PHẦN MỘT CƠ SỞ LÝ THUYẾT. I./ Khái niệm chung: Hiện nay trong các hệ thống thông tin, truyền thông, điện dân dụng . . . sử dụng chủ yếu là phương pháp số, nhưng thực tế các tín hiệu hữu ích: tiếng nói, tín hiệu chuyển đổi đo lường lại hầu hết là tín hiệu tượng tự, cho nên cần phải chuyển đổi sang tín hiệu số, sau đó xử lý để đạt được yêu cầu đề ra, và sau cùng là phải chuyển đổi ngược lại từ tín hiệu số về tín hiệu tương tự, có thể khái quat hệ thống đó bằng sơ đồ khối sau đây : Trong khuôn khổ của kĩ thuật mạch điện tử, chỉ xét phần ADC và DAC, còn các phần khác sẽ nghiên cứu trong các môn học : xử lí tín hiệu số, kĩ thuật số, hệ thống truyền dẫn Một cách tổng quát, mọi tín hiệu tương tự S(t), đều có thể biểu diễn dưới dạng các tín hiệu nhị phân (tín hiệu số) theo hàm : S(t) = b n-1 .2 n-1 + b n-2 .2 n-2 + + b 1 .2 1 + b 0 .2 0 . Trong đó S(t) là tín hiệu tương tự, b i là tín hiệu số nhận hai giá trị 1 hoặc 0. Ví dụ: một tín hiệu tại thời điểm t có biên độ là 13V, có thể biểu diễn đơn giản bằng số nhị phân là : 13 = 1.2 3 +1.2 2 +0.2 1 +1.2 0 Ơ công thức trên b n-1 được gọi là bit có ý nghĩa lớn nhất, kí hiệu là MSB (Most Significant Bit), bà b 0 được gọi là bit có ý nghĩa nhỏ nhất, kí hiệu là LSB (Least Significant Bit). Hoặc có thể mô tả bằng đặc tuyến như hình vẽ sau, với một bộ biến đổi N bít nhị phân thi : Q = U LSB = max 2 1 A N U − (1) U Amax : trị cực đại cho phép của điện áp tương tự đầu vào. Q : gọi là mức lượng tử. Do tín hiệu số là tín hiệu rời rạc, nên trong quá trình chuyển đổi AD xuất hiện sai số gội là sai số lượng tử hóa, được xác định bởi : V U = 1 2 Q (2) Chuyển đổi AD cần lấy mẫu tín hiệu tương tự, nên để khôi phục tín hiệu đạt chất lượng cao thì phải tuân theo định lý lấy mẫu, tức là tần số tín hiệu lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu Analog vào : Fm>=2fthmax=2B (B: băng tần tín hiệu tương tự); Ttheo lí thuyết lượng tử hóa, quá trình lượng tử hóa, quá trình lượng tử hóa sinh ra tạp âm, tạp âm này phản ánh khi thực hiện phep biến đổi ngược DA, có thể coi quá trình lượng tử hóa là quá trình cộng tín hiệu X A và tín hiệu tạp âm X ta , người ta chứng minh được tạp âm lượng tử hóa cs thể coi là tạp âm trắng, khi -Q≤ X A ≤ Q/2.Và mật độ phổ công suất của tạp âm được xác định : Sta() = 2 12 Q = 2 U ta , (3) Trong đó 2 U ta : giá trị trung bình bình phương của điện áp tạp âm. Nếu nối với một điện trở tải, có thể xác định được công suất của tạp âm phản ảnh ở tải là : P R = 2 12 Q R (4) Tỉ số tín hiệu tạp âm S/N được xác định bằng công thức : S N (dB) = 20lg max 2 A ta U U = 20lg 6 (2 N - 1) (5) II./ Các tham số cơ bản: 1./ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào : Là khoản điện áp mà trong bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện được. Khoảng điện áp đó có thể lấy trij số từ 0 tới môt giá trị dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp 2 cực tính từ -U AM  +U AM . 2./ Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD: Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân biệt. Ta biết rằng trên đầu ra của ADC là các giá trị số ss]ơcj sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số ở đầu ra (số bit trong mã hóa nhị phân) tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép biến đổi. Ví dụ: một ADC có số bit ra N=8 có thể phân biệt được 2 8 =256 mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó, độ phân biệt của một ADC chính là mức lượng tử Q ở trên. Q chính là giá trị của một mức lượng tử hóa còn được gọi là LSB. 3./ Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD mà bộ chuyển đổi có thể chuyển đổi được, giá trị này có thể âm, dương, hoặc dải từ âm sang dương, thực tế ta cần kết hợp với các mạch hạn biên, nén trước khi đưa đến IC chuyển đổi AD. 4./ Độ chính xác : thường đặc trưng bởi số bit, số lượng bit lượng tử hóa càng nhiều thì độ chính xác càng cao, thường ta có các IC chuyển đổi AD 8bit, 10bit, 12bit, 20bit, 32bit . . . Ngoài ra còn có các thông số khác ảnh hưởng đến độ chính xác như: sai số lệch không, sai số khuêchs đại 5./ Tốc độ chuyển đổi : cho biết số kết quả chuyển đooir trog một giây, tức là tần số chuyển đổi f c , thông số này phản ảnh khả năng làm việc, thời gian thực hiện của hệ thống,trong hệ thống viễn thông của nó là thông số tích lủy độ trể của tín hiệu, thông số này (f c ) phải càng lớn càng tốt. III. GIỚI THIỆU VỀ ADC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ. 1. Tổng quan về biến đổi tương tự số. Các khái niệm cư bản: - tín hiệu tương tự là tín hiệu được xác định trong khoảng thời gian liên tục và trong đó có thể có khoảng giá trị liên tục. - Lượng tử hóa: mô tả quá trình diễn biến bằng tập hữu hạn các trị số phân biệt. Biến lượng tử hóa là biến chỉ có thể có những giá trị số phân biệt. - Tín hiệu rời rạc là tín hiệu được biểu diễn bởi hàm của biến rời rạc. (ví dụ: rời rạc theo thời gian) Nếu dực vào biên độ, chúng ta cũng có thể phân loại tín hiệu rời rạc làm 2 loại : - Tín hiệu lấy mẫu. - Tín hiệu số. Tín hiệu lấy mẫu là tín hiệu rời rạc có biên độ không được lượng tử hóa. Tín hiệu số là tín hiệu được rời rạc hóa cả về biến số và biên đô. 2. Biến đổi tương tự - số: a./ Định nghĩa : Là bộ phận không thể thiếu trong quá trình gia công số tín hiệu. Các tham số trong thế giới thực chẳng hạn nhiệt độ, áp suất, độ ẩm trước tiên phải được biến đổi bởi một bộ cảm biến sang một đại lợng điện rồi sau đó mạch tương tự điều hòa tín hiệu trước khi đưa vào ADC, ADC chuyển đổi các tín hiệu tương tự này sang tín hiệu số mà máy tính có thể xử lí được. b.) Nguyên tắc làm việc của ADC Nguyên tắc làm việc của ADC được minh họa như Hình 1 Analog Tin hiệu ânlog đã đọc Tín hiệu đã lấy mẫu Digital H1: Sư đồ mô tả quá trình chuyển đổi. Đầu tiên tín hiệu tương tự được xử lí bởi một bộ lọc thông thấp, chức năng của nó là để hạn chế dải tần của tín hiệu, loại bỏ các thành phần tần số cao không cần thiết. Sau khi lọc lấy được tín hiệu có tần số thấp thì được cho vào bộ lấy mẫu và giữ mẫu với tốc độ f s do tốc độ đồng hồ chuẩn quy định. Mạch lấy mẫu và giữ cảm biến mức tín hiệu tương tự mỗi lần trong một chu kì lấy mẫu và "cố định" trị số đó cho tới điểm tương ứng trong chu kì lấy mẫu tiếp theo. Việc lấy mẫu được tiến hành trong các khoảng thời gian đều đặn và để tránh hiện tượng chồng phổ. Đầu tiên tín hiệu được rời rạc hóa, lấy mẫu tín hiệu tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau : Bộ lọc thông thấp(Low pas Kilter) Lấy mẫu và giữ mẫu (Sample and Hold) Bộ đổi A / D (A/D Converter) - Tiếp theo : giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình lượng tử hóa và mã hóa, tín hiệu rời rạc hóa được làm tròn với độ chính xác là ±Q/2 , theo công thức sau : • Z Di = int Ai X Q = Ai X Q - Ai X Q V ; • Trong đó: X Ai - tín hiệu tương tự tại thời điểm i Z Di - tín hiệu số tại thời điểm i Cuối cùng sẽ được cho vào bộ biến đổi AD, bộ biến đổi AD biến đổi tín hiệu tương tự không đổi từ số biểu diễn bằng một số hữu hạn các bit thông qua mạch mã hóa bit, thường mã hóa ra ra mã nhị phân, quá trình mã hóa có thể để nguyên mã này hay biến thành các mã khác như BCD, GRAY, D3 Quá trình này có thể thực hiện sau lượng tử hóa hoặc đồng thời. Giả sử mỗi từ nhị phân có n bit  số mức là m = 2 n . Chỉ có một số hữu hạn các mức có thể được biểu diễn được bằng quá trình biến đổi. Do đó trong bộ AD xuất hiện sự lượng tử hóa biên độ, với mỗi mẫu tương tự được gán cho 1 trong m mức số khả dĩ theo một quy ước nào đó. Như vậy các giá trị số cuối cùng được lượng tử hóa cả về số lẫn biên độ. Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả lượng tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra của bộ chuyển đổi. PHẦN HAI: CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ/SỐ: Chúng ta sẽ khảo sát một số phương pháp biến đổi số phổ biến hiện nay. Mục đích chính của chúng ta là thiết kế mạch ADC theo phương pháp biến đổi điện áp - tần số VFC sẽ được trình bày ở phần sau. Ở đây chúng ta chỉ mang tính chất giới thiệu nhằm mục đích có cơ sở để so sánh với phương pháp của chúng ta CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ/SỐ I. Flash ADC ( Hay còn gọi là ADC theo phương pháp song song). - Điện áp U A được đưa đồng thời đến đầu vào của các bộ so sánh: SS1, SS2, ,SSn, điện áp chuẩn U ch được đưa dến đầu vào thứ hai qua thang điện trở R, do vậy các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ SS1  SSn. - - Tại các đầu ra bộ so sánh: nếu điện áp vào > điện áp chuẩn: cho mức logic là 1 và nếu điện áp vào < điện áp chuẩn : cho mức logic 0. - - Tất cả tín hiệu ra so sánh nối với mạch Và(AND). Chỉ khi có xung nhịp (Ck) đưa đến mạch AND thì đầu ra mạch AND mới có tín hiệu đưa đến các Flip-Flop(FF). như - - - vậy cứ sau khoảng thời gian xung nhịp lại có một tín hiệu biến đổi và đứ đến đầu ra, đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới đưa tín hiệu số vào bộ nhớ. - - Bộ mã hóa biến đổi tín hiệu vào dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch biến đổi này là mạch song song, có tốc độ chuyển đổi nhanh, nhưng phức tạp hơn mạch nối tiếp, với bộ chuyển đổi N bit, cần (2 N - 1) bộ so sánh, AND,FF. SƠ ĐỒ MẠCH FLASH ADC NHƯ SAU: ADC theo phương pháp vết ADC theo phương pháp vết ADC tích phân dốc đơn ADC tích phân dốc đơn ADC tích phân hai sườn dốc ADC tích phân hai sườn dốc Flash ADC ADC kiểu nối tiếp ADC tích phân kiểu sườn dốc ADC kiểu xấp xỉ tuần tự ADC theo phương pháp Sigma Delta ADC dùng biên đổi VFC II. Chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn dốc: - Mạch logic điều khiển khóa K ở vị trí 1 thì U A nạp cho tụ C qua R, trên đầu ra mạch tích phân xác định được: U' C = 1 RC A U dt ∫ = 1 RC U A t . Như vậy sau khoảng thời gian t 1 , ta có : U' C1 = 1 RC U A t 1 U C1 tỉ lệ với U A lớn hay nhỏ mà U' c (t) có độ dốc khác nhau - Trong khoảng thời gian t 1 bộ đếm Z o cũng được kích đếm, hết thời gian t 1 khóa K được mạch logic điều khiển sang vị trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch AND, làm cho mạch này tích cực, thông xung nhịp, và bộ đếm bắt đầu đếm, đồng thời bộ đếm Z o được kíc ngừng đếm. - - Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn U ch bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ngược lại theo phương trình nạp : - - 1 '' C ch U U t RC = − sau khoảng thời gian t 2 ta được 2 2 1 '' Ct ch U U t RC = − - Giả sử sau khoảng thời gian t 2 ta có ' '' C C U U= (điện áp tụ bằng 0) • 2 1 2 1 1 1 . A ch A ch U U t U t t t RC RC U ⇔ = ⇒ = (1) Mặt khác số xung đã đến mạch đếm Z o trong khoảng t 1 là : Z o = t 1 .f n , (2) trong đó f n là tần số dãy xung nhịp. Từ (1) và (2) 2 . o A ch n Z U t U f ⇒ = (3) Trong đó số xung nhịp đếm được nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng t 2 là : 2 o A n o A ch ch Z U Z t f Z U U U = = = (4) Sau khoảng t 2 mạch đếm ra bị ngắt, vì U C = 0. Quá trình trên được lặp đi lặp lại trong chu kì chuyển đổi tiếp theo. Từ (4) ta thấy số xung đếm được ở đầu ra tie lệ với U A , kết quả đếm độc lập với R, C, f n nhưng phương pháp này có tần số xung nhịp có độ ổn định cao (sao cho trị số là như nhau trong 2 khoảng thời gian t 1 và t 2 ). PHẦN BA: ADC DÙNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP - TẦN SỐ (VFC) Nội dung chính của phương pháp: [...]... đo nhân với 10 Ở đây, mạch vào gồm cả mạch lấy modul kết hợp với mạch chỉ thị dấu rồi mới đưa tín hiệu vaò đẩu vào của chuyển mạch điện tử của bộ chuyển đổi điện áp - tần số Tín hiệu sau khi được trích lấy mẫu thì cho qua mạch chỉ thị dấu để xác định dấu của điện áp vào a./ Sơ đồ và nguyên lí mạch chỉ thị dấu như sau: Điện áp vào cần được thông báo là dương hay âm Tất nhiên khi điện áp vào là dương... II./ Thiết kế mạch điện nguyên lí ( lựa chọn linh kiện thực hiện mạch nguyên lí) : 1./ Điện áp vào chỉ có cực tính dương : 0V đến 10V ( Dùng mạch lấy modul kết hợp với mạch chỉ thị dấu) Mạch vào - Tín hiệu vào đưa vào một chuyển mạch thang đo để trích lấy mẫu tín hiệu khoảng 1V để đưa vào mạch vào Như vậy kết quả sau khi biến đổi ta phải đọc giá trị khi đã nhân với hệ số nhân của chuyển mạch này Ví dụ:... đại thuật toán AD 211) 2/ K = 1Khz/V ; fRa = K.UVào, K = 1 (RC nối ra ngoài qua Z1Z2 xuống 0V) 40RC Sơ đồ khối của phương pháp biến đổi điện áp sang tần số (Voltage to Frequency Converter VFC): UX V F C FX = K.UX K[ Hz ] V I./ Cấu trúc khối, nguyên lí biến đổi điện áp - tần số, tìm hệ số biến đổi : Vfx = K VU x SƠ ĐỒ KHỐI PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP - TẦN SỐ │UX│ Chuyển mạch điện tử Bộ tích phân SƠ ĐỒ... Việc hiển thị điện áp dương lúc này là do ngầm quyết định Khi điện áp vào là âm(-) ta sử dụng một LED vạch để hiển thị dấu trừ (-) này hoặc hiển thị bằng LED bình thường nhưng phải có dòng chữ dán bên cạnh là "Điện áp âm" Nguyên lí : - Khi Vin > 0 thì Vout = 0V  LED không sáng - Khi Vin . của điện áp vào. Điện áp ra ở trên lại được tiếp tục cho vào mạch lấy modul như dưới đây. b./ Sơ đồ mạch lấy modul Sơ đồ mạch lấy modul - Tín hiệu vào gồm hai tín hiệu Ux và Uy cho vào mạch. thì cho qua mạch chỉ thị dấu để xác định dấu của điện áp vào. a./ Sơ đồ và nguyên lí mạch chỉ thị dấu như sau: Mạch vào Điện áp vào cần được thông báo là dương hay âm. Tất nhiên khi điện áp vào. khóa K được mạch logic điều khiển sang vị trí 2, đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch AND, làm cho mạch này tích cực, thông xung nhịp, và bộ đếm bắt đầu đếm, đồng thời bộ