Điểm hạn chếcủa phương pháp song song là: Sốlượng các bộso sánh tăng
lên theo hàm mũvới độdài của từ. Chẳng hạn, đối với bộbiến đổi 8 bit, cần đến 255
bộso sánh. Có thểgiảm đáng kểgiá thành nếu giảm nhỏtốc độbiến đổi. Muốn vậy
người ta tổhợp phương pháp song song với phương pháp trọng số.
Khi xây dựng bộbiến đổi 7 bit theo phương pháp cải biến ởbước thứnhất 4
bit già của mã được biến đổi song song (hình 4). Sau bước này ta thu được giá trị
lượng tửthô của điện áp vào. Nhờmột bộbiến đổi D/A ta sẽcó một điện áp analog
tương ứng. Điện áp vào được đem trừ đi điện áp này. Phần dưcòn lại sẽ được biểu
diễn dưới sạng sốnhờmột bộbiến đổi A/D 4 bit thứhai.
16 trang |
Chia sẻ: lethao | Lượt xem: 6562 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem nội dung tài liệu Kỹ thuật biến đổi tương tự - số (ADC), để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
hiệu truyền thông hầu hết được thực hiện theo phương
pháp số. Trong khi đó tín hiệu tự nhiên (thoại, số liệu, hình ảnh,...) lại biến thiên liên
tục theo thời gian, nghĩa là tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự. Để phối ghép giữa
nguồn tín hiệu tượng tự và các hệ thống xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổi
tương tự-số (ADC: Analog Digital Converter) và ngược lại là chuyển đổi số-tương tự
(DAC: Digital Analog Conver).
Bài viết này sẽ trình bày lý thuyết tổng quan và phân tích các kĩ thuật biến đổi
đồng thời đánh giá sai số trong biến đổi tương tự - số ADC.
I. Tổng quan về biến đổi tương tự-số (ADC)
Biến đổi tương tự - số ADC là biến đổi điện áp vào (giá trị tương tự) thành các
số (giá trị số) tỷ lệ với nó. Về nguyên tắc có ba phương pháp biến đối tương tự–số
khác nhau như sau: phương pháp song song, phương pháp trọng số và phương pháp
số.
Sau đây sẽ xem xét nguyên tắc làm việc của bộ biến đổi tương tự – số (ADC):
Hình 1. Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự - số ADC
Nguyên tắc:
Tín hiệu tương tự được đưa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu
được đưa đến mạch lượng tử hoá làm tròn với độ chính xác: ±
2
Q
.
Mạch lấy
mẫu
Lượng tử
hoá
Mã hoá
ADC
UA UM
UD
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 3 - CH2001
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 cấu
trên đầu ra bộ chuyển đổi.
Trong nhiều loại ADC, quá trình lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc
đó không thể tách rời hai quá trình đó.
Sau đây sẽ xem xét cụ thể nhiệm vụ cơ bản của các khối chức năng trong sơ đồ
khối trình bày như hình vẽ số 1:
Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ:
- Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau tức là rời rạc hoá tín
hiệu về mặt thời gian.
- Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình
chuyển đối tiếp theo (quá trình lượng tử hoá và mã hoá). (hình 2)
Mạch lượng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín hiệu tương tự về mặt biên độ.
Như vậy, nhờ quá trình lượng tử hoá, một tín hiệu tương tự bất kỳ được biểu diễn bởi
một số nguyên lần mức lượng tử. Tức là:
Q
X
Q
X
Q
X
Z AiAiAiDi
Δ−== int
Ghi chú:
XAi: tín hiệu tương tự ở thời điểm i.
ZDi: tín hiệu số ở thời điểm i.
Q: mức lượng tử.
ΔXAi: số dư trong phép lượng tử hoá
int (integer): phần nguyên.
t
UA
UM t
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 4 - CH2001
Hình 2: Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra mạch lấy mẫu
II. Các phương pháp biến đổi tương tự – số (ADC)
Như trên đã trình bày, có 3 phương pháp biến đổi ADC cơ bản là: phương
pháp song song, phương pháp trọng số và phương pháp số. Sau đây sẽ xem xét chi
tiết kĩ thuật từng phương pháp.
2.1. Phương pháp song song
Xét một bộ biến đổi 3 bit thực hiện theo phương pháp song song như hình 3.
Với 3 bít có thể biểu diễn 23=8 số khác nhau, kể cả số 0 (không). Do đó cần có 7 bộ
so sánh, 7 điện áp chuẩn từng nấc được tạo ra bởi các phân áp.
Nếu điện áp vào không vượt ra khỏi giới hạn dải từ 5/2 ULSB đến 7/2 ULSB thì
các bộ sao sánh từ thứ 1 đến thứ 3 xác lập ở trạng thái “1”, còn các bộ so sánh từ thứ
4 đến thứ 7 xác lập ở trạng thái “0”. Các mạch logic cần thiết để diễn đạt trạng thái
này thành số 3. Bảng 5 cho quan hệ giữa các trạng thái của các bộ so sánh với các số
nhị phân tương ứng.
Nếu điện áp vào bị thay đổi đi có thể sẽ nhận được kết quả sai do đó bộ mã
hoá ưu tiên không thể đấu trực tiếp đến các lối ra của các bộ so sánh. Ta hãy xét đến
chẳng hạn việc chuyển từ số 3 sang số 4 (do đó, trong mã nhị phân là từ 011 đến
100). Nếu bit già do thời gian trễ sẽ giảm đi mà thay đổi trạng thái của mình sớm
hơn các bít khác thì sẽ xuất hiện số 111, tức là số 7. Trị số sai tương ứng với một
nửa dải đo. Bởi vì các kết quả biến đổi A/D, như đã biết, được ghi vào bộ nhớ, như
vậy là tồn tại một xác xuất nhất định để nhận được một trị số hoàn toàn sai.
Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách, chẳng hạn, dùng một bộ nhớ - trích
mẫu để ngăn sự biến động điện áp vào trong thời gian đo. Tuy nhiên, phương pháp
này đã hạn chế tần số cho phép của điện áp vào, bởi vì cần phải có thời gian xác lập
cho mạch nhớ - trích mẫu. Ngoài ra không thể loại bỏ hoàn toàn xác xuất thay đổi
trạng thái ra của các bộ so sánh, bởi vì các mạch nhớ - trích mẫu hoạt động nhanh có
độ trôi đáng kể.
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 5 - CH2001
Hình 3: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp song song
chuanLSB U
Ue
U
UeZ 7==
Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách sau mỗi bộ so sánh, ta dùng
một trigơ với tư cách là một bộ nhớ đệm lật theo sườn để nhớ các trị analog. Trigơ
này, dưới tác dụng của tín hiệu nhịp sẽ khởi động cho các trigơ tiếp sau. Ở trường
hợp này bảo đảm giữ nguyên trạng thái dừng trên lối ra bộ mã hoá ưu tiên khi tác
động sườn xung để khởi động trigơ.
Như đã thấy rõ ở bảng 1, các bộ so sánh xác lập ở trạng thái “1” theo trình tự
từ dưới lên trên. Trình tự này sẽ không được đảm bảo nếu các sườn xung là dựng
đứng. Bởi vì do có sự khác nhau về thời gian trễ của các bộ so sánh nên có thể sẽ
chuyển sang một trình khác. Trong các tình huống xác định, trạng thái quá độ này có
thể được ghi vào các trigơ như là khi sườn xung khởi động trigơ và sườn tín hiệu
Z2
Z1
Z0
U
chuẩn
Bộ
mã
hoá
ưu
tiên
D Q
C
D Q
C
D Q
C
D Q
C
D Q
C
D Q
C
D Q
C
ULSB
K6
K5
K7
K4
K3
K2
K1
X7
X6
X5
X3
X1
X2
1/2R
R
R
R
R
LSBU2
3
R
1/2R
LSBU2
5
LSBU2
1
R
LSBU2
3
LSBU2
7
LSBU2
9
LSBU2
11
LSBU2
13
X4
Ue
+
-
+
+
-
-
+
+
-
-
-
-
+
+
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 6 - CH2001
trùng nhau. Tuy nhiên, bộ mã hoá ưu tiên đã cho phép tránh được điều này nhờ tính
chất là: nó không chú ý đến các bít trẻ “1” .
Bảng 1: Sự biến đổi trạng thái trong bộ biến đổi A/D song song
tuỳ thuộc vào điện áp lối vào.
Điện áp vào Trạng thái của các bộ so sánh Số nhị phân Số thập phân tương ứng
Ue/ULSB K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 Z2 Z1 Z0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1
2 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2
3 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3
4 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 4
5 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5
6 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 6
7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7
Thời gian lấy mẫu cần phải nhỏ hơn thời gian trễ của bộ so sánh, còn điểm bắt
đầu của nó được xác định bởi sườn xung khởi động. Sự khác nhau về thời gian trễ đã
gây ra độ bất định thời gian(khe) của mẫu. Để giảm nhỏ trị số của nó đến mức đã
tính toán trong mục trước, tốt nhất là sử dụng các bộ so sánh có khả năng giảm nhỏ
thời gian trễ. Nhờ các tầng làm việc song song nên phương pháp biến đổi A/D vừa
mô tả là nhanh nhất.
2.2. Phương pháp song song cải biến
Điểm hạn chế của phương pháp song song là: Số lượng các bộ so sánh tăng
lên theo hàm mũ với độ dài của từ. Chẳng hạn, đối với bộ biến đổi 8 bit, cần đến 255
bộ so sánh. Có thể giảm đáng kể giá thành nếu giảm nhỏ tốc độ biến đổi. Muốn vậy
người ta tổ hợp phương pháp song song với phương pháp trọng số.
Khi xây dựng bộ biến đổi 7 bit theo phương pháp cải biến ở bước thứ nhất 4
bit già của mã được biến đổi song song (hình 4). Sau bước này ta thu được giá trị
lượng tử thô của điện áp vào. Nhờ một bộ biến đổi D/A ta sẽ có một điện áp analog
tương ứng. Điện áp vào được đem trừ đi điện áp này. Phần dư còn lại sẽ được biểu
diễn dưới sạng số nhờ một bộ biến đổi A/D 4 bit thứ hai.
Nếu hiệu số giữa giá trị xấp xỉ thô và điện áp vào được khuếch đại lên 16 lần
thì có thể sử dụng 2 bộ biến đổi A/D với cùng một dải điện áp vào. Tất nhiên là sự
khác nhau giữa 2 bộ biến đổi sẽ được quy về các yêu cầu của độ chính xác ở bộ biến
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 7 - CH2001
đổi A/D thứ nhất, độ chính xác hầu như phải đạt như một bộ biến đổi 8 bit. Bởi vì
nếu không thì hiệu số nhận được sẽ không có ý nghĩa.
Các trị số xấp xỉ thô và chính xác ở lối ra tất nhiên phải là tương ứng với cùng
một điện áp Ue(tj). Tuy nhiên có trễ tín hiệu ở bậc thềm thứ nhất nên sẽ xuất hiện
thời gian trễ, vì thế, khi sử dụng phương pháp này, điện áp sẽ được giữ không đổi
(nhờ một bộ nhớ - trích mẫu) cho đến khi nhận được toàn bộ số.
Hình 4: Bộ biến đổi A/D thực hiện theo phương pháp song song cải biến.
chuanLSB U
Ue
U
UeZ 255==
Bộ nhớ
trích mẫu
Bộ
biến
đổi
A/D
song
song
4 bit
Bộ
biến
đổi
D/A
4 bit
Bộ
biến
đổi
A/D
song
song
4 bit
U
chuẩn
U
chuẩn
1/16U
chuẩn
Z7Z6Z5Z4
Z3 Z2 Z1 Z0
+
+ -
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 8 - CH2001
2.3. Phương pháp trọng số
Sơ đồ khối của một bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp trọng số được
minh hoạ trong hình vẽ số 5.
Hình 5: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp trọng số
Z=Ue/USLB
Trước khi bắt đầu do đơn vị logic điều khiển (thí dụ như máy vi tính) ghi vào
bộ nhớ các giá trị không (xoá hết thông tin trong bộ nhớ). Ngay sau đó xác lập giá trị
“1” cho bit già, ở đây Z7 =1. Nhờ đó, điện áp trên lối ra bộ biến đổi D/A bằng:
U(Z) = 27 ULSB
Giá trị này chính là một nửa dải có thể của tín hiệu tạo ra. Nếu điện áp vào Ue
lớn hơn trị số này thì phải có Z7 = 1. Nếu nhỏ hơn thì Z7=0. Do đó đơn vị điều khiển
cần phải chuyển Z7 ngược về trạng thái 0. Nếu biến ra K của bộ so sánh nhận giá trị
0. Ngay sau đó, số dư
Ue - Z7.2. ULSB
cũng được so sánh như vậy với các bit trẻ gần nhất.
Sau 8 bước so sánh tương tự, số nhị phân Z được ghi trong bộ nhớ. Sau phép
biến đổi A/D ta có điện áp tương ứng bằng:
Ue = Z ULSB
Do đó
Z = Ue/ULSB
Phần tử nhớ
trích mẫu Phần tử điều
khiển
Bộ
tạo
nhịp
Bộ nhớ
Bộ
biến
đổi
D/A
K
Bộ so sánh
Z
U
chuẩn
U(z)
Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1Z0
Ue
+
-
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 9 - CH2001
Nếu trong thời gian biến đổi mà điện áp bị biến đổi đi thì cần phải có một
phần tử nhớ - trích mẫu để nhớ trung gian các giá trị của hàm, nhằm đảm bảo để tất
cả các bit được biến đổi ra từ cùng một giá trị điện áp vào như nhau.
2.4. Phương pháp số
Trong phương pháp số, người ta sử dụng các phương tiện đơn giản và đạt
được độ chính xác cao nên các bộ biến đổi A/D thực hiện theo phương pháp này có
giá thành rất thấp. Tuy nhiên thời gian biến đổi lớn hơn nhiều so với các phương
pháp khác. Như đã biết, nó vào khoảng 1- 100msec. Trong nhiều ứng dụng, giá trị
này là chấp nhận được. Vì vậy mà phương pháp số được sử dụng rộng rãi nhất trong
đa số các phương án mạch. Những vấn đề quan trọng nhất của chúng sẽ được khảo
sát dưới đây.
2.4.1. Phương pháp bù
Bộ biến đổi A/D kiểu bù vẽ ở hình (6) rất giống với các sơ đồ đã khảo sát
trước đây. Điểm khác biệt là ở chỗ: ở đây bộ nhớ được thay đổi bởi bộ đếm. Lúc
này có thể đơn giản đáng kể đơn vị điều khiển.
Hình 6. Bộ biến đổi A/D theo phương pháp bù
Nhờ có bộ trừ mà điện áp vào Ue được so sánh với điện áp bù U(z). Nếu hiệu
số LSBZ UUUe 2
1>− thì bộ đếm làm việc trong chế độ cộng. Nhờ vậy mà U(z)
tiến sát đến điện áp vào. Nếu LSBZ UUUe 2
1<− thì bộ đếm là một bộ trừ. Lúc
đó điện áp bù luôn luôn bám theo điện vào. Vì lý do trên mà loại mạch như thế được
gọi là các bộ biến đổi A/D kiểu bám.
Bộ chuyển đổi
hướng đếm
Bộ tạo
nhịp
Bộ biến
đổi
D/A
U
chuẩn
Bộ đếm thuận
nghịch
Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1Z0
+
Ue - U(Z)
U(Z)
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 10 - CH2001
Để ngăn ngừa sự làm việc tiếp tục của bộ đếm đến khi đạt được sự san bằng
trong bit tiếp sau, bộ đếm sẽ tạm ngừng nếu hiệu số Ue-U(z) nhỏ hơn LSBU2
1
Khác với phương pháp trọng số, ở đây các số trên lối ra có thể biểu diễn đủ
đơn giản dưới dạng nhị thập phân. Muốn vậy, thay cho bộ đếm nhị phân, người ta
dùng bộ đếm nhị - thập phân. Việc đơn giản đơn vị điều khiển so với phương pháp
trọng số sẽ đạt được bằng cách giảm nhỏ tốc độ biến đổi, bởi vì điện áp bù được thay
đổi bởi các thềm ULSB. Ở trường hợp điện áp vào thay đổi chậm thì vẫn có thể nhận
được thời gian động tác nhỏ bởi vì nhờ tính chất bám, sự xấp xỉ mang tính liên tục
mà không bắt đầu từ “không” như trong phương pháp tính trọng số.
2.4.2. Phương pháp điện áp răng cưa:
Nguyên lý làm việc của phương pháp này trước hết dựa trên việc biểu diễn
điện áp răng cưa và các bộ so sánh K1, K2 (hình 7).
Hình 7: Bộ biến đổi A/D làm việc theo phương pháp răng cưa.
Điện áp răng cưa tăng từ giá trị âm đến giá trị dương theo luật:
VotUV chuanS −= τ
Lối ra của phần tử logic XOR giữ ở trạng thái “1” cho đến khi điện áp răng
cưa còn nằm trong dải từ 0 đến Ue. Thời gian tương ứng với quá trình đó bằng:
Ue
U
t
chuan
τ=Δ
Ue
Bộ tạo sóng
thạch anh
Bộ chỉ
thị
Bộ tạo điện
áp răng cưa
U
chuẩn
VS
+
-
-
+
Bộ
đếm
K1
K2
Z f
Ue
U
tfZ
chuan
=
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 11 - CH2001
Để xác định nó, người ta đếm số dao động được tạo ra bởi một bộ tạo sóng
thạch anh. Nếu trước lúc tiến hành phép đo ta lập bộ đếm ở trạng thái “0” thì khi vượt
qua ngưỡng trên của bộ so sánh, trong bộ đếm sẽ có mã:
Ue
U
f
T
tZ
chuan
τ=Δ=
Nếu trên lối vào có điện áp âm thì thoạt tiên điện áp răng cưa đạt giá trị của
điện áp vào rồi sau đó đi qua giá trị 0. Theo trình tự này có thể xác định được dấu
của điện áp đo. Độ dải đo cũng giống như trong trường hợp tín hiệu dương, nó chỉ
phụ thuộc vào biên độ của điện áp đo. Sau mỗi lần đo bộ đếm lại lặp về “0” và điện
áp răng cưa lại có giá trị âm ban đầu, để đảm bảo cho việc đưa ra các số liệu ổn định
thì kết quả dưới dạng số trước đó thường được nhớ trong khi tạo số mới. Khi san
bằng liên tục bằng phương pháp bù thì điều này là không cần thiết vì rằng sau khi san
bằng trạng thái biến đổi của bộ đếm không thay đổi nếu Ue giữ nguyên.
Như thấy từ công thức trên, sự tản mát của hằng số thời gian τ trực tiếp ảnh
hưởng đế độ chính xác của phép đo. Bởi vì độ chính xác được xác định bởi mạch
RC, cho nên độ trôi thời gian và nhiệt độ của tụ điện cũng ảnh hưởng đến nó. Vì các
nguyên nhân này mà độ chính xác khó vượt qua 0,1%
2.4.3. Phương pháp tích phân kép:
Phương pháp đo thứ hai khi đó không chỉ điện áp chuẩn, mà cả điện áp cũng
được lấy tích phân minh hoạ ở hình 8. Ở trạng thái rỗi, các khoá S1 và S2 hở mạch
còn khoá S3 kín mạch. Điện áp ra khỏi bộ tích phân bằng không.
Khi bắt đầu đo: Khoá S3 hở mạch ra còn khoá S1 kín mạch lại. Vì vậy điện áp
vào được lấy tích phân. Thời gian lấy tích phân điện áp vào là cố định. Bộ thời gian
đóng vai trò một bộ định giờ (timer). Cho đến khi lấy phép tích phân thực (t1), điện
áp ra khỏi bộ tích phân bằng:
( ) ττ
TUenUedttU
t
1
1
0
11
1 −=−= ∫
ở đây: n1 là số xung nhịp xác định bởi bộ đếm thời gian tích phân;
T là kỳ của bộ tạo nhịp.
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 12 - CH2001
Hình 8. Bộ biến đổi A/D thực hiện bằng phương pháp tích phân kép.
Hình 9: Đường thời gian của điện áp ra khỏi bộ tích phân
đối với các điện áp khác nhau
Sau khi kết thúc phép đo, để xác định các giá trị số thì khoá S1 hở mạch ra,
điện áp chuẩn được đặt tới bộ tích phân qua khoá S2. Khi đó điện áp chuẩn sau khi
chọn được ngược dấu với điện áp vào. Như vậy, điện áp ra lại giảm đi như mô ta
trên hình (11). Khoảng thời gian lại đó điện áp ra trở nên bằng không được xác định
nhờ bộ so sánh và bộ đếm kết quả.
( )1122 tUUTnt chuan
τ==
ta có kết quả:
12 nU
UenZ
chuan
==
t2U1
Tích phân Ue Tích phân
Uchuẩn
t
t1
1nU
eUZ
chuan
=
Ue
Thiết bị điều
khiển
Bộ tạo
nhịp
Bộ đếm thời
gian tích phân
U
chuẩn
S1
+
-
Bộ đếm
kết quả
S2 U1
S3
C1
-
+
-
+
Bộ chỉ
thị
t2 t1
bộ tích phân
bộ so sánh
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 13 - CH2001
Từ công thức trên ta thấy rằng: Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là tần
số nhịp 1/T và hằng số tích phân τ = RC1 không hề ảnh hưởng đến kết quả. Chỉ yêu
cầu làm sao để trong khoảng thời gian t1+t2, tần số nhịp không đổi. Điều này có thể
đảm bảo ngay cả khi dùng các bộ tạo nhịp đơn giản, từ đây hiển nhiên là bằng
phương pháp này dễ dàng đạt đến độ chính xác 0,01%.
Khi đưa ra các biểu thức ở trên ta thấy rằng trong kết quả cuối cùng không có
các giá trị tức thời của điện áp đo, mà chỉ có các giá trị trung bình trong thời gian đo
t1. Vì vậy điện áp càng giảm khi tần số của nó càng cao. Điện áp biến thiên có tần số
bằng bội số nguyên của 1/t1 bị suy giảm hoàn toàn. Vì thế tần số của bộ tạo nhịp
được chọn một cách hợp lý sao cho trị số t1 hoặc là bằng chu kỳ dao động của điện áp
lưới, hoặc là bằng bội số của nó. Trong trường hợp này tất cả các tác động của điện
lưới sẽ bị loại trừ.
Do có phương pháp tích phân kép mà bằng những giải pháp đơn giản để có
thể đảm bảo được độ chính xác cho và triệt được nhiễu cho nên người ta sử dụng nó
trong các vôn mét số. Thời gian biểu diễn tương đối lớn cũng không cản trở đến các
ứng dụng như vậy.
2.4.4. Hiệu chỉnh tự động điểm không:
Trong phương pháp tích phân kép chúng ta thấy rằng: hằng số thời gian
τ=RC1 và tần số nhịp f=1/T không ảnh hưởng gì đến kết quả. Do đó độ chính xác,
trong một mức độ rất lớn, được quyết định bởi sự biến động giá trị của điện áp chuẩn
và của độ xê dịch điểm không của bộ tích phân và bộ so sánh.
Có thể khắc phục hiện tượng dịch chuyển điểm không bằng cách hiệu chỉnh tự
động. Muốn vậy, khoá S3 thường kín mạch (hình 8) được thay đổi bởi một mạch
điều chỉnh như vẽ trên hình 10. Nhờ mạch này mà bộ tích phân được lập ở trạng thái
cần thiết ban đầu.
Ở trạng thái nghỉ, khoá S3 kín mạch. Vì vậy bộ tích phân và bộ tiền khuếch
đại trên lối vào bộ so sánh tạo thành một bộ lặp điện áp. Điện áp ra UK của nó đặt lên
tụ CN. Để hiệu chỉnh không người ta kín mạch khoá S4 lại và trên lối vào bộ tích
phân có điện áp không.
Kết quả là UK được bổ sung thêm một lượng hiệu chỉnh bằng U01 - IBR. Ở đây,
Uo1 là điện áp dịch của bộ tích phân, còn IB là dòng vào tĩnh. Ở trạng thái xác lập,
nhờ có bù mà dòng qua C1 (như trong bộ tích phân lý tưởng) bằng không.
Khi lấy tích phân điện áp vào, các khoá S3 và S4 hở mạch ra còn S1 được kín
mạch lại. Bởi vì trong khoảng thời gian này điện áp UK trên tụ CN được nhớ, cho nên
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 14 - CH2001
vị trí không trong pha lấy tích phân được hiệu chỉnh. Lúc đó trên độ trôi điểm không
được quyết định chỉ bởi mất độ ổn định tức thời.
Hình 10: Phương pháp tích phân kép có hiệu chỉnh tự động điểm không
Sai số dịch trong bộ so sánh cũng có thể được hiệu chỉnh ở một mức độ đáng
kể. Ở trạng thái nghỉ, điện áp ra bộ tích phân U1 được lập không phải ở không như
trong các mạch khảo sát trước đây, mà dịch đi một điện áp bằng thiên áp của tiền
khuếch đại, tức là ngay sát điện áp ngưỡng của bộ chuyển mạch.
Bởi vì trong vòng bù có 2 bộ khuếch đại liên tiếp, cho nên rất dễ xuất hiện
kích. Để ổn định, có thể dấu một điện trở nối tiếp với tụ CN. Ngoài ra, hệ số khuếch
đại của bộ tiền khuếch đại được hạn chế một cách hợp lý ở mức dưới 100. Nhờ vậy
mà việc nhận được một thời gian trễ nhỏ (điều này cần thiết cho hoạt động của so
sánh) cũng đơn giản hơn.
Các bộ biến đổi A/D kiểu tích phân được chế tạo dưới dạng các mạch CMOS
đơn khối. Có thể chia chúng thành 2 nhóm chính: loại có lối ra song song để dùng
chung (đặc biệt để xử lý lại số liệu kết hợp với máy vi tính) và loại có các lối ra dồn
kênh nhị - thập phân dùng để điều khiển các bộ chỉ thị.
III. Sai số trong biến đổi tương tự – số (ADC)
3.1. Sai số tĩnh
Khi biến đổi các giá trị tương tự
(Analog) thành số (Digital) với số bit
hữu hạn thường xuất hiện sai số hệ
thống. Các sai số này gọi là sai số
lượng tử. Theo minh hoạ ở hình 1 nó
UE
UZ
+1/2ULSB
-1/2ULSB
UA(z)
Hình 11. Sự xuất hiện của tạp âm lượng
S3
CUK
Bộ tích phân Bộ khuyếch đại
Bộ so sánh
Đến thiết bị
điều khiển
UI
R
CI
U
chuẩn +
-
-
+ +
-
-
+
Ue
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 15 - CH2001
vào khoảng ±1/2ULSB tức là có trị số
bằng một nửa sai số của điện áp vào cần
thiết để làm thay đổi mã trong các bit
trẻ.
Nếu bằng một bộ biến đổi D/A ta biến đổi ngược số nhận được thành điện áp
thì sẽ phát hiện sai số lượng tử dưới dạng tạp âm.
Bên cạnh sai số hệ thống do lượng tử hoá còn có sai số đáng kể do mạch gây
ra. Nếu các điểm giữa của các bậc trên đường gấp khúc lý tưởng ở hình 11 được nối
liền với nhau thì ta có một đường thẳng với một hệ số góc duy nhất xuất phát từ gốc
toạ độ. Trong các bộ biến đổi A/D thực tế đường thẳng này không xuất phát từ điểm
0 (sai số dịch) và độ nghiêng của nó khác 1 (sai số khuếch đại). Sai số khuếch đại
trong dải biến đổi tín hiệu là nguyên nhân gây ra độ lệch hằng số tương đối giữa trị
số gia và trị số nguyên thuỷ. Ngược lại, sai số dịch lại tạo ra sai số hằng số tuyệt đối.
Sai số hệ thống do lượng tử hoá có thể dẫn tới tình trạng phi tuyến tính của
đặc tuyến trong trường hợp các bậc không đều nhau. Khi xác định các sai số tuyến
tính người ta hiệu chỉnh các vị trí 0 và hiệu chỉnh độ khuếch đại rồi phát hiện độ lệch
lớn nhất giữa điện áp vào và đường thẳng lý tưởng. Trị số này sau khi giảm đi sai số
lượng tử bằng 1/2ULSB thí chính là tổng các sai số phi tuyến.
3.2. Sai số động:
Trong các Vôn kế số, xuất phát từ hiện tượng là: trong suốt thời gian biến đổi
thì điện áp vào là không đổi. Khi xử lý tín hiệu, ngược lại điện áp vào lại liên tục
biến đổi. Trong xử lý số, qua các khoảng thời gian bằng nhau ta tiến hành lấy mẫu
điện áp biến động ở lối vào bằng các phần tử nhớ-trích mẫu. Các số liệu này được
biến đổi thành dạng số nhờ bộ biến đổi A/D. Dãy số tương ứng chỉ mô tả đủ chính
xác tín hiệu liên tục ở lối vào khi thoả mãn định lý về rời rạc hoá: tần số lấy mẫu fA ít
nhất phải lớn hơn 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu fMAX. Vì thế thời gian biến đổi
của bộ biến đổi A/D cần phải nhỏ hơn 1/2 fMAX .
Trong phạm vi ứng dụng này, để đánh giá độ chính xác thì các tham số của bộ
biến đổi A/D và phần tử nhớ-trích mẫu phải được khảo sát kết hợp. Thí dụ, sẽ không
có ý nghã sử dụng bộ biến đổi A/D 12 bit mà phần tử nhớ-trích mẫu sau thời gian tác
động không tăng trưởng đến trị số bằng 1/212 ≈ 0,025% dải đo.
Một sai số động khác gây ra bởi độ bất định thời gian (khe) ΔtA của điểm lấy
mẫu kéo theo độ bất định của giá trị Δ U của điện áp mẫu (hình 12). Thời gian của
khe chỉ tạo ra một độ trễ cố định. Khi tính toán sai số cực đại ta giả thiết rằng tín
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 16 - CH2001
hiệu vào là hình sin có tần số bằng tần số cực đại cho phép fMAX. Độ nghiêng lớn
nhất của đường xuất hiện vào lúc đi qua không. max
0
ˆωU
dt
dU
t
=
=
Từ đó ta có các số biên độ: AtUU Δ=Δ maxˆω
Nếu nó cần phải nhỏ hơn trị số của mức lượng tử ULSB của bộ biến đổi A/D thì
điều kiện thời gian của khe có dạng:
max
2
1ˆ
max
max ωω U
U
U
U
t LSBLSBA =<Δ
ở các tần số cao của tín hiệu rất khó thoả mãn điều kiện này. Thí dụ hằng số sau đay
sẽ nhận điều đó: đối với bộ biến đổi 8 bit thì ULSB/UMAX=1/255. Nếu tần số cực đại
của tín hiệu bằng 100Mhz thì thời gian bất định nhỏ hơn 125 psec.
Hình 12: Hiệu ứng khe
3.3. 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 sự dịch chuyển hệ thống trong
giá trị của điện áp ngưỡng T(k) từ giá trị bình thường. T(k) là mức ngưỡng giữa các
mã. 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 độ 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 gía trị thực tế với giá trị lý tưởng
là giá trị bù của bộ chuyển đổi.
Cũng như vậy, sai số tăng ích là một khoảng của điện áp ngưỡng cao hơn hoặc
thấp hơn so với giá trị tuyệt 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.
Uˆ e
ΔtA
ΔU
Ue
t
Học viên: Đỗ Việt Hùng - 17 - CH2001
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 được định nghĩa một cách truyền thống bằng độ phi tuyến
tích phân (INL - Integral NonLinearity) và độ phi 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 lại đại diện cho sự sai khác 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. W(k) là độ rộng mã nhị phân.
Sai số INL và DNL thường được biểu diễn bằng đơn vị bit trọng số nhỏ nhất
(LSB - Least Significant Bits), với LSB = Q. Sai số phi tuyến tích phân biểu diễn
theo LSB có giá trị :
INL( )k
T k k 1 Q
Q
=
( ) - ( - )
víi k = 2 tíi 2 n -1
trong công thức trên đã bỏ qua sai số bù và sai số tăng ích và T(1) = 0.
Tương tự, sai s
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- Kỹ thuật biến đổi tương tự - số (ADC).pdf