báo cáo điện tử tương tự 2 kỹ thuật chuyển đổi ADC nối tiếp

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU Trong ba thập kỉ qua, kỹ thuật xử lí thông tin phát triển mạnh Hệ thống truyền tin tổ chức theo lớp chức năng: định dạng mã hóa nguồn tin, điều chế, mã hóa kênh, ghép kênh đa truy nhập, trải phổ tần số, mật mã hóa đồng Hiện nay, mạch số, chuyển mạch , hệ thống truyền dẫn, thiết bị lưu trữ trng lĩnh vực phát triển mạnh mẽ công nghệ điện tử Việc truyền dẫn tín hiệu truyền thông hầu hết thực theo phương pháp số Trong tín hiệu tự nhiên (thoại, số liệu, hình ảnh,…) lại biến thiên liên tục theo thời gian, nghĩa tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự Để phối ghép nguồn tín hiệu tương tự hệ thống xử ký số, người ta dùng mạch chuyển đổi tương tự - số(ADC: Analog Digital Converter) ngược lại chuyển đổi số - tương tự (DAC: Digital Analog Converter) Chính thấy tầm quan việc chuyển đổi tương tự số, nhóm chúng em tìm hiểu phương pháp chuyển đổi ADC số nhiều phương pháp chuyển đổi ADC theo phương pháp phân tích đoạn bit hay gọi chuyển đổi ADC nối mã nhị phân Chuyên đề trình bày lý thuyết tổng quan, phân tích phương pháp chuyển đổi ADC nối mã nhị phân, từ tiến hành mô mạnh chuyển đổi ADC phần mềm mô Proteus Nội dung báo cáo chuyên đề gồm chương tóm tắt sau: Chương 1: Tổng quan chuyển đổi tương tự - số Chương 2: Thiết kế mạch chuyển đổi theo phương pháp phân tích đoạn bit Chương 3: Kết luận hướng phát triển đề tài Để hoàn thành tập lớn này, nỗ lực cố gắng thành viên nhóm, trợ giúp tài liệu chuyên ngành, nhóm nghiên cứu chúng em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thầy cô khoa Điện tử - Viễn thông, đặc biệt cô Ths Hoàng Thị Tuyên Mặc dù có nhiều cố gắng song trình thực đề tài tránh thiếu xót, chúng em mong nhận ý kiến góp ý từ thầy cô bạn để báo cáo nhóm em hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ I CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khái niệm chung Chuyển đổi tương tự sang số (ADC – Analog Digital Convertar) tiến trình biến đổi, mã hóa tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Chuyển đổi số sang tương tự (DAC – Digital Analog Convertar) tiến trình biến đổi giá trị biểu diễn dạng mã số thành mức điện dòng điện tỉ lệ với giá trị số Về bản, nhiệm vụ trình chuyển đổi tương tự số để phối ghép nguồn tín hiệu tương tự hệ thống xử lý số Nguyên tắc làm việc chuyển đổi ADC Nguyên tắc làm việc chuyển đổi ADC minh họa theo sơ đồ khối sau: Hình Sơ đồ khối minh họa nguyên tắc làm việc chuyển đổi ADC Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung thực qua bước bản, là: lấy mẫu; lượng tử hóa mã hóa Các bước luôn kết hợp với trình thống - Lấy mẫu tín hiệu tương tự thời điểm khác cách (rời rạc hoá tín hiệu mặt thời gian) - Giữ cho biên độ điện áp thời điểm lấy mẫu không đổi trình chuyển đổi Hình Đồ thị thời gian mạch điện áp vào điện áp mạch lấy mẫu Tín hiệu mạch lấy mẫu đưa đến mạch lượng tử hoá để làm tròn với độ xác ± Mạch lượng tử hoá có nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự mặt biên độ Nhờ trình lượng tử hoá tín hiệu tương tự biểu diễn số nguyên lần mức lượng tử, nghĩa là: ZDi = Phần nguyên = - (1) Trong đó: X Ai: Là tín hiệu tương tự thời điểm i Z Di: Tín hiệu số thời điểm i Q: Mức lượng tử ∆Xi: Số dư phép lượng tử hoá Trong phép chia theo biểu thức (1) lấy phần nguyên kết quả, phần dư lại (không chia hết cho Q) sai số lượng tử hoá Như vậy, trình lượng tử hoá thực chất trình làm tròn số Lượng tử hoá thực theo nguyên tắc so sánh Tín hiệu cần chuyển đổi so sánh với loạt đơn vị chuẩn Q Sau mạch lượng tử hoá mạch mã hoá Trong mạch mã hoá, kết lượng tử hoá xếp lại theo quy luật định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu đầu chuyển đổi Trong nhiều loại mạch A/D trình lượng tử hoá mã hoá xảy đồng thời, tách rời hai trình Phép lượng tử hóa mã hóa gọi chung phép biến đổi AD II PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TỪNG ĐOẠN BIT Sơ đồ mạch Hình Sơ đồ khối chuyển đổi ADC nối tiếp Nguyên lí hoạt động Giả sử tín hiệu vào biến thiên phạm vi ÷ U Amax Mạch hình 1.3 có số tầng số bit tín hiệu số Chia dải thành ba phần Tín hiệu cần biến đổi so sánh với mức Khi U A1 < b2 = 0, ngược lại UA1 > b2 = Vậy điện áp chuẩn biến đổi AD bit (nó so sánh) Tín hiệu số ứng với bit thứ mặt đưa thị, mặt đưa đến chuyển đổi ngược DA Trên đầu mạch chuyển đổi DA bit tín hiệu tương tự ứng với bit có nghĩa lớn Khi b = tín hiệu tương tự ứng với U’ A1 = 0, b2 =1 U’A1 = Mạch trừ cho giá trị hiệu tín hiệu vào tín hiệu tương tự ứng với bit thứ Giá trị điện áp dư đưa vào tầng Quá trình lặp lại tầng điện áp dư so sánh với U A2 = Quá trình lặp lại tầng thứ 3, điện áp dư trường hợp so sánh với U A3 = Như ta xác định đoạn bit nhị phân trình chuyển đổi Đối với công thức chuyển đổi ADC có n tầng điện áp so sánh giảm dần tính theo công thức: U AN = CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TỪNG ĐOẠN BIT I TÌM HIỂU CÁC PHẦN TỬ ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ THIẾT KẾ MẠCH ADC NỐI TIẾP Bộ so sánh LM339 IC so sánh LM339N IC tích hợp gồm bốn so sánh độc lập LM339N thiết kế làm việc với nguồn đơn dải điện áp rộng nguồn đôi Dòng điện cung cấp cho cực máng LM339N độc lập với nguồn cung cấp IC LM339 nhận điện áp từ hồng ngoại để đưa vào mức điện áp chuẩn cho mạch Hình Cấu tạo so sánh LM339 Chức khối so sánh: Dùng để so sánh mức điện áp đưa vào tín hiệu xử lý Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp khối thu đưa mức điện áp để so sánh với mức điện áp chuẩn biến trở tinh chỉnh 104, ta thay đổi điện áp vặn biến trở Điện áp so sánh đưa khối chỉnh xung Mạch trừ Bản chất mạch trừ mạch khuếch đại vi sai dùng khuyếch đại thuật toán Mạch điện dùng để tìm hiệu số, sai số điện áp mà điện áp nhân với vài số Các số xác định nhờ điện trở Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai hình vẽ: Hình Mạch trừ Giá trị điện áp hiệu đầu mạch trừ tính theo công thức: Hệ số khuếch đại vi sai: Nếu R1=R2 Rf=Rg  Vout=A(V2-V1) A = Nếu R1=R2 = Rf=Rg Vout = V2 - V1 Relay Hình Hình ảnh mô relay proteus Relay: Là công tắc chuyển đổi hoạt động điện Nó công tắc rơ le có trạng thái ON OFF Rơ le trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không Chức năng: Đảo nguồn tín hiệu chuyển đổi tín hiệu ADC Nguyên lý hoạt động: Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện chạy qua cuộn dây bên tạo từ trường hút Từ trường hút tác động lên đòn bẩy bên làm đóng mở tiếp điểm điện làm thay đổi trạng thái rơ le Các linh kiên mô khác - Điện trở R - Nguồn điện chiều - Đèn led hiển thị II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH THEO LÍ THUYẾT Tính toán với chuyển đổi tương tự - số phân đoạn bit tầng Giả sử tín hiệu tương tự vào có dải điện áp biến đổi từ 0- U Amax Chia dải thành phần Tín hiệu tương tự cần chuyển đổi U A1 so sánh với Khi UA1 < b1 = 0, ngược lại U A1 > b1 = Tín hiệu số ứng với bit thứ mặt đưa thị, mặt đưa đến chuyển đổi ngược DA Khi b1 = tín hiệu tương tự ứng với U’A1 = 0, b1 =1 U’A1 = Mạch trừ cho giá trị hiệu tín hiệu vào tín hiệu tương tự ứng với bit thứ Giá trị điện áp dư đưa vào tầng Quá trình lặp lại tầng điện áp dư so sánh với U A2 = Khi UA2 < b0 = 0, ngược lại UA2 > b0 = Xét trường hợp cụ thể: Cho tín hiệu tương tự vào có dải điện áp biến đổi từ 0- 32V Ta có UAmax = 16V Với UA1 = 17V Do UA1 = 17>16 => b1=1 U’A1 = 16V UA2 = UA1 - U’A1 = 17-16 =1V Do UA2 =1 chuỗi bit: 00 Với UA1 = 9V => chuỗi bit: 01 Với UA1 = 30V => chuỗi bit: 11 10 III CÁC BƯỚC THIẾT KẾ VA MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS Bước Mở phần mềm Proteus Kích đúp chuột vào biểu tượng Proteus 8.0 hình máy tính Bước Chọn linh kiện cần thiết thư viện Kích chuột vào Component Mode sau kích chuột vào chữ P hình vẽ Sau tìm chọn kinh kiện IC LM 339 Gõ LM 339 vào khung key word kích đúp chuột vào LM 339 hình vẽ Hình Chọn so sánh LM339 Chọn linh kiện điện trở Gõ Res vào khung key word kích đúp chuột vào RES hình vẽ 11 Hình Chọn điện trở Các linh kiện khác Tương tự ta lấy ra: Đèn led thị LED-GREEN, khuếch đại thuật toán OPAMP, nguồn điện chiều BATTERY, RELAY Bước Vẽ mạch phần mềm Sau chọn linh kiện, ta tiến hành xếp linh kiện nối dây, cấp nguồn sơ đồ hình vẽ Dùng điện trở có giá trị R= 100� R=10k� Hình Sơ đồ nối dây hoàn chỉnh mạch chuyển đổi ADC nối tiếp 12 * Một số lưu ý đấu nối dây - Mạch phức tạp nhiều dây nên đặt tên đầu đoạn để hạn chế việc dây nhiều - Thiết kế bước phân thành tầng để mạch dễ nhìn dễ kiểm soát gặp lỗi sai IV CHẠY MÔ PHỎNG PHẦN MỀM Với tín hiệu tương tự vào có dải điện áp biến đổi từ - 32V UAmax = 32V = 16V; = 8V Thay đổi giá trị U nguồn tương tự: Với U= 7V Led tắt, Led tắt Hình 2.1 Mô mạch chuyển đổi ADC nối tiếp bit với U = 7V Với U = 17V Led sáng, Led tắt 13 Hình 2.2 Mô mạch chuyển đổi ADC nối tiếp bit với U = 17V V SO SÁNH VỚI LÝ THUYẾT VÀ NHẬN XÉT Qua trình tính toán lý thuyết tiến hành mô phân tích mạch thực nghiệm ta thấy: - Đã mô tín hiệu theo sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi ADC theo phương pháp nối tiếp, hiệu lấy mạch mô có giá trị gần với tính toán lý thuyết, giá trị số đầu tương ứng với khoảng giá trị đầu vào - Mạch mô có độ xác không cao mạch ADC song song => Nguyên nhân sử dụng nhiều so sánh điện áp, mạch trừ dẫn tới việc hao hụt điện áp qua tầng Mạch chuyển đổi ADC theo phương pháp phân đoạn bit có tốc độ chuyển đổi chậm so với mạch chuyển đổi ADC song song, có sai số lớn, không sử dụng nhiều thực tế mà dùng để làm sở cho phương pháp khác tối ưu 14 CHƯƠNG TỔNG KẾT I KẾT LUẬN Chuyển đổi tương tự - số phần thiết yếu công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyển đổi ADC theo phương pháp phân đoạn bit ứng dụng nhiều trở thành yếu tố quan trọng hệ thống Điện tử - Viễn thông tiên tiến Việc mô phân tích tín hiệu mạch chuyển đổi tương tự số phần mềm mô chuyên dụng giúp thực tế hóa kiến thức, hiểu biết, kỹ phân tích mô tín hiệu máy tính mà giúp hiểu rõ cấu tạo, chức năng, nguyên lý hoạt động chuyển đổi ADC Đồng thời qua việc mô phân tích tín hiệu giúp thành viên nhóm có nhìn tổng quan chuyển đổi ADC, biết ưu điểm, nhược điểm phương pháp Phương pháp có ưu điểm nguyên lí hoạt động đơn giản, số bit số tầng tầng sau quy trình lặp lại quy trình tầng trước Nếu số lương bit thấp mạch hiệu đơn giản mạch song song Báo cáo trình bày mạch chuyển đổi ADC nối mã nhị phân thành bit số lượng so sánh, mạch trừ, điện trở nhiều thiết kế mạch phức tạp Khi muốn tăng số bit lên số lượng linh kiện tăng lên dẫn đến việc thiết kế mạch cồng cềnh, phức tạp nên mạch dùng chuyển với số lượng bit đầu nhỏ Mặt khác, mạch chuyển đổi theo phương pháp phân đoạn bit tầng có kết cấu mạch đơn giản nhiên phải thực qua nhiều bước so sánh nên tốc độ chuyển đổi tương đối chậm, sai số biên độ lớn mạch ứng dụng thực tế sử dụng làm sở để phân tích xây dựng phương pháp khác ưu việt II HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Báo cáo chuyên đề nhóm chúng em trình bày trình thiết kế chuyển đổi mạch ADC nối tiếp mã nhị phân với bit Trên sở thực thiết kế mạch chuyển đổi ADC nối mã nhị phân thành bit (nhóm thiết kế thành công), bit, bit.… Khối chuyển đổi DA nhóm dùng RELAY, nhiên nhiều cách khác dùng khuếch đại thuật toán để thiết kế mạch chuyển đổi theo phương pháp DA( thang điện trở mạng điện trở) 15 Trong trình nghiên cứu, phân tích mô mạch, nhóm nghiên cứu chúng em đầu tư thời gian, công sức tìm hiểu mạch vốn kiến thức hạn chế nên tập lớn nhiều thiếu xót chưa tìm hiểu mô nhiều linh kiện khác để phân tích ảnh hưởng linh kiện đến chất lượng đầu tín hiệu Kính mong thầy cô bạn góp ý, sửa đổi, bổ sung thêm để báo cáo chúng em hoàn thiện 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Minh Hà, “Kỹ thuật mạch điện tử”, Nhà xuật Khoa học Kỹ thuật, 1997 [2] Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường, “Điện tử tương tự”, Nhà xuất Giáo dục, năm 2008 [3] Nguyễn Viết Nguyên, Phạm Thị Thanh Huyền, Nguyễn Thị Kim Ngân, Phạm Thị Quỳnh Trang, “Giáo trình Linh kiện điện tử”, Nhà xuất Giáo dục [4] National Intrument, “Getting started with NI circuit design suite” – January 2012 17 ... Với tín hiệu tương tự vào có dải điện áp biến đổi từ - 32V UAmax = 32V = 16V; = 8V Thay đổi giá trị U nguồn tương tự: Với U= 7V Led tắt, Led tắt Hình 2. 1 Mô mạch chuyển đổi ADC nối tiếp bit với... tầm quan việc chuyển đổi tương tự số, nhóm chúng em tìm hiểu phương pháp chuyển đổi ADC số nhiều phương pháp chuyển đổi ADC theo phương pháp phân tích đoạn bit hay gọi chuyển đổi ADC nối mã nhị... hiệu tự nhiên có dạng tương tự Để phối ghép nguồn tín hiệu tương tự hệ thống xử ký số, người ta dùng mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC: Analog Digital Converter) ngược lại chuyển đổi số - tương tự