Thiết kế thử nghiệm bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Nhận thấy được khả năng và ứng dụng rất rộng rãi của bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số trong nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật nên em quyết định chọn đề tài nghiên cứu k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài:

THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM BỘ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU

TƯƠNG TỰ SANG TÍN HIỆU SỐ

Giảng viên hướng dẫn : ThS Lê Minh Đức Sinh viên thực hiện : Trần Đức Quang

Hà Nội - Năm 2020

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội Tiếp nhận những thành tựu khoa học đó ngày nay việc gia công và truyền đạt xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số, vì những thiết bị làm việc trên nguyên lý số có những ưu điểm hơn hẳn các thiết bị nguyên lý tương tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán kỹ thuật đo lường và điểu khiển và đặc biệt hơn sự giúp đỡ của máy tính được ứng dụng rộng rãi ngày nay

Nhận thấy được khả năng và ứng dụng rất rộng rãi của bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số trong nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật nên em quyết định

chọn đề tài nghiên cứu khóa luận là: “ Thiết kế thử nghiệm bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số”

Nội dung khóa luận gồm 3 chương:

Chương 1: Cở lý thuyết chuyển đổı tín hıệu tương tự sang tín hiệu số

Chương 2: Các phương pháp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Chương 3: Xây dựng mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Do hạn chế về thời gian cũng như khả năng nghiên cứu, nội dung khóa luận này không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy, cô và bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Lâm Nghiệp nói chung và các thầy cô trong khoa cơ điện – công trình nói riêng đã truyền dạy những kinh nghiệm quý báu và giúp đỡ em trong suất quá trình học tập Đặc biệt em xin gửi

lời cảm ơn chân thành đến giảng viên ThS Lê Minh Đức người đã tận tình hướng dẫn

em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Sinh viên thực hiện đề tài

Trần Đức Quang

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Chữ ký, họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(Chữ ký, họ tên)

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

SANG TÍN HIỆU SỐ 1

1.1 Tổng quan về các loại tín hiệu 1

1.1.1 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số 1

1.1.2 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC 1

1.2 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC 2

1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của ADC 3

1.4 Các bước xây dựng chuyển đổi ADC 3

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SANG TÍN HIỆU SỐ 6

2.1 Phương pháp chuyển đổi song song 6

2.1.1 Phương pháp song song 6

2.1.2 Phương pháp song song cải biến 8

2.2 Phương pháp trọng số 9

2.3 Phương pháp số 10

2.4 Phương pháp bù 10

2.5 Phương pháp điện áp răng cưa 11

2.6 Phương pháp tích phân kép 13

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MẠCH CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SANG TÍN HIỆU SỐ 15

3.1 Phân tích yêu cầu 15

3.2 Điều khiển DAC 16

3.2.1 Mục tiêu 16

3.2.2 Tóm tắt lý thuyết 16

3.3.3 Trang thiết bị sử dụng 17

3.3.4 Trình tự kết nối 17

3.3.5 Chương trình nguồn 17

3.3.6 Kết quả thực hiện 19

3.3 Vôn kế kỹ thuật số sử dụng ADC 21

3.3.1 Mục tiêu 21

3.3.2 Tóm tắt lý thuyết 21

3.3.3 Trang thiết bị sử dụng 21

3.3.4 Trình tự kết nối 22

3.3.5 Chương trình nguồn 22

3.3.6 Kết quả thực hiện 24

3.4 Máy hiện sóng kỹ thuật số sử dụng ADC 25

3.4.1 Mục tiêu 25

3.4.2 Tóm tắt lý thuyết 25

3.4.3 Trang thiết bị sử dụng 26

3.4.5 Trình tự kết nối 26

3.4.6 Chương trình nguồn 27

3.4.7 Kết quả thực hiện 32

KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh tín hiệu tương tự và tín hiệu số 1

Bảng 3.1: Kết quả thực hiện điều khiển DAC 20

Bảng 3.2: Hiển thị giá trị điện áp 25

Bảng 3.3: Bảng hiển thị dạng sóng điện áp 33

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của một khối ADC 2

Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào 4

Hình 1.3: Sơ đồ của mạch lấy mẫu và nhớ mẫu 5

Hình 1.4: Sơ đồ đấu nối chân của LF198 5

Hình 2.1: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp song song 7

Hình 2.2: Bộ biến đổi A/D thực hiện theo phương pháp song song cải biến 9

Hình 2.3: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp trọng số 9

Hình 2.4: Bộ biến đổi A/D theo phương pháp bù 11

Hình 2.5: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp răng cưa 12

Hình 2.6: Bộ biến đổi A/D thực hiện bằng phương pháp tích phân kép 13

Hình 2.7: Đường thời gian của điện áp ra khỏi bộ tích phân đối với các điện áp khác nhau 14

Hình 3.1: Sơ đồ mạch chuyển đổi A/D 15

Hình 3.2: Mạch điều khiển DAC 16

Hình 3.3: Giao diện chuyển đổi giá trị DAC 19

CHƯƠNG 1:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SANG TÍN

HIỆU SỐ 1.1 Tổng quan về các loại tín hiệu

1.1.1 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

- Tín hiệu tương tự là tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục theo thời gian

- Tín hiệu số là tín hiệu được lấy mẫu và lượng tử hóa

- Lấy mẫu là quá trình biến đổi một tín hiệu tương tự thành một tín hiệu rời rạc theo thời gian

- Lượng tử hóa là các hệ thống xử lý các tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục thành tín hiệu có giá trị rời rạc

Bảng 1.1: So sánh tín hiệu tương tự và tín hiệu số

số

Khả năng lưu trữ

Lưu dưới dạng sóng, trên các thiết bị từ (băng từ, đĩa từ ), chứa nhiều thông tin hơn

Lưu dưới dạng bit, trên các thiết bị nhớ (fash, rom, ) chứa thông tin hơn

Truyền thông

Lượng dữ liệu truyền đi nhiều hơn và ít bị lỗi

Lượng dữ liệu truyền

đi trong 1 khoảng thời gian rất ít và dễ bị nhiễu

1.1.2 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC

Tín hiệu trong thế giới thực thường ở dạng tương tự (analog), nên mạch điều khiển thu thập dữ liệu từ đối tượng điều khiển về (thông qua các cảm biến) cũng ở dạng tương tự Trong khi đó, bộ điều khiển ngày nay thường là các μP, μC xử lý

dữ liệu ở dạng số (digital) Vì vậy, cần phải chuyển đổi tín hiệu ở dạng số thông qua bộ biến đổi AD

Giải pháp thường dùng để đưa tín hiệu tương tự vào để xử lý bằng các bộ xử lý số

là dùng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (Analog – to – Digital Converter – ADC)

1.2 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

Bộ chuyển đổi tương tự sang số - ADC (Analog to Digital Converter) lấy mức điện thế vào tương tự sau đó một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số biểu diễn đầu vào tương tự Tiến hành biến đổi A/D thường phức tạp và mất nhiều thời gian hơn tiến trình chuyển đổi D/A Do đó có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi từ tương

tự sang số Hình 1.1 là sơ đồ khối của một khối ADC đơn giản

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quát của một khối ADC

Hoạt động cơ bản của lớp ADC thuộc loại này như sau:

- Xung lệnh START khởi động sự hoạt động của hệ thống

- Xung Clock quyết định bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa số nhị phân lưu trong thanh ghi

- Số nhị phân trong thanh ghi được DAC chuyển đổi thành mức điện thế tương

tự VAX.

- Bộ so sánh VAX với đầu vào tương tự VA Nếu VAX < VA ít nhất bằng một khoảng VT (điện thế ngưỡng) Đầu ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ở thanh ghi Tại thời điểm VAX xấp xỉ VA Giá trị nhị phân

ở thanh ghi là đại lượng số tương đương VAX và cũng là đại lượng số tương đương VA Trong giới hạn độ phân giải và độ chính xác của hệ thống

- Logic điều khiển kích hoạt tín hiệu ECO khi chu kỳ chuyển đổi kết thúc Tiến trình này có thể có nhiều thay đổi đối với một số loại ADC khác, chủ yếu là sự khác nhau ở cách thức bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi

1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của ADC

a) 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 từ càng nhỏ, độ chính xác càng cao

b) Dải động điện trở đầu vào

Mức logic của tín hiệu số đầu ra và khả năng chịu tải (nối vào đầu vào)

c) Độ chính xác tương đối

Nếu lý tưởng hóa thì tất cả các điểm chuyển đổi phải nằm trên một đường

thẳng Độ chính xác tương đối là sai số của cac 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 công tác

d) 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 tín hiệu số đầu ra ổn định

e) Hệ số nhiệt độ

Hệ số nhiệt độ là biến thiên tương đối tín hiệu số đầu ra khi nhiệt độ biến đổi

100C trong phạm vi nhiệt độ công tác cho phép với điều kiện mức tương tự đầu vào không đổi

f) 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

1.4 Các bước xây dựng chuyển đổi ADC

Quá trình chuyển đổi A/D nhìn chung được thực hiện qua 4 bước cơ bản, đó là lấy mẫu – nhớ mẫu – lượng tử hóa – mã hóa Các bước đó luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất

a) Định lý lấy mẫu

Đối với tín hiệu tương tự V1 thì tín hiệu lấy mẫu VS sau quá trình lấy mẫu có thể khôi phục trở lại V1 một cách trung thực nếu điều kiện sau đây thỏa mãn:

fS 2f1max (1 - 1)

Trong đó: fS : tần số lấy mẫu

f1max : là giới hạn trên của giải tần số tương tự

Hình 1.2 biểu diễn cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào Nếu biểu thức trên được thỏa mãn thì ta có thể dùng bộ tụ lọc thông thấp để khôi phục V1 từ VS Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần có một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi A/D trên thực tế là giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu

Hình 1.2: Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào

b) Lượng tử hóa và mã hóa

Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn không liên tục trong

biến đổi giá trị Một 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 phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị Quá trình này gọi là tương tự hóa Đơn vị được chọn theo qui định này gọi là đơn vị lượng tử (kí hiệu D) Như vậy giá trị 1 của LBS tín hiệu bằng D Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu đầu ra của chuyển đổi A/D

e) Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu

Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến đổi có

thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong tiến trình biến đổi Ta có

thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách sử dụng mạch lấy mẫu

và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự không đổi trong khi chu kỳ chuyển đổi diễn

ra Hình 1.3 là một sơ đồ của mạch lấy mẫu và nhớ mẫu

Hình 1.3: Sơ đồ của mạch lấy mẫu và nhớ mẫu

Khi đầu vào điều khiển = 1 lúc này chuyển mạch đóng mạch ở chế độ lấy mẫu Khi đầu vào điều khiển = 0 lúc này chuyển mạch hở mạch chế độ giữ mẫu chuyển mạch được đóng một thời gian đủ dài để tụ Ch nạp đến giá trị dòng điện tín hiệu tương tự Bộ khuếch đại đệm A2 đặt trở kháng cao tại đầu vào nhằm không xã điện thế tụ một cách đáng kể trong thời gian chuyển đổi của ADC do đó ADC chủ yếu

sẽ được nhận được điện thế DC vào, tức là V0

Trong thực tế người ta sử dụng vi mạch LF198 (hình 1.4) là mạch S/H tích hợp

có thời gian thu nhận dữ liệu tiêu biểu là 4ms ứng với Ch = 1000pF, và 20ms ứng với

Ch = 0.01mF Tín hiệu máy tính sau đó sẽ mở chuyển mạch để cho phép Ch duy trì giá trị của nó và cung cấp mức điện thế tương tự tương đối ổn định tại đầu ra A2

Hình 1.4: Sơ đồ đấu nối chân của LF198

CHƯƠNG 2:

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ SANG TÍN

HIỆU SỐ 2.1 Phương pháp chuyển đổi song song

2.1.1 Phương pháp song song

Xét một bộ biến đổi 3 bit thực hiện theo phương pháp song song như (hình 2.1) Với 3 bit có thể biểu diễn 23 = 8 số khác nhau, kể cả số 0 Do đó cần có 7 bộ so sánh, 7 điện áp chuẩn từng nấc được tạo ra bởi các phân áp

Nếu điện áp vào không vượt ra khỏi giới hạn dải từ 5/2 ULBS đến 7/2 ULBS thì các bộ so sánh từ thứ 1 đến thứ 3 xác lập ở trạng thái “1”, còn các bộ so sánh từ thứ 4 đến thứ 7 xác lập ở trạng thái “0” Các mạch logic cần thiết để diễn đạt trạng thái này thành số 3

Nếu điện áp vào bị thay đổi đi có thể sẽ nhận được kết quả sai do đó bộ mã hóa

ưu tiên không thể đấu trực tiếp đến các lối ra của các bộ so sánh Ta hãy xét đến chẳng hạn việc chuyển từ số 3 sang số 4 (do đó, trong mã nhị phân từ 011 đến 100) Nếu bit MSB do thời gian trễ sẽ giảm đi mà thay đổi trạng thái của mình sớm hơn các bit khác thì sẽ xuất hiện số 111, tức là số 7 Trị số sai tương ứng với một nửa dải đo Bởi vì các kết quả biến đổi A/D, như đã biết, được ghi vào bộ nhớ, như vậy là tồn tại một xác suất nhất định để nhận được một trị số hoàn toàn sai

Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách, chẳng hạn dùng một bộ nhớ - trích mẫu để ngăn sự biến động điện áp vào trong thời gian đo Tuy nhiên, phương pháp này đã hạn chế tần số cho phép của điện áp vào, bởi vì cần phải có thời gian xác lập cho mạch nhớ - trích mẫu Ngoài ra không thể loại bỏ hoàn toàn xác suất thay đổi trạng thái ra của các bộ so sánh, bởi vì các mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có độ trôi đáng kể

Hình 2.1: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp song song

Như đã thấy rõ ở bảng 2.1, các bộ so sánh xác lập ở trạng thái “1” theo trình tự

từ dưới lên trên Trình tự này sẽ không được đảm bảo nếu các sườn xung là dựng đứng Bởi vì do có sự khác nhau về thời gian trễ của các bộ so sánh nên có thể sẽ chuyển sang một trình khác Trong các tình huống xác định, trạng thái quá độ này có thể được ghi vào các trigơ và sườn tín hiệu trùng nhau Tuy nhiên, bộ mã hóa ưu tiên đã cho phép tránh được điều này nhờ tính chất là; nó không chú ý đến các bit LSB “1”

Bảng 2.1: Sự biến đổi trạng thái trong bộ biến đổi A/D song song tùy thuộc vào điện

áp lối vào

Điện áp vào Trạng thái của các bộ so sánh Số nhị phân

Số thập phân tương ứng

2.1.2 Phương pháp song song cải biến

Điểm hạn chế của phương pháp song song là số lượng các bộ so sánh tăng lên theo hàm mũ với độ dài của từ Chẳng hạn, đối với bộ biến đổi 8 bit, cần đến 255 bộ so sánh Có thể giảm đáng kể giá thành nếu giảm nhỏ tốc độ biến đổi Muốn vậy người ta

tổ hợp phương pháp song song với phương pháp trọng số

Khi xây dựng bộ biến đổi 7 bit theo phương pháp cải biến ở bước thứ 4 bit MSB của mã được biến đổi song song (hình 2.2) Sau bước này ta thu được giá trị lượng tử thô của điện áp vào Nhờ một bộ biến đổi D/A ta sẽ có một điện áp analog tương ứng Điện áp vào được đem trừ đi điện áp này Phần dư còn lại sẽ được biểu diễn dưới dạng sang số nhờ một biến đổi A/D 4 bit thứ hai

Nếu hiệu số giữa giá trị xấp xỉ thô và điện áp vào được khuếch đại lên 16 lần thì

có thể sử dụng 2 bộ biến đổi A/D cùng một dải điện áp vào Tất nhiên là sự khác nhau giữa hai bộ biến đổi sẽ được quy về các yêu cầu của độ chỉnh xác ở bộ biến đổi A/D thứ nhất, độ chính các hầu như phải đạt như một bộ biến đổi 8 bit Bởi vì nếu không thì hiệu số nhận được sẽ không có ý nghĩa

Các trị số xấp xỉ thô và chính xác ở lối ra tất nhiên phải là tương ứng với cùng một điện áp Ue(tj) Tuy nhiên có trễ tín hiệu ở bậc thứ nhất nên sẽ xuất hiện thời gian trễ, vì thế khi sử dụng phương pháp này điện áp sẽ được giữ không đổi (nhờ một bộ nhớ - trích mẫu) cho đến khi nhận được toàn bộ số

Hình 2.2: Bộ biến đổi A/D thực hiện theo phương pháp song song cải biến

Sơ đồ khối của một bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp trọng số được

minh họa trong hình 2.3

Hình 2.3: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp trọng số

Z = Ue/ULSB (2 - 3)

Trước khi bắt đầu đo đơn vị logic điều khiển (ví dụ như máy vi tính) ghi vào bộ nhớ các giá trị không (xóa hết thông tin trong bộ nhớ) Ngay sau đó xác lập giá trị “1” cho bit MSB, ở đây Z7 = 1 Nhờ đó, điện áp trên lối ra bộ biến đổi D/A bằng:

Giá trị này chính là một nửa có thể của tín hiệu tạo ra Nếu điện áp vào Ue lớn hơn trị số này thì phải có Z7 = 1 Nếu nhỏ hơn thì Z7 = 0, do đó đơn vị điều khiển cần phải chuyển Z7 ngược về trạng thái 0 Nếu biến ra K của bộ so sánh nhận giá trị 0 Ngay sau đó, số dư:

Cũng so sánh như vậy với các bit LSB gần nhất

Sau 8 bước so sánh tương tự, số nhị phân Z được ghi trong bộ nhớ Sau phép biến đổi A/D ta có điện áp tương ứng bằng:

Do đó:

Nếu trong thời gian biến đổi mà điện áp bị biến đổi đi thì cần phải có một phần

tử nhớ - trích mẫu để nhớ trung gian các giá trị của hàm, nhằm đảm bảo để tất cả các bit được biến đổi ra từ cùng một giá trị điện áp vào như nhau

2.3 Phương pháp số

Trong phương pháp số, người ta sử dụng các phương tiện đơn giản và đạt được độ chính xác cao nên được các bộ biến đổi A/D thực hiện theo phương pháp này có giá thành thấp Tuy nhiên thời gian biến đổi lớn hơn nhiều so với các phương pháp khác Như đã biết, nó vào khoảng 1–100msec Trong nhiều ứng dụng, giá trị này là chấp nhận được Vì vậy mà phương pháp số được sử dụng rộng rãi nhất trong đa số các phương án mạch Những vấn đề quan trọng nhất của chúng sẽ được khảo sát dưới đây

2.4 Phương pháp bù

Bộ biến đổi A/D kiểu bù vẽ ở (hình 2.4) rất giống với các sơ đồ đã khảo sát trước đây Điểm khác biệt là bộ nhớ được thay đổi bộ đếm Lúc này có thể đơn giản đáng kể đơn vị điều khiển

Hình 2.4: Bộ biến đổi A/D theo phương pháp bù

Nhờ có bộ trừ mà điện áp vào Ue được so sánh với điện áp bù U(z) Nếu hiệu số

U e – U z > 1

2 U LSB thì bộ đếm làm việc trong chế độ cộng Nhờ vậy mà U(z) tiến sát đến

điện áp vào Nếu U e – U z < 1

2.5 Phương pháp điện áp răng cưa

Nguyên lý làm việc của phương pháp này trước hết dựa trên việc biểu diễn điện

áp răng cưa và các bộ so sánh K1, K2 (hình 2.5)

Hình 2.5: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp răng cưa

Điện áp răng cưa tăng từ giá trị dương theo luật:

VS = 𝑈𝑐ℎ𝑢𝑎𝑛𝜏 𝑡 – Vo (2 - 8) Lối ra của phần tử logic XOR giữ ở trạng thái “1” cho đến khi điện áp răng cưa còn nằm trong dải từ 0 đến Ue Thời gian tương ứng với quá trình đó bằng:

𝛥𝑡 = 𝜏

Để xác định nó, người ta đếm số dao động được tạo ra bởi một bộ tạo sóng thạch anh Nếu trước lúc tiến hành phép đo ta lập bộ đếm ở trạng thái “0” thì khi vượt qua ngưỡng trên của bộ so sánh, trong bộ đếm sẽ có mã:

Z = 𝛥𝑡𝑇 = 𝜏ƒ

𝑈𝑐ℎ𝑢𝑎𝑛Ue (2 - 10) Nếu trên lối vào có điện áp âm thì điện áp răng cưa đạt giá trị của điện áp vào rồi sau đó đi qua giá trị 0 Theo trình tự này có thể xác định được dấu của điện áp đo

Độ dài đo giống như trong trường hợp tín hiệu dương, nó chỉ phụ thuộc vào biên độ của điện áp đo Sau mỗi lần đo bộ đếm lại lập về “0” và điện áp răng cưa lại có giá trị

âm ban đầu, để đảm bảo cho việc đưa ra các số liệu ổn định thì kết quả dưới dạng số trước đó thường được nhớ trong khi tạo số mới Khi san bằng liên tục bằng phương pháp bù thì điều này là không cần thiết vì rằng sau khi san bằng trạng thái biến đổi của

bộ dếm không thay đổi nếu Ue giữ nguyên

Như thấy từ công thức trên, sự tản mát của hằng số thời gian τ trực tiếp ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Bởi vì độ chính xác định bởi mạch RC, cho nên

độ trôi thời gian và nhiệt độ của tụ điện cũng ảnh hưởng đến nó Vì các nguyên nhân này mà độ chính xác khó vượt qua 0,1%

2.6 Phương pháp tích phân kép

Phương pháp đo thứ hai khi đó không chỉ điện áp chuẩn, mà cả điện áp cũng được lấy tích phân minh họa ở (hình 2.6) Ở trạng thái rỗi, các khóa S1 và S2 hở mạch còn khóa S3 kín mạch Điện áp ra khỏi bộ tích phân bằng không

Khi bắt đầu đo khóa S3 hở mạch ra còn khóa S1 kín mạch lại Vì vậy điện áp vào được lấy tích phân Thời gian lấy tích phân điện áp vào là cố định Bộ thời gian đóng vai trò một bộ định giờ (timer) Cho đến khi lấy phép tích phân thực (t1), điện áp ra khỏi bộ tích phân bằng:

Hình 2.7: Đường thời gian của điện áp ra khỏi bộ tích phân đối với các điện áp

khác nhau

Sau khi kết thúc phép đo, để xác định các giá trị số thì khóa S1 hở mạch ra, điện

áp chuẩn được đặt tới bộ tích phân qua khóa S2 Khi đó điện áp chuẩn sau khi chọn được ngược dấu với điện áp vào Như vậy, điện áp ra lại giảm đi như mô tả trên (hình 2.7) Khoảng thời gian lại đó điện áp ra trở nên bằng không được xác định nhờ bộ so sánh và bộ đếm kết quả:

Khi đưa ra các biểu thức ở trên ta thấy rằng trong kết quả cuối cùng không có các giá trị tức thời của điện áp đo, mà chỉ có các giá trị trung bình trong thời gian đo t1 Vì vậy điện áp càng giảm khi tần số của nó càng cao Điện áp biến thiên có tần số bằng bội số nguyên của 1/t1 bị suy giảm hoàn toàn Vì thế tần số của bộ tạo nhịp được chọn một cách hợp lý sao cho trị số t1 hoặc bằng chu kỳ dao động của điện áp lưới, hoặc bằng bội số của

nó Trong trường hợp này tất cả tác động của điện lưới sẽ bị loại trừ

Do có phương pháp tích phân kép mà bằng những giải pháp đơn giản để có thể đảm bảo được độ chính xác cho và triệt được nhiễu cho nên người ta sử dụng nó trong các vôn mét số Thời gian biểu diễn tương đối lớn cũng không cản trở đến các ứng dụng như vậy