Thực tập vô tuyến đại cương - Bài 14 pdf

Khái niệm chung: Do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử số, đặc biệt là sự ứng dụng phổ biến của máy tính điện tử số, nên thường dùng mạch số để xử lý tín hiệu tương tự.. Giá

Bài 14

bộ biến đổi tương tự – số (adc)

Mục đích: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và các phương pháp của biến đổi tương tự số

(ADC) Tiến hành khảo sát một số loại ADC được thực hiện theo các phương pháp

được nêu và đo đạc, đánh giá chúng

Phần lý thuyết

1 Cơ sở lý thuyết

1.1 Khái niệm chung: Do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử số, đặc

biệt là sự ứng dụng phổ biến của máy tính điện tử số, nên thường dùng mạch số để

xử lý tín hiệu tương tự

Muốn dùng hệ thống số xử lý tín hiệu tương tự thì phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tương ứng, rồi đưa vào để hệ thống số xử lý Mặt khác thường có yêu cầu biến đổi tín hiệu số (kết quả xử lý) thành tín hiệu tương tự tương ứng để đưa ra sử dụng Chúng ta gọi sự chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

là chuyển đổi AD, và mạch thực hiện công việc đó là bộ biến đổi tương tự - số (ADC

- Analog Digital Converter) Chúng ta gọi sự chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự là chuyển đổi số - tương tự (DA), và mạch thực hiện chuyển đổi số - tương

tự là DAC (Digital Analog Converter)

Quá trình biến đổi 1 tín hiệu tương tự sang dạng số được minh họa bởi đặc tính truyền đạt như hình 14.1

U D

UA

111 110 101 100 011 010 001 000

UA: Điện áp vào tương tự

UD: Điện áp ra số

Giá trị của tín hiệu tương tự UA được chuyển thành một đại lượng số mà mối quan hệ giữa chúng có dạng bậc thang đều Với đặc tính truyền đạt như vậy, một phạm vi giá trị của UA được biểu diễn bởi một giá trị đại diện số thích hợp Các giá trị đại diện số là các giá trị rời rạc

Một cách tổng quát, tín hiệu số S D =b n 12n 1+b n 22nư2 + +b020

ư

ư

ưtrong đó các hệ số bK = 0 hoặc 1

(với bK nhận 2 giá trị 0 và 1 gọi là bit)

• bn-1 được gọi là bit có nghĩa lớn nhất (MSB - Most Significant bit) tương ứng với cột đứng bên trái của dãy mã số Một biến đổi giá trị của MSB ứng với sự biến đổi của tín hiệu là nửa dải làm việc

• b0 là bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB - Least Significant bit) tương ứng với cột

đứng đầu tiên bên phải của dãy mã số Một biến đổi giá trị của LSB ứng với 1 mức lượng tử (1 nấc của hình bậc thang)

1.2 Các tham số cơ bản

1.2.1 Dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào

Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi được Khoảng điện áp đó có thể lấy trị số từ 0 đến một trị số dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp có hai cực tính từ ưUAm đến +UAm

Q là giá trị của một mức lượng tử hoá hoặc còn gọi là một LSB

Thông thường các ADC có số bit từ 3 đến 12 Ngoài ra còn có một số các ADC đạt được độ chính xác có số bit từ 14 đến 16 bit

Liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác được minh họa trên hình 14.2

Sai số lệch không

Lý tưởng

Thực

Sai số đơn điệu

Sai số khuếch đại

Méo phi tuyến

LSB

21

UD

UA

111110101100011010001000

Hình 14.2: Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng và thực của mạch

biến đổi tương tự - số (ADC)

Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng của ADC là một đường bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1 Đặc tuyến thực có sai số lệch không, nghĩa là nó không xuất

phát tại giá trị ứng với

2

1 LSB Nó là hình bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai số khuếch đại, méo phi tuyến

1.2.3 Tốc độ chuyển đổi

Tốc độ chuyển đổi là số chuyển đổi trong một giây gọi là tần số chuyển đổi

fC Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi TC là thời gian cần thiết cho 1 lần chuyển đổi

C C T

f ≠ 1 Thường

C C T

f < 1 và giữa các lần chuyển đổi còn có 1 khoảng thời gian cần thiết cho ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu

1.3 Nguyên tắc hoạt động của bộ biến đổi tương tự - số (ADC)

Trong bộ biến đổi tương tự - số (ADC) tín hiệu tương tự ở đầu vào là liên tục, tín hiệu số mã hoá ở đầu ra là rời rạc Sự chuyển đổi AD đòi hỏi phải lấy mẫu đối với tín hiệu tương tự ở đầu vào ở những thời điểm quy định, sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu đó thành tín hiệu số ở đầu ra Quá trình chuyển đổi tương tự - số nói chung có 4 bước: Lấy mẫu - Giữ mẫu - lượng tử hoá - mã hoá Các bước trên đây

luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất Ví dụ lấy mẫu và giữ mẫu là một công việc liên tục trong cùng một mạch điện, lượng tử hoá và mã hoá là công việc đồng thời thực hiện trong một quá trình chuyển đổi với một khoảng thời gian cần thiết là một phần của thời gian giữ mẫu

1.3.1 Lấy mẫu tín hiệu

Tín hiệu tương tự ở lối vào UA, sau quá trình lấy mẫu và xử lý gọi là tín hiệu

US và chúng có thể khôi phục lại tín hiệu tương tự UA một cách trung thực nếu điều kiện sau được thoả mãn:

max

2 V

S f

ở đây: fS là tần số của tín hiệu lấy mẫu

là giới hạn trên của dải tần số tín hiệu tương tự

to

Hình 14 4: Đặc tính tần số của bộ lọc khôi phục tín hiệu

Vì mỗi lần chuyển đổi của điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần một thời gian nhất định, nên phải nhớ là mất một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu, đủ để biến đổi thành tín hiệu số

1.3.2 Lượng tử hoá và mã hoá

Tín hiệu số không những rời rạc về mặt thời gian, mà còn không liên tục trong biến đổi giá trị Mỗi giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn Nghĩa là nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu, thì tất phải bắt điện áp lấy mẫu hoá thân thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị Quá trình này là quá trình lượng tử hoá Đơn

vị được chọn theo qui định này gọi là đơn vị lượng tử, ký hiệu là ∆ Rõ ràng là giá trị của bit LSB của tín hiệu số bằng ∆ Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu

số gọi là mã hoá Mã nhị phân có được sau quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của

bộ chuyển đổi tương tự - số

Tín hiệu tương tự là liên tục thì không phải luôn luôn là bội số nguyên lần của ∆, do đó ta không tránh khỏi sai số lượng tử hoá Tồn tại những cách khác nhau phân chia các mức lượng tử dẫn đến sai số lượng tử hoá khác nhau

Sau đây là các giá trị chuyển đổi tín hiệu điện áp lượng tử từ 0 ữ 1V thành tín hiệu số nhị phân 3 bit Nếu chọn V

Hai phương pháp phân chia mức lượng tử và sai số lượng tử

0 tương ứng 000

+ Điện áp tương tự

15

215

Hình 14.6 giới thiệu IC lấy mẫu, giữ mẫu LF-198

U R

D 1

L

S 1

2

ư +

ư +

Hình 14.6: Mạch điện của IC LF-198 lấy mẫu - giữ mẫu

Trong hình gồm 2 bộ khuếch đại thuật toán S là chuyển mạch điện tử L là mạch ghép điều khiển chuyển mạch S

Tín hiệu điều khiển Uđk = 1, chuyển mạch S đóng, Uđk = 0, chuyển mạch S ngắt

Khi S đóng cả 2 bộ khuếch đại thuật toán hoạt động ở chế độ lặp lại (hệ số khuếch đại điện áp bằng 1) U r =U O =U V Tụ điện CK mắc nối tiếp với R2 và nối

đất có điện áp bằng UV Khi Uđk = 0 thì S ngắt, điện áp trên tụ và điện áp ra được duy trì

Điện áp lối vào UV có thể biến thiên đáng kể trước khi S được đóng trở lại cho lần lấy mẫu kế tiếp Do điện áp UO có thể biến thiên rất lớn ở một trong hai trạng thái bão hòa của khuếch đại thuật toán vượt quá khả năng chịu điện áp của chuyển mạch S khi đóng trở lại Đồng thời, khi khuếch đại thuật toán làm việc ở chế

độ bão hòa chỉ làm việc ở tần số thấp Do đó đưa thêm diode D1, D2, làm nhiệm vụ nối mạch hồi tiếp âm của khuếch đại thuật toán thứ nhất và điện áp UO = UV ± 0,6V

sẽ khắc phục được các nhược điểm trên

Khi chuyển mạch S đóng điện áp đặt lên 2 diode bằng không, vì vậy chúng

có điện trở lớn, không có tác dụng khi lấy mẫu

- Biến đổi song song Trong phương pháp biến đổi song song, tín hiệu được

so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn Tất cả các bit được xác định đồng thời

và đưa đến đầu ra

- Biến đổi nối tiếp theo mã đếm ở đây quá trình được thực hiện lần lượt từng bước theo qui luật của mã đếm Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm

số lượng giá trị chuẩn biểu diễn giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi

- Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo qui luật của mã nhị phân Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo qui luật của mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bít có trọng số lớn nhất (MSB) đến bít có trọng số nhỏ nhất (LSB)

- Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong phương pháp này mỗi bước so sánh có thể xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời

Các mạch thực tế làm việc theo nhiều phương pháp khác nhau, nhưng đều có thể xếp vào 1 trong 4 loại trên

2.2 Chuyển đổi AD theo phương pháp song song

Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu tương tự US được đồng thời đưa tới các bộ so sánh S1ữS m Điện áp chuẩn được đưa tới đầu vào thứ hai của các bộ so sánh, thông qua thang điện trở R Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ bộ so sánh S1 đến từ bộ

so sánh Sm Đầu ra của bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên

thang điện trở có mức lôgic “1” các đầu ra còn lại có mức lôgic “0” Tất cả các đầu

ra được nối với mạch AND (và), một đầu mạch AND được nối với mạch tạo xung nhịp chỉ khi có xung nhịp đưa đến đầu vào mạch AND thì các xung trên đầu ra mạch so sánh mới đưa tới mạch nhớ FF (Flip - Flop)

Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ của xung nhịp lại có một tín hiệu được biến đổi và đưa tới đầu ra Xung nhịp đảm bảo cho quá trình so sánh kết thúc mới đưa tới tín hiệu vào bộ nhớ

Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh, vì quá trình so sánh

được thực hiện song song, nhưng mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn Với bộ chuyển đổi N bit để phân biệt được 2N mức lượng tử hóa phải dùng (2N -1) bộ so sánh Vì vậy phương pháp này chỉ dùng trong các ADC yêu cầu số bit N nhỏ và tốc

độ chuyển đổi cao

o o

.

.

.

.

U G

ư +

ư +S2

ư +S3

Hình 14.7: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song

2.3 Chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản

Hình 14.8 Trình bày sơ đồ nguyên tắc của ADC làm việc theo phương pháp

đếm đơn giản Hình 14.9 Giản đồ thời gian điện áp ra của các khối trong hình 14.8

U A

+

−

Tạo điện áp răng c−a

t o

t o

UC

UA

USS2

USS1

Hình 14.9: Giản đồ thời gian điện áp ra của các khối trong hình 14.8

Điện áp vào UA đ−ợc so sánh với điện áp chuẩn răng c−a UC nhờ bộ so sánh SS1 Khi U A >U C thì USS1 = 1, khi U A <U C thì USS1 = 0

Bộ so sánh SS2 so sánh điện áp răng cưa với mức 0V (đất), do đó khi có điện

áp răng cưa USS2 = 1, khi không có thì USS2 = 0

USS1 và USS2 được đưa đến lối vào một mạch AND Xung ra UG có độ rộng tỉ

lệ với độ lớn của điện áp vào UA, giả thiết xung chuẩn dạng răng cưa có độ dốc không đổi Mạch AND thứ hai chỉ cho ra các xung nhịp khi tồn tại xung UG, nghĩa

là trong khoảng thời gian 0<U G <U A Mạch đếm sẽ đếm số xung nhịp trong thời gian tồn tại UG trong một chu kỳ của xung răng cưa Đương nhiên số xung này tỉ lệ với độ lớn của UA

2.4 Bộ biến đổi ADC xấp xỉ tiệm cận

Ra số liệu song song

Hình 14.10: ADC xấp xỉ tiệm cận

Hình 14.10 là sơ đồ khối ADC xấp xỉ tiệm cận Trong sơ đồ này có các khối sau: Bộ so sánh (COM), DAC, điện áp chuẩn, bộ nhớ xấp xỉ tiệm cận, lôgic điều khiển, tín hiệu đồng hồ (CLOCK) v.v Trước khi thực hiện chuyển đổi AD, bộ nhớ phải bị xóa về 0 Bắt đầu chuyển đổi, xung đồng hồ lập bit MSB trong bộ nhớ ở mức

1, số liệu ra của bộ nhớ là 100 0 Tín hiệu số này được DAC chuyển đổi thành điện

áp tương tự tương ứng Uo Bộ COM so sánh UV và Uo Nếu , tín hiệu số quá lớn thì bit MSB bị xóa về 0 Nếu

Quá trình trên tương tự như quá trình cân một vật bằng cân bàn Các quả cân

được chọn lựa từ lớn đến bé, mỗi lần chọn lựa một quả cân bằng nửa quả cân của lần lựa chọn trước

oA(2o) LSB 8

UV

ư +

o V C

U U

U U U

, 0

, 1

CP

Hình 14.11: Mạch điện ADC xấp xỉ tiệm cận 3 bit

Xét mạch điện ADC xấp xỉ tiệm cận 3 bit Hình 14-11, FA, FB, FC là bộ nhớ xấp xỉ tiệm cận 3 bit F1ữF5 và các cổng 1 ữ 5 là mạch lôgic điều khiển F1ữF5

được đấu thành bộ ghi dịch vòng Trước khi bắt đầu chuyển đổi thiết lập

, Q0

4 3

2

, Q0

5 4

Trong nhịp đồng hồ thứ hai: Bộ ghi dịch vòng dịch phải 1 bit, nghĩa là Q2= 1,

Nếu U0

5 4

3

Q C = 1 thì cổng AND 1 thông, Reset FA, QA = 0 (xóa MSB) Nếu UC = 0 thì cổng AND 1 vẫn ngắt, FA duy trì trạng thái QA = 1 Đồng thời, Q2 = 1 lập FB ở 1, QB = 1

Đến nhịp đồng hồ thứ ba: Bộ ghi dịch vòng dịch phải 1 bit nữa, nghĩa là

Q3 = 1, Q1 =Q2 =Q4 =Q5 =0 Kết quả FC lập 1, QC = 1 Đồng thời cổng AND 2 thông, tùy theo giá trị UC đầu ra bộ so sánh C mà QB = 0 hay QB = 1

ở nhịp đồng hồ thứ tư: Q4 = 1, Q1 =Q2 =Q3 =Q5 =0 Kết quả so sánh UCquyết định QC = 0 hay QC = 1

Nhịp đồng hồ tiếp theo Q5 = 1, Q1=Q2 =Q3 =Q4 =0 Kết quả chuyển đổi thể hiện ở trạng thái FA, FB, FC được đưa ra đầu ra thông qua các cổng AND 6, 7, 8

Bộ trừ tổng Σ trên hình 14-11 làm giảm giá trị đầu ra DAC một lượng

2

∆, với

mục đích giảm sai số điện tử Để sai số lượng tử không lớn hơn

2

∆ thì mức so sánh

thứ nhất không phải là ∆, mà là

2

∆, còn đối với mức so sánh khác phải chênh nhau

∆, nghĩa là cũng phải giảm đi

2

∆ Nhờ bộ trừ mà tất cả các mức tín hiệu đầu ra DAC

đều giảm bớt

2

∆ trước khi đem so sánh với UV Trong ví dụ này ta thấy một lần chuyển đổi AD cần 5 chu kỳ đồng hồ CP Nếu số bit tăng thêm thì thời gian chuyển đổi cũng tăng lên theo Hiện nay ADC xấp xỉ tiệm cận được ứng dụng rộng rãi

3 Chuyển đổi số - tương tự

Chuyển đổi số - tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng (N bit) đã biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử tức là 1 LSB

Hình 14.12 trình bày sơ đồ khối để biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương

tự, qua mạch lọc thông thấp để thu được tín hiệu ban đầu:

DAC thông thấpBộ lọc uA

uD

Hình 14.12: Sơ đồ khối biểu diễn quá trình biến đổi số

thành tín hiệu tương tự ban đầu.

Theo sơ đồ này thì quá trình chuyển đổi số - tương tự là quá trình biến đổi

DA ta có tín hiệu lấy mẫu và giữ mẫu là tín hiệu hình bậc thang Sau đó qua

bộ lọc thông thấp, được tín hiệu tương tự uA

3.1 Các thông số cơ bản của bộ biến đổi DAC

3.1.1 Độ phân giải

Độ phân giải là tỉ số giữa giá trị cực tiểu đối với giá trị cực đại của điện áp

đầu ra, về trị số tỉ số này tương ứng với tỉ số giá trị cực tiểu đối với giá trị cực đại của tín hiệu số đầu vào

Thí dụ đối với DAC 10 bit, có độ phân giải là:

1023

112

11111111111

kỹ thuật đôi khi người ta cho riêng từng sai số trên mà không cho sai số tổng hợp

3.1.4 Thời gian xác lập dòng điện, điện áp đầu ra

Thời gian xác lập, là thời gian từ khi tín hiệu số được đưa vào đến khi dòng

điện hoặc điện áp đầu ra ổn định

Ngoài các tham số trên còn một số tham số khác như: các mức lôgic cao, thấp, điện trở và điện dung đầu vào Dải động, điện trở và điện dung đầu ra v.v

3.2 Các bộ chuyển đổi DAC

3.2.1 Bộ chuyển đổi DAC điện trở hình chữ T

Hình 14.13 là sơ đồ DAC điện trở hình chữ T Hai loại giá trị điện trở R và 2R được mắc thành 4 cực hình chữ T nối dây chuyền S3, S2, S1, So là chuyển mạch tương tự

Bên phải hình có bộ khuếch đại đảo dùng khuếch đại thuật toán là điện

áp chuẩn tham chiếu, d

ref u

3, d2, d1, do là mã nhị phân 4 bit đầu vào uo là điện áp đầu ra Các chuyển mạch S3, S2, S1, So được điều khiển bởi các tín hiệu số tương ứng d3, d2,

d1, do Khi d1 = 1 thì S1 nối với u ref , khi d1 = 0 thì S1 nối đất