(NB) Giáo trình Kỹ thuật xung số bao gồm những kiến thức cơ bản về các hệ thống số đếm, các cổng logic, mạch mã hóa giải mã, dồn kênh, phân kênh, Flip Flop, họ vi mạch số thông dụng, các khái niệm cơ bản về chuyển đổi số - tương tự và tương tự - số. Cách cấu trúc của tập đề cương đi từ đơn giản đến phức tạp, từ dễ đến khó, phần trước tạo tiền đề cho phần sau. Trên cơ sở các kiến thức cơ bản giáo trình đã cố gắng tiếp cận các vấn đề hiện đại, đồng thời liên hệ với thực tế kĩ thuật.
KỸ THUẬT ADC – DAC
Mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC)
Chuyển đổi số sang tương tự là quá trình chuyển đổi giá trị được biểu diễn dưới dạng mã số (digital code) thành mức điện thế hoặc dòng điện tương ứng với giá trị số đó.
6.1.1 Tổng quát về chuyển đổi DAC
6.1.2 Thông số kỹ thuật của bộ chuyể đổi DAC a Độ phân giải
Độ phân giải của bộ biến đổi DAC được xác định là sự thay đổi nhỏ nhất ở đầu ra tương tự, phản ánh sự thay đổi ở đầu vào số.
Độ phân giải của DAC được xác định bởi số bit, với DAC 10 bit có độ phân giải cao hơn so với DAC 8 bit Số bit càng nhiều trong DAC thì độ phân giải càng tinh vi hơn.
Độ phân giải được xác định bởi trọng số của LSB, hay còn gọi là kích thước bậc thang Đây là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị đầu vào số thay đổi từ bước này sang bước khác.
Hình 6.1 Sơ đồ tổng quát Mạch chuyển đổi số - tương tự
Hình 6.2 Dạng sóng bậc thang của chuyển đổi số - tương tự
Dạng sóng bậc thang có 16 mức và 16 trạng thái đầu vào, nhưng chỉ có 15 bậc giữa mức 0 và mức cực đại Đối với DAC có N bit, tổng số mức khác nhau là 2^N, trong khi tổng số bậc là 2^N – 1.
Độ phân giải của DAC tương ứng với hệ số tỷ lệ giữa đầu vào và đầu ra, được biểu diễn bằng công thức: Đầu ra tương tự = K x đầu vào số, trong đó K là mức điện thế hoặc cường độ dòng điện tại mỗi bậc.
- Như vậy ta có công thức tính độ phân giải như sau:
Với là đầu ra cực đại ( đầy thang )
- Nếu tính theo phần trăm ta có công thức như sau:
Ví d ụ : Một ADC 10 bit có kích thước bậc thang = 10mV Hãy xác định điện thế đầu ra cực đại ( đầy thang ) và tỷ lệ % độ phân giải
DAC có 10 bit nên ta có
Với mỗi bậc là 10mV nên đầu ra cực đại sẽ là 10mVx1023 = 10.23V
Từ ví dụ trên, có thể thấy rằng tỷ lệ phần trăm độ phân giải giảm khi số bit đầu vào tăng lên Điều này cho phép chúng ta tính toán % độ phân giải bằng một công thức cụ thể.
Với mã đầu vào nhị phân N bit ta có tổng số bậc là 2 N – 1 bậc b Độ chính xác
Có nhiều phương pháp để đánh giá độ chính xác của bộ chuyển đổi, trong đó hai phương pháp phổ biến nhất là sai số toàn thang (full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) Hai loại sai số này thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm so với đầu ra cực đại của bộ chuyển đổi.
- Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đầu ra DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng), được biểu diễn ở dạng phần trăm
- Sai số tuyến tính là khoảng lệch tối đa ở kích thước bậc thang so với kích thước bậc thang lý tưởng
- Điều quan trọng của một DAC là độ chính xác và độ phân giải phải tương thích với nhau c Sai s ố lệch
Theo lý tưởng, đầu ra của DAC nên là 0V khi tất cả đầu vào nhị phân là bit 0 Tuy nhiên, thực tế cho thấy mức điện thế ra trong trường hợp này rất nhỏ, được gọi là sai số lệch (offset error) Nếu không được điều chỉnh, sai số này sẽ cộng vào đầu ra dự kiến của DAC trong mọi trường hợp.
Nhiều DAC hiện nay được trang bị tính năng điều chỉnh sai số lệch bên ngoài, cho phép loại bỏ độ lệch bằng cách áp dụng mọi bit 0 vào đầu vào DAC và theo dõi đầu ra Quá trình này yêu cầu điều chỉnh chiết áp cho đến khi đầu ra đạt 0V, đảm bảo thời gian ổn định cho hệ thống.
Thời gian ổn định (settling time) là khoảng thời gian cần thiết để đầu ra của DAC chuyển từ giá trị 0 đến mức cao nhất khi đầu vào nhị phân thay đổi từ chuỗi bit toàn 0 sang chuỗi bit toàn 1 Thời gian này được xác định là thời gian mà đầu ra DAC ổn định trong khoảng ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) của giá trị cuối cùng.
Một DAC với độ phân giải 10mV có thời gian ổn định được đo bằng thời gian cần thiết để đầu ra ổn định trong khoảng 5mV so với giá trị tối đa của thang đo.
Thời gian ổn định của DAC có giá trị dao động từ 50ns đến 10ns, trong đó DAC với đầu ra dòng có thời gian ổn định ngắn hơn so với DAC có đầu ra điện thế Điều này cho thấy sự khác biệt trong hiệu suất giữa hai loại DAC.
DAC được coi là đơn điệu (monotonic) khi đầu ra của nó tăng lên tương ứng với sự tăng dần của đầu vào nhị phân Điều này có nghĩa là đầu ra bậc thang sẽ không giảm khi đầu vào nhị phân tăng từ giá trị 0 đến giá trị tối đa.
DAC chất lượng cao cần có khả năng kiểm soát sự ảnh hưởng của biến thiên điện áp nguồn đối với điện áp đầu ra ở mức tối thiểu Tỉ số phụ thuộc nguồn được xác định bằng tỉ lệ biến thiên điện áp đầu ra so với biến thiên điện áp nguồn gây ra sự thay đổi đó.
Mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC)
Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) nhận mức điện thế vào dạng tương tự và sau một khoảng thời gian, sẽ tạo ra mã đầu ra dạng số để biểu diễn tín hiệu đầu vào Quá trình chuyển đổi từ analog sang digital thường phức tạp và tốn thời gian hơn so với quá trình chuyển đổi từ digital sang analog (D/A).
- Do đó có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi từ tương tự sang số
6.2.1 Tổng quát về chuyển đổi ADC a Sơ đồ tổng quát
133 b Nguyên lý ho ạt động
- Xung lệnh START khởi đợng 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 V AX với đầu vào VA hoạt động như sau: khi V AX nhỏ hơn VA, đầu ra của bộ so sánh sẽ tăng lên mức cao Ngược lại, nếu V AX lớn hơn VA và vượt qua một khoảng điện thế ngưỡng V T, đầu ra sẽ giảm xuống mức thấp, ngừng quá trình chuyển đổi số nhị phân trong thanh ghi Lúc này, V AX gần như bằng VA, và giá trị nhị phân trong thanh ghi phản ánh giá trị tương đương của V AX, 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 thay đổi ở một số loại ADC, chủ yếu do sự khác biệt trong cách bộ điều khiển sửa đổi số nhị phân trong thanh ghi Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của ADC rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng điện tử.
Độ phân giải của một ADC được xác định bởi số bit của tín hiệu số đầu ra Số bit càng nhiều, sai số lượng tử sẽ càng nhỏ, dẫn đến độ chính xác cao hơn.
- D ải động, điện tr ở đầu vào : Mức logic của tín hiệu số đầu ra và khả năng chịu tải (nối vào đầu vào)
Độ chính xác tương đối là sai số giữa các điểm chuyển đổi thực tế và đường thẳng lý tưởng của đặc tuyến chuyển đổi Để đạt được độ chính xác này, yêu cầu ADC không được mất bit trong toàn bộ phạm vi làm việc.
Tốc độ chuyển đổi được xác định bởi thời gian cần thiết để hoàn thành một lần chuyển đổi từ analog sang digital (A/D) Thời gian này được tính từ khi tín hiệu điều khiển chuyển đổi xuất hiện cho đến khi tín hiệu số đầu ra ổn định.
Hình 6.9 Sơ đồ tổng quát chuyển đổi ADC
Hệ số nhiệt độ là chỉ số đo lường sự biến đổi tương đối của tín hiệu số đầu ra khi nhiệt độ thay đổi 10°C trong khoảng nhiệt độ làm việc, với điều kiện mức tín hiệu đầu vào giữ nguyên.
Tỉ số phụ thuộc công suất của ADC tăng lên khi nguồn cung cấp biến thiên, ảnh hưởng lớn đến tín hiệu số đầu ra, trong khi điện áp đầu vào giữ nguyên.
6.2.2 Vấn đề lấy mẫu và giữ
Để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, chỉ một số giá trị cụ thể của tín hiệu được lấy mẫu theo chu kỳ xác định nhờ tín hiệu xung Mạch chuyển đổi cần một khoảng thời gian từ 1µs đến 1ms để giữ mức tín hiệu trong thời gian này, đảm bảo quá trình chuyển đổi chính xác Nhiệm vụ này thuộc về mạch lấy mẫu và giữ, trong đó điện thế tương tự được lấy mẫu nhanh chóng do tụ nạp điện qua tổng trở ra thấp của OP-AMP khi các transistor dẫn, và giữ giá trị trong thời gian transistor ngưng hoạt động.
6.2.3 Mạch ADC dùng điện áp tham chiếu nấc thang
Quá trình chuyển đổi A/D bao gồm bốn bước cơ bản: lấy mẫu, nhớ mẫu, lượng tử hóa và mã hóa Các bước này luôn kết hợp chặt chẽ với nhau trong một quá trình thống nhất.
Định lý lấy mẫu khẳng định rằng tín hiệu tương tự VI có thể được khôi phục một cách chính xác từ tín hiệu lấy mẫu VS, với điều kiện tần số lấy mẫu fS phải lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số tối đa của tín hiệu VI, tức là fS ≥ 2fImax.
Trong đó f S : tần số lấy mẫu f Imax : là giới hạn trên của giải tần số tương tự
Để khôi phục tín hiệu VI từ tín hiệu đầu vào VS, cần đảm bảo rằng biểu thức (10) được thỏa mãn Trong trường hợp này, bộ tụ lọc thông thấp sẽ được sử dụng để thực hiện quá trình lấy mẫu tín hiệu tương tự.
Mỗi lần chuyển đổi điện áp thành tín hiệu số yêu cầu một khoảng thời gian nhất định, vì vậy cần phải lưu trữ mẫu trong một thời gian cần thiết sau mỗi lần chuyển đổi.
Hình 6.10 Lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào
Trong quá trình lấy mẫu, có tổng cộng 135 lần lấy mẫu được thực hiện Điện áp tương tự đầu vào được chuyển đổi thành giá trị A/D, trong đó giá trị VI đại diện cho kết quả của mỗi lần lấy mẫu.
Lượng tử hóa và mã hóa là quá trình quan trọng trong tín hiệu số, trong đó tín hiệu không chỉ rời rạc theo thời gian mà còn không liên tục trong biến đổi giá trị Mỗi giá trị của tín hiệu số cần được biểu thị bằng bội số nguyên của một giá trị đơn vị nhỏ nhất, được gọi là đơn vị lượng tử (kí hiệu D) Khi sử dụng tín hiệu số để biểu thị điện áp lấy mẫu, điện áp phải được lượng tử hóa thành bội số nguyên của giá trị đơn vị đã chọn Do đó, giá trị bit 1 của LSB trong tín hiệu số sẽ phản ánh quá trình này.