Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối đề tài tìm hiểu về bộ chuyển đổi adc

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ BỘ MÔN THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KĨ THUẬT GHÉP NỐI    BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC Giảng viên hướng dẫn Dương Quang Duy NHÓM 5 Thàn[.]

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KĨ THUẬT GHÉP NỐI

-   -

BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC

Giảng viên hướng dẫn: Dương Quang Duy

NHÓM 5 Thành viên:

Nguyễn Văn Long : B19DCDT134

Nguyễn Đức Trung : B19DCDT246

Ngô Đức Thọ : B19DCDT238

Phan Trung Kiên : B19DCDT115

HÀ NỘI – 2023

Mục lục

Phần I Giới thiệu về bộ chuyển đổi ADC 4

1.1 Sự ra đời của ADC 4

1.2 Khái niệm 4

1.3 Chức năng 5

1.4 Các tham số của bộ chuyển đổi ADC 6

1.4.1 Điện áp tham chiếu 6

1.4.2 Tốc độ lấy mẫu 6

1.4.3 Độ phân giải 6

1.4.4 Alias 7

1.5 Phân loại bộ chuyển đổi ADC 7

1.5.1 Plash ADC 7

1.5.2 ADC tích hợp đếm hoặc độ dốc 8

1.5.3 ADC ước lượng kế tiếp 8

1.6 Ứng dụng 9

PHẦN II Nguyên lí hoạt động của ADC 9

2.1 Sơ đồ khối 9

2.2 Quy trình chuyển đổi A/D 10

2.3 Mô hình ghép nối 11

2.4 Lưu đồ thuật toán 12

Phần III Demo sản phẩm 13

Tài liệu tham khảo 14

Lời mở đầu

Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog-to-Digital Converter (ADC) là một thành phần quan trọng của các hệ thống điện tử và viễn thông hiện đại ADC cho phép chuyển đổi tín hiệu analog sang dạng tín hiệu số để có thể xử lý bằng các vi xử lý và vi mạch số hóa khác Từ điển thuật ngữ kỹ thuật gọi đây là chuyển đổi Analog sang Digital

Trong các ứng dụng điện tử, ADC được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu

âm thanh, tín hiệu điện áp, tín hiệu dòng điện, và các tín hiệu khác từ dạng liên tục sang dạng số Các ứng dụng của ADC rất phong phú, từ các ứng dụng đơn giản như đo nhiệt độ, đo độ ẩm, đo áp suất đến các ứng dụng phức tạp như trong hệ thống điều khiển, viễn thông, hệ thống đo lường chính xác cao,

Trong quá trình tìm hiểu về ADC, ta sẽ nghiên cứu các phương pháp chuyển đổi tín hiệu analog sang số, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng thực tế của ADC Việc nắm vững kiến thức về ADC là rất quan trọng đối với các kỹ sư và nhà thiết kế điện tử để có thể thiết kế và phát triển các

hệ thống điện tử và viễn thông hiệu quả và chính xác

PHẦN I GIỚI THIỆU VỀ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC

1.1 Sự ra đời của ADC

Trước khi có bộ chuyển đổi ADC, quá trình chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang digital được thực hiện bằng cách sử dụng mạch tự làm hoặc bằng cách sử dụng các bộ chuyển đổi tương tự Tuy

nhiên, các phương pháp này thường không chính xác và đáng tin cậy Vậy nên để giải quyết vấn đề chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu liên tục (analog) sang tín hiệu rời rạc (digital) dẫn đến sự ra đời của

Một số ưu điểm khi sử dụng ADC:

• Chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số, giúp dữ liệu dễ dàng xử lý và lưu trữ trên các thiết bị điện tử như vi xử lý, bộ nhớ, thiết bị lưu trữ đám mây,

• Độ chính xác và độ phân giải cao, giúp giảm sai số và nhiễu trong quá trình chuyển đổi tín hiệu

• Tốc độ chuyển đổi nhanh, giúp hệ thống điện tử hoạt động ổn định và đáp ứng được nhu cầu xử lý dữ liệu

• Dễ dàng tích hợp vào các hệ thống điện tử vì có nhiều loại và kích thước khác nhau để phù hợp với nhu cầu sử dụng

1.2 Khái niệm

ADC là viết tắt của Analog-to-Digital Converter, nó là một thiết bị

để chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số Chức năng chính của ADC là giúp cho các thiết bị điện tử xử lý tín hiệu analog thành tín hiệu số, để có thể xử lý, lưu trữ và truyền dữ liệu một cách hiệu quả hơn

1.3 Chức năng

Chức năng chính của bộ chuyển đổi ADC là chuyển từ tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital

Ngoài ra ADC có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm viễn thông, điện tử, điều khiển và giám sát môi trường

Chẳng hạn như trong viễn thông, ADC có thể sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện analog từ một microphone sang tín hiệu số để truyền dẫn qua mạng

Trong điện tử, ADC có thể sử dụng để đo nhiệt độ, đo áp suất hoặc

đo cảm biến gia tốc

1.4 Các tham số của bộ chuyển đổi ADC

1.4.1 Điện áp tham chiếu

• Điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi ADC là điện áp được ánh xạ tới giá trị nhị phân lớn nhất Ví dụ, trong bộ chuyển đổi

10 bit với 5V thì sẽ có giá trị điện áp tham chiếu là 1111111111 tương ứng giá trị 5V, trong khi đó giá trị 0000000000 tương ứng với giá trị 0V Mỗi bước của nhị phân sẽ đại diện cho 4.9mV

• Trong trường hợp điện áp thay đổi dưới 4.9mV thì ADC sẽ bị đặt vào vùng chết, giá trị chuyển đổi tín hiệu luôn có một lỗi nhỏ Lúc này có thể sử dụng bộ ADC có độ phân giải cao hơn

để hạn chế lỗi

1.4.2 Tốc độ lấy mẫu

• Tốc độ lấy mẫu là số lượng chuyển đổi analog sang kỹ thuật số mỗi giây Đơn vị của tốc độ lấy mẫu là Megasample trên giây (Ms/s) – Một triệu mẫu mỗi giây

• Tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi ADC phụ thuộc vào loại bộ chuyển đổi và độ chính xác cần thiết Nếu độ chính xác càng cao thì tốc độ lấy mẫu sẽ phải giảm xuống

1.4.3 Độ phân giải

• Độ phân giải là mức điện áp thay đổi ở mỗi mức thay đổi Với một bộ ADC M bit thì với giá trị điện áp cực đại nV Ta có độ phân giải cho bộ chuyển đổi là n/2M

• Ví dụ: Bộ ADC 10 bit với 5V điện áp thì ta sẽ có độ phân giải

là 5/210 = 4.9mV

1.4.4 Alias

Điểm chú ý là tác động của hiện tượng Aliasing đến đặc trưng

số hóa, và nó dẫn đến đòi hỏi tần số số hóa phải lớn hơn trên gấp đôi tần cực đại của băng tần tín hiệu trong các nhu cầu thông thường, còn trong nhu cầu kỹ thuật thì là gấp 4

Ví dụ phải dùng 1 KHz để số hóa tín hiệu có băng tần 10 đến

250 Hz

1.5 Phân loại bộ chuyển đổi ADC

1.5.1 Plash ADC

• Đây là loại ADC đơn giản nhất và nhanh nhất, nó bao gồm một loạt các bộ so sánh với các đầu vào không đảo ngược nối với đầu vào tín hiệu và các chân đảo ngược nối với một thang chia điện áp

• Tuy nhiên, nếu điện áp cao hơn một trong các mức của bậc thang, tất cả các bit đầu ra dưới mức được đặt thành một, vì điện áp trên ngưỡng đối với các bộ so sánh dưới cùng Để giải quyết vấn đề này, các đầu ra được cấp qua bộ mã hóa ưu tiên chuyển đổi đầu ra thành nhị phân

• Tốc độ chỉ bị giới hạn bởi độ trễ truyền của bộ so sánh và bộ

mã hóa ưu tiên Tuy nhiên, độ chính xác là vừa phải

1.5.2 ADC tích hợp đếm hoặc độ dốc

Tại đây, một mạch tạo đoạn dốc được bắt đầu tại thời điểm chuyển đổi và bộ đếm nhị phân được khởi động cùng lúc Một

bộ so sánh sẽ phát hiện khi đoạn dốc vượt quá điện áp đầu vào

và dừng bộ đếm nhị phân Bộ đếm nhị phân thu được tỷ lệ với mức độ điện áp đầu vào

Độ chính xác tuyệt đối của bộ chuyển đổi này vẫn là một câu hỏi, tuy nhiên nó thực hiện đơn giản và cho độ phân giải tốt, khoảng cách đều giữa các bước nhị phân Nếu không có chip, mạch này có thể được tạo riêng lẻ

1.5.3 ADC ước lượng kế tiếp

Bộ ADC này có lẽ là chính xác nhất Nó bao gồm một bộ so sánh, một bộ DAC flash đơn giản và một thanh ghi bộ nhớ Thiết bị ban đầu giả định tất cả các bit trong thanh ghi ngoại trừ bit có ý nghĩa cao nhất (là một) là số 0 Sau đó thanh ghi này sẽ gửi nó đến DAC chuyển nó thành điện áp analog, được

so sánh với đầu vào thông qua bộ so sánh Nếu điện áp đầu vào cao hơn điện áp DAC, thì MSB vẫn là một Quá trình này lặp lại cho đến khi tất cả các bit có được đặt thành không hoặc một, nói cách khác cho đến khi giá trị thanh ghi bằng điện áp đầu vào

ADC này là một trong những ADC thường được sử dụng nhất khi cần độ chính xác và tốc độ không quá giới hạn, ví dụ như trong vi điều khiển ADC loại SA có thể dễ dàng đạt được thời gian chuyển đổi vài micro giây

1.6 Ứng dụng

Với tính năng chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số và độ chính

xác cao, ADC là một thành phần quan trọng trong nhiều ứng dụng của

hệ thống điện tử và công nghệ điện tử như:

• Điều khiển và giám sát quá trình: ADC được sử dụng trong các

ứng dụng điều khiển và giám sát quá trình, ví dụ như trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, v.v

• Thiết bị y tế: ADC được sử dụng trong các thiết bị y tế để đo các

tín hiệu sinh lý như nhịp tim, huyết áp, nhiệt độ cơ thể, v.v

• Công nghệ âm thanh: ADC được sử dụng trong các thiết bị âm

thanh để chuyển đổi tín hiệu âm thanh analog thành tín hiệu số

Ví dụ như trong các bộ khuếch đại âm thanh, thiết bị ghi âm, các thiết bị phát nhạc số, v.v

• Viễn thông: ADC được sử dụng trong các hệ thống viễn thông để

chuyển đổi tín hiệu tín hiệu điện thoại, tín hiệu mạng, tín hiệu truyền hình, v.v

• Các thiết bị điện tử: ADC được sử dụng trong các thiết bị điện tử

như máy tính, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, các thiết

bị điện tử gia dụng, v.v

• Các ứng dụng công nghiệp: ADC được sử dụng trong các hệ

thống điều khiển, giám sát, đo lường trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển các quá trình sản xuất, kiểm soát chất lượng, điều khiển cơ cấu robot, v.v

PHẦN II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ADC

2.1 Sơ đồ khối

Nguyên lí hoạt động:

• Xung lệnh START khởi đợng sự hoạt động của hệ thống

• Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa

số nhị phân lưu trong thanh ghi

• Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế tương tự VAX

• Bộ so sánh so sánh VAX với đầu vào trương tự VA Nếu VAX < VA đầu ra của bộ so sánh lên mức cao Nếu VAX > VA ít nhất bằng một khoảng VT (điện thế ngưỡng), đầu dra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ở thanh ghi Tại thời điểm này VAX xấp xỉ VA giá dtrị nhị phân ở thanh ghi là đại lượng số tương đương VAX và cũng là đại lượng số tương đương VA, trong giới hạn độ phân giải

và độ chính xác của hệ thống

• Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết thúc

Tiến trình này cĩ thể cĩ nhiều thay dổi đối với một số loại ADC khác, chủ yếu là sự khác nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi

2.2 Quy trình chuyển đổi A/D

Quá trình chuyển đổi gồm 3 bước:

Bước 1: Tín hiệu liên tục đầu vào được lấy mẫu bằng một bộ lấy mẫu Bộ lấy mẫu sẽ chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc và lấy mẫu giá trị của tín hiệu tại các điểm thời gian nhất định Tần số lấy mẫu cần được đảm bảo đủ lớn để đáp ứng yêu cầu độ chính xác của ứng dụng

Bước 2: Tín hiệu số được chuyển đổi sang dạng nhị phân bằng một bộ mã hĩa Bộ mã hĩa sử dụng các nguyên tắc mã

hóa khác nhau để đưa tín hiệu số từ hệ thập phân sang dạng nhị phân

Bước 3: Tín hiệu số được xử lý để đưa ra giá trị kết quả

chuyển đổi ADC Các giá trị này có thể được xử lý bổ sung để giảm thiểu nhiễu và cải thiện độ chính xác của kết quả

2.3 Mô hình ghép nối

Có hai mô hình ghép nối chính của ADC là:

• Mô hình ghép nối song song:

Trong mô hình này, tín hiệu analog được đưa đến các

bộ ADC song song và mỗi bộ ADC sẽ chuyển đổi một phần của tín hiệu thành tín hiệu kỹ thuật số Sau đó, các tín hiệu kỹ thuật số này sẽ được tổng hợp để tạo ra một tín hiệu kỹ thuật số đầu ra cuối cùng Mô hình ghép nối song song cho phép tăng tốc độ chuyển đổi của ADC nhưng đòi hỏi nhiều kênh ADC và nhiều vi mạch phụ trợ để thực hiện

• Mô hình ghép nối tuần tự (Serial Connection):

Trong mô hình này, tín hiệu analog được đưa vào một kênh ADC duy nhất và được chuyển đổi thành tín hiệu

kỹ thuật số Mỗi lần chuyển đổi, một bit dữ liệu sẽ được chuyển từ ADC đến vi mạch điều khiển Sau đó, vi mạch điều khiển sẽ tiếp tục yêu cầu chuyển đổi cho các bit dữ liệu tiếp theo Mô hình ghép nối tuần tự đơn giản hơn và

ít tốn kém hơn so với mô hình ghép nối song song, nhưng tốc độ chuyển đổi của nó chậm hơn

2.4 Lưu đồ thuật toán

Phần III Demo sản phẩm

❖ Demo sử dụng vi điều khiển AT89C52 để đọc dữ liệu nhiệt độ

và hiện thị ra màn hình LCD:

• Hiện nay thì các chip, ngoại vi hầu hết đã hỗ trợ bộ chuyển đổi ADC được tích hợp trong chip, để nói rõ về quá trình chuyển đổi ADC sử dụng adc0804 cùng với chip điều khiển chưa đc tích hợp adc là at89c52

• Vậy vì sao phải chuyển đổi ADC? Là bởi vì các con chip

mà chúng ta sử dụng thì nó không thể hiểu đc các gtri điện áp như 0,10,2… v.v chúng chỉ hiểu điện áp ở mức cao và mức thấp nên chúng ta cần phải sử dụng con ADC

để có thể chuyển đổi các điện áp đó thành các tín hiệu nhị phân 0 và 1 để giúp cho chip hiểu được

Mô phỏng

• Cấu hình chân:

+ Để kích xung cho chân WR của ADC ta nối chân WR của ADC với chân P3.3/INT1 của vi điều khiển

+ Chân INTR của ADC được nối với chân P3.4/TO + Các chân CS, RD, A GND, Vin- và D GND được nối với đất

+ Chân Vin được đấu với dương nguồn + 8 chân đầu ra được nối với 8 chân từ P1.0 đến P1.7 của

vi điều khiển

Để IC ADC0805 hoạt động được cần có xung kích cho chân

WR lên mức cao và chờ chân INTR xuống mức thấp thì adc

sẽ cho đầu ra

Code kích xung cho chân của ADC hoạt động:

Tài liệu tham khảo

https://dientusangtaovn.com/adc-la-gi/

https://vi.wikipedia.org/wiki/ADC https://dientuviet.com/bo-chuyen-doi-tuong-tu-sang-so-adc/