Tài liệu Chuyển đổi tương tự pptx

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 : laỡ giaù trở cổỷc õaỷi cho pheùp cuớa õióỷn aùp tổồng tổỷ. V LSB = Q : goỹi laỡ mổùc lổồỹng tổớ. Sai sọỳ lổồỹng tổớ hoùa õổồỹc xaùc õởnh nhổ sau : V Q = 2 Q Khi chuyóứn õọứi AD phaới thổỷc hióỷn vióỷc lỏỳy mỏựu tờn hióỷu tổồng tổỷ. óứ õaớm baớo khọi phuỷc laỷi tờn hióỷu mọỹt caùch trung thổỷc, tỏửn sọỳ lỏỳy mỏựu f M phaới thoớa maợn õióửu kióỷn : f M 2 f th max 2B f th max : tỏửn sọỳ cổỷc õaỷi cuớa tờn hióỷu B : daới tỏửn sọỳ cuớa tờn hióỷu. 6.2. Caùc tham sọỳ cồ baớn 6.2.1. Giaới bióỳn õọứi cuớa õióỷn aùp tổồng tổỷ ồớ õỏửu vaỡo laỡ khoaớng õióỷn aùp maỡ bọỹ chuyóứn õọứi AD coù thóứ thổỷc hióỷn chuyóứn õọứi õổồỹc. 6.2.2. ọỹ chờnh xaùc cuớa bọỹ chuyóứn õọứi AD gọửm õọỹ phỏn bióỷt, meùo phi tuyóỳn, sai sọỳ khuóỳch õaỷi, sai sọỳ lóỷch khọng vaỡ sai sọỳ õồn õióỷu. 111 110 101 100 011 010 001 000 V A V D Lyù tổồớng Thổỷc Sai sọỳ lóỷch khọng Sai sọỳ õồn õióỷu Sai sọỳkhuóỳch õaỷi Meùo phi tuyóỳn Hỗnh 6.2. ọỹ chờnh xaùc cuớa chuyóứn õọứi AD 80 + ọỹ phỏn bióỷt õổồỹc õỷc trổng bồới sọỳ bit N. Giaớ sổớ mọỹt ADC coù sọỳ bit ồớ õỏửu ra laỡ N coù thóứ phỏn bióỷt õổồỹc 2 N mổùc trong daới õióỷn aùp vaỡo cuớa noù. Chúng haỷn N = 12 coù 2 12 = 4096 mổùc. ọỹ phỏn bióỷt cuớa mọỹt ADC õổồỹc kyù hióỷu laỡ Q vaỡ õổồỹc xaùc õởnh theo bióứu thổùc : Q = V LSB = 12 V N AM + Dổỷa vaỡo õổồỡng õỷc tuyóỳn truyóửn õaỷt lyù tổồớng vaỡ thổỷc cuớa ADC (hỗnh 6.2) ta thỏỳy : - ỷc tuyóỳn lyù tổồớng laỡ mọỹt õổồỡng bỏỷc thang õóửu vaỡ coù õọỹ dọỳc trung bỗnh laỡ 1. - ỷc tuyóỳn thổỷc laỡ mọỹt õổồỡng bỏỷc thang khọng õóửu do aớnh hổồớng cuớa sai sọỳ khuóỳch õaỷi, cuớa meùo phi tuyóỳn, vaỡ cuớa sai sọỳ õồn õióỷu. 6.2.3. Tọỳc õọỹ chuyóứn õọứi Cho bióỳt kóỳt quaớ chuyóứn õọứi trong 1s, õổồỹc goỹi laỡ tỏửn sọỳ chuyóứn õọứi f c . Mọỹt ADC coù tọỳc õọỹ chuyóứn õọứi cao thỗ õọỹ chờnh xaùc giaớm vaỡ ngổồỹc laỷi. Nghộa laỡ yóu cỏửu vóử õọỹ chờnh xaùc vaỡ tọỳc õọỹ chuyóứn õọứi mỏu thuỏựn vồùi nhau. Tuỡy theo yóu cỏửu sổớ duỷng, phaới tỗm caùch dung hoỡa caùc yóu cỏửu õoù mọỹt caùch hồỹp lyù nhỏỳt. 6.3. Nguyón từc laỡm vióỷc cuớa ADC Nguyón từc laỡm vióỷc cuớa ADC õổồỹc minh hoỹa theo sồ õọử : Hỗnh 6.3 ọử thở thồỡi gian cuớa õióỷn aùp vaỡo vaỡ ra maỷch lỏỳy mỏựu Maỷch lỏỳy mỏựu ADC Lổồỹng tổớ hoùa Maợ hoùa 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 Hỗnh 6.4: Sồ õọử nguyón lyù bọỹ chuyóứn õọứi AD theo phổồng phaùp song song Tờn hióỷu tổồng tổỷ V A õổồỹc õổa õọửng thồỡi õóỳn caùc bọỹ so saùnh tổỡ S 1 õóỳn S m . ồớ õỏửu vaỡo thổù hai, õióỷn aùp chuỏứn U ch õổa vaỡo qua thang õióỷn trồớ R (hỗnh 12). Do õoù, õióỷn aùp chuỏứn õỷt vaỡo caùc bọỹ so saùnh kóử nhau seợ khaùc nhau mọỹt lổồỹng khọng õọứi tổỡ S 1 õóỳn S m . õỏửu ra cuớa caùc bọỹ so saùnh coù õióỷn aùp vaỡo lồùn hồn õióỷn aùp chuỏứn lỏỳy trón thang õióỷn trồớ coù mổùc logic 1, caùc õỏửu coỡn laỷi ồớ mổùc logic 0. Tỏỳt caớ caùc õỏửu ra õổồỹc nọỳi vồùi mọỹt õỏửu vaỡo cuớa caùc cọứng AND. ỏửu kia cuớa cọứng AND nọỳi vồùi maỷch taỷo xung nhởp. Chố khi coù xung nhởp thỗ caùc xung trón õỏửu ra bọỹ so saùnh mồùi õổồỹc õổa vaỡo maỷch Flip-flop. Nhổ vỏỷy cổù sau mọỹt khoaớng thồỡi gian bũng mọỹt chu kyỡ xung nhởp laỷi coù mọỹt tờn hióỷu õổồỹc bióỳn õọứi õổa õóỳn õỏửu ra. Xung nhởp õaớm baớo cho quaù trỗnh so saùnh kóỳt thuùc mồùi õổa tờn hióỷu vaỡo bọỹ nhồù. óứ õaớm baớo maỷch hoaỷt õọỹng ọứn õởnh, quaù trỗnh maợ hoùa ồớ bọỹ maợ hoùa phaới kóỳt thuùc trổồùc khi coù mọỹt chu kyỡ xung nhởp mồùi. Maỷch naỡy coù ổu õióứm laỡ tọỳc dọỹ chuyóứn õọứi nhanh (caùc bit taỷo ra õọửng thồỡi), sai sọỳ bióỳn õọứi thỏỳp, coù thóứ taỷo ra daỷng maợ theo yù muọỳn. Tuy nhión, noù coù kóỳt cỏỳu phổùc taỷp do - S 1 + R R R FF FF FF MAẻ HOẽA Xung nhởp U D + V chuỏứn V A - S 2 + - S m + 83 coù sọỳ linh kióỷn lồùn. Nón vióỷc ổùng duỷng chố coù giồùi haỷn vồùi chuyóứn õọứi AD coù sọỳ bit nhoớ vaỡ tọỳc õọỹ cao. V A 1 2 3 4 5 6 7 Nhở phỏn 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 ặu õióứm : Tọỳc õọỹ bióỳn õọứi nhanh, sai sọỳ bióỳn õọứi thỏỳp vaỡ coù thóứ taỷo ra daỷng maợ theo yù muọỳn. Nhổồỹc õióứm : - Kóỳt cỏỳu maỷch phổùc taỷp vồùi sọỳ linh kióỷn khaù lồùn. - Phổồng phaùp naỡy chố duỡng trong caùc ADC yóu cỏửu sọỳ bit N nhoớ vaỡ tọỳc õọỹ chuyóứn õọứi cao. 6.4.2 Phổồng phaùp chuyóứn õọứi nọỳi tióỳp theo maợ nhở phỏn S S Trổỡ 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 TệNG 1 TệNG 2 TệNG 3 Hỗnh 6.5. Bọỹ chuyóứn õọứi AD nọỳi tióỳp theo maợ nhở phỏn 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 ióỷn aùp vaỡo V A õổồỹc so saùnh vồùi õióỷn aùp chuỏứn daỷng rng cổa V c nhồỡ bọỹ so saùnh SS 1 . Khi V A > V c V SS = 1 Khi V A < V c V SS = 0 Bọỹ so saùnh 2 (SS 2 ) so saùnh õióỷn aùp rng cổa V c vồùi mổùc 0 (õỏỳt). Sau õoù V SS1 vaỡ V SS2 õổồỹc õổa õóỳn maỷch AND. Xung ra V G coù õọỹ rọỹng tyớ lóỷ vồùi õọỹ lồùn cuớa õióỷn aùp vaỡo V A vồùi giaớ thióỳt xung rng cổa V c coù õọỹ dọỳc khọng õọứi. Maỷch AND thổù hai chố cho ra caùc xung nhởp trong thồỡi gian tọửn taỷi xung V G nghộa laỡ trong thồỡi gian maỡ 0 < V A < V C . maỷch õóỳm õỏửu ra seợ õóỳm sọỳ xung nhởp õoù. Sọỳ xung naỡy tyớ lóỷ vồùi õọỹ lồùn cuớa V A . Bọỹ taỷo xung rng cổa thổỷc chỏỳt laỡ maỷch tờch phỏn. Duỡng õióỷn aùp chuỏứn mọỹt chióửu V ch õóứ naỷp cho tuỷ õióỷn C qua õióỷn trồớ R. Ta coù õióỷn aùp 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 Giaớ sổớ taỷi t = t m thỗ V C V A , ta coù : V A = ch A MM C ch V V tt R V = .R.C Goỹi Z laỡ sọỳ xung nhởp õóỳm õổồỹc trong thồỡi gian t M Z = f n .t M Vồùi f n : tỏửn sọỳ xung nhởp Z = f n . ch A V V .R.C (*) Tổỡ (*) a) Z tố lóỷ vồùi V A b) Muọỳn giaớm sai sọỳ cho pheùp bióỳn õọứi thỗ phaới choỹn R, C loaỷi tọỳt, tỏửn sọỳ xung nhởp f n phaới lồùn, vaỡ V ch phaới ọứn õởnh