Đề tài Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Lêi nãi ®Çu Ngµy nay, víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña khoa häc kü thuËt. §Æc biÖt, trong lÜnh vùc c«ng nghÖ th«ng tin ®· t¹o lªn mét ®éng lùc thóc ®Èy vµ ph¸t triÓn c¸c ngµnh c«ng nghiÖp kh¸c nh»m phôc vô vµ ®¸p øng ®­îc nhu cÇu cña con ng­êi trong cuéc sèng. Con ng­êi víi sù trî gióp cña m¸y mãc, nh÷ng c«ng cô th«ng minh ®· kh«ng ph¶i trùc tiÕp lµm viÖc, hay nh÷ng c«ng viÖc mµ con ng­êi kh«ng thÓ lµm ®­îc víi kh¶ n¨ng cña m×nh mµ chØ viÖc ®iÒu khiÓn chóng hay chóng lµm viÖc hoµn toµn tù ®éng ®· mang l¹i nh÷ng lîi Ých hÕt søc to lín, gi¶m nhÑ vµ tèi ­u ho¸ c«ng viÖc.Víi sù tiÕn bé nµy ®· ®¸p øng ®­îc nh÷ng nhu cÇu cña con ng­êi trong cuéc sèng hiÖn ®¹i nãi chung vµ trong sù ph¸t triÓn h¬n n÷a cña nh÷ng øng dông trong viÖc nghiªn cøu, ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt cña c¸c nhµ khoa häc nãi riªng §èi víi nh÷ng häc viªn c«ng nghÖ phÇn cøng chóng ta th× viÖc nghiªn cøu, t×m hiÓu vµ thùc nghiÖm kh¶o s¸t c¸c ®Æc tÝnh cña bé chuyÓn ®æi tÝn hiÖu t­¬ng tù thµnh tÝn hiÖu sè (ADC) vµ ng­îc l¹i (DAC) cã ý nghÜa thùc tÕ hÕt søc quan träng. Nã kh«ng nh÷ng trang bÞ cho chóng ta nh÷ng kiÕn thøc s©u réng, hiÖn ®¹i mµ cßn t¹o cho chóng ta nh÷ng kü n¨ng lµm viÖc còng nh­ nh÷ng kinh nghiÖm quý gi¸ trong lÜnh vùc c«ng nghÖ th«ng tin ®Ó theo kÞp víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kü thuËt ngµy nay khi tèt nghiÖp ra tr­ßng Trong suèt thêi gian qua, víi nh÷ng kiÕn thøc ®­îc häc ë tr­êng cïng víi sù gióp ®ì cña th.s.Hµ M¹nh §µo vµ c¸c thÇy c« trong trung t©m, chóng em ®i s©u viÖc nghiªn cøu, t×m hiÓu vµ thùc nghiÖm kh¶o s¸t c¸c ®Æc tÝnh cña bé chuyÓn ®æi tÝn hiÖu t­¬ng tù thµnh tÝn hiÖu sè (ADC) vµ ng­îc l¹i (DAC). Tuy ®Ò tµi kh«ng ph¶i lµ míi nh­ng hiÓu ®­îc nã vµ øng dông nã cã ý nghÜa hÕt søc thiÕt thùc. Nã chÝnh lµ c¬ së ®Ó thiÕt kÕ nh÷ng hÖ thèng tù ®éng ho¸ ®¬n gi¶n, còng nh­ lµ nh÷ng hÖ thèng phøc t¹p ®­îc øng dông réng r·i trong khoa häc vµ ®êi sèng Do kiÕn thóc cßn h¹n chÕ, céng víi thêi gian tÝch luü ch­a nhiÒu nªn b¶n ®å ¸n nµy kh«ng tr¸nh khái thiÕu sãt vµ cßn nhiÒu vÊn ®Ò ch­a ®Ò cËp ®Õn hoÆc cã nh­ng ch­a ®i s©u, chóng em rÊt mong nhËn ®­îc sù gãp ý cña c¸c thÇy c« vµ c¸c b¹n trong chuyªn ngµnh phÇn cøng nãi riªng vµ trong toµn trung t©m ®µo t¹o c«ng nghÖ cao b¸ch khoa nãi chung Chóng em xin ch©n thµnh c¸m ¬n th.s.Hµ M¹nh §µo cïng c¸c thÇy c« trong trung t©m ®µo t¹o c«ng nghÖ cao b¸ch khoa ®· tËn t×nh h­íng dÉn vµ t¹o nhiÒu ®iÒu kiÖn tèt trong qu¸ tr×nh häc tËp còng nh­ trong qu¸ tr×nh hoµn thµnh b¶n ®å ¸n nµy PhÇn më ®Çu Cïng víi sù tiÕn bé cña khoa häc vµ c«ng nghÖ, c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö ®ang vµ sÏ tiÕp tôc ®­îc øng dông ngµy cµng réng r·i vµ mang l¹i hiÖu qña cao trong hÇu hÕt c¸c lÜnh vùc kinh tÕ, kü thuËt còng nh­ trong ®êi sèng x· héi.TiÕp nhËn nh÷ng thµnh tùu cña khoa häc- kü thuËt ®ã, ngµy nay viÖc gia c«ng, truyÒn ®¹t vµ xö lý tÝn hiÖu trong c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö tõ ®¬n gi¶n ®Õn hiÖn ®¹i ®Òu dùa trªn c¬ së nguyªn lý sè , v× nh÷ng thiÕt bÞ lµm viÖc trªn c¬ së nguyªn lý sè cã nh÷ng ­u ®iÓm h¬n h¼n c¸ thiÕt bÞ lµm viÖc trªn c¬ së nguyªn lý t­¬ng tù, ®Æc biÖt lµ trong kü thuËt tÝnh to¸n, kü thuËt ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn vµ ®Æc biÖt h¬n víi sù gióp ®ì cña m¸y tÝnh ®­îc øng dông réng r·i ngµy nay.Víi sù ra ®êi c¸c hÖ thèng sè ®· c¶i thiÖn , tèi ­u nh÷ng nh­îc ®iÓm mµ kü thuËt t­¬ng tù kh«ng ®¸p øng ®­îc ch¼ng h¹n nh­ sai sè, tèc ®é, tÇn sè lµm viÖc, tæn hao .v.v... Tuy nhiªn, tÝn hiÖu tù nhiªn bao gåm c¸c ®¹i l­îng vËt lý, ho¸ häc, sinh häc... lµ c¸c ®¹i l­îng biÕn thiªn theo thêi gian hay nãi c¸ch kh¸c nã lµ c¸c ®¹i l­îng t­¬ng tù, ®Ó phèi ghÐp víi nguån tÝn hiÖu t­¬ng tù víi nguån xö lý sè, nghÜa lµ ®Ó xö lý tÝn hiÖu th«ng qua mét hÖ thèng sè ta ph¶i cã c¸c m¹ch chuyÓn ®æi tÝn hiÖu tõ d¹ng t­¬ng tù sang d¹ng sè ADC (The Analog to Digital Convertor), tÝn hiÖu sau khi ®· ®­îc chuyÓn ®æi ®­îc xö lý qua mét hÖ thèng xö lý tÝn hiÖu sè vµ ®­îc tr¶ l¹i d¹ng tÝn hiÖu ban ®Çu, ®ã lµ tÝn hiÖu t­¬ng tù th«ng qua m¹ch chuyÓn ®æi tÝn hiÖu sè-t­¬ng tù DAC (The Digital to Analog Convertor ). Ngµy nay, cïng víi sù bïng næ cña c«ng nghÖ th«ng tin, m¸y tÝnh ®ãng vai trß hÕt søc to lín vµ th©m nhËp ngµy cµng s©u vµo ®êi sèng kinh tÕ, x· héi vµ ®Æc biÖt gãp phÇn vµo viÖc nghin cøu ph¸t triÓn nh÷ng ngµnh khoa häc míi, ®¬n cö nh­ nh÷ng hÖ thèng tù ®éng ho¸ ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh mµ ta sÏ ®Ì cËp d­íi ®©y. §Ó më réng tÇm øng dông, còng nh­ kh¶ n¨ng can thiÖp s©u cña kü thuËt m¸y tÝnh vµo c¸c lÜnh vùc kh¸c nhau. Chóng ta ph¶i cã mèi quan hÖ chÆt chÏ gi÷a chóng, nghÜa lµ kh¶ n¨ng kÕt nèi m¸y tÝnh còng nh­ viÖc kÕt nèi m¸y tÝnh víi thiÕt bÞ ngo¹i vi, tuú theo yªu cÇu vµ nhiÑm vô cô thÓ còng nh­ vËt t­ thiÕt bÞ cã trong tay mµ viÖc thiÕt kÕ mét hÖ thèng ghÐp nèi m¸y tÝnh kh¸c nhau víi nhiÒu môc ®Ých kh¸c nhau. §Æc biÖt ®­îc øng dông réng r·i trong ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng. Tuy nhiªn, ®Ó cã ®­îc ®iÒu ®ã cÇn ph¶i cã sù phèi ghÐp gi÷a hai nguån tÝn hiÖu ®ã lµ nguån tÝn hiÖu t­¬ng tù vµ nguån tÝn hiÖu sè. ViÖc nµy hÕt søc quan träng vµ kh«ng thÓ thiÕu ®­îc trong hÖ thèng xö lý sè, kh«ng nh÷ng thÕ viÖc nghiªn cøu t×m hiÓu nã cho ta biÕt ®­îc kh¶ n¨ng lµm viÖc, ®ä chÝnh x¸c cña hÖ thèng còng nh­ ®é tin cËy cña hÖ thèng PhÇn 1 Tæng quan vÒ kü thuËt chuyÓn ®æi tÝn hiÖu øng dông trong ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh Ch­¬ng 1 ChuyÓn ®æi t­¬ng tù – sè ADC (The Analog to Digital Convertor) 1 .Nguyªn lý c¬ b¶n cña chuyÓn ®æi t­¬ng tù – sè (ADC basic principles) TÝn hiÖu t­¬ng tù lµ tÝn hiÖunbiÕn thiªn liªn tôc theo thêi gian, tÝn hiÖu sè m· ho¸ lµ rêi rac theo th¬i gian. §Ó chuûªn ®æi tÝn hiÖu t­¬ng tù sang d¹ng tÝn hiÖu sè ®ßi hái ph¶i l­îng tö ho¸ biªn ®é vµ rêi r¹c ho¸ trôc thêi gian tÝn hiÖu sè liªn tôc. §Ó cã ®­îc ®iÒu nµy, cÇn ph¶i lÊy mÉu tÝn hiÖu t­¬ng tù t¹i nh÷ng kho¶ng thêi gian nh­ nhau sau ®ã chuyÓn ®æi c¸c gi¸ trÞ mÉu thµnh sè. Nh­ vËy, nguyªn lý chung cña sù chuyÓn ®æi lµ: - lÊy mÉu - nhí mÉu - l­îng tö ho¸ - m· ho¸ 1.1. LÊy mÉu tÝn hiÖu (Singnal sample) ViÖc lÊy m©ò tÝn hiÖu t­¬ng tù t¹i nh÷ng kho¶ng thêi gian sao cho tÝn hiÖu sè ®­îc m· ho¸ cã thÓ kh«i phôc l¹i tÝn hiÖu cò mét c¸ch trung thùc, Ýt ¶nh h­ëng cña nhiÔu vµ sai sè do qu¸ tr×nh lÊy mÉu. Theo ®Þnh lý lÊy mÉu cña Kacchenikop hay ®Þnh lý lÊy mÉu cña Sharnon th× ®Ó kh«i phôc l¹i tÝn hiÖu cò cã ®é trung thùc tèi thiÓu th× tÇn sè cña tÝn hiÖu lÊy mÉu ph¶i cã ®é lín tèi thiÓu b»ng hai lÇn tÇn sè lín nhÊt cña phæ tÝn hiÖu t­¬ng tù: (1). Víi: lµ tÇn sè max cña d¶i phæ tÝn hiÖu t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi lµ tÇn sè lÊy mÉu NÕu: th× ta gäi tÇn sè lÊy mÉu nµy lµ tµn sè Nyguist. Chu kú Nyguist: (2). 0 t U,i 0 t U,i H×nh 1. TÝn hiÖu t­¬ng tù vµ tÝn hiÖu sau khi l­îng tö vµ rêi r¹c ho¸ Nh­ vËy, mét tÝn hiÖu t­¬ng tù cã hµm tin x(t) nµo ®ã x¸c ®Þnh trong kho¶ng () hoµn toµn cã thÓ kh«i phôc tõ c¸c mÉu rêi r¹c cña nã x(k.) theo c«ng thøc: X (t) = .x(k.). (3). Víi : tÇn sè cao nhÊt trong phæ x(t) : b­íc rêi r¹c ho¸ hay tÇn sè lÊy mÉu: (4). (tÇn sè lÊy mÉu lín gÊp hai lÇn tÇn sè cao nhÊt cña x(t) ) Nh­ vËy sè mÉu cÇn lÊy lµ: (5). GØa sö coi nh­ bÒ réng phæ cña ©m thanh chÊt l­îng cao cã tÇn sè lµ : .Nh­ vËy, tÇn sè lÊy mÉu tÝn hiÖu theo ®Þnh lý trªn : 2. L­îng tö ho¸ vµ m· ho¸ tÝn hiÖu (signal Coding and Quantization). Sau khi tÝnh to¸n x¸c ®Þnh tÇn sè lÊy mÉu cña tÝn hiÖu b»ng®Þnh lý lÊy mÉu ta ®­îc d·y c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c.Thùc hiÖn viÖc l­îng tö ho¸ biªn ®é cña tÝn hiÖu t­¬ng tù, lµ biÕn d·y c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c bÊt kú ®ã thµnh d·y c¸c gi¸ trÞ nguyªn x(k) b»ng c¸ch hÕt søc ®¬n gi¶n lµ quy trß c¸c gi¸ trÞ ®ã. Tuy nhiªn, ph¶i x¸c ®Þnh ®­îc møc quy trßn (gi¸ trÞ nµy gäi lµ møc l­îng tö ho¸), ®iÒu nµy sÏ g©y ra sai sè l­îng tö ho¸ , tÊt nhiªn ta cã thÓ h¹n chÕ sai sè nµy mét c¸ch tèi thiÓu lµ t¨ng tÇn sè lÊy mÉu. Sè mÉu cµng lín th× sai sè cµng nhá, ®iÒu nµy thÓ hiÖn qua sè bit ®Çu ra cñ bé chuyÓn ®æi, ng­êi ta dùa vµo tham sè nµy ®Ó ®¸nh gi¸ chÊt l­äng chuyÓn ®æi còng nh­ ®é trung thùc cña tÝn hiÖu kh«i phôc. C«ng thøc l­îng tö ho¸: (5). Víi: E lµ phÇn nguyªn. VD: Ta cã c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c sau khi lÊy mÉu tÝn hiÖu nh­ sau: Gi¸ trÞ rêi r¹c sau khi lÊy mÉu X(k.t) Gi¸ trÞ sau khi quy trßn 11.7 12 10.3 10 13.8 14 18.2 18 22.6 23 24.9 25 14.1 14 B¶ng 1. GÝa trÞ rêi r¹c sau khi lÊy mÉu vµ sau khi quy trßn Sau khi thùc hiÖn xong viÖc l­îng tö ho¸ tõ c¸c tÝn hiÖu rêi r¹c, ta thùc hiÖn viÖc m· ho¸ tÝn hiÖu sè. Tr­íc hÕt, ®Ó tiÕn hµnh m· ho¸ tÝn hiÖu theo m· nhÞ ph©n th× cÇn ph¶i xem tÝn hiÖu cÇn sè tõ m· tèi thiÓu lµ bao nhiªu, ®Ó cã d­îc ®iÒu nµy th× ph¶i dùa vµo gi¸ trÞ lín nhÊt cña mÉu. Víi con sè thËp ph©n, nÕu sö dông 4 con sè hËp ph©n ®Ó viÕt 1 con sè thËp ph©n th× ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: < sè thËp ph©n < T­¬ng tù víi sè nhÞ ph©n: (6). Nh­ vËy, sè bit cÇn thiÕt ®Ó tho· m· ho¸ lµ n bit. Ch¼ng h¹n: Sè bit trong mçi tõ m· lµ 5 bit. VËy ta cã c«ng thøc ®Ó x¸c ®Þnh sè bit lµ: suy ra: . (7). Ngoµi ra, nÕu con sè biÓu diÔn lµ c¸c con sè ®¹i sè th× cßn cã c¶ sè ©mvµ sè d­¬ng cho nªn trong tõ m· cßn cã thªm mét bit n÷a lµ bit dÊu ®Ó ph©n biÖt sè ©m vµ sè d­¬ng . Trªn c¬ së ®ã ta thùc hiÖn m· ho¸ c¸c gi¸ trÞ trªn : x(0.t) = (12)= 01100 x(1.t) = (10) = 01010 x(2.t) = (14) = 01110 x(3.t) = (18) = 10010 x(4.t) = (23) = 10111 x(5.t) = (25) = 11001 x(6.t) = (14) = 01110 §Ó ®¸nh gi¸ chÊt l­îng chuyÓn ®æi nghÜa lµ ®é trung thùc cña tÝn hiÖu kh«i phôc ng­êi ta x¸c ®Þnh sai sè l­îng tö cùc ®¹i: Sai sè l­îng tö cùc ®¹i: Sai sèl­îng tö cµng nháth× ®é trung thùc cña tÝn hiÖu sau khi kh«i phôc cµng cao Nh­ vËy, sau khi tÝn hiÖu t­¬ng tù ®­îc lÊy mÉu (rêi r¹c ho¸ thêi gian) vµ m· ho¸ (l­îng tö ho¸ vÒ biªn ®é) nã chuyÓn thµnh tÝn hiÖu sè nµy lµ c¸c gi¸ trÞ rêi r¹c ®ã. C¸ch biÓu diÔn theo hÖ thËp ph©n th­êng dïng ®Ó chØ thÞ sè ®o, cßn tr­êng hîp m¹ch biÕn ®æi AD lµ c¸c thiÕt bÞ sè th× th­êng dïng hÖ c¬ sè 2 (m· nhÞ ph©n) ®Ó biÓu diÔn tÝn hiÖu sè. GØa sö gäi tÝn hiÖu t­¬ng tù lµ , tÝn hiÖu sè lµ , ®­îc biÓu diÔn d­íi d¹ng m· nhÞ ph©n nh­ sau:(8). Trong ®ã, c¸c hÖ sè hoÆc b»ng 1 (víi k=0 ®Õn k=n-1) vµ ®­îc gäi lµ bit (binary digit). Trong ®ã, bit cã träng l­îng lín nhÊt ë bªn tr¸i vµ bit cã träng l­îng nhá nhÊt ë bªn ph¶i.ë ®©y lµ bit cã träng l­îng nhá nhÊt. Nh­ vËy, víi mét m¹ch biÕn ®æi cã N bit nghÜa lµ cã N sè h¹ng trong d·y m· nhÞ ph©n th× mçi nÊc trªn h×nh chiÕm mét gi¸ trÞ: (9). Trong ®ã: - lµ gi¸ trÞ cùc ®¹i cho phÐp cña diÖn ¸p t­¬ng tù ®Çu vµo ADC - lµ møc ®iÖn tö 2.c¸c tham sè c¬ b¶n ®Æc tr­ng cho chuyÓn ®æi t­¬ng tù sè + D¶i biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p t­¬ng tùu ®Çu vµo: Lµ kho¶ng ®iÖn ¸p mµ bé chuyÓn ®æi AD cã thÓ thùc hiÖn chuyÓn ®æi ®­îc. Kho¶ng ®iÖn ¸p ®ã cã thÓ lÊy c¸c gi¸ trÞ sè tõ 0 ®Õn mét sè d­¬ng hoÆc ©m nµo ®ã. Sè c¸c sè h¹ng cña m· sè cña ®Çu ra (sè bit trong m· nhÞ ph©n) t­¬ng øng víi d¶i biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p vµo cho biÕt møc chÝnh x¸c cña phÐp chuyÓn ®æi. VÝ dô: Mét ADC cã sè bit ë ®Çu ra N=12, nghÜa lµ mét tõ m· cã 12 con sè nhÞ ph©n th× ADC cã thÓ ph©n biÖt ®uîc =4096 møc ®iÖn ¸p trong d¶i biÕn ®æi ®iÖn ¸p vµo cña nã. §é ph©n biÖt cña mét ADC ®­îc ký hiÖu lµ Q (®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (4) ë trªn). Nh­ v¹y, ta cã thÓ ngÇm hiÓu sè bit N ®Ó ®Æc tr­ng cho ®é chÝnh x¸c. Tuy nhiªn, ngoµi sè bit ®Æc tr­ng cho ®é chÝnh x¸c cña bé chuyÓn ®æi trong thùc tÕ liªn quan ®Õn ®é chÝnh x¸c cña ADC cßn cã nh÷ng tham sè kh¸c nh­: Sai sè lÖch 0, sai sè ®¬n ®iÖu, sai sè khuyÕch ®¹i Lý t­ëng Thùc MÐo phi tuyÕn Sai sè khuÕch ®¹i Sai sè ®¬n ®iÖu Sai sè lÖch kh«ng 000 001 010 011 100 101 110 111 H×nh 2. ®Æc tyuÕn lý t­ëng vµ thùc cña bé chuyÓn ®æi ADC Nh­ vËy, so s¸nh hai ®­êng ®Æt tuyÕn truyÒn ®¹t lý t­ëng cña ADC lµ mét ®­êng bËc thang ®Òu vµ cã ®é dèc trung b×nh b»ng 1. §­êng ®Æc tuyÕn thùc cã sai sè lÖch kh«ng vµ lµ mét h×nh bËc thang kh«ng ®Òu do ¶nh h­ëng cña sai sè khuyÕch ®¹i, cña mÐo phi tuyÕn vµ sai sè ®¬n ®iÖu. Trong ®ã, sai sè khuyÕch ®¹i lµ sai sè gi÷a ®é dèc trung b×nh cña ®­êng ®Æc tuyÕn thùc víi ®é dèc trung b×nh cña ®­êng ®Æc tuyÕn lý t­ëng. Sai sè phi tuyÕn ®­îc ®Æc tr­ng bëi sù thay ®æi ®ä dèc ®­êng trung b×nh cña ®¹c tuyÕn thùc trong d¶i biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p vµo. Sai sè nµy lµm cho ®Æc tuyÕnchuyÓn ®æi cã d¹ng h×nh bËc thang kh«ng ®Òu. Cuèi cïng, sai sè ®¬n ®iÖu thùc chÊt còng do tÝnh phi tuyÕn cña ®­êng ®Æc tÝnh biÕn ®æi g©y ra. 3.CÊu t¹o, s¬ ®å khèi vµ nguyªn t¾c lµm viÖc cña ADC (ADC Composition, Diagram and Working Principle) 3.1 cÊu t¹o, s¬ ®è khèi (Diagram and Composition) M¹ch lÊy MÉu ADC L­îng tö ho¸ M· ho¸ UM UA UA UA UA h×nh 3.s¬ ®å khèi minh ho¹ nguyªn t¾c lµm viÖc cña ADC Nh­ vËy, mét bé chuyÓn ®æi bao gåm cã: M¹ch lÊy mÉu tÝn hiÖu, m¹ch l­îng tö ho¸ tÝn hiÖu vµ m¹ch m· ho¸ tÝn hiÖu. 3.2. Nguyªn t¾c lµm viÖc cña ADC (ADC Working Principle) Tr­íc hÕt, m¹ch l¸y mÉu tÝn hiÖu t­¬ng tù t¹i c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau ®Òu vµ c¸ch ®Òu nhau (rêi r¹c ho¸ tÝn hiÖu vÒ mÆt thßi gian), gi÷ cho biªn ®é ®iÖn ¸p t¹i c¸c thêi ®iÓm lÊy mÉu kh«ng ®æi trong qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi tiÕp theo. TÝn hiÖu ra m¹ch lÊy mÉu ®­îc ®­a tíi m¹ch l­îng tö ho¸ ®Ó thùc hiÖn lµm trßn víi biªn ®é chÝnh x¸c: . Sau m¹ch l­îng tö ho¸ lµ m¹ch m· ho¸. Trong m¹ch m· ho¸, kÕt qu¶ l­îng tö ho¸ ®­îc s¾p xÕp l¹i theo mét quy luËt nhÊt ®Þnh phô thuéc vµo lo¹i m· yªu cÈutªn ®Çu ra cña bé chuyÓn ®æi. 4. ph©n lo¹i chuyÓn ®æi t­¬ng tù-sè ADC . Cã nhiÒu c¸ch ph©n lo¹i chuyÓn ®æi t­¬ng tù-sè ADC , tuy nhiªn chñ yÕu ph©n lo¹i theo qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi vÒ mÆt thêi gian theo c¸ch ph©n lo¹i nµy cã 4 ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi AD nh­ sau: a.Ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi song song: Trong ph­¬ng ph¸p nµytÝn hiÖu ®­îc so s¸nh cïng mét lóc víi nnhiÒu gi¸ trÞ chuÈn. Do ®ã tÊt c¶ c¸c bit ®­îc x¸c ®Þnh ®ång thêi vµ ®­a ®Õn ®Çu ra. b.BiÕn ®æi theo m· ®Õm: ë ®©y, qu¸ tr×nh so s¸nh ®­îc thùc hiÖn lÇn l­ît tõng b­íc theo quy luËt cña m· ®Õm. KÕt qu¶ chuyÓn ®æi ®­îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®Õm sè l­îng gi¸ trÞ chuÈn cã thÓ chøa ®­îc trong gi¸ trÞ tÝn hiÖu t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi. c. BiÕn ®ái nèi tiÕp theo m· nhÞ ph©n: Qóa tr×nh so s¸nh ®ùoc thùc hiÖn lÇn l­ît tõng b­íc theo quy luËt m· nhÞ ph©n. C¸c ®¬n vÞ chu¶n dïng ®Ó so s¸nh lÊy c¸c gi¸ trÞ gi¶m dÇn, do ®ã c¸c bit ®­îc x¸c ®Þnh lÇn l­ît tõng bit cã nghÜa lín nhÊt ®Õn bit nhá nhÊt. d. BiÕn ®æi song-song nèi tiÕp kÕt hîp: Trong ph­¬ng ph¸p nµy mçi b­íc so s¸nhcã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh ®­îc tèi thiÓu lµ 2 bit ®ång thêi. Nh­ vËy, cã rÊt nhiÒu ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi, tuy nhiªn c¸c m¹ch th­c tÕ lµm viÖc theo nhiÒu ph­¬ng ph¸p kh¸c nhau. Nh­ng vÒ nguyªn t¾c chuyÓn ®æi ®Òu lµm theo nh÷ng ph­¬ng ph¸p trªn. Trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ mét hÖ thèng ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh, hay mét hÖ thèng ®o l­êng sè nµo ®ã tuú vµo yªu cÇucña hÖ thèng nh­ tèc ®é,®é chÝnh x¸c vËt t­ hiÖn cã mµ lùa chän ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi kh¸c nhau. Mçi ph­¬ng ph¸p ®Òu cã ­u nh­îc ®iÓm kh¸c nhau, chÝnh v× vËy viÖc nghin cøu nguyªn lý ho¹t ®éng , tÝnh n¨ng kü thu¹t cña tõng ph­¬ng ph¸p còng nh­ tõng m¹ch cô thÓ lµ nhiÖm vô cña ng­êi thiÕt kÕ. Sau ®©y ta t×m hiÓu tõng ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi: 4.1. Bé chuyÓn ®æi ADC theo ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n mét s­ên dèc (the Ramp type ADC). 4.1.1. S¬ ®å khèi : Bé t¹o U tuyÕn tÝnh Bé so s¸nh 2 Bé t¹o cöa thêi gian Bé ®Õm xung Bé t¹o xung ®Öm Bé ®iÒu khiÓn Bé so s¸nh 1 U0 + Ux U0 2n 21 20 H×nh 4. S¬ ®å khèi ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n mét s­ên dèc u U0 + Ux U0 t USS1 t USS2 t Uxung cöa DT Uxung chuÈn Uxung ®iÓm t t t H×nh 5 : Gi¶n ®å thêi gian  4.1.2.Nguyªn lý lµm viÖc Bé ®iÒu khتn t¹o xung ®iÒu khiÓn(Xung Clock), xung nµy cã nhiÖm vô xo¸ “0” bé ®Õm vµ t¹o ®iÖn ¸p r¨ng c­a.Nã chÝnh lµbé t¹o ®iÖn ¸p mÉu cã ®é mÐo nhá Bé so s¸nh cã nhiÖm vô so s¸nh ®iÖn ¸p cÇn ®o víi ®iÖn ¸p chuÈn. Mét ®Çu ra Bé so s¸nh 2 ®Çu vµo h×nh 6. bé so s¸nh Khi ®Æt 2 ®iÖn ¸p ®Çu vµo b»ng nhau th× cã xung ra t¹i thêi ®iÓn .Xung ra nµy kÝch bé t¹o cöa thêi gian lµ Triger ã hai tr¹ng th¸i æn ®Þnh vµ lµm cho bé cöa thêi gian tõ tr¹ng th¸i “0” chuyÓn sang tr¹ng th¸i “1”. Sau khi cã ®iÖn ¸p vµo bé so s¸nh 2 th× nã sÏ so s¸nh gi¸ trÞ vµ ®­a ra xung ®Õm t¹i thêi ®iÓm . Xung ®Õm nµy lµm cho bé t¹o xung chuyÓn tr¹ng th¸i tõ tr¹ng th¸i “1” sang tr¹ng th¸i “0” , ®ång thêi më cöa ®Ó bé t¹o xung ®Õm lät qua, c¸c xung nµy sÏ ®­îc l­u tr÷ t¹i c¸c thanh ghi cña bé ®Õm xung. Trong thùc tÕ, th­êng sö dông c¸c vi m¹ch khuyÕch ®¹i thuËt to¸n lµm bé so s¸nh. Ta thÊy r»ng ë s¬ ®å nguyªn lý ngoµi ®iÖn ¸p cÇn cho ®iÖn ¸p .§iÖn ¸p lµ ®iÖn ¸p ®­îc t¹on ra nh»m môc ®Ých ®o chÝnh x¸c gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p v× khi b¾t ®Çu qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi nã ch­a æn ®Þnh do tÝnh kh«ng ®­êng th¼ng. Ta cã: (10) Víi: (11) Suy ra: (12). V× = const = Gi¶ sö i = 0 = n. 4.1.3 Sai sè chuyÓn ®æi vµ c¸ch kh¾c phôc. §Ó thùc hiÖn ®o l­êng vµ chuyÓn ®æi b»ng m¸y tÝnh th«ng qua card ghÐp nèi chuyÓn ®æi t­¬ng tù-sè ADC ngoµi viÖc ph¶i hiÓu nguyªn lý ho¹t ®éng cña nã, ta cßn ph¶i biÕt tÝnh n¨ng ®o l­êng còng nh­ ®é chÝnh x¸c cña tõng bé chuyÓn ®æi. VËy ®é chÝnh x¸c cña bé chuyÓn ®æi sö dông ph­¬ng ph¸p trªn phô thuéc vµo c¸c yÕu tè g× ? * §Ó tr¶ lêi cho c©u hái trªn ta ph¶i xem xet tõng yÕu tè tuú thuéc: C¸c ®iÖn ¸p chuÈn + DiÖn ¸p r¨ng c­a khong tuyÕn tÝnh + TÇn sè kh«ng æn ®Þnh cã sai sè t­¬ng ®èi lín lín Do nhiÔu xung can thiÖp vao m¹ch biÕn ®æi Do sù kh«ng ®ång bé gi÷a xung më cöa vµ chuçi xung chuÈn dÉn ®Õn sai sè ph­¬ng ph¸p ®o * c¸ch kh¾c phôc: Tr­íc hÕt ph¶i t¹o ®iÖn ¸p chuÈn thËt chuÈn g% nhá, sai sè doTÇn sè nhá nhá Gi¶m sai sè ph­¬ng ph¸p, t¨ng tÇn sè xung chuÈn, tuy nhiªn còng ph¶i phô thuéc vµo ®é ph©n gi¶i cña bé ®Õm xung. 4.2. Bé chuyÓn ®æi AD theo ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n hai s­ên rèc. (The dual-slope integerating type A/D converter) 4.2.1. S¬ ®å khèi cÊu t¹o. Bé ®Öm M¹ch Logic §Õm Z0 T¹o xung nhÞp R c Uc Uch Ua M¹ch tÝch ph©n A1 Bé so s¸nh A2 M¹ch ADN U0 H×nh 7. s¬ ®å khèi cÊu t¹o bé chuyÓn ®æi theo ph­¬ng ph¸p hai s­ên dèc UC UA t t1 t2 t’2 0 U’c1 U’c2 H×nh 8. gi¶n ®å thêi gian 4.2.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng. M¹ch logic ®iÒu khiÓn, ®iÒu khiÓn cho kho¸ K ë vÞ trÝ 1 th× ®iÖn ¸p t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi n¹p ®iÖn cho tô C th«ng qua ®iÖn trë R t¹i thêi ®iÓm . Khi ®ã ë ®Çu ra cña m¹ch tÝch ph©n Cã ®iÖn ¸p ®­îc tÝnh theo c«ng thøc sau: (13). R C UchuÈn Uc H×nh 9. m¹ch tÝch ph©n Nh­ vËy, tû lÖ víi. Tuú theo lín hay bÐ mµ ®Æc tuyÕn cña cã ®é dèc kh¸c nhau. Trong thêi gian , bé ®Õm còng ®Õm c¸c xung nhÞp. Sau khi n¹p ®iÖn ¸p cÇn ®o cho tô ®iÖn C, m¹ch logic ®iÒu khiÓn sÏ chuyÓn kho¸ K sang vÞ trÝ 2 ®ång thêi tÝn hiÖu tõ m¹ch logic còng ®­îc ®­a ®Õn m¹ch AND ( m¹ch “Vµ”) vµ lµm chom¹ch AND th«ng khi cã xung nhÞp t¸c ®éng. T¹i thêi ®iÓm nµy, m¹ch ®Õm ë ®Çu ra b¾t ®Çu thùc hiÖn ®Õm vµ m¹ch ®Õm ®­îc m¹ch logic ®iÒu khiÓn vÒ vÞ trÝ nghØ. Khi K ë vÞ trÝ 2, ®iÖn ¸p chuÈn b¾t ®Çu n¹p ®iÖn cho tô C theo chiÒu ng­îc l¹i, ph­êng tr×nh n¹p lµ: (14). GØa thiÕt sau thêi gian th× , nghÜa lµ ®iÖn ¸p trªn tô C b»ng “0” v× hai ®iÖn ¸p ®­îc n¹p vµo tô cã nhiÒu c¸ch kh¸c nhau. Nh­ vËy ta cã: (15) Sè xung ®­a ®Õn m¹ch ®Õm trong thêi gian lµ: (16). Trong ®ã lµ tÇn sè cña d·y xung nhÞp tõ ®ã suy ra . Thay vµo (15) ta ®­îc: (17). Do ®ã xung nhÞp ®Õm ®­îc nhê m¹ch ®Õm ë ®Çu ra trong kho¶ng thêi gian lµ: (18). Sau thêi gian m¹ch ®Õm ra bÞ ng¾t v× ®iÖn ¸p trªn tô = 0 vµ m¹ch logic ®ãng cæng AND .Qóa tr×nh lÆp l¹i t­¬ng tù trong qu¸ tr×ng chuyÓn ®æi tiÕp theo. Nh­ vËy, theo c«ng thøc ta thÊy sè xung ®Õm ®­îc ë ®Çu ra tû lÖ víi ®iÖn ¸p t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi. ë ®©y, kÕt qu¶ ®Õm kh«ng phô thuéc vµo c¸c th«ng sè RC cña m¹ch vµ còng kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè fn . chÝnh v× lÏ ®ã kÕt qña chuyÓn ®æi còng kh¸ chÝnh x¸c, tuy nhiªn yªu cÇu cÇn thiÕt lµ tÇn sè nhÞp ph¶i cã ®é æn ®Þnh cao nghÜa lµ gi¸ trÞ tÇn sè xung nhÞp ph¶i nh­ nhau trong kho¶ng thíi gian t1 ,t2 Tãm l¹i, trong ph­¬ng ph¸p nµy.ta d· lµm cho ®iÖn ¸p cÇn chuyÓn ®æi UA Tû lÖ víi thêi gian (t1,t2 ) råi ®Õm sè xung nhÞp xuÊt hiÖn trong kho¶ng thêi gian ®ã. Ph­¬ng ph¸p nµy cho ta chuyÓn ®æi tÝn hiÖu t­¬ng tù thµnh tÝn hiÖu sè cã ®é chÝnh x¸c cao. 4.3 Ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi song song hay ph­¬ng ph¸p so s¸nh trùc tiÕp. (Comparaison directe). 4.3.1. S¬ ®å nguyªn lý. UA Uch 7V/8 3V/8 5V/8 V/2 3V/8 V/4 V/8 V/2 R R R R R R R R M· Ho¸ Lèi vµo Lèi ra 1111111 000 0111111 001 0011111 010 0001111 011 0000111 100 0000011 101 0000001 110 0000000 111 Bit 1 Bit 2 Bit 3 H×nh 10. s¬ ®å nguyªn lý ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi song song 4.3.2.Nguyªn lý ho¹t ®éng Trong ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi nµy, tÝn hiÖu t­¬ng tù cÇn chuyÓn ®æi UA cÇn chuyÓn ®æi ®­îc ®­a ®ång thêi tíi ®Çu vµo c¸ bé so s¸nh. §iÖn ¸p chuÈn Uch ®­îc ®­a ®Õn ®Çu vµo cßn l¹i cña c¸c bé so s¸nh qua thanh ®iÖn trë R. Do ®ã c¸c ®iÖn ¸p chuÈn ®Æt vµo bé so s¸nh l©n cËn kh¸c nhau mét l­îng kh«ng ®æi vµ gi¶m dÇn. §Çu ra cña c¸c bé so s¸nh cã ®iÖn ¸p vµo lín h¬n ®iÖn ¸p chuÈn lÊy trªn thanh ®iÖn trë cã møc logic “1”, ng­îc l¹i c¸c ®Çu ra cña c¸c bé so s¸nh co ®iÖn ¸p vµo nhá h¬n ®iÖn ¸p chuÈn cã møc logic “0. TÊt c¶ c¸c ®Çu ra cña c¸c bé so s¸nh ®­îc nèi vµo m¹ch AND cã mét ®Çu ®­îc nèi vµo mét m¹ch t¹o xung nhÞp. ChØ khi cã xung nhÞp ®­îc ®­a ®Õn t¸c ®éng vµo ®Çu m¹ch AND th× c¸c xung ra cña c¸c bé so s¸nh míi ®­îc n¹p vµo bé nhí lµ c¸c Flip-Flop.C¸c xung sau khi ®­îc nhí vµo m¹ch nhí nã ®­îc ma ho¸ thµnh d¹ng nhÞ ph©n. Nh­ vËy, cóu sau mét kho¶ng thêi gian b»ng mét chu kú xung nhÞp th× l¹i cã mét tÝn hiÖu ®­îc chuyÓn ®æi. Nh­ vËy, bé chuûªn ®æi t­¬ng tù-sè lµm viÖc theo ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi song song cã tèc ®é chuyÓn ®æi nhanh v× qu¸ tr×nh so s¸nh ®­îc thùc hiÖn song song cïng mét kho¶ng thêi gian. Tuy nhiªn, kÕt cÊu m¹ch phøc t¹p víi sè linh kiÖn qu¸ lín. Víi bé chuûªn ®æi N bit, ®Ó ph©n biÖt ®­îc 2n møc l­îng tö ho¸ th× ph¶i dïng tíi (2N - 1) bé so s¸nh. ChÝnh v× lÏ ®ã bé chuyÓn ®æi sö dông ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi nµy chØ ®ùoc sö dông trong hÖ thèng chuyªn dông cã yªuc cÇu sè bit N nhá vµ tèc ®é chuyÓn ®æi cao. Ngµy nay, ng­êi ta ®· chÕ t¹o ®­î card ADC7 bit tÇn sè fC = 15MHZ. 4.4.Bé chuyÓn ®æi ADC theo ph­¬ng ph¸p xÊp xØ liªn tiÕp (The Successive-approximation type ADC) 4.4.1. s¬ ®å khèi cÊu t¹o. Ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi xÊp xØ liªn tiÕp lµ ph­¬ng ph¸p phæ biÕn cho c¸c kiÓu ADC do tÝnh n¨ng tèc ®é, ®é chÝn x¸c vµ tÝnh dÔ thiÕt kÕ cña nã. Nã ho¹t ®éng nhê viÖc so s¸nh thÕ ®­îc sinh ra víi thÕ nèi vµo. Mét m¹ch d·y vµ mét m¹ch chuyÓn ®æi sè-t­¬ng tù ADC, mét ®ång hå xung nhÞp vµ mét thanh ghi xÊp xØ liªn tiÕp SAR . M¹ch d·y liªn tôc t¹o ra c¸c møc ®iÖn ¸p so s¸nh DAC N-Bit Xung nhÞp ®iÒu khiÓn khëi ®éng qua tr×nh chuyÓn ®æi Bit 1 Bit N H×nh 11. S¬ ®å khèi ph­¬ng ph¸p chuyÓn ®æi xÊp xØ liªn tiÕp 4.4.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng. Nguyªn t¾c lµm viÖc chñ yÕu lµ dùa trªn c¬ së “®óng” vµ “sai”. TÝn hiÖu lèi vµo ®­îc xÊp xØ liªn tiÕp b»ng mét nöa ®é lín cña b­íc tr­íc ®ã. Ban ®Çu nã kiÓm tra xem nÕu ®iÖn thÕ lèi vµo Vin lín h¬n mét nöa kho¶ng ®iÖn thÕ (VRanger ) cña ADC. GØa sö r»ng lèi ra “lµ ®óng” th× phÐp xÊp xØ tiÕp theo sÏ kiÓm tra xem nÕu Vin lín h¬n (1/2 + ¼) gi¶i ®iÖn ¸p VRanger .Qóa tr×nh nµy sÏ lÆp l¹i cho ®Õn khi thÕ vµo xÊp xØ ®ñ chÝnh x¸c . C¸c ®iÖn ¸p mÉu ®­îc t¹o ra b»ng bé chia mÉu ®iÖn ¸p. Sè l­îng ®iÖn ¸p mÉu t­¬ng øng víi sè bËc cña bé biÕn ®æi hay lµ sã bit cña tõ m· nhÞ ph©n ë ®Çu ra bé chuyÓn ®æi t t 1 0 0 1 0 1 0 V max V xÊp xØ 1/2V ranger H×nh 12. Gi¶n ®å thêi gian Bé khuyÕch ®¹i thËt to¸n ë ®©y sö dông ®Ó so s¸nh hai gi¸ trÞ ®iÖn thÕ ë cïng ®é lín (Biªn ®é cña tÝn hiÖu t­¬ng tù), nÕu kh«ng sö dông ë chÕ ®é ph¶n håi. Lèi ra cña bé khuyÕch ®¹i lý t­ëng lµ +0.5 volt, nÕu V+ > V- vµ b»ng –15 volt nÕu V+ < V- Nh÷ng m¹ch nh­ vËy ®­îc gäi lµ bé so s¸nh(comparator) .Trong tr­êng hîp nµy, Vout lµ giíi h¹n vÒ kh«ng t­¬ng øng víi 5 volt ®Î lèi ra cã thÓ t­¬ng thÝch møc TTL . Ngoµi bé so s¸nh ®­îc sö dông trong bé chuyÓn ®æi nµy cßn cã m¹ch chuyÓn ®æi DAC cã nhiÖm vô chuyÓn ®æi sè nhÞ ph©n thµnh thÕ t­¬ng tù t­¬ng øng víi ®é lín (Biªn ®é cña tÝn hiÖu t­¬ng tù) víi gi¸ trÞ sè ®ã . HiÖu suÊt chuyÓn ®æi cña kü thuËt nµy lµ chuyÓn ®æi cã ®é ph©n gi¶i cao, cã thÓ lµm viÖc trong thêi gian rÊt ng¾n hay tèc ®é chuyÓn ®æi cao. Tuy nhiªn, tèc ®é chuyÓn ®æi cßn phô thuéc vµo c¸c m¹ch nèi dÆc biÖt lµ bé DAC vµ bé so s¸nh. Ngoµi ra, sai sè cña phÐp chuyÓn ®æi nµy phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c, ®é æn ®Þnh cña ®iÖn ¸p mÉu vµ sai sè c¶ c¸c thiÕt bÞ so s¸nh. Ch­¬ng 2. ChuyÓn ®æi sè - t­¬ng tù DAC (The Digital to Analog Convertor) ChuyÓn ®æi sè –t­¬ng tù (DAC) lµ mét kh©u kh«ng kÐm phÇn quan träng trong mét hÖ thèng ®o l­êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh. §Ó ®iÒu khiÓn mét hÖ thèng nh­ ®iÒu khiÓn t¨ng, gi¶m æn nhiÖt cña mét lß nhiÖt dïng trong c«ng nghiÖp haynh­ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn ... th× m¸y tÝnh cÇn ph¸t ra tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu nµy lµ tÝn hiÖu sè v× thÕ trong h©ï hÕt c¸c hÖ thèng tù ®éng ho¸ cÇn ph¶i chuyÓn tÝn hiÖu nµy thµnh tÝn hiÖu t­¬ng tù (dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p biÕn thiªn liªn tôc).M¹ch ®iÖn thùc hiÖn chøc n¨ng nµy lµ m¹ch chuyÓn ®æi sè- t­¬ng tù(DAC). Nh­ vËy, m¹ch chuyÓn ®æi t­¬ng tù-sè sÏ thùc hiÖn chuyÓn ®æi tõ n bit(Binary Digit) thµnh 2n gi¸ trÞ ®iÖn ¸p kh¸c nhau, c¸c ®iÖn ¸p nµy ®ù¬c lÊy ra tõ mét diÖn ¸p so s¸nh x¸c ®Þnh. Nguån ®iÖn ¸p so s¸nh cã thÓ t×m thÊy ë chÝnh bªn trong bé chuûªn ®æi DA hoÆc tõ mét nguå