Nguyên lí kỹ thuật điện tử ( Nxb Giáo Dục 2005 ) - Chương 8 pptx

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 m∙ hoá ở đầu ra là rời rạc.. Sự chuyển đổi

chương 8

Chuyển đổi tương tự – số vμ số – tương tự

8.1 Chuyển đổi Tương tự – Số

8.1.1 Khái niệm chung

Do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử số, đặc biệt là ứng dụng phổ biến của máy tính điện tử số, nên thường dùng mạch số để

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

mối quan hệ giữa chúng có

dạng bậc thang đều Với đặc

số

Một cách tổng quát, tín

hiệu số:

o o n

n n n

- b0 là bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB - Least Significant bit) tương ứng với cột đứng đầu tiên bên phải của d∙y m∙ số Một biến đổi giá trị của LSB ứng với 1 mức lượng tử (1 nấc của hình bậc thang)

8.1.2 Các tham số cơ bản

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

2 Độ phân giải

Độ phân giải của ADC biểu thị bằng số bit của tín hiệu ở đầu ra Số bit càng nhiều thì sai số lượng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao

Thí dụ, Một ADC có số bit ở

đầu ra N = 12 có thể phân biệt

được 212

= 4069 mức trong dải

biến đổi điện áp vào của nó Độ

phân biệt của một ADC được ký

U Q U

Q là giá trị của một mức

lượng tử hoá hoặc còn gọi là

một LSB

Do tín hiệu số là tín hiệu rời

rạc, nên trong quá trình biến

đổi ADC xuất hiện một sai số,

gọi là sai số lượng tử hóa, được

xác định như sau:

Sai số lệch không

Lý tưởng Thực

Sai số đơn điệu Sai số khuếch đại Méo phi tuyến

LSB

2 1

U D

U A

111 110 101 100 011 010 001 000

T

f ≠ 1

Thường

C C

T

gian cần thiết cho ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu

8.1.3 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 m∙ 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 - m∙ 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 m∙ 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 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 m∙n:

Nếu biểu thức 8.3 được thoả m∙n có thể dùng bộ lọc thông thấp để khôi phục tín hiệu tương tự UA từ tín hiệu US Hình 8.3 mô tả lấy mẫu tín hiệu tương tự Hình 8.4 đặc tính tần số của bộ lọc khôi phục tín hiệu

to

UA

(a)

to

US

(b)

Hình 8.3 Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào Tín hiệu tương tự (a) ;

xung lấy mẫu (b)

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 mẫu một khoảng thời gian

cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu, đủ để

biến đổi thành tín hiệu số

2 Lượng tử hoá và mã hoá tín hiệu

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, giátrị 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 quy

định này gọi là đơn vị lượng tử, ký hiệu là Δ Rõ ràng, giá trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng Δ Việc dùng m∙ nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số

là m∙ hoá M∙ 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 nhất thiết phải là bội số nguyên lần của Δ, 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

Giá trị chuyển đổi tín hiệu điện áp lượng tử từ 0 ữ 1V thành tín hiệu

- Điện áp tương tự

15

315

3 Mạch lấy mẫu và giữ mẫu

Hình 8.6 giới thiệu IC lấy mẫu, giữ mẫu LF-198

Trong mạch 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

đóng trở lại cho lần lấy mẫu kế

tiếp Do đó điện áp UO có thể biến

thiên rất lớn và ở một trong

2

ư +

ư +

thái b∙o 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 b∙o hòa chỉ làm việc ở tần số thấp Do đó đưa

thuật toán thứ nhất và điện áp Uo = UV ± 0 , 6 V 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

8.1.4 Các phương pháp biến đổi tương tự - số

1 Phân loại

Có nhiều cách phân loại các loại biến đổi tương tự - số Cách phân loại hay dùng hơn cả là cách phân loại quá trình biến đổi về mặt thời gian Nó cho phép phán đoán một cách tổng quát tốc độ chuyển đổi

Theo cách phân loại này người ta phân biệt 4 phương pháp biến đổi

AD sau đây:

- 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 m∙ đếm ở đây quá trình được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của m∙ 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 m∙ nhị phân Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của m∙ nhị phân Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật của m∙ 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 Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song

Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song được trình bày trên hình 8.7

o o

.

.

.

U G

ư +

ư + 2

ư + 3

S 1

.

ư +Sn

Hình 8.7 Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi AD theo phương pháp song song

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 S1 đến 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 vào mạch AND được nối với 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 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

mức lượng tử hóa

ADC yêu cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao

3 Chuyển đổi AD theo phương pháp phân đoạn từng bit

(chuyển đổi nối tiếp theo m∙ nhị phân)

Mạch chuyển đổi theo phương pháp này có số tầng bằng số bit của tín hiệu số ở lối ra hình 8.8 Mỗi tầng cho ra một bit

Phương pháp phân đoạn được tiến hành như sau: Giả sử tín hiệu vào biến đổi trong phạm vi từ 0 ữ UA max Chia dải làm việc ra hai phần bằng nhau, lúc đó gianh giới giữa hai phần là

2

max

AU

Nếu uA(1) <

2

max

AU

thì B1 = 1 Vậy điện áp

2

max

AU

chính là điện áp

chuẩn của bộ biến đổi DA một bit (nó là một bộ so sánh) Tín hiệu số ứng

bộ biến đổi ngược DA Trên đầu ra của của bộ biến đổi DA một bit là tín hiệu tương tự ứng với bit có nghĩa (có trọng số) lớn nhất Khi B1 = 0 thì

tín hiệu tương tự tương ứng với nó U A'(1) =0, còn khi B1 = 1 thì ' =

) 1 (

Mạch trừ cho ra giá trị hiệu giữa tín hiệu vào UA(1)và tín hiệu tương tự

ứng với bit thứ nhất

Đây chính là điện áp dư của tín hiệu tương tự sau khi đ∙ chuyển đổi thành tín hiệu số bit thứ nhất Điện áp dư này đưa đến tầng thứ hai để tiếp tục xác định bit tiếp theo bằng cách so sánh nó với điện áp chuẩn

bằng nửa điện áp chuẩn của mạch so sánh bít đầu tiên có giá trị

4

max

AU

, và bit thứ N có

)2(

max

N A chN

U

Tuy nhiên để thay cho việc giảm dần trị số điện áp chuẩn của mỗi tầng tiếp theo, theo bội số của 2, người ta nhân đôi các điện áp dư sau mỗi tầng, lúc đó người ta giữ nguyên điện áp chuẩn cho tất cả các tầng

2

max

A

U

Bằng cách đó có thể tiết kiệm được nguồn điện áp chuẩn, nhưng

sai số biên độ tăng gấp đôi khi tín hiệu đi qua mỗi tầng Do đó yêu cầu các tầng làm việc phải chính xác

So với phương pháp song song, trong phương pháp này để xác định N bit cần N bộ so sánh (ít mạch so sánh hơn)

Tuy nhiên mạch ít được dùng trong thực tế, nhưng là cơ số để phân tích và xây dựng phương pháp khác

Hình 8.8 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi AD theo phương pháp phân đoạn từng bit

4 Chuyển đổi AD theo phương pháp đếm đơn giản

Hình 8.9 trình bày sơ đồ nguyên tắc của ADC làm việc theo phương pháp đếm đơn giản Hình 8.10 Giản đồ thời gian điện áp ra của các khối trong hình 8.9

U A

+

ư

Tạo điện áp răng cưa

.

Điện áp vào UA được so sánh với

điện áp chuẩn răng cưa UC nhờ bộ so

răng cưa với mức 0V (đất), do đó khi

không có thì USS2 = 0 USS2 và USS2 được

đưa đến lối vào một mạch AND

xung chuẩn dạng răng cưa có độ

dốc không đổi Mạch AND thứ hai chỉ

cho ra các xung nhịp khi tồn tại

thời gian 0<UC <UA Mạch đếm, đếm

số xung nhịp trong thời gian tồn

răng cưa Đương nhiên số xung này

t o

t o

U C

UA

USS2

U SS1

Hình 8.10 Giản đồ thời gian điện áp

ra của các khối trong hình 8.9

5 Chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc

Mạch điện trên hình 8.11 minh họa nguyên tắc hoạt động của ADC theo phương pháp tích phân hai sườn dốc Khi lôgic điều khiển cho khóa

K ở vị trí 1 thì UA (điện áp tương tự cần chuyển đổi) nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R

Giả thiết thời gian nạp cho tụ là t1, ta có điện áp trên tụ sau thời gian t1, ta có:

1 '

) 1

A 1

A 2

Bộ đếm Zo

Xung nhịp

Trong thời gian t1, bộ đếm Zo đếm

các xung nhịp Hết thời gian t1 khóa K

được mạch lôgic điều khiển sang vị

trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch lôgic

cũng được đưa tới mạch “AND”, làm

cho mạch “AND” cho các xung nhịp đi

qua Tại thời điểm này mạch đếm ở

đầu ra bắt đầu đếm, đồng thời mạch

đếm Zo được mạch lôgic điều khiển về

vị trí nghỉ

Khi K ở vị trí 2, điện áp Uch bắt đầu

nạp cho tụ C theo chiều ngược lại,

phương trình nạp:

U A

t1

' 1

t

'' 2

t

t0

Hình 8.12 Đồ thị thời gian điện áp

ra

t RC

.t RC

Trong đó fn là tần số của d∙y xung nhịp

Từ biểu thức (8.9) suy ra:

A

f

Z U

A

U

U f t

Sau thời gian t2 mạch đếm ra bị ngắt vì UC = 0, và mạch lôgic khóa cổng “AND” Quá trình đ−ợc lặp lại trong chu kì chuyển đổi tiếp theo Theo biểu thức (8.12) ta thấy, số xung đếm ở đầu ra tỉ lệ với điện áp

các thông số RC của mạch và cũng không phụ thuộc vào tần số xung

khá chính xác, và để tăng độ chính xác không cần chọn f n cao Tuy

nhiên tần số f n phải ổn định cao

6 Chuyển đổi AD theo phương pháp xấp xỉ tiệm cận

Hình 8.13 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

chuyển đổi

DAC

Hình 8.13 ADC xấp xỉ tiệm cận.

Bộ so sánh, so sánh UV và Uo Nếu U > o U V, tín hiệu số quá lớn thì bit MSB bị xóa về 0 Nếu U < o U V, tín hiệu số vẫn còn bé thì bit MSB duy trì giá trị 1 Tiếp theo, cũng phương pháp như trên, xung đồng hồ tiếp lập bit có trọng số bé hơn ở mức 1, sau khi so sánh, mạch xác định giá trị 1 này có duy trì hay không Cứ thế tiếp tục m∙i đến bit LSB thì xong Sau quá trình so sánh tất cả các bit, dữ liệu trong bộ nhớ chính là tín hiệu số mong muốn

7 Chuyển đổi tương tự số phi tuyến

Theo biểu thức 8.2 ta thấy sai số tuyệt đối của biến đổi AD không đổi, còn sai số tương đối của nó tăng khi biên độ tín hiệu vào giảm Nên muốn cho sai số tương đối không đổi trong toàn dải biến đổi của điện

áp vào thì đặc tuyến truyền đạt của bộ biến đổi phải có dạng lôga (hình 8.14(a)) sao cho tỉ số tín hiệu trên tạp âm không đổi trong dải biến

đổi của điện áp vào Điện thoại số, sử dụng kĩ thuật PCM (điều chế xung m∙), đ∙ dùng lượng tử hóa phi tuyến trong chuyển đổi tương tự số Nhờ

đó âm thanh nhỏ không bị tạp âm lấn át và đó cũng là một cách làm cho quá trình lượng tử hóa thích ứng với đặc tính của tai con người Ngoài ra lượng tử hóa phi tuyến thường dùng biến đổi AD 8 bit (còn

lượng tử hóa tuyến tính dùng biến đổi AD 12bit) do đó lượng tử hóa phi tuyến tăng dung lượng kênh thoại, do giảm số bit nhưng vẫn cùng chất lượng thông tin như lượng tử hóa tuyến tính Để có tín hiệu trung thực như ban đầu, bộ biến đổi DA theo phương pháp này phải có cấu tạo sao cho đặc tuyến biến đổi ngược của nó có dạng hàm mũ hình 8.14(b)

) x 1 ln(

D

U

U

y = Theo biểu thức (8.13) y = 0 khi x = 0 và y = 1 khi x = 1

Độ dốc y’ tại x = 0:

y '

) 1 ln(

này với μ = 100 So với đường

đặc trưng y = x thì đường cong

với biểu thức (8.13) có độ dốc lớn

gấp đôi tại gốc tọa độ Do đó,

đối với tín hiệu nhỏ, đường đặc

tính có các bậc thang biến đổi

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

ln x y

y = x

Hình 8.15 Dạng đường cong

)1ln(

)1ln(

Trong thực tế để đơn giản, người ta chia đường đặc tính truyền đạt

ln1

ln1

+

tắc đó, người thực hiện đường đặc tính gồm 13 đoạn: 6 đoạn ứng với

x > 0, 6 đoạn x < 0 và đoạn thứ 13 đi qua gốc tọa độ có ymax =2,8

điện áp vào, 3 bit để biểu diễn

một tín hiệu có dải biến đổi

điện áp vào lớn gấp 256 lần

đoạn nhỏ nhất, nghĩa là so với

lượng tử hóa tuyến tính, số

bit giảm một nửa Để truyền

tín hiệu âm thanh, người ta

24 8 16 32 64 128

4 2 1 1/2

Độ dốc 1/4

Số mức 0

Hình 8.16 Đặc tính truyền đạt với bộ

ADC phi tuyến dùng trong thực tế

8.2 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) đ∙ biết của tín hiệu số với độ chính xác là một mức lượng tử tức là 1 LSB Hình 8.17 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:

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

DAC thông thấpBộ lọc uA

u D

Hình 8.17 Sơ đồ khối biểu diễn quá

trình biến đổi số thành tín hiệu tương

tự ban đầu

8.2.1 Các thông số cơ bản của bộ biến đổi DAC

1 Độ phân giải