Phương pháp nghiên cứu việc chuyển đổi qua lại giữa hai miền tín hiệu

Phương pháp nghiên cứu việc chuyển đổi qua lại giữa hai miền tín hiệu

1 Mục Lục 1. Tổng quan . 3 1.1. Bộ chuyển đổi Digital to Analog. . 3 1.1.1 . Các loại chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. . 5 1.1.2. Thông số của DAC 11 1.1.3. Lý thuyết về bộ Delta Sigma. . 13 1.1.4. Integrator. 17 1.1.5. Sample and Hold. 19 1.2. Delta Sigma modulator. 19 1.2.1. Delta Sigma. 19 1.2.2. Bitstream. 21 2. Methodology . 21 3. Tools. 23 3.1. Simulink 23 3.1.1. Khởi động Simulink. . 24 3.1.2. Sử dụng. 25 3.2. Cadence Design Environment . 26 3.2.1. Transistor level schematic. 28 3.2.2. Symbol creation 30 3.2.3. Simulation. 31 3.2.4. Virtuoso Layout Editor. 34 4. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CÁC KHỐI TRÊN CADENCE 37 4.1. Mở đầu 37 4.2. Modulator bậc 1 37 4.3. Thiết kế Digital Delta Sigma Mdulator bậc 1 . 39 4.3.1. Thiết kế khối logic . 40 4.4. Thiết kế bộ analog low pass filter 64 4.4.1. Operational Amplifier (Op-amp) 64 4.4.2. Integrator 69 4.4.3. Sample and hold . 74 5. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 74 5.1. Chức năng của một số khối sử dụng. . 74 5.1.1. Constant. . 74 5.1.2. Scope. 74 5.1.3. Unit delay. . 75 5.1.4. Sum. . 76 5.1.5. Integrator. 76 5.1.6. Sample and hold. . 77 5.1.7. Product. . 78 5.2. Bộ chuyển đổi DAC sử dụng Delta Sigma. . 80 2 Hình ảnh Hình1. 1 Sự tương quan giữa DAC và ADC 4 Hình1. 2 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân. 6 Hình1. 3 DAC R/2R ladder . 7 Hình1. 4 DAC với dòng điện ở ngõ ra. . 9 Hình1. 5 Bộ chuyển đổi dòng thành điện thế 10 Hình1. 6 DAC với mạng điện trở hình thang . 11 Hình1. 7 Bộ Delta Sigma 3 bits 14 Hình1. 8 Ngõ ra mạch tích phân tại thời gian t 17 Hình1. 9Mạch tích phân lý tưởng . 18 Hình 2. 1 Sơ đồ khối của bộ Delta Sigma . 20 Hình 3. 1 Giao diện mới khởi động Simulink . 25 Hình 3. 2 Giao diện làm việc 26 Hình 3. 3 Flow thiết kế trong Cadence . 27 Hình 3. 4Giao diện làm việc Schematic 29 Hình 3. 5 Giao diện làm việc Symbol . 31 Hình 3. 6 Enviroment trong quá trình mô phỏng 32 Hình 3. 7 Simulator/Directory/Host 33 Hình 3. 8 Model Libraries . 33 Hình 3. 9 Selecting the analysis 34 Hình 3. 10 Giao diện làm việc Layout 35 Hình 3. 11 LSW 36 Hình4. 1 Sơ đồ khối bộ converter . 37 Hình4. 2 Sơ đồ khối của Delta Sigma bậc một . 38 Hình4. 3 Sơ đồ Schematic của bộ Delta Sigma 8bit . 39 Hình4. 4 Schematic cổng NOT . 41 Hình4. 5 Symbol cổng NOT . 41 Hình4. 6 Dạng sóng cổng NOT 42 Hình4. 7 Layout cổng NOT 42 Hình4. 8 Kết quả check LVS cổng NOT 43 Hình4. 9 Vtriple của cổng NOT 44 Hình4. 10 Schematic cổng NOR 45 Hình4. 11 symbol cổng NOR 45 Hình4. 12 Simulation cổng NOR 46 Hình4. 13 Layout cổng NOR 46 Hình4. 14 Kết quả check LVS cổng NOR 47 Hình4. 15 schematic cổng NAND 48 Hình4. 16 symbol cổng NAND 49 Hình4. 17 simulation cổng NAND . 49 Hình4. 18 Layout cổng NAND . 50 Hình4. 19 Kết quả check LVS của cổng NAND 51 Hình4. 20 Symbol cổng NAND3 52 Hình4. 21 schematic cổng NAND 3 . 53 Hình4. 22 simulation của cổng NAND 3 53 3 Hình4. 23 Layout cổng NAND 3 54 Hình4. 24 schematic cổng XOR . 55 Hình4. 25 symbol cổng XOR 56 Hình4. 26 simulation cổng XOR 56 Hình4. 27 Layout cổng Xor 57 Hình4. 28 kết quả check LVS . 57 Hình4. 29 Giản đồ Karnough của Full Adder . 58 Hình4. 30 Schematic của mạch Full-Adder 59 Hình4. 31 Symbol của mạch Full-Adder 59 Hình4. 32 simulation mạch Full-Adder 60 Hình4. 33 Layout mạch Full-Adder 60 Hình4. 34 LVS mạch Full-Adder 61 Hình4. 35 Schematic mạch Full-Adder 10bits 61 Hình4. 36 Symbol của Flip-Flop D . 62 Hình4. 37 Schematic của Flip-FlopD . 63 Hình4. 38 Simulation của Flip-Flop D . 63 Hình4. 39 Sơ đồ khối OpAmp hai tầng 64 Hình4. 40 Schematic của OpAmp hai tầng . 65 Hình4. 41 Symbol của OpAmp. 66 Hình4. 42 Mạch khuếch đại đảo dấu 66 Hình4. 43 Simulation mạch khuếch đại đảo dấu 67 Hình4. 44 Schematic mạch khuếch đại không đảo dấu 68 Hình4. 45 Simulation mạch khuếch đại không đảo dấu . 69 Hình4. 46 Mạch tích phân . 69 Hình4. 47 Mạch tích phân sử dụng điện trở hồi tiếp song song với tụ C 70 Hình4. 48 Schematic mạch Integrator 71 Hình4. 49 Kết quả mô phỏng 72 Hình4. 50 Schematic mạch Integrator kết hợp mạch khuếch đại đảo . 73 Hình4. 51 Kết quả mô phỏng 73 Hình 5. 1 Khối constant 74 1. Tổng quan 1.1. Bộ chuyển đổi Digital to Analog. Hầu hết các tín hiệu vật lý đều nằm trong thế giới tương tự bởi vì cuộc sống thực là thế giới tương tự. Khi đó việc xử lý tín hiệu đều được thực hiện trong miền tương tự.Việc xử lý tín hiệu trong miền tương tự đôi lúc gặp rất nhiều khó khăn. Song song với xử lý tín hiệu tương tự, xử lý và phân tích tín hiệu số 4 ngày càng phát triển dựa trên lý thuyết xử lý tín hiệu số. Vì thế nhiều phương pháp nghiên cứu việc chuyển đổi qua lại từ hai miền tín hiệu được đưa ra. Một thiết bị, một hệ thống trong thực tế dù lớn hay nhỏ chỉ hoạt động được khi ta cung cấp điện cho nó. Và khi ngừng cung cấp điện thì nó không hoạt động được. Điều đó chứng tỏ máy móc hoạt động chỉ ở hai mức điện thế. Đó là các mức nhị phân. Kết quả hoạt động của các thiết bị đó để được kiểm tra phải thông qua con người. Việc giao tiếp với con người thì các thiết bị đó phải đưa các mức nhị phân đó ra các tín hiệu tương tự. Hay nói khác hơn ta cần phải có chế độ chuyển đổi các mức tín hiệu, tín hiệu số sang thế giới thực của con người, tín hiệu tương tự. Hình1. 1 Sự tương quan giữa DAC và ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu từ số sang tương tự (DAC hoặc D-to-C) là thiết bị chuyển đổi từ tín hiệu số (thường là số nhị phân) sang tín hiệu tương tự(dòng, thế hoặc điện tích). Bộ chuyển đổi DAC là chuyển đổi nhanh giữa thế giới số và tín hiệu thực tế ở dạng tương tự. Phương pháp chuyển đổi đơn giản nhất là cách sử dụng các thành phần như: điện trở, tụ điện, nguồn dòng, nguồn thế cho các bộ chuyển đổi DAC. Bộ chuyển đổi Sigma delta có độ lợi cao được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng chuyển đổi số sang tương tự hoặc ngược lại là tương tự sang số, 5 được giới thiệu hơn 4 thập kỉ trước. Phương pháp chuyển đổi delta sigma DAC dựa trên nguyên tắc giải quyết thời gian giao tiếp đối với độ phân giải biên độ mà nó dùng để chuyển đổi một tín hiệu số sang độ phân giải cao hơn nhưng độ chính xác không cao đối với tín hiệu analog. Độ chính xác cao đòng nghĩa với việc có bao nhiêu ngõ vào cho bộ delta sigma. Càng nhiều bit thì độ chính xác càng cao nhưng nó đưa ra tín hiệu không chính xác. Chúng ta sử dụng mạch lọc tương tự để chuyển đổi từ bistream sang tín hiệu tương tự. Mạch lọc tương tự là phương pháp tối ưu cho việc thu nhỏ xuống mức transistor. Bộ chuyển đổi bậc cao và mạch lọc tương tự có thể loại bỏ được nhiễu và cho ngõ ra với độ chính xác cao của mạch chuyển đổi tương tự sang số sử dụng bộ Delta Sigma. 1.1.1 . Các loại chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự. 1.1.1.1. Điều chế bằng độ rộng xung. Đây là kiểu chuyển đổi DAC đơn giản nhất. Sử dụng nguồn dòng cố định hoặc nguồn thế cố định đưa vào switched. Sau đó đưa qua bộ lọc thấp qua với sự giới hạn về thời gian phụ thuộc vào các giá trị số đưa vào, các công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong động cơ bước. 1.1.1.2. DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân. Bao gồm một điện trở và một nguồn dòng cho mỗi bit DAC trước khi được đưa vào một bộ khuếch đại đảo. Các đầu vào có điện thế lần lượt từ 0V->5V. 6 Hình1. 2 DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân. Điện thế Vout được tính theo công thức của mạch khuếch đại đảo: 1 1 1 ( ) 2 4 8 OUT D C B A V V V V V= − + + + Dấu (-) được hiểu đây là bộ khuếch đại đảo. Ta chỉ quan tấm đến các mức điện thế ngõ ra tương ưng với từng giá trị của chuỗi tín hiệu số đưa vào. Giá trị ở ngõ ra : Giá trị tín hiệu số đầu vào Giá trị tương tự ở ngõ ra D C B A Vout (volts) 0 0 0 0 0V 0 0 0 1 -0.625V (LSB) 0 0 1 0 -1.250V 0 0 1 1 -1.875V 0 1 0 0 -2.500V 7 0 1 0 1 -3.125V 0 1 1 0 -3.750V 0 1 1 1 -4.375V 1 0 0 0 -5.000V 1 0 0 1 -5.625V 1 0 1 0 -6.250V 1 0 1 1 -6.875V 1 1 0 0 -7.500V 1 1 0 1 -8.125V 1 1 1 0 -8.750V 1 1 1 1 -9.375V(MSB) Với bộ chuyển đổi DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân độ chính xác thường không cao do sự khác biệt quá lớn giữa các trị số LSB và MSB, hoặc do các điện trở chênh lệch quá lớn. Khi ta dùng đến DAC 8-bits thì độ chính xác có sự khác biệt rất lớn. 1.1.1.3. DAC R/2R ladder. DAC R/2R được đưa ra để khắc phục những hạn chế của DAC mạng điện trở có trọng số nhị phân. Các điện trở chỉ biến thiên trong khoảng từ 1K đến 2K. Hình1. 3 DAC R/2R ladder 8 Với DAC loại này thì dòng ngõ ra phụ thuộc vào 4 vị trí của chuyển mạch, đầu vào nhị phân B0, B1, B2, B3 chi phối trạng thái của các chuyển mạch này. Dòng điện được đưa qua bộ chuyển đổi dòng điện để đưa ra điện thế cần thiết Vout. Điện thế được tính theo : 8 REF OUT V V B − = × Giá trị ngõ ra: Giá trị đầu vào V OUT 1 MSB V REF /2 2 V REF /4 3 V REF /8 4 V REF /16 5 V REF /32 6 V REF /64 7 V REF /128 8 V REF /256 9 V REF /512 10 V REF /1024 11 V REF /2048 12 V REF /4096 N LSB V REF /2 N 1.1.1.4. DAC với dòng điện ở ngỏ ra. Trong các hệ thống điều khiển số đôi khi ta sử dụng dòng điện để điều khiển. Nên một loại DAC có ngõ ra là dòng điện được sử dụng. Với loại này gồm có 4 chuyển mạch điều khiển. Ngõ ra phụ thuộc vào các giá trị logic nhị phân ở ngõ vào. 9 Hình1. 4 DAC với dòng điện ở ngõ ra. Như trong mạch, các dòng điện phụ thuộc vào giá trị V REF ở ngõ vào và giá trị các điện trở. Các điện trở tăng theo cơ số 2 nên ta tính được dòng điện ở ngõ ra I OUT : 0 0 0 3 0 2 1 0 2 4 8 OUT I I I I B I B B B= × + × + × + × Với 0 REF V I R = Giá trị dòng điện của ngõ ra DAC có thể được chuyển sang DAC có ngõ ra là điện thế (giống như các bộ chuyển đổi: DAC dùng điện trở có trọng số nhị phân, DAC R/2R ladder)bằng cách sử dụng bộ khuếch đại thuật toán. 10 Hình1. 5 Bộ chuyển đổi dòng thành điện thế. Điện thế ngõ ra của bộ chuyển đổi dòng điện sang điện thế được tính bằng công thức: OUT OUT F V I R= − × 1.1.1.5. DAC với mạng điện trở hình chữ T. Trong loại DAC loại này bao gồm: hai loại điện trở R và 2R mắt thành 4 cực hình T mắt nối tiếp, các S3, S2, S1, S0 là các chuyển mạch, và một bộ khuếch đại thuật toán (sử dụng opamp). V REF là điện áp chuẩn cho toàn giai của DAC. 4 bits B3, B2, B1, B0 là các bits nhị phân được đưa vào mạch. Khi Bi mở mức 1 thì Si sẽ được nối lên V REF , khi Bi ở mức 0 thì Si được nối đất. Ta cho lần lượt các giá trị ngõ vào Bi nối lên hai mức logic 1 và logic 0. Áp dụng phương pháp chồng chập ta được ngõ ra : 3 2 1 0 3 2 1 0 4 ( 2 2 2 2 ) 2 REF OUT V V B B B B= − + + + Biểu thức trên áp dụng cho DAC với 4 bit ở ngõ vào. Ta có thể mở rộng cho DAC điện trở hình T với N ngõ vào. [...]... lấy mẫu 1.2 Delta Sigma modulator 1.2.1 Delta Sigma 19 Đặc trưng quan trọng trong chuyển đổi tương tự sang số (DAC) là độ chính xác(resolution) Bộ chuyển đổi Sigma Delta (SDM) đưa ra một phương pháp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (DAC) với độ chính xác cao Một bộ chuyển đổi DAC sử dụng Delta Sigma bao gồm: tổng các bits tín hiệu số đưa vào, bộ lọc tương tự, vòng hồi tiếp số, bộ cộng sigma,... lớn hơn sự cách ly giữa chuyển đổi dữ liệu và nhiễu lượng tử Hình 2 1 Sơ đồ khối của bộ Delta Sigma Bộ điều chế Delta Sigma là thành phần quan trọng nhất của bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự sử dụng Delta Sigma Bộ Delta Sigma đưa ra chuỗi bitstream Các mức giá trị của bitstream diễn tả mức tín hiệu ngõ vào Bộ 20 chuyển đổi Delta Sigma được sử dụng để giảm nhiễu bằng việc sử dụng các bộ... trong bộ điều chế Delta Sigma Bộ chuyển đổi đó do chúng ta thiết kế sao cho phù hợp với các xử lý tín hiệu để có thể đưa ra được tín hiệu mong muốn Bộ điều chế Delta Sigma có thể được sử dụng trong bộ chuyển đổi delta sigma, được đưa ra như việc loại bỏ nhiễu lượng tử(giống như mạch lọc) do sự hồi tiếp của vòng lặp số Với những bộ chuyển đổi delta sigma bậc cao, các tín hiệu nhiễu lượng tử được đưa vào... điện trở hình thang Với chuyển đổi loại này thường hay xảy ra sai số chuyển đổi là do sự sai lệch với điện áp chuẩn tham chiếu VREF Sai số chuyển đổi với sự sai lệch về điện áp chuẩn được tính bởi công thức: ∆V = − 1 ( BN −1 2 N −1 + BN − 2 2 N − 2 + + B1 21 + B0 20 )∆VREF 2N 1.1.2 Thông số của DAC Độ phân giải (resolution) Độ phân giải của biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi nhỏ nhất có thể xả... mức E volt Điện áp ngõ ra là một đoạn dốc V0(t) = Et Hình1 8 Ngõ ra mạch tích phân tại thời gian t Khi tín hiệu vào mạch tích phân thực tế là tín hiệu DC thì tín hiệu ra sẽ tăng tuyến tính theo thời gian và sẽ đạt đến điện thế ngõ ra cao nhất có thể có của mạch khuếch đại và quá trình tích phân sẽ dừng lại Nếu điện áp vào xuống mức âm trong một khoảng thời gian nhất định thì điện tích dương đã tích lũy... bộ điều biến Delta Sigma bậc cao Các bậc cao hơn hai có thể được xây dựng nhưng các bậc đó không thể tạo ra một cách đơn giản bằng cách liên kết các bậc đầu tiên Vì lí do đó, nếu sử dụng nhiều hơn hai vòng hồi tiếp số sẽ làm cho hệ thống không ổn định 1.2.2 Bitstream Bitstream có thể được chú ý như tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự Bitstream là một tín hiệu một bits nối tiếp với tốc độ của bits lớn... trên giấy Đây là sự khác xa các bản mô phỏng trước mà nó yêu cầu ta đưa vào các phương trình vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ hay chương trình Simulink cũng bao gồm toàn bộ thư viện các khối như khối nhận tín hiệu, các nguồn tín hiệu, các phần tử tuyến tính và phi tuyến, các đầu nối Ta cũng có thể thay đổi hay tạo ra các khối riêng của mình Các mô hình đều có thứ bậc, bạn có thể... + ic = 0 Mặc khác,i1 là dòng vào từ nguồn qua R1 ic là dòng hồi tiếp qua tụ Ta tính được dòng qua tụ: 18 iC = C dv0 dt Vì vậy vin dv +C 0 = 0 R1 dt Hay dv0 −1 = Vin dt R1C Lấy tích phân hai vế ta có: t V0(t ) = −1 Vin dt R1C ∫ 0 1.1.5 Sample and Hold Chức năng chính của mạch S/H là lấy mẫu của tín hiệu ngõ vào và giữ tín hiệu lấy mâu cho ngõ ra của nó trong một chu kỳ thời gian Thông thường, sự lấy... Delta Sigma như sau: VOUT = n n FS = Vcc 8 8 Với n là vị trí của bit đưa vào trong bộ chuyển đổi DAC 16 1.1.4 Integrator Mạch tích phân là mạch mà dạng sóng ngõ ra tại thời điểm bấc kỳ có giá trị bằng với tổng điện tích phía dưới dạng sóng tín hiệu vào tính tại thời điểm đang xét Giả sử ngõ vào mạch tích phân là là tín hiệu DC ở mức E(volt) được đưa vào mạch tích phân tại thời điểm t = 0 Đồ thị dạng sóng... giá trị của bộ chuyển đổi DAC 3BITS: 15 Table 2 DACOUT ANALOG OUTPUT BITSTREAM VOLTAGE(FS=VCC) t12345678 V(S) 0000 00000000 0 1001 00000001 1 × FS 8 2010 000100 01 2 × FS 8 3011 00100101 3 × FS 8 4100 01010101 4 × FS 8 5101 01011011 5 × FS 8 6110 01110111 6 × FS 8 7111 01111111 7 × FS 8 DACIN Từ bảng trên ta có thể tính được giá trị của ngõ ra của bộ chuyển đổi DAC sử dụng bộ chuyển đổi Delta Sigma