cầu của người dùng Ví dụ: Người A muốn sử dụng ADC để chuyển đổi điện áp trong phạm vi 0 đến 1 V, nhưng Người B không muốn sử dụng ADC Tôi muốn sử dụng nó với điện áp từ 0 V đến 5 V Nếu hai người này cùng sử dụng một bộ chuyển đổi ADC và đều có thể chuyển đổi được điện áp 5 V thì anh A đang “lãng phí” độ chính xác của thiết bị [3]

Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu – Vref Điện áp tham chiếu là giá trị điện áp tối đa mà ADC có thể chuyển đổi Đối với ADC, Vref là tham số do người dùng định cấu hình và là điện áp tối đa mà thiết bị có thể chuyển đổi

Ví dụ: nếu Vref = 3V đối với ADC 10 bit và điện áp đầu vào là 1V thì giá trị kỹ thuật số được chuyển đổi là: 1023 x 13 = 314 Trong đó, 1023 là giá trị lớn nhất mà

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

12

một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra được (1023 = 210 - 1) Để tránh ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, bạn cần tính toán điện áp tham chiếu và chọn điện áp tham chiếu tối ưu Điện áp tham chiếu không được nhỏ hơn giá trị tối đa của đầu vào và cũng không được quá cao

2.2.4 Bộ chuyển đổi ADC

Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất mạch, bộ chuyển đổi tín hiệu ADC có đầu vào đơn cực hoặc lưỡng cực, chủ yếu là 0 - 5 V hoặc 0 - 10 V đối với ADC đơn cực, -5 +5 V hoặc -10 +10 V sẽ nằm trong phạm vi Đối với ADC lưỡng cực Tín hiệu đầu vào phải phù hợp với mức đầu vào được chỉ định của từng ADC Nếu đầu vào không có tỷ lệ đầy đủ, nó sẽ tạo ra mã lãng phí ở đầu ra [3] Để giải quyết trường hợp này, hãy chọn mức đầu vào ADC và điều chỉnh mức tăng phù hợp cho đầu vào nguồn tín hiệu tương tự

Khi sử dụng bộ chuyển đổi ADC đơn cực có tín hiệu đầu vào lưỡng cực trong phạm vi ±Vpp, phải thêm điện áp đầu vào Vi có điện áp cơ sở bằng +Vpp Trong trường hợp đó, Vi sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 2 Vpp Tín hiệu này được gửi đến đầu vào ADC Nếu sử dụng ADC lưỡng cực thì không cần thêm tín hiệu nào và đầu ra vẫn sẽ nhận được mã lưỡng cực

2.2.5 Đầu ra bộ ADC

Đầu ra của hầu hết các ADC thường là 4 bit, 8 bit hoặc 16 bit nhưng cũng có loại 3½ Digit, mã BCD, 10 bit và 14 bit Đầu ra của ADC thường là mã tự nhiên hoặc mã nhị phân có dấu ADC được sử dụng trong các thiết bị hiển thị kỹ thuật số có mục đích chung thường được mã hóa BCD

2.2.6 Tín hiệu tham chiếu Vr

Xem Hình 2.6, sơ đồ biểu thị cho đầu vào và đầu ra tổng quát của bộ ADC Mọi

ADC đều bắt buộc phải có tín hiệu Vr Bất kỳ một sai số nào trên Vr đều có thể gây ra lỗi độ lợi ở đặc tính của bộ ADC Vì vậy mà Vr là tín hiệu đảm bảo độ chính xác

và ổn định của bộ ADC

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

13

Hình 2.6: Các tín hiệu ngõ vào/ra chính của ADC

2.3 Nguyên lý hoạt động của ADC

ADC hoạt động theo tín hiệu xung clock ở ngõ vào và tín hiệu xung start command dùng để cho phép thời điểm bắt đầu hoạt động Bộ điều khiển là một mạch logic có hai ngõ vào clock và start command, ngõ ra của nó sẽ đưa đến thanh ghi để chuyển đổi các dữ liệu nối tiếp thành song song để đưa vào bộ DAC

Bộ so sánh op-amp gồm hai ngõ vào tương tự, một ngõ là ngõ vào tương tự của bộ ADC, ngõ còn lại là ngõ ra của bộ chuyển đổi DAC Ngõ ra của bộ op-amp là tín hiệu số và sẽ chuyển đổi trạng thái phụ thuộc vào độ lớn tại mỗi thời điểm của hai tín hiệu ngõ vào Tín hiệu tại ngõ ra của bộ ADC chính là ngõ ra của thanh ghi dịch nối tiếp – song song cũng là ngõ vào của bộ DAC

Hoạt động cơ bản của ADC gồm các bước:

Xung Start sẽ yêu cầu bắt đầu chuyển đổi tại một thời điểm

Bộ điều khiển sẽ liên tục thay đổi các giá trị thập phân lấy từ ngõ ra số của bộ so sánh op-amp, ngõ ra của bộ điều khiển sẽ đưa vào thanh ghi để ghi lại và đưa các giá trị thập phân ra cùng thời điểm khi có tác động của xung clock trong thanh ghi

Ngõ vào của bộ DAC là các giá trị thập phân ở ngõ ra của thanh ghi, sau khi qua DAC sẽ tạo ra tín hiệu tương tự VAX để đưa vào bộ so sánh op-amp

Bộ so sánh có chức năng so sánh tín hiệu VAX và tín hiệu ngõ vào VA để cho ra tín hiệu số Nếu VAX < VA thì ngõ ra bộ so sánh là mức cao Khi VAX vượt VA một khoảng VT thì ngõ ra bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng xử lí cập nhật giá trị

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

14

thập phân trong thanh ghi Lúc này giá trị VAX gần bằng VA và trong thanh ghi thì giá trị số của nó tương đương với giá trị của VAX và xấp xỉ với VA

Hình 2.7: Sơ đồ khối tổng quát của ADC

Có nhiều loại mạch ADC và chúng chỉ khác nhau chủ yếu trong phần mạch logic điều khiển và cách thức cập nhật giá trị trong thanh ghi Còn lại các khối khác thì cơ bản giống nhau, không có thay đổi nhiều, Trong đồ án này, ta chỉ tập trung vào loại ADC xấp xỉ liên tiếp (SAR - ADC)

2.4 Các kỹ thuật chuyển đổi ADC

Có nhiều cách để phân loại ADC, nhưng phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phân loại chúng theo quá trình chuyển đổi thời gian của chúng Có ba phương pháp chuyển đổi như sau:

- Chuyển đổi song song: Một phương pháp trong đó tín hiệu tương tự được so sánh đồng thời với nhiều giá trị tham chiếu và tất cả các bit được xác định và gửi đến đầu ra cùng một lúc Kết quả được xác định bằng cách đếm số giá trị tham chiếu có thể có trong giá trị tín hiệu analog đang được chuyển đổi

- Chuyển đổi song song và nối tiếp kết hợp: Ít nhất hai bit được so sánh và xác định đồng thời trong mỗi bước

- Chuyển đổi nối tiếp theo mã đếm: là kỹ thuật được thực hiện từng bước theo quy luật mã đếm

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

15

2.4.1 ADC kiểu đếm

Hình 2.8: Sơ đồ khối AD có Vr dạng nấc thang

Ban đầu, bộ đếm tạo ra đầu ra cho ADC lớn hơn hoặc bằng giá trị đầu vào Ux Nó được thiết lập lại mỗi khi bắt đầu thực hiện AD và đếm từng xung dao động Trên mỗi lần đếm, DAC tăng từng nấc (1 LSB) và khi điện áp phản hồi DAC đạt đến giá trị đầu vào Ux, bộ so sánh sẽ đếm lại bằng bộ đếm

Nhược điểm của phương pháp đếm là thời gian chuyển đổi (Tc) có thể rất dài tùy thuộc vào mức tín hiệu đầu vào Khi chuyển đổi tín hiệu đầu vào ở mức FS, xung nhịp Tc = 2T cho DAC n-bit

Việc đếm ADC có thể được cải thiện bằng cách sử dụng phương pháp "tracking" hoặc "servo" với bộ đếm đảo ngược cho phép DAC nhập tín hiệu liên tục Nếu bạn muốn điều khiển bộ đếm bên ngoài tại các điểm cụ thể, hãy sử dụng DAC theo dõi làm bộ lấy mẫu và giữ (S&H)

2.4.2 ADC thăng bằng liên tục

Sơ đồ khối giống như phương pháp đếm nhưng bộ đếm được sử dụng ở đây là bộ đếm đảo ngược

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

16

Về cơ bản nó giống như phương pháp đếm nhưng bộ đếm này hoạt động ở cả chế độ tiến và lùi Nếu có tín hiệu phản hồi Vht < Vi thì bộ đếm đếm lên Ngược lại, bộ đếm sẽ thực hiện chức năng giảm Quá trình này được ghi lại khi giá trị Vht dao động xung quanh giá trị Vi Tc cũng phụ thuộc vào Vi

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm về lỗi tương tự như phương pháp đếm Lỗi động phụ thuộc vào thời gian chuyển đổi, trong khi lỗi tĩnh xảy ra trong bộ chuyển đổi và so sánh kỹ thuật số sang tương tự

Hình 2.9: Đồ thị thời gian AD thăng bằng liên tục

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

Phương pháp này thực hiện biến đổi trung gian từ điện áp ra khoảng thời gian sau đó đo khoảng thời gian theo phương pháp số

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

17

Hình 2.10: Sơ đồ khối phương pháp ADC hàm dốc tuyến tính

Sau khoảng thời gian kích hoạt, bộ đếm bắt đầu đếm ngược và mạch lấy mẫu tạo ra tín hiệu tuyến tính theo thời gian Tiếp theo, tín hiệu quét và tín hiệu đầu vào Vi được so sánh Nếu hai tín hiệu này bằng nhau thì mạch so sánh sẽ đóng và không có xung nào được gửi đến bộ đếm nữa Do đó, dữ liệu bộ đếm tỷ lệ thuận với thời gian T0, còn T0 tỷ lệ thuận với giá trị Vi nên dữ liệu bộ đếm tỷ lệ thuận với Vi

Hình 2.11: Dạng sóng ADC hàm dốc tuyến tính

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

18

Độ chính xác của phương pháp hàm gradient này phụ thuộc vào độ tuyến tính của tín hiệu quét Sai số cao độ càng nhỏ thì độ chính xác càng cao Hơn nữa, tín hiệu còn phụ thuộc vào tần số của từng xung dao động

Phương pháp hàm dốc hoạt động nhanh hơn phương pháp đếm liên tục hoặc phương pháp cân bằng và có độ chính xác cao hơn vì không yêu cầu bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự

2.4.4 ADC tích phân hai độ dốc

Hình 2.12: Sơ đồ khối AD tích phân hai độ dốc

Điện áp đầu vào được tích phân theo thời gian t1, tương ứng với thời gian bộ đếm đếm ngược Vào cuối t1, bộ đếm được đặt lại và bộ tích phân chuyển qua mức tham chiếu âm Tại thời điểm này, đầu ra của bộ tích phân giảm tuyến tính về 0, tại thời điểm đó bộ đếm dừng đếm và được đặt lại Điện tích nạp trong thời gian t xấp xỉ

bằng điện tích phóng điện trong thời gian t2 (xem sơ đồ khối Hình 2.12 và đồ thị

Hình 2.13)

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Z0: số xung trong khoảng thời gian t0 Uch: điện áp chuẩn có cực tính

UA: điện áp vào

Ưu điểm của phương pháp này là chất lượng khử ồn Tín hiệu đầu vào sẽ được tích phân một chu kỳ T, vì vậy mà bất kỳ mức ồn nào cũng có tần số là bội số của 1/t1 đều sẽ bị loại bỏ

2.4.5 ADC dùng biến đổi điện áp – tần số (VF)