Kỹ thuật biến đổi tương tự - số ADC

Trong ba thập kỷ qua, kỹ thuật xử lý thông tin đã phát triển mạnh. Hệ thống truyền tin được tổ chức theo các lớp chức năng: định dạng và mã hoá nguồn tin, điều chế, mã hoá kênh, ghép kênh và đa truy nhập, trải phổ tần số, mật mã hoá và đồng bộ. Hiện nay, các mạch số, chuyển mạch, hệ thống truyền dẫn, và các thiết bị lưu trữ là một trong những lĩnh vực phát triển mạnh mẽ nhất trong công nghệ điện tử. Do cáp quang có băng tần hầu như không giới hạn nên...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kỹ thuật biến đổi tương tự - số ADC Kỹ thuật biến đổi tương tự - số ADC Trong ba thập kỷ qua, kỹ thuật xử lý thông tin đã phát triển mạnh. Hệ thốngtruyền tin được tổ chức theo các lớp chức năng: định dạng và mã hoá nguồn tin, điềuchế, mã hoá kênh, ghép kênh và đa truy nhập, trải phổ tần số, mật mã hoá và đồngbộ. Hiện nay, các mạch số, chuyển mạch, hệ thống truyền dẫn, và các thiết bị lưu trữlà một trong những lĩnh vực phát triển mạnh mẽ nhất trong công nghệ điện tử. Docáp quang có băng tần hầu như không giới hạn nên hệ thống viễn thông số đangchuyển biến dần ngành công nghiệp điện thoại và tạo nên sự hội tụ nhanh chóng củathông tin thoại, số liệu và thông tin hình ảnh (video). Việc truyền dẫn tín hiệu truyền thông hầu hết được thực hiện theo phươngpháp số. Trong khi đó tín hiệu tự nhiên (thoại, số liệu, hình ảnh,...) lại biến thiên liêntục theo thời gian, nghĩa là tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự. Để phối ghép giữanguồn tín hiệu tượng tự và các hệ thống xử lý số, người ta dùng các mạch chuyển đổitương 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 đổiđồng 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 cácsố (giá trị số) tỷ lệ với nó. Về nguyên tắc có ba phương pháp biến đối tương tự–sốkhác nhau như sau: phương pháp song song, phương pháp trọng số và phương phápsố. Sau đây sẽ xem xét nguyên tắc làm việc của bộ biến đổi tương tự – số (ADC): ADC UA UM UD Mạch lấy Lượng tử Mã hoá mẫu hoá Hình 1. Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự - số ADCNguyên tắc: Tín hiệu tương tự được đưa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu Qđược đưa đến mạch lượng tử hoá làm tròn với độ chính xác: ± . 2Học viên: Đỗ Việt Hùng -2- CH2001 Sau mạch lượng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết quả lượngtử hoá được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cấutrên đầu ra bộ chuyển đổi. Trong nhiều loại ADC, quá trình lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúcđó 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 đồkhối 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 bởimột số nguyên lần mức lượng tử. Tức là: X Ai X Ai ΔX Ai Z Di = int = − Q Q QGhi 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. UA UM t tHọc viên: Đỗ Việt Hùng -3- CH2001 Hình 2: Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra mạch lấy mẫuII. Các phương pháp biến đổi tương tự – số (ADC) Như trên đã trình bày, có 3 phương pháp biến đổi ADC cơ bản là: phươngpháp song song, phương pháp trọng số và phương pháp số. Sau đây sẽ xem xét chitiết 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 bộso 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 thìcác bộ sao sánh từ thứ 1 đến thứ 3 xác lập ở trạng thái “1”, còn các bộ so sánh từ thứ4 đến thứ 7 xác lập ở trạng thái “0”. Các mạch logic cần thiết để diễn đạt trạng tháinày thành số 3. Bảng 5 cho quan hệ giữa các trạng thái của các bộ so sánh với các sốnhị phân tương ứng. Nếu điện áp vào bị thay đổi đi có thể sẽ nhận được kết quả sai do đó bộ mãhoá ưu tiên không thể đấu trực tiếp đến các lối ra của các bộ so s ...