Tầng đầu vào là các vi mạch tương tự chịu trách nhiệm thu nhận tín hiệu khuếch đại, lọc, giải điều chế… và chuyển đổi sang tín hiệu số để tân dụng ưu điểm xử lý không thể thiếu của hệ
GIỚI THIỆU
TỔNG QUAN
Đầu tiên chúng ta hãy nói về tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự hay được biết đến với tên gọi là Analog hay tín hiệu Analog Nó là một dạng tín hiệu liên tục, không ngắt quãng Hình dạng của tín hiệu đó được mô phỏng dưới đồ thị biểu diễn liên tục Tín hiệu tương tự là tín hiệu được truyền và phát ra đúng bản chất Tuy nhiên về cường độ đã có sự thay đổi so với thời điểm trước đó Thực tế cho thấy, tín hiệu Analog sẽ bị nhiễu và khả năng khuếch đại âm thanh sẽ khác so với bản chất ban đầu Xung quanh chúng ta sẽ thấy tín hiệu tương tự xuất hiện khá nhiều như sóng âm thanh, sóng ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm…
Tín hiệu tương tự sẽ có những ưu điểm như tín hiệu tương tự sẽ được điều chế liên tục cả về biên độ và thời gian với tín hiệu âm thanh Nhờ đó cách tích hợp tín hiệu của một hệ thống nào đó sẽ đơn giản hơn khi gắn vào chip Cũng nhờ việc điều chế tín hiệu mà giá thành của các tín hiệu Analog sẽ rẻ hơn so với tín hiệu Digital
Ngày nay, trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị liên lạc hoặc camera an ninh… người ta đều sử dụng một loại tín hiệu đó là tín hiệu tương tự Ngoài ra hệ thống bộ đàm của Analog đều sử dụng để tạo ra tần số FM (Frequency modulation) Cùng với đó, việc truyền tín hiệu tương tự không bị ảnh hưởng hay gián đoạn gì bởi lưu lượng tín hiệu lớn Băng thông truyền qua cáp đồng trục hầu như không giới hạn nên chúng ta có thể an tâm sử dụng
Về nhược điểm, trước hết đó là sự thay thế của tín hiệu số Về amtjw thẩm mỹ và lắp đặt thì các thiết bị có tín hiệu tương tự không còn phù hợp với nhu cầu hiện nay mà được thay thế bởi tín hiệu số Dữ liệu của tín hiệu tương tự dễ bị tác động hơn chẳng hạn như thiết bị hoặc cáp truyền tải bị yếu tố khách quan tác động Một nhược điểm nữa là tín hiệu tương tự không được hỗ trợ các phần mềm hoặc ứng dụng đi kèm Chính vì vậy nó chỉ cho phép một nhóm tín hiệu được liên lạc trong cùng thời điểm
Vậy thì lý do ta phải chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là gì? Hiện nay, có rất nhiều lĩnh vực đã dừng sử dụng các thiết bị có tải tần số Analog để sử dụng sang tín hiệu Digital Tín hiệu số không phải dạng tín hiệu tự nhiên được sinh ra bởi kỹ thuật công nghệ số do con người tạo ra Mọi thông tin về tính hiệu âm thanh hay hình ảnh đều thể hiện qua các thông số kỹ thuật và độ chính xác là rất cao Digital hay còn được biết đến là tín hiệu số Đặc điểm của tín hiệu này chỉ hiển thị
2 giá trị thấp và cao Trong đó chữ số 0 là giá trị thấp và chữ số 1 là giá trị cao Bên cạnh đó, trong một số thiết bị điện tử 2 giá trị của tín hiệu số được ký hiệu bằng nút ON/OFF Việc chuyển đổi đường truyền tín hiệu là điều tất yếu Bởi chúng ta cần theo kịp xu hướng và các biến đổi theo hướng tích cực của công nghệ Và phần nhu cầu sử dụng tín hiệu tương tự không phù hợp với người dùng nữa thì việc chuyển đổi là cần thiết Ví dụ khi chúng ta truyền tín hiệu âm thanh, tín hiệu số sẽ giúp chúng ta loại bỏ tạp âm trong quá trính truyền tải, khả năng sao chép thông tin không bị giảm chất lượng và không bị hạn chế về số lần sao chép, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khách quan (nhiệt, điện áp…), tín hiệu sẽ không bị biến dạng dù là tuyến tính hay không tuyến tính… Để có thể thực hiện được quá trình chuyển đổi này, bộ chuyển đổi ADC sẽ giúp chúng ta hoàn thành nó Mạch chuyển đổi tương tự ra số hay ADC (Analog to Digital Converter) là hệ thống mạch thực hiện chuyển đổi một tín hiệu tương tự liên tục, ví dụ như tín hiệu âm thanh, tín hiệu áng sáng trong máy ảnh kỹ thuật số… thành tín hiệu số Một hệ thống ADC có thể bao gồm một bộ phận phần cứng là nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu analog thành các giá trị số đại diện cho cường độ điện áp hay tín hiệu đó.
MỤC TIÊU
Thiết bị điện tử ngày nay hoàn toàn là kỹ thuật số, không còn là thời kỳ của máy tính analog Thật không may cho các hệ thống kỹ thuật số, thế giới chúng ta đang sống vẫn là analog và đầy màu sắc, không chỉ đen và trắng
Ví dụ, một cảm biến nhiệt độ như LM35 tạo ra điện áp phụ thuộc vào nhiệt độ, trong trường hợp của thiết bị cụ thể nó sẽ tăng 10mV khi nhiệt độ tăng lên mỗi độ Nếu chúng ta kết nối trực tiếp thiết bị này với đầu vào kỹ thuật số, nó sẽ ghi là cao hoặc thấp tùy thuộc vào các ngưỡng đầu vào, điều này là hoàn toàn vô dụng Thay vào đó, chúng ta sử dụng một bộ ADC để chuyển đổi đầu vào điện áp analog thành một chuỗi các bit có thể được kết nối trực tiếp với bus dữ liệu của bộ vi xử lý và được sử dụng để tính toán
ADC là một trong những phần tử phổ biến, có mặt trong tất cả các thiết bị kỹ thuật số tiếp nhận thông tin từ các cảm biến analog ADC cũng thường được tích hợp với cảm biến và đặt ngay tại đầu thu, truyền dữ liệu dạng số về khối xử lý Nó đảm bảo sự ưu việt là dữ liệu trung thực, truyền đưa dễ dàng và xử lý thuận tiện Các nhóm ADC có thể dễ dàng tìm thấy trong cuộc sống: ADC nhanh, dấu phảy tĩnh và số bit thấp, cỡ 8-12 bit, dùng cho biến đổi tín hiệu video, radar, cảm biến CCD, ADC âm thanh, dấu phảy tĩnh và số bit trung bình, dùng trong thiết bị âm thanh ADC kỹ thuật, dấu phảy tĩnh hoặc động, số bit cỡ 24-32, dùng trong thiết bị đo lường tín hiệu, ví dụ ADC 24-bit 2.5 MHz AD7760 ADC đo lường đơn giản cho ra số BCD với 3–5 digit không kể dấu, ví dụ ICL7135 ADC được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực: Đo đạc trong 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 được tạo ra khá sớm, dùng cho hiện cường độ âm thanh bằng dãy LED trong máy hát nhạc, ví dụ IC LM3914.
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Bài tiểu luận tìm hiểu cơ sở dữ liệu liên quan đến đề tài ADC, cụ thể hơn là Flash ADC 8-bit và hiểu rõ cơ sở dữ liệu đó Xây dựng và thiết kế hệ thống về Flash ADC 8-bit và mô phỏng, nhận xét và dánh giá kết quả của mô hình, hệ thống đã xây dựng được so với cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu Đề ra kết luận cuối cùng của đề tài, đề ra hướng phát triển tốt nhất, tối ưu nhất với hệ thống đã xây dựng, phù hợp với cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu và tìm hiểu.
BỐ CỤC BÁO CÁO
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG FLASH ADC 8-BIT
Chương 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN
Trong thiết bị điện tử, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC, A / D hoặc A-to-D) là một hệ thống chuyển đổi tín hiệu tương tự, chẳng hạn như âm thanh thu được từ micrô hoặc ánh sáng đi vào máy ảnh kỹ thuật số, thành một tín hiệu kỹ thuật số Bộ ADC cũng có thể cung cấp phép đo cách ly chẳng hạn như thiết bị điện tử chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện đầu vào tương tự thành một số kỹ thuật số đại diện cho cường độ của điện áp hoặc dòng điện Thông thường, đầu ra kỹ thuật số là số nhị phân bổ sung của hai số tỷ lệ với đầu vào, nhưng có những khả năng khác
Có một số kiến trúc ADC Do sự phức tạp và sự cần thiết của các thành phần được kết hợp chính xác, tất cả trừ các bộ ADC chuyên dụng nhất được thực hiện dưới dạng mạch tích hợp (IC) Chúng thường ở dạng chip mạch tích hợp tín hiệu hỗn hợp kim loại-oxit-bán dẫn (MOS) tích hợp cả mạch tương tự và kỹ thuật số Một bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) thực hiện chức năng ngược lại; nó chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự.
HOẠT ĐỘNG
Để thực hiện việc chuyển đổi một tín hiệu analog thực tế (như nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh, ) thành tín hiệu số, thì tín hiệu analog thực tế này phải được chuyển đổi thành dạng điện áp Bộ ADC sau đó sẽ đọc các giá trị điện áp này và chuyển đổi thành tín hiệu số tương ứng
Do quá trình chuyển đổi này liên quan đến việc lượng tử hóa tín hiệu ngõ vào, do đó nhất thiết mắc một lượng lỗi hoặc bị ảnh hưởng bởi nhiễu tín hiệu Thay vì liên tục thực hiện việc chuyển đổi, bộ ADC thực hiện việc chuyển đổi theo chu kì lấy mẫu (sampling) tín hiệu ngõ vào, giới hạn băng thông cho phép của tín hiệu Hoạt động của một bộ ADC được đặc trưng bởi băng thông và tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR signal-to-noise ratio) Băng thông của ADC được đặc trưng bởi tốc độ lấy mẫu (sampling rate) Tỉ số SNR của bộ ADC bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm: độ phân giải (resolution), độ tuyến tính (linearity) và độ chính xác (accuracy) (đánh giá tính hiệu quả của quá trình lượng tử hoá tín hiệu từ tính hiệu analog thực tế), aliasing và jitter Tỉ số SNR của bộ ADC thể hiện số bit trung bình trả về trong mỗi tính toán mà không bị nhiễu, được gọi là số bit hiệu quả (ENOB effective number of bits) Một bộ ADC lý tưởng có số ENOB bằng với độ phân giải của nó.
ĐỘ PHÂN GIẢI
Bậc số hóa là số bit xác định số mức số hóa cho dải giá trị điện áp danh định
Hệ M bit có 2 M mức cho tín hiệu đơn cực, chỉ dương hoặc chỉ âm Nếu là tín hiệu song cực, phải dành 1-bit dấu, và do mức 0 bị dính nên hệ cho ra 2 M-1 -1 mức
Dải giá trị điện áp danh định này được gọi là dải động Điện áp lớn hơn thì gây tràn (overflow).
ALIAS
Điểm chú ý là tác động của hiện tượng Aliasing đến đặc trưng số hóa, và nó dẫn đến đòi hỏi tần số số hóa phải lớn hơn trên gấp đôi tần cực đại của băng tần tín hiệu trong các nhu cầu thông thường, còn trong nhu cầu kỹ thuật thì là gấp 4, ví dụ phải dùng 1 KHz để số hóa tín hiệu có băng tần 10–250 Hz.
TỐC ĐỘ LẤY MẪU
Vì tín hiệu analog là liên tục theo thời gian nên cần thiết để chuyển đổi tín hiệu này thành một dãy các giá trị kỹ thuật số Do đó cần định nghĩa một đại lượng tốc độ đặc trưng cho thời gian mà các giá trị kỹ thuật số (digital values) được lấy mẫu từ tín hiệu analog Tốc độ này được gọi là tốc độ lấy mẫu hay tần số lấy mẫu Một tín hiệu analog liên tục có thể được lấy mẫu và sau đó được khôi phục lại dạng tín hiệu gốc ban đầu từ các giá trị mẫu rời rạc theo thời gian bởi bộ lọc khôi phục (reconstruction filter) Định lý lấy mẫu Nyquist–Shannon chỉ ra rằng tín hiệu gốc chỉ có thể được khôi phục lại như ban đầu nếu tốc độ lấy mẫu lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu gốc
Do bộ ADC không thể thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu tức thời, giá trị đầu vào phải được lưu như hằng số trong thời điểm thực hiện tính toán-chuyển đổi (gọi là thời gian chuyển đổi, conversion time) Khối mạch lấy giá trị lấy mẫu và thực hiện quá trình tính toán-chuyển đổi này trong phần lớn các trường hợp dùng tụ điện để lưu các giá trị analog điện áp đầu vào và sử dụng mạch switch hoặc gate để ngắt kết nối tụ với ngõ vào Nhiều IC ADC ngày nay đều có thành phần là các khối xử lý đó.
PHÂN LOẠI
Flash ADC là dạng đơn giản nhất, thực hiện bằng dãy điện trở phân áp và các comparator điện áp Nó là minh hoạ nhập đề cho hoạt động của ADC Trong hình vẽ là ADC 16 mức "không âm", thực hiện bẳng 15 comparator Kết quả so được mạch lập mã Encoder tiếp nhận và chuyển sang mã nhị phân, trong trường hợp này là 4 bit
• Nhịp lấy mẫu do phần nhận mã tự quyết định, và có thể đạt rất cao
• Thay cho Bậc số hóa phải dùng mức số hoá (nếu số mức không trùng vào số 2 M )
2.6.2 ADC xấp xỉ nối tiếp
ADC xấp xỉ kế tiếp sử dụng bộ so sánh và tìm kiếm nhị phân để thu hẹp liên tiếp dải có chứa điện áp đầu vào Ở mỗi bước kế tiếp, bộ chuyển đổi so sánh điện áp đầu vào với đầu ra của bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự bên trong, ban đầu đại diện cho điểm giữa của dải điện áp đầu vào cho phép Tại mỗi bước trong quy trình này, giá trị gần đúng được lưu trữ trong một thanh ghi xấp xỉ kế tiếp (SAR) và đầu ra của bộ chuyển đổi số sang tương tự được cập nhật để so sánh trong một phạm vi hẹp hơn
ADC so sánh theo đường dốc tạo ra tín hiệu răng cưa tăng hoặc giảm sau đó nhanh chóng trở về 0 Khi đoạn đường nối bắt đầu, bộ đếm thời gian bắt đầu đếm Khi điện áp dốc khớp với đầu vào, bộ so sánh sẽ kích hoạt và giá trị của bộ định thời được ghi lại Bộ chuyển đổi đoạn đường nối định thời có thể được thực hiện một cách kinh tế, tuy nhiên, thời gian đoạn đường nối có thể nhạy cảm với nhiệt độ vì mạch tạo ra đoạn đường nối thường là một bộ tích hợp tương tự đơn giản Bộ chuyển đổi chính xác hơn sử dụng bộ đếm xung nhịp điều khiển DAC Một ưu điểm đặc biệt của hệ thống so sánh đoạn đường nối là việc chuyển đổi tín hiệu thứ hai chỉ cần một bộ so sánh khác và một thanh ghi khác để lưu trữ giá trị bộ định thời Để giảm độ nhạy đối với những thay đổi đầu vào trong quá trình chuyển đổi, mẫu và vật chứa có thể sạc tụ điện bằng điện áp đầu vào tức thời và bộ chuyển đổi có thể định thời gian cần thiết để phóng điện bằng dòng điện không đổi
2.6.4 ADC tích phân sườn đôi hoặc đa sườn
Wilkinson ADC được thiết kế bởi Denys Wilkinson vào năm 1950 Wilkinson ADC dựa trên việc so sánh điện áp đầu vào với điện áp do tụ sạc tạo ra Tụ điện được phép sạc cho đến khi bộ so sánh xác định nó phù hợp với điện áp đầu vào Sau đó, tụ điện được phóng điện tuyến tính Thời gian cần thiết để phóng điện của tụ tỷ lệ với biên độ của điện áp đầu vào Trong khi tụ điện đang phóng điện, các xung từ đồng hồ dao động tần số cao được đếm bằng một thanh ghi Số xung clock được ghi trong thanh ghi cũng tỷ lệ với điện áp đầu vào
ADC được mã hóa delta hoặc bộ đếm ngược dốc có bộ đếm lên xuống cung cấp nguồn cấp dữ liệu cho bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) Cả tín hiệu đầu vào và DAC đều đi đến bộ so sánh Bộ so sánh điều khiển bộ đếm Mạch sử dụng hồi tiếp âmtừ bộ so sánh để điều chỉnh bộ đếm cho đến khi đầu ra của DAC khớp với tín hiệu đầu vào và số được đọc từ bộ đếm Bộ chuyển đổi Delta có phạm vi rất rộng và độ phân giải cao, nhưng thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào hành vi tín hiệu đầu vào, mặc dù nó sẽ luôn có trường hợp xấu nhất được đảm bảo
Bộ chuyển đổi Delta thường là lựa chọn rất tốt để đọc các tín hiệu trong thế giới thực vì hầu hết các tín hiệu từ các hệ thống vật lý không thay đổi đột ngột Một số bộ chuyển đổi kết hợp phương pháp tiếp cận đồng bằng và phương pháp xấp xỉ kế tiếp; điều này đặc biệt hiệu quả khi các thành phần tần số cao của tín hiệu đầu vào được biết là có cường độ nhỏ
ADC sigma-delta (còn được gọi là ADC delta-sigma ) giả dụ tín hiệu đến bằng một hệ số lớn sử dụng số lượng bit nhỏ hơn yêu cầu được chuyển đổi bằng cách sử dụng ADC flash và lọc băng tần tín hiệu mong muốn Tín hiệu kết quả, cùng với lỗi được tạo ra bởi các mức độ rời rạc của đèn flash, được đưa trở lại và trừ đi từ đầu vào cho bộ lọc Phản hồi tiêu cực này có tác dụng làm nhiễu hình thành lỗi lượng tử hóa khiến nó không xuất hiện trong các tần số tín hiệu mong muốn Một bộ lọc kỹ thuật số (bộ lọc decimation) theo sau ADC làm giảm tốc độ lấy mẫu, lọc tín hiệu nhiễu không mong muốn và tăng độ phân giải của đầu ra
Hình 2 Biến đổi ADC 8 mức, M = 3 bit.
CÁC ĐẶC TRƯNG HOẠT ĐỘNG
Các ADC thông thường nêu ở mục trên thực hiện số hóa với các mức tín hiệu cách đều, và cho ra kết quả là số integer nhị phân, biểu diễn giá trị tín hiệu Nó được gọi là kiểu dấu phảy tĩnh Tuy nhiên thuật ngữ "dấu phảy tĩnh" không cần nhắc tới nếu không có nhu cầu phân biệt
Ví dụ ADC 16-bit nhị phân cho ra giá trị mã từ -16383 đến +16383, lỗi xấp xỉ tín hiệu là ≈10 −5 , đáp ứng tốt nhu cầu số hoá âm nhạc thông thường Trong ứng dụng âm nhạc thì không cần quan tâm giá trị tuyệt đối phải là chính xác, nên việc thích ứng với cường độ âm thanh thực hiện bằng chỉnh chiết áp khuếch đại là đủ
Trong đo lường hay ứng dụng cần giá trị chính xác, thì ADC này chỉ đáp ứng dải động xác định
Trong các thiết bị đo lường có dải động rộng thì sử dụng ADC dấu phảy động Kiến trúc của ADC nầy gồm có hai phần:
1 Tiền khuếch đại có độ khuếch điều khiển nhị phân, với số bit điều khiển là số bit đặc tính của kết quả
2 ADC dấu phảy tĩnh, có số bit chính là số bit định trị của kết quả
Hoạt động của ADC nầy có hai kỳ Kỳ 1, xác định bit đặc tính để tiền khuếch đại cho ra tín hiệu có độ lớn trong dải động của ADC chính, trong đó giá trị đặc tính cao thì độ khuếch thấp Kỳ 2, ADC chính số hóa
• Đặc trưng biến đổi phi tuyến
• Trôi điểm không do trôi phông của các phần tử tuyến tính trong hay ngoài chip
• Nhảy sai mức hiện ra ở dạng quá rộng hay quá cao, do ảnh hưởng nhiễu và dải bất định ở mức ngưỡng so sánh gây ra
• Lỗi lệch thời hay "skew", xảy ra ở ADC ghép kênh ADC ghép kênh phải tuần tự biến đổi cho các tín hiệu vào, nên tín hiệu vào được lấy mẫu không cùng thời điểm Một số thiết bị đã bố trí microprocessor tính hiệu đính skew để đưa về cùng thời điểm
• Lỗi Aliasing: khi bộ lọc cắt tần cao không đủ mạnh, các nhiễu tần số cao lọt vào
Hình 3: Lỗi nhảy sai mức quá rộng hay quá cao
Do công nghiệp chế tạo hiện cho ra ADC tốc độ nhanh và giá rẻ, nên chỉ tiêu tần số số hóa của chip thường cao hơn nhu cầu của mạch ứng dụng Mặt khác, mạch ứng dụng thường thiết kế với nhiều nhịp số hóa chọn được Nhằm khai thác tối đa năng lực ADC và tránh phải bố trí mạch lọc anti-alias cho mỗi mức nhịp số hóa, kỹ thuật Oversampling được vận dụng
Nội dung của kỹ thuật Oversampling là, tín hiệu được số hóa ở tần cao hơn K lần tần yêu cầu làm việc, sau đó kết quả được xử lý bằng "kỹ thuật lọc số", rồi cộng chúng lại theo bước số hóa yêu cầu
Kết quả cộng cho ra độ phân giải cao hơn độ phân giải danh định ∆V của chip, ví dụ đạt được mức 20 bit bằng ADC 16 bit, tức là tăng 4 bit Nếu cộng K số lại (cộng không có phủ chồng) thì gia tăng bit cao nhất là cỡ log2(K)/2, tuy nhiên độ phân giải thực tế bị chặn bởi độ rộng của dải bất định của comparator khi chuyển mức giữa hai mức kề nhau, và tùy thuộc chất lượng của chip sử dụng Điều này được giải thích như sau:
Trường hợp ADC lý tưởng thì ngưỡng lý tưởng phân biệt ra mức tín hiệu (L)∆V và (L+1)∆V nằm ở giữa Trong thực tế comparator có lỗi bất định ở dải có độ rộng là δV, tức là giá trị tín hiệu rơi vào dải đó sẽ cho ra hoặc là L hoặc là L+1 Khi đó oversampling dùng chip có độ phân giải ∆V thì chỉ đạt độ phân giải cao nhất là cỡ δV Đó là giới hạn tối đa lấy mẫu lố của kiểu chip xác định
Oversampling gặp lỗi nếu quan sát tín hiệu DC hoặc biến đổi quá chậm, ví dụ tín hiệu DC vào ở mức (L + 0,7) ∆V, kết quả số hóa sẽ luôn là L+1, và Oversampling không tăng được cái gì cả Để khắc phục thì người ta đưa vào một lượng nhiễu răng cưa nhỏ biết trước, và loại đi trong kết quả cộng
Hình 4 Giải thích về ngưỡng và độ phân giải Oversampling.
LĨNH VỰC
- Đo đạc trong 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
ADC flash (còn được gọi là ADC chuyển đổi trực tiếp) là một loại bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số sử dụng bậc thang điện áp tuyến tính với bộ so sánh ở mỗi
"nấc" của bậc thang để so sánh điện áp đầu vào với điện áp tham chiếu liên tiếp Thường thì các thang tham chiếu này được cấu tạo bằng nhiều điện trở; tuy nhiên, các triển khai hiện đại cho thấy rằng cũng có thể phân chia điện áp theo điện dung Đầu ra của các bộ so sánh này thường được đưa vào một bộ mã hóa kỹ thuật số, bộ mã hóa này sẽ chuyển đổi các đầu vào thành giá trị nhị phân (các đầu ra được thu thập từ các bộ so sánh có thể được coi là giá trị một bậc)
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, còn được gọi là ADC song song, là cách nhanh nhất để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu kỹ thuật số Flash ADC thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu băng thông rất lớn Tuy nhiên, những bộ chuyển đổi này tiêu thụ điện năng đáng kể, có độ phân giải tương đối thấp và có thể khá đắt Điều này giới hạn chúng trong các ứng dụng tần số cao mà thường không thể được giải quyết theo bất kỳ cách nào khác Các ví dụ điển hình bao gồm thu thập dữ liệu, liên lạc vệ tinh, xử lý radar, máy hiện sóng lấy mẫu và ổ đĩa mật độ cao
Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số Flash, còn được gọi là ADC song song, là cách nhanh nhất để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu kỹ thuật số Flash ADC lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu băng thông rất lớn, nhưng chúng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn các kiến trúc ADC khác và thường bị giới hạn ở độ phân giải 8-bit.
LỢI ÍCH VÀ HẠN CHẾ
Bộ chuyển đổi flash ADC cực kỳ nhanh so với nhiều loại ADC khác, thường thu hẹp câu trả lời "đúng" trong một loạt các giai đoạn So với những thứ này, một bộ chuyển đổi flash cũng khá đơn giản, ngoài các bộ so sánh tương tự, chỉ yêu cầu logic cho quá trình chuyển đổi cuối cùng sang nhị phân Để có độ chính xác tốt nhất, thường một mạch theo dõi và giữ được chèn vào phía trước đầu vào ADC Điều này là cần thiết cho nhiều loại ADC (như ADC xấp xỉ liên tiếp), nhưng đối với các ADC flash thì không thực sự cần điều này vì các bộ so sánh là các thiết bị lấy mẫu
Một bộ chuyển đổi flash yêu cầu một số lượng lớn các bộ so sánh so với các ADC khác, đặc biệt là khi độ chính xác tăng lên Bộ chuyển đổi flash yêu cầu bộ so sánh 2 n -1 để chuyển đổi n-bit Kích thước, mức tiêu thụ điện và chi phí của tất cả các bộ so sánh đó làm cho các bộ chuyển đổi flash thường không thực tế đối với các độ chính xác lớn hơn 8 bit (255 bộ so sánh) Thay cho các bộ so sánh này, hầu hết các ADC khác thay thế mạch logic và / hoặc mạch tương tự phức tạp hơn có thể được điều chỉnh tỷ lệ dễ dàng hơn để tăng độ chính xác
Hình 5 Sơ đồ khối của Flash ADC.
TRIỂN KHAI
Flash ADC đã được ứng dụng trong nhiều công nghệ, khác nhau từ công nghệ lưỡng cực dựa trên silicon (BJT) và FETs kim loại-oxit bổ sung (CMOS) cho đến công nghệ III-V hiếm khi được sử dụng Thường thì loại ADC này được sử dụng để xác minh mạch tương tự cỡ vừa đầu tiên
Các triển khai sớm nhất bao gồm một bậc thang tham chiếu gồm các điện trở được kết hợp tốt được kết nối với điện áp tham chiếu Mỗi vòi ở bậc thang điện trở được sử dụng cho một bộ so sánh, có thể được đặt trước một tầng khuếch đại, và do đó tạo ra giá trị logic 0 hoặc 1 tùy thuộc vào việc điện áp đo được cao hơn hay thấp hơn điện áp tham chiếu của vòi điện trở Lý do để thêm một bộ khuếch đại là gấp đôi: nó khuếch đại sự chênh lệch điện áp và do đó triệt tiêu độ lệch của bộ so sánh, và tiếng ồn bật lại của bộ so sánh đối với bậc thang tham chiếu cũng bị triệt tiêu mạnh mẽ Thông thường, các thiết kế từ 4-bit đến 6-bit và đôi khi là 7-bit được sản xuất
Các thiết kế với thang tham chiếu điện dung tiết kiệm điện đã được chứng minh Ngoài việc đánh dấu (các) bộ so sánh, các hệ thống này cũng lấy mẫu giá trị tham chiếu ở giai đoạn đầu vào Vì việc lấy mẫu được thực hiện với tốc độ rất cao nên sự rò rỉ của các tụ điện là không đáng kể
Gần đây, hiệu chuẩn bù đắp đã được đưa vào các thiết kế flash ADC Thay vì các mạch tương tự có độ chính xác cao (làm tăng kích thước thành phần để ngăn chặn sự biến đổi), các bộ so sánh có sai số bù tương đối lớn được đo và điều chỉnh Một tín hiệu thử nghiệm được áp dụng và độ lệch của mỗi bộ so sánh được hiệu chỉnh để thấp hơn giá trị LSB của ADC
Một cải tiến khác đối với nhiều ADC flash là bao gồm tính năng sửa lỗi kỹ thuật số Khi ADC được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt hoặc được xây dựng từ các quy trình mạch tích hợp rất nhỏ, sẽ có nguy cơ cao là một bộ so sánh đơn lẻ sẽ thay đổi trạng thái ngẫu nhiên dẫn đến mã sai Sửa lỗi bong bóng là một cơ chế sửa lỗi kỹ thuật số ngăn chặn một bộ so sánh, ví dụ, bị vấp ở mức cao báo cáo mức logic cao nếu nó được bao quanh bởi các bộ so sánh đang báo cáo mức logic thấp
Hình 6 Một ví dụ về triển khai ADC flash 2 bit.
FOLDING ADC
Số lượng bộ so sánh có thể được giảm bớt phần nào bằng cách thêm một mạch gấp ở phía trước, tạo ra cái gọi là ADC gấp Thay vì chỉ sử dụng các bộ so sánh trong ADC flash một lần, trong tín hiệu đầu vào đoạn đường nối, ADC gấp lại sử dụng các bộ so sánh nhiều lần Nếu sử dụng mạch gấp m-lần trong bộ ADC n-bit, thì số lượng bộ so sánh thực tế có thể bị giảm từ 2 n -1 đến 2 n /m (luôn cần một bộ để phát hiện giao nhau phạm vi) Các mạch gấp điển hình là mạch nhân Gilbert và mạch OR có dây tương tự.
ỨNG DỤNG
ADC là một trong những phần tử phổ biến, có mặt trong tất cả các thiết bị kỹ thuật số tiếp nhận thông tin từ các cảm biến analog ADC cũng thường được tích hợp với cảm biến và đặt ngay tại đầu thu, truyền dữ liệu dạng số về khối xử lý Nó đảm bảo sự ưu việt là dữ liệu trung thực, truyền đưa dễ dàng và xử lý thuận tiện
Tốc độ lấy mẫu rất cao của loại ADC này cho phép các ứng dụng tần số cao (thường trong phạm vi vài GHz) như phát hiện ra đa, máy thu vô tuyến băng rộng, thiết bị kiểm tra điện tử và liên kết truyền thông quang học Thông thường, đèn flash ADC được nhúng trong một vi mạch lớn chứa nhiều chức năng giải mã kỹ thuật số
Ngoài ra, một mạch ADC flash nhỏ có thể có bên trong vòng điều chế delta- sigma
Flash ADC cũng được sử dụng trong bộ nhớ flash NAND, nơi lưu trữ tối đa
3 bit trên mỗi ô ở mức điện áp 8 trên các cổng nổi.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
THIẾT KẾ
Khối điện áp tham chiếu gồm 256 điện trở mắc nối tiếp nhằm tạo ra các cầu phân áp tại mỗi điểm nối nhau giữa các điện trở Các điểm này sẽ được được vào bộ so sánh để so sánh với ngõ vào điện áp tương tự
Hình 3-1 Khối tạo điện áp tham chiếu
Khối so sánh được tạo bởi 256 op – amp được dùng để so sánh điện áp tham chiếu và điện áp của ngõ vào tương tự
Hình 3-3 Khối tạo tín hiệu tương tự ngõ vào
Khối mã hóa ưu tiên được sử dụng các IC mã hóa ưu tiên để tạo thành bộ mã hóa từ 256 sang 8
Hình 3-4 Khối mã hóa ưu tiên
Khối điện áp tham chiếu gồm 256 điện trở mắc nối tiếp nhằm tạo ra các cầu phân áp tại mỗi điểm nối nhau giữa các điện trở Các điểm này sẽ được được vào bộ so sánh để so sánh với ngõ vào điện áp tương tự
Hình 3-5 Khối tạo điện áp tham chiếu
Khối so sánh được tạo bởi 256 op – amp được dùng để so sánh điện áp tham chiếu và điện áp của ngõ vào tương tự
Hình 3-6 Sơ đồ mạch điện op – amp
Hình 3-8 Sơ đồ mạch điện cổng OR 128 ngõ vào
Hình 3-9 Khối mã hóa ưu tiên 256 sang 8
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
KẾT QUẢ
Hình 4-1 Mô phỏng đầu vào analog 4.1.2 Phần mềm Cadence
Hình 4-2 Kết quả mô phỏng công suất
Hình 4-3 Kết quả mô phỏng ngõ vào/ngõ ra
Hình 4-4 Kết quả mô phỏng tính delay của mạch
NHẬN XÉT
Khi cho tín hiệu tương tự ở đầu vào thì đầu ra sẽ cho ra dữ liệu số 8-bit
Mô phỏng trên Cadence đã tính được thời gian delay của toàn mạch là
D=3.2us và công suất là WmW.
