Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 1 PHẦN MỞ ĐẦU Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó, ngày nay việc gia công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý số có những ưu điểm hơn hẳn cá thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý tương tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lường và điều khiển và đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính được ứng dụng rộng rãi ngày nay.Với sự ra đời các hệ thống số đã cải thiện , tối ưu những nhược điểm mà kỹ thuật tương tự không đáp ứng được chẳng hạ n như sai số, tốc độ, tần số làm việc, tổn hao .v.v Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm các đại lượng vật lý, hoá học, sinh học là các đại lượng biến thiên theo thời gian hay nói cách khác nó là các đại lượng tương tự, để phối ghép với nguồn tín hiệu tương tự với nguồn xử lý số, nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ thống số ta phải có các mạch chuyển đổi tín hiệu t ừ dạng tương tự sang dạng số ADC (The Analog to Digital Convertor), tín hiệu sau khi đã được chuyển đổi được xử lý qua một hệ thống xử lý tín hiệu số và được trả lại dạng tín hiệu ban đầu, đó là tín hiệu tương tự thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu số-tương tự DAC (The Digital to Analog Convertor ). Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm nhập ngày càng sâu vào đời s ống kinh tế, xã hội và đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát triển những ngành khoa học mới, đơn cử như những hệ thống tự động hoá đo lường và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dưới đây. Để mở rộng tầm ứng dụng, cũng như khả năng can thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh vực khác nhau. Chúng ta phải có mố i quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa là khả năng kết nối máy tính cũng như việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi, tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ cụ thể cũng như vật tư thiết bị có trong tay mà việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục đích khác nhau. Đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong đ o lường và điều khiển tự động. Tuy nhiên, để có được điều đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn tín hiệu đó là nguồn tín hiệu tương tự và nguồn tín hiệu số. Việc này hết sức quan trọng và không thể thiếu được trong hệ thống xử lý số, không những thế việc nghiên cứu tìm Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 2 hiểu nó cho ta biết được khả năng làm việc, đọ chính xác của hệ thống cũng như độ tin cậy của hệ thống PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU ỨNG DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH Chương 1 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ – SỐ ADC (The Analog to Digital Convertor) 1 .Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tương tự – số (ADC basic principles) Tín hiệu tương tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số mã hoá là rời rac theo thơi gian. Để chuỷên đổi tín hiệu tương tự sang dạng tín hiệu số đòi hỏi phải lượng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu số liên tụ c. Để có được điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những khoảng thời gian như nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành số. Như vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là: - lấy mẫu - nhớ mẫu - lượng tử hoá - mã hoá 1.1. Lấy mẫu tín hiệu (Singnal sample) Việc lấy mâũ tín hiệu tương tự tại những kho ảng thời gian sao cho tín hiệu số được mã hoá có thể khôi phục lại tín hiệu cũ một cách trung thực, ít ảnh hưởng của nhiễu và sai số do quá trình lấy mẫu. Theo định lý lấy mẫu của Kacchenikop hay định lý lấy mẫu của Sharnon thì để khôi phục lại tín hiệu cũ có độ trung thực tối thiểu thì tần số của tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối thiểu bằng hai lầ n tần số lớn nhất của phổ tín hiệu tương tự: maxs 2.FF ≥ (1). Với: max F là tần số max của dải phổ tín hiệu tương tự cần chuyển đổi s F là tần số lấy mẫu Nếu: maxs 2.FF = thì ta gọi tần số lấy mẫu này là tàn số Nyguist. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 3 Chu kỳ Nyguist: a 2.F 1 F 1 Nyguist T == (2). Hình 1. Tín hiệu tương tự và tín hiệu sau khi lượng tử và rời rạc hoá Như vậy, một tín hiệu tương tự có hàm tin x(t) nào đó xác định trong khoảng ( T o t, o t + ) hoàn toàn có thể khôi phục từ các mẫu rời rạc của nó x(k. tΔ ) theo công thức: X (t) = ∑ − 1n .x(k. t Δ ). )( )(sin tkt c t k t Δ− Δ − ω ω (3). Với c ω : tần số cao nhất trong phổ x(t) t Δ : bước rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu: c f c t 2 1 ==Δ ω π (4). ( tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x(t) ) Như vậy số mẫu cần lấy là: t Δ Τ =Ν (5). 0 t U,i 0 t U,i Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 4 Gỉa sử coi như bề rộng phổ của âm thanh chất lượng cao có tần số là : Z KHF 20= .Như vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý trên : s a F sny μ 5.2 5 10.5.2 20000.2 1 .2 1 = − ===Τ 1. 2. Lượng tử hoá và mã hoá tín hiệu (signal Coding and Quantization). Sau khi tính toán xác định tần số lấy mẫu của tín hiệu bằngđịnh lý lấy mẫu ta được dãy các giá trị rời rạc.Thực hiện việc lượng tử hoá biên độ của tín hiệu tương tự, là biến dãy các giá trị rời rạc bất kỳ đó thành dãy các giá trị nguyên x(k) bằng cách hết sức đơn giản là quy trò các giá trị đó. Tuy nhiên, phải xác định được mức quy tròn xΔ (giá trị này gọi là mức lượng tử hoá), điều này sẽ gây ra sai số lượng tử hoá , tất nhiên ta có thể hạn chế sai số này một cách tối thiểu là tăng tần số lấy mẫu. Số mẫu càng lớn thì sai số càng nhỏ, điều này thể hiện qua số bit đầu ra củ bộ chuyển đổi, người ta dựa vào tham số này để đánh giá chất lưọng chuyển đổi c ũng như độ trung thực của tín hiệu khôi phục. Công thức lượng tử hoá: } { 5.0).(.)( + Δ Ε = t k x k x (5). Với: E là phần nguyên. VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu như sau: Giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu X(k. Δ t) Giá trị sau khi quy tròn 11.7 12 10.3 10 13.8 14 18.2 18 22.6 23 24.9 25 14.1 14 Bảng 1. Gía trị rời rạc sau khi lấy mẫu và sau khi quy tròn Sau khi thực hiện xong việc lượng tử hoá từ các tín hiệu rời rạc, ta thực hiện việc mã hoá tín hiệu số. Trước hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị phân thì cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để có dược điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu. Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để viết 1 con số thập phân thì phải thoả mãn điều kiện: Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 5 3 10 < số thập phân < 4 10 Tương tự với số nhị phân: n kx n 2|)(|max 1 2 << − (6). Như vậy, số bit cần thiết để thoã mã hoá là n bit. Chẳng hạn: 5 225|)(|max2 <=< kx n ⇒ Số bit trong mỗi từ mã là 5 bit. Vậy ta có công thức để xác định số bit là: 2 2 n.log|x(k)|max 2 log2 2 1)log(n < < − suy ra: 1 ) |x(k ) |ma x 2 E.(lo g n + = . (7). Ngoài ra, nếu con số biểu diễn là các con số đại số thì còn có cả số âmvà số dương cho nên trong từ mã còn có thêm một bit nữa là bit dấu để phân biệt số âm và số dương . Trên cơ sở đó ta thực hiện mã hoá các giá trị trên : x(0. Δ t) = (12) 10 = 01100 x(1. Δ t) = (10) 10 = 01010 x(2. Δ t) = (14) 10 = 01110 x(3. Δ t) = (18) 10 = 10010 x(4. Δ t) = (23) 10 = 10111 x(5. Δ t) = (25) 10 = 11001 x(6. Δ t) = (14) 10 = 01110 Để đánh giá chất lượng chuyển đổi nghĩa là độ trung thực của tín hiệu khôi phục người ta xác định sai số lượng tử cực đại: - Sai số lượng tử cực đại: 2/ x Δ - Sai sốlượng tử càng nhỏthì độ trung thực của tín hiệu sau khi khôi phục càng cao Như vậy, sau khi tín hiệu tương tự được lấy mẫu (rời rạc hoá thời gian) và mã hoá (lượng tử hoá về biên độ) nó chuyển thành tín hiệu số này là các giá trị rời rạc đó. Cách biểu diễn theo hệ thập phân thường dùng để chỉ thị số đo, còn trường hợp mạch biến đổi AD là các thiết bị số thì thường dùng hệ cơ số 2 (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số. Gỉa sử gọi tín hiệu tương Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 6 tự là )(US A A , tín hiệu số là ) DD (US , D S được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân như sau: 0 .2 0 b 2n 2 2n b 1n .2 1n b D S ++ − − + − − = (8). Trong đó, các hệ số 0=k b hoặc bằng 1 (với k=0 đến k=n-1) và được gọi là bit (binary digit). Trong đó, bit có trọng lượng lớn nhất ở bên trái và bit có trọng lượng nhỏ nhất ở bên phải.ở đây 0 b là bit có trọng lượng nhỏ nhất. Như vậy, với một mạch biến đổi có N bit nghĩa là có N số hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấc trên hình chiếm một giá trị: 1 N 2 Am U Ux LSB − ==Δ (9). Trong đó: - Am U là giá trị cực đại cho phép của diện áp tương tự đầu vào ADC - x Δ là mức điện tử 2.các tham số cơ bản đặc trưng cho chuyển đổi tương tự số + Dải biến đổi của điện áp tương tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi được. Khoảng điện áp đó có thể lấy các giá trị số từ 0 đến một số dương hoặc âm nào đó. Số các số hạng của mã số của đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tương ứng với d ải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi. Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N=12, nghĩa là một từ mã có 12 con số nhị phân thì ADC có thể phân biệt đuợc 12 2 =4096 mức điện áp trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Độ phân biệt của một ADC được ký hiệu là Q (được xác định theo công thức (4) ở trên). Như vạy, ta có thể ngầm hiểu số bit N để đặc trưng cho độ chính xác. Tuy nhiên, ngoài số bit đặc trưng cho độ chính xác của bộ chuyển đổi trong thực tế liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác như: Sai số lệch 0, sai số đơn điệu, sai số khuyếch đại Lý tưởng Thực Méo phi tuyến Sai số khuếch đại Sai số đơn điệu Sai số lệch không 000 001 010 011 100 101 110 111 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 7 U A U A U A U A U M D U Hình 2. đặc tyuến lý tưởng và thực của bộ chuyển đổi ADC Như vậy, so sánh hai đường đặt tuyến truyền đạt lý tưởng của ADC là một đường bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1. Đường đặc tuyến thực có sai số lệch không và là một hình bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai số khuyếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn điệu. Trong đó, sai số khuyếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đường đặc tuyến thực với độ dốc trung bình của đường đặc tuyến lý tưở ng. Sai số phi tuyến được đặc trưng bởi sự thay đổi đọ dốc đường trung bình của đạc tuyến thực trong dải biến đổi của điện áp vào. Sai số này làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình bậc thang không đều. Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi tuyến của đường đặc tính biến đổi gây ra. 3.Cấu tạo, sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Composition, Diagram and Working Principle) 3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition) hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC Như vậy, một bộ chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch lượng tử hoá tín hiệu và mạch mã hoá tín hiệu. 3.2. Nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Working Principle) Trước hết, mạch láy mẫu tín hiệu tương tự tại các thời điểm khác nhau đều và cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa tới mạch lượng tử hoá để Mạch lấy M ẫ u ADC Lượng tử hoá Mã hoá Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 8 Bộ tạo U tuyến tính Bộ so sánh Bộ tạo cửa th ờ i g ian Bộ đếm xung U 0 + U x 2 n 2 1 2 0 thực hiện làm tròn với biên độ chính xác: 2 x Δ ± . 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 cẩutên đầu ra của bộ chuyển đổi. 4. phân loại chuyển đổi tương tự-số ADC . Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tương tự-số ADC , tuy nhiên chủ yếu phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian theo cách phân loại này có 4 phương pháp biến đổi AD như sau: a.Phương pháp chuyển đổi song song: Trong phương pháp nàytín hiệu được so sánh cùng một lúc với nnhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. b.Biến đổi theo mã đếm: ở đây, quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi. c. Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuản dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần, do đó các bit được xác định lần lượt từng bit có nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất. d. Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phương pháp này mỗi bước so sánhcó thể được xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời. Như vậy, có rất nhiều phương pháp chuyển đổi, tuy nhiên các mạch thưc tế làm việc theo nhiều phương pháp khác nhau. Nhưng về nguyên tắc chuyển đổi đều làm theo những phương pháp trên. Trong quá trình thiết kế một hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính, hay một hệ thống đo l ường số nào đó tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống như tốc độ,độ chính xác vật tư hiện có mà lựa chọn phương pháp chuyển đổi khác nhau. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau, chính vì vậy việc nghin cứu nguyên lý hoạt động , tính năng kỹ thuạt của từng phương pháp cũng như từng mạch cụ thể là nhiệm vụ của người thiế t kế. Sau đây ta tìm hiểu từng phương pháp chuyển đổi: 4.1. Bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp tích phân một sườn dốc (the Ramp type ADC). 4.1.1. Sơ đồ khối : Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 9 Hình 4. Sơ đồ khối phương pháp tích phân một sườn dốc Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 10 u U 0 + U x U 0 t U SS1 t U SS2 t Uxung cửa ΔT Uxung chuẩn Uxung điểm t t t Hình 5 : Giản đồ thời gian [...]... Bit 1 Lối vào Lối ra 1111111 000 0111111 001 0011111 010 0001111 011 0000111 100 0000011 101 0000001 110 0000000 111 Bit 2 Bit 3 Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 14 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Hình 10 sơ đồ nguyên lý phương pháp chuyển đổi song song 4.3.2.Nguyên lý hoạt động Trong phương pháp chuyển đổi này, tín hiệu tương tự cần chuyển đổi UA cần chuyển đổi được đưa... ra khác và các lối ra không được phép nối với các nguồn tín hiệu điện áp mà không biết rõ thông số Để có thể ghép nối máy tính với các thiết bị ngoại vi, các mạch điện ứng dụng trong đo lường và điều khiển với cổng song song ta phải tìm hiểu cách trao đổi cách trao đổi với các thanh ghi thông qua sự sắp xếp và địa chỉ của các thanh ghi đó Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 25... còn phải biết tính năng đo lường cũng như độ chính xác của từng bộ chuyển đổi Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 11 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Vậy độ chính xác của bộ chuyển đổi sử dụng phương pháp trên phụ thuộc vào các yếu tố gì ? * Để trả lời cho câu hỏi trên ta phải xem xet từng yếu tố tuỳ thuộc: • Các điện áp chuẩn U ch + Diện áp răng cưa khong tuyến tính V- và bằng –15 volt nếu V+ < V- Những mạch như vậy được gọi là bộ so Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 16 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt sánh(comparator) Trong trường hợp này, Vout là giới hạn về không tương ứng với 5 volt đẻ lối ra có thể tương thích mức TTL Ngoài bộ so sánh được sử dụng trong bộ chuyển đổi này còn có mạch chuyển đổi DAC có nhiệm vụ chuyển đổi số... Hiệu suất chuyển đổi của kỹ thuật này là chuyển đổi có độ phân giải cao, có thể làm việc trong thời gian rất ngắn hay tốc độ chuyển đổi cao Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi còn phụ thuộc vào các mạch nối dặc biệt là bộ DAC và bộ so sánh Ngoài ra, sai số của phép chuyển đổi này phụ thuộc vào độ chính xác, độ ổn định của điện áp mẫu và sai số cả các thiết bị so sánh Chương 2 CHUYỂN ĐỔI SỐ - TƯƠNG TỰ DAC (The... nguyên lý chuyển mạch K 2.3 .chuyển đổi số-tương tự bằng phương pháp Shannon-Rack 2.3.1 sơ đồ nguyên lý K1 K2 I C R Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 20 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Hình17.sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D-A theo phương pháp mã hoá Shannon-Rack 2.3.2.Nguyên lý hoạt động Đây là một quá trìng chuyển đổi nối tiếp từng bit một Tín hiệu điều khiển số được đưa lần . thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 16 Hình 11. Sơ đồ khối phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên. chuyển đổi. Bộ so sánh Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 12 Vậy độ chính xác của bộ chuyển