Đề tài analog to digital convert (adc)

Khái niệm về bộ chuyển đổi ADC Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-Digital Converter hay còn gọi là mạch chuyển đổi tương tự sang số, là thiết bị điện tử thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu analo

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO CHƯƠNG 8

Lớp HP: 20.41A

ĐỀ TÀI:

 ANALOG TO DIGITAL CONVERT (ADC)

Nguyễn Ngọc Lê Hoàng – 106200159

Đà Nẵng, ngày 05 tháng 10 năm 2024

Chương 8: ADC

1 Khái niệm về bộ chuyển đổi ADC

Bộ chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter) hay còn gọi là mạch chuyển đổi tương tự sang số, là thiết bị điện tử thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu analog (tín hiệu biến đổi liên tục theo thời gian) thành tín hiệu số (tín hiệu rời rạc, biểu thị dưới dạng dãy các số nhị phân)

2 Các tính chất của bộ ADC

Là khối cơ bản trong hệ thống điện tử, ADC được đặc trưng bởi bốn thông số: tốc độ, độ chính xác, mức tiêu thụ điện năng và hiệu suất năng lượng

a Tốc độ Tốc độ ADC xác định tốc độ có thể chuyển đổi tín hiệu đầu vào tương tự  thành tín hiệu số tương ứng

sở), tín hiệu BW là tần số cao nhất của nó; BW của tín hiệu băng thông (hoặc băng thông) là tần số cao nhất trừ đi tần số thấp nhất của nó BW của ADC là BW tối đa của đầu vào tương tự mà vượt quá mức đó xảy ra hiện tượng răng cưa tần số

xác của ADC là cao nhất đối với tần số tín hiệu đầu vào thấp và nó giảm dần khi tần số đầu vào tăng ADC ERBW là dải tần trong đó

độ chính xác chuyển đổi ADC thấp hơn 3dB so với giá trị tần số thấp của nó

để ngăn chặn hiện tượng răng cưa tần số Nó gấp đôi ADC BW

tương tự thành giá trị số Nó không liên quan trực tiếp đến thông số

kỹ thuật băng thông ADC Theo định lý Nyquist, FS không được nhỏ hơn FN Trong ADC Nyquist, FS bằng FN; trong khi ở các ADC lấy mẫu quá mức, FS lớn hơn nhiều so với FN Trong trường hợp đó, tỷ lệ lấy mẫu quá mức (OSR) được định nghĩa là tỷ lệ của

FS và FN:

(2.1)

b Độ chính xác

Thông số kỹ thuật về độ chính xác của ADC đo lường mức độ chênh lệch giữa đầu vào tương tự ADC và đầu ra kỹ thuật số Chúng được phân loại thành các tham số tĩnh và động, tùy thuộc vào tần số tín hiệu đầu và tương tự ADC Các thông số kỹ thuật về độ chính xác tĩnh của ADC thu được trong các mô phỏng hoặc phép đo cho tín hiệu dòng điện một chiều (DC) Chúng luôn được biểu thị liên quan đến bit ít quan trọng nhất (LSB)

của hàm truyền thực khớp với độ dốc của hàm truyền ADC lý tưởng như thế nào

đầu ra ADC không phải lúc nào cũng bằng 0 Nếu cần có điện áp đầu vào khác 0 để làm cho đầu ra ADC bằng 0 thì đầu vào khác 0 này được gọi là bù ADC

điện áp tương tự của hai bước kỹ thuật số liền kề phải là 1 LSB, điều này không xảy ra trong các mạch thực ADC DNL là chênh lệch lớn nhất giữa hai bước điện áp tương tự liền kề trừ đi 1 bước LSB

đa của hàm truyền thực tế so với hàm truyền ADC lý tưởng (sau khi sửa các lỗi bù và khuếch đại)

tín hiệu và công suất nhiễu được tích hợp trên toàn bộ băng thông tín hiệu

công suất tín hiệu và công suất của nhiễu tích hợp và các thành phần méo hài trong băng thông tín hiệu

bằng một ADC lý tưởng chỉ có nhiễu lượng tử hóa, có SNR giống với SNDR của ADC thực Số bit của ADC lý tưởng là ENOB của ADC được đánh giá, nó là hàm của SNDR của nó:

(2.2)

  Tổng độ méo hài (THD): THD là tỷ lệ giữa công suất tín hiệu ADC với tổng công suất bình phương trung bình gốc (RMS) của tất cả các thành phần méo hài trong băng thông tín hiệu

suất tín hiệu đầu vào lớn nhất của ADC và công suất tín hiệu đầu vào nhỏ nhất Tín hiệu đầu vào lớn nhất là đầu vào khi SNDR của nó giảm 3dB so với SNDR đỉnh và tín hiệu đầu vào tối thiểu bằng với mức nhiễu ADC

hiệu cơ bản với thành phần giả lớn nhất tiếp theo trong băng thông tín hiệu, không bao gồm phần bù DC

3 Các mô hình được sử dụng để chuyển đổi ADC

Hình 2.1 Mô hình tuyến tính và hàm truyền đầu vào-đầu ra của bộ lượng tử 

hóa

Hình 2.2 Cấu trúc ADC flash N-bit

Hình 2.3 Sơ đồ khối của ADC hai bước bit (M + N)

Hình 2.4 Kiến trúc đơn giản hóa của ADC đường ống

Hình 2.5 Cấu trúc của SAR ADC

Hình 2.6 Sơ đồ khối của DSM AD

4 Các tiêu chí đánh giá chất lượng bộ ADC

Chất lượng của bộ chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter) được đánh giá dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm:

a Độ chính xác (Accuracy):

khi chuyển đổi và giá trị thực tế của tín hiệu analog

b Độ phân giải (Resolution):

việc chuyển đổi càng cao

16- bit ADC)

c Tốc độ chuyển đổi (Conversion Rate):

hiệu số

thường được đo bằng đơn vị MSPS (Mega Samples Per Second) hoặc GSPS (Giga Samples Per Second)

analog có tần số cao (ví dụ: thu âm thanh, video)

d Tỷ số tín hiệu nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - SNR):

  Tỷ lệ giữa công suất của tín hiệu mong muốn và công suất của nhiễu trong tín hiệu sau khi chuyển đổi

e Độ tuyến tính (Linearity):

sau khi chuyển đổi

khi chuyển đổi càng tuyến tính, độ chính xác của bộ ADC càng cao

f Phạm vi hoạt động (Input Range):

đầu vào

chuyển đổi

g Công suất tiêu thụ (Power Consumption):

pin

h Giá thành:

các yêu cầu về chất lượng

Bài 1:Sinh viên sử dụng đoạn ví dụ trên để xây dựng bộ chuyển đổi với tín hiệu đầu vào là [1110]

Code:

clear; clc; overSampling_Factor=4;

Input_bit = [1 1 1 0];

Input_bit_os=upsample(Input_bit,overSampling_Factor); %oversampling by 4

%this is equivalent to performing digital to analog conversion in Tx side

%e oversampled version of input is then passed through a pulse shaping lter (it can be a rectangular lter, root cosine lter, etc ,) A rectangular lter is implemented in the following code snippet.

%normalizing the pulse shape to have unit energy

pt = [ones(1,overSampling_Factor)]/sqrt(overSampling_Factor);

%e output of the convolution operation will be in the transmier side output_of_rect_lter =

conv(Input_bit_os,pt); stem(output_of_rect_ilter);

title( 'Output of Rectangular Filter at Tx side' )

xlabel( 'Samples' ) ylabel( 'Amplitude' )

Kết quả:

 Hình 2.1 Kết quả mô phỏng bài 1

Bài 2:Sinh viên xây dựng mô hình Simulink thể hiện vai trò của bộ chuyển đổi ADC trong hệ thống có sử dụng bộ điều chế BPSK và có nhiễu Gaussian (AWGN), yêu cầu tối thiểu có 10 khối tín hiệu Sinh viên thực hiện đánh giá vai trò của bộ chuyển đổi ADC trong hệ thống viễn thông số

Bài 3:Sinh viên xây dựng mô hình chuyển đổi file âm thanh sang dạng tín hiệu digital và analog với các tần số cắt khác nhau Yêu cầu sinh viên đưa ra kết quả tối thiểu 4 đồ thị biểu diễn đại lượng bất kỳ (trong đó có 2 đồ thị đối với tín hiệu analog và 2 đồ thị biểu diễn tín hiệu digital) thu được từ quá trình chuyển đổi

Code:

% Đọc le âm thanh

[original_audio, fs] = audioread([ 'audio.wav' ]);

%sound(original_audio, fs);

%stop(original_audio);

% Hiển thị tín hiệu âm thanh ban đầu

t = (0:length(original_audio)-1)/fs;

%subplot(2,2,1);

%plot(t, original_audio);

%title('Tín hiệu âm thanh ban đầu');

%xlabel('i gian (s)');

%ylabel('Amplitude');

% iết lập thông số cho bộ lọc thông thấp và thông cao

cuto_frequency_1 = 100; % Hz

cuto_frequency_2 = 400; % Hz

% Chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu số (digital) với bộ lọc thông thấp digital_audio_low = lowpass(original_audio, cuto_frequency_1, fs); subplot(2,2,1);

plot(t, digital_audio_low);

title( 'Tín hiệu số với bộ lọc thông thấp' ); xlabel( 'i gian

(s)' ); ylabel( 'Amplitude' );

% Chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu số (digital) với bộ lọc thông cao digital_audio_high = highpass(original_audio, cuto_frequency_2, fs); subplot(2,2,2);

plot(t, digital_audio_high);

title( 'Tín hiệu số với bộ lọc thông cao' ); xlabel( 'i gian

(s)' ); ylabel( 'Amplitude' );

% Chuyển đổi tín hiệu số về tín hiệu analog với bộ lọc thông thấp analog_audio_low =

lowpass(digital_audio_low, cuto_frequency_1, fs, 'ImpulseResponse' , 'iir' );

subplot(2,2,3);

plot(t, analog_audio_low);

title( 'Tín hiệu analog từ tín hiệu số (bộ lọc thông thấp)' ); xlabel( 'i gian (s)' );

ylabel( 'Amplitude' );

% Chuyển đổi tín hiệu số về tín hiệu analog với bộ lọc thông cao analog_audio_high =

highpass(digital_audio_high, cuto_frequency_2, fs, 'ImpulseResponse' , 'iir' );

subplot(2,2,4);

plot(t, analog_audio_high);

title( 'Tín hiệu analog từ tín hiệu số (bộ lọc thông cao)' ); xlabel( 'i gian (s)' );

ylabel( 'Amplitude' );

Kết quả:

 Hình 2.2 Kết quả mô phỏng bài 3