Bài 06 chuyển đổi số tương tự

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG * HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰTài liệu tham khảo 1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019. 2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm 2019. 2Bài 6: Chuyển đổi số - tương tự 3 1. Khôi phục tín hiệu tương tự 2. Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự (DAC) 3. Các tham số kỹ thuật chính của DAC1. Khôi phục tín hiệu tương tự Bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC) được sử dụng để khôi phục tín hiệu tương tự ban đầu từ mã dạng số. Mỗi giá trị số của mã tương ứng với một giá trị xác định của tín hiệu tương tự. Chuyển đổi mã dạng số thành giá trị tương tự (đối với LSB bằng 1 V) Khôi phục tín hiệu tương tự 5 Quá trình ZOH - giữ bậc 0 (zero order hold) hoặc khôi phục bậc thang (staircase reconstruction): bổ sung sự thiếu tín hiệu giữa các xung bằng cách giữ biên độ của xung cho đến khi có xung kế tiếp. Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 6 Khôi phục tín hiệu tương trự Để khôi phục tín hiệu, tốt nhất là sử dụng bộ lọc thông thấp lý tưởng.  Nếu sử dụng ZOH ta thực hiện mối quan hệ sau  Mô tả trên miền tần số Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 7   1 0 0 for other moments for t Ts x t           /2 sin / 2   / 2 j t j T s s s T s X j x t e dt T e T             Đặc tính truyền đạt của ZOH chuyển đổi chuỗi xung thành đường cong bậc thangKhôi phục tín hiệu tương tự (tt) 8 Bộ lọc hiệu chỉnh Khôi phục bậc thang Bộ lọc làm nhẵn Khôi phục tín hiệu tương tự từ chuỗi xung • Với ZOH tín hiệu giảm khi tần số tăng, gây nhiễu tín hiệu • Khắc phục: Mắc thêm bộ lọc hiệu chỉnh ở đầu ra của DAC  làm tăng giá trị tín hiệu khi tần số tăng - khi đảo ngược mối quan hệ sinx/x.Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 9  Nếu số mức lượng tử ít  khó lấy mẫu và khôi phục tín hiệu  Khắc phục bằng kỹ thuật dithering: Bổ sung tạp âm cộng tính có giá trị ≤ 1 LSB vào tín hiệu để tăng mức lượng tử.  Sau đó, tạp âm cộng tính (thường là tạp trắng) có thể loại trừ bằng cách sử dụng bộ lọc. (b) Tín hiệu được bổ sung tạp âm (a) Tín hiệu hình sin sau khôi phục bậc thangKhôi phục tín hiệu tương tự (tt) 10Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 11 Cấu trúc DAC điển hình2. Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự • DAC sử dụng điện trở trọng số • DAC phân đoạn • DAC sử dụng R-2R Ladder • DAC với OversamplingI DAC sử dụng điện trở trọng số 13  Mạch cộng xây dựng trên KĐTT.  Các điện trở trọng số được dùng để phân biệt các bit từ MSB đến LSB.  Các chuyển mạch chuyển giữa điện áp tham chiếu (Uref) và đất (bit HIGH hoặc bit LOW). DAC sử dụng các điện trở trọng số - + R 2R 4R 2n-1R R ph U ra Vref  Nếu KĐTT là lý tưởng  điện áp ra tỷ lệ với dòng điện tổng cộng ở đầu vào đảo của bộ khuếch đại.

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG Mai Quốc Khánh Nguyễn Hùng An Học viện KTQS 06/2019 * Tài liệu tham khảo Xử lý tín hiệu đo lường (Tập giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019 Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, năm 2019 Bài 6: Chuyển đổi số - tương tự Khôi phục tín hiệu tương tự Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự (DAC) Các tham số kỹ thuật DAC Khơi phục tín hiệu tương tự Khơi phục tín hiệu tương tự  Bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC) sử dụng để khơi phục tín hiệu tương tự ban đầu từ mã dạng số Mỗi giá trị số mã tương ứng với giá trị xác định tín hiệu tương tự Chuyển đổi mã dạng số thành giá trị tương tự (đối với LSB V) Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)  Q trình ZOH - giữ bậc (zero order hold) khôi phục bậc thang (staircase reconstruction): bổ sung thiếu tín hiệu xung cách giữ biên độ xung có xung Khơi phục tín hiệu tương trự Khơi phục tín hiệu tương tự (tt)  Để khơi phục tín hiệu, tốt sử dụng lọc thông thấp lý tưởng  Nếu sử dụng ZOH ta thực mối quan hệ sau  for  t  Ts x t    0 for other moments  Mô tả miền tần số X  j     x t  e   jt dt  Ts e  jTs /2 sin Ts /  Ts / Đặc tính truyền đạt ZOH chuyển đổi chuỗi xung thành đường cong bậc thang Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) Bộ lọc hiệu chỉnh Khơi phục bậc thang Bộ lọc làm nhẵn Khơi phục tín hiệu tương tự từ chuỗi xung • Với ZOH tín hiệu giảm tần số tăng, gây nhiễu tín hiệu • Khắc phục: Mắc thêm lọc hiệu chỉnh đầu DAC  làm tăng giá trị tín hiệu tần số tăng - đảo ngược mối quan hệ sinx/x Khơi phục tín hiệu tương tự (tt)  Nếu số mức lượng tử  khó lấy mẫu khơi phục tín hiệu  Khắc phục kỹ thuật dithering: Bổ sung tạp âm cộng tính có giá trị ≤ LSB vào tín hiệu để tăng mức lượng tử  Sau đó, tạp âm cộng tính (thường tạp trắng) loại trừ cách sử dụng lọc (a) Tín hiệu hình sin sau khơi phục bậc thang (b) Tín hiệu bổ sung tạp âm Khơi phục tín hiệu tương tự (tt) 10 DAC với Oversampling (tt)  Để cải thiện khả khơi phục tín hiệu, sử dụng lọc nội suy để tăng số mẫu chu kỳ tín hiệu  Ví dụ: Đầu tiên, mẫu có giá trị bổ sung Tiếp theo, sử dụng lọc thơng thấp  tín hiệu có nhiều mẫu Tăng số mẫu cách chèn mẫu trung gian vào mẫu thời 28 Các tham số kỹ thuật DAC • Độ phân giải • Điện áp tham chiếu • Thời gian xác lập • Độ tuyến tính • Tốc độ chuyển đổi • Sai số Độ phân giải  Định nghĩa: Lượng thay đổi điện áp tương ứng với thay đổi nhỏ đầu vào số (LSB)  Độ phân giải DAC phụ thuộc vào số bit Độ phân giải = 𝑈𝐿𝑆𝐵 = Uout 𝑈𝑅𝑒𝑓 Với 𝑁 – số bit 2𝑁 Phân giải thấp (1 bit) Phân giải cao (3 bit) Uout Tín hiệu tương tự mong muốn mức điện áp mức điện áp Tín hiệu tương tự mong muốn Đầu gần Đầu vào số 111 110 110 101 100 011 010 001 000 Đầu gần 101 100 011 010 001 000 Đầu vào số Điện áp tham chiếu  Định nghĩa: Điện áp mẫu sử dụng để định đầu vào số gán cho khoảng chia điện áp  Multiplier: điện áp tham chiếu thay đổi, lấy  Non-multiplier: điện áp tham chiếu không đổi, tạo bên DAC, thiết lập nhà SX Điện áp từ bên ngoại DAC, người dùng thiết lập Điện áp 11 10 Uref = C Ví dụ: DAC 2-bit 11 10 01 10 00 01 00 Đầu vào số 01 00 01 10 00 Đầu vào số Uref = Asin𝝎t 31 Thời gian xác lập  Định nghĩa: Thời gian cần để tín hiệu xác lập tới điện áp mong muốn (trong phạm vi ± ULSB)  Bất kỳ thay đổi trạng thái đầu vào không phản ánh trạng thái đầu Ln có độ trễ thời gian hai kiện Điện áp +ULSB -ULSB Điện áp mong muốn Thời gian xác lập Thời gian 32 Độ tuyến tính  Định nghĩa: Sai lệch đầu tương tự mong muốn với đầu thực tế toàn dải giá trị mong đợi  Lý tưởng, quan hệ đầu vào số với đầu tương tự DAC phải tuyến tính Khơng tuyến tính (thực tế) Đầu mong muốn/gần Đầu vào số Điện áp Điện áp Tuyến tính (lý tưởng) Đầu mong muốn Đầu gần Đầu vào số 33 Tốc độ biến đổi  Định nghĩa: Tốc độ biến đổi đầu vào số thành điện áp tương ứng đầu  Tốc độ biến đổi phụ thuộc  Tốc độ đồng hồ tín hiệu vào  Thời gian xác lập biến đổi  Khi đầu vào số biến đổi nhanh, yêu cầu DAC có tốc độ biến đổi cao 34 Sai số DAC  Sai số phi tuyến (non-linearity error):  Sai số phi tuyến vi phân  Sai số phi tuyến tích phân  Sai số tăng ích (Gain Error)  Sai số độ lệch (Offset Error)  Sai số không đơn điệu (Non-Monotonic Error)  Sai số trình chuyển mạch 35 Sai số phi tuyến vi phân  Định nghĩa: Sai lệch kích thước bước điện áp lý tưởng Điện áp LSB bước thực Đầu lý tưởng DNL = 1ULSB 2ULSB ULSB Đầu vào số Sai số phi tuyến vi phân DNL (Differential Non-Linearity) 36 Sai số phi tuyến tích phân  Định nghĩa: Sai lệch đầu DAC thực tế so với đầu lý Điện áp tưởng (INLopt = 0) Đầu lý tưởng 1ULSB INL= 1ULSB Đầu vào số Sai số phi tuyến tích phân INL (Integral Non-Linearity) 37 Sai số tăng ích  Định nghĩa: Sai lệch độ dốc đầu DAC thực tế với Sai số tăng ích cao: Độ dốc thực tế lớn độ dốc lý tưởng Sai số tăng ích thấp: Độ dốc thực tế nhỏ độ dốc lý tưởng Điện áp tương tự đầu đầu lý tưởng Sai số tăng ích cao Đầu mong muốn/lý tưởng Sai số tăng ích thấp Đầu vào số Sai số tăng ích 38 Sai số độ lệch  Định nghĩa: Sai lệch không đổi điện áp đầu thực tế với đầu lý tưởng Điện áp đầu Độ lệch dương Đầu vào số Độ lệch âm Sai số độ lệch 39 Sai số không đơn điệu (non-monotonicity)  Không đơn điệu: Sự giảm điện áp đầu tăng đầu vào Điện áp tương tự số Đầu lý tưởng Không đơn điệu Đơn điệu Đầu vào số Sai số không đơn điệu 40 Sai số trình chuyển mạch  Sai số đột biến tăng ngắn trạng thái chuyển tiếp (glitches)  gây nhiễu cho q trình xử lý tín hiệu  Cần loại bỏ lọc đặc biệt (deglitcher) đầu chuyển đổi trích-giữ mẫu (SH)  Sai số biến động theo thời gian (jitter) (a) Sai số đột biến tăng ngắn; (b) Sai số biến động 41 Biến đổi số-tương tự sử dụng DSP  Xử lý tín hiệu số DSP (biến đổi Fourier nhanh FFT lọc số) sử dụng biến đổi DA  Với DSP: Tín hiệu chuyển thành số, xử lý sau lại chuyển đổi thành tín hiệu tương tự Chu trình điển hình xử lý tín hiệu số DSP 42 ... phục tín hiệu tương tự Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự (DAC) Các tham số kỹ thuật DAC Khơi phục tín hiệu tương tự Khơi phục tín hiệu tương tự  Bộ chuyển đổi s - tương tự (DAC) sử dụng để... hiệu tương tự ban đầu từ mã dạng số Mỗi giá trị số mã tương ứng với giá trị xác định tín hiệu tương tự Chuyển đổi mã dạng số thành giá trị tương tự (đối với LSB V) Khơi phục tín hiệu tương tự (tt)... tín hiệu tương tự (tt) 10 Khơi phục tín hiệu tương tự (tt) Cấu trúc DAC điển hình 11 Các kỹ thuật chuyển đổi số tương tự • DAC sử dụng điện trở trọng số • DAC phân đoạn • DAC sử dụng R-2R Ladder