Chuyển đổi tương tự - số, chuyển đổi số- tương tự

Chuyển đổi tương tự - số, chuyển đổi số- tương tự

78 CHỈÅNG 6 CHUØN ÂÄØI TỈÅNG TỈÛ - SÄÚ CHUØN ÂÄØI SÄÚ - TỈÅNG TỈÛ 6.1. Cå såí l thuút Âãø phäúi ghẹp giỉỵa ngưn tên hiãûu cọ dảng tỉång tỉû våïi cạc hãû thäúng xỉí l säú ngỉåìi ta dng cạc mảch chuøn âäøi ttỉång tỉû - säú (ADC : Analog-Digial Converter) v cạc mảch chuøn âäøi säú - tỉång tỉû (DAC : Digial- Analog Converter). Hçnh v (6.1) biãøu diãùn quạ trçnh biãún âäøi tên hiãûu dảng tỉång tỉû sang dảng säú. Tên hiãûu tỉång tỉû V A âỉåüc chuøn thnh dảng báûc thang âãưu. Våïi 1 phảm vi ca giạ trë V A âỉåüc biãøu diãùn båíi 1 giạ trë âải diãûn thêch håüp. Chàóng hản giạ trë V A âỉåüc chuøn thnh dảng báûc thang 7 báûc v åí mäùi báûc, ta gạn cho V A mäüt giạ trë råìi rảc. Vê dủ khi V A biãún thiãn trong mäüt khong nh 3,5 → 4,5 ta gạn cho nọ mäüt giạ trë l 100. Mäüt cạch täøng quạ, gi tên hiãûu tỉång tỉû l S A (V A ), tên hiãûu säú l S D (V D ). S D âỉåüc biãøu diãùn dỉåïi dảng m nhë phán nhỉ sau : S D = b n-1 .2 n-1 + b n-2 .2 n-2 + . + b o .2 o Trong âọ : b k = 0 hồûc b k = 1 (våïi k = 0 → k = n - 1) v âỉåüc gi l bit. + b n-1 : bit cọ nghéa låïn nháút (MSB : Most significant bit). Mäùi biãún âäøi ca MSB tỉång ỉïng våïi sỉû biãún âäøi nỉía di lm viãûc. + b o : bit cọ nghéa nh nháút (LSB : Least significant bit). Mäùi biãún ca LSB tỉång ỉïng våïi sỉû biãún âäøi mäüt mỉïc lỉåüng tỉí. Mäüt mỉïc lỉåüng tỉí bàòng mäüt náúc ca hçnh báûc thang Vê dủ : våïi mäüt mảch biãún âäøi N bit våïi l N säú hảng trong dy m nhë phán. (Trong vê dủ trãn hçnh v 6.1 : N = 3) thç mäùi náúc trãn hçnh báûc thang chiãúm mäüt giạ trë. 111 110 101 100 011 010 001 000 1 2 3 4 5 6 7 V A V D Q ∆Q Hçnh 6.1. Biãøu diãùn quạ trçnh chuøn âäøi tỉång tỉû sang säú 79 Q = V LSB = 12 V N AM − V AM : l giạ trë cỉûc âải cho phẹp ca âiãûn ạp tỉång tỉû. V LSB = Q : gi l mỉïc lỉåüng tỉí. Sai säú lỉåüng tỉí họa âỉåüc xạc âënh nhỉ sau : ∆V Q = 2 Q Khi chuøn âäøi AD phi thỉûc hiãûn viãûc láúy máùu tên hiãûu tỉång tỉû. Âãø âm bo khäi phủc lải tên hiãûu mäüt cạch trung thỉûc, táưn säú láúy máùu f M phi tha mn âiãưu kiãûn : f M ≥ 2 f th max ≅ 2B f th max : táưn säú cỉûc âải ca tên hiãûu B : di táưn säú ca tên hiãûu. 6.2. Cạc tham säú cå bn 6.2.1. Gii biãún âäøi ca âiãûn ạp tỉång tỉû åí âáưu vo l khong âiãûn ạp m bäü chuøn âäøi AD cọ thãø thỉûc hiãûn chuøn âäøi âỉåüc. 6.2.2. Âäü chênh xạc ca bäü chuøn âäøi AD gäưm âäü phán biãût, mẹo phi tuún, sai säú khúch âải, sai säú lãûch khäng v sai säú âån âiãûu. 111 110 101 100 011 010 001 000 V A V D L tỉåíng Thỉûc Sai säú lãûch khäng Sai säú âån âiãûu Sai säúkhúch âải Mẹo phi tuún Hçnh 6.2. Âäü chênh xạc ca chuøn âäøi AD 80 + Âäü phán biãût âỉåüc âàûc trỉng båíi säú bit N. Gi sỉí mäüt ADC cọ säú bit åí âáưu ra l N → cọ thãø phán biãût âỉåüc 2 N mỉïc trong di âiãûn ạp vo ca nọ. Chàóng hản N = 12 → cọ 2 12 = 4096 mỉïc. Âäü phán biãût ca mäüt ADC âỉåüc k hiãûu l Q v âỉåüc xạc âënh theo biãøu thỉïc : Q = V LSB = 12 V N AM − + Dỉûa vo âỉåìng âàûc tuún truưn âảt l tỉåíng v thỉûc ca ADC (hçnh 6.2) ta tháúy : - Âàûc tuún l tỉåíng l mäüt âỉåìng báûc thang âãưu v cọ âäü däúc trung bçnh l 1. - Âàûc tuún thỉûc l mäüt âỉåìng báûc thang khäng âãưu do nh hỉåíng ca sai säú khúch âải, ca mẹo phi tuún, v ca sai säú âån âiãûu. 6.2.3. Täúc âäü chuøn âäøi Cho biãút kãút qu chuøn âäøi trong 1s, âỉåüc gi l táưn säú chuøn âäøi f c . Mäüt ADC cọ täúc âäü chuøn âäøi cao thç âäü chênh xạc gim v ngỉåüc lải. Nghéa l u cáưu vãư âäü chênh xạc v täúc âäü chuøn âäøi máu thùn våïi nhau. Ty theo u cáưu sỉí dủng, phi tçm cạch dung ha cạc u cáưu âọ mäüt cạch håüp l nháút. 6.3. Ngun tàõc lm viãûc ca ADC Ngun tàõc lm viãûc ca ADC âỉåüc minh ha theo så âäư : Hçnh 6.3 Âäư thë thåìi gian ca âiãûn ạp vo v ra mảch láúy máùu Mảch láúy máùu ADC Lỉåüng tỉí họa M họa V D 81 Trỉåïc hãút tên hiãûu tỉång tỉû V A âỉåüc âỉa âãún mảch láúy máùu. Mảch ny cọ 2 nhiãûm vủ: - Láúy máùu tên hiãûu tỉång tỉû tải nhỉỵng thåìi âiãøm khạc nhau v cạch âãưu nhau (råìi rảc họa tên hiãûu vãư màût thåìi gian). - Giỉỵ cho biãn âäü âiãûn ạp tải cạc thåìi âiãøm láúy máùu khäng âäøi trong quạ trçnh chuøn âäøi tiãúp theo (tỉïc l trong quạ trçnh lỉåüng tỉí họa v m họa). Tên hiãûu ra ca mảch láúy máùu âỉåüc âỉa âãún mảch lỉåüng tỉí họa âãø thỉûc hiãûn lm trn våïi âäü chênh xạc bàòng ± Q⁄ 2. Váûy quạ trçnh lỉåüng tỉí họa thỉûc cháút l quạ trçnh lm trn säú. Lỉåüng tỉí họ a âỉåüc thỉûc hiãûn theo ngun tàõc so sạnh, tên hiãûu cáưn chuøn âäøi âỉåüc so sạnh våïi mäüt loảt cạc âån vë chøn Q. Sau mảch lỉåüng tỉí họa l mảch m họa. Trong mảch m họa, kãút qu lỉåüng tỉí họa âỉåüc sàõp xãúp lải theo mäüt tráût tỉû nháút âënh phủ thüc vo loải m u cáưu trãn âáưu ra bäü chuøn âäøi . Phẹp lỉåüng tỉí họa v m họa gi chung l phẹp biãún âäøi AD. 6.4. Cạc phỉång phạp chuøn âäøi tỉång tỉû -säú Phán loải : cọ nhiãưu cạch phán loải ADC. Cạch phán loải hay dng hån c l phán loải theo quạ trçnh chuøn âäøi vãư màût thåìi gian. Nọ cho phẹp phạn âoạn mäüt cạch täøng quạt täúc âäü chuøn âäøi. Cọ 3 phỉång phạp chuøn âäøi sau : + Chuøn âäøi song song : Tên hiãûu tỉång tỉû âỉåüc so sạnh cng mäüt lục våïi nhiãưu giạ trë chøn. Do âọ táút c cạc bit âỉåüc xạc âënh âäưng thåìi v âỉa âãún âáưu ra. + Chuøn âäøi näúi tiãúp theo m âãúm : Quạ trçnh so sạnh âỉåüc thỉûc hiãûn tỉìng bỉåïc theo quy lût m âãúm. Kãút qu chuøn âäøi âỉåüc xạc âënh bàòng cạch âãúm säú lỉåüng giạ trë chøn cọ thãø chỉïa âỉåüc trong giạ trë tên hiãûu tỉång tỉû cáưn chuøn âäøi. + Chuøn âäøi song song- näúi tiãúp kãút håüp : Qua mäùi bỉåïc so sạnh cọ thãø xạc âënh âỉåüc täúi thiãøu 2 bit âäưng thåìi. 6.4.1. Chuøn âäøi AD theo phỉång phạp song song 82 Hçnh 6.4: Så âäư ngun l bäü chuøn âäøi AD theo phỉång phạp song song Tên hiãûu tỉång tỉû V A âỉåüc âỉa âäưng thåìi âãún cạc bäü so sạnh tỉì S 1 âãún S m . åí âáưu vo thỉï hai, âiãûn ạp chøn U ch âỉa vo qua thang âiãûn tråí R (hçnh 12). Do âọ, âiãûn ạp chøn âàût vo cạc bäü so sạnh kãư nhau s khạc nhau mäüt lỉåüng khäng âäøi tỉì S 1 âãún S m . âáưu ra ca cạc bäü so sạnh cọ âiãûn ạp vo låïn hån âiãûn ạp chøn láúy trãn thang âiãûn tråí cọ mỉïc logic 1, cạc âáưu cn lải åí mỉïc logic 0. Táút c cạc âáưu ra âỉåüc näúi våïi mäüt âáưu vo ca cạc cäøng AND. Âáưu kia ca cäøng AND näúi våïi mảch tảo xung nhëp. Chè khi cọ xung nhëp thç cạc xung trãn âáưu ra bäü so sạnh måïi âỉåüc âỉa vo mảch Flip-flop. Nhỉ váûy cỉï sau mäüt khong thåìi gian bàòng mäüt chu k xung nhëp lải cọ mäüt tên hiãûu âỉåüc biãún âäøi âỉa âãún âáưu ra. Xung nhëp âm bo cho quạ trçnh so sạnh kãút thục måïi âỉa tên hiãûu vo bäü nhåï. Âãø âm bo mảch hoảt âäüng äøn âënh, quạ trçnh m họa åí bäü m họa phi kãút thục trỉåïc khi cọ mäüt chu k xung nhëp måïi. Mảch ny cọ ỉu âiãøm l täúc däü chuøn âäøi nhanh (cạc bit tảo ra âäưng thåìi), sai säú biãún âäøi tháúp, cọ thãø tảo ra dảng m theo mún. Tuy nhiãn, nọ cọ kãút cáúu phỉïc tảp do - S 1 + R R R FF FF FF M HỌA Xung nhëp U D + V chøn V A - S 2 + - S m + 83 cọ säú linh kiãûn låïn. Nãn viãûc ỉïng dủng chè cọ giåïi hản våïi chuøn âäøi AD cọ säú bit nh v täúc âäü cao. V A 1 2 3 4 5 6 7 Nhë phán 0 < V A < 1 1 < V A < 2 2 < V A < 3 3 < V A < 4 4 < V A < 5 5 < V A < 6 6 < V A < 7 7 = V A 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 • Ỉu âiãøm : Täúc âäü biãún âäøi nhanh, sai säú biãún âäøi tháúp v cọ thãø tảo ra dảng m theo mún. • Nhỉåüc âiãøm : - Kãút cáúu mảch phỉïc tảp våïi säú linh kiãûn khạ låïn. - Phỉång phạp ny chè dng trong cạc ADC u cáưu säú bit N nh v täúc âäü chuøn âäøi cao. 6.4.2 Phỉång phạp chuøn âäøi näúi tiãúp theo m nhë phán S S Trỉì V ch2 =V Amax /4 V ch3 =V Amax /8 V A V ch1 =V Amax /2 1 0 2 2 2 1 2 0 TÁƯNG 1 TÁƯNG 2 TÁƯNG 3 Hçnh 6.5. Bäü chuøn âäøi AD näúi tiãúp theo m nhë phán 84 Mäùi táưng bao gäưm mäüt bäü so sạnh, mäüt khọa âiãưu khiãøn v mäüt mảch trỉì. Mäüt âáưu vo ca cạc bäü so sạnh l mỉïc âiãûn ạp ngỉåỵng. Mỉïc âiãûn ạp ngỉåỵng låïn nháút l 2 V maxA åí táưng âáưu tiãn v tỉång âỉång våïi bit låïn nháút. Åí nhỉỵng táưng sau, âiãûn ạp ngỉåỵng s l : 4 V maxA , 8 V maxA ty theo säú táưng sỉí dủng trong mảch. Mảch chuøn âäøi theo phỉång phạp ny cọ säú táưng bàòng säú bit cáưn xạc âënh. Mäùi táưng cho ra mäüt bit. Gi xỉí tên hiãûu vo biãún thiãn trong phảm vi 0 ÷ V A max . Tên hiãûu vo s âỉåüc so sạnh våïi âiãûn ạp chøn V ch1 = 2 V maxA .Nãúu V A > 2 V maxA thç ng ra ca bäü so sạnh (SS) s cho ra mỉïc logic 1 v lục ny khọa K s âỉåüc näúi tåïi mỉïc âiãûn ạp chøn V ch1 âãø mảch trỉì tên hiãûu. Khäúi trỉì s âỉåüc thỉûc hiãûn láúy V A = 2 V maxA (V A - V ch1 ). Kãút qu ca phẹp trỉì s âỉåüc tiãúp tủc âỉa vo so sạnh åí táưng 2 våïi V ch2 = 4 V maxA . Ngỉåüc lải nãúu V A < V ch1 thç khọa K s näúi tåïi mỉïc âiãûn thãú 0 v nhåì váûy ton bäü tên hiãûu V A s âỉåüc so sạnh iãúp åí táưng sau. Åí âáy mảch thỉûc hiãûn phỉång phạp biãún âäøi tưn tỉû nãn tiãún âäü biãún âäøi gim âng kãø khi tàng säú táưng. Vç váûy åí phỉång phạp ny, ngỉåìi ta thỉåìng giåïi hản säú táưng l 4. 6.4.3 Chuøn âäøi AD näúi tiãúp dng vng häưi tiãúp SS CÄØNG Ngưn dao âäüng DAC Bäü âãúm thûn nghëch Kãút qu Kêch khåíi V A Hçnh 6.6. Så âäư chuøn âäøi AD näúi tiãúp dng vng häưi tiãúp 85 Khi âỉa xung kêch khåíi vo thç cäøng âỉåüc måí v bäü âãúm hoảt âäüng âãúm xung tỉì ngưn dao âäüng. Näüi dung ca bäü âãúm s âỉåüc âỉa âãún bäü biãún âäøi AD (ADC âãø biãún âäøi thnh âiãûn ạp häưi tiãúpV ht . V ht ln ln âỉåüc so sạnh våïi tên hiãûu vo V A . quạ trçnh biãún âäøi s diãùn ra cho âãún khi tên hiãûu häưi tiãúp cán bàòng våïi tên hiãûu vo v lm âäøi trảng thại bäü so sạnh. Bäü âãúm l bäü âãúm thûn nghëch. Mäùi khi V A < V ht thç s âãúm xúng. Vç váûy khi kãút thục thåìi gian biãún âäøi thç tên hiãûu häưi tiãúp s ln ln dao âäüng xung quanh giạ trë âiãûn ạp vo V A . tỉì bäü âãúm ngỉåìi ta láúy ra kãút qu ca phẹp biãún âäøi AD ny. Váûy åí phỉång phạp ny thåìi gian biãún âäøi (T biãún âäøi) l mäüt âải lỉåüng thay âäøi v phủ thüc vo trë säú ca tên hiãûu vo V A . thåìi gian biãún âäøi låïn nháút T Biãún âäøi max tỉång ỉïng våïi V A max . nãúu bäü âãúm cọ N bêt, chu k ngưn dao âäüng l ∆t thç : T Biãún âäøi = (2 N - 1) ∆t Sai säú ténh ca phẹp biãún âäøi ch úu phủ thüc vo sai säú ca bäü DAC v ca bäü so sạnh. Khi mảch hoảt âäüng khäng cọ block chn nhåï (Sample and Hold) thç sai säú âäüng phủ thüc ch úu vo thåìi gian biãún âäøi. M thåìi gian biãún âäøi lải phủ thüc vo V A nãn trong trỉåìng håüp ny sai säú khäng tuún tênh. Váûy nãúu khäng sỉí dủng block chn nhåï thç phỉång phạp ny chè thêch håüp våïi cạc tên hiãûu mäüt chiãưu hay cạc tên hiãûu cọ táưn säú tháúp, biãún thiãn cháûm. Sai säú V ht 2 N -1 náúc V A V A t T biãún âäøi x(t) ∆x < h ∆t ∆x t t 1 t 2 t i Hçnh 6.5. Âäư thë thåìi gian biãøu diãùn quạ trçnh AD 86 6.4.4 Chuyóứn õọứi AD theo phổồng phaùp õóỳm õồn giaớn 1 2 Taỷo õióỷn aùp rng cổa Taỷo nhởp M V D V G V C V A Hỗnh 6.6. Bọỹ chuyóứn õọứi AD theo phổồng phaùp õóỳm õồn giaớn V C V A V SS1 V SS2 V V C t t t t v g v ch C R R 2 R 1 Hỗnh 6.7. sồ õọử khọỳi maỷch taỷo õióỷn aùp rng cổa vaỡ õọử thở bióứu dióựn nguyón lyù hoaỷt õọỹng cuớa maỷch 87 Âiãûn ạp vo V A âỉåüc so sạnh våïi âiãûn ạp chøn dảng ràng cỉa V c nhåì bäü so sạnh SS 1 . Khi V A > V c → V SS = 1 Khi V A < V c → V SS = 0 Bäü so sạnh 2 (SS 2 ) so sạnh âiãûn ạp ràng cỉa V c våïi mỉïc 0 (âáút). Sau âọ V SS1 v V SS2 âỉåüc âỉa âãún mảch AND. Xung ra V G cọ âäü räüng t lãû våïi âäü låïn ca âiãûn ạp vo V A våïi gi thiãút xung ràng cỉa V c cọ âäü däúc khäng âäøi. Mảch AND thỉï hai chè cho ra cạc xung nhëp trong thåìi gian täưn tải xung V G nghéa l trong thåìi gian m 0 < V A < V C . mảch âãúm âáưu ra s âãúm säú xung nhëp âọ. Säú xung ny t lãû våïi âäü låïn ca V A . Bäü tảo xung ràng cỉa thỉûc cháút l mảch têch phán. Dng âiãûn ạp chøn mäüt chiãưu V ch âãø nảp cho tủ âiãûn C qua âiãûn tråí R. Ta cọ âiãûn ạp ra : V’ C = - t. R V dt R V dtV R 1 C ch t o C ch t o ch C − = ∫ = ∫ V C = tR V V R R C ch ' C 1 1 = = | a | t Gi sỉí tải t = t m thç V C V A , ta cọ : V A = ch A MM C ch V V tt R V =⇒ .R.C Gi Z l säú xung nhëp âãúm âỉåüc trong thåìi gian t M ⇒ Z = f n .t M Våïi f n : táưn säú xung nhëp ⇒ Z = f n . ch A V V .R.C (*) Tỉì (*) ⇒ a) Z tè lãû våïi V A b) Mún gim sai säú cho phẹp biãún âäøi thç phi chn R, C loải täút, táưn säú xung nhëp f n phi låïn, v V ch phi äøn âënh [...]... chuøn âäøi N bit, phi N Mäùi táưng dng 2N1 - 1 bäü so sạnh Nhỉ váûy âãø chuøn âäøi N bit dng l táưng våïi l = N1 phi dng : l (2N1 - 1) = N N1 (2 - 1) bäü so sạnh N1 Vê dủ N = 9; N1 = 3 Phỉång phạp song song-näúi thiãúp kãút håüp : säú bäü SS : l (2N1 - 1) = N N1 - 1 (2 )=3.7=21 N1 Phỉång phạp song song : säú bäü SS : (2N - 1) = (2N - 1) = (29 - 1) = 512 - 1 = 511 91 6.4.7 Chuøn âäøi AD phi tuún 1... âäøi gáúp 10 láưn Hçnh v B : Säú 723 m BCD vo = - R ht R v1 − ht v 2 R1 R2 vo = vo1 + vo2 + vo3 1 1 1 1 = M+ M = M Rtd 1 10 5 10 (3) 93 3 Vch 1 1 0 0 0 2 1 0 + 0 1 1 7 1 0 10M 5M 2.5M 1.25M 1M 500k 250k 125k 100k 50k 25k 12.5k Hçnh 6.16 Dng mäüt ngưn Vch vo1 = - R ht 3.10 M = - 3 Vch Vch = − R td1 10 M 1 1 1 = + M (20) K Rtd 2 500 10 => vo2 = R ht Vch = - 20Vch R td 2 1 1 1 1 = + K + K K Rtd 3 100 50... liãn tủc theo thåìi gian l tên hiãûu näüi suy ca VM 6.5.1 Chuøn âäøi DA bàòng phỉång phạp âiãûn tråí (theo ngun l m BCD) Ỉu âiãưm : - Chè cáưn dng mäüt ngưn âiãûn ạp chøn Vch Trong säú ca mäùi bit s tỉång âỉång våïi Rht chia cho Ri, trong âọ : Ri l âiãûn tråí mäùi mäüt nhạnh - Phỉång phạp ny âi hi nhiãưu âiãûn tråí chênh xạc våïi cạc trë säú khạc nhau vç váûy gàûp báút tiãûn khi thiãút kãú v sỉí dủng Âãø... khäng âäøi Sai säú ténh do tênh khäng äøn âënh ca Vch, fn, bäü têch phán v bäü so sạnh Hiãûn nay ngỉåìi ta cn thãø hiãûn phỉång phạp têch phán 3,4 âäü däúc 6.4.6 Chuøn âäøi AD theo phỉång phạp song song - näúi tiãúp kãút håüp B1 B2 BN1 U ADC TÁƯNG THỈÏ HAI DAC N1 bit song song U TÁƯNG THỈÏ NHÁÚT Mảch hiãûu Nhán 2N1 Hçnh 6.10 Bäü chuøn âäøi AD theo phỉång phạp song song näúi tiãúp kãút håüp Âáy l sỉû kãút... gian têch phán âiãûn ạp chøn t2 • Âiãûn ạp nảp cho tủ C trong thåìi gian t1 nhåì mảch têch phán VA VCt1 = VA t1 RC (1) • Âiãûn ạp nảp cho tủ C trong thåìi gian t2 theo chiãưu ngỉåüc lải nhåì VA VCt2 = - Vch t2 RC (2) Trong thåìi gian t2 âiãûn ạp trãn tủ gim xúng bàòng 0 : ⇒ | VCt1| = | VCt2| ⇒ V VA t1 = ch t2 RC RC ⇒ t2 = VA t1 Vch Säú xung Zo âãúm âỉåüc trong thåìi gian t1 : Zo = t1.fn ⇒ t1 = Zo fn