Bài 06 chuyển đổi số tương tự

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG
Mai Quốc Khánh
Nguyễn Hùng An
Học viện KTQS
06/2019

*


Tài liệu tham khảo
1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh,
Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019.
2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc
Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm
2019.

2


Bài 6: Chuyển đổi số - tương tự
1. Khôi phục tín hiệu tương tự
2. Các kỹ thuật chuyển đổi số - tương tự (DAC)
3. Các tham số kỹ thuật chính của DAC

3


1. Khôi phục tín hiệu tương tự

Khôi phục tín hiệu tương tự
 Bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC) được sử dụng để khôi phục

tín hiệu tương tự ban đầu từ mã dạng số. Mỗi giá trị số của
mã tương ứng với một giá trị xác định của tín hiệu tương tự.

Chuyển đổi mã dạng số thành giá trị tương tự (đối với LSB bằng 1 V)
5


Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)
 Quá trình ZOH - giữ bậc 0 (zero order hold) hoặc khôi phục

bậc thang (staircase reconstruction): bổ sung sự thiếu tín
hiệu giữa các xung bằng cách giữ biên độ của xung cho đến
khi có xung kế tiếp.

Khôi phục tín hiệu tương trự
6


Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)
 Để khôi phục tín hiệu, tốt nhất là sử dụng bộ lọc thông thấp

lý tưởng.
 Nếu sử dụng ZOH ta thực hiện mối quan hệ sau
 1 for 0  t  Ts
x t   

0 for other moments

 Mô tả trên miền tần số
X  j  



 x t  e



 jt

dt  Ts e

 jTs /2

sin Ts / 2 
Ts / 2

Đặc tính truyền đạt
của ZOH chuyển đổi
chuỗi xung thành
đường cong bậc thang
7


Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

Bộ lọc

hiệu chỉnh

Khôi phục
bậc thang

Bộ lọc
làm nhẵn

Khôi phục tín hiệu tương tự từ chuỗi xung

• Với ZOH tín hiệu giảm khi tần số tăng, gây nhiễu tín hiệu
• Khắc phục: Mắc thêm bộ lọc hiệu chỉnh ở đầu ra của
DAC  làm tăng giá trị tín hiệu khi tần số tăng - khi đảo
ngược mối quan hệ sinx/x.
8


Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)
 Nếu số mức lượng tử ít  khó lấy mẫu và khôi phục tín hiệu
 Khắc phục bằng kỹ thuật dithering: Bổ sung tạp âm cộng

tính có giá trị ≤ 1 LSB vào tín hiệu để tăng mức lượng tử.
 Sau đó, tạp âm cộng tính (thường là tạp trắng) có thể loại
trừ bằng cách sử dụng bộ lọc.
(a) Tín hiệu hình
sin sau khôi phục
bậc thang

(b) Tín hiệu
được bổ sung

tạp âm
9


Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

10


Khôi phục tín hiệu tương tự (tt)

Cấu trúc DAC điển hình

11


2. Các kỹ thuật chuyển đổi số tương tự
• DAC sử dụng điện trở trọng số
• DAC phân đoạn

• DAC sử dụng R-2R Ladder
• DAC với Oversampling


DAC sử dụng điện trở trọng số
 Mạch cộng xây dựng

trên KĐTT.
 Các điện trở trọng

số được dùng để
phân biệt các bit từ
MSB đến LSB.

VU
ref

ref

R

DAC sử dụng các
điện trở trọng số
Rph

2R
4R

I

-

Ura

+
2n-1R

 Các chuyển mạch

chuyển giữa điện áp

tham chiếu (Uref) và  Nếu KĐTT là lý tưởng  điện áp ra
tỷ lệ với dòng điện tổng cộng ở đầu
đất (bit HIGH hoặc
vào đảo của bộ khuếch đại.
bit LOW).

𝑈𝑟𝑎 = −𝐼𝑅𝑝ℎ

13


DAC sử dụng điện trở trọng số (tt)
 Nếu bit 𝑖 tương ứng

DAC sử dụng các
điện trở trọng số

là 1  𝑈𝑖 = 𝑈0
 Nếu bit 𝑖 tương ứng

là 0  𝑈𝑖 =
0𝑉 (ground)
 𝑈1 là MSB
 𝑈𝑛 là LSB
MSB

 U1 U 2 U 3
U ra   IR ph   R ph  



 R 2R 4R

Un 
 n 1 
2 R

LSB

14


DAC sử dụng điện trở trọng số (tt)
• Nếu chọn 𝑅𝑝 = 𝑅/2

 U1 U 2 U 3
U ra   IR ph    


4
8
 2

• Ví dụ, với BBĐ 4-bit

1
1
1
 1
U ra  U 0  b3  b2  b1  b0 
4

8
16 
 2

b3 tương ứng với bit3, b2 với bit-2, ...

Un 
 n
2 

DAC sử dụng các điện
trở trọng số
15


DAC sử dụng điện trở trọng số (tt)
 Ưu điểm:
 Tốc độ chuyển đổi
cao.

 Nhược điểm:

DAC sử dụng các điện trở trọng số

 Các điện trở cần phải có dải trị số rất rộng (Ví dụ: chuyển đổi

20 bit cần sử dụng điện trở chính xác 500 M cho MSB, 1 k
cho LSB), trong đó các điện trở có trị số nhỏ phải có ĐCX cao.

 Ứng dụng: Thường hạn chế thực hiện tới độ phân giải

8-bit.
16


DAC phân đoạn

Lựa chọn phân đoạn MSB

RD

RC

RA

Lựa chọn phân nhánh LSB

A1

RB

A3

A2
Chốt 16 bít
Chốt 8 bít

Chốt 8 bít

DAC phân đoạn (hoặc DAC chuỗi) của Analog Devices

17


DAC phân đoạn (tt)
 Hai chuỗi điện trở với 256 phân áp: R1 - R256 (phần chia thô),







và R257 - R512 (phần chia tinh).
Hai bộ KĐTT (chế độ lặp) cấp điện áp của phần chia thô lên
phần chia tinh.
Khối lựa chọn phân áp MSB gồm hai tập chuyển mạch được
điều khiển bởi bộ giải mã phân đoạn. Chuyển mạch chẵn
được nối tới mạch lặp điện áp A2, và chuyển mạch lẻ được
nối tới mạch lặp điện áp A1.
Khối lựa chọn phân áp LSB sử dụng một tập chuyển mạch để
lựa chọn một phân nhánh điện trở và cấp điện áp đầu ra
cho bộ đệm ra.
Bộ đệm đầu ra A3 là bộ KĐTT làm việc ở chế độ lặp.
18


DAC phân đoạn (tt)
 Ưu điểm: Tốc độ chuyển đổi cao; tính tuyến tính cao
 Nhược điểm: Phức tạp, giá thành cao

 Ứng dụng: Cho phép thực hiện ADC 16-bit, với tính phi

tuyến nhỏ hơn 0,01% và thời gian thiết lập 3 s.

19


DAC sử dụng R-2R Ladder
 Mỗi bit điều khiển 1

chuyển mạch :
 Nếu bit = 1, chuyển

mạch tương ứng
được nối tới đầu
vào đảo (-) của KĐTT
(trở kháng ∞).

U0

DAC 4-bit sử
dụng R-2R
Ladder

Ura

 Nếu bit = 0, chuyển

mạch tương ứng
được nối tới 0V (trở

kháng 0).

U0 – điện áp mẫu (điện áp tham chiếu)

20


DAC sử dụng R-2R Ladder (tt)
U0

U1

U2

U3

U3

2R

Ura

DAC 4-bit sử dụng R2R Ladder

Rtd

2R

2 R  2 R 



R
 2R  2R 

 Ở mỗi nút, dòng điện

được chia đôi.
21


DAC sử dụng R-2R Ladder (tt)
DAC 4-bit sử dụng R-2R Ladder
U1

U0

U2

U3
U2

U3
R

1
 R 
U3  
U 2  U 2
2
 RR

I

Bit: 0

0

1

0

R

Ura

Tương tự
1
U 2  U1
2

1
U1  U 0
2

1
1
1
 1
U ra   IR  U ra  U 0  b3  b2  b1  b0 
4

8
16 
 2

22


DAC sử dụng R-2R Ladder (tt)
DAC sử
dụng R-2R
Ladder

• Tổng quát, với DAC
R-2R Ladder 𝑛-bit

n

U ra  U 0  bn i
i 1

1
2i

 Ưu điểm: Chỉ cần 2 loại điện trở có trị số R và 2R;

Không yêu cầu các điện trở có ĐXC cao.
 Nhược điểm: Tốc độ chuyển đổi chậm hơn DAC với

điện trở trọng số.

23


DAC sử dụng R-2R Ladder (tt)
Đầu vào số

DAC R-2R với các dòng có trọng số
 Để tăng tốc độ chuyển đổi (tới 500 MSPS), ta có thể thay thế

chuyển mạch các điện trở bằng chuyển mạch các nguồn
dòng  DAC lái dòng.
24


DAC với Oversampling
 Các kỹ thuật Oversampling và PWM (điều chế độ rộng xung -

được thực hiện bởi ADC Delta-Sigma) cũng được sử dụng
rộng rãi trong chuyển đổi DA và khôi phục tín hiệu tương tự.
 Nếu tín hiệu được

biểu diễn bởi một số
lượng lớn mẫu trên
chu kỳ thì có thể
khôi phục được chỉ
bằng bộ lọc thông
thấp.
Khôi phục tín hiệu tương tự sau
Oversampling và điều chế PWM

25