Đề tài Sử dụng bài tập hoá về HNO3 cã nhiều cách giải để phát triển tư duy, sáng tạo, say mê học tập môn hoá họ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮTA/D Analog to Digital Conversion Biến đổi tương tự sang số ADC Analog to Digital Converter Phép biến đổi tương tự sang số CONVST Conversion Start Khởi phát chu trì

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LÊ VĂN HÓA – 1310530

XÂY DỰNG KHỐI ADC BẰNG PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ LIÊN TIẾP

DÙNG CHO HỆ PHỔ KẾ ĐO GAMMA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS ĐẶNG LÀNH

KHÓA 2013 - 2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Lâm Đồng, ngày … tháng …… năm ……

Giáo viên hướng dẫn [Ký tên và ghi rõ họ tên]

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Lâm Đồng, ngày … tháng …… năm ……

Giáo viên phản biện [Ký tên và ghi rõ họ tên]

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu và thực hiện khóa luận xin chân thành cảm ơn TS Đặng Lành đã tận tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất

Xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu nhà trường, khoa kỹ thuật hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập Cám ơn các thầy cô khoa

kỹ thuật hạt đã tận tình truyền đạt để tôi có những kiến thức vững vàng trong học tập cũng như trau dồi thêm nhiều kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ở bên cạnh cổ vũ động viên và giúp đỡ tôi, luôn tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể thực hiện ước mơ học đại học và chinh phục kiến thức mới

Đà lạt, ngày 15 tháng 11 năm 2017

Sinh viên

Lê Văn Hóa

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A/D Analog to Digital Conversion Biến đổi tương tự sang số ADC Analog to Digital Converter Phép biến đổi tương tự sang

số

CONVST Conversion Start Khởi phát chu trình biến đổi D/A Digital to Analog Conversion Biến đổi số sang tương tự DAC Digital to Analog converter Bộ biến đổi số sang tương tự

DNL Differential Non Lineariry Độ Phi tuyến vi phân

ECON Enable Conversion Cho phép biến đổi

EOC End Of Conversion Chấm dứt chu trình biến đổi INL Integral Non Lineariry Độ phi tuyến tích phân LSB Least Significant Bit Bit trọng số thấp nhất

MCA Multi-Channel Analyzer

(mode) ( chế độ) Phân tích đa kênh MCD Multi-channel Data Processing Xử lý dữ liệu đa kênh

MSB Most Significant Bit Bit trọng số cao nhất

RSS Reference Setup System Hệ thống (thiết lập) tham

chiếu

SAR Successive Approximation

Register (method)

(phương pháp sử dụng) Thanh ghi xấp xỉ liên tiếp SUT System Under Test Hệ thống cần kiểm tra

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các đặc điểm của những loại ADC thường dùng 4

Bảng 2 Mô tả chức năng của các ngõ vào/ra 17

Bảng 3 Bảng mã input/output lý tưởng cho AD7899-1 21

Bảng 4 Giá trị các cặp thế-kênh thu được khi kiểm tra INLADC8K 29

Bảng 5 Độ phi tuyến tích phân của hệ kiểm tra và hệ chuẩn 32

Bảng 6 Kết quả kiểm tra độ phi tuyến vi phân của SUTADC8K và RSSAccuspec 34

Bảng 7 Tổng hợp số liệu đếm thống kê cho phép tính giá trị χ2 35

Bảng 8 Bảng so sánh kết quả χ2 của hệ SUT và RSS 36

Bảng 9 Số đếm tích lũy theo thời gian thực và độ lệch số đếm giữa hai hệ đo 36

Bảng 10 Các đặc trưng của khối ADC 37

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự - số 3

Hình 2 Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra của mạch lấy mẫu 4

Hình 3 Các tín hiệu của ADC Wilkinson trong quá trình đo đạc 6

Hình 4 Quá trình hoạt động của tụ 7

Hình 5 Nguyên tắc hoạt động của ADC flash 8

Hình 6 Mạch cơ bản của ADC xấp xỉ liên tiếp 9

Hình 7 Sự xuất hiện của tạp âm 11

Hình 8 Hiệu ứng khe 13

Hình 9 Tính INL của ADC 14

Hình 10 Dạng mạch tuyến tính thang đối 15

Hình 11 Sơ đồ khối chức năng của AD7899 16

Hình 12 Sơ đồ chân AD7899 19

Hình 13 Cấu trúc đầu vào Analog AD7899-1 20

Hình 14 Sử dụng xung nhịp ngoài 22

Hình 15 Giản đồ thời gian biến đổi tuần tự (chế độ EOC) 22

Hình 16 Giản đồ thời gian biến đổi tuần tự (chế độ BUSY) 23

Hình 17 Sơ đồ cấu trúc khối của ADC xấp xỉ liên tiếp 24

Hình 18 Giản đồ thời gian của ADC8K 26

Hình 19 Sơ đồ thuật toán của ADC8K 27

Hình 20 Cấu hình kiểm tra độ phi tuyến tích phân INLADC8K 29

Hình 21 Đường biểu diễn INL của ADC8K cần kiểm tra 31

Hình 22 Đường biểu diễn INL của hệ tham chiếu chuẩn 32

Hình 23 Cấu hình kiểm tra độ phi tuyến vi phân DNLADC8K 33

Hình 24 Phổ tuyến tính vi phân của hệ SUT dùng khối ADC8K 33

Hình 25 Phổ thực tế thu nhận được trong quá trình kiểm tra 38

Hình 26 Sờ đồ nguyên lý 1 41

Hình 27 Sơ đồ nguyên lý 2 42

Hình 28 Phổ thu nhận được 43

Hình 29 Sản phẩm thực tế 44

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

MỤC LỤC v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Phép biến đổi tương tự - số 3

1.2 Các đặc trưng và tính ưu việt của ADC 4

1.3 Chức năng và phân loại ADC 5

1.3.1 Chức năng của ADC 5

1.3.2 Các loại ADC 5

1.3.2.1 ADC WILKINSON 5

1.3.2.2 ADC rất nhanh (ADC flash) 8

1.3.2.3 ADC xấp xỉ liên tiếp 9

1.3.2.4 Một số loại ADC khác 10

1.3.3 Các yêu cầu kỹ thuật của ADC 10

1.3.4 Sai số trong biến đổi tương tự - số 11

1.3.4.1 Sai số tính toán 11

1.3.4.2 Sai số động 12

1.3.4.3 Sai số bù, sai số tăng ích và sai số tuyến tính 13

1.4 Vi mạch ADC xấp xỉ liên tiếp AD7899 15

1.4.1 Mạch tuyến tính hóa bằng thang đối chứng 15

1.4.2 Sơ đồ khối chức năng 16

1.4.3 Thông số kỹ thuật 16

1.4.4 Chức năng ngõ vào ra 17

1.4.5 Những điểm nổi bật của AD7899 18

1.4.6 Mô tả mạch 19

1.4.6.1 Bộ phận giữ/lấy mẫu 19

1.4.6.2 Bộ phận tham chiếu 19

1.4.6.3 Bộ phận ngõ vào tương tự 20

1.4.6.4 Loại AD7899-1 20

1.4.7 Giản đồ thời gian và chu trình điều khiển 21

1.4.7.1 Khởi phát biến đổi 21

1.4.7.2 Chọn lựa xung nhịp cho chu trình biến đổi 21

1.4.7.3 Chế độ EOC 22

1.4.7.4 Chế độ BUSY 23

1.4.7.5 Đọc dữ liệu AD7899 23

CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, XÂY DỰNG KHỐI ADC XÂP XỈ LIÊN TIẾP 8K 24

2.1 Thiết kế ADC xấp xỉ liên tiếp 8K 24

2.1.1 Sơ đồ cấu trúc khối 24

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động và giản đồ thời gian 25

2.1.3 Lưu đồ thuật toán và giải thích lưu đồ 26

2.2 Bố trí thí nghiệm hiệu chỉnh thiết bị và quét phổ 29

2.2.1 Bố trí thí nghiệm đo đạc thực nghiệm kiểm tra độ phi tuyến tích phân (INL) 29

2.2.2 Thí nghiệm kiểm tra độ phi tuyến vi phân của khối ADC8K (DNL ADC8K ) 32

2.2.3 Thí nghiệm kiểm tra Khi bình phương 34

2.2.4 Kiểm tra độ chuẩn xác về số đếm và tần suất dữ liệu vào – ra của ADC8K 36

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 41

MỞ ĐẦU

Ở nước ta hiện nay, ngành công nghiệp điện tử chế tạo các vi mạch đang có

xu hướng phát triển tích cực (dự án thiết kế vi mạch ADC (hợp tác với Paristech, Công ty NXP Pháp) Tuy nhiên do nguồn nhân lực chưa được phát triển mạnh mẽ, các nhóm nghiên cứu mới khó tiếp cận được với kỹ thuật của thế giới, bên cạnh đó, các chuyên gia cho lĩnh vực linh kiện vi mạch còn hạn chế Trên thực tế chúng ta có thể nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài để phục vụ cho công tác nghiên cứu và giảng dậy Tuy nhiên, việc nhập khẩu các thiết bị có rất nhiều hạn chế như: giá thành cao, việc tự phát triển của sinh viên và cán bộ bị thụ động, đặc biệt là ngành

Telecom-kỹ thuật hạt nhân đòi hỏi sự vận dụng tích cực, linh hoạt kiến thức vào trong thực tế

Trên thế giới ngành công nghiệp sản xuất vi mạch phát triển đa tạo tiền đề cho việc nghiên cứu xây dựng thiết bị hạt nhân Đặc biệt khối ADC là mạch hết sức quan trọng trong việc phát triển nghiên cứu và đào tạo ngành hạt nhân Chính vì vậy nhiều công ty như Ortec, Canberra, đã thương mại hóa các sản phẩm

Tại Việt Nam, các trường đại học luôn tập trung, quan tâm tới việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng các thiết bị học tập trong đó có thiết bị của ngành kỹ thuật hạt nhân Bằng việc nghiên cứu đó giúp sinh viên và cán bộ nâng cao được kiến thức chuyên môn kỹ năng áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm Đặc biệt, nganh kỹ thuật hạt nhân là ngành đang được chú trọng phát triển, việc xây dưng hệ thiết bị kỹ thuật hạt nhân trong đó có xây dựng khối ADC là một mục tiêu lớn Ngoài mục đích ứng dụng ADC cho hệ để ghi đo bức xạ ion hoá mà ADC còn được dùng để xây dựng các

hệ phổ kế triệt Compton theo phương pháp đối trùng, hoặc đo bức xạ ở chế độ trùng phùng Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo khối ADC là hướng nghiên cứu phát triển lâu dài, góp phần phát triển nhân lực ngành kỹ thuật hạt nhân

Mục tiêu của khóa luận là tham gia nghiên cứu, xây dựng một phần trong hệ thiết bị tổng thể 8K Thiết kế, chế tạo khối ADC8K dùng trong thực nghiệm ghi, đo bức xạ, cung cấp khối ADC8K vừa nêu trên để hình thành hệ thiết bị hạt nhân ghi,

đo bức xạ dùng trong đào tạo chuyên ngành kỹ thuật hạt nhân

Phạm vi của khóa luận là là xây dựng thiết bị dùng trong ghi, đo bức xạ Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như: phương pháp xấp xỉ liên tiếp (SAR) để cải thiện độ tuyến tính giữa số đếm ghi được và biên độ tín hiệu bức xạ ngõ vào, phương pháp thu nhận và xử lý số liệu để tính toán các đặc trưng kỹ thuật của thiết bị được chế tạo, đồng thời tính toán các đại lượng vật lý chính liên quan đến phổ bức xạ ion

hóa ghi đo được trong hệ thiết bị phân tích đa kênh và sử dụng chương trình mô phỏng thiết bị Proteus để hỗ trợ khả năng mô phỏng kết quả có thể đạt được bằng lý thuyết đối với sơ đồ thiết kế chi tiết của khối ADC8K

Nội dung của khóa luận: Nêu lên tình hình nghiên cứu, thiết kế xây dựng thiết

bị hạt nhân nói chung và mạch ADC nói riêng ở trong và ngoài nước, đánh giá tính cần thiết của việc thực hiện khóa luận Khóa luận còn nêu lên tổng quan về phép biến đổi tương tự - số, các loại ADC, phân loại, đánh giá ưu điểm và nhược điểm của chúng đồng thời tổng quan về cấu tạo, các nguyên tác hoạt động, các chế độ, chức năng ngõ vào ra của vi mạch AD7899 Đưa ra phương pháp nghiên cứu, thiết kế, xây dựng khối ADC xấp xỉ liên tiếp 8K, đồng thời bố trí thí nghiệm hiệu chỉnh và đánh giá độ chính xác của sản phẩm đạt được

Khóa luận gồm 3 chương chính:

 Chương 1:Tổng quan về ADC như các đặc trưng ưu việt, chức năng và phân loại cũng như nguyên tắc hoạt động của các loại ADC Nêu lên thông số đăc trưng và chức năng của vi mạch AD7899

 Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng khối ADC xấp xỉ liên tiếp Thiết kế ADC xấp xỉ liên tiếp 8K, giải thích nguyên tắc hoạt động và lưu đồ thuật toán, bố trí thí nghiệm hiệu chỉnh và kiểm tra độ chính xác

 Chương 3: Kết quả và thảo luận Đánh giá kết quả thu được của các thí nghiệm hiệu chỉnh và kiểm tra độ chính xác để từ đó rút ra kết luận cụ thể cho khóa luận

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Phép biến đổi tương tự - số

Biến đổi tương tự - số (ADC) là biến đổi điện áp vào ( giá trị tương tự) thành các số (giá trị số) tỉ lệ với nó

Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi tương tự - số

Nguyên tắc làm việc:

Tín hiệu tương tự được đưa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tự hóa làm tròn với độ chính xác ±𝑸𝟐

Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa Trong mạch mã hóa, kết quả lượng

tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu

Trong nhiều loại ADC, quá trình lượng tử hóa và mã hóa xảy ra đồng thời, lúc đó không thể tách rời hai quá trình đó

Xem xét cụ thể nhiệm vụ cơ bản của các khối chức năng trong sơ đồ khối trong hình 1

Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau tức là rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo

Hình 1 Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự - số

Mạch lượng tử hóa làm nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu tương tự về mặt biên độ Nhờ quá trình lương tử hóa, tín hiệu tương tự bất kỳ được biểu diễn bởi một số nguyên lần mức lượng tử:

ZDi :tín hiệu số tại thời điểm i

XAi: tín hiệu tương tự ở thời điểm i

Q: mức lượng tử

∆XAi: số dư trong phép lượng tử hóa

Int: phần nguyên

1.2 Các đặc trưng và tính ưu việt của ADC

Bảng 1 Các đặc điểm của những loại ADC thường dùng

(flash ADC)

ADC Wilkinson

ADC xấp xỉ liên tiếp

1 Tốc độ biến đổi Nhanh nhất Chậm nhất Đủ nhanh

2 Khả năng thu nhận

số đếm (cps) Cao nhất Thấp nhất Đủ cao

Hình 2 Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra của mạch lấy mẫu

STT ADC nhanh

(flash ADC)

ADC Wilkinson

ADC xấp xỉ liên tiếp

3 Thời gian chết (%) Lớn nhất Lớn hơn Nhỏ nhất

4 Độ phân giải năng

lượng,FWHM (keV) Tồi nhất Tốt nhất Đủ tốt

1.3 Chức năng và phân loại ADC

1.3.1 Chức năng của ADC

ADC đo biên độ cực đại của xung dạng tương tự và chuyển đổi giá trị đó thành chữ số nhị phân Ngõ ra dạng số tỷ lệ với biên độ tương tự ngõ vào ADC Đối với các xung tới tuần tự, ngõ ra dạng số từ ADC được kết nối với một bộ nhớ chuyên dụng, hoặc một máy tính và được sắp xếp thành một biểu đồ, biểu đồ này thể hiện phổ của ngõ vào tương ứng với biên độ xung [4] Tín hiệu tương tự ngõ vào bộ biến đổi ADC được cấp từ ngõ ra bộ khuếch đại phổ kế Thông qua các chức năng của bộ khuếch đại, chẳng hạn chọn lựa cực tính, hình thành xung, hồi phục đường cơ bản hoặc chống hiệu ứng chồng chập, tín hiệu tương tự sẽ được ADC biến đổi thành chữ số nhị phân; tức được lượng tử hoá Chữ số BCD này được khối xử lý đa kênh thu nhận và gửi dữ liệu đến máy tính nhằm hình thành phổ bức xạ

Hình 3a: ngõ ra của khuếch đại phổ kế

Hình 3b: ngõ ra bộ phân biệt ngưỡng dưới

Hình 3c Tín hiệu tụ nhớ trong quá trình xả

Hình 3d: Xung nhịp điều khiển

Hình 3e: Xung nhịp điều khiển

Hình 3f: Chu trình bộ nhớ

Hình 3g: Mở cổng thời gian chết

Hình 3 Các tín hiệu của ADC Wilkinson trong quá trình đo đạc

Khi điện áp trên tụ đạt đến không, trạng thái đếm của đồng hồ xung chấm dứt Thời gian xả của tụ điện tỷ lệ với biên độ xung gốc, số Nc được ghi trong địa chỉ truy cập và tỷ lệ thuận với biên độ xung Trong chu kỳ bộ nhớ (hình 3e và 4c), số xung

Nc nằm trong bộ nhớ chương trình và một số đếm được bổ sung vào nội dung của vị trí đó, giá trị Nc thường được gọi là "số kênh" ADC thường có sẵn với ít nhất là 256 kênh cho các ứng dụng yêu cầu độ phân giải thấp và 16.384 kênh đáp ứng yêu cầu độ phân giải cao Đối với các ADC Wilkinson, thời gian đo của ADC có sự hiện diện

Hình 4a Quá trình nạp của tụ điện

Hình 4b Quá trình xả của tụ điện

Hình 4c Quá trình nhớ của tụ điện

Hình 4 Quá trình hoạt động của tụ

của thời gian chết Thời gian chết toàn phần của khối ADC bằng thời gian bận biến đổi cộng với thời gian chết của linh kiện thiết kế theo công thức: TDT total = Tbusy + TDT of Ics

1.3.2.2 ADC rất nhanh (ADC flash)

Hình 5 mô tả các nguyên tắc của ADC rất nhanh, ADC rất nhanh được xây dựng bằng cách bố trí một chuỗi các bộ so sánh để mỗi ngưỡng so sánh là một thặng

dư không đổi trong điện áp ΔV trên ngưỡng về bản chất ADC rất nhanh là chuỗi phân tích xung chiều cao bằng nhau về độ rộng cửa sổ và ngưỡng Khi đầu vào tín hiệu tương tự đạt biên độ tối đa [4], kết quả của bộ so sánh được đưa vào bộ mã hóa đầu ra kỹ thuật số như minh họa trong hình 5 là một hai-bit (hoặc bốn kênh) ADC rất nhanh Nếu biên độ của xung tương tự nằm giữa các mức của bộ so sánh 2 và 3, mã nhị phân ngõ ra là 0010b (tương đương với số thập phân 2)

Hình 5 Nguyên tắc hoạt động của ADC flash

1.3.2.3 ADC xấp xỉ liên tiếp

ADC xấp xỉ liên tiếp được minh họa trong hình 6 Suốt thời gian tăng của xung ngõ vào tương tự, chuyển mạch S1 đóng và thế trên tụ C1 hình thành do sườn tăng của tín hiệu ngõ vào Khi tín hiệu vào đạt biên độ cực đại, S1 mở, tụ C lưu thế lớn nhất của tín hiệu ngõ vào Sau khi phát hiện biên độ đỉnh của tín hiệu vào, ADC xấp

xỉ liên tiếp bắt đầu chu trình đo Trước hết, bit trọng số cao nhất của bộ biến đổi số sang tương tự (DAC) được xác lập, khi bộ so sánh xác định rằng thế ngõ ra DAC lớn hơn biên độ tín hiệu V¬s thì bit trọng số cao nhất được xoá [3, 4] Trái lại, khi thế ngõ ra DAC nhỏ hơn Vs, bit trọng số cao nhất được giữ nguyên trong điều kiện xác lập trức đó

Kết quả, phép kiểm tra tương tự như vậy được tiến hành bằng cách bổ sung bit trọng số cao nhất tiếp theo Chu trình này được lặp lại cho đến khi tất cả bit đều được kiểm tra Tập hợp các bit trong thanh ghi dịch, điều khiển DAC ở cuối thời điểm kiểm tra là một chữ số biểu thị biên độ tín hiệu tương tự ngõ vào Chữ số nhị phân Nc này

là địa chỉ định vị bộ nhớ mà tại đó một số đếm được cộng thêm để tạo thành biểu đồ đặc trưng cho phổ biên độ xung Nếu ADC có n bit (2n kênh ), n chu trình kiểm tra được đòi hỏi đề hoàn tất tác vụ phân tích, và tác vụ này hoàn toàn tương tự đối với tất cả biên độ xung

S1

Logic điều khiển

Giá trị dòng của

Nc

Bộ chuyển đổi số -tương tự

Bộ đệm ngõ ra

Kích hoạt ngõ ra Giữ/lấy mẫu

Cổng tuyến tính

Hình 6 Mạch cơ bản của ADC xấp xỉ liên tiếp

Các chu trình kiểm tra có thể được rút gọn bằng cách thay thế bộ so sánh đơn bởi ADC rất nhanh Chẳng hạn, trong một ADC xấp xỉ liên tiếp 16 bit thì một ADC rất nhanh thì 6 bit được sử dụng để xác định 5 bit trong chu trình đầu tiên, 5 bit kế tiếp trong chu trình thứ hai và 6 bit còn lại trong chu trình thứ 3

1.3.2.4 Một số loại ADC khác

ADC sigma-delta: Dạng ADC này đã trở thanh công cụ số hóa âm thanh cho máy tính, thiết bị số hóa phân giải cao giá thành thấp, và cho máy xử lí tín hiệu số không cần tốc độ số hóa cao (hoặc nếu font biểu diễn cho phép, sẽ đóng cả vai trò chuyển đổi sigma-delta) Bởi đặc tính của tần số đáp ứng và trung bình tín hiệu cũng tốt như ADC đường dốc kép và Voltage to Frequency Conversion ADC, phân giải tốt hơn nhiều chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp và tốt ngang hệ Voltage to Frequency Conversion ADC, nhưng phần cứng thì đơn giản và ít lệch, trong những năm gần đây, chuyển đổi sigma-delta đã trở nên rất thông dụng ADC duy nhất không bị mất đi sự phổ biến là chuyển đổii flash

ADC mã hóa delta, ADC tích phân sườn đôi hoặc đa sườn, ADC mã hoá delta, ADC Pipelined, ADC Integrating

1.3.3 Các yêu cầu kỹ thuật của ADC

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

 Dải động, điện trở đầu vào: Mức logic của tín hiệu số đầu ra và khả năng chịu tải (nối vào đầu vào)

 Độ chính xác tương đối: Nếu lý tưởng hóa thì tất cả các điểm chuyển đổiphải nằm trên một đường thẳng Độ chính xác tương đối là sai số của các điểm chuyển đổi thực tế so với đặc tuyến chuyển đổi lý tưởng Ngoài ra còn yêu cầu ADC không bị mất bit trong toàn bộ phạm vi hoạt động

 Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi được xác định thời gian bởi thời gian cần thiết hoàn thành một lần chuyển đổi A/D Thời gian này tính từ khi xuất hiện tín hiệu điều khiển chuyển đổi đến khi tín hiệu số đầu ra đã ổn định

 Hệ số nhiệt độ: Hệ số nhiệt độ là biến thiên tương đối tín hiệu số đầu ra khi nhiệt độ biến đổi 10 0C trong phạm vi nhiệt độ hoạt động cho phép với điều kiện mức tương tự đầu vào không đổi

 Tỉ số phụ thuộc công suất: Giả sử điện áp tương tự đầu vào không đổi, nếu nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đầu ra càng lớn thì tỉ số phụ thuộc nguồn càng lớn

 Công suất tiêu hao

1.3.4 Sai số trong biến đổi tương tự - số

1.3.4.1 Sai số tính toán

Khi biến đổi các giá trị tưong tự (Analog) thành số (Digital) với số bit hữu hạn thường xuất hiện sai số hệ thống Các sai số này gọi là sai số lượng tử Theo hình minh hóa vào khoảng +1/2 ULSB tức là có trị số bằng một nửa sai số của điện áp vào cần thiết để làm thay đổi mã trong các bit trẻ Nếu bằng một bộ biến đổi D/A ta biến đổi ngược số nhận được thành điện áp thì sẽ phát hiện sai số lượng tử dưới dạng tạp

âm

Bên cạnh sai số hệ thống do lượng tử hoá còn có sai số đáng kể do mạch gây

ra Nếu các điểm giữa của các bậc fren đường gấp khúc lý tưởng ở hình 7 được nối liền với nhau thì ta có một đường thẳng với một hệ số góc duy nhất xuất phát từ gốc toạ độ Trong các bộ biến đổi A/D thực tế đường thẳng này không xuất phát từ điểm

0 (sai số dịch) và độ nghiêng của nó khác 1 (sai số khuếch đại) Sai số khuếch đại trong dải biến đổi tín hiệu là nguyên nhân gây ra độ lệch hằng số tương đối giữa trị

số gia và trị số nguyên thuỷ Ngược lại, sai số dịch lại tạo ra sai số hằng số tuyệt đối

Hình 7 Sự xuất hiện của tạp âm

Sai số hệ thống do lượng tử hoá có thể dẫn tới tình trạng phi tuyến tính của đặc tuyến trong trường hợp các bậc không đều nhau Khi xác định các sai số tuyến tính người ta hiệu chỉnh các vị trí 0 và hiệu chỉnh độ khuếch đại rồi phát hiện độ lệch lớn nhất giữa điện áp vào và đường thẳng lý tưởng Trị số này sau khi giảm đi sai số lượng tử bằng ½ ULSB thí chính là tổng các sai số phi tuyến

1.3.4.2 Sai số động

Trong các vôn kế số, xuất phát từ hiện tượng là: trong suốt thời gian biến đổi thì điện áp vào là không đổi Khi xử lý tín hiệu, ngược lại điện áp vào lại liên tục biến đổi Trong xử lý số, qua các khoảng thời gian bằng nhau ta tiến hành lấy mẫu điện áp biến động ở lối vào bằng các phần tử nhớ-trích mẫu Các số liệu này được biến đổi thành dạng số nhờ bộ biến đổi A/D Dãy số tương ứng chỉ mô tả đủ chính xác tín hiệu

liên tục ở lối vào khi thoả mãn định lý về rời rạc hoá: tần số lấy mẫu f A ít nhất là phải lơn hơn 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu f max Vì thế thời gian biến đổi của bộ biến

đổi A/D cần phải nhỏ hơn 1/2 fmax

Trong phạm vi ứng dụng này, để đánh giá độ chính xác thì các tham số của bộ biến đổi A/D và phần tử nhớ-trích mẫu phải được khảo sát kết hợp Thí dụ, sẽ không

có ý nghĩa sử dụng bộ biến đổi A/D 12 bít mà phần tử nhớ-trích mẫu sau thời gian tác động không tăng đến trị số bằng 1/212 ≈ 0,025% dải đo

Một sai số động khác gây ra bởi độ bất định thời gian ∆tA của điểm lấy mẫu kéo theo độ bất định của giá trị ∆U của điện áp mẫu (hình 8) Thời gian của khe chỉ tạo ra một độ trễ cố định Khi tính toán sai số cực đại ta giả thiết rằng tín hiệu vào là hình sin có tần số bằng tần số cực đại cho phép fmax Độ nghiêng lớn nhất của đường xuất hiện lúc đi qua không : dU

1.3.4.3 Sai số bù, sai số tăng ích và sai số tuyến tính

Sai số bù và tăng ích trong ADC giống như sai số bù và tăng ích trong bộ khuếch đại Nếu một ADC có sai số bù thì sẽ có một sự dịch chuyển hệ thống trong giá trị của điện áp ngưỡng T(k) từ giá trị bình thường T(k) là mửc ngưỡng giữa các

mã Có khả năng xác định được sai số bù từ phép đo điện áp ngưỡng đơn tại điểm giữa của khoảng chuyển đổi Nhưng nếu phép đo này có sai số tăng ích và sai số phi tuyến, thì thường xác định sai số bù Một phương pháp đo rất hay dùng là phương pháp bình phương nhỏ nhất để đặt giá trị ngưỡng T(k) tới giá trị T(k) lý tưởng Giá trị bù cần thiết để có được sự thích hợp tốt nhất của gía trị thực tế với giá trị lý tưởng

là giá trị bù của bộ chuyển đổi

Cũng như vậy, sai số tăng ích là một khoảng của điện áp ngưỡng cao hơn hoặc thấp hơn so với giá trị tuyệt đối Một cách tương đương, sai số tăng ích tồn tại nếu độ rộng thu của mã trung bình cao hơn hoặc thấp hơn so vói giá trị Q bình thường Thêm vào đỏ, sai số tăng ích có thể đạt được bằng cách tạo ra đường thích hợp nhất (trên

đồ thị đặc tuyến) của giá trị T(k) với giá trị lý tưởng của nó

Sai số tuyến tính được định nghĩa một cách truyền thống bằng độ phi tuyến tích phân (INL - Integral NonLinearity) và độ phi tuyến vi phân (DNL - Differential NonLinearity)

 Độ phi tuyến tích phân

Hình 8 Hiệu ứng khe

Độ phi tuyến tích phân (INL) [12] là giá trị xác định độ lệch cực đại khỏi đường thẳng trong mối tương quan giữa số kênh và năng lượng của ADC Đối với mỗi đỉnh, giá trị kênh lý tưởng Ci quan hệ tới biên độ và giá trị thực tế Cr Độ lệch cực đại, ΔCmax, thu được theo toàn cự Cmax, định giá trị INL theo phần trăm được tính:

INL = (𝐶𝑖−𝐶𝑟)𝑚𝑎𝑥

Ở đó: Cr là số kênh trung tâm thu được từ phép đo thực nghiệm, Ci là số kênh lý tưởng từ đường khớp tuyến tính , Cmax là số kênh lớn nhất trong ADC (4K, 8K, 16K,…),

ΔCmax = (Ci – Cr)max (6)

Thông thường INL của các hệ ADC tốt xấp xỉ ± 0.1% là giá trị ưu việt Hình

14 biểu diễn mối quan hệ giữa đường cong định chuẩn các giá trị đo đạc trong hệ thống với đường khớp tuyến tính bậc nhất để tính INL [4]

 Độ phi tuyến vi phân

Độ phi tuyến vi phân (DNL) [12] là giá trị xác định sự biến thiên lớn nhất của độ rộng kênh Tất cả kênh đo phải khởi phát ngẫu nhiên để tích lũy số đếm, sau thời gian dài, phổ sẽ liên tục; độ lệch cực đại khỏi giá trị trung bình của các số đếm cho

Hình 9 Tính INL của ADC

phép xác định DNL của ADC Nếu giá trị trung bình đã tính cho các số đếm là Nav, độ lệch cực đại là :

Ở đó NX là số đếm trong kênh x thì DNL theo phần trăm được tính bằng:

𝐷𝑁𝐿 = ∆𝑁𝑚𝑎𝑥

1.4 Vi mạch ADC xấp xỉ liên tiếp AD7899

1.4.1 Mạch tuyến tính hóa bằng thang đối chứng

Mặc dù các ADC xấp xỉ liên tiếp có số bit thích hợp đáp ứng độ phân giải cao của hệ phổ kế, song độ phi tuyến vi phân lại không đồng nhất kéo theo ảnh hưởng đến độ phân giải [11, 12] Độ phi tuyến vi phân điển hình bằng ½ bit trọng số thấp nhất (tức là 50%) Vấn đế này được khắc phục bằng cách bổ sung tác vụ tuyến tính hóa nhờ thang đối chứng như trong hình 10

Sau khi mỗi xung được phân tích, bộ đếm 8 bit tăng, kết quả thế tương tự được

bổ sung cho tín hiệu ngõ vào trước khi phân tích bằng ADC xấp xỉ liên tiếp Giả sử chữ số trong bộ đếm 8 bit là m, thông qua tác vụ bổ chính thì bộ biến đổi ADC xấp

xỉ liên tiếp sẽ có số kênh cao hơn

Hình 10 Dạng mạch tuyến tính thang đối

Về mặt dạng số, khi trừ bớt giá trị m tại ngõ ra ADC xấp xỉ liên tiếp thì một chữ số sẽ được bù ngược lại vào giá trị bình thường của nó Khi bộ đếm 8 bit tăng trên toàn dải sau mỗi xung vào, bộ đếm đó sẽ lấy giá trị trung bình của quá trình phân tích biên độ xung trên dải 256 kênh liền kề trong ADC xấp xỉ liên tiếp Tác vụ này sẽ rút gọn độ phi tuyến vi phân xấp xỉ 1%

Ưu điểm của ADC xấp xỉ liên tiếp có sử dụng phương pháp tuyến tính hoá bằng Thang đối chứng là: độ phi tuyến vi phân thấp, thời gian biến đổi ngắn và thời gian biến đổi này độc lập với biên độ xung Thời gian biến đổi trong khoảng từ 2 μs đến 20μs là thích hợp với khả năng phân giải ADC từ 1.000 đến 16.000 kênh

1.4.2 Sơ đồ khối chức năng

Sơ đồ chức năng của AD7899 được mô tả như hình 11

1.4.3 Thông số kỹ thuật

 AD7899 là bộ biến đổi tương tự sang số nhanh, tiêu thụ công suất thấp,

 14 bit hoạt động với nguồn thế một chiều 5V,

Vi mạch này bao gồm các thành phần như sau:

 Tầng biến đổi A/D xấp xsỉ liên tiếp 2.2μs,

 Tầng khuếch đại giữ và lấy mẫu,

 Thế tham chiếu 2.5V,

Hình 11 Sơ đồ khối chức năng của AD7899

 Tầng giao động phát xung nhịp,

 Mạch xác lập điều kiện ngưỡng tín hiệu,

 Tầng giao diện song song tốc độ cao,

 Vi mạch này nhận dải tín hiệu tương tự ngõ vào gồm ±10V; ±5V; ±2,5V; 0 đến 2,5V và 0 đến 5V,

 Việc bảo vệ quá thế tại ngõ vào tương tự cho phép thế ngõ vào không làm nguy hại đến vi mạch,

 Tốc độ biến đổi có thể được điều khiển bằng bộ dao động phát xung nhịp nội hoặc bởi xung nhịp ngoài,

 Tín hiệu khởi phát chu trình biến đổi (COVNST) xác lập chế độ giữ/lấy mẫu

và khởi động chu trình biến đổi,

 BUSY/EOC chỉ ra rằng chu trình biến đổi đã chấm dứt,

 Dữ liệu được đọc từ bộ biến đổi AD7899 thông qua tuyến dữ liệu song song

14 bit nhờ các tín hiệu CS và RD,

 Tần suất dữ liệu vào ra cực của AD7899 là 400kSPS

1.4.4 Chức năng ngõ vào ra

Việc mô tả cấu hình chân của vi mạch AD7899 được trình bày trong bảng 2

Bảng 2 Mô tả chức năng của các ngõ vào/ra

Thế tham chiếu ngõ vào/ra, có thể truy cập tham chiếu trong (2,5V ± 20mV) hoặc trích xuất tạo tham chiếu ngoài Tụ liên kết một chiều 0.1 μF được nối giữa chân này và đất

2, 6 GND Chân nối đất, chân này nên được kết nối với đất tương

tự của hệ thống

3, 4 VINA, VINB Các ngõ vào nhận tín hiệu tương tự

7 – 13 DB13–DB7 7 bit dữ liệu ngõ ra ba trạng thái, trong đó bit dữ liệu 13

là MSB

Chân này hỗ trợ thế dương cho các ngõ vào và ra dạng

số Thông thường có thể nối với VDD hoặc nguồn 3V VDRIVE được nối với tụ một chiều 0.1 μF xuống đất