Cú nhiều cỏch phõn loại ADC. Cỏch hay dựng hơn cả là phõn loại quỏ trỡnh chuyển đổi về mặt thời gian. Phõn loại theocachs này cho phộp phỏn đoỏn một cỏch tổng quỏt tốc độ chuyển đổi.
Cú 3 phương phỏp chuyển đổi cơ bản sau: Chuyển đổi song song, chuyển đổi nối tiếp theo mó
đếm, chuyển đổi song song nối tiếp kết hợp.
7.1.3.1 Chuyển đổi ADC theo phương phỏp song song
Tớn hiệu tương tựđược so sỏnh cựng lỳc với nhiều giỏ trị chuẩn. Do đú tất cảcỏc bit đượcxỏc
định đồng thời và đưa đến đầu ra. Sơ đồ mạch thực hiện trờn hỡnh 7.5.
Tớn hiệu tương tựđược đồng thời đưa vào tất cả cỏc bộ so sỏnh. Nếu số bit mó hoỏ là n thỡ số
bộ so sỏnh là 2n-1. Điện ỏp chờnh lệch giữa cỏc bộ so sỏnh là mức lượng tử húa. Với lượng tử
hoỏ tuyến tớnh thỡ chờnh lệch giữa cỏc điện ỏp so sỏnh là bằng nhau. Với lượng tử hoỏ phi tuyờn thỡ mức lượng tửhoỏ khỏc nhau. Để tạo nờn điện ỏp so sỏnh này dựng điện ỏp chuẩn
khụng đổi đặt vào dóy cỏc điện trở mắc nối tiếp nhau. Trạng thỏi ra của bộ so sỏnh và nhớ được giữ giữa 2 lần chuyển đổi bằng trigơ D được điều khiển bằng xung lấy mẫu. Đầu ra cỏc
triger D được đưa vào bộ mó hoỏ cơ số 2. Giữa hai lần lấy mẫu, tớn hiệu tương tựSA thay đổi
nhưng đầu ra Trigơ D khụng biến đổi mà phải chờđến khi cú xung lấy mẫu tiếp theo thỡ lại tiếp tục như cũ.
168 … ... … … … ... … … … ... … … … ... 1 2n Q 2 2n Q 3 2n Q 1 2n M 2 2n M 3 2n M 2 2n SS 1 2n SS 3 2n SS
Hỡnh 7.5. Mạch chuyển đổi ADC phương phỏp song song
Vớ dụ cú tớn hiệu tương tựđầu vào cú biờn độ lớn nhất SAmax = 7.2V. Bộ chuyển đổi số tương
tự cú Uch = 7V và số bit mó hoỏ là n=3. Ta cú:
USS1 = 1V
USS2 = 2V…
Nếu tớn hiệu vào tại một thời điểm cú SA = 5.2V >USS1; USS2…. USS5 .
Nờn M1 =M2 = M3 = M4 =M5 =1
SA = 5.2 V < USS6 , USS7 nờn M6 = M7 =0
Tại thời điểm lấy mẫu cú: Q1 = Q2 = Q3 = Q4 =Q5 = 1
Q6 = Q7 =0
qua bộ mó hoỏ cú tớn hiệu số ra là 101. Chi tiết cỏc giỏ trị khỏc cho trong bảng 7.1.
Phương phỏp chuyển đổi song song cú ưu điểm là tốc độ chuyển đổi nhanh nhưng cú nhược
điểm là số bit lớn thỡ yờu cầu số bộ so sỏnh lớn.
Vớ dụ: n = 3bit thỡ số bộ so sỏnh là 7 bộ so sỏnh n =8 bit thỡ số bộ so sỏnh là 255
169 VA 1 2 3 4 5 6 7 Nhị phõn 0 < VA < 1 1 < VA < 2 2 < VA < 3 3 < VA < 4 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 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1
Bảng 7.1. Cỏc giỏ trị chuyển đổi ADC phương phỏp song song
7.1.3.2 Chuyển đổi ADC phương phỏp nối tiếp theo mó đếm
Trong phương phỏp này quỏ trỡnh so sỏnh được thực hiện từng bước theo quy luật mó đếm. Kết của chuyển đổi được xỏc định bằng cỏch đếm sốlượng giỏ trị chuẩn cú thể chứa được trong giỏ trị tớn hiệu tương tự cần chuyển đổi.
Hỡnh 7.6. là sơ đồ mạch chuyển đổi ADC nối tiếp 3 bit.
Hỡnh 7.6. MẠch chuyển đổi ADC nối tiếp 3 bit
Bớt trước cú trọng số gấp đụi bit tiếp theo do đú ta cú thể thực hiện so sỏnh liờn tiếp nhau với mức so sỏnh ở bit sau sẽ nhỏhơn 2 làn so với mức so sỏnh ởbit trước . Trạng thỏi ra của mỗi bộ so sỏnh chớnh là trạng thỏi của bit đú.
Nguyờn tắc làm việc:
Nếu UA1 > USS1= UAmax/2 b2 =1
Nếu UA1 < USS1= UAmax/2 b2 =0
Qua D/A 1 bit nếu b2 = 1 U’A1 = USS1 = UAmax/2 Nếu b2 = 0 U’A1 = 0
170
Điện ỏp ra U’A1 sẽ được trừ với UA1 tạo ra UA2và quỏ trỡnh lại tiếp tục như vậy với
tầng so sỏnh 2, so sỏnh 3
Vớ dụ: giả sử cú UAmax = 7V USS1 = UAmax/2 = 7V/2 = 3.5V; USS2 = 1.75V; USS3 = 0.875V Giả sử UA1 = 5.2V (tại một thời điểm) > USS1 b2 =1 U’A1 = USS1
UA2 = 5.2V – 3.5V = 1.7V < USS2 = 1.75V b1 =0 U’A2 = 0 UA3 = UA2 – U’A2 = 1.7V > USS3 bo =1 Vậy tớn hiệu số ra sẽ là chuỗi 101 khi tớn hiệu vào là 5.2V.
Trong phương phỏp chuyển đổi nối tiếp thỡ cú bao nhiờu bit thỡ cú bấy nhiờu bộ so sỏnh nờn mạch điện đơn giản hơn rất nhiều so với bộ so sỏnh song song. Rất thớch hợp với so sỏnh số lượng bit lớn.
Để so sỏnh chớnh xỏc thỡ điện ỏp cỏc bộ so sỏnh cần phải giảm chớnh xỏc 2 lần ở mỗi bộ so
sỏnh. Khú khăn này được khắc phục bằng cỏch cho USS giống nhau nhưng điện ỏp ra sau mỗi
lần chuyển đổi D/A được nhõn gấp đụi sẽ cho kết quả như nhau. Cỏch này sẽ giỳp tất cả cỏc
bộ D/A hoàn toàn giống nhau dễ dàng tiờu chuẩn hoỏ.
Nhược điểm của phương phỏp này là tốc độ chuyển đổi chậm hơn so với chuyờn đổi song
song.
7.1.3.3 Phương phỏp chuyển đổi song song và nối tiếp kết hợp
Hỡnh 7.7. Mạch ADC chuyển đổi song song và nối tiếp kết hợp
Với phương phỏp này qua mỗi bước so sỏnh cú thểxỏc định được tối thiểu 2 bit đồng thời. So
đồ mạch trờn hỡnh 7.7.
Giả sử trong khối chuyển đổi song song cú N1 bit thỡ chỳng ta sẽ cần 2N1- 1 bộ so sỏnh song song cho một tầng so sỏnh nối tiếp.
Gọi số bit là N thỡ số tầng nối tiếp l = N/N1. Vậy số bộ so sỏnh của bộ chuyển đổi hỗn hợp là: (2N1- 1).(N/N1)
Phương phỏp này tốc độcao hơn chuyển đổi nối tiếp và mạch đơn giản hơn mạch song song. Vớ dụ: Với N= 8
171 + Với phương phỏp nối tiếp thỡ cần 8 bộ so sỏnh
+ Với phương phỏp hỗn hợp cần (24 -1) .(8/4) = 30 bộ so sỏnh ( Với N1 = 4)
7.1.3.4 Phương phỏp chuyển đổi dựng vũng hồi tiếp
Hỡnh 7.8. Sơ đồ mạch chuyển đổi ADC dựng vũng hồi tiếp
Ở trạng thỏi ban đầu thỡ trạng thỏi ra của tớn hiệu số bằng 0 ( mọi bit bằng 0), qua bộ D/A cú UM = 0.
Nếu cú UA > 0 thỡ Uh = UA - UM > 0 nờn tớn hiệu ra của bộ so sỏnh A+ = 1, A- = 0. Lỳc này
đếm thuận làm việc, trạng thỏi số của đầu ra tăng dẫn tuỳ theo số xung của bộ so sỏnh nờn UM
tăng, Uh giảm làm cho A+ = 0, A- = 0và bộđếm ngừng đếm. Trạng thỏi ra của tớn hiệu số (bộ đếm) chớnh là tớn hiệu sốtương ứng với tớn hiệu tương tự cần chuyển đổi.
Nếu cú UA < 0 thỡ Uh = UA - UM <0 nờn tớn hiệu ra của bộ so sỏnh A+ = 0, A- = 1 Lỳc này
đếm ngược làm việc, trạng thỏi số của đầu ra sẽ giảm dần tuỳ theo số xung của bộ so sỏnh nờn UM giảm dần, Uhtăng dần cho đến khi Uh thỡ A+ = 0, A- = 0và bộ đếm ngừng đếm. Trạng thỏi ra của tớn hiệu số (bộ đếm) chớnh là tớn hiệu số tương ứng với tớn hiệu tương tự cần chuyển đổi.
Phương phỏp này UM tiến dần đến giỏ trị của điện ỏp ần chuyển đổi UA nờn cũn được gọi là
phương phỏp xấp xỉ nối tiếp.
Ưu điểm mạch điện đơn giản, độ chớnh xỏc cao thường dựng để đo cỏc tớn hiệu tương tự
chuyển thành sốtrong đo lường.
7.1.3.5 Phương phỏp tớch phõn đơn giản
Nguyờn lý làm việc của phương phỏp này trước hết dựa trờn việc biểu diễn điện ỏp răng cưa
172
Hỡnh 7.9. Mạch điện ADC theo phương phỏp tớch phõn đơn giản. Bộ so sỏnh 1 SS1 sẽso sỏnh điện ỏp vào VA với điện ỏp chuẩn răng cưa VC
Nếu VA > VC thỡ đầu ra bộ so sỏnh VSS1=1
Nếu VA < VC thỡ đầu ra bộ so sỏnh VSS1=0
Bộso sỏnh 2 so sỏnh điện ỏp răng cưa V với mức 0, sau đú điện ỏp cỏc bộ sỏnh SS1 và SS2
được đưa đến mạch AND. Xung ra VG của mạch AND thứ nhất cú độ rộng tỷ lệ với độ lớn của điện ỏp vào VA với giả thiết xung răng cưa VC cú độ dốc khụng đổi. Mạch AND thứ 2 chỉ
cho ra cỏc xung nhịp trong thời gian tồn tại VG (nghĩa là 0< VA< VC). Mạch đếm đầu rasex
đếm số xung nhịp đú. Số xung này tỷ lệ với độ lớn của VA. Giản đồxung được minh họa trờn hỡnh 7.10.
173
Hỡnh 7.10. a) sơ đồ mạch tớch phõn b) Giản đồ xung
Bộ tạo xung răng cưa thực chất là mạch tớch phõn (hỡnh 7.10). Dựng điện ỏp chuẩn 1 chiều VChđể nạp cho tụ C qua R.
Điện ỏp ra mạch tớch phõn = − . − ∫ = .
Trong đú = . =
Giả sử tại t=tm thỡ VC=VA ta cú VA=a.tm tm=VA/a= .
Tần số xung nhịp của bộ tạo dao động là fn thỡ số xung nhịp N đếm được trong thời gian tm là
174
Với phương phỏp chuyển đổi này để giảm sai số cần chọn mạch tớch phõn cú R,C loại tốt, xung nhịp fnphải đủ lớn
7.1.3.6 Phương phỏp tớch phõn hai sườn dốc
Phương phỏp tớch phõn 2 sườn dốc sẽ lấy tớch phõn cảđiện ỏp chuẩn và điện ỏp vào. Sơ đồ
mạch hỡnh 7.11
Hỡnh 7.11. Mạch tớch phõn 2 sườn dốc
Ở trạng thỏi rỗi khoỏ K hở mạch. Điện ỏp ra khỏi bộ tớch phõn bằng khụng. Khi bắt đầu đo,
khúa K nối đến 1. Vỡ vậy điện ỏp vào được lấy tớch phõn, trong khi đú bộđếm sẽđếm xung từ
nguồn dao động chuẩn tần số fn. VA được tớch phõn trong thời gian t1 cho đến khi bộ đếm bị
tràn (thời điểm t1). Lỳc này mạch logic sẽ điều khiển chuyển khúa K sang 2 và tiếp tục lấy tớch phõn Vchnhưng với chiều ngược lại vỡ VA và Vchngược cực tớch nhau. Khi tớnh iệu ra của bộ tớch phõn VC giảm về 0 thỡ mạch so sỏnh sẽđúng cổng. Nội dung ghi trong bộ đếm là kết quả biến đổi ADC tỷ lệ với thời gian tớch phõn điện ỏp chuẩn t2.
Điện ỏp nạp cho tụ C trong thời gian t1 nhờ mạch tớch phõn VA là:
=
Điện ỏp nạp cho tụ C trong thời gian t2 theo chiều ngược lại nhờ mạch tớch phõn Vch là:
175 VC Độ dốc do VA tạo ra t1 t 2 VSS N0 N t t t Độ dốc do Vch tạo ra Hỡnh 7.12. Giản đồ thời gian hoạt động của mạch Trong thời gian t2điện ỏp trờn tụ C giảm xuống 0:
| | = | | → = → =
Số xugn Nođếm được trong thời gian t1 :
N0= fn.t1 t1= N0/ fn
Do đú sốxung đếm được của bộđếm và đưa ra kết quả trong thời gian t2 là
= . = .
Vậy kết quả bộ đếm tỷ lệ với điện ỏp cần chuyển đổi VA. Ưu điểm của phương phương này là
kết quả khụng phụ thuộc vào thụng số mạch tớch phõn RC, tần số dao động chuẩn fn như phương phỏp tớch phõn đơn giản nờn kết quả chớnh xỏc khụng cần tăng fn cao. Tuy nhiờn độ ổn định của fn phải cao để trong cả thời gian t1 và t2đều khụng đổi fn.
Phương này cú sai số do tớnh khụng ổn định của Vch, fn, bộ tớch phõn và bộ so sỏnh.