Tính toán mạch điện tử

Tính toán mạch điện tử 1. Giới thiệu. Các bộ biến đổi tương tự- số, thường nó tới là A/D (ADC) có vai trò ngày càng quan trọng trong việc trang bị máy đo trong những năm qua. Có khi chức năng quan trọng của máy đo cơ bản như là vôn mét số, bây giờ ADC năm trong trung tâm nhiều dụng cụ phức tạp như ôxylô và bộ phân tích phổ. Trong nhiều trường hợp đặc tính bên ngoài của dụng cụ bị hạn chế bởi chỉ tiêu chất lượng bên trong bộ biến đổi A/D. Càng có sự quan...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán mạch điện tử Tính toán mạch điện tử 1. Giới thiệu. Các bộ biến đổi tương tự- số, thường nó tới là A/D (ADC) có vai trò ngày càng quan trọng trong việc trang bị máy đo trong những năm qua. Có khi chức năng quan trọng của máy đo cơ bản như là vôn mét số, bây giờ ADC năm trong trung tâm nhiều dụng cụ phức tạp như ôxylô và bộ phân tích phổ. Trong nhiều trường hợp đặc tính bên ngoài của dụng cụ bị hạn chế bởi chỉ tiêu chất lượng bên trong bộ biến đổi A/D. Càng có sự quan trọng của ADC đối với máy đo đã được thực hiện bởi cộng nghệ mạch tổ hợp (IC) chỉ tiêu chất lượng cao. Nó cho phép bộ biến đổi tốc độ cao và độ phân giải cao hơn được thiết kế, sản xuất và bán với giá phù hợp. Công nghệ IC tiên tiến quan trọng ngang bằng cho phép bộ vi xử lý khả năng xử lý tín hiệu số nhanh mà cần thiết trong việc cung cấp sự thay đổi giá thấp từ dữ liệu gốc tạo ra bởi ADC đến kết quả máy đo. Chức năng cơ bản của bộ biến đổi A/D là biến đổi giá trị tương tự ( điển hình biểu diễn bởi điện áp) thành các bít nhị phân mà cho phép tính xấp xỉ” tốt” đối với giá trị tương tự . Về quan niệm nhận thức ( Nếu khong nói về vật lý học), sự xử lý nay có thể được xem như là tạo ra tỷ số giữa tín hiệu điện áp vào và điện áp tham chiếu đã biết Vref sau đó làm tròn kết quả tới gần giá trị nguyên nhị phân n-bít nhất. Về mặt toán học, quá trình xử lý có thể được biểu diễn bởi : ⎛V ⎞ D = rnd ⎜ in 2 n ⎟ (1) ⎜V ⎟ ⎝ ref ⎠ Trong đó Vin là trị số tương tự ( ở đây giả định cho phép dải từ 0 đến Vref ), D là từ ở đâu ra dữ liệu, và n là độ phân giải của bộ biến đổi ( số các bít trong D). Hàm “rnd” đại diện cho sự làm tròn của các từ trong dấu ngoặc đối với giá trị nguyên gần nhất. Một cách điển hình, điện áp thám chiếu được sinh ra bên trong bởi bộ biến đổi có tính cách thương mại. Trong các trường hợp nó được bên ngoài cung cấp. Còn trường hợp khác điện áp tham chiếu cần phải đạt tới dải đâu vào trong phạm vi đây đủ của bộ biến đổi. 2. Bộ biến đổi tương tự – số tích phân (Integrating Analog-to-Digital Converters). Bộ biến đổi ADC tích hợp được dùng khi yêu cầu độ phân giải rất cao tại tốc độ lấy mẫu tương đối thấp. Nó làm chức năng bằng cách tích hợp (lấy trung bình) tín hiệu đầu vào qua chu kỳ thời gian được chọn và vì thế thường sử dụng cho công tác đo các điện áp DC. Sự lấy trung bình có hiệu ứng của suy giảm nhiễu ở đầu vào. Nếu thời gian trung bình được chọn làm một hoặc nhiều chu kỳ đường 1 Tính toán mạch điện tử dây điện lực(power line cycles), giao diện đường dây điện lực được loại bỏ từ phép đo. Nó được ứng dụng rọng rãi ở trong vôn mét số, mà nó lợi dụng độ phân giải tiếp sóng (receptional), tuyến tính, tính ổn định, và cách loại trừ nhiễu của Cấu trúc tích phân. 2.1.Cấu trúc hai sườn dốc(Dual Slope Architecture). Phương pháp hai sườn dốc có lẽ được sử dụng kiến trúc A/D tích phân một cách rộng rãi nhất (hình 1). Có hai nửa chu kỳ, dựa vào đây có sườn dốclên và sườn dốcxuống. Tín hiệu vào được tích hợp trong thời gian sườn dốclên đối với thời gian ấn định. Sau đó tham chiếu của tín hiệu ngược được tích hợp trong thời gian sườn dốc xuống để biến đổi đầu vào bộ tích phân thành zero. Thời gian cần thiết cho sườn dốc xuống tỷ lệ với trị số đầu vào và là đầu ra của ADC. Về mặt toán học, chu trình sườn dốclên có thể được trình bảy như sau: TupVin Vp = − (2) RC C Vin R + Vref - Vra Hình 1. Sơ đồ khối ADC hai sườn dốc đơn giản. Vout Vp Vin tích phân Vref tích phân thời gian Tup Tdn Hình 2. Dạng sóng ADC hai sườn dốc điển hình. Trong khi đó Vp là giá trị đỉnh đạt tại đầu ra bộ tích phân trong thời gian sườn dốc lên, Tup được biết là thời gian tích hợp sườn dốc lên, Vin là tín hiệu đầu vào, R và C là giá trị thành phần của bộ tích phân. Tương tự sườn dốcxuống có thể trình bảy bởi: TdnVref Vp = (3) RC Trong đó Tdn là thời gian không biết trước của sườn dốcxuống, và Vref là giá trị tham khảo, biểu thức 2 và 3 và giải ra Tdn, đầu ra của ADC: 2 Tính toán mạch điện tử TupVin Tdn = − (4) Vref Chú ý ở đây là Vin và Vref luôn luôn là tín hiệu ngược (Để đảm bảo sự biến đổi thành zero trong bộ tích phân), và do đó Tdn luôn luôn là dương. Có thể trực tiếp thấy ở trong biểu thức (4) rằng R và C không có mặt ở trong Tdn . Do đó giá trị của nó không tới hạn. Đây là kết quả của cùng thành phần đã được dùng cho cả sườn dốc lên và xuống. Tương tự, nếu thời gian Tup và Tdn được xác định bởi chu kỳ đếm của đồng hồ đơn, chu kỳ chính xác của đồng hồ đó sẽ không ảnh hưởng đến độ chính xác của ADC. Phát biểu lại đầu ra nói tới số chu kỳ của đồng hồ: N up N in N dn = − (5) Vref Trong đó Nup là số chu k ...