5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn
3.3.2. Chuyển ựổi ADC
Trong các ứng dụng ựo lường và ựiều khiển bằng vi ựiều khiển bộ chuyển ựổi tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog). Trong khi ựó, rõ ràng vi ựiều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi ựiều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng ựược tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Sử dụng bộ chuyển ựổi ADC là ựể Ộsố hóaỢ (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình Ộsố hóaỢ này thường ựược thực hiện bởi một thiết bị gọi là Ộbộ chuyển ựổi tương tự - số hay ựơn giản là ADC (Analog to Digital Converter).
Ờ Phương pháp chuyển ựổi ADC
Có rất nhiều phương pháp chuyển ựổi ADC, trong nội dung luận văn trình bày một phương pháp chuyển ựổi ADC cơ bản và phổ biến
Phương pháp chuyển ựổi mà tôi nói là phương pháp chuyển ựổi trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC. Các bộ chuyển ựổi ADC theo phương pháp này ựược cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), các bộ so sánh ựược mắc song song và ựược kết nối trực tiếp với tắn hiệu analog cần chuyển ựổi. Một ựiện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp ựược sử dụng ựể tạo ra các mức ựiện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 35
Hình 3.6 mô tả một bộ chuyển ựổi flash ADC có 4 bộ so sánh, Vin là tắn hiệu analog cần chuyển ựổi và giá trị sau chuyển ựổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân trên các chân Vo. Trong hình 1, bạn thấy rằng do anh hưởng của mạch chia áp (các ựiện trở mắc nối tiếp từ ựiện áp +15V ựến ground), ựiện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển ựổi, giả sử ựiện áp Vin lớn hơn ựiện áp ỘV-Ộ của bộ so sánh 1 (opamp ở phắa thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn ựiện áp V- của các bộ so sánh khác, khi ựó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu ựược một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng ựiện áp Vin ta thu ựược các tổ hợp số khác nhau. Với mạch ựiện có 4 bộ so sánh như trong hình 1, sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác ựiện áp analog Vin ựược chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy nhiên, bạn chú ý là các ngõ Vo không phải là các bit của tắn hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là ựại diện ựể tổ hợp thành tắn hiệu số ngõ ra, dễ hiểu hơn chúng ta không sử dụng ựược các bit Vo trực tiếp mà cần một bộ giải mã (decoder). Trong bảng 1 tôi trình bày kết quả sau khi giải mã ứng với các tổ hợp của các ngõ Vo.
Hình 3.6. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh.
+15V Led 4 Led 3 Led 2 Led 1 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ Vn1 470Ω V01 V02 V03 V04 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 12kΩ Vn4 1kΩ Vn3 1kΩ Vn2 1kΩ Vin
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 36
Bảng 3.2: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã
Vo4 Vo3 Vo2 Vo1 Giá trị nhị phân Giá trị thập phân
0 0 0 0 000 0
0 0 0 1 001 1
0 0 1 1 010 2
0 1 1 1 011 3
1 1 1 1 100 4
độ phân giải (resolution): như trong vắ dụ trên, nếu mạch ựiện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch ựiện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tắn hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển ựổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra ỘmịnỢ hơn khi chỉ có 4 bộ, ựộ ỘmịnỢ càng cao tức ựộ phân giải (resolution) càng lớn. Khái niệm ựộ phân giải ựược dùng ựể chỉ số bit cần thiết ựể chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân ựể mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển ựổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có ựộ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển ựổi ADC có ựộ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. để tạo ra một mạch chuyển ựổi flash ADC có ựộ phân giải n bit, chúng ta cần ựến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển ựổi ADC có ựộ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển ựổi flash ADC thường có ựộ phân giải ắt hơn 8 bit. độ phân giải liên quan mật thiết ựến chất lượng chuyển ựổi ADC, việc lựa chọn ựộ phân giải phải phù hợp với ựộ chắnh xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô ựiều khiển. Trong 2 mô tả một vắ dụ Ộsố hóaỢ một hàm sin analog thành dạng digital.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 37
Hình 3.7: Analog và digital của hàm sin.
điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển ựổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức ựiện áp khác nhau, vắ dụ người A muốn chuyển ựổi ựiện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho ựiện áp từ 0V ựến 5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển ựổi ADC ựều có khả năng chuyển ựổi ựến ựiện áp 5V thì người A ựang Ộphắ phạmỢ tắnh chắnh xác của thiết bị. Vấn ựề sẽ ựược giải quyết bằng một ựại lượng gọi là ựiện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). điện áp tham chiếu thường là giá trị ựiện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển ựổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số ựược ựặt bởi người dùng, nó là ựiện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển ựổi. Vắ dụ, một bộ ADC 10 bit (ựộ phân giải) có Vref=3V, nếu ựiện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu ựược sau khi chuyển ựổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong ựó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1). Vì ựiện áp tham chiếu ảnh hưởng ựến ựộ chắnh xác của quá trình chuyển ựổi, chúng ta cần tắnh toán ựể chọn 1 ựiện áp tham chiếu phù hợp, không ựược nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng ựừng quá lớn.
Với các họ vi ựiều khiển như 8051 và một số họ vi ựiều khiển tương ứng thì ựể nhận tắn hiệu analog từ các cảm biến bên ngoài thì phải có bộ chuyển ựổi ADC ựể chuyển ựổi tắn hiệu tương tự thành tắn hiệu số và vi ựiều khiển sẽ làm việc và xử lý tắn hiệu số ựã chuyển ựổi.
Với vi ựiều khiển PIC thì có ưu ựiểm hơn hẳn trong việc xử lý tắn hiệu analog. để cho thiết bị hoạt ựộng ổn ựịnh, có thể giảm thiểu các IC ngoại vi bằng cách sử
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 38
dụng ADC tắch hợp bên trong vi xử lý. Bộ ADC nội trong vi xử lý PIC16F886 có ựộ phân giải lên tới 10bit, cho phép xử lý hầu hết các phép ựo thông thường. Khối ADC nội trong PIC16F886 có khả năng sử dụng nguồn tham chiếu từ ngoài thông qua chân 4,5 của vi xử lý, hoặc dùng nguồn VDD/VSS chung với các khối khác.