Chuyển đổi tương tự-số

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

Xung lệnh START khởi đôïng sự hoạt động của hêï 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 so sánh V_AX với đầu vào trương tự VA. Nếu V_AX < V_A đầu ra của bộ so sánh lên mức cao. Nếu V_AX > V_A ít nhất bằng một khoảng V_T (điện thế ngưỡng), đầu dra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp và ngừng tiến trình biến đổi số nhị phân ở thanh ghi. Tại thời điểm này V_AX xấp xỉ V_A. giá dtrị nhị phân ở thanh ghi là đại lượng số tương đương V_AX và cũng là đại lượng số tương đương V_A, 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 dổi 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.

1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của ADC

Độ phân giải

Độ phân gải 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 dsố 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 công tác.

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 10C trong phạm vi nhiệt độ công tác cho ph ép 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 Các bước chuyển đổi AD

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 và mã hóa. Các bước đó luôn luôn kết hợp với nhau trong một quá trình thống nhất.

1.3.1 Định lý lấy mẫu

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

f_S ³ 2f_Imax (10)

Trong đó f_S : tần số lấy mẫu

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

Hình 5.17 biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào. Nếu biểu thức (10) được thỏa mản thì ta có thể dùng bộ tụ lọc thông thấp để khôi phục V_I từ V_S.

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 VI đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu.

1.3.2 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 lượng tử hóa. Đơn vị được chọn theo qui định này gọi là đơn vị lượng tử, kí hiệu D. Như vậy giá trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng D. Việc dùng mã nhị phân biểu thị giá trị tín hiệu số là mã hóa. Mã nhị phân có được sau quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của chuyên đổi A/D.

1.3.3 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 5.18 là một 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 C_h nạp đến giá trị dòng điện của tín hiệu tương tự. Ví dụ nếu chuyển mạch được đóng tại thời điểm t0 thì đầu ra A₁ sẽ nạp nhanh tụ C_h lên đến điện thế tương tự V₀. khi chuyển mạch mở thì tụ Ch sẽ duy trì điện thế này để đầu ra của A₂ cung cấp mức điện thế này cho ADC. Bộ khuếch đại đệm A₂ đặt trở kháng cao tại đầu vào nhằm không xả điện thế tụ một cách đáng kể trong thời gian chuyển đổi của ADC do đó ADC chủ yếu sẽ nhận đựơc điện thế DC vào, tức là V₀.

Trong thực tế người ta sử dụng vi mạch LF198 (hình 5.19) 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 C_h = 0.01mF. Tín hiệu máy tính sau đó sẽ mở chuyển mạch để cho phép C_h duy trì giá trị của nó và cung cấp mức điện thế tương tự tương đối ổn định tại đầu ra A₂.

2.1 ADC dạng sóng bậc thang

2.1.1 sơ đồ khối

Phiên bản đơn giản nhất của lớp ADC ở hình 5.16 sử dụng bộ đếm nhị phân làm thanh ghi và cho phép xung nhịp đẩy bộ đếm tăng mỗi một bước, cho đến khi V_AX > V_A. Đây gọi là ADC sóng dạng bậc thang, vì dạng sóng tại V_AX có từng bậc đi lên. Người ta còn gọi là ADC loại bộ đếm.

Hình 5.20 là sơ đồ biểu diễn một ADC dạng sóng bậc thang.

Các thành phần của DAC dạng sóng bậc thang hình 5.20 gồm: một bộ đếm, một DAC, một bộ so sánh tương tự, một cổng NAND 3 ngõ vào điều khiển. Đầu ra của bộ so sánh dùng làm tín hiệu

(End Of Conversion – kết thúc chuyển đổi).

2.1.2 Hoạt động của bộ ADC dạng sóng bậc thang

Giả sử VA, tức mức điện thế cần chuyển đổi là dương thì tiến trình hoạt động diển ra như sau:

Xung Khởi Động được đưa vào để Reset bộ đếm về 0. Mức cao của xung Khởi Động cấm không cho xung nhịp đi qua cổng AND vào bộ đếm.

Nếu đầu của DAC toàn bit 0 thì đầu ra của DAC sẽ là V_AX = 0V. Vì V_A>V_AX nên đầu ra bộ so sánh sẽ lên mức cao.

Khi xung Khởi Động về thấp thì cổng AND cho phép xung nhịp đi qua cổng này và vào bộ đếm.

Khi giá trị bộ đếm tăng lên thì đầu ra DAC là V_AX sẽ tăng mỗi lần mỗi bậc, như minh họa hình 5.20.

Tiến trình cứ tiếp tục cho đến khi V_AX lên đến bậc vượt quá V_A một khoảng V_T. Tại thời điểm này ngõ ra của bộ so sánh về thấp và cấm không cho xung nhịp đi vào bộ đếm nên bộ đếm sẽ ngừng đếm.

Tiến trình chuyển đổi hoàn tất khi tín hiệu chuyển từ trạng thái cao xuống thấp và nội dung của bộ đếm là biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào V_A.

Bộ đếm sẽ duy trì giá trị số cho đến khi nào xung Khởi Động kế tiếp vào bắt đầu tiến trình chuyển đổi mới.

2.1.3 Độ phân giải và độ chính xác của ADC dạng sóng bậc thang

Trong ADC dạng sóng bậc thang có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số của quá trình chuyển đổi như: kích cở bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài trong đơn vị nhỏ nhất. Nếu giảm kích cở bậc thang ta có thể hạn chế bớt sai số nhưng luôn có khoảng cách chênh lệch giữa đại lượng thức tế và và giá trị gán cho nó. Đây gọi là sai số lượng tử.

Cũng như trong DAC, độ chính xác không ảnh hưởng đến độ phân giải nhưng lại tùy thuộc vào độ chính xác của linh kiện trong mạch như: bộ so sánh, điện trở chính xác và chuyển mạch dòng của DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang) cho biết kết quả ra từ ADC có thể sai biệt một khoảng như thế, do các linh kiện không lý tưởng.

Ví dụ 1

Giả sử ADC dạng sóng bậc thang ở hình 5.20 có các thông số sau đây: tần số xung nhịp = 1Mz; VT = 0.1mV; DAC có đầu ra cực đại = 10.23V và đầu vào 10 bit. Hãy xác định:

a. Giá trị số tương đương cho V_A = 3.728V

b. Thời gian chuyển đổi

c. Độ phân giải của bộ chuyển đổi này

Bài giải:

a. DAC có đầu vào 10 bit và đầu ra cực đại = 10.23V nên ta tính được tổng số bậc thang có thể có là: 210 – 1 = 1023

Suy ra kích cở bậc thang là:

Dựa trên thông số trên ta thấy V_AX tăng theo từng bậc 10mV khi bộ đếm đếm lên từ 0. vì V_A = 3.728, V_T = 0.1mV nên V_AX phải đạt từ 3.728 trở lên trước khi bộ so sánh chuyển sang trạng thái mức thấp. Như vậy phải có số bậc:

khi đó ở cuối tiến trình chuyển đổi, bộ đếm duy trì số nhị phân tương đương 373₁₀, tức 0101110101. Đây cũng chính là giá trị số tương đương của V_A = 3.728V do ADC này tạo nên.

b. Muốn hoàn tất quá trình chuyển đổi thì đòi hỏi dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc, có nghĩa 373 xung nhịp áp ào với tốc độ 1 xung trên 1ms, cho nên tổng thời gian chuyển đổi là 373ms.

c. Độ phân giải của ADC này bằng với kích thước bậc thang của DAC tức là 10mV. Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm là

2.1.3 Thời gian chuyển đổi

Thời gian chuyển đổi là khoảng thời gian giữa điểm cuối của xung khởi động đến thời điểm kích hoạt đầu ra của . Bộ đếm bắt đầu đếm từ 0 lên cho đến khi V_AX vượt quá V_A, tại thời điểm đó

xuống mức thấp để kết thúc tiến trình chuyển đổi. Như vậy giá trị của thời gian chuyển đổi t_C phụ thuộc vào V_A. Thời gian chuyển đổi cực đại xảy ra khi V_A nằm ngay dưới bậc thang cao nhất. Sao cho V_AX phải tiến lên bậc cuối cùng để kích hoạt

.

Với bộ chuyển đổi N bit, ta có:

t_C(max) = (2^N – 1) chu kỳ xung nhịp

ADC ở hình 5.20 sẽ có thời gian chuyển đổi cực đại

t_C(max) = (2¹⁰ – 1)x1ms = 1023ms

Đôi khi thời gian chuyển đổi trung bình được quy định bằng ½ thời gian chuyển đổi cực đại.

Với bộ chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có:

Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang là thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với từng bit thêm vào bộ đếm. Do vậy ADC loại này không thích hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi một tín hiệu tương tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số. Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ chậm thì bản chất tương đối đơn giản của ADC dạng sống bậc thang là một ưu điểm so với các loại ADC khác.

2.2 ADC liên tiếp - xấp xỉ

Bộ chuyển đổi liên tiếp - xấp xỉ ( Successive Approximation Convetr-SAC) là một trong những loại ADC thông dụng nhất. SAC có sơ đồ phức tạp hơn nhiều so với ADC dạng sóng bậc thang. Ngoài ra SAC còn có giá trị t_C cố định, không phụ thuộc vào giá trị của đầu vào tương tự.

Hình 5.21 là một cấu hình cơ bản của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng sóng bậc thang. Tuy nhiên SAC không sử dụng bộ đếm cung cấp đầu vào cho DAC mà thay vào đó là thanh ghi. Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu trên thanh ghi theo từng bit một cho đến khi dử liệu ở thanh ghi biến thành giá trị số tương đương với đầu vào tương tự V_A trong phạm vi độ phân giải của bộ chuyển đổi.

Hoạt động của ADC liên tiếp – xấp xỉ như sau:

Mạch ADC hoạt động theo lưu đồ hình 5.22.

Chúng ta có thể giải thích hoạt động của ADC này bằng cách dựa vào lưu đồ.

Ví dụ 2

SAC 8 bit có độ phân giải là 20mV. Với đầu vào tương tự là 2.17V, hãy tính đầu ra số tương ứng.

Giải

Số bậc của SAC:

Như vậy ở bậc thứ 108 sẽ có V_AX = 2,16V, bậc 109 có V_AX = 2.18V. SAC luôn sinh đầu ra V_AX cuối cùng tại bậc thang bên dưới VA. Do vậy, ở trường hợp V_A = 2.17, đầu ra số sẽ là 10810 = 011011002.

Thời gian chuyển đổi

Ở SAC hình 5.22, logic điều khiển đếm từng bit trên thanh ghi, gán 1 cho nó, quyết định có cần duy trì chúng tại mức 1 hay không rồi chuyển sang bit kế tiếp. Thời gian xử lý mỗi bit kéo dài môky chu kỳ xung nhịp, nghĩa là tổng thời gian chuyển đổi của SAC N bit sẽ là N chu kỳ xung nhịp. Ta có:

t_C cho SAC = N x1 chu kỳ xung nhịp

thời gian chuyển đổi này luôn như nhau bất chấp giá trị của V_A. Điều này là đo logic điều khiển phải xử lý mỗi bit dể xem có cần đến mức 1 hay không.

Ví dụ 3

So sánh thời gian chuyển đổi của ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang và SAC 10 bit. Giả thiết cả hai đều áp dụng tần số xung nhịp 500kHz.

Giải

Với ADC dạng sóng bậc thang, thời gian cực đại sẽ là:

(2^N – 1) x (1 chu kỳ xung nhịp) = 1023 x 2ms = 2046ms

Với SAC, thời gian chuyển đổi luôn bằng 10 chu kỳ xung nhịp tức là

10 x 2ms = 20ms

Vậy với SAC thì thời gian chuyển đổi nhanh gấp 100 lần ADC dạng sóng bậc thang.

2.3 ADC nhanh

Bộ chuyển đổi nhanh (flash converter) là ADC tốc độ cao nhất hiện nay có mặt trên thị trường, nhưng sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác. Ví dụ một ADC nhanh 6 bit đòi hỏi 63 bộ so sánh tương tự, còn ADC nhanh 8 bit thì con số này lên đến 255, 10 bit thì lên đến 1023. Như vậy số lượng bộ so sánh quá lớn đã giới hạn kích cỡ của ADC nhanh.

Hình 5.23 là sơ đồ của một ADC nhanh

ADC nhanh ở hình 5.23 có độ phân giải 3 bit. Kích thước bậc thang là 1V. Bộ chia điện thế thiết lập mức quy chiếu cho từng bộ so sánh để có được 7 mức ứng với 1V ( trọng số của LSB ), 2V, 3V, …7V (đầy thang). Đầu vào tương tự V_A được nối đến đầu vào còn lại của từng bộ so sánh.

Với V_A < 1V thì tất cả đầu ra của bộ so sánh đều lên mức cao. Với V_A > 1V thì từ một đầu ra trở lên sẽ xuống mức thấp. Đầu ra của bộ so sánh được đưa vào bộ mã hoá ưu tiên tích cực ở mức thấp, sinh đầu ra ứng với đầu ra có số thứ tự cao nhất ở mức thấp của bộ so sánh. Lý luận tương tự ta sẽ có được bảng giá trị như bảng 5.4

Bảng 5.4 Bảng sự thật của ADC nhanh 3 bit hình 5.23

ADC nhanh hình 5.23 có độ phân giải 1V vì đầu vào tương tự phải thay đổi mỗi lần 1V mới có thể đưa đầu ra số lên bậc kế tiếp. Muốn có độ phân giải tinh hơn thì phải tăng tổng số mức điện thế vào (nghĩa là sử dụng nhiều điện trở chia thế hơn) và tổng số bộ so sánh. Nói chung ADC nhanh N bit thì cần 2^N – 1 bộ so sánh, 2^N điện trở, và logic mã hoá cần thiết.

Thời gian chuyển đổi

Bộ chuyển đổi nhanh không cần thiết tín hiệu xung nhịp vì tiến trình này xảy ra liên tục. Khi giá trị đầu vào thay đổi thì đầu ra của bộ so sánh sẽ thay đổi làm cho ngõ ra của bộ mã hóa thay đổi theo. Như vậy thời gian chuyển đổi là thời gian cần thiết để xuất hiện một đầu ra số mới đáp lại một thay đổi ở V_A. Thời gian chuyển đổi chỉ phụ thuộc vào khoảng trể do truyền của bộ so sánh và bộ mã hóa. Vì vậy mà ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vô cùng gắn.