Ky Thuat Bien Doi Tuong Tu So Sang ADC

5/12/2018 Ky Thuat Bien Doi Tuong Tu So Sang ADC - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/ky-thuat-bien-doi-tuong-tu-so-sang-adc 1/16

K ĩ thuật biế n đổ i t ươ ng t ự – số ADC

- 2 -

MỞ ĐẦU

Trong ba thậ p k ỷ qua, k ỹ thuật xử lý thông tin đã phát triển mạnh. Hệ thống

truyền tin đượ c tổ chức theo các lớ p chức năng: định dạng và mã hoá nguồn tin, điều

chế, mã hoá kênh, ghép kênh và đa truy nhậ p, tr ải phổ tần số, mật mã hoá và đồng

bộ. Hiện nay, các mạch số, chuyển mạch, hệ thống truyền dẫn, và các thiết bị lưu tr ữ

là một trong những l ĩ nh vực phát triển mạnh mẽ nhất trong công nghệ điện tử. Do

cáp quang có băng tần hầu như không giớ i hạn nên hệ thống viễn thông số đang

chuyển biến dần ngành công nghiệ p điện thoại và tạo nên sự hội tụ nhanh chóng của

thông tin thoại, số liệu và thông tin hình ảnh (video).

Việc truyền dẫn tín hiệu truyền thông hầu hết đượ c thực hiện theo phươ ng

pháp số. Trong khi đó tín hiệu tự nhiên (thoại, số liệu, hình ảnh,...) lại biến thiên liên

tục theo thờ i gian, ngh ĩ a là tín hiệu tự nhiên có dạng tươ ng tự. Để phối ghép giữa

nguồn tín hiệu tượ ng tự và các hệ thống xử lý số, ngườ i ta dùng các mạch chuyển đổi

tươ ng tự-số (ADC: Analog Digital Converter) và ngượ c lại là chuyển đổi số-tươ ng tự

(DAC: Digital Analog Conver).

Bài viết này sẽ trình bày lý thuyết tổng quan và phân tích các k ĩ thuật biến đổi

đồng thờ i đánh giá sai số trong biến đổi tươ ng tự - số ADC.

I. Tổng quan về biến đổi tươ ng tự -số (ADC)

Biến đổi tươ ng tự - số ADC là biến đổi điện áp vào (giá tr ị tươ ng tự) thành cácsố (giá tr ị số) tỷ lệ vớ i nó. Về nguyên tắc có ba phươ ng pháp biến đối tươ ng tự –số

khác nhau như sau: phươ ng pháp song song, phươ ng pháp tr ọng số và phươ ng pháp

số.

Sau đây sẽ xem xét nguyên tắc làm việc của bộ biến đổi tươ ng tự – số (ADC):

Hình 1. S ơ đồ khố i bộ bi ế n đổ i t ươ ng t ự - số ADC

Nguyên t ắ c:

Tín hiệu tươ ng tự đượ c đưa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu

đượ c đưa đến mạch lượ ng tử hoá làm tròn vớ i độ chính xác: ± 2

Q.

M ạch l ấ y mẫ u

Lượ ng t ử hoá

Mã hoá

ADC

UAUM

UD

Sư u tm b i: www.daihoc.com.vn Sư u tm b i: www.daihoc.com.vn Sư u tm b i: www.daihoc.com.vn




- 3 -

Sau mạch lượ ng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, k ết quả lượ ng

tử hoá đượ c sắ p xế p lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cấu

trên đầu ra bộ chuyển đổi.

Trong nhiều loại ADC, quá trình lượ ng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thờ i, lúc

đó không thể tách r ờ i hai quá trình đó.

Sau đây sẽ xem xét cụ thể nhiệm vụ cơ bản của các khối chức năng trong sơ đồ

khối trình bày như hình vẽ số 1:

Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ:

- Lấy mẫu tín hiệu tươ ng tự tại những thờ i điểm khác nhau tức là r ờ i r ạc hoá tín

hiệu về mặt thờ i gian.

- Giữ cho biên độ điện áp tại các thờ i điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình

chuyển đối tiế p theo (quá trình lượ ng tử hoá và mã hoá). (hình 2)

Mạch lượ ng tử hoá làm nhiệm vụ r ờ i r ạc hoá tín hiệu tươ ng tự về mặt biên độ.

Như vậy, nhờ quá trình lượ ng tử hoá, một tín hiệu tươ ng tự bất k ỳ đượ c biểu diễn bở i

một số nguyên lần mức lượ ng tử. Tức là:

Q

X

Q

X

Q

X Z Ai Ai Ai

Di

Δ−== int

Ghi chú:

XAi: tín hiệu tươ ng tự ở thờ i điểm i.

ZDi: tín hiệu số ở thờ i điểm i.

Q: mức lượ ng tử.

ΔXAi: số dư trong phép lượ ng tử hoá

int (integer): phần nguyên.

t

UA

UM t

Sư u tm b i: www.daihoc.com.vn Sư u tm b i: www.daihoc.com.vn




- 4 -

Hình 2: Đồ th ị thờ i gian của đ i ệ n áp vào và đ i ệ n áp ra mạch l ấ y mẫ u

II. Các phươ ng pháp biến đổi tươ ng tự – số (ADC)

Như trên đã trình bày, có 3 phươ ng pháp biến đổi ADC cơ bản là: phươ ng pháp song song, phươ ng pháp tr ọng số và phươ ng pháp số. Sau đây sẽ xem xét chi

tiết k ĩ thuật từng phươ ng pháp.

2.1. Phươ ng pháp song song

Xét một bộ biến đổi 3 bit thực hiện theo phươ ng pháp song song như hình 3.

Vớ i 3 bít có thể biểu diễn 23=8 số khác nhau, k ể cả số 0 (không). Do đó cần có 7 bộ

so sánh, 7 điện áp chuẩn từng nấc đượ c tạo ra bở i các phân áp.

Nếu điện áp vào không vượ t ra khỏi giớ i hạn dải từ 5/2 ULSB đến 7/2 ULSB thì

các bộ sao sánh từ thứ 1 đến thứ 3 xác lậ p ở tr ạng thái “1”, còn các bộ so sánh từ thứ 4 đến thứ 7 xác lậ p ở tr ạng thái “0”. Các mạch logic cần thiết để diễn đạt tr ạng thái

này thành số 3. Bảng 5 cho quan hệ giữa các tr ạng thái của các bộ so sánh vớ i các số

nhị phân tươ ng ứng.

Nếu điện áp vào bị thay đổi đi có thể sẽ nhận đượ c k ết quả sai do đó bộ mã

hoá ưu tiên không thể đấu tr ực tiế p 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 là từ 011 đến

100). Nếu bit già do thờ i gian tr ễ sẽ giảm đi mà thay đổi tr ạng thái của mình sớ m

hơ n các bít khác thì sẽ xuất hiện số 111, tức là số 7. Tr ị số sai tươ ng ứng vớ i một

nửa dải đo. Bở i vì các k ết quả biến đổi A/D, như đã biết, đượ c ghi vào bộ nhớ , như

vậy là tồn tại một xác xuất nhất định để nhận đượ c một tr ị 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 thờ i gian đo. Tuy nhiên, phươ ng pháp

này đã hạn chế tần số cho phép của điện áp vào, bở i vì cần phải có thờ i gian xác lậ p

cho mạch nhớ - trích mẫu. Ngoài ra không thể loại bỏ hoàn toàn xác xuất thay đổi

tr ạng thái ra của các bộ so sánh, bở i vì các mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có

độ trôi đáng k ể.





- 5 -

Hình 3: Bộ bi ế n đổ i A/D làm vi ệ c theo phươ ng pháp song song

chuan LSB U

Ue

U

Ue Z 7==

Nhượ c điểm này có thể đượ c khắc phục bằng cách sau mỗi bộ so sánh, ta dùng

một trigơ vớ i tư cách là một bộ nhớ đệm lật theo sườ n để nhớ các tr ị analog. Trigơ

này, dướ i tác dụng của tín hiệu nhị p sẽ khở i động cho các trigơ tiế p sau. Ở tr ườ ng

hợ p này bảo đảm giữ nguyên tr ạng thái dừng trên lối ra bộ mã hoá ưu tiên khi tác

động sườ n xung để khở i động trigơ .

Như đã thấy rõ ở bảng 1, các bộ so sánh xác lậ p ở tr ạng thái “1” theo trình tự

từ dướ i lên trên. Trình tự này sẽ không đượ c đảm bảo nếu các sườ n xung là dựng

đứng. Bở i vì do có sự khác nhau về thờ i gian tr ễ của các bộ so sánh nên có thể sẽ

chuyển sang một trình khác. Trong các tình huống xác định, tr ạng thái quá độ này có

thể đượ c ghi vào các trigơ như là khi sườ n xung khở i động trigơ và sườ n tín hiệu

Z2

Z1

Z0

Uchuẩn

Bộ

mãhoáưu

tiên

D QC

D Q

C

D Q

C

D Q

C

D Q

C

D QC

D Q

C

ULSB

K6

K5

K7

K4

K3

K2

K1

X7

X6

X5

X3

X1

X2

1/2R

R

R

R

R

LSBU 3

R

1/2R

LSBU 25

LSBU 2

1

R

LSBU 2

3

LSBU 2

7

LSBU 2

9

LSBU 2

11

LSBU 2

13

X4

Ue

+

-

+

+

-

-

+

+

-

-

-

-

+

+





- 6 -

trùng nhau. Tuy nhiên, bộ mã hoá ưu tiên đã cho phép tránh đượ c điều này nhờ tính

chất là: nó không chú ý đến các bít tr ẻ “1” .

Bảng 1: S ự bi ế n đổ i tr ạng thái trong bộ bi ế n đổ i A/D song song

tu ỳ thuộc vào đ i ệ n áp l ố i vào.

Điện áp vào Tr ạng thái của các bộ so sánh Số nhị phânSố thậ p phân

tươ ng ứng

Ue/ULSB K 7 K 6 K 5 K 4 K 3 K 2 K 1 Z2 Z1 Z0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1

2 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2

3 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3

4 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 4

5 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5

6 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 6

7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7

Thờ i gian lấy mẫu cần phải nhỏ hơ n thờ i gian tr ễ của bộ so sánh, còn điểm bắt

đầu của nó đượ c xác định bở i sườ n xung khở i động. Sự khác nhau về thờ i gian tr ễ đã

gây ra độ bất định thờ i gian(khe) của mẫu. Để giảm nhỏ tr ị số của nó đến mức đã

tính toán trong mục tr ướ c, tốt nhất là sử dụng các bộ so sánh có khả năng giảm nhỏ

thờ i gian tr ễ. Nhờ các tầng làm việc song song nên phươ ng pháp biến đổi A/D vừa

mô tả là nhanh nhất.

2.2. Phươ ng pháp song song cải bi ế n

Điểm hạn chế của phươ ng pháp song song là: Số lượ ng các bộ so sánh tăng

lên theo hàm mũ vớ i độ dài của từ. Chẳng hạn, đối vớ i bộ biến đổi 8 bit, cần đến 255

bộ so sánh. Có thể giảm đáng k ể giá thành nếu giảm nhỏ tốc độ biến đổi. Muốn vậy

ngườ i ta tổ hợ p phươ ng pháp song song vớ i phươ ng pháp tr ọng số.

Khi xây dựng bộ biến đổi 7 bit theo phươ ng pháp cải biến ở bướ c thứ nhất 4

bit già của mã đượ c biến đổi song song (hình 4). Sau bướ c này ta thu đượ c giá tr ị

lượ ng tử thô của điện áp vào. Nhờ một bộ biến đổi D/A ta sẽ có một điện áp analog

tươ ng ứng. Điện áp vào đượ c đem tr ừ đi điện áp này. Phần dư còn lại sẽ đượ c biểu

diễn dướ i sạng số nhờ một bộ biến đổi A/D 4 bit thứ hai.

Nếu hiệu số giữa giá tr ị xấ p xỉ thô và điện áp vào đượ c khuếch đại lên 16 lần

thì có thể sử dụng 2 bộ biến đổi A/D vớ i cùng một dải điện áp vào. Tất nhiên là sự

khác nhau giữa 2 bộ biến đổi sẽ đượ c quy về các yêu cầu của độ chính xác ở bộ biến





- 7 -

đổi A/D thứ nhất, độ chính xác hầu như phải đạt như một bộ biến đổi 8 bit. Bở i vì

nếu không thì hiệu số nhận đượ c sẽ không có ý ngh ĩ a.

Các tr ị số xấ p xỉ thô và chính xác ở lối ra tất nhiên phải là tươ ng ứng vớ i cùng

một điện áp Ue(tj). Tuy nhiên có tr ễ tín hiệu ở bậc thềm thứ nhất nên sẽ xuất hiện

thờ i gian tr ễ, vì thế, khi sử dụng phươ ng pháp này, điện áp sẽ đượ c giữ không đổi

(nhờ một bộ nhớ - trích mẫu) cho đến khi nhận đượ c toàn bộ số.

Hình 4: Bộ bi ế n đổ i A/D thự c hi ệ n theo phươ ng pháp song song cải bi ế n.

chuan LSB U

Ue

U

Ue Z 255==

Bộ nhớ trích mẫ u

Bộ

biếnđổiA/D

song

song4 bit

Bộ

biế nđổ i

D/A

4 bit

Bộ

biếnđổiA/D

song

song4 bit

Uchuẩn

Uchuẩn

1/16U

chuẩn

Z7Z6Z5Z4

Z3 Z2 Z1 Z0

++-





- 8 -

2 .3. Phươ ng pháp tr ọng số

Sơ đồ khối của một bộ biến đổi A/D làm việc theo phươ ng pháp tr ọng số đượ c

minh hoạ trong hình vẽ số 5.

Hình 5: Bộ bi ế n đổ i A/D làm vi ệ c theo phươ ng pháp tr ọng số

Z=Ue/USLB

Tr ướ c khi bắt đầu do đơ n vị logic điều khiển (thí dụ như máy vi tính) ghi vào

bộ nhớ các giá tr ị không (xoá hết thông tin trong bộ nhớ ). Ngay sau đó xác lậ p giá tr ị

“1” cho bit già, ở đây Z7 =1. Nhờ đó, điện áp trên lối ra bộ biến đổi D/A bằng:

U(Z) = 27

ULSB

Giá tr ị này chính là một nửa dải có thể của tín hiệu tạo ra. Nếu điện áp vào Ue

lớ n hơ n tr ị số này thì phải có Z7 = 1. Nếu nhỏ hơ n thì Z7=0. Do đó đơ n vị điều khiển

cần phải chuyển Z7 ngượ c về tr ạng thái 0. Nếu biến ra K của bộ so sánh nhận giá tr ị

0. Ngay sau đó, số dư

Ue - Z7.2. ULSB

cũng đượ c so sánh như vậy vớ i các bit tr ẻ gần nhất.

Sau 8 bướ c so sánh tươ ng tự, số nhị phân Z đượ c ghi trong bộ nhớ . Sau phép

biến đổi A/D ta có điện áp tươ ng ứng bằng:

Ue = Z ULSB

Do đó

Z = Ue/ULSB

Phần tử nhớ trích mẫu Phần tử điều

khiển

Bộ tạo

Bộ nhớ Bộ

biếnđổi

D/A

K

Bộ so sánh

Z

Uchuẩn

U(z)

Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1Z0

Ue+

-





- 9 -

Nếu trong thờ i 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 tr ị của hàm, nhằm đảm bảo để tất

cả các bit đượ c biến đổi ra từ cùng một giá tr ị điện áp vào như nhau.

2.4. Phươ ng pháp số

Trong phươ ng pháp số, ngườ i ta sử dụng các phươ ng tiện đơ n giản và đạt

đượ c độ chính xác cao nên các bộ biến đổi A/D thực hiện theo phươ ng pháp này có

giá thành r ất thấ p. Tuy nhiên thờ i gian biến đổi lớ n hơ n nhiều so vớ i các phươ ng

pháp khác. Như đã biết, nó vào khoảng 1- 100msec. Trong nhiều ứng dụng, giá tr ị

này là chấ p nhận đượ c. Vì vậy mà phươ ng pháp số đượ c sử dụng r ộng rãi nhất trong

đa số các phươ ng án mạch. Những vấn đề quan tr ọng nhất của chúng sẽ đượ c khảo

sát dướ i đây.

2.4.1. Phươ ng pháp bù

Bộ biến đổi A/D kiểu bù vẽ ở hình (6) r ất giống vớ i các sơ đồ đã khảo sát

tr ướ c đây. Điểm khác biệt là ở chỗ: ở đây bộ nhớ đượ c thay đổi bở i bộ đếm. Lúc

này có thể đơ n giản đáng k ể đơ n vị điều khiển.

Hình 6. Bộ bi ế n đổ i A/D theo phươ ng pháp bù

Nhờ có bộ tr ừ mà điện áp vào Ue đượ c so sánh vớ i điện áp bù U(z). Nếu hiệu

số LSB Z U U Ue2

1>− thì bộ đếm làm việc trong chế độ cộng. Nhờ vậy mà U(z)

tiến sát đến điện áp vào. Nếu LSB Z U U Ue2

1<− thì bộ đếm là một bộ tr ừ. Lúc

đó điện áp bù luôn luôn bám theo điện vào. Vì lý do trên mà loại mạch như thế đượ c

gọi là các bộ biến đổi A/D kiểu bám.

Bộ chuyển đổi

hướ ng đếm

Bộ tạo

nhị p

Bộ biến

đổi

D/A

Uchu n

Bộ đếm thuận

nghịch

Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1Z0

+Ue - U(Z)

U(Z)





- 10 -

Để ngăn ngừa sự làm việc tiế p tục của bộ đếm đến khi đạt đượ c sự san bằng

trong bit tiế p sau, bộ đếm sẽ tạm ngừng nếu hiệu số Ue-U(z) nhỏ hơ n LSBU 2

1

Khác vớ i phươ ng pháp tr ọng số, ở đây các số trên lối ra có thể biểu diễn đủ

đơ n giản dướ i dạng nhị thậ p phân. Muốn vậy, thay cho bộ đếm nhị phân, ngườ i ta

dùng bộ đếm nhị - thậ p phân. Việc đơ n giản đơ n vị điều khiển so vớ i phươ ng pháp

tr ọng số sẽ đạt đượ c bằng cách giảm nhỏ tốc độ biến đổi, bở i vì điện áp bù đượ c thay

đổi bở i các thềm ULSB. Ở tr ườ ng hợ p điện áp vào thay đổi chậm thì vẫn có thể nhận

đượ c thờ i gian động tác nhỏ bở i vì nhờ tính chất bám, sự xấ p xỉ mang tính liên tục

mà không bắt đầu từ “không” như trong phươ ng pháp tính tr ọng số.

2.4.2. Phươ ng pháp đ i ệ n áp r ăng cư a:

Nguyên lý làm việc của phươ ng pháp này tr ướ c hết dựa trên việc biểu diễn

điện áp r ăng cưa và các bộ so sánh K1, K2 (hình 7).

Hình 7: Bộ bi ế n đổ i A/D làm vi ệ c theo phươ ng pháp r ăng cư a.

Điện áp r ăng cưa tăng từ giá tr ị âm đến giá tr ị dươ ng theo luật:

Vot U

V chuanS −=

τ

Lối ra của phần tử logic XOR giữ ở tr ạng thái “1” cho đến khi điện áp r ăng

cưa còn nằm trong dải từ 0 đến Ue. Thờ i gian tươ ng ứng vớ i quá trình đó bằng:

UeU

t chuan

τ

=Δ

Ue

Bộ tạo sóng

thạch anh

Bộ chỉ

thị

Bộ tạo điện

áp r ăng cưa

Uchuẩn

VS

+

-

-

+

Bộ

đếm

K1

K2Z f

UeU

tf Z

chuan

=





- 11 -

Để xác định nó, ngườ i ta đếm số dao động đượ c tạo ra bở i một bộ tạo sóng

thạch anh. Nếu tr ướ c lúc tiến hành phép đo ta lậ p bộ đếm ở tr ạng thái “0” thì khi vượ t

qua ngưỡ ng trên của bộ so sánh, trong bộ đếm sẽ có mã:

Ue

U

f

T

t Z

chuan

τ

=Δ

=

Nếu trên lối vào có điện áp âm thì thoạt tiên điện áp r ăng cưa đạt giá tr ị của

điện áp vào r ồi sau đó đi qua giá tr ị 0. Theo trình tự này có thể xác định đượ c dấu

của điện áp đo. Độ dải đo cũng giống như trong tr ườ ng hợ p tín hiệu dươ ng, nó chỉ

phụ thuộc vào biên độ của điện áp đo. Sau mỗi lần đo bộ đếm lại lặ p về “0” và điện

áp r ăng cưa lại có giá tr ị âm ban đầu, để đảm bảo cho việc đưa ra các số liệu ổn định

thì k ết quả dướ i dạng số tr ướ c đó thườ ng đượ c nhớ trong khi tạo số mớ i. Khi san

bằng liên tục bằng phươ ng pháp bù thì điều này là không cần thiết vì r ằng sau khi san

bằng tr ạng thái biến đổi của bộ đếm không thay đổi nếu Ue giữ nguyên.

Như thấy từ công thức trên, sự tản mát của hằng số thờ i gian τ tr ực tiế p ảnh

hưở ng đế độ chính xác của phép đo. Bở i vì độ chính xác đượ c xác định bở i mạch

RC, cho nên độ trôi thờ i gian và nhiệt độ của tụ điện cũng ảnh hưở ng đến nó. Vì các

nguyên nhân này mà độ chính xác khó vượ t qua 0,1%

2.4.3. Phươ ng pháp tích phân kép:

Phươ ng pháp đo thứ hai khi đó không chỉ điện áp chuẩn, mà cả điện áp cũng

đượ c lấy tích phân minh hoạ ở hình 8. Ở tr ạng thái r ỗi, các khoá S1 và S2 hở mạch

còn khoá S3 kín mạch. Điện áp ra khỏi bộ tích phân bằng không.

Khi bắt đầu đo: Khoá S3 hở mạch ra còn khoá S1 kín mạch lại. Vì vậy điện áp

vào đượ c lấy tích phân. Thờ i gian lấy tích phân điện áp vào là cố định. Bộ thờ i 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:

( )τ τ

T UenUedt t U

t 1

1

0

11

1−=−= ∫

ở đây: n1 là số xung nhị p xác định bở i bộ đếm thờ i gian tích phân;T là k ỳ của bộ tạo nhị p.





- 12 -

Hình 8. Bộ bi ế n đổ i A/D thự c hi ệ n bằng phươ ng pháp tích phân kép.

Hình 9: Đườ ng thờ i gian của đ i ệ n áp ra khỏi bộ tích phân

đố i vớ i các đ i ệ n áp khác nhau

Sau khi k ết thúc phép đo, để xác định các giá tr ị số thì khoá S1 hở mạch ra,

điện áp chuẩn đượ c đặt tớ i bộ tích phân qua khoá S2. Khi đó điện áp chuẩn sau khi

chọn đượ c ngượ c dấu vớ i điện áp vào. Như vậy, điện áp ra lại giảm đi như mô ta

trên hình (11). Khoảng thờ i gian lại đó điện áp ra tr ở nên bằng không đượ c xác định

nhờ bộ so sánh và bộ đếm k ết quả.

( )1122 t U U

T nt chuan

τ

==

ta có k ết quả:

12 nU

Uen Z

chuan

==

t2U1

Tích phân Ue Tích phânUchuẩn

t

t1

1n

U

eU Z

chuan

=

Ue

Thiết bị điềukhiển

Bộ tạo

nhị p

Bộ đếm thờ igian tích phân

Uchuẩn

S1

+

-

Bộ đếm

k ết quả

S2 U1

S3

C1 -+

-

+

Bộ chỉ

thị

t2t1

bộ tích phân

bộ so sánh





- 13 -

Từ công thức trên ta thấy r ằng: Đặc điểm nổi bật của phươ ng pháp này là tần

số nhị p 1/T và hằng số tích phân τ = RC1 không hề ảnh hưở ng đến k ết quả. Chỉ yêu

cầu làm sao để trong khoảng thờ i gian t1+t2, tần số nhị p không đổi. Điều này có thể

đảm bảo ngay cả khi dùng các bộ tạo nhị p đơ n giản, từ đây hiển nhiên là bằng

phươ ng pháp này dễ dàng đạt đến độ chính xác 0,01%.

Khi đưa ra các biểu thức ở trên ta thấy r ằng trong k ết quả cuối cùng không có

các giá tr ị tức thờ i của điện áp đo, mà chỉ có các giá tr ị trung bình trong thờ i 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 nhị p

đượ c chọn một cách hợ p lý sao cho tr ị số t1 hoặc là bằng chu k ỳ dao động của điện áp

lướ i, hoặc là bằng bội số của nó. Trong tr ườ ng hợ p này tất cả các tác động của điện

lướ i sẽ bị loại tr ừ.

Do có phươ ng pháp tích phân kép mà bằng những giải pháp đơ n giản để cóthể đảm bảo đượ c độ chính xác cho và triệt đượ c nhiễu cho nên ngườ i ta sử dụng nó

trong các vôn mét số. Thờ i gian biểu diễn tươ ng đối lớ n cũng không cản tr ở đến các

ứng dụng như vậy.

2.4.4. Hi ệ u chỉ nh t ự động đ i ể m không:

Trong phươ ng pháp tích phân kép chúng ta thấy r ằng: hằng số thờ i gian

τ=RC1 và tần số nhị p f=1/T không ảnh hưở ng gì đến k ết quả. Do đó độ chính xác,

trong một mức độ r ất lớ n, đượ c quyết định bở i sự biến động giá tr ị của điện áp chuẩn

và của độ xê dịch điểm không của bộ tích phân và bộ so sánh.

Có thể khắc phục hiện tượ ng dịch chuyển điểm không bằng cách hiệu chỉnh tự

động. Muốn vậy, khoá S3 thườ ng kín mạch (hình 8) đượ c thay đổi bở i một mạch

điều chỉnh như vẽ trên hình 10. Nhờ mạch này mà bộ tích phân đượ c lậ p ở tr ạng thái

cần thiết ban đầu.

Ở tr ạng thái nghỉ, khoá S3 kín mạch. Vì vậy bộ tích phân và bộ tiền khuếch

đại trên lối vào bộ so sánh tạo thành một bộ lặ p điện áp. Điện áp ra UK của nó đặt lên

tụ C N. Để hiệu chỉnh không ngườ i ta kín mạch khoá S4 lại và trên lối vào bộ tích

phân có điện áp không.

K ết quả là UK đượ c bổ sung thêm một lượ ng hiệu chỉnh bằng U01 - IBR. Ở đây,

Uo1 là điện áp dịch của bộ tích phân, còn IB là dòng vào t ĩ nh. Ở tr ạng thái xác lậ p,

nhờ có bù mà dòng qua C1 (như trong bộ tích phân lý tưở ng) bằng không.

Khi lấy tích phân điện áp vào, các khoá S3 và S4 hở mạch ra còn S1 đượ c kín

mạch lại. Bở i vì trong khoảng thờ i gian này điện áp UK trên tụ C N đượ c nhớ , cho nên





- 14 -

vị trí không trong pha lấy tích phân đượ c hiệu chỉnh. Lúc đó trên độ trôi điểm không

đượ c quyết định chỉ bở i mất độ ổn định tức thờ i.

Hình 10: Phươ ng pháp tích phân kép có hi ệ u chỉ nh t ự động đ i ể m không

Sai số dịch trong bộ so sánh cũng có thể đượ c hiệu chỉnh ở một mức độ đáng

k ể. Ở tr ạng thái nghỉ, điện áp ra bộ tích phân U1 đượ c lậ p không phải ở không như

trong các mạch khảo sát tr ướ c đây, mà dịch đi một điện áp bằng thiên áp của tiền

khuếch đại, tức là ngay sát điện áp ngưỡ ng của bộ chuyển mạch.

Bở i vì trong vòng bù có 2 bộ khuếch đại liên tiế p, cho nên r ất dễ xuất hiện

kích. Để ổn định, có thể dấu một điện tr ở nối tiế p vớ i tụ C N. Ngoài ra, hệ số khuếch

đại của bộ tiền khuếch đại đượ c hạn chế một cách hợ p lý ở mức dướ i 100. Nhờ vậy

mà việc nhận đượ c một thờ i gian tr ễ nhỏ (điều này cần thiết cho hoạt động của so

sánh) cũng đơ n giản hơ n.

Các bộ biến đổi A/D kiểu tích phân đượ c chế tạo dướ i dạng các mạch CMOS

đơ n khối. Có thể chia chúng thành 2 nhóm chính: loại có lối ra song song để dùng

chung (đặc biệt để xử lý lại số liệu k ết hợ p vớ i máy vi tính) và loại có các lối ra dồn

kênh nhị - thậ p phân dùng để điều khiển các bộ chỉ thị.

III. Sai số trong biến đổi tươ ng tự – số (ADC)

3.1. Sai số t ĩ nh

Khi biến đổi các giá tr ị tươ ng tự

(Analog) thành số (Digital) vớ i số bit

hữu hạn thườ ng xuất hiện sai số hệ

thống. Các sai số này gọi là sai số

lượ ng tử. Theo minh hoạ ở hình 1 nóUE

UZ

+1/2ULSB

-1/2ULSB

UA(z)

Hình 11. S ự xuấ t hi ệ n của t ạ p âm l ượ ng

S3

C UK

Bộ tích phân

Bộ khuyếch đạiBộ so sánh

Đến thiết bị điều khiển

UI

RC I

U

chuẩn +

-

-

+ +

--

+

Ue





- 15 -

vào khoảng ±1/2ULSB tức là có tr ị số

bằng một nửa sai số của điện áp vào cần

thiết để làm thay đổi mã trong các bit

tr ẻ.

Nếu bằng một bộ biến đổi D/A ta biến đổi ngượ c số nhận đượ c thành điện áp

thì sẽ phát hiện sai số lượ ng tử dướ i dạng tạ p âm.

Bên cạnh sai số hệ thống do lượ ng tử hoá còn có sai số đáng k ể do mạch gây

ra. Nếu các điểm giữa của các bậc trên đườ ng gấ p khúc lý tưở ng ở hình 11 đượ c nối

liền vớ i nhau thì ta có một đườ ng thẳng vớ i một hệ số góc duy nhất xuất phát từ gốc

toạ độ. Trong các bộ biến đổi A/D thực tế đườ ng 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 tươ ng đối giữa tr ị số gia và tr ị số nguyên thuỷ. Ngượ c lại, sai số dịch lại tạo ra sai số hằng số tuyệt đối.

Sai số hệ thống do lượ ng tử hoá có thể dẫn tớ i tình tr ạng phi tuyến tính của

đặc tuyến trong tr ườ ng hợ p các bậc không đều nhau. Khi xác định các sai số tuyến

tính ngườ i ta hiệu chỉnh các vị trí 0 và hiệu chỉnh độ khuếch đại r ồi phát hiện độ lệch

lớ n nhất giữa điện áp vào và đườ ng thẳng lý tưở ng. Tr ị số này sau khi giảm đi sai số

lượ ng tử bằng 1/2ULSB thí chính là tổng các sai số phi tuyến.

3.2. Sai số động:

Trong các Vôn k ế số, xuất phát từ hiện tượ ng là: trong suốt thờ i gian biến đổithì điện áp vào là không đổi. Khi xử lý tín hiệu, ngượ c lại điện áp vào lại liên tục

biến đổi. Trong xử lý số, qua các khoảng thờ i 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 đượ c

biến đổi thành dạng số nhờ bộ biến đổi A/D. Dãy số tươ ng ứng chỉ mô tả đủ chính

xác tín hiệu liên tục ở lối vào khi thoả mãn định lý về r ờ i r ạc hoá: t ần số l ấ y mẫ u f A ít

nhấ t phải l ớ n hơ n 2 l ần t ần số l ớ n nhấ t của tín hi ệ u f MAX . Vì thế thờ i gian biến đổi

của bộ biến đổi A/D cần phải nhỏ hơ n 1/2 f MAX .

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 đượ c khảo sát k ết hợ p. Thí dụ, sẽ không

có ý nghã sử dụng bộ biến đổi A/D 12 bit mà phần tử nhớ -trích mẫu sau thờ i gian tác

động không tăng tr ưở ng đến tr ị số bằng 1/212

≈ 0,025% dải đo.

Một sai số động khác gây ra bở i độ bất định thờ i gian (khe) ΔtA của điểm lấy

mẫu kéo theo độ bất định của giá tr ị Δ U của điện áp mẫu (hình 12). Thờ i gian của

khe chỉ tạo ra một độ tr ễ cố định. Khi tính toán sai số cực đại ta giả thiết r ằng tín





- 16 -

hiệu vào là hình sin có tần số bằng tần số cực đại cho phép f MAX. Độ nghiêng lớ n

nhất của đườ ng xuất hiện vào lúc đi qua không. max

0

ˆω U

dt

dU

t

==

Từ đó ta có các số biên độ: At U U Δ=Δ max

ˆω

Nếu nó cần phải nhỏ hơ n tr ị số của mức lượ ng tử ULSB của bộ biến đổi A/D thì

điều kiện thờ i gian của khe có dạng:

max2

1ˆmax

max ω ω U

U

U

U t LSB LSB A =<Δ

ở các tần số cao của tín hiệu r ất khó thoả mãn điều kiện này. Thí dụ hằng số sau đay

sẽ nhận điều đó: đối vớ i bộ biến đổi 8 bit thì ULSB/UMAX=1/255. Nếu tần số cực đại

của tín hiệu bằng 100Mhz thì thờ i gian bất định nhỏ hơ n 125 psec.

Hình 12: Hi ệ u ứ ng khe

3.3. Sai số bù, sai số t ăng ích và sai số tuyế n 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 tr ị của điện áp ngưỡ ng T(k) từ giá tr ị bình thườ ng. T(k) là mức ngưỡ ng giữa các

mã. Có khả năng xác định đượ c sai số bù từ phép đo điện áp ngưỡ ng đơ n tại điểm

giữa của khoảng chuyển đổi. Nhưng nếu phép đo này có sai số tăng ích và sai số phi

tuyến, thì thườ ng xác định sai độ bù. Một phươ ng pháp đo r ất hay dùng là phươ ng

pháp bình phươ ng nhỏ nhất để đặt giá tr ị ngưỡ ng T(k) tớ i giá tr ị T(k) lý tưở ng. Giá

tr ị bù cần thiết để có đượ c sự thích hợ p tốt nhất của gía tr ị thực tế vớ i giá tr ị lý tưở ng

là giá tr ị bù của bộ chuyển đổi.

Cũng như vậy, sai số tăng ích là một khoảng của điện áp ngưỡ ng cao hơ n hoặc

thấ p hơ n so vớ i giá tr ị tuyệt đối. Một cách tươ ng đươ ng, sai số tăng ích tồn tại nếu

độ r ộng thu của mã trung bình cao hơ n hoặc thấ p hơ n so vớ i giá tr ị Q bình thườ ng.

U ˆ e

ΔtA

ΔU

Ue

t





- 17 -

Thêm vào đó, sai số tăng ích có thể đạt đượ c bằng cách tạo ra đườ ng thích hợ p nhất

(trên đồ thị đặc tuyến) của giá tr ị T(k) vớ i giá tr ị lý tưở ng của nó.

Sai số tuyến tính đượ c định ngh ĩ a 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 là sự sai khác của mức ngưỡ ng T(k) so vớ igiá tr ị bình thườ ng của nó sau khi đã loại bỏ các sai số bù và tăng ích. Độ phi tuyến

vi phân lại đại diện cho sự sai khác của độ r ộng nhị phân W(k) so vớ i giá tr ị Q bình

thườ ng, tất nhiên là sau khi đã sửa sai số tăng ích. W(k) là độ r ộng mã nhị phân.

Sai số INL và DNL thườ ng đượ c biểu diễn bằng đơ n vị bit tr ọng số nhỏ nhất

(LSB - Least Significant Bits), vớ i LSB = Q. Sai số phi tuyến tích phân biểu diễn

theo LSB có giá tr ị :

INL( )k T k k 1 Q

Q

=( ) - ( - )

víi k = 2 tíi 2n

-1

trong công thức trên đã bỏ qua sai số bù và sai số tăng ích và T(1) = 0.

Tươ ng tự, sai số phi tuyến vi phân theo LSB là

DNL( )k W k Q

Q =

( ) -víi k = 1 tíi 2

n-2

Rõ ràng là INL và DNL có quan hệ vớ i nhau. Trong thực tế, DNL là vi phân

thứ nhất của INL, ngh ĩ a là :

DNL(k ) = INL(k+1) - INL(k )

Hai thông số chất lượ ng của đặc tuyến ADC liên quan đến INL và ANL là mã

ẩn (missing code) và tính đơ n điệu (monotonicity).

Nếu một ADC có một số mã không bao giờ xuất hiện tại đầu ra, thì bộ chuyển

đổi ADC đó đượ c gọi là có mã ẩn. Điều này tươ ng đươ ng vớ i độ r ộng nhị phân

W(k )=0 tại mã đó và kèm theo một sai số DNL khá lớ n.

Tính đơ n điệu là khi đầu ra của ADC tăng hoặc giảm tuyến tính theo tín hiệu

đầu vào. Khi kiểm tra tính đơ n điệu của ADC, các ảnh hưở ng của nhiễu phải đượ cloại bỏ.

Sưu tm bi: www daihoc com vnSưu tm bi: www daihoc com vn

Documents

Ky Thuat Bien Doi Tuong Tu So Sang ADC