mô phỏng chuyển đổi ADC song song và phân đoạn bit trên multisim

bài tập lớn về mô phỏng và phân tích tín hiệu mạch chuyển đổi tương tự số theo phương pháp song song và phân đoạn bit. Đây là bài tập do nhóm nghiên cứu của trường đại học Kỹ thuật Hậu cần CAND thực hiện với chất lượng và độ tin cậy cao nhằm phục vụ công tác học tập và nghiên cứu trong các lĩnh vực điện tử và viễn thông

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ 3

1.1 Sơ đồ khối 3

1.2 Các bước chuyển đổi AD 4

1.2.1 Lấy mẫu 4

1.2.2 Lượng tử hóa và mã hóa 5

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI ADC SONG SONG 6

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp chuyển đổi ADC song song 6

2.2 Tìm hiểu các phần tử được sử dụng để thiết kế mạch 7

2.2.1 Điện áp tham chiếu ( điện áp chuẩn) 7

2.2.2 Mạch chia áp 7

2.2.3 Các bộ so sánh điện áp 8

2.2.4 Bộ giải mã 8

2.3 Tính toán thiết kế mạch theo lý thuyết 9

2.4 Các bước thiết kế mạch bằng phần mềm Multisim 11

2.5 So sánh với lý thuyết và nhận xét 18

CHƯƠNG 3: CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐOẠN BIT HAI TẦNG 19

3.1 Cơ sở lý thuyết của chuyển đổi ADC theo phương pháp phân đoạn từng bit (chuyển đổi nối tiếp theo mã nhị phân) 19

3.2 Tìm hiểu các phần tử được sử dụng để thiết kế mạch 20

3.2.1 Bộ so sánh LM339 20

3.2.2 Mạch trừ 20

3.3 Tính toán thiết kế mạch theo lý thuyết 21

3.4 Các bước thiết kế và mô phỏng mạch trên Multisim 22

3.5 So sánh với lý thuyết và nhận xét 29

KẾT LUẬN 30

CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện

tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội Tiếp nhận những thành tựu Khoa học – Kỹ thuật đó, ngày nay việc gia công, truyền đạt

và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên cơ

sở nguyên lý số, vì những thiết bị hoạt động trên cơ sở nguyên lý số có ưu điểm hơn hẳn các thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý tương tự, nhất là trong các kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lường và điều khiển đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính được ứng dụng rộng rãi ngày nay Tuy nhiên, tín hiệu trong tự nhiên bao gồm các đâị lượng vật lý, hóa học, sinh học… là các đại lượng biến thiên theo thời gian hay nói cách khác, nó là các đại lượng tương tự, để phối ghép giữa nguồn tín hiệu tương tự và nguồn tín hiệu xử lý số, nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một

hệ thống số ta phải có các mạch chuyển đổi từ dạng tương tự sang dạng số ADC ( The analog digital convertor) Trong thực tế, có rất nhiều phương pháp chuyển đổi

từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, tuy nhiên những phương pháp được ứng dụng

phổ biến hiện nay là phương pháp song song và phương pháp phân đoạn bít Để cụ

thể hóa các kiến thức đã học về chuyển đổi ADC trong môn học Kỹ thuật điện tử tương tự, nhóm nghiên cứu chúng em đã tiến hành mô phỏng mạch chuyển đổi ADC

theo phương pháp song song và phương pháp phân đoạn bít 2 tầng bằng phần mềm

mô phỏng Multisim

Để hoàn thành bài tập lớn này, ngoài sự nỗ lực cố gắng của các thành viên trong nhóm, sự trợ giúp của các tài liệu chuyên ngành, nhóm nghiên cứu chúng em còn nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện của các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông, đặc biệt là thầy Ths Nguyễn Văn Tài Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng song trong quá trình thực hiện đề tài này vẫn không thể tránh được những thiếu xót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến góp ý từ các thầy cô để bài báo cáo của nhóm em được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ

1.1 Sơ đồ khối

Bộ chuyển đổi tương tự sang số – ADC (Analog to Digital Converter) lấy mức điện thế vào tương tự sau đó một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số biểu diễn đầu vào tương tự Tiến trình biến đổi A/D thường phức tạp và mất nhiều thời gian hơn tiến trình chuyển đổi D/A Do đó có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi từ tương tự sang số Hình dưới là sơ đồ khối của một lớp ADC đơn giản

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan của một lớp ADC

Hoạt động cơ bản của lớp ADC thuộc loại này như sau:

- Xung lệnh START khởi động sự hoạt động của hệ thống

- Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu trong thanh ghi

- Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế tương

tự VAX

- Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA Nếu VAX < VA đầu ra của bộ so sánh lên mức cao Nếu VAX > VA ít nhất bằng một khoảng VT (điện thế ngưỡng), đầu ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình biến đổi số nhị

phân ở thanh ghi Tại thời điểm này VAX xấp xỉ VA Giá trị nhị phân ở thanh ghi là đại lượng số tương đương VAX và cũng là đại lượng số tương đương VA, trong giới hạn

độ phân giải và độ chính xác của hệ thống

- Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết thúc Tiến trình này có thể có nhiều thay đổi đối với một số loại ADC khác, chủ yếu là sự khác nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi

1.2 Các bước chuyển đổi AD

Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung được thực hiện qua 3 bước cơ bản, đó là: lấy mẫu; lượng tử hóa và mã hóa Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất

1.2.1 Lấy mẫu

Đối với tín hiệu tương tự VI thì tín hiệu lấy mẫu VS sau quá trình lấy mẫu có thể khôi phục trở lại VI một cách trung thực nếu điều kiện sau đây thỏa mản:

f S = 2f Imax (*) Trong đó fS : tần số lấy mẫu fImax : là giới hạn trên của giải tần số tương tự Hình dưới biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào Nếu biểu thức (*) được thỏa mản thì ta có thể dùng bộ tụ lọc thông thấp để khôi phục VI từ VS

Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần có một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi A/D trên thực

tế là giá trị VI đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu

Hình 1.2 Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào

1.2.2 Lƣợng tử hóa và mã hóa

Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn không liên tục trong biến đổi giá trị Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất đƣợc chọn Nghĩa là nếu dùng tín hiệu

số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội số nguyên lần

giá trị đơn vị Quá trình này gọi là lượng tử hóa Đơn vị đƣợc chọn theo qui định này

gọi là đơn vị lƣợng tử, kí hiệu D Nhƣ vậy giá trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng D

Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số là mã hóa Mã nhị phân có đƣợc sau

quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của chuyên đổi A/D

Hình 1.3 Lượng tử hóa tín hiệu rời rạc

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI ADC SONG SONG

2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp chuyển đổi ADC song song

Trong phương pháp biến đổi song song, tín hiệu được so sánh một lúc với

nhiều giá trị chuẩn Do đó tất cả các bít được xác định đồng thời và được đưa đến

đầu ra

Điện áp được đưa đồng thời tới đầu vào 1 của bộ so sánh SS1, SS2…,SSm,

điện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào thứ 2 qua thang điện trở R, do vậy các điện

áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần

từ SS1 -> SSm

Tại các đầu ra bộ so sánh: nếu điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn: cho mức

logic là 1, và nếu điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn: cho mức logic là 0 Bộ mã hóa

biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân

Trong phương pháp này, điện áp cần lượng tử hóa được so sánh đồng thời

với các mức điện áp chuẩn, sai khác nhau một bước lượng tử q Kết quả so sánh xuất

hiện đồng thời ở đầu ra các bộ so sánh tương tự và chúng được chuyển thành số nhị

phân n bit ở cửa ra mạch chuyển đổi mã

Hình 1.4 Sơ đồ khối mạch chuyển đổi ADC song song

Sơ đồ trên là mạch chuyển đổi ADC 3 bit Phân áp điện trở thành các mức điện áp chuẩn Bước lượng tử q được xác định như sau:

q =

; với n = 3  q = Tín hiệu logic ở đầu ra bộ so sánh phụ thuộc vào quan hệ giữa và với

là các giá trị điện áp vào chân âm của các bộ so sánh ( k = 1, 2, 3,…,7) Mạch chuyển đổi mã biến mã ở đầu ra của các bộ so sánh thành tín hiệu nhị phân

Để giải quyết nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu đầu ra của bộ so sánh thành các bit nhị phân, người ta thường dùng các bộ giải mã 8-3

2.2 Tìm hiểu các phần tử được sử dụng để thiết kế mạch

2.2.1 Điện áp tham chiếu ( điện áp chuẩn)

Ta thấy cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V Rõ ràng nếu hai người này dùng 2

bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A đang “phí phạm” tính chính xác của thiết bị Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi Trong các bộ ADC, thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi Ví dụ, một bộ ADC

10 bit (độ phân giải) có =3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314 Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1) Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn, ở phần thiết kế này, chúng em chọn = 15V

2.2.2 Mạch chia áp

Trong phần thiết kế mạch, nhóm chúng tôi sử dụng 1 mạch chia áp, thực chất nó

là một thang điện trở mắc nối tiếp từ điện áp đến ground Thang điện trở này làm nhiệm vụ chia điện áp thành các mức điện áp giảm dần cấp vào chân âm của các

bộ so sánh Thang điện trở được thiết kế đảm bảo cho các mức điện áp chuẩn giảm dần đều theo các bước lượng tử q =

2.2.4 Bộ giải mã

Với mạch chuyển đổi ADC song song có độ phân giải 3bit, ta có -1= 7 bộ so sánh, như vậy ta có 7 tín hiệu đầu ra ứng với 7 bộ so sánh Mặt khác độ phân giải của mạch là 3 bit nên cần phải có bộ giải mã chuyển 7 tín hiệu đầu ra từ các bộ so sánh sang 3 bit nhị phân Trong phần thiết kế này, chúng tôi sử dụng IC 74LS148D Đây là

bộ giải mã 8-3 (từ 8 đường sang 3 đường)

Mạch mã hoá 8 đường sang 3 đường còn

gọi là mã hoá bát phân sang nhị phân (có 8

ngõ vào chuyển thành 3 ngõ ra dạng số nhị

phân 3 bit Trong bất cứ lúc nào cũng chỉ

có 1 ngõ vào ở mức tích cực tương ứng với

Dựa vào 3 biểu thức trên ta có thể vẽ được mạch logic như hình dưới đây :

Hình 1.8 Cấu trúc mạch mã hoá 8 sang 3

2.3 Tính toán thiết kế mạch theo lý thuyết

Tiến hành thực hiện thiết kế mạch chuyển đổi ADC 3 bit Vì vậy cần

bộ so sánh điện áp

Chọn điện áp = 15 (V)

Như vậy: bước lượng tử q =

; với n = 3  q = =

Chọn thang điện trở với các điện trở R2=R3=R4=R5=R6=R7=2R1=2R8 đảm bảo cho điện áp tham chiếu giảm đều tại chân âm của các bộ so sánh

Với khi và khi Ta có bảng mô tả hoạt động của ADC theo lý thuyết nhƣ sau:

2.4 Các bước thiết kế mạch bằng phần mềm Multisim

Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp song song được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), với mạch chuyển đổi N bit, để phân biệt 2N bít, ta cần phải có 2N-1 bộ so sánh nên cần rất nhiều linh kiện, mạch phức tạp Vì vậy, để đơn giản hóa mạch điện trong bài này, nhóm chỉ thiết kế mạch với số bít nhỏ (3bit) Các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi Một điện áp tham chiếu Uch (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh

Với mạch ADC 3 bit, một bộ chuyển đổi ADC có 7 bộ so sánh Do ảnh hưởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp vcc đến ground), điện áp trên chân âm (-) của các bộ so sánh sẽ khác nhau và giảm dần từ trên xuống dưới Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp lớn hơn điện áp tại các chân (-) của các bộ so sánh, khi đó ngõ ra của bộ so sánh sẽ ở mức 1 và ở mức 0 trong trường hợp ngược

lại Tín hiệu đầu ra của các opamp được đưa đến bộ giải mã 8-3 (sử dụng IC

74LS148N) để đưa ra tín hiệu số dạng 3 bít Các bước thiết kế quá trình thiết kế mạch

được thực hiện như sau:

Bước 1 : Mở Multisim

Chọn Start >> All program >> Mulisim 12.0

( hoặc kích đúp vào biểu tượng trên màn hình máy tính)

Bước 2 : Chọn các linh kiện cần thiết trong thư viện Place >> Component

1.Chọn linh kiện điện trở (Resistor)

Basic >> Resistor >> chọn giá trị điện trở thích hợp

Hình 1.9 chọn linh kiện điện trở trên multisim

2.Chọn linh kiện Opamp

Analog >> Opamp_3T_Virtual

3.Chọn IC

Chọn TLT >> 74LS >> 74LS148D

4.Chọn LED

Diodes >> LED

5.Chọn nguồn và nối đất

Sources >> Power_Sources >> DC_Power, VDD,Ground

Hình 1.13 Chọn nguồn và nối đất

Bước 3 : Nối các linh kiện

Hình 1.14 Nối các linh kiện

Bước 4 : Chạy mô phỏng với các giá trị điện áp đầu vào V1

CHƯƠNG 3: CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐOẠN BIT HAI TẦNG

3.1 Cơ sở lý thuyết của chuyển đổi ADC theo phương pháp phân đoạn

từng bit (chuyển đổi nối tiếp theo mã nhị phân)

Mạch chuyển đổi ADC theo phương pháp phân đoạn từng bit có số tầng bằng

số bit cần xác định, mỗi tầng cho ra một bit nhị phân

Hình 3.1 Mạch chuyển đổi ADC theo phương pháp phân đoạn bit 2 tầng

Phương pháp phân đoạn được thực hiện như sau:

Giả sử tín hiệu vào biến thiên trong phạm vi 0÷ Chia dải làm việc làm hai phần bằng nhau, lúc đó, ranh giới giữa 2 phần là

Tín hiệu cần biến đổi được so sánh với mức Khi <

thì

=0, ngược lại nếu > thì =1 Vậy chính là điện áp chuẩn của

bộ biến đổi AD 1 bit (nó là một bộ so sánh) Tín hiệu số ứng với bit thứ nhất một mặt được đưa ra chỉ thị, một mặt được đưa đến bộ chuyển đổi ngược DA Trên đầu

ra của mạch chuyển đổi DA 1 bit là tín hiệu tương tự ứng với bit có nghĩa lớn nhất khi =0 thì tín hiệu tương tự ứng với nó = 0, còn khi =1 thì =

Mạch trừ cho ra giá trị hiệu giữa tín hiệu vào và tín hiệu tương tự ứng với bit thứ nhất Đây chính là số dư tín hiệu sau khi đã xác định bit thứ nhất Số dư này được đưa đến tầng thứ hai để tiếp tục xác định bit tiếp theo bằng cách so sánh nó với

một tín hiệu chuẩn có giá trị Tương tự như vậy, để xác định bit thứ ba phải so sánh nó với giá trị tín hiệu chuẩn và bit thứ N có =

3.2 Tìm hiểu các phần tử được sử dụng để thiết kế mạch

3.2.1 Bộ so sánh LM339

IC LM339 là IC tích hợp sẵn bốn bộ so sánh IC LM339 nhận điện áp từ

hồng ngoại để đưa vào một mức điện áp chuẩn cho mạch

Hình 3.2 cấu tạo của bộ so sánh LM 339

Chức năng khối so sánh: dùng để so sánh các mức điện áp khi đưa vào tín hiệu xử lý

Nguyên lý hoạt động: khi điện áp của khối thu đưa về là mức điện áp để so sánh với mức điện áp chuẩn của biến trở tinh chỉnh 104, ta cũng có thể thay đổi điện

áp khi vặn biến trở Điện áp khi đã được so sánh sẽ đưa về khối chỉnh xung

3.2.2 Mạch trừ

Bản chất đây là mạch khuếch đại vi sai dùng các bộ khuếch đại thuật toán Mạch điện này dùng để tìm ra hiệu số, hoặc sai số giữa 2 điện áp mà mỗi điện áp có thể được nhân với một vài hằng số nào đó Các hằng số này xác định nhờ các điện

trở