biến đổi ADC và DAC

CHƯƠNG 4: BIẾN ĐỔI ADC VÀ DAC 4.1 Giới thiệu: Do sự phát triển của kỹ thuật, hình thức thông tin mong muốn được lưu trữ dưới dạng số hoá để dễ dàng nén chúng lại với nhau bắt buộc phải

CHƯƠNG 4: BIẾN ĐỔI ADC VÀ DAC 4.1 Giới thiệu:

Do sự phát triển của kỹ thuật, hình thức thông tin mong muốn được lưu trữ dưới dạng số hoá (để dễ dàng nén chúng lại với nhau) bắt buộc phải chuyển tín hiệu từ tương tự sang số (analog to digital convert)

- Thông tin khi được ở dạng dữ liệu muốn biến đổi trở lại hình thức ban đầu của nó ta phải biến đổi từ số sang tương tự (digital to analog convert)

Hình 4.1: sơ đồ khối biến đổi ADC và DAC

- Hệ thống ADC chuyển sang DAC gọi là quá trình xử lý số

- Trong bộ biến đổi ADC gồm có 2 bước:

Bước 1: lấy mẫu tín hiệu

Bước 2: lượng tử hóa các mẫu (theo một số bit nào đó)

Ngày nay quá trình (các bước) được tích hợp dưới dạng IC như ADC0809

4.2 Định lý lấy mẫu:

- Định nghĩa: lấy mẫu (sampler) là quá trình đo đạc giá trị biên độ tín hiệu trong từng khoảng thời gian nhất định, khoảng thời gian này được gọi là chu kỳ lấy mẫu

- Sơ đồ khối:

Hình 4.2: sơ đồ khối quá trình lấy mẫu

x(t)

Tín hiệu lấy mẫu

Tín hiệu tương tư

x(nT)

Tín hiệu số

Tín hiệu tương tự ADC

Tín hiệu số

Tín hiệu tương tự

DAC

1s 2s 3s 4s 5s 6s t

x(t)

T 2T 3T 4T 5T 6T nT x(nT)

- Tốc độ lấy mẫu: fs=số mẫu/ đơn vị thời gian= 1/T [Hz]

T là chu kỳ lấy mẫu

Để giải quyết vấn đề trên định lý lấy mẫu cung cấp một tiêu chuẩn có tính định lượng hơn

* Định lý lấy mẫu (định lý shanon): để có thể biểu diễn chính xác tín hiệu x(t) bởi các mẫu x(nT) cần phải thỏa mãn 2 điều kiện sau:

1) tín hiệu x(t) phải được giới hạn băng thông

T

max 2

1

f

≤

max

2 f

* Bảng tần số lấy mẫu:

Lĩnh vực ứng dụng f max f s

Ví dụ1: cho nguồn tín hiệu x(t)=2 sin 10πt+ 3 cos 100πt Xác định tần so61 lấy mẫu fs, tần số Nyquit?

Giải:

π

π 2

π

π 2

-fmax fmax f x(f)

Tốc độ Nyquist là: fs=2fmax=100Hz

4.3 Lượng tử hoá (quantizer):

- Sơ đồ khối:

Hình 4.3: sơ đồ khối lượng tử hóa

- Tụ giữ trong bộ lấy mẫu giữ cho mỗi mẫu đo được x(nT) trong thời gian tối đa T giây

bằng một số bit hữu hạn là B bits

phép

lượng tử (xét trường hợp lượng tử hoá đều)

- Khoảng cách giữa các mức gọi là độ rộng lượng tử Q (hay độ phân giải lượng tử)

B

R Q

2

Ví dụ 2: bộ lượng tử hoá 3 bit với tầm toàn thang từ (1-10)V Cho biết độ rộng lượng tử

hoá là bao nhiêu?

B bits/chu kỳ lấy mẫu x(nT)

xQ(nT) x(t)

Tín hiệu lấy mẫu

Tín hiệu

convert

Độ rộng lượng tử

[V]

-R/2

R/2

t x(t)

xQ(nT)

Giải:

Tầm điện áp toàn thang R=10V

2 =

=

- Lượng tử hoá x(t) dựa trên nguyên tắc làm tròn: thay thế mỗi giá trị x(t) bằng giá trị mức lượng tử gần nhất

- Tín hiệu lượng tử hoá tạo ra ít méo dạng so với tín hiệu tương tự

12

- Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu: SNR (Signal to Noise Ratio)

B Q

R SNR 20log10 ⎟⎟=6

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

Công thức (4.4) được gọi là tầm động của lượng tử hoá

Ví dụ 3: trong một ứng dụng âm thanh số, tín hiệu được lấy mẫu với tốc độ 44KHz và

các mẫu được lượng tử hoá bằng bộ chuyển đổi A/D có tầm toàn thang là 10V

a) Xác định số bit B và tính giá trị sai số hiệu dụng thực nếu sai số lượng tử hiệu

b) Tính tốc độ bit theo bps

Giải:

Aùp dụng công thức (4.3), ta có:

12

Số bit lượng tử, áp dụng (4.4):

B Q

R

6 log

20 10 ⎟⎟=

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ B=18bit

b) tốc độ bit:

B=18bit ?

Ví dụ 4: bộ biến đổi ADC 8 bit có tầm điện áp ngõ vào là 0-5V

a) xác định khoảng cách lượng tử b) Nếu nhiễu lượng tử có biên độ N=10mV thì chất lượng hệ thống bị ảnh hưởng như thế nào?

Giải:

a) Khoảng cách lượng tử:

Vì chiều dài tín hiệu là 8bit nên B=8bit

Ta có R=5V

b) nhiễu lượng tử có biên độ N=10mV < Q=19.5mV nên không ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu ra

* Một số vấn đề cần lưu ý trong điều chế PCM (hay biến đổi tín hiệu tương tự sang số: ADC)

- Tần số lấy mẫu càng lớn thì chất lượng càng cao (số lần tần số lấy mẫu trong một đơn

vị thời gian) Tần số lấy mẫu càng lớn thì tốc độ dữ liệu ngõ ra càng lớn

- Nhiễu lượng tử: đánh giá ảnh hưởng của nhiễu lượng tử đến chất lượng: khi nhiễu lượng

- Việc chuyển đổi mã hoá dữ liệu ra sẽ có chiều dài bao nhiêu bit phụ thuộc vào số mức lượng tử của bộ điều chế PCM

Bài tập 1: một bộ ADC có tầm điện áp ngõ vào từ 0-5V, nhiễu lượng tử là 30mV Hãy xác định số bit của bộ ADC và SNR

Bài tập 2: một bộ ADC có tầm điện áp ngõ vào từ 0-5V dữ liệu ngõ ra là 7 bit Nhiễu lượng tử có biên độ là 20mV Hãy cho biết nhiễu lượng tử có ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu?

Bài tập 3: một hệ thống studio thu thanh sử dụng kỹ thuật PCM là 13bit, tần số âm thanh

a) Xác định tần số lấy mẫu

b) Mỗi bài hát bình quân thu thanh trong khoảng 5 phút Biết rằng dung lượng 1 đĩa

CD là 720MB Hãy xác định số lượng bài hát tối đa có thể thu được?

Bài tập 4: một hệ thống studio dùng kỹ thuật PCM là 13 bit băng thông tín hiệu âm

Sau khi thu thanh được xử lý phần nén mp3 để giảm nhỏ dung lượng bài hát với tỉ lệ 1:20 Biết rằng CD có dung lượng là 640MB Hãy cho biết số lượng bài hát tối đa thu được

Bài tập 5: một hệ thống studio dùng kỹ thuật PCM là 13 bit băng thông tín hiệu video

được xử lý phần nén mp3 để giảm nhỏ dung lượng bài hát với tỉ lệ 1:20 Biết rằng VCD có dung lượng là 720MB Hãy cho biết số lượng bài hát tối đa thu được

4.4 Bộ chuyển đổi DAC (số sang tương tự):

- Định nghĩa: là bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiêu tương tự

- Sơ đồ khối:

Hình 4.4: sơ đồ khối bộ chuyển đổi DAC

- Có 3 loại DAC:

+ Bộ DAC nhị phân lưỡng cực

+ Bộ DAC nhị phân offset lưỡng cực

+ Bộ DAC lưỡng cực lấy bù 2

R (tham chiếu)

bB LSB

MSB

DAC

b1

B bit ngõ vào

xQngõ ra

4.5 Điều chế DELTA:

- Sơ đồ khối:

Hình 4.5: sơ đồ khối điều chế DELTA -Nguyên lý hoạt động:

* Nhận xét:

- Điều chế Delta cho dữ liệu ngõ ra nối tiếp (ngõ vào là song song)

nhiêu thì càng tốt bấy nhiêu

- Tần số lấy mẫu càng cao thì phép lấy mẫu càng khó chính xác Để nâng cao chất lượng thì phải tăng tần số lấy mẫu

sout

s’(t)

s(t)

)

(t

Δ

D 0

D n

Counter