Sử dụng phương pháp xấp xỉ liên tiếp để xây dựng khối ADC

Ởnước 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 TelecomParistech, 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 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.

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 xuhướng phát triển tích cực (dự án thiết kế vi mạch ADC (hợp tác với Telecom-Paristech,Công ty NXP Pháp) Tuy nhiên do nguồn nhân lực chưa được phát triển mạnh mẽ, cácnhóm nghiên cứu mới khó tiếp cận được với kỹ thuật của thế giới, bên cạnh đó, cácchuyên gia cho lĩnh vực linh kiện vi mạch còn hạn chế Trên thực tế chúng ta có thểnhập 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 tựphát triển của sinh viên và cán bộ bị thụ động, đặc biệt là ngành kỹ thuật hạt nhân đòihỏi 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 đềcho việc nghiên cứu xây dựng thiết bị hạt nhân Đặc biệt khối ADC là mạch hết sứcquan trọng trong việc phát triển nghiên cứu và đào tạo ngành hạt nhân Chính vì vậynhiều 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 nghiêncứu, thiết kế và xây dựng các thiết bị học tập trong đó có thiết bị của ngành kỹ thuậthạt nhân Bằng việc nghiên cứu đó giúp sinh viên và cán bộ nâng cao được kiếnthức chuyên môn kỹ năng áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm Đặc biệt, nganh kỹthuật hạt nhân là ngành đang được chú trọng phát triển, việc xây dưng hệ thiết bị kỹthuật hạt nhân trong đó có xây dựng khối ADC là một mục tiêu lớn Ngoài mục đíchứng dụng ADC cho hệ để ghi đo bức xạ ion hoá mà ADC còn được dùng để xâydựng các hệ phổ kế triệt Compton theo phương pháp đối trùng, hoặc đo bức xạ ởchế độ trùng phùng Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo khối ADC là hướng nghiên cứuphát 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 hệthiết bị tổng thể 8K Thiết kế, chế tạo khối ADC8K dùng trong thực nghiệm ghi, đobức 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 Sửdụng các phương pháp nghiên cứu như: phương pháp xấp xỉ liên tiếp (SAR) để cảithiện độ tuyến tính giữa số đếm ghi được và biên độ tín hiệu bức xạ ngõ vào, phươngpháp thu nhận và xử lý số liệu để tính toán các đặc trưng kỹ thuật của thiết bị được chếtạo, 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 môphỏng thiết bị Proteus để hỗ trợ khả năng mô phỏng kết quả có thể đạt được bằng lýthuyết 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 dựngthiết bị hạt nhân nói chung và mạch ADC nói riêng ở trong và ngoài nước, đánh giátính cần thiết của việc thực hiện khóa luận Khóa luận còn nêu lên tổng quan vềphép biến đổi tương tự - số, các loại ADC, phân loại, đánh giá ưu điểm và nhượcđiểm của chúng đồng thời tổng quan về cấu tạo, các nguyên tác hoạt động, các chếđộ, 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 hiệuchỉnh 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 vàchức 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) thànhcác số (giá trị số) tỉ lệ với nó

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

Hình 1 Sơ đồ khối bộ biến 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 ±.

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 khốitrong hình 1

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

3

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

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

∆

(1)Trong đó:

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

số đếm (cps)

4 Độ phân giải năng

lượng,FWHM (keV)

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 đóthành chữ số nhị phân Ngõ ra dạng số tỷ lệ với biên độ tương tự ngõ vào ADC Đốivới các xung tới tuần tự, ngõ ra dạng số từ ADC được kết nối với một bộ nhớchuyên dụng, hoặc một máy tính và được sắp xếp thành một biểu đồ, biểu đồ nàythể hiện phổ của ngõ vào tương ứng với biên độ xung [4] Tín hiệu tương tự ngõ vàobộ biến đổi ADC được cấp từ ngõ ra bộ khuếch đại phổ kế Thông qua các chứcnăng của bộ khuếch đại, chẳng hạn chọn lựa cực tính, hình thành xung, hồi phụcđường cơ bản hoặc chống hiệu ứng chồng chập, tín hiệu tương tự sẽ được ADC biếnđổi 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

áp của nó theo biên độ xung ngõ vào tăng cao [10] (hình 3c)

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

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

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 truycập và tỷ lệ thuận với biên độ xung Trong chu kỳ bộ nhớ (hình 3e và 4c), số xung Ncnằm 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 kênhcho các ứng dụng yêu cầu độ phân giải thấp và 16.384 kênh đáp ứng yêu cầu độ phângiải cao Đối với các ADC Wilkinson, thời gian đo của ADC có sự hiện diện

của thời gian chết Thời gian chết toàn phần của khối ADC bằng thời gian bận biếnđổi 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 xâydựng 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 chuỗiV trên ngưỡng về bản chất ADC rất nhanh là chuỗiphân tích xung chiều cao bằng nhau về độ rộng cửa sổ và ngưỡng Khi đầu vào tínhiệu tương tự đạt biên độ tối đa [4], kết quả của bộ so sánh được đưa vào bộ mã hóađầu ra kỹ thuật số như minh họa trong hình 5 là một hai-bit (hoặc bốn kênh) ADCrất 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 củaxung ngõ vào tương tự, chuyển mạch S1 đóng và thế trên tụ C1 hình thành do sườntăng của tín hiệu ngõ vào Khi tín hiệu vào đạt biên độ cực đại, S1 mở, tụ C lưu thếlớn nhất của tín hiệu ngõ vào Sau khi phát hiện biên độ đỉnh của tín hiệu vào, ADCxấp 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 DAClớn hơn biên độ tín hiệu V¬s thì bit trọng số cao nhất được xoá [3, 4] Trái lại, khithế ngõ ra DAC nhỏ hơn Vs, bit trọng số cao nhất được giữ nguyên trong điều kiệnxác lập trức đó

Giữ/lấy mẫu

Kích hoạtngõ raLogic

Cổngtuyến tính

Bộ đệmngõ ra

Hình 6 Mạch cơ bản của ADC xấp xỉ liên tiếp

Kết quả, phép kiểm tra tương tự như vậy được tiến hành bằng cách bổ sungbit trọng số cao nhất tiếp theo Chu trình này được lặp lại cho đến khi tất cả bit đềuđược kiểm tra Tập hợp các bit trong thanh ghi dịch, điều khiển DAC ở cuối thờiđiểm kiểm tra là một chữ số biểu thị biên độ tín hiệu tương tự ngõ vào Chữ số nhịphân Nc này là địa chỉ định vị bộ nhớ mà tại đó một số đếm được cộng thêm để tạothành biểu đồ đặc trưng cho phổ biên độ xung Nếu ADC có n bit (2n kênh ), n chutrình kiểm tra được đòi hỏi đề hoàn tất tác vụ phân tích, và tác vụ này hoàn toàntương tự đối với tất cả biên độ xung

Các chu trình kiểm tra có thể được rút gọn bằng cách thay thế bộ so sánh đơnbởi ADC rất nhanh Chẳng hạn, trong một ADC xấp xỉ liên tiếp 16 bit thì một ADCrất nhanh thì 6 bit được sử dụng để xác định 5 bit trong chu trình đầu tiên, 5 bit kếtiếp 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 chomáy tính, thiết bị số hóa phân giải cao giá thành thấp, và cho máy xử lí tín hiệu sốkhông cần tốc độ số hóa cao (hoặc nếu font biểu diễn cho phép, sẽ đóng cả vai tròchuyển đổi sigma-delta) Bởi đặc tính của tần số đáp ứng và trung bình tín hiệucũng tốt như ADC đường dốc kép và Voltage to Frequency Conversion ADC, phângiải tốt hơn nhiều chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp và tốt ngang hệ Voltage to FrequencyConversion ADC, nhưng phần cứng thì đơn giản và ít lệch, trong những năm gầnđây, 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 hoádelta, 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 đổiphảinằm trên một đường thẳng Độ chính xác tương đối là sai số của các điểm chuyểnđổi 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 giancần thiết hoàn thành một lần chuyển đổi A/D Thời gian này tính từ khi xuất hiện tínhiệu 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 khinhiệt 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, nếunguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đầu ra càng lớnthì 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 hữuhạn thường xuất hiện sai số hệ thống Các sai số này gọi là sai số lượng tử Theohình 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 dướidạng 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 nốiliền với nhau thì ta có một đường thẳng với một hệ số góc duy nhất xuất phát từ gốctoạ 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 trongdải biến đổi tín hiệu là nguyên nhân gây ra độ lệch hằng số tương đối giữa trị số gia vàtrị 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 củađặc tuyến trong trường hợp các bậc không đều nhau Khi xác định các sai số tuyếntính người ta hiệu chỉnh các vị trí 0 và hiệu chỉnh độ khuếch đại rồi phát hiện độlệch lớn nhất giữa điện áp vào và đường thẳng lý tưởng Trị số này sau khi giảm đisai 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 đổithì điện áp vào là không đổi Khi xử lý tín hiệu, ngược lại điện áp vào lại liên tụcbiến đổi Trong xử lý số, qua các khoảng thời gian bằng nhau ta tiến hành lấy mẫuđiện áp biến động ở lối vào bằng các phần tử nhớ-trích mẫu Các số liệu này đượcbiến 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

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 củabộ biến đổi A/D và phần tử nhớ-trích mẫu phải được khảo sát kết hợp Thí dụ, sẽkhông có ý nghĩa sử dụng bộ biến đổi A/D 12 bít mà phần tử nhớ-trích mẫu sau thờigian 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 mẫukéo theo độ bất định của giá trị ∆U của điện áp mẫu (hình 8) Thời gian của khe chỉtạo ra một độ trễ cố định Khi tính toán sai số cực đại ta giả thiết rằng tín hiệu vào làhình sin có tần số bằng tần số cực đại cho phép fmax. Đ nghiêng lớn nhất của đường ộ Nhờ quá trình

Hình 8 Hiệu ứng khe 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 bộkhuếch đại Nếu một ADC có sai số bù thì sẽ có một sự dịch chuyển hệ thống tronggiá 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 điểmgiữa của khoảng chuyển đổi Nhưng nếu phép đo này có sai số tăng ích và sai số phituyến, thì thường xác định sai số bù Một phương pháp đo rất hay dùng là phươngpháp bình phương nhỏ nhất để đặt giá trị ngưỡng T(k) tới giá trị T(k) lý tưởng Giátrị bù cần thiết để có được sự thích hợp tốt nhất của gía trị thực tế với giá trị lýtưởng là giá trị bù của bộ chuyển đổi

Cũng như vậy, sai số tăng ích là một khoảng của điện áp ngưỡng cao hơnhoặc thấp hơn so với giá trị tuyệt đối Một cách tương đương, sai số tăng ích tồn tạinếu độ rộng thu của mã trung bình cao hơn hoặc thấp hơn so vói giá trị Q bìnhthường Thêm vào đỏ, sai số tăng ích có thể đạt được bằng cách tạo ra đường thíchhợp 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 tuyếntích phân (INL - Integral NonLinearity) và độ phi tuyến vi phân (DNL - DifferentialNonLinearity)

Độ phi tuyến tích phân (INL) [12] là giá trị xác định độ lệch cực đại khỏi đườngthẳng 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,

ΔV trên ngưỡng về bản chất ADC rất nhanh là chuỗiCmax, thu được theo toàn cự Cmax, định giá trị INL theo phần trăm được tính:

INL = ( − )

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,…),

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]

Hình 9 Tính INL của ADC

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

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:

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 giảicao của hệ phổ kế, song độ phi tuyến vi phân lại không đồng nhất kéo theo ảnhhưởng đến độ phân giải [11, 12] Độ phi tuyến vi phân điển hình bằng ½ bit trọng sốthấp nhất (tức là 50%) Vấn đế này được khắc phục bằng cách bổ sung tác vụ tuyếntính hóa nhờ thang đối chứng như trong hình 10

Hình 10 Dạng mạch tuyến tính thang đối

Sau khi mỗi xung được phân tích, bộ đếm 8 bit tăng, kết quả thế tương tựđược 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 đổiADC xấp xỉ liên tiếp sẽ có số kênh cao hơn

Về mặt dạng số, khi trừ bớt giá trị m tại ngõ ra ADC xấp xỉ liên tiếp thì mộtchữ số sẽ được bù ngược lại vào giá trị bình thường của nó Khi bộ đếm 8 bit tăngtrên toàn dải sau mỗi xung vào, bộ đếm đó sẽ lấy giá trị trung bình của quá trìnhphân tích biên độ xung trên dải 256 kênh liền kề trong ADC xấp xỉ liên tiếp Tác vụnày 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 hoábằng Thang đối chứng là: độ phi tuyến vi phân thấp, thời gian biến đổi ngắn và thờigian biến đổi này độc lập với biên độ xung Thời gian biến đổi trong khoảng từ 2 μssđến 20μss 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

Hình 11 Sơ đồ khối chức năng của AD7899 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 2.2μss,

 Tầng khuếch đại giữ và lấy mẫu,

 Thế tham chiếu 2.5V,

 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; 0đến 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 nộihoặc 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 chiếutrong (2,5V ± 20mV) hoặc trích xuất tạo tham chiếu

Các ngõ vào nhận tín hiệu tương tự

Nguồn nuôi dương 5V ± 5 %

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 μsF xuống đất

Chân số Kí hiệu Mô tả

Chức năng của ngõ ra này được xác định bởi trạng thái của tín hiệu ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

CONVST ở cuối chu trình biến đổi.

Ngõ vào xung nhịp biến đổi Khi CLKIN hiệu lực thấp,bộ AD7899 sẽ dùng tần số xung nhịp nội sẵn có để biếnđổi

Ngõ vào chế độ chuẩn Ngõ vào logic được sử dụng để

28 STBY̅̅̅̅̅̅̅ xác lập thiết bị ở chế độ tiết kiệm năng lượng hoặc chế độ chuẩn Để hoạt động, /STBY phải hiệu lực cao.

1.4.5 Những điểm nổi bật của AD7899

 AD7899 đặc trưng cho kiểu ADC nhanh (2.3μss) với tốc độ lấy mẫu lên đến400kSPS

 AD7899 hoạt động với nguồn 5V và công suất tiêu tán là 80mW đây là vimạch lý tưởng đối với những ứng dụng tiêu tốn công suất thấp và sử dụng trong các

hệ thiết bị xách tay (di động)

 AD7899 sở hữu chế độ giao diện song song tốc độ cao Giao diện này cóthể hoạt động ở chế độ 3V hoặc 5V cho phép dễ dàng kết nối với các bộ vi xử lý, viđiều khiển và xử lí tín hiệu số kiểu 3V hoặc 5V

 AD7899 có 3 phiên bản khác nhau tuỳ theo dải tương tự ngõ vào Cụ thể AD 7899-1 hoạt động với tín hiệu ngõ vào ±10V, ±5V; AD 7899-2 hoạt động với tín hiệu đơn cực ±0V, ±2,5V hoặc 0 – 5V và AD 7899-3 nhận tín hiệu ngõ vào trong dải

±2,5V.

18

Hình 12 Sơ đồ chân AD7899

Bộ khuếch đại giữ/lấy mẫu trên AD7899 cho phép ADC để biến đổi chính xáctín hiệu ngõ vào thành chữ số 14bit Băng thông ngõ vào của mạch giữ/lấy mẫu lớn hơntốc độ Nyquist của ADC ngay cả khi ADC hoạt động ở tốc độ tối đa là 400 kSPS (tức

là mạch giữ/lấy mẫu có thể xử lý tần số ngõ vào vượt quá 200kHz) Hoạt động

của mạch giữ/lấy mẫu giúp người thiết kế phát hiện được tín hiệu đỉnh (peak detection) Bộ khuếch đại giữ/lấy mẫu trên kênh ngõ vào tại sườn lên của ( ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ CONVST) AD7899 có khả năng lấy mẫu đồng thời nhiều hơn 1 kênh Khi chấm dứt chu trìnhbiến đổi tác vụ biến đổi A/D sẽ trở về chế độ sẵn sàng chờ biến đổi chu trình kếtiếp Thời gian thu nhận của bộ khuếch đại giữ/lấy mẫu bắt đầu vào thời điểm này

1.4.6.2 Bộ phận tham chiếu

AD7899 có chân tham chiếu duy nhất, VREF, xuất ngưỡng trong 2.5V để vimạch hoạt động theo tần số giao động chuẩn; hoặc nối nguồn tham chiếu ngoài đểmạch hoạt động với tần số xung nhịp ngoài

Để sử dụng dữ liệu của chức năng tham chiếu trong, tụ điện liên kết một chiều0,1 μsF được nối từ chân VREF xuống đất Điện áp xuất hiện ở chân này được nối đếnbộ đệm trước khi đưa vào ADC Nếu điện thế này được dùng như thế tham chiếu

19

ngoài, nó sẽ được đệm cách ly bởi trở 6kΩ Dung sai của tham chiếu nội là ± 10 mV

ở 25°C

1.4.6.3 Bộ phận ngõ vào tương tự

AD7899 gồm có ba loại: AD7899-1, AD7899-2, và AD7899-3 Đối vớiAD7899-1 thì ngõ vào nhận tín hiệu ± 10V, AD7899-2 nhận tín hiệu 5V vàAD7899-3 nhận tín hiệu ± 2,5V Dòng chảy qua ngõ vào phụ thuộc dải thế tương tựngõ vào Dòng lớn nhất khi tín hiệu lưỡng cực được áp đến ngõ vào, ứng với ± 10V

1.4.6.4 Loại AD7899-1

Hình 13 chỉ ra bộ phận ngõ vào tương tự của AD7899-1 Ngõ vào này hoạtđộng với dải biên độ ± 10V hoặc ± 5V Trong trường hợp ± 5V (tín hiệu lưỡng cực)các ngõ VINA và VINB được nối chung thế ngõ vào Đối với ± 10V, VINB nốiGND và thế ngõ vào cấp cho VINA Các ngõ VINA và VINB là đối xứng và có thểhoán đổi vị trí Đối với AD7899-1, R1 = 4kΩ, R2 = 16kΩ, R3 = 16kΩ và R4 = 8kΩ.Tầng ra qua điện trở được nối tiếp với tầng trở kháng vào cao của bộ khuếch đạigiữ/lấy mẫu

Hình 13 Cấu trúc đầu vào Analog AD7899-1

Tác vụ chuyển mã diễn ra với chuỗi giá trị nguyên lẻ liên tiếp LSB (tức là 1/2LSB, 3/2 LSBs, 5/2 LSBs, 7/2LSBs, …) mà độ lớn LSB tuân theo công thức 1LSB =

FSR/16.384 Đối với dải + 10V, 1 LSB = 10V/8.192 = 1,22 mV

Bảng 3 Bảng mã input/output lý tưởng cho AD7899-1 Ngõ vào tương tự Ngõ ra số và mã chuyển đổi

1.4.7 Giản đồ thời gian và chu trình điều khiển

1.4.7.1 Khởi phát biến đổi

Việc biến đổi được bắt đầu bằng cách áp dụng cho tín hiệu sườn dốc lên (̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅) Tác vụ đặt trong chức năng giữ và phân tích tín hiệu vào ở chế độ giữ/lấy

cuối chu trình biến đổi

1.4.7.2 Chọn lựa xung nhịp cho chu trình biến đổi

AD7899 có bộ giao động nội được dùng để kiểm soát quá trình biến đổi với

tần số nội tương ứng chu kỳ xung nhịp là 2.2μss Trên sườn lên của ( ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

), AD7899 sẽ kiểm tra trạng thái của chân CLKIN (xung nhịp vào) Nếu CLKIN thấp, AD7899 sẽ sử dụng tần số giao động nội để biến đổi; trái lại khi CLKIN cao (xem hình 1.8), nó sẽ dùng xung nhịp ngoài để biến đổi.

Hình 11 biểu diễn trạng thái đồng bộ của CLKIN và BUSY/(̅̅̅̅̅̅) Mỗi chu trình biến đổi đòi hỏi 16 xung nhịp Kết quả biến đổi

sẽ được truyền tới thanh ghi dịch dữ liệu ngõ ra ở sườn xuống của chu kỳ xung nhịp thứ 15 Khi xung nhịp nội

được chọn, trạng thái CLKIN không đổi trong suốt quá trình biến đổi nhưng phảitheo dõi tín hiệu này để bảo đảm chu trình biến đổi hoàn tất Hình 14 Sử dụng xungnhịp ngoài

21