Bài giảng kỹ thuật số P10

Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 6
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang
153
CHƯƠNG 6.
GIAO TIẾP TƯƠNG TỰ - SỐ



6.1. BIẾN ĐỔI ADC

6.2.1. Khái niệm
Bộ biến đổi tương tự sang số (ADC) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xử lí
thông tin khi mà các luồng tín hiệu đưa vào hệ vi xử lí là tín hiệu dạng tương tự .
Các bộ chuyển đổi thực hiện hai chức năng cơ bản là lượng tử hóa và mã hóa.
Lượng tử hóa là gán những giá trò của một tín hiệu tương tự vào vùng các giá trò
rời rạc sinh ra trong quá trình mã hóa. Đối với ADC ta cũng dùng các loại mã số
như nhò phân, BCD, bù một, bù hai.
Quá trình lấy mẫu (Sampling).
Bước đầu tiên trong chuyển đổi tương tự – số là rời rạc hoá theo thời gian tín
hiệu đầu vào ban đầu. Việc lấy mẫu như vậy được bộ phận lấy mẫu và giữ –
Sample & Hold Circuit (S&H) thực hiện.

Bước tiếp theo, bộ chuyển đổi tương tự – số A/D chuyển đổi các mẫu nghiệm
liên tục theo giá trò và đã đươc rời rạc hoá theo thời gian đó thành tín hiệu lượng
tử hoá theo giá trò và biểu diễn dưới dạng số nhò phân.
Phải chọn tần số lấy mẫu sao cho các trò lấy mẫu có thể đặc trưng cho tín hiệu
ban đầu mà không bò tổn thất thông tin (f
sample
≥
2 f
max

).
Mạch lấy mẫu và dừng S&H.
Trong kỹ thuật chuyển đổi tương tự – số, tín hiệu tương tự biến thiên liên tục
theo thời gian u(t) được lấy mẫu ở những thời điểm nhất đònh, và giá trò tín hiệu
Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 6
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang
154
nhận được sẽ được lưu giữ trong một khoảng thời gian đònh trước. Trong nhiều bộ
chuyển đổi A/D, tín hiệu phải được giữ không đổi trong suốt thời gian chuyển
đổi. Để thực hiện việc đó, dùng mạch Track-and-Hold – T&H.
Cấu trúc cơ bản của mạch T&H



Sau mỗi lần mở chuyển mạch, tụ điện nạp đến giá trò điện áp đầu vào
vao
u (t) và
lưu giữ giá trò tức thời của điện áp đầu vào trước thời điểm mở chuyển mạch. Cả
hai bộ khuyếch đại thuật toán làm bộ đệm buffer cho đầu vào cũng như đầu ra.
Một khả năng khác thực hiện mạch T&H.



Một transistor trường FET (Isolated – Gate – FET) được mắc giữa KĐTT đảo pha
và KĐTT tích phân. Khi
samp
u
= 0, transistor FET sẽ dẫn và điện áp đầu ra
ra
u

tương ứng điện áp đầu vào âm
vao
u
, giả thiết hằng số thời gian tích phân của
KĐTT tích phân (được xác đònh bởi dòng điện đầu ra cực đại của KĐTT) là đủ
nhỏ. Vào thời điểm t =
0
t
, transistor trường khoá, như vậy việc nạp tụ (điện áp tụ
điện) không đổi và điện áp đầu ra
ra
u
được giữ lại ở mức giá trò
ra
u
(t) =
ra
u

(
0
t
), cho đến khi transistor trường lại được điều khiển mở mạch. Khi FET đóng,
các diode sẽ dẫn và nhờ đó mà tránh được hiện tượng KĐTT bò quá điều khiển.
Chuyển đổi song song (Flash Converter, giải điều nhiều lần). Để có thể tiến
hành chuyển đổi cực nhanh, người ta sử dụng các chuyển đổi song song, còn
được gọi là Flash Converter hay bộ giải điều nhiều lần. Trong kiểu chuyển đổi
này, điện áp cần chuyển đổi sẽ được đồng thời so sánh cân bằng với
( )

12 −
N

điện áp quy chiếu

Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 6
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang
155
Bộ chuyển đổi A/D 3 bit với các bộ so song song
82
ref
N
refLSB
UUU ==


Hình N3.4.15 – .
Phần chủ yếu của chuyển đổi song song là
( )
12 −
N
bộ so sánh, hoạt động chức
năng mạch so sánh với điện áp ra
Bra
Uu
+= tương ứng tín hiệu logic K=1, nhưng
nếu
Bra
Uu
−= thì tương ứng K=0 như sau.

.
Việc chuyển đổi được tiến hành chỉ một bước, cho phép tốc độ chuyển đổi đạt
mức cao nhất có thể, nhưng giá thành cao tương ứng, vì đồng thời phải dùng số
lượng lớn các bộ so sánh
( )
12 −
N
. Tín hiệu của một trong bảy bộ so của chuyển
đổi song song 3 bit được giới thiệu trong bảng N3.4-3.
Xấp xỉ hoá lũy tiến liên tục (phương pháp cân, chuyển đổi theo bậc). Phương
pháp này dựa trên cơ sở nguyên lý cân bằng. Trong sơ đồ bộ chuyển đổi, hoạt
động theo nguyên lý xấp xỉ hoá lũy tiến, còn gọi là chuyển đổi theo bậc, ngoài
modul điều khiển quá trình và thanh ghi còn có bộ so sánh và một chuyển đổi số
– tương tự D/A
Trong các bước lũy tiến, bộ so sẽ thử xem điện áp cần chuyển đổi lớn hơn hay
nhỏ hơn điện áp u(Z) do bộ chuyển đổi ngược D/A tạo ra. Tiếp theo, bit bậc cao
nhất (MSB) sẽ được đặt đònh, được chuyển đổi D/A biến đổi ngược trở lại thành
điện áp tương tự u(Z) và so sánh với điện áp đầu vào
vao
u
. Tùy theo giá trò u(Z)
lớn hay nhỏ hơn
vao
u
mà điện áp quy chiếu sẽ được cộng vào hay trừ đi từ giá trò
đó, và theo đó mà số nhò nguyên tương ứng của tín hiệu số nhò phân đầu ra sẽ là
0 hay 1. Trong mỗi chu trình tiếp theo, sẽ làm tiếp chữ số nhò nguyên cho bậc
Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 6
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang

156
dưới và quá trình so sánh sẽ được lặp lại. Đối với một chuyển đổi N bit thì cần N
bước so sánh và chu trình lặp lại tuần hoàn.
Chuyển đổi A/D 4 bit theo nguyên lý xấp xỉ hoá lũy tiến.


Tín hiệu của bộ chuyển đổi song song 3 bit.
Điện áp vào

Tín hiệu so sánh
1234567
KKKKKKK

Mã nhò phân
012
ZZZ

Điện áp tương tự
vao
u

LSBvao
Uu
2
1
0 <≤
LSBvaoLSB
UuU
2
3

2
1
<≤
LSBvaoLSB
UuU
2
5
2
3
<≤
LSBvaoLSB
UuU
2
7
2
5
<≤
LSBvaoLSB
UuU
2
9
2
7
<≤
LSBvaoLSB
UuU
2
11
2
9

<≤
LSBvaoLSB
UuU
2
13
2
11
<≤
vaoLSB
uU
≤
2
13

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

0
8/
ref
U

2
8/
ref
U

3
8/
ref
U

4
8/
ref
U

5
8/
ref
U

6
8/
ref
U

7
8/
ref
U


Bộ rời rạc hoá nhiều tầng theo bậc (phương pháp phối hợp song song và cân
bằng).
Bộ rời rạc hoá nhiều tầng giải quyết thoả hiệp giữa tốc độ chuyển đổi và giá
thành. Vì đối với các chuyển đổi thuần tuý theo phương pháp song song (rời rạc
hoá nhiều tầng) thì cần rất nhiều bộ so sánh, ví dụ: một chuyển đổi A/D 8 bit thì
cần tới 255 bộ so, người ta phân bậc bộ rời rạc hoá thành tầng. Việc đó cho phép
giảm số lượng bộ so sánh, nhưng đồng thời tốc độ chuyển đổi chậm hơn.


Bài Giảng Kỹ Thuật Số Chương 6
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang
157
Sơ đồ khối chuyển đổi 8 bit bằng hai chuyển đổi song song 4 bit mắc theo bậc.



Chuyển đổi A/D thứ nhất nhận việc lượng tử hoá thô, lượng tử hoá 4 bit bậc cao.
Kết quả chuyển đổi này sẽ được bộ chuyển đổi D/A biến đổi ngược thành điện
áp tương tự và trừ đi từ điện áp đầu vào. Tín hiệu sai lệch (vi sai) sẽ được bộ
chuyển đổi A/D thứ hai lượng tử hoá (hệ số 16 lần tinh hơn). Kết quả chuyển đổi
này cho 4 bit bậc thấp hơn. Việc hạn chế được số lượng bộ so sánh(trong ví dụ
trước thì giảm được từ 255 xuống 30), làm hạ giá thành chuyển đổi nói chung.
Chuyển đổi theo phương pháp phân tầng cascade. Theo phương pháp phân tầng,
người ta dùng một bộ chuyển đổi song song N bit (Flash Converter) để chuyển

đổi 2N bit. Ở đây cần hai chu trình chuyển đổi. So với bộ chuyển đổi ở trên thì ở
đây tiết kiệm được một bộ chuyển đổi. Tín hiệu tương tự ở đầu vào
vao
u
trong
chu trình nhòp đồng bộ đầu tiên (
1
S
đóng,
2
S
mở) được biến đổi bởi bộ chuyển
đổi N bit. Kết quả, cho N bit bậc cao nhất, được bộ chuyển đổi ngược D/A biến
đổi thánh giá trò tương tự tương ứng, đem trừ đi điện áp đầu vào
vao
u
ban đầu.
Điện áp vi sai được khuyếch đại lên
N
2
lần, và được đưa trở lại bộ chuyển đổi
song song N bit (
1
S
mở,
2
S
đóng). Đem cộng kết quả của chuyển đổi 1 và 2, rốt
cuộc ta có kết quả của chuyển đổi 2N bit “giả lập – pseudo”.
Chuyển đổi A/D theo phương pháp phân tầng cascade.

Chuyển đổi theo phương pháp phân tầng lặp lại.
Trong chuyển đổi phân tầng lặp lại (Recursive – Subranging – Analog – Digital –
Converter RSR-A/DC), sẽ tiến hành biến đổi tương tự – số một từ mã (n.N) bit
bằng chuyển đổi song song N bit với n bước tuần tự. Về nguyên lý hoạt động, các
chuyển đổi này dựa trên nguyên lý tiệm cận từng bước, vơi khác biệt là thay vì