Đề tài Tính toán mạch điện tử

ại cùng một chỗ trên dạng sóng thì lõi có thể xảy ra. Hơn nữa, sự trễ do truyền lan của tín hiệu tới các bộ so sánh gây khó khăn sự thích ứng như kích cỡ mảng tăng. Đây là một lý do mà bộ biến đổi tức thời thường dùng phép nhân logic với mạch giữ và lấy mẫu, khi lấy mẫu đầu vào một cách lý tưởng cung cấp tín hiệu không thay đổi được tới tất cả bộ so sánh tại thời gian của sự đồng bộ. E N C O D E R Vref Vin Đồng hồ Dữ liệu ra Bộ so sánh Mã nhiệt kế Mã 1 of N Sự thay đổi của cấu trúc tức thời có thể được dùng để làm giảm tốn kém của độ phân giải cao hơn. Các kỹ thuật này, gồm có mã hoá tương tự, sự gấp (folding), và nội suy có thể giảm bớt điện dung đầu vào và kích cỡ mảng bộ so sánh một cách đáng kể. Hình 5 : Sơ đồ khối của bộ biến đổi A/D tức thời. 3.2. Sai số động trong ADC song song (Dynamic Errors in Parallele ADCs). Nếu không dùng mạch giữ và lấy mẫu thì trong những phạm vi nào đó sai số động có thể gây tổn hại tới cấu trúc A/D tức thời và biến thức của nó. Sai số động được định nghĩa ở đây như là kết quả khi tín hiệu đầu vào có tần số cao được ứng dụng cho ADC. Sai số động phổ biến là do ADC có điện dung đầu vào phi tuyến lớn(voltage-dependent). Điện dungnày có tính phi tuyến khi nó gồm có phân lớn tiếp giáp bán dẫn. Khi điện dung đầu vào này được truyền từ nguồn trở kháng xác định, méo có thể xảy ra tại tần số cao. Các loại sai số động khác xảy ra nếu đầu vào và tín hiệu đồng hồ không được phân phối một cách tức thời tới tất cả các bộ so sánh trong ADC. Dù trong ứng dụng đơn khối, sự tách biệt về vất lý của bộ so sánh có thể đủ lớn để gây khó khăn này cho đầu vào tần só rất cao. Đối với sóng hình sin 1 GHz tại sự giao nhau 0, tốc độ thay đổi cao 10 ps. Tín hiệu thay đổi 3% toàn bộ thang độ. Để số hoá tín hiệu này một cách chính xác, tất cả bộ so sánh phải được điều khiển bởi cùng một điểm trên tín hiệu khi đồng hồ xuất hiện. Nếu có sự không thích ứng trong khoảng trễ trong đồng hồ hoặc sự phân bố tín hiệu tới bộ so sánh chỉ trong 10 ps, sẽ có sự khác nhau 3% giá trị tín hiệu nhận biết được bởi bộ sa sánh khác nhau. Kết quả đạt tại đầu ra bộ so sánh, sau khi giải thích bởi bộ mã hoá bám theo, cho kết qủa sai số mã đầu ra lớn. Cả hai sai số này có chiều hướng xấu như độ phân giải bộ biến đổi tăng, khi điện dung đầu vào và kích cỡ mảng bộ so sánh cả hai đều lớn lên. Nó có thể hạn chế độ phân giải có thể nhận được thực tế trước khi năng lượng và sự ràng buộc phức tạp tham dự vào. Một cách điển hình các mạch lấy mẫu và mạch giữ được dùng với ADC song song để loại trừ vấn đề này. 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 Hình 6: Mã nhiệt kế từ bộ so sánh được biến đổi thành mã 1 of N dùng cổng logic. 3.3. Mạch giữ và lấy mẫu. Các mạch giữ và lấy mẫu loại trừ sai số động từ ADC song song bằng cách đảm bảo rằng tín hiệu đầu vào bộ so sánh không bị thay đổi khi đồng hồ bộ so sánh xuất hiện. Mô hình quan niệm lấy mẫu và giữ điều khiển ADC được cho trong hình (7). Khi chuyển mạch được đóng, điện áp trên toàn bộ tụ bám theo tín hiệu đầu vào. Khi chuyển mạch mở, tụ điện giữ giá trị đầu vào lúc đó. Giá trị này được ứng dụng vào đầu vào ADC qua bộ khuếch đại, và sau khi thích ứng giá trị ổn định có thể có của bộ so sánh. Duy nhất sau đó là bộ so sánh được lấy thời gian(clocked), loại trừ vấn đề về sự phân phối tín hiệu dựa vào ở trên và tất cả các sai số động khác liên quan với bộ so sánh. Thực ra, có sự hạn chế đối với chỉ tiêu chất lượng động của mạch giữ và cùng với mạch lấy mẫu. Đối với phạm vi mà nó có điện dung đầu vào phi tuyến, cùng một méo có tần số cao đã đề cập ở trên sẽ xuất hiện. Dù thế nào thì một cách điển hình hiệu ứng này sẽ bị giảm nhiều hơn, khi một cách điển hình điện dùng đầu vào của mạch giữ và lấy mẫu thấp hơn nhiều so với bộ biến đổi song song. Bài toán động của mạch giữ và lấy mẫu thường thấy khác là méo khẩu độ (perture distortion). Nó dựa vào méo được đưa tới bởi thời gian cắt không zero của mạch lấy mẫu trong hệ thống. Nó có thể đưa vào méo khi lấy mẫu tín hiệu tần số cao, khi điểm lấy mẫu hiện dụng trên tín hiệu có thể là một hàm tốc độ tín hiệu của sự thay đổi (tốc độ nhảy dòng in) và hướng. Với nguyên nhân này, phải quan tâm nhiều tới việc thiết kế chuyển mạch sử dụng trong mạch giữ và lấy mẫu. X1 Amp X1 Amp Mạch giữ và lấy mẫu Đồng hồ giữ và lấy mẫu Đầu vào E N C O D E R ADC Đồng hồ bộ so sánh Dữ liệu đầu ra Hình 7: Mạch giữ và lấy mẫu điều khiển ADC song song. D1 D2 D3 D4 D6 D5 Vào Ra Hình 8: Mạch cầu Diode để dùng làm chuyển mạch lấy mẫu. Tranzito MOS có thể được dùng trực tiếp làm các chuyển mạch lấy mẫu, và các sự cải thiện trong tốc độ tranzito dẫn tới chỉ tiêu chất lượng giữ và lấy mẫu tốt hơn. Cấu hình khác của bộ lấy mẫu có chỉ tiêu chất lượng cao thường được dùng là cầu diode, cho trong hình (8). Với dòng điện chảy trên hướng đã cho, chuyển mạch bật lên. Tín hiệu đầu vào được nối tới tụ giữ qua diode dẫn điện D1 đến D4. Diode D5 và D6 tắt. Để tắt chyuển mạch, dòng điện phải ngược lại. Bây giờ diode D5 và D6 dẫn điện, và các diode còn lại bị tắt. Tín hiệu đầu vào không phụ thuộc vào tụ giữ bởi chuỗi OFF của các diode D1 đến D4 và diode phân dòng ON D5 và D6. Bộ lấy mẫu dùng cầu diode thường được xây dựng từ diode Shottky mà nó tận dụng phụ tải không lưu trữ. Chúng có thể bị tắt nhanh chóng, tạo ra méo khẩu độ. Mạch giữ và lấy mẫu có chỉ tiêu chất lượng rất cao đã được xây dựng bằng cách dùng phương pháp này. 3.4. ADC ghép xen (Interleaving ADCs) . Không đề ý tới tốc độ lấy mẫu của bộ biến đổi hiện có của A/D, tốc độ lấy mẫu cao hơn thường được yêu cầu. Nó đặc biệt đúng trong ứng dụng Ôxylô thời gian thực (real time) nơi mà độ rộng băng tần có thể biết được tỷ lệ trực tiếp tới tốc độ lấy mẫu. Để nhận được tốc độ lấy mẫu cao hơn, mảng bộ biến đổi thường phải được xen lẫn nhau. Ví dụ, bốn bộ biến đổi 1 GHz, điều khiển bởi một tín hiệu đầu vào đơn, có thể hoạt động với đồng hồ của chúng cách nhau tại thời gian 900. Nó tạo ra tốc độ lấy mẫu đầu vào tập hợp 4 GHz, nâng lên độ rộng băng có thể biết được từ giá trị điển hình 250 MHz tới 1 GHz ( thực ra để nhận được độ rộng băng 1 GHz thì mạch lấy mẫu trong ADC phải có độ rộng băng 1 GHz). Nhưng sự xen lẫn thường đưa ra sai số do sự không thích ứng trong đặc tính riêng ADC. Sai số tăng ích và sai số bù trong ADC đơn không bị xen lẫn có thể sản ra một cách tương đối sai số vô hại (innocuous errors) mà không quan trọng đối với ứng dụng. Trong hệ thống xen lẫn, khắc biệt nhau trong sai số tăng ích và dịch chuyển của riêng ADC có thể chuyển đổi tới thành phần tần số giả mạo tại bộ số con tốc độ lấy mẫu. Nó sẽ đặc biệt không mong muốn nếu phổ của tín hiệu có ích . Thật may, sai số tăng ích và sai số bù trong hệ thống ADC ghép xen có thể được lấy chuẩn. Sẽ khó khăn hơn để loại trừ ảnh hưởng của sự không thích ứng động trong ADC. Chúng có hai nguồn: Sự định pha không chính xác của đồng hồ mà chèn vào hệ thống ADC, và độ rộng băng khác nhau trong mạch bộ lấy mẫu ở trước ADC. Ảnh hưởng của sai số do pha đồng hồ được minh hoạ trong hình (9), cho biết ảnh hưởng của một đồng hồ bộ biến đổi không định pha(mis-phased) trong một hệ thống ADC ghép xen bốn lối (four-way). Đối với tín hiệu đầu vào 1 GHz, sai số do pha đồng hồ 10 ps đạt kết quả sai số 3% trong giá trị lấy mẫu được lấy. Đây là kết quả trực tiếp của tốc độ nhảy dòng tín hiệu được số hoá. Đồng hồ không định pha trong hệ thống ADC ghép xen có thể sản ra thành phần tần số giả mạo và thay đổi dạng(in shape) hoặc định thời trong dạng sóng được xây lại. Mạch giữ và lấy mẫu hạng hai (two-rank) lấy mẫu đầu vào với duy nhất một bộ lấy mẫu cần thiết có thể loại trừ vấn đề này. Thủ tục lấy chuẩn mà điều chỉnh pha đồng hồ cũng có thể giúp để giảm ảnh hưởng này. Ảnh hưởng do sự không thích ứng độ rộng băng tương tự với ảnh hưởng do sự khong thích ứng định thời. Sự lấy chuẩn để giảm ảnh hưởng này là rất khó, dù thế nào thì sự điều chỉnh yêu cầu của đáp ứng tần số mạch tương tự chỉ là hơn điều chỉnh độ trễ của một tín hiệu số. DV Dt 1 2 4 1 Thời gian lấy mẫu mong muốn Thời gian lấy mẫu hiện tại Hình 9: Ảnh hưởng sai số định thời trong hệ thống ADC ghép xen . 4. Bộ biến đổi tương tư-số đa bước(Multistept Analog-To-Digital Convertors). Bộ biến đổi đa bước thường được dùng khi yêu cầu độ phân giải của ứng dụng vượt qúa độ phân giải hiện có trong bộ biến đổi song song. Một ứng dụng điển hình cho bộ biến đổi đa bước là ở trong bộ phân tích phổ số hoá trực tiếp nơi mà độ phân giải 12 bít được yêu cầu tại tốc độ lấy mẫu cao nhất hiện có. Ở đây bộ phân tích phổ số hoá trực tiếp được định nghĩa như là cái mà dùng biến đổi Fourier của bản ghi đầu ra ADC để tính toán phổ. Một cách điển hình, chúng cung cấp lưu lượng phép đo cao hơn bộ phân tích phổ tương tự với Ôxylô quét và cấu trúc trộn. Ở đây “đa bước (multistep)” gồm có rất nhiều các loại cấu trúc. 4.1 Bộ biến đổi tương tự-số hai bước. Một ví dụ rất đơn giản của ADC đa bước là bộ biến đổi hai bước với độ phân giải 12 bít (hình 10). Tín hiệu đầu vào được được thu thập bởi mạch giữ và lấy mẫu và số hoá bởi bộ biến đổi song song với độ phân giải 6 bít. Sau đó kết quả số được biến đổi bộ biến đổi số-tương tự (DAC) thành dạng tương tự và trừ đi từ đầu vào. Cho kết quả “phần còn lại(residue)” nhỏ (sự khác nhau giữa đầu vào và một cái gần nhất trong những mức “được làm tròn” ADC 64) được khuếch đại bằng 64 và sau đó số hoá bởi ADC 6 bít song song khác. Hai kết quả 6 bít được cộng với trọng số thích hợp để nhận mã đầu ra 12 bít. Từ ví dụ này, thấy rõ lợi điểm của cấu trúc hai bước. Tín hiệu đã được tách ra 12 bít, nhưng duy nhất 128 (2*64) bộ so sánh được yều cầu. Một cách đầy đủ bộ biến đổi song song phải được yêu cầu 4096 bộ so sánh. Bộ biến đổi hai bước cung cấp năng lượng thấp hơn, sự phức tạp và điện dùng đầu vào hơn bộ biến đổi song song trong cùng một tốc độ. Giá phải trả là sự cộng thêm của mạch giữ và lấy mẫu của ADC. Mạch giữ và lấy mẫu cần có để thu thập lấy mẫu đầu vào và giữ nó không thay đổi qua thao tác tuần tự của hai bộ biến đổi song song và DAC. DAC phải thật chính xác đối với độ phân giải đầu ra mong muốn của bộ biến đổi (12 bít như trong ví dụ trên). 4.2 Bộ biến đổi tương tự-số nhanh (Ripple-through Analog to Digital Converters). Cấu trúc hai bước tạo ra sự giảm quan trọng số bộ so sánh so với cấu trúc song song. Dù thế nào, 128 bộ so sánh vẫn được yêu cầu trong ví dụ 12 bít hình (10). Hơn nữa sự giảm có thể thực hiện được được bằng cách sử dụng nhiều tầng hơn nữa trong quá trình biến đổi, với vài bít trong mỗi tầng và tương đương với khuếch đại thấp hơn trong bộ khuếch đại phần còn lại (residue amplifier). Một bộ biến đổi ba tầng tách ra bốn bít trong một tầng sẽ cần 48 bộ so sánh. Bộ biến đổi loại này (với hơn hai tầng ADC nhưng chỉ với duy nhất mạch giữ và lấy mẫu) thường được gọi là bộ biến đổi nhanh. Một bít trong một cấu trúc nhanh tầng cho trong hình 11. Mỗi một tầng gồm một bộ so sánh đơn, một bít ADC, một bộ trừ, và một bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại hai. Trong mỗi một tầng, một bít được tách ra và một phần còn lại đi tới tầng tiếp theo. Bộ so sánh của mỗi tầng được lấy thời gian của sự hoạt động xuống tới (down the converter) bộ biến đổi. Một bít trong một cấu trúc tầng giảm tối thiểu số đếm (count) của bộ so sánh, nhưng nó yều cầu thêm nữa bộ khuếch đại và tầng DAC hơn bộ biến đổi hai bước. Mặt khác, đây là các tầng rất đơn giản, và toàn bộ số đếm (count) thành phần thông thường thấp hơn trong bộ biến đổi nhanh so với bộ biến đổi hai bước. Mặt khác, tốc độ lấy mẫu của một bít trong bộ biến đổi tầng trở thành thấp hơn bộ biến đổi hai bước. Phần lớn đây là kết quả của một lượng lớn các thao tác tuần tự được yêu cầu. ADC 6 bít ADC 6 bít Tổng 12b dữ liệu S/H DAC X64 12 bít accurate Vào Hình 10 : Sơ đồ khối của ADC hai bước 12 bít. Tầng 1 Tầng 2 Tầng 3 Tầng 12 S/H Vào ADC 1 bít Bộ so sánh Phần còn lại tương tự vào Phần còn lại tương tự vào Tới tầng tiếp theo X2 ADC Dữ liệu ra Hình 11: Sơ đồ khối của bộ biến đổi nhanh 12 bít, một bít trong một tầng. 4.3 Bộ biến đổi tương tự- số đầu vào ra song song (Pinelined Analog-to-Digital Converters). Bộ biến đổi đầu vào ra song song tăng tốc độ kết hợp với bộ biến đổi đa bước khác đồng thời thay vì thao tác tuần tự của bộ so sánh, DAC, và bộ khuếch đại trong mạch điện. Có thể nhận được bằng cách đặt xen vào mạch giữ và lấy mẫu giữa các tầng. Hình 12 là một sơ đồ khối cho một bít trong một bộ biến đổi tầng. Nó tương tự với cấu trúc của hình 11, với sự tạo thêm mạch giữ và lấy mẫu. Mỗi một mạch giữ và lấy mẫu giữ phần còn lại từ tầng trước. Tại mỗi chu kỳ đồng hồ, một lấy mẫu mới của đầu vào được thực hiện, và phần còn lại được khuếch đại tiến tới một tầng xuống”dây truyền (pipeline)”. Tầng 1 Tầng 2 Tầng 3 Tầng 12 Vào ADC 1 bít Phần còn lại tương tự vào Phần còn lại tương tự vào Tới tầng tiếp theo X2 DAC Dữ liệu ra DAC Hình 12 : sơ đồ khối cho một bít trong một bộ biến đổi tầng. 5. Bộ biến đổi đếm(Conting Converter). Một trong những phương pháp đơn giản nhất để tạo ra điện áp so sánh là dùng bộ biến đổi số-tương tự. Một DAC n bit có thể được dùng để tạo ra bất kỳ một trong những đầu ra rời rạc 2n bằng cách dùng từ số thích hợp đầu vào. Cách trực tiếp để xác định điện áp vào không biết trước(unknown) vx là phải so sánh nó với từng đầu ra của DAC một cách tuàn tự. Sự kết nối đầu vào số của DAC tới một bộ đếm nhị phân n bit cho phép sự so sánh với đầu vào không biết trước một cách từ từ, được cho ở hình (13). Bộ biến đổi A/D bắt đầu hoạt động khi xung làm cho flip-flop và bộ đếm đặt tới điểm zero. Mỗi xung đồng hồ liền tiếp làm tăng bộ đếm, đầu ra DAC giống như cầu tháng trong thời gian biến đổi. Khi đầu ra của ADC vượt quá đầu vào không biết trước, đầu ra của bộ so sánh thay đổi trạng thái, kích flip-flop, và ngăn không cho các xung đồng hồ thêm nữa tới bộ đếm. Sự thay đổi trạng thái của đầu ra bộ so sánh chỉ ra rằng quá trình biến đổi kết thúc. Tại thời điểm đó, nội dùng của bộ đếm nhị phân phản ánh giá trị được biến đổi của tín hiệu vào. Phải chú ý tới vài đặc điểm của bộ biến đổi. Thứ nhất, độ dài của chu trình biến đổi thay đổi và tỷ lệ với điện áp đầu vào không biết trước vx. Thời gian biến đổi max TT tồn tại cho tín hiệu vào toàn bộ thang đo (full-scale) và tương ứng với chu kỳ đồng hồ 2n hoặc: (7 ) Trong đó fc=1/Tc là tần số đồng hồ. Thứ hai, giá trị nhị phân trong bộ đếm đại diện cho điện áp nhỏ nhất của DAC mà nó lớn hơn đầu vào không biết trước, không cần thiết giá trị này phải là đầu ra của DAC mà gần nhất với đầu vào không biết trước, yêu cầu từ trước. Cũng như vậy, ví dụ trong hình 13(b) cho trường hợp đầu vào không thay đổi trong thời gian chu kỳ của sự biến đổi. Nếu đầu vào thay đổi, đầu ra nhị phân sẽ là sự đại diện chính xác của giá trị tín hiệu đầu vào tại hằng số mà bộ so sánh không thay đổi trạng thái. Ưu điểm của bộ biến đổi ADC đếm là nó yêu cầu số lượng phân cứng tối thiểu và không quá đặt để vận hành. Nhược điểm lớn là liên quan tới tốc độ biến đổi thấp đối với tốc độ của bộ biến đổi D/A cho trước. Một bộ biến đổi n bit yêu cầu chu kỳ đồng hồ 2n cho sự biến đổi dài nhất của nó. Flip - flop DAC n bit Bộ đếm n bit + - + vx - vDAC Clock Mã ra ADC Biến đổi két thúc Reset (a) vDAC v vDAC v Bắt đầu biến đổi T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T Kết thúc biến đổi t t t (b) Hình 13: (a) Sơ đồ khối của bộ biến đổi đếm. (b) Sơ đồ khối định thời(timing). 6. Bộ biến đổi ADC xấp xỉ liên tiếp(Successive Approximation ADC). Khác với loại bậc thang, loại này chỉ biến đổi và so sánh n nhịp lối vào ADC. Do vậy, thời gian biến đổi là cố định không phụ thuộc vào độ lớn của tín hiệu cần biến đổi. Sơ đồ khối mô tả cấu trúc ADC xấp xỉ liên tiếp được trình bày trên hinh (14a). Chu trình biến đổi bắt đầu với xung Start qua bộ điều khiển logic (logic programmer) đặt hai thanh ghi lưu trữ (Shift register và store register) có giá trị tới nửa thang(100..00) ở nhịp mới. Tức là nó đặt cho bit nhiều ý nghĩa nhất MSB của các thanh ghi bằng 1, các bit còn lại bằng 0, làm cho lối ra của DAC VO=1/2FS. Tuỳ thuộc vào trạng thái của bộ so sánh COMP, tức là tuỳ thuộc vào tương quan giữa hai thế VO và VI. Bộ điều khiển logic sẽ điều khiển như sau: nếu VOVI giá trị đó được xoá về 0, đồng thời thanh ghi dịch sẽ dịch số 1 tới bit tiếp theo bit MSB. n-bit DAC Logic Programmer n bit Storage Register Clock n-bit Shift Register - + Bộ so sánh VI Vin n-bit digital output Vo Mã số được DAC biến đổi tương ứng thành thế VO và lại được so sánh trong nhịp thứ hai này. Quá trình cứ tiếp diễn với từng bit như vậy cho tới bit ít ý nghĩa nhất LSB được đưa lên 1. Sau n xung nhịp, một xung EOC(end of convert) được phát ra báo rằng một quá trình biến đổi đã xong. Lúc này mã số ở lối ra thanh ghi lưu trữ (hay ở lối vào của bộ DAC) chính là tương ứng với thế cần biến đổi. (a) Hình (14b) cho dãy mã đối với DAC 3 bit và dãy sau đay cho bộ biến đổi xấp xỉ liên tiếp trong hình. Tại thời điểm bắt đầu của sự biến đổi, đầu vào DAC được đặt tại trạng thái 100. Tại thời điểm kết thúc chu kỳ đồng hồ thứ nhất, thấy rằng điện áp DAC nhỏ hơn vx, do đó mã DAC tiến tới trạng thái 110. Tại thời điểm kết thúc chu kỳ đồng hồ thứ hai, điện áp DAC vẫn rất nhỏ, và mã DAC tiến tới 111. Sau chu kỳ đồng hồ thứ ba, điện áp DAC rất lớn, do đó mã DAC bị giảm để nhận giá trị được biến đổi cuối cùng là 110. 100 100 100 110 101 010 011 001 101 100 011 010 001 000 111 Mã cuối cùng T 2T 3T t (b) Hinh 14: (a)Sơ đồ khối của ADC xấp xỉ liên tiếp. (b) Các chuỗi mã của ADC xấp xỉ liên tiếp 3 bít. Tốc độ biến đổi nhanh có thể thực hiện được đối với ADC xấp xỉ liên tiếp. Kỹ thuật biến đổi này rất phổ biến và được dùng trong rất nhiều trong bộ biến đổi 8 tới 16 bit. Nhân tố cơ bản hạn chế tốc độ ADC này là thời gian được yêu cầu cho đầu ra bộ biến đổi D/A để ổn định giữa phân số một LSB của VFS và thời gian được yêu cầu cho bộ so sánh để tương ứng với tín hiệu vào mà có thể khác nhau bởi một lượng rất nhỏ.... 7. ADC kiểu bậc thang (kiểu servo). Trên hình 15 giới thiệu sơ đồ khối của bộ ADC kiểu bậc thang. Nguyên tắc của nó như sau: Chu trình biến đổi bắt đầu khi xung start xoá bộ đếm nhị phân n bit(n bit counter). Vì rằng VO<VI nên lối ra bộ so sánh ở mực 1, cổng AND mở cho các xung Clock vào bộ đếm. Số đếm tăng dẫn cho tới khi VO bắt đầu vượt quá VI, lối ra của COMP sẽ trở về 0 và khoá cổng AND lại. Mã số lối ra bộ đếm lúc này tương ứng với độ lớn thế Analog cần biến đổi. Nếu đo dạng sóng VO trong một chu kỳ biến đổi, ta sẽ thấy một sóng hình bậc thang. ADC loại này có kết cấu đơn giản nhưng có nhược điểm là thời gian biến đổi phụ thuộc vào độ lớn thế cần biến đổi. DAC n-bit counter - + Bộ so sánh Đầu ra n bit số Đồng hồ start(Reset) VO VR Hình 15: Sơ đồ khối bộ biến đổi ADC kiểu bậc thang. 8. ADC bám sát (tracking). n bit DAC n-bit Up/down counter U/D - + Bộ so sánh Đầu ra n bit số Đồng hồ Vin VO VR Nếu giá trị VI chỉ biến đổi quanh một gía trị nào đó thì loại ADC này tỏ ra tiện lợi hơn. Nguyên tắc của nó là dùng bộ đếm lên – xuống(up - down counter). Mạch được thiết kế sao cho nếu VOVI (thế lối ra của bộ so sánh bằng 0) thì bộ đếm sẽ ở trạng thái đếm xuống. Như vậy thế lối ra của DAC luôn có xu hướng ”bám sát” thế vào cần biến đổi. Hình 16: Sơ đồ khối ADC bám sát. 9. Sai số tĩnh và kỹ thuật kiểm tra. 9.1. Sai số bù, sai số tăng ích và sai số tuyến tính. Sai số bù và tăng ích trong ADC giống như sai số bù và tăng ích trong bộ khuếch đại. Nếu một ADC có sai số bù thì sẽ có một dịch chuyển hệ thống trong giá trị của điện áp ngưỡng T(k) từ giá trị bình thường. Có khả năng xác định được sai số bù từ phép đo điện áp ngưỡng đơn tại điểm giữa của khoảng chuyển đổi. Nhưng nếu phép đo này có sai số tăng ích và sai số phi tuyến, thì thường xác định sai số bù. Một phương pháp đo rất hay dùng là phương pháp bình phương nhỏ nhất để đặt giá trị ngưỡng T(k) tới giá trị T(k) lý tưởng. giá trị bù cần thiết để có được sự thích hợp tốt nhất của giá trị thực tế với gía trị lý tưởng là giá trị bù của sự chuyển đổi. Cũng như vậy, sai số tăng ích là một khoảng của điện áp ngưỡng cao hơn hoặc thấp hơn s với giá trị tuyết đối. Một cách tương đương, sai số tăng ích tồn tại nếu độ rộng thu của mã trung bình cao hơn hoặc thấp hơn so với giá trị Q bình thường. Thêm vào đó, sai số tăng ích có thể đạt được bằng cách tạo ra đường thích hợp nhất (trên đồ thị đặc tuyến) của giá trị T(k) với giá trị lý tưởng của nó. Sai số tuyến tính định nghĩa một cách truyền thống bằng độ phi tuyến tích phân (INL – Integral NonLinearity) và độ phí tuyến vi phân (DNL – Differential NonLinearity). Độ phi tuyến tích phân là sự sai khác của mức ngưỡng T(k) so với giá trị bình thường của nó sau khi đã loại bỏ các sai số bù và tăng ích. Độ phi tuyến vi phân đại diện cho sự khác nhau của độ rộng nhị phân W(k) so với giá trị Q bình thường, tất nhiên là sau khi đã sửa sai số tăng ích. Sai số INL và DNL thường được biểu diễn bằng đơn vị bít trọng số nhỏ nhất (LSBs-Least Significant Bits), với LSB=Q. Sai số phi tuyến tích phân biểu diễn theo LSBs có giá trị: (8) Với k=2 tới 2n-1 Trong công thức trên đã bỏ qua sai số bù và sai số tăng ích và T(1)=0. Tương tự, sai số phi tuyến vi phân theo LSB là: (9) Với k=1 tới 2n-2 Rõ ràng là INL và DNL có quan hệ với nhau. Trong thực tế, DNL là vi phân thứ nhất của INL, nghĩa là: DNL(k)-INL(k+1)-INL(k) (10) Hai thông số chất lượng của đặc tuyến ADC liên quan đến INL và ANL là mã ẩn (missing code) và tính đơn điệu (monotonicity). Nếu một ADC có một số mã không bao giờ xuất hiện tại đầu ra, thì bộ chuyển đổi đó được gọi là mã ẩn. Điều này tương đương với độ rộng nhị phân W(k)=0 tại mã đó và kèm theo một sai số DNL khá lớn. Tính đơn điệu là khi đầu ra của ADC tăng hoặc giảm tuyến tính theo tín hiệu đầu vào. Khi kiểm tra tính đơn điệu của ADC, các ảnh hưởng của nhiễu phải được loại bỏ. 9.2. Kỹ thuật đo. Có nhiều kỹ thuật được sử dụng để đo sai số bù, tăng ích và sai số tuyến tính. Mục đích chung của chúng là định vị chính xác giá trị T(k). Khi điều này được thực hiện thì các giá trị sai số bù, sai số tăng ích và sai số tuyến tính có thể nhanh chóng tính được. Co hai kỹ thuật thường được dùng đó là sử dụng bộ biến đổi số – tương tự, hay là sử dụng thiết bị gọi là vòng bám (Tracking loop) . Trong phương pháp thứ nhất bộ biến đổi DAC cần có độ chính xác và độ phân giải coa hơn đáng kể so với của ADC bị đo. Để thực hiện kỹ thuật này đầu ra của ADC sẽ được đưa tới đầu vào của ADCvà nghi nhận cần thiết mã đầu vào ADC để định vị giá trị điện áp ngưỡng T(k). Rõ ràng là phương pháp này cần dựa trên kết quả thống kê các quyết định tại đầu vào của đầu ra ADC để tìm ra điều kiện chiếm hơn 50% sự nhất trí. Điều này có thể làm được bằng cách tốt nhất là lưu trữ các số liệu của ADC trong bộ nhớ và phân tích chúng bằng máy tính. Một kỹ thuật khác là sử dụng vòng bám để định vị T(k). Bộ điều khiển cần có một vòng để tìm ra giá trị T(k) bằng cách gửi mã k tới bộ so sánh giá trị số, bộ này sẽ so sánh k với đầu ra ADC. Nếu đầu ra ADC thấp hơn, thì đầu ra của bộ tích phân sẽ kéo biên độ tín hiệu lên, điều này làm tăng giá trị đầu vào ADC. Khi đầu ra của ADC cao hơn thì quá trình sẽ làm ngược lại, bộ tích phân sẽ kéo xuống. ADC dưới sự kiểm tra Bộ so sánh đại lượng số Mã C tại đầu ra Vôn mét số Bộ điều khiển “Mã điều khiển” K C +V(C ³ K) R -V(C < K) N Hình 17: Vòng bám được dùng cho đo ADC tuyến tính. Còn phải có một số biện pháp phòng ngửa để đảom bảo sự đo dạc chính xác. Trong phương pháp 1, độ phân giải và độ chính xác của vôn mét phải cao hơn so với ADC, điều này dễ thực hiện. Hằng số thời gian tính ích phân cần chọn đủ nhỏ sao cho sườn đỉnh - đỉnh dự kiến (thời gian chuyển đổi của ADC) đủ nhỏ so với Q. Mỹ thuật vòng bám làm việc tốt với bộ chuyển đổi đều, với bộ chuyển đổi này, bộ tích phân có thể bị nghẽn tại một ngưỡng nào đấy khi một ngưỡng khác đang bị yêu cầu. Điều này thường xẩy ra như là một sai số lớn (lơn hơn 1 LSB), cho đến khi vùng bất thường (không đều) này qua đi. Trong các ứng dụng phân tích phổ, độ méo của bộ chuyển đổi là chia khoá để lựa chọn. Nếu phải lựa chọn, một bộ chuyển đổi với sai số DNL thấp sẽ tốt hơn bộ chuyển đổi với sai số INL nhỏ do đó có méo thấp hơn nhiều với tín hiệu vào nhỏ. Trong đặc tuyến, một bước trong sai số INL sẽ tạo ra méo lơn theo biên độ tín hiệu. Mặt khác một sai số INL hình cung nhẵn (smooth bow - shaped) sẽ tạo ra méo với tín hiệu vào lớn nhất, nhưng biên độ của nó sẽ giảm rất nhanh theo tín hiệu nếu biên độ tín hiệu vào giảm. Điều này có thể khắc phục bằng một bộ suy giảm đầu vào của máy phân tích phổ. 10. Sai số ADC động và các kỹ thuật kiểm tra. Sai số ADC động là sai số xảy ra khi đưa tín hiệu cao tần vào đầu vào tương tự của bộ chuyển đổi. Các sai số động thường thấy là méo, sai pha và những bất thường về đáp ứng bước (step response anomalies). Các sai số này và các kỹ thuật kiểm tra tương ứng được trình bày trong phân này. Các thành phần tạp, nhiễu và các sai số ổn định có thể xảy ra