Kỹ thuật biến đổi tương tự - số ADC

Học viên: Đỗ Việt Hùng - 2 - CH2001
Kỹ thuật biến đổi tương tự - số ADC
Trong ba thập kỷ qua, kỹ thuật xử lý thông tin đã phát triển mạnh. Hệ thống
truyền tin được tổ chức theo các lớp chức năng: định dạng và mã hoá nguồn tin, điều
chế, mã hoá kênh, ghép kênh và đa truy nhập, trải 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 trữ
là một trong những lĩnh v
ực phát triển mạnh mẽ nhất trong công nghệ điện tử. Do
cáp quang có băng tần hầu như không giới hạn nên hệ thống viễn thông số đang
chuyển biến dần ngành công nghiệp 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 được thực hiện theo phương
pháp số. Trong khi
đó tín hiệu tự nhiên (thoại, số liệu, hình ảnh,...) lại biến thiên liên
tục theo thời gian, nghĩa là tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự. Để phối ghép giữa
nguồn tín hiệu tượng tự và các hệ thống xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổi
tương tự-số (ADC: Analog Digital Converter) và ngược lại là chuyển đổi số-tương tự
(DAC: Digital Analog Conver).
Bài viết này sẽ trình bày lý thuyết tổng quan và phân tích các kĩ thuật bi
ến đổi
đồng thời đánh giá sai số trong biến đổi tương tự - số ADC.
I. Tổng quan về biến đổi tương tự-số (ADC)
Biến đổi tương tự - số ADC là b
i
ến đổi điện áp vào (giá trị tương tự) thành các
số (giá trị số) tỷ lệ với nó. Về nguyên tắc có ba phương pháp biến đối tương tự–số
khác nhau như
sau
: phương pháp song song, phương pháp trọng số và phương pháp
số.

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







Hình 1. Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự - số ADC
Nguyên tắc:

Tín hiệu tương tự được đưa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu
được đưa đến mạch lượng tử hoá làm tròn với độ chính xác: ±
2
Q
.
Mạch lấy
mẫu
Lượng tử
hoá
Mã hoá

ADC
U
A
U
M
U
D

Học viên: Đỗ Việt Hùng - 3 - CH2001
Sau mạch lượng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết quả lượng
tử hoá được sắp xếp 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 lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc
đó không thể tách rời 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 tương tự tại những thời điểm khác nhau tức là rờ
i rạc hoá tín
hiệu về mặt thời gian.
- Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình
chuyển đối tiếp theo (quá trình lượng tử hoá và mã hoá). (hình 2)
Mạch lượng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín hiệu tương tự về mặt biên độ.
Như vậy, nhờ quá trình lượng tử hoá, một tín hiệu tương tự bất kỳ được biể
u diễn bởi
một số nguyên lần mức lượng tử. Tức là:
Q
X
Q
X
Q
X
Z
AiAiAi
Di
Δ

−== int

Ghi chú:

X
Ai
: tín hiệu tương tự ở thời điểm i.
Z
Di
: tín hiệu số ở thời điểm i.
Q: mức lượng tử.
ΔX
Ai
: số dư trong phép lượng tử hoá
int (integer): phần nguyên.














t

U
A
U
M
t


Học viên: Đỗ Việt Hùng - 4 - CH2001
Hình 2: Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra mạch lấy mẫu

II. Các phương pháp biến đổi tương tự – số (ADC)
Như trên đã trình bày, có 3 phương pháp biến đổi ADC cơ bản là:

phương
pháp song song, phương pháp trọng số và phương pháp số. Sau đây sẽ xem xét chi
tiết kĩ thuật từng phương pháp.

2.1. Phương pháp song song
Xét một bộ biến đổi 3 bit thực hiện theo phương pháp song song như hình 3.
Với 3 bít có thể biểu diễn 2
3
=8 số khác nhau, kể cả số 0 (không). 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 U
LSB
đến 7/2 U
LSB
thì
các bộ sao 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. Bảng 5 cho quan hệ giữa các trạng thái của các bộ so sánh với các số
nhị phân tương ứng.
Nếu điện áp vào bị thay đổi đi có thể sẽ nhận được kết quả sai do đ
ó bộ mã
hoá 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 là từ 011 đến
100). Nếu bit già do thời gian trễ sẽ giảm đi mà thay đổi trạng thái của mình sớm
hơn các bít khác thì sẽ xuất hiện số 111, tức là số 7. Trị số sai tương ứng với một
nửa dải đ
o. Bởi vì các kết quả biến đổi A/D, như đã biết, được ghi vào bộ nhớ, như
vậy là tồn tại một xác xuất 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 h
ạn 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 xuất 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.


Học viên: Đỗ Việt Hùng - 5 - CH2001

Hình 3: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp song song

chuanLSB
U
Ue
U
Ue
Z 7==

Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách sau mỗi bộ so sánh, ta dùng
một trigơ với tư cách là một bộ nhớ đệm lật theo sườn để nhớ các trị analog. Trigơ
này, dưới tác dụng của tín hiệu nhịp sẽ khởi động cho các trigơ tiếp sau. Ở trường
hợp này bảo đảm giữ nguyên trạng thái dừng trên lối ra bộ mã hoá ưu tiên khi tác
động sườn xung để kh
ởi động trigơ.
Như đã thấy rõ ở bảng 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 như là khi sườn xung khởi động trigơ và sườn tín hiệ
u
Z2
Z1
Z0
U
chu
ẩn





Bộ
mã
hoá
ưu
tiên
D Q
C
D Q
C
D Q
C
D Q
C
D Q
C

D Q
C
D Q
C
U
LSB

K6
K5
K7
K4
K3
K2
K1
X7
X6
X5
X3
X1
X2
1/2R
R
R
R
R
LSB
U
2
3
R

1/2R
LSB
U
2
5
LSB
U
2
1
R
LSB
U
2
3
LSB
U
2
7
LSB
U
2
9
LSB
U
2
11
LSB
U
2
13

X4
U
e

+
-
+
+
-
-
+
+
-
-
-
-
+
+

Học viên: Đỗ Việt Hùng - 6 - CH2001
trùng nhau. Tuy nhiên, bộ mã hoá ưu tiên đã cho phép tránh được điều này nhờ tính
chất là: nó không chú ý đến các bít trẻ “1” .
Bảng 1: Sự biến đổi trạng thái trong bộ biến đổi A/D song song
tuỳ thuộc vào điện áp lối vào.
Điện áp vào Trạng thái của các bộ so sánh Số nhị phân
Số thập phân
tương ứng
Ue/U
LSB
K

7
K
6
K
5
K
4
K
3
K
2
K
1
Z
2
Z
1
Z
0

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
Thời gian lấy mẫu cần phải nhỏ hơn thời gian trễ của bộ so sánh, còn điểm bắt
đầu của nó được xác định bởi sườn xung khởi động. Sự khác nhau về thời gian trễ đã

gây ra độ bất định thời gian(khe) của mẫu. Để giảm nhỏ trị số của nó đến mức đã
tính toán trong mục trước, tốt nhất là sử dụng các bộ so sánh có kh
ả năng giảm nhỏ
thời gian trễ. Nhờ các tầng làm việc song song nên phương pháp biến đổi A/D vừa
mô tả là nhanh nhất.
2.2. 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 gi
ảm 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 nhất 4
bit già của mã được biến đổi song song (hình 4). 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
t
ương ứng. Điện áp vào được đem trừ đi điện áp này. Phần dư còn lại sẽ được biểu
diễn dưới sạng số nhờ một bộ 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 với cùng một dải đi
ện áp vào. Tất nhiên là sự
khác nhau giữa 2 bộ biến đổi sẽ được quy về các yêu cầu của độ chính xác ở bộ biến

Học viên: Đỗ Việt Hùng - 7 - CH2001
đổi A/D thứ nhất, độ chính xác 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 thềm 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 4: Bộ biến đổi A/D thực hiện theo phương pháp song song cải biến.
chuanLSB
U
Ue
U
Ue
Z 255==

Bộ nhớ
trích mẫu
Bộ
biến
đổi
A/D
song
song
4bit

Bộ
biến
đổi
D/A

4 bit
Bộ
biến
đổi
A/D
song
song
4bit
U
chuẩn

U
chuẩn
1/16U
chuẩn
Z
7
Z
6
Z
5
Z
4
Z
3
Z
2
Z
1
Z

0
+
+
-