Bài 06 chuyển đổi số tương tự

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG * HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰTài liệu tham khảo 1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019. 2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm 2019. 2Bài 6: Chuyển đổi số - tương tự 3 1. Khôi phục tín hiệu tương tự 2. Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự (DAC) 3. Các tham số kỹ thuật chính của DAC1. Khôi phục tín hiệu tương tự Bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC) được sử dụng để khôi phục tín hiệu tương tự ban đầu từ mã dạng số. Mỗi giá trị số của mã tương ứng với một giá trị xác định của tín hiệu tương tự. Chuyển đổi mã dạng số thành giá trị tương tự (đối với LSB bằng 1 V) Khôi phục tín hiệu tương tự 5 Quá trình ZOH - giữ bậc 0 (zero order hold) hoặc khôi phục bậc thang (staircase reconstruction): bổ sung sự thiếu tín hiệu giữa các xung bằng cách giữ biên độ của xung cho đến khi có xung kế tiếp. Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 6 Khôi phục tín hiệu tương trự Để khôi phục tín hiệu, tốt nhất là sử dụng bộ lọc thông thấp lý tưởng.  Nếu sử dụng ZOH ta thực hiện mối quan hệ sau  Mô tả trên miền tần số Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 7   1 0 0 for other moments for t Ts x t           /2 sin / 2   / 2 j t j T s s s T s X j x t e dt T e T             Đặc tính truyền đạt của ZOH chuyển đổi chuỗi xung thành đường cong bậc thangKhôi phục tín hiệu tương tự (tt) 8 Bộ lọc hiệu chỉnh Khôi phục bậc thang Bộ lọc làm nhẵn Khôi phục tín hiệu tương tự từ chuỗi xung • Với ZOH tín hiệu giảm khi tần số tăng, gây nhiễu tín hiệu • Khắc phục: Mắc thêm bộ lọc hiệu chỉnh ở đầu ra của DAC  làm tăng giá trị tín hiệu khi tần số tăng - khi đảo ngược mối quan hệ sinx/x.Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 9  Nếu số mức lượng tử ít  khó lấy mẫu và khôi phục tín hiệu  Khắc phục bằng kỹ thuật dithering: Bổ sung tạp âm cộng tính có giá trị ≤ 1 LSB vào tín hiệu để tăng mức lượng tử.  Sau đó, tạp âm cộng tính (thường là tạp trắng) có thể loại trừ bằng cách sử dụng bộ lọc. (b) Tín hiệu được bổ sung tạp âm (a) Tín hiệu hình sin sau khôi phục bậc thangKhôi phục tín hiệu tương tự (tt) 10Khôi phục tín hiệu tương tự (tt) 11 Cấu trúc DAC điển hình2. Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự • DAC sử dụng điện trở trọng số • DAC phân đoạn • DAC sử dụng R-2R Ladder • DAC với OversamplingI DAC sử dụng điện trở trọng số 13  Mạch cộng xây dựng trên KĐTT.  Các điện trở trọng số được dùng để phân biệt các bit từ MSB đến LSB.  Các chuyển mạch chuyển giữa điện áp tham chiếu (Uref) và đất (bit HIGH hoặc bit LOW). DAC sử dụng các điện trở trọng số - + R 2R 4R 2n-1R R ph U ra Vref  Nếu KĐTT là lý tưởng  điện áp ra tỷ lệ với dòng điện tổng cộng ở đầu vào đảo của bộ khuếch đại.

Mai Quốc Khánh Nguyễn Hùng An

Học viện KTQS 06/2019

Tài liệu tham khảo

1 Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh,

Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019.

2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường , Nguyễn Hùng An, Mai Quốc

Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm

2019

2

Bài 6: Chuyển đổi số - tương tự

3

1. Khôi phục tín hiệu tương tự

2. Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự (DAC)

1 Khôi phục tín hiệu tương tự

 Bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC) được sử dụng để khôi phục tín hiệu tương tự ban đầu từ mã dạng số Mỗi giá trị số của

mã tương ứng với một giá trị xác định của tín hiệu tương tự

Chuyển đổi mã dạng số thành giá trị tương tự (đối với LSB bằng 1 V)

Khôi phục tín hiệu tương tự

5

 Quá trình ZOH - giữ bậc 0 (zero order hold) hoặc khôi phục bậc thang (staircase reconstruction): bổ sung sự thiếu tín

hiệu giữa các xung bằng cách giữ biên độ của xung cho đến khi có xung kế tiếp

Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

6

Khôi phục tín hiệu tương trự

 Để khôi phục tín hiệu, tốt nhất là sử dụng bộ lọc thông thấp

lý tưởng

 Nếu sử dụng ZOH ta thực hiện mối quan hệ sau

 Mô tả trên miền tần số

Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

8

Bộ lọc hiệu chỉnh

Khôi phục bậc thang

Bộ lọc làm nhẵn

Khôi phục tín hiệu tương tự từ chuỗi xung

• Với ZOH tín hiệu giảm khi tần số tăng, gây nhiễu tín hiệu

• Khắc phục: Mắc thêm bộ lọc hiệu chỉnh ở đầu ra của

DAC  làm tăng giá trị tín hiệu khi tần số tăng - khi đảo

ngược mối quan hệ sinx/x.

Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

9

 Nếu số mức lượng tử ít  khó lấy mẫu và khôi phục tín hiệu

 Khắc phục bằng kỹ thuật dithering: Bổ sung tạp âm cộng

tính có giá trị ≤ 1 LSB vào tín hiệu để tăng mức lượng tử

 Sau đó, tạp âm cộng tính (thường là tạp trắng) có thể loại trừ bằng cách sử dụng bộ lọc

Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

10

Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

11

Cấu trúc DAC điển hình

2 Các kỹ thuật chuyển đổi số tương tự

chuyển giữa điện áp

tham chiếu (Uref) và

đất (bit HIGH hoặc

bit LOW)

DAC sử dụng các điện trở trọng số

 Nếu KĐTT là lý tưởng  điện áp ra

tỷ lệ với dòng điện tổng cộng ở đầu vào đảo của bộ khuếch đại

U ref

DAC sử dụng điện trở trọng số (tt)

16

 Nhược điểm:

 Các điện trở cần phải có dải trị số rất rộng (Ví dụ: chuyển đổi

20 bit cần sử dụng điện trở chính xác 500 M cho MSB, 1 k

cho LSB), trong đó các điện trở có trị số nhỏ phải có ĐCX cao.

 Ứng dụng: Thường hạn chế thực hiện tới độ phân giải 8-bit.

 Ưu điểm:

 Tốc độ chuyển đổi

cao.

DAC sử dụng các điện trở trọng số

DAC phân đoạn

DAC phân đoạn (tt)

được nối tới mạch lặp điện áp A 2, và chuyển mạch lẻ được

nối tới mạch lặp điện áp A 1

 Khối lựa chọn phân áp LSB sử dụng một tập chuyển mạch để lựa chọn một phân nhánh điện trở và cấp điện áp đầu ra

cho bộ đệm ra

 Bộ đệm đầu ra A3 là bộ KĐTT làm việc ở chế độ lặp

DAC phân đoạn (tt)

19

 Ưu điểm: Tốc độ chuyển đổi cao; tính tuyến tính cao

 Nhược điểm: Phức tạp, giá thành cao

 Ứng dụng: Cho phép thực hiện ADC 16-bit, với tính phi

tuyến nhỏ hơn 0,01% và thời gian thiết lập 3 s

được nối tới đầu

vào đảo (-) của KĐTT

U 0

U 0 – điện áp mẫu (điện áp tham chiếu)

U ra

DAC sử dụng R-2R Ladder (tt)

23

 Ưu điểm: Chỉ cần 2 loại điện trở có trị số R và 2R;

Không yêu cầu các điện trở có ĐXC cao.

 Nhược điểm: Tốc độ chuyển đổi chậm hơn DAC với

điện trở trọng số.

DAC sử dụng R-2R Ladder

• Tổng quát, với DAC

12

n

n i i i



ra 0

DAC sử dụng R-2R Ladder (tt)

24

DAC R-2R với các dòng có trọng số

 Để tăng tốc độ chuyển đổi (tới 500 MSPS), ta có thể thay thế

chuyển mạch các điện trở bằng chuyển mạch các nguồn

dòng  DAC lái dòng

Đầu vào số

Khôi phục tín hiệu tương tự sau

-rộng rãi trong chuyển đổi DA và khôi phục tín hiệu tương tự

 Nếu tín hiệu được

biểu diễn bởi một số

lượng lớn mẫu trên

chu kỳ thì có thể

khôi phục được chỉ

bằng bộ lọc thông

thấp

DAC với Oversampling (tt)

26

 Ví dụ về kỹ thuật CD audio truyền thống sử dụng PCM (điều chế mã xung), khi sử dụng oversampling cần có bộ lọc lấy

mẫu xuống để khôi phục tín hiệu số từ luồng 1-bit

Kỹ thuật CD audio truyền thống

DAC với Oversampling (tt)

DAC với Oversampling (tt)

28

 Để cải thiện khả năng khôi phục tín hiệu, có thể sử dụng bộ lọc nội suy để tăng số mẫu trong một chu kỳ của tín hiệu

 Ví dụ: Đầu tiên, các mẫu có giá trị 0 được bổ sung Tiếp

theo, sử dụng bộ lọc thông thấp  được tín hiệu có nhiều mẫu hơn

Tăng số mẫu bằng cách chèn mẫu trung gian vào giữa

các mẫu hiện thời

3 Các tham số kỹ thuật chính của DAC

Độ phân giải

 Định nghĩa: Lượng thay đổi điện áp ra tương ứng với sự

thay đổi nhỏ nhất của đầu vào số (LSB)

 Độ phân giải của DAC phụ thuộc vào số bit

Độ phân giải = 𝑈𝐿𝑆𝐵 = 𝑈𝑅𝑒𝑓

2𝑁 Với 𝑁 – số bit

Uout

Tín hiệu tương tự mong muốn

111 110 101 100 011 010 001 000

Phân giải cao hơn (3 bit) Phân giải thấp (1 bit)

Điện áp tham chiếu

Đầu vào số

10 10 11

 Non-multiplier : điện áp

tham chiếu không đổi, tạo

ra bên trong DAC, được

thiết lập bởi nhà SX.

 Multiplier : điện áp tham chiếu thay đổi, lấy

từ bên ngoại DAC, do người dùng thiết lập

Độ tuyến tính

33

 Định nghĩa: Sai lệch giữa đầu ra tương tự mong muốn với

đầu ra thực tế trong toàn dải giá trị mong đợi

 Lý tưởng, quan hệ giữa đầu vào số với đầu ra tương tự của DAC phải tuyến tính

Tốc độ biến đổi

34

 Định nghĩa: Tốc độ biến đổi 1 đầu vào số thành điện áp

tương ứng ở đầu ra

 Tốc độ biến đổi phụ thuộc

 Tốc độ đồng hồ của tín hiệu vào

 Thời gian xác lập của bộ biến đổi

 Khi đầu vào số biến đổi nhanh, yêu cầu DAC có tốc độ biến đổi cao

Sai số của DAC

35

 Sai số phi tuyến (non-linearity error):

 Sai số phi tuyến vi phân

 Sai số phi tuyến tích phân

 Sai số do tăng ích (Gain Error)

 Sai số độ lệch (Offset Error)

 Sai số do sự không đơn điệu (Non-Monotonic Error)

 Sai số do quá trình chuyển mạch

Sai số phi tuyến vi phân

36

Sai số phi tuyến vi phân DNL (Differential Non-Linearity)

 Định nghĩa: Sai lệch giữa kích thước bước điện áp lý tưởngbằng 1 LSB và bước thực

Sai số phi tuyến tích phân

37

Sai số phi tuyến tích phân INL (Integral Non-Linearity)

 Định nghĩa: Sai lệch giữa đầu ra DAC thực tế so với đầu ra lý

tưởng (INL opt = 0).

Sai số tăng ích cao

Sai số độ lệch

39

Sai số độ lệch

 Định nghĩa: Sai lệch không đổi về điện áp giữa đầu ra thực

tế với đầu ra lý tưởng

Đầu vào số

Điện áp đầu ra

Độ lệch dương

Độ lệch âm

Sai số do sự không đơn điệu (non-monotonicity)

40

Sai số do sự không đơn điệu

 Không đơn điệu: Sự giảm điện áp đầu ra khi tăng đầu vào

Sai số do quá trình chuyển mạch

41

 Sai số do đột biến tăng ngắn trong trạng thái chuyển tiếp

(glitches)  gây nhiễu cho quá trình xử lý tín hiệu

 Cần loại bỏ bằng các bộ lọc đặc biệt (deglitcher) ở đầu ra của

bộ chuyển đổi hoặc bằng bộ trích-giữ mẫu (SH).

 Sai số do sự biến động theo thời gian (jitter)

(a) Sai số do đột biến tăng ngắn; (b) Sai số do biến động

Biến đổi số-tương tự sử dụng DSP

42

Chu trình điển hình của xử lý tín hiệu số DSP

 Xử lý tín hiệu số DSP (biến đổi Fourier nhanh FFT và lọc số)

có thể sử dụng trong biến đổi DA

 Với DSP: Tín hiệu được chuyển thành số, được xử lý và sau

đó lại được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự