Tiểu luận Bài cao học tim hiểu về bộ bieesns đổi tương tự số

Với những ưu điểm hơn hẳn của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự như khả năng chống sai số(lỗi), sửa sai số hiệu quả, khả năng tích hợp lớn của các thiết bị nên xu hướng số hoá ngày càng phát triển mạnh mẽ. Ngày này trong các mạng viễn thông đang tồn tại song song cả hai hệ thống tương tự và hệ thống số, do đó cần phải có quá trình biến đổi tín hiệu tương tự sang số và ngược lại số – tương tự. Các quá trình đó được thực hiện bởi các bộ biến đổi tương tự – số(ADC Analog to Digital Converter) và bộ biến đổi số – tương tự(DAC Digital to Analog Converter). Bài tiểu luận này trình bày ngắn gọn các bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang số, và một số loại sai số thường xảy ra trong quá trình biến đổi đó cùng với phương pháp kiểm tra. MụC LụC 1. Giới thiệu 1 2. Bộ biến đổi tương tư - số tích phân 2 2.1. Cấu trúc hai sườn dốc 2 2.2. Cấu trúc đa sườn dốc 5 3. Bộ biến đổi tương tự – số song song 6 3.1. Bộ biến đổi tức thời 6 3.2. Sai số động trong ADC song song 7 3.3. Mạch giữ và lấy mẫu 9 3.4. ADC ghép xen 10 4. Bộ biến đổi tương tự – số đa bước 12 4.1. Bộ biến đổi tương tự – số hai bước 12 4.2. Bộ biến đổi tương tự – số nhanh 12 4.3. Bộ biến đổi tương tự – số đầu vào ra song song 13 5. Bộ biến đổi đếm 14 6. Bộ biến đổi ADC xấp xỉ liên tiếp 15 7. Bộ biến đổi ADC kiểu bậc thang 17 8. Bộ biến đổi ADC bám sát 18 9. Sai số tĩnh và các kỹ thuật kiểm tra 19 9.1. Sai số bù, sai số tăng ích và sai số tuyến tính 19 9.2. Kỹ thuật đo 20 10. Sai số động và các kỹ thuật kiểm tra 21 10.1.Các loại sai số 21 a. Méo và thành phần tạp 21 b. Nhiễu 22 c. Các bít hiệu lực 22 d. Rung pha 22 e. Đáp ứng bậc thang 23 f. Sai số cân bằng 23 10.2. Các phương pháp kiểm tra 23 a. Kiểm tra rung pha 23 b. Kiểm tra tần số phách 23 11. Xây dựng hệ ghép nối ADC, DAC với máy vi tính 25

doc29 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 13/06/2013 | Lượt xem: 1398 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Tiểu luận Bài cao học tim hiểu về bộ bieesns đổi tương tự số, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
so víi tÝn hiÖu t­¬ng tù nh­ kh¶ n¨ng chèng sai sè(lçi), söa sai sè hiÖu qu¶, kh¶ n¨ng tÝch hîp lín cña c¸c thiÕt bÞ nªn xu h­íng sè ho¸ ngµy cµng ph¸t triÓn m¹nh mÏ. Ngµy nµy trong c¸c m¹ng viÔn th«ng ®ang tån t¹i song song c¶ hai hÖ thèng t­¬ng tù vµ hÖ thèng sè, do ®ã cÇn ph¶i cã qu¸ tr×nh biÕn ®æi tÝn hiÖu t­¬ng tù sang sè vµ ng­îc l¹i sè – t­¬ng tù. C¸c qu¸ tr×nh ®ã ®­îc thùc hiÖn bëi c¸c bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè(ADC Analog to Digital Converter) vµ bé biÕn ®æi sè – t­¬ng tù(DAC Digital to Analog Converter). Bµi tiÓu luËn nµy tr×nh bµy ng¾n gän c¸c bé biÕn ®æi tÝn hiÖu t­¬ng tù sang sè, vµ mét sè lo¹i sai sè th­êng x¶y ra trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi ®ã cïng víi ph­¬ng ph¸p kiÓm tra. 1. Giíi thiÖu. C¸c bé biÕn ®æi t­¬ng tù- sè, th­êng nã tíi lµ A/D (ADC) cã vai trß ngµy cµng quan träng trong viÖc trang bÞ m¸y ®o trong nh÷ng n¨m qua. Cã khi chøc n¨ng quan träng cña m¸y ®o c¬ b¶n nh­ lµ v«n mÐt sè, b©y giê ADC n¨m trong trung t©m nhiÒu dông cô phøc t¹p nh­ «xyl« vµ bé ph©n tÝch phæ. Trong nhiÒu tr­êng hîp ®Æc tÝnh bªn ngoµi cña dông cô bÞ h¹n chÕ bëi chØ tiªu chÊt l­îng bªn trong bé biÕn ®æi A/D. Cµng cã sù quan träng cña ADC ®èi víi m¸y ®o ®· ®­îc thùc hiÖn bëi céng nghÖ m¹ch tæ hîp (IC) chØ tiªu chÊt l­îng cao. Nã cho phÐp bé biÕn ®æi tèc ®é cao vµ ®é ph©n gi¶i cao h¬n ®­îc thiÕt kÕ, s¶n xuÊt vµ b¸n víi gi¸ phï hîp. C«ng nghÖ IC tiªn tiÕn quan träng ngang b»ng cho phÐp bé vi xö lý kh¶ n¨ng xö lý tÝn hiÖu sè nhanh mµ cÇn thiÕt trong viÖc cung cÊp sù thay ®æi gi¸ thÊp tõ d÷ liÖu gèc t¹o ra bëi ADC ®Õn kÕt qu¶ m¸y ®o. Chøc n¨ng c¬ b¶n cña bé biÕn ®æi A/D lµ biÕn ®æi gi¸ trÞ t­¬ng tù ( ®iÓn h×nh biÓu diÔn bëi ®iÖn ¸p) thµnh c¸c bÝt nhÞ ph©n mµ cho phÐp tÝnh xÊp xØ” tèt” ®èi víi gi¸ trÞ t­¬ng tù . VÒ quan niÖm nhËn thøc ( NÕu khong nãi vÒ vËt lý häc), sù xö lý nay cã thÓ ®­îc xem nh­ lµ t¹o ra tû sè gi÷a tÝn hiÖu ®iÖn ¸p vµo vµ ®iÖn ¸p tham chiÕu ®· biÕt Vref sau ®ã lµm trßn kÕt qu¶ tíi gÇn gi¸ trÞ nguyªn nhÞ ph©n n-bÝt nhÊt. VÒ mÆt to¸n häc, qu¸ tr×nh xö lý cã thÓ ®­îc biÓu diÔn bëi : (1) Trong ®ã Vin lµ trÞ sè t­¬ng tù ( ë ®©y gi¶ ®Þnh cho phÐp d¶i tõ 0 ®Õn Vref ), D lµ tõ ë ®©u ra d÷ liÖu, vµ n lµ ®é ph©n gi¶i cña bé biÕn ®æi ( sè c¸c bÝt trong D). Hµm “rnd” ®¹i diÖn cho sù lµm trßn cña c¸c tõ trong dÊu ngoÆc ®èi víi gi¸ trÞ nguyªn gÇn nhÊt. Mét c¸ch ®iÓn h×nh, ®iÖn ¸p th¸m chiÕu ®­îc sinh ra bªn trong bëi bé biÕn ®æi cã tÝnh c¸ch th­¬ng m¹i. Trong c¸c tr­êng hîp nã ®­îc bªn ngoµi cung cÊp. Cßn tr­êng hîp kh¸c ®iÖn ¸p tham chiÕu cÇn ph¶i ®¹t tíi d¶i ®©u vµo trong ph¹m vi ®©y ®ñ cña bé biÕn ®æi. 2. Bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè tÝch ph©n (Integrating Analog-to-Digital Converters). Bé biÕn ®æi ADC tÝch hîp ®­îc dïng khi yªu cÇu ®é ph©n gi¶i rÊt cao t¹i tèc ®é lÊy mÉu t­¬ng ®èi thÊp. Nã lµm chøc n¨ng b»ng c¸ch tÝch hîp (lÊy trung b×nh) tÝn hiÖu ®Çu vµo qua chu kú thêi gian ®­îc chän vµ v× thÕ th­êng sö dông cho c«ng t¸c ®o c¸c ®iÖn ¸p DC. Sù lÊy trung b×nh cã hiÖu øng cña suy gi¶m nhiÔu ë ®Çu vµo. NÕu thêi gian trung b×nh ®­îc chän lµm mét hoÆc nhiÒu chu kú ®­êng d©y ®iÖn lùc(power line cycles), giao diÖn ®­êng d©y ®iÖn lùc ®­îc lo¹i bá tõ phÐp ®o. Nã ®­îc øng dông räng r·i ë trong v«n mÐt sè, mµ nã lîi dông ®é ph©n gi¶i tiÕp sãng (receptional), tuyÕn tÝnh, tÝnh æn ®Þnh, vµ c¸ch lo¹i trõ nhiÔu cña CÊu tróc tÝch ph©n. 2.1.CÊu tróc hai s­ên dèc(Dual Slope Architecture). Ph­¬ng ph¸p hai s­ên dèc cã lÏ ®­îc sö dông kiÕn tróc A/D tÝch ph©n mét c¸ch réng r·i nhÊt (h×nh 1). Cã hai nöa chu kú, dùa vµo ®©y cã s­ên dèclªn vµ s­ên dècxuèng. TÝn hiÖu vµo ®­îc tÝch hîp trong thêi gian s­ên dèclªn ®èi víi thêi gian Ên ®Þnh. Sau ®ã tham chiÕu cña tÝn hiÖu ng­îc ®­îc tÝch hîp trong thêi gian s­ên dèc xuèng ®Ó biÕn ®æi ®Çu vµo bé tÝch ph©n thµnh zero. Thêi gian cÇn thiÕt cho s­ên dèc xuèng tû lÖ víi trÞ sè ®Çu vµo vµ lµ ®Çu ra cña ADC. VÒ mÆt to¸n häc, chu tr×nh s­ên dèclªn cã thÓ ®­îc tr×nh b¶y nh­ sau: Vin +-Vref R C Vra (2) H×nh 1. S¬ ®å khèi ADC hai s­ên dèc ®¬n gi¶n. Vout Vp Vin tÝch ph©n Vref tÝch ph©n thêi gian Tup Tdn H×nh 2. D¹ng sãng ADC hai s­ên dèc ®iÓn h×nh. Trong khi ®ã Vp lµ gi¸ trÞ ®Ønh ®¹t t¹i ®Çu ra bé tÝch ph©n trong thêi gian s­ên dèc lªn, Tup ®­îc biÕt lµ thêi gian tÝch hîp s­ên dèc lªn, Vin lµ tÝn hiÖu ®Çu vµo, R vµ C lµ gi¸ trÞ thµnh phÇn cña bé tÝch ph©n. T­¬ng tù s­ên dècxuèng cã thÓ tr×nh b¶y bëi: (3) Trong ®ã Tdn lµ thêi gian kh«ng biÕt tr­íc cña s­ên dècxuèng, vµ Vref lµ gi¸ trÞ tham kh¶o, biÓu thøc 2 vµ 3 vµ gi¶i ra Tdn, ®Çu ra cña ADC: (4) Chó ý ë ®©y lµ Vin vµ Vref lu«n lu«n lµ tÝn hiÖu ng­îc (§Ó ®¶m b¶o sù biÕn ®æi thµnh zero trong bé tÝch ph©n), vµ do ®ã Tdn lu«n lu«n lµ d­¬ng. Cã thÓ trùc tiÕp thÊy ë trong biÓu thøc (4) r»ng R vµ C kh«ng cã mÆt ë trong Tdn . Do ®ã gi¸ trÞ cña nã kh«ng tíi h¹n. §©y lµ kÕt qu¶ cña cïng thµnh phÇn ®· ®­îc dïng cho c¶ s­ên dèc lªn vµ xuèng. T­¬ng tù, nÕu thêi gian Tup vµ Tdn ®­îc x¸c ®Þnh bëi chu kú ®Õm cña ®ång hå ®¬n, chu kú chÝnh x¸c cña ®ång hå ®ã sÏ kh«ng ¶nh h­ëng ®Õn ®é chÝnh x¸c cña ADC. Ph¸t biÓu l¹i ®Çu ra nãi tíi sè chu kú cña ®ång hå: (5) Trong ®ã Nup lµ sè chu kú ®ång hå ®· ®­îc Ên ®Þnh dïng trong s­ên dèclªn vµ Ndn lµ sè chu kú ®ång hå yªu cÇu ®Ó biÕn ®æi ®Çu ra bé tÝch ph©n thµnh 0. C¸c nguån sai sè ®iÖn thÕ. Râ rµng tõ biÓu thøc (5) thÊy r»ng Ndn, ®Çu ra b»ng sè cña ADC, chØ phô thuéc vµo ®Çu vµo, gi¸ trÞ tham chiÕu, vµ gi¸ trÞ kh«ng biÕt tr­íc Nnp,, sai sè trong Vref sÏ ¶nh h­ëng tíi ®é chÝnh x¸c hÖ sè khuÕch ®¹i cña ADC, nh­ng ®ã lµ Èn(implicit) trong nh÷ng bé biÕn ®æi. Sai sè bï cã thÓ xuÊt hiÖn nÕu ®iÖn ¸p t¹i ®iÓm b¾t ®Çu cña s­ên dèclªn kh¸c víi ®iÖn ¸p t¹i ®iÓm cuèi cña s­ên dècxuèng. NÕu bé so s¸nh ®¬n trªn ®Çu ra cña bé tÝch ph©n ®­îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh thêi gian ®¶o (crossing) 0 trong c¶ hai ®­êng dèc, sù bï cña nã sÏ kh«ng quan träng. Dï thÕ nµo th× sai sè bï cã thÓ xÈy ra v× vai trß lo¹i trõ (charge infection) tõ c«ng t¾c ®Ó chän ®Çu vµo vµ tham chiÕu. Trong øng dông v«n mÐt cã ®é chÝnh x¸c rÊt cao, sù bï nµy th­êng ®­îc bï bëi chu tr×nh tù trë vÒ kh«ng (auto-zero cycle). TÝnh tuyÕn tÝnh cña bé biÕn ®æi cã thÓ bÞ ¶nh h­ëng bëi hiÖu øng nhí (memory) trong tô ®iÖn cña bé so s¸nh. §©y lµ do hiÖn t­îng gäi lµ hÊp thô ®iÖn m«i, mµ ®iÖn tÝch (charge) ®­îc hÊp thô mét c¸ch hiÖu dông bëi ®iÖn m«i tô trong kho¶ng thêi gian lé s¸ng(exposure) dµi tíi mét ®iÖn ¸p vµ sau ®ã quay tíi phiÕn tô khi mµ ®iÖn ¸p kh¸c ®­îc sö dông. C¸ch lùa chän vÊt liÖu ®iÖn m«i cã hÊp thô rÊt thÊp dïng ®Ó tèi thiÓu hiÖu øng nµy. Sù c©n ®èi tèc ®é ®é ph©n gi¶i. Thêi gian tÝch hîp s­ên dèc lªn cã thÓ ®­îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh chu kú ®ång hå mét c¸ch chÝnh x¸c. Dï thÕ nµo th× thêi gian ®Ó biÕn ®æi ®Çu ra cña bé tÝch ph©n thµnh 0 kh«ng ph¶i lµ sè nguyªn thùc sù cña chu kú ®ång hå, khi Vin cã thÓ gi¶ ®Þnh b»ng bÊt kú gi¸ trÞ nµo. Thùc ra, lu«n lu«n cã sù kh«ng chÝnh x¸c sè ®Õm (count) +-1 mµ Ndn cã thÓ diÔn t¶ ®­îc Vin. §é ph©n gi¶i cña hai s­ên dèc ADC cã mét sè ®Õm (count) trong Nmax, khi Nmax lµ sè ®Õm tÝch luü trong s­ên dèc sau khi tÝch hîp ®Çu vµo cã thang ®é ®Çy ®ñ Vin=Vts. Dùa trªn biÓu thøc (5). (6) §Ó c¶i thiÖn ®é ph©n gi¶i, Nmax ph¶i ®­îc t¨ng lªn. ViÖc ®ã cã thÓ lµm ®­îc b»ng c¸ch t¨ng Nup , cã gi¸ trÞ hiÖu øng thêi gian t¨ng tuyÕn tÝnh yªu cÇu cho c¶ hai s­ên dèclªn vµ xuèng. HoÆc Vref ph¶i gi¶m, do ®ã thêi gian s­ên dèc lªn lµ h»ng sè thêi gain s­ên dèc xuèng t¨ng tuyÕn tÝnh. MÆt kh¸c, ®é ph©n gi¶i t¨ng yªu cÇu sù t¨ng tuyÕn tÝnh trong sè chu kú ®ång hå cña sù biÕn ®æi. Gi¶ sö giíi h¹n thùc tiÔn ë chu kú ®ång hå tèi thiÓu, ®é ph©n gi¶i t¨ng t¹i møc tèn kÐm trùc tiÕp cña thêi gian biÕn ®æi. VÊn ®Ò nµy cã ý nghÜa quan träng cã thÓ ®­îc lµm dÞu bít b»ng c¸ch sö dông cÊu tróc ®a s­ên dèc. 2.2. CÊu tróc ®a s­ên dèc (Multislope Architecture). S¬ ®å khèi cña ADC nhiÒu s­ên dèc®iÓn h×nh cho trong h×nh(3). Nã kh¸c biÖt tõ ph­¬ng ph¸p hai s­ên dèc mµ cã c¸c ®iÖn trë tÝch hîp lªn vµ xuèng riªng biÖt, vµ h¬n n÷a cã gi¸ trÞ béi sè cho c¸c ®iÖn trë tÝch hîp s­ên dèc xuèng. Sö dông c¸c ®iÖn trë kh¸c nhau cho phÇn chia s­ên dèc lªn vµ xuèng giíi thiÖu kh¶ n¨ng cña sai sè do sù kh«ng thÝch øng cña ®iÖn trë. Hai s­ên dèc ®­îc miÔn trõ ®èi víi vÊn ®Ò nµy khi duy nhÊt ®iÖn trë ®­îc dïng. Dï thÕ nµo th× m¹ng s¬ ®å ®iÖn trë chÊt l­îng cao víi sù ®ång chØnh nhiÖt ®é tèt vµ tÝnh tuyÕn tÝnh cã thÓ kh¾c phôc sù bÊt lîi nµy. ¦u ®iÓm cña cÊu tróc ®a s­ên dèc gi¶m ®i t¹i thêi gian biÕn ®æi hoÆc t¨ng lªn t¹i ®é ph©n gi¶i. Sù suy gi¶m quan trong t¹i thêi gian biÕn ®æi cã thÓ nhËn ®­îc tr­íc hÕt b»ng c¸ch lµm gi¶m nhá ®¸ng kÓ Rup (nèi tíi Vin). Dßng n¹p bé tÝch ph©n sÏ t¨ng, sö dông ®ñ d¶i ®éng cña bé tÝch ph©n trong thêi gian nhá. Vout Rup Rdn 10 Rdn 100Rdn Vin +-Vref +-Vref +-Vref C H×nh 3. S¬ ®å khèi ADC §a s­ên dèc TiÕp theo, thêi gian yªu cÇu cho s­ên dèc t¹i ®é ph©n gi¶i cho tr­íc cã thÓ ®­îc gi¶m bít b»ng c¸ch thùc hiÖn s­ên dèc xuèng cã béi sè, mçi mét c¸i t¹i dßng thÊp liªn tiÕp (h×nh 4). Trong vÝ dô h×nh 4, dßng xuèng ®Çu tiÒn ng­îc dÊu víi ®Çu vµo, vµ lín ®¸ng kÓ mµ bé tÝch ph©n sÏ v­ît qua 0 nhá h¬n 10 sè ®Õm(count). Khi ®Çu ra cña bé tÝch ph©n v­ît qu¸ 0, dßng ®­îc t¾t t¹i chuyÓn tiÕp ®ång hå tiÕp theo. L­îng mµ bé tÝch ph©n qu¸ møc zero dùa trªn ®iÖn ¸p ®Çu vµo chÝnh x¸c. §Ó sè ho¸ “phÇn cßn l¹i (residue)” chÝnh x¸c, mét gi©y, thÊp h¬n 10 lÇn, cÇn ph¶i chän dßng s­ên dèc xuèng ng­îc dÊu. Mét lÇn n÷a ®é qu¸ møc tû lÖ víi ®Çu vµo nh­ng b©y giê sÏ cã biªn ®é thÊp h¬n 10 lÇn v× s­ên dèc thÊp h¬n. Sè ®Õm (counts) tÝch luü trong pha cña s­ên dècxuèng nµy ®­îc chÊp nhËn 10 lÇn thÊp h¬n. Vout Vp Vin/Rup tÝch hîp Vref/RdntÝch hîp Vref/10Rdn Vref/100Rdn thêi gian Tup Tdn1 Tdn2 Tdn3 . Mét l­îng kh«ng x¸c ®Þnh cña s­ên dèc xuèng nµy cã thÓ ®­îc øng dông liªn tiÕp, mçi mét øng dông nµy thªm (trong vÝ dông nµy) mét chôc ®èi víi ®é ph©n gi¶i nh­ng t¹o sè phÇn tr¨m rÊt nhá ®èi víi toµn bé thêi gian biÕn ®æi. Ph­¬ng ph¸p ®a s­ên dèc(Multislope) cã thÓ ®­îc thùc hiÖn víi mét chôc b­íc trong dé dèc xuèng ®· tr×nh b¶y ë ®©y, hoÆc víi c¸c tû sè kh¸c. Cho dï t¨ng thªm trong ®é ph©n gi¶i cã thÓ nhËn ®­îc b»ng c¸ch øng dông chu kú lªn cña ®a s­ên dèc(multislope), mµ trong ®ã c¶ ®Çu vµo vµ dßng tham chiÕu dÞch chuyÓn ®­îc øng dông. Tãm l¹i ph­¬ng ph¸p ®a s­ên dèc lµm c¶i thiÖn mét c¸ch Ên t­îng trong sù c©n ®èi tèc ®é ®é ph©n gi¶i so víi cÊu tróc hai s­ên dèc b×nh th­êng, víi møc tèn kÐm cña sù phøc t¹p vµ cÇn thiÕt cho ®iÖn trë ®­îc thÝch øng tèt. H×nh 4. D¹ng sãng ADC ®a s­ên dèc ®iÓn h×nh. 3. Bé biÕn ®æi t­¬ng tù–sè song song (Parallel Analog-To-Digital Converters). ADC song song ®­îc dïng trong øng dông n¬i mµ cÇn thiÕt ph¶i cã ®é réng b¨ng vµ tèc ®é lÊy mÉu rÊt cao, cïng víi ®é ph©n gi¶i trung b×nh cã thÓ chÊp nhËn ®­îc. Mét øng dông ®iÓn h×nh lµ ¤xyl« sè thêi gian thùc(real-time), mµ cã thÓ thu thËp tÊt c¶ c¸c th«ng tin cña tÝn hiÖu trong tr­êng hîp ®¬n. ADC còng ®­îc dïng trong ¤xyl« sè lÆp l¹i, nh­ng kh«ng cÇn tèc ®é lÊy mÉu thêi gian thùc cao. 3.1.Bé biÕn ®æi tøc thêi (Flash Converters). Lo¹i quen thuéc nhÊt cña bé biÕn ®æi A/D song song lµ bé biÕn ®æi tøc thêi (flash). Gäi nh­ vËy lµ v× bé so s¸nh ®­îc ghi thêi gian 2n lÊy mÉu d¹ng sãng mét c¸ch ®ång thêi (trong ®ã n lµ ®é ph©n gi¶i bé biÕn ®æi). Mçi mét bé so s¸nh ®­îc cung cÊp víi ®iÖn ¸p ng­ìng kh¸c nhau, ®­îc t¹o ra bëi bé chia ®iÖn trë tõ ®iÖn ¸p tham chiÕu bé biÕn ®æi chÝnh. C¸c ng­ìng nµy cïng nhau nh¶y (span) d¶i ®Çu vµo cña bé biÕn ®æi. C¸c bÝt ®Çu ra tõ c¸c bé so s¸nh t¹o m· nhiÖt kÕ, gäi nh­ thÕ v× nã cã thÓ ®­îc biÓu diÔn nh­ mét cét sè 1 liªn tôc ë d­íi chuçi 0 t­¬ng tù (h×nh 6). Sù chuyÓn tiÕp tõ 1 ®Õn 0 tuÇn tù chØ ra gi¸ trÞ tÝn hiÖu ®Çu vµo ®­îc lÊy mÉu. Sù chuyÓn tiÕp nµy cã thÓ t×m thÊy víi cæng logic b×nh th­êng, kÕt qu¶ lµ m· 1 of N (trong ®ã N=2n), khi duy nhÊt mét bÝt lµ mét. M· 1 of N sau ®ã cã thÓ ®­îc m· ho¸ thªm víi logic th¼ng xu«i(straightforword) thµnh m· nhÞ ph©n n bÝt, lµ ®Çu ra mong muèn cña bé biÕn ®æi. Bé biÕn ®æi tøc thêi cã tèc ®é rÊt lµ nhanh, khi tèc ®é cña bé so s¸nh ®­îc ghi thêi gian vµ logic cã thÓ thùc sù cao. §iÒu nµy lµm chóng phï hîp víi øng dông ¤xyl« thêi gian thùc(real - time oscilloscope). Dï thÕ nµo th× còng cã tån t¹i rÊt nhiÒu bÊt lîi. Sù phøc t¹p cña m¹ch ®iÖn t¨ng nhanh khi ®é ph©n gi¶i bÞ t¨ng khi cã 2n bé so s¸nh ghi thêi gian. H¬n n÷a, n¨ng l­îng, ®iÖn dung ®Çu vµo, ®iÖn dung ®ång hå, vµ ph¹m vi vËt lý cña m¶ng bé so s¸nh trªn m¹ch tÝch hîp lµ quan träng khi mét c¸ch ®iÓn h×nh bé biÕn ®æi tøc thêi lÊy mÉu nhanh sù biÕn ®æi tÝn hiÖu ®Çu vµo. NÕu tÊt c¶ bé so s¸nh kh«ng lÊy mÉu ®Çu vµo t¹i cïng mét chç trªn d¹ng sãng th× lâi cã thÓ x¶y ra. H¬n n÷a, sù trÔ do truyÒn lan cña tÝn hiÖu tíi c¸c bé so s¸nh g©y khã kh¨n sù thÝch øng nh­ kÝch cì m¶ng t¨ng. §©y lµ mét lý do mµ bé biÕn ®æi tøc thêi th­êng dïng phÐp nh©n logic víi m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu, khi lÊy mÉu ®Çu vµo mét c¸ch lý t­ëng cung cÊp tÝn hiÖu kh«ng thay ®æi ®­îc tíi tÊt c¶ bé so s¸nh t¹i thêi gian cña sù ®ång bé. E N C O D E R Vref Vin §ång hå D÷ liÖu ra Bé so s¸nh M· nhiÖt kÕ M· 1 of N Sù thay ®æi cña cÊu tróc tøc thêi cã thÓ ®­îc dïng ®Ó lµm gi¶m tèn kÐm cña ®é ph©n gi¶i cao h¬n. C¸c kü thuËt nµy, gåm cã m· ho¸ t­¬ng tù, sù gÊp (folding), vµ néi suy cã thÓ gi¶m bít ®iÖn dung ®Çu vµo vµ kÝch cì m¶ng bé so s¸nh mét c¸ch ®¸ng kÓ. H×nh 5 : S¬ ®å khèi cña bé biÕn ®æi A/D tøc thêi. 3.2. Sai sè ®éng trong ADC song song (Dynamic Errors in Parallele ADCs). NÕu kh«ng dïng m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu th× trong nh÷ng ph¹m vi nµo ®ã sai sè ®éng cã thÓ g©y tæn h¹i tíi cÊu tróc A/D tøc thêi vµ biÕn thøc cña nã. Sai sè ®éng ®­îc ®Þnh nghÜa ë ®©y nh­ lµ kÕt qu¶ khi tÝn hiÖu ®Çu vµo cã tÇn sè cao ®­îc øng dông cho ADC. Sai sè ®éng phæ biÕn lµ do ADC cã ®iÖn dung ®Çu vµo phi tuyÕn lín(voltage-dependent). §iÖn dungnµy cã tÝnh phi tuyÕn khi nã gåm cã ph©n lín tiÕp gi¸p b¸n dÉn. Khi ®iÖn dung ®Çu vµo nµy ®­îc truyÒn tõ nguån trë kh¸ng x¸c ®Þnh, mÐo cã thÓ x¶y ra t¹i tÇn sè cao. C¸c lo¹i sai sè ®éng kh¸c x¶y ra nÕu ®Çu vµo vµ tÝn hiÖu ®ång hå kh«ng ®­îc ph©n phèi mét c¸ch tøc thêi tíi tÊt c¶ c¸c bé so s¸nh trong ADC. Dï trong øng dông ®¬n khèi, sù t¸ch biÖt vÒ vÊt lý cña bé so s¸nh cã thÓ ®ñ lín ®Ó g©y khã kh¨n nµy cho ®Çu vµo tÇn sã rÊt cao. §èi víi sãng h×nh sin 1 GHz t¹i sù giao nhau 0, tèc ®é thay ®æi cao 10 ps. TÝn hiÖu thay ®æi 3% toµn bé thang ®é. §Ó sè ho¸ tÝn hiÖu nµy mét c¸ch chÝnh x¸c, tÊt c¶ bé so s¸nh ph¶i ®­îc ®iÒu khiÓn bëi cïng mét ®iÓm trªn tÝn hiÖu khi ®ång hå xuÊt hiÖn. NÕu cã sù kh«ng thÝch øng trong kho¶ng trÔ trong ®ång hå hoÆc sù ph©n bè tÝn hiÖu tíi bé so s¸nh chØ trong 10 ps, sÏ cã sù kh¸c nhau 3% gi¸ trÞ tÝn hiÖu nhËn biÕt ®­îc bëi bé sa s¸nh kh¸c nhau. KÕt qu¶ ®¹t t¹i ®Çu ra bé so s¸nh, sau khi gi¶i thÝch bëi bé m· ho¸ b¸m theo, cho kÕt qña sai sè m· ®Çu ra lín. C¶ hai sai sè nµy cã chiÒu h­íng xÊu nh­ ®é ph©n gi¶i bé biÕn ®æi t¨ng, khi ®iÖn dung ®Çu vµo vµ kÝch cì m¶ng bé so s¸nh c¶ hai ®Òu lín lªn. Nã cã thÓ h¹n chÕ ®é ph©n gi¶i cã thÓ nhËn ®­îc thùc tÕ tr­íc khi n¨ng l­îng vµ sù rµng buéc phøc t¹p tham dù vµo. Mét c¸ch ®iÓn h×nh c¸c m¹ch lÊy mÉu vµ m¹ch gi÷ ®­îc dïng víi ADC song song ®Ó lo¹i trõ vÊn ®Ò nµy. 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 H×nh 6: M· nhiÖt kÕ tõ bé so s¸nh ®­îc biÕn ®æi thµnh m· 1 of N dïng cæng logic. 3.3. M¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu. C¸c m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu lo¹i trõ sai sè ®éng tõ ADC song song b»ng c¸ch ®¶m b¶o r»ng tÝn hiÖu ®Çu vµo bé so s¸nh kh«ng bÞ thay ®æi khi ®ång hå bé so s¸nh xuÊt hiÖn. M« h×nh quan niÖm lÊy mÉu vµ gi÷ ®iÒu khiÓn ADC ®­îc cho trong h×nh (7). Khi chuyÓn m¹ch ®­îc ®ãng, ®iÖn ¸p trªn toµn bé tô b¸m theo tÝn hiÖu ®Çu vµo. Khi chuyÓn m¹ch më, tô ®iÖn gi÷ gi¸ trÞ ®Çu vµo lóc ®ã. Gi¸ trÞ nµy ®­îc øng dông vµo ®Çu vµo ADC qua bé khuÕch ®¹i, vµ sau khi thÝch øng gi¸ trÞ æn ®Þnh cã thÓ cã cña bé so s¸nh. Duy nhÊt sau ®ã lµ bé so s¸nh ®­îc lÊy thêi gian(clocked), lo¹i trõ vÊn ®Ò vÒ sù ph©n phèi tÝn hiÖu dùa vµo ë trªn vµ tÊt c¶ c¸c sai sè ®éng kh¸c liªn quan víi bé so s¸nh. Thùc ra, cã sù h¹n chÕ ®èi víi chØ tiªu chÊt l­îng ®éng cña m¹ch gi÷ vµ cïng víi m¹ch lÊy mÉu. §èi víi ph¹m vi mµ nã cã ®iÖn dung ®Çu vµo phi tuyÕn, cïng mét mÐo cã tÇn sè cao ®· ®Ò cËp ë trªn sÏ xuÊt hiÖn. Dï thÕ nµo th× mét c¸ch ®iÓn h×nh hiÖu øng nµy sÏ bÞ gi¶m nhiÒu h¬n, khi mét c¸ch ®iÓn h×nh ®iÖn dïng ®Çu vµo cña m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu thÊp h¬n nhiÒu so víi bé biÕn ®æi song song. Bµi to¸n ®éng cña m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu th­êng thÊy kh¸c lµ mÐo khÈu ®é (perture distortion). Nã dùa vµo mÐo ®­îc ®­a tíi bëi thêi gian c¾t kh«ng zero cña m¹ch lÊy mÉu trong hÖ thèng. Nã cã thÓ ®­a vµo mÐo khi lÊy mÉu tÝn hiÖu tÇn sè cao, khi ®iÓm lÊy mÉu hiÖn dông trªn tÝn hiÖu cã thÓ lµ mét hµm tèc ®é tÝn hiÖu cña sù thay ®æi (tèc ®é nh¶y dßng in) vµ h­íng. Víi nguyªn nh©n nµy, ph¶i quan t©m nhiÒu tíi viÖc thiÕt kÕ chuyÓn m¹ch sö dông trong m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu. X1 Amp X1 Amp M¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu §ång hå gi÷ vµ lÊy mÉu §Çu vµo E N C O D E R ADC §ång hå bé so s¸nh D÷ liÖu ®Çu ra H×nh 7: M¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu ®iÒu khiÓn ADC song song. D1 D2 D3 D4 D6 D5 Vµo Ra H×nh 8: M¹ch cÇu Diode ®Ó dïng lµm chuyÓn m¹ch lÊy mÉu. Tranzito MOS cã thÓ ®­îc dïng trùc tiÕp lµm c¸c chuyÓn m¹ch lÊy mÉu, vµ c¸c sù c¶i thiÖn trong tèc ®é tranzito dÉn tíi chØ tiªu chÊt l­îng gi÷ vµ lÊy mÉu tèt h¬n. CÊu h×nh kh¸c cña bé lÊy mÉu cã chØ tiªu chÊt l­îng cao th­êng ®­îc dïng lµ cÇu diode, cho trong h×nh (8). Víi dßng ®iÖn ch¶y trªn h­íng ®· cho, chuyÓn m¹ch bËt lªn. TÝn hiÖu ®Çu vµo ®­îc nèi tíi tô gi÷ qua diode dÉn ®iÖn D1 ®Õn D4. Diode D5 vµ D6 t¾t. §Ó t¾t chyuÓn m¹ch, dßng ®iÖn ph¶i ng­îc l¹i. B©y giê diode D5 vµ D6 dÉn ®iÖn, vµ c¸c diode cßn l¹i bÞ t¾t. TÝn hiÖu ®Çu vµo kh«ng phô thuéc vµo tô gi÷ bëi chuçi OFF cña c¸c diode D1 ®Õn D4 vµ diode ph©n dßng ON D5 vµ D6. Bé lÊy mÉu dïng cÇu diode th­êng ®­îc x©y dùng tõ diode Shottky mµ nã tËn dông phô t¶i kh«ng l­u tr÷. Chóng cã thÓ bÞ t¾t nhanh chãng, t¹o ra mÐo khÈu ®é. M¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu cã chØ tiªu chÊt l­îng rÊt cao ®· ®­îc x©y dùng b»ng c¸ch dïng ph­¬ng ph¸p nµy. 3.4. ADC ghÐp xen (Interleaving ADCs) . Kh«ng ®Ò ý tíi tèc ®é lÊy mÉu cña bé biÕn ®æi hiÖn cã cña A/D, tèc ®é lÊy mÉu cao h¬n th­êng ®­îc yªu cÇu. Nã ®Æc biÖt ®óng trong øng dông ¤xyl« thêi gian thùc (real time) n¬i mµ ®é réng b¨ng tÇn cã thÓ biÕt ®­îc tû lÖ trùc tiÕp tíi tèc ®é lÊy mÉu. §Ó nhËn ®­îc tèc ®é lÊy mÉu cao h¬n, m¶ng bé biÕn ®æi th­êng ph¶i ®­îc xen lÉn nhau. VÝ dô, bèn bé biÕn ®æi 1 GHz, ®iÒu khiÓn bëi mét tÝn hiÖu ®Çu vµo ®¬n, cã thÓ ho¹t ®éng víi ®ång hå cña chóng c¸ch nhau t¹i thêi gian 900. Nã t¹o ra tèc ®é lÊy mÉu ®Çu vµo tËp hîp 4 GHz, n©ng lªn ®é réng b¨ng cã thÓ biÕt ®­îc tõ gi¸ trÞ ®iÓn h×nh 250 MHz tíi 1 GHz ( thùc ra ®Ó nhËn ®­îc ®é réng b¨ng 1 GHz th× m¹ch lÊy mÉu trong ADC ph¶i cã ®é réng b¨ng 1 GHz). Nh­ng sù xen lÉn th­êng ®­a ra sai sè do sù kh«ng thÝch øng trong ®Æc tÝnh riªng ADC. Sai sè t¨ng Ých vµ sai sè bï trong ADC ®¬n kh«ng bÞ xen lÉn cã thÓ s¶n ra mét c¸ch t­¬ng ®èi sai sè v« h¹i (innocuous errors) mµ kh«ng quan träng ®èi víi øng dông. Trong hÖ thèng xen lÉn, kh¾c biÖt nhau trong sai sè t¨ng Ých vµ dÞch chuyÓn cña riªng ADC cã thÓ chuyÓn ®æi tíi thµnh phÇn tÇn sè gi¶ m¹o t¹i bé sè con tèc ®é lÊy mÉu. Nã sÏ ®Æc biÖt kh«ng mong muèn nÕu phæ cña tÝn hiÖu cã Ých . ThËt may, sai sè t¨ng Ých vµ sai sè bï trong hÖ thèng ADC ghÐp xen cã thÓ ®­îc lÊy chuÈn. SÏ khã kh¨n h¬n ®Ó lo¹i trõ ¶nh h­ëng cña sù kh«ng thÝch øng ®éng trong ADC. Chóng cã hai nguån: Sù ®Þnh pha kh«ng chÝnh x¸c cña ®ång hå mµ chÌn vµo hÖ thèng ADC, vµ ®é réng b¨ng kh¸c nhau trong m¹ch bé lÊy mÉu ë tr­íc ADC. ¶nh h­ëng cña sai sè do pha ®ång hå ®­îc minh ho¹ trong h×nh (9), cho biÕt ¶nh h­ëng cña mét ®ång hå bé biÕn ®æi kh«ng ®Þnh pha(mis-phased) trong mét hÖ thèng ADC ghÐp xen bèn lèi (four-way). §èi víi tÝn hiÖu ®Çu vµo 1 GHz, sai sè do pha ®ång hå 10 ps ®¹t kÕt qu¶ sai sè 3% trong gi¸ trÞ lÊy mÉu ®­îc lÊy. §©y lµ kÕt qu¶ trùc tiÕp cña tèc ®é nh¶y dßng tÝn hiÖu ®­îc sè ho¸. §ång hå kh«ng ®Þnh pha trong hÖ thèng ADC ghÐp xen cã thÓ s¶n ra thµnh phÇn tÇn sè gi¶ m¹o vµ thay ®æi d¹ng(in shape) hoÆc ®Þnh thêi trong d¹ng sãng ®­îc x©y l¹i. M¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu h¹ng hai (two-rank) lÊy mÉu ®Çu vµo víi duy nhÊt mét bé lÊy mÉu cÇn thiÕt cã thÓ lo¹i trõ vÊn ®Ò nµy. Thñ tôc lÊy chuÈn mµ ®iÒu chØnh pha ®ång hå còng cã thÓ gióp ®Ó gi¶m ¶nh h­ëng nµy. ¶nh h­ëng do sù kh«ng thÝch øng ®é réng b¨ng t­¬ng tù víi ¶nh h­ëng do sù khong thÝch øng ®Þnh thêi. Sù lÊy chuÈn ®Ó gi¶m ¶nh h­ëng nµy lµ rÊt khã, dï thÕ nµo th× sù ®iÒu chØnh yªu cÇu cña ®¸p øng tÇn sè m¹ch t­¬ng tù chØ lµ h¬n ®iÒu chØnh ®é trÔ cña mét tÝn hiÖu sè. DV Dt 1 2 4 1 Thêi gian lÊy mÉu mong muèn Thêi gian lÊy mÉu hiÖn t¹i H×nh 9: ¶nh h­ëng sai sè ®Þnh thêi trong hÖ thèng ADC ghÐp xen . 4. Bé biÕn ®æi t­¬ng t­-sè ®a b­íc(Multistept Analog-To-Digital Convertors). Bé biÕn ®æi ®a b­íc th­êng ®­îc dïng khi yªu cÇu ®é ph©n gi¶i cña øng dông v­ît qóa ®é ph©n gi¶i hiÖn cã trong bé biÕn ®æi song song. Mét øng dông ®iÓn h×nh cho bé biÕn ®æi ®a b­íc lµ ë trong bé ph©n tÝch phæ sè ho¸ trùc tiÕp n¬i mµ ®é ph©n gi¶i 12 bÝt ®­îc yªu cÇu t¹i tèc ®é lÊy mÉu cao nhÊt hiÖn cã. ë ®©y bé ph©n tÝch phæ sè ho¸ trùc tiÕp ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ lµ c¸i mµ dïng biÕn ®æi Fourier cña b¶n ghi ®Çu ra ADC ®Ó tÝnh to¸n phæ. Mét c¸ch ®iÓn h×nh, chóng cung cÊp l­u l­îng phÐp ®o cao h¬n bé ph©n tÝch phæ t­¬ng tù víi ¤xyl« quÐt vµ cÊu tróc trén. ë ®©y “®a b­íc (multistep)” gåm cã rÊt nhiÒu c¸c lo¹i cÊu tróc. 4.1 Bé biÕn ®æi t­¬ng tù-sè hai b­íc. Mét vÝ dô rÊt ®¬n gi¶n cña ADC ®a b­íc lµ bé biÕn ®æi hai b­íc víi ®é ph©n gi¶i 12 bÝt (h×nh 10). TÝn hiÖu ®Çu vµo ®­îc ®­îc thu thËp bëi m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu vµ sè ho¸ bëi bé biÕn ®æi song song víi ®é ph©n gi¶i 6 bÝt. Sau ®ã kÕt qu¶ sè ®­îc biÕn ®æi bé biÕn ®æi sè-t­¬ng tù (DAC) thµnh d¹ng t­¬ng tù vµ trõ ®i tõ ®Çu vµo. Cho kÕt qu¶ “phÇn cßn l¹i(residue)” nhá (sù kh¸c nhau gi÷a ®Çu vµo vµ mét c¸i gÇn nhÊt trong nh÷ng møc “®­îc lµm trßn” ADC 64) ®­îc khuÕch ®¹i b»ng 64 vµ sau ®ã sè ho¸ bëi ADC 6 bÝt song song kh¸c. Hai kÕt qu¶ 6 bÝt ®­îc céng víi träng sè thÝch hîp ®Ó nhËn m· ®Çu ra 12 bÝt. Tõ vÝ dô nµy, thÊy râ lîi ®iÓm cña cÊu tróc hai b­íc. TÝn hiÖu ®· ®­îc t¸ch ra 12 bÝt, nh­ng duy nhÊt 128 (2*64) bé so s¸nh ®­îc yÒu cÇu. Mét c¸ch ®Çy ®ñ bé biÕn ®æi song song ph¶i ®­îc yªu cÇu 4096 bé so s¸nh. Bé biÕn ®æi hai b­íc cung cÊp n¨ng l­îng thÊp h¬n, sù phøc t¹p vµ ®iÖn dïng ®Çu vµo h¬n bé biÕn ®æi song song trong cïng mét tèc ®é. Gi¸ ph¶i tr¶ lµ sù céng thªm cña m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu cña ADC. M¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu cÇn cã ®Ó thu thËp lÊy mÉu ®Çu vµo vµ gi÷ nã kh«ng thay ®æi qua thao t¸c tuÇn tù cña hai bé biÕn ®æi song song vµ DAC. DAC ph¶i thËt chÝnh x¸c ®èi víi ®é ph©n gi¶i ®Çu ra mong muèn cña bé biÕn ®æi (12 bÝt nh­ trong vÝ dô trªn). 4.2 Bé biÕn ®æi t­¬ng tù-sè nhanh (Ripple-through Analog to Digital Converters). CÊu tróc hai b­íc t¹o ra sù gi¶m quan träng sè bé so s¸nh so víi cÊu tróc song song. Dï thÕ nµo, 128 bé so s¸nh vÉn ®­îc yªu cÇu trong vÝ dô 12 bÝt h×nh (10). H¬n n÷a sù gi¶m cã thÓ thùc hiÖn ®­îc ®­îc b»ng c¸ch sö dông nhiÒu tÇng h¬n n÷a trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi, víi vµi bÝt trong mçi tÇng vµ t­¬ng ®­¬ng víi khuÕch ®¹i thÊp h¬n trong bé khuÕch ®¹i phÇn cßn l¹i (residue amplifier). Mét bé biÕn ®æi ba tÇng t¸ch ra bèn bÝt trong mét tÇng sÏ cÇn 48 bé so s¸nh. Bé biÕn ®æi lo¹i nµy (víi h¬n hai tÇng ADC nh­ng chØ víi duy nhÊt m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu) th­êng ®­îc gäi lµ bé biÕn ®æi nhanh. Mét bÝt trong mét cÊu tróc nhanh tÇng cho trong h×nh 11. Mçi mét tÇng gåm mét bé so s¸nh ®¬n, mét bÝt ADC, mét bé trõ, vµ mét bé khuÕch ®¹i víi hÖ sè khuÕch ®¹i hai. Trong mçi mét tÇng, mét bÝt ®­îc t¸ch ra vµ mét phÇn cßn l¹i ®i tíi tÇng tiÕp theo. Bé so s¸nh cña mçi tÇng ®­îc lÊy thêi gian cña sù ho¹t ®éng xuèng tíi (down the converter) bé biÕn ®æi. Mét bÝt trong mét cÊu tróc tÇng gi¶m tèi thiÓu sè ®Õm (count) cña bé so s¸nh, nh­ng nã yÒu cÇu thªm n÷a bé khuÕch ®¹i vµ tÇng DAC h¬n bé biÕn ®æi hai b­íc. MÆt kh¸c, ®©y lµ c¸c tÇng rÊt ®¬n gi¶n, vµ toµn bé sè ®Õm (count) thµnh phÇn th«ng th­êng thÊp h¬n trong bé biÕn ®æi nhanh so víi bé biÕn ®æi hai b­íc. MÆt kh¸c, tèc ®é lÊy mÉu cña mét bÝt trong bé biÕn ®æi tÇng trë thµnh thÊp h¬n bé biÕn ®æi hai b­íc. PhÇn lín ®©y lµ kÕt qu¶ cña mét l­îng lín c¸c thao t¸c tuÇn tù ®­îc yªu cÇu. ADC 6 bÝt ADC 6 bÝt Tæng 12b d÷ liÖu S/H DAC X64 12 bÝt accurate Vµo H×nh 10 : S¬ ®å khèi cña ADC hai b­íc 12 bÝt. TÇng 1 TÇng 2 TÇng 3 TÇng 12 S/H Vµo ADC 1 bÝt Bé so s¸nh PhÇn cßn l¹i t­¬ng tù vµo PhÇn cßn l¹i t­¬ng tù vµo Tíi tÇng tiÕp theo X2 ADC D÷ liÖu ra H×nh 11: S¬ ®å khèi cña bé biÕn ®æi nhanh 12 bÝt, mét bÝt trong mét tÇng. 4.3 Bé biÕn ®æi t­¬ng tù- sè ®Çu vµo ra song song (Pinelined Analog-to-Digital Converters). Bé biÕn ®æi ®Çu vµo ra song song t¨ng tèc ®é kÕt hîp víi bé biÕn ®æi ®a b­íc kh¸c ®ång thêi thay v× thao t¸c tuÇn tù cña bé so s¸nh, DAC, vµ bé khuÕch ®¹i trong m¹ch ®iÖn. Cã thÓ nhËn ®­îc b»ng c¸ch ®Æt xen vµo m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu gi÷a c¸c tÇng. H×nh 12 lµ mét s¬ ®å khèi cho mét bÝt trong mét bé biÕn ®æi tÇng. Nã t­¬ng tù víi cÊu tróc cña h×nh 11, víi sù t¹o thªm m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu. Mçi mét m¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu gi÷ phÇn cßn l¹i tõ tÇng tr­íc. T¹i mçi chu kú ®ång hå, mét lÊy mÉu míi cña ®Çu vµo ®­îc thùc hiÖn, vµ phÇn cßn l¹i ®­îc khuÕch ®¹i tiÕn tíi mét tÇng xuèng”d©y truyÒn (pipeline)”. TÇng 1 TÇng 2 TÇng 3 TÇng 12 Vµo ADC 1 bÝt PhÇn cßn l¹i t­¬ng tù vµo PhÇn cßn l¹i t­¬ng tù vµo Tíi tÇng tiÕp theo X2 DAC D÷ liÖu ra DAC H×nh 12 : s¬ ®å khèi cho mét bÝt trong mét bé biÕn ®æi tÇng. 5. Bé biÕn ®æi ®Õm(Conting Converter). Mét trong nh÷ng ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt ®Ó t¹o ra ®iÖn ¸p so s¸nh lµ dïng bé biÕn ®æi sè-t­¬ng tù. Mét DAC n bit cã thÓ ®­îc dïng ®Ó t¹o ra bÊt kú mét trong nh÷ng ®Çu ra rêi r¹c 2n b»ng c¸ch dïng tõ sè thÝch hîp ®Çu vµo. C¸ch trùc tiÕp ®Ó x¸c ®Þnh ®iÖn ¸p vµo kh«ng biÕt tr­íc(unknown) vx lµ ph¶i so s¸nh nã víi tõng ®Çu ra cña DAC mét c¸ch tuµn tù. Sù kÕt nèi ®Çu vµo sè cña DAC tíi mét bé ®Õm nhÞ ph©n n bit cho phÐp sù so s¸nh víi ®Çu vµo kh«ng biÕt tr­íc mét c¸ch tõ tõ, ®­îc cho ë h×nh (13). Bé biÕn ®æi A/D b¾t ®Çu ho¹t ®éng khi xung lµm cho flip-flop vµ bé ®Õm ®Æt tíi ®iÓm zero. Mçi xung ®ång hå liÒn tiÕp lµm t¨ng bé ®Õm, ®Çu ra DAC gièng nh­ cÇu th¸ng trong thêi gian biÕn ®æi. Khi ®Çu ra cña ADC v­ît qu¸ ®Çu vµo kh«ng biÕt tr­íc, ®Çu ra cña bé so s¸nh thay ®æi tr¹ng th¸i, kÝch flip-flop, vµ ng¨n kh«ng cho c¸c xung ®ång hå thªm n÷a tíi bé ®Õm. Sù thay ®æi tr¹ng th¸i cña ®Çu ra bé so s¸nh chØ ra r»ng qu¸ tr×nh biÕn ®æi kÕt thóc. T¹i thêi ®iÓm ®ã, néi dïng cña bé ®Õm nhÞ ph©n ph¶n ¸nh gi¸ trÞ ®­îc biÕn ®æi cña tÝn hiÖu vµo. Ph¶i chó ý tíi vµi ®Æc ®iÓm cña bé biÕn ®æi. Thø nhÊt, ®é dµi cña chu tr×nh biÕn ®æi thay ®æi vµ tû lÖ víi ®iÖn ¸p ®Çu vµo kh«ng biÕt tr­íc vx. Thêi gian biÕn ®æi max TT tån t¹i cho tÝn hiÖu vµo toµn bé thang ®o (full-scale) vµ t­¬ng øng víi chu kú ®ång hå 2n hoÆc: (7 ) Trong ®ã fc=1/Tc lµ tÇn sè ®ång hå. Thø hai, gi¸ trÞ nhÞ ph©n trong bé ®Õm ®¹i diÖn cho ®iÖn ¸p nhá nhÊt cña DAC mµ nã lín h¬n ®Çu vµo kh«ng biÕt tr­íc, kh«ng cÇn thiÕt gi¸ trÞ nµy ph¶i lµ ®Çu ra cña DAC mµ gÇn nhÊt víi ®Çu vµo kh«ng biÕt tr­íc, yªu cÇu tõ tr­íc. Còng nh­ vËy, vÝ dô trong h×nh 13(b) cho tr­êng hîp ®Çu vµo kh«ng thay ®æi trong thêi gian chu kú cña sù biÕn ®æi. NÕu ®Çu vµo thay ®æi, ®Çu ra nhÞ ph©n sÏ lµ sù ®¹i diÖn chÝnh x¸c cña gi¸ trÞ tÝn hiÖu ®Çu vµo t¹i h»ng sè mµ bé so s¸nh kh«ng thay ®æi tr¹ng th¸i. ¦u ®iÓm cña bé biÕn ®æi ADC ®Õm lµ nã yªu cÇu sè l­îng ph©n cøng tèi thiÓu vµ kh«ng qu¸ ®Æt ®Ó vËn hµnh. Nh­îc ®iÓm lín lµ liªn quan tíi tèc ®é biÕn ®æi thÊp ®èi víi tèc ®é cña bé biÕn ®æi D/A cho tr­íc. Mét bé biÕn ®æi n bit yªu cÇu chu kú ®ång hå 2n cho sù biÕn ®æi dµi nhÊt cña nã. Flip - flop DAC n bit Bé ®Õm n bit + - + vx - vDAC Clock M· ra ADC BiÕn ®æi kÐt thóc Reset (a) vDAC v vDAC v B¾t ®Çu biÕn ®æi T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T KÕt thóc biÕn ®æi t t t (b) H×nh 13: (a) S¬ ®å khèi cña bé biÕn ®æi ®Õm. (b) S¬ ®å khèi ®Þnh thêi(timing). 6. Bé biÕn ®æi ADC xÊp xØ liªn tiÕp(Successive Approximation ADC). Kh¸c víi lo¹i bËc thang, lo¹i nµy chØ biÕn ®æi vµ so s¸nh n nhÞp lèi vµo ADC. Do vËy, thêi gian biÕn ®æi lµ cè ®Þnh kh«ng phô thuéc vµo ®é lín cña tÝn hiÖu cÇn biÕn ®æi. S¬ ®å khèi m« t¶ cÊu tróc ADC xÊp xØ liªn tiÕp ®­îc tr×nh bµy trªn hinh (14a). Chu tr×nh biÕn ®æi b¾t ®Çu víi xung Start qua bé ®iÒu khiÓn logic (logic programmer) ®Æt hai thanh ghi l­u tr÷ (Shift register vµ store register) cã gi¸ trÞ tíi nöa thang(100..00) ë nhÞp míi. Tøc lµ nã ®Æt cho bit nhiÒu ý nghÜa nhÊt MSB cña c¸c thanh ghi b»ng 1, c¸c bit cßn l¹i b»ng 0, lµm cho lèi ra cña DAC VO=1/2FS. Tuú thuéc vµo tr¹ng th¸i cña bé so s¸nh COMP, tøc lµ tuú thuéc vµo t­¬ng quan gi÷a hai thÕ VO vµ VI. Bé ®iÒu khiÓn logic sÏ ®iÒu khiÓn nh­ sau: nÕu VOVI gi¸ trÞ ®ã ®­îc xo¸ vÒ 0, ®ång thêi thanh ghi dÞch sÏ dÞch sè 1 tíi bit tiÕp theo bit MSB. n-bit DAC Logic Programmer n bit Storage Register Clock n-bit Shift Register - + Bé so s¸nh VI Vin n-bit digital output Vo M· sè ®­îc DAC biÕn ®æi t­¬ng øng thµnh thÕ VO vµ l¹i ®­îc so s¸nh trong nhÞp thø hai nµy. Qu¸ tr×nh cø tiÕp diÔn víi tõng bit nh­ vËy cho tíi bit Ýt ý nghÜa nhÊt LSB ®­îc ®­a lªn 1. Sau n xung nhÞp, mét xung EOC(end of convert) ®­îc ph¸t ra b¸o r»ng mét qu¸ tr×nh biÕn ®æi ®· xong. Lóc nµy m· sè ë lèi ra thanh ghi l­u tr÷ (hay ë lèi vµo cña bé DAC) chÝnh lµ t­¬ng øng víi thÕ cÇn biÕn ®æi. (a) H×nh (14b) cho d·y m· ®èi víi DAC 3 bit vµ d·y sau ®ay cho bé biÕn ®æi xÊp xØ liªn tiÕp trong h×nh. T¹i thêi ®iÓm b¾t ®Çu cña sù biÕn ®æi, ®Çu vµo DAC ®­îc ®Æt t¹i tr¹ng th¸i 100. T¹i thêi ®iÓm kÕt thóc chu kú ®ång hå thø nhÊt, thÊy r»ng ®iÖn ¸p DAC nhá h¬n vx, do ®ã m· DAC tiÕn tíi tr¹ng th¸i 110. T¹i thêi ®iÓm kÕt thóc chu kú ®ång hå thø hai, ®iÖn ¸p DAC vÉn rÊt nhá, vµ m· DAC tiÕn tíi 111. Sau chu kú ®ång hå thø ba, ®iÖn ¸p DAC rÊt lín, do ®ã m· DAC bÞ gi¶m ®Ó nhËn gi¸ trÞ ®­îc biÕn ®æi cuèi cïng lµ 110. 100 100 100 110 101 010 011 001 101 100 011 010 001 000 111 M· cuèi cïng T 2T 3T t (b) Hinh 14: (a)S¬ ®å khèi cña ADC xÊp xØ liªn tiÕp. (b) C¸c chuçi m· cña ADC xÊp xØ liªn tiÕp 3 bÝt. Tèc ®é biÕn ®æi nhanh cã thÓ thùc hiÖn ®­îc ®èi víi ADC xÊp xØ liªn tiÕp. Kü thuËt biÕn ®æi nµy rÊt phæ biÕn vµ ®­îc dïng trong rÊt nhiÒu trong bé biÕn ®æi 8 tíi 16 bit. Nh©n tè c¬ b¶n h¹n chÕ tèc ®é ADC nµy lµ thêi gian ®­îc yªu cÇu cho ®Çu ra bé biÕn ®æi D/A ®Ó æn ®Þnh gi÷a ph©n sè mét LSB cña VFS vµ thêi gian ®­îc yªu cÇu cho bé so s¸nh ®Ó t­¬ng øng víi tÝn hiÖu vµo mµ cã thÓ kh¸c nhau bëi mét l­îng rÊt nhá.... 7. ADC kiÓu bËc thang (kiÓu servo). Trªn h×nh 15 giíi thiÖu s¬ ®å khèi cña bé ADC kiÓu bËc thang. Nguyªn t¾c cña nã nh­ sau: Chu tr×nh biÕn ®æi b¾t ®Çu khi xung start xo¸ bé ®Õm nhÞ ph©n n bit(n bit counter). V× r»ng VO<VI nªn lèi ra bé so s¸nh ë mùc 1, cæng AND më cho c¸c xung Clock vµo bé ®Õm. Sè ®Õm t¨ng dÉn cho tíi khi VO b¾t ®Çu v­ît qu¸ VI, lèi ra cña COMP sÏ trë vÒ 0 vµ kho¸ cæng AND l¹i. M· sè lèi ra bé ®Õm lóc nµy t­¬ng øng víi ®é lín thÕ Analog cÇn biÕn ®æi. NÕu ®o d¹ng sãng VO trong mét chu kú biÕn ®æi, ta sÏ thÊy mét sãng h×nh bËc thang. ADC lo¹i nµy cã kÕt cÊu ®¬n gi¶n nh­ng cã nh­îc ®iÓm lµ thêi gian biÕn ®æi phô thuéc vµo ®é lín thÕ cÇn biÕn ®æi. DAC n-bit counter - + Bé so s¸nh §Çu ra n bit sè §ång hå start(Reset) VO VR H×nh 15: S¬ ®å khèi bé biÕn ®æi ADC kiÓu bËc thang. 8. ADC b¸m s¸t (tracking). n bit DAC n-bit Up/down counter U/D - + Bé so s¸nh §Çu ra n bit sè §ång hå Vin VO VR NÕu gi¸ trÞ VI chØ biÕn ®æi quanh mét gÝa trÞ nµo ®ã th× lo¹i ADC nµy tá ra tiÖn lîi h¬n. Nguyªn t¾c cña nã lµ dïng bé ®Õm lªn – xuèng(up - down counter). M¹ch ®­îc thiÕt kÕ sao cho nÕu VOVI (thÕ lèi ra cña bé so s¸nh b»ng 0) th× bé ®Õm sÏ ë tr¹ng th¸i ®Õm xuèng. Nh­ vËy thÕ lèi ra cña DAC lu«n cã xu h­íng ”b¸m s¸t” thÕ vµo cÇn biÕn ®æi. H×nh 16: S¬ ®å khèi ADC b¸m s¸t. 9. Sai sè tÜnh vµ kü thuËt kiÓm tra. 9.1. Sai sè bï, sai sè t¨ng Ých vµ sai sè tuyÕn tÝnh. Sai sè bï vµ t¨ng Ých trong ADC gièng nh­ sai sè bï vµ t¨ng Ých trong bé khuÕch ®¹i. NÕu mét ADC cã sai sè bï th× sÏ cã mét dÞch chuyÓn hÖ thèng trong gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p ng­ìng T(k) tõ gi¸ trÞ b×nh th­êng. Cã kh¶ n¨ng x¸c ®Þnh ®­îc sai sè bï tõ phÐp ®o ®iÖn ¸p ng­ìng ®¬n t¹i ®iÓm gi÷a cña kho¶ng chuyÓn ®æi. Nh­ng nÕu phÐp ®o nµy cã sai sè t¨ng Ých vµ sai sè phi tuyÕn, th× th­êng x¸c ®Þnh sai sè bï. Mét ph­¬ng ph¸p ®o rÊt hay dïng lµ ph­¬ng ph¸p b×nh ph­¬ng nhá nhÊt ®Ó ®Æt gi¸ trÞ ng­ìng T(k) tíi gi¸ trÞ T(k) lý t­ëng. gi¸ trÞ bï cÇn thiÕt ®Ó cã ®­îc sù thÝch hîp tèt nhÊt cña gi¸ trÞ thùc tÕ víi gÝa trÞ lý t­ëng lµ gi¸ trÞ bï cña sù chuyÓn ®æi. Còng nh­ vËy, sai sè t¨ng Ých lµ mét kho¶ng cña ®iÖn ¸p ng­ìng cao h¬n hoÆc thÊp h¬n s víi gi¸ trÞ tuyÕt ®èi. Mét c¸ch t­¬ng ®­¬ng, sai sè t¨ng Ých tån t¹i nÕu ®é réng thu cña m· trung b×nh cao h¬n hoÆc thÊp h¬n so víi gi¸ trÞ Q b×nh th­êng. Thªm vµo ®ã, sai sè t¨ng Ých cã thÓ ®¹t ®­îc b»ng c¸ch t¹o ra ®­êng thÝch hîp nhÊt (trªn ®å thÞ ®Æc tuyÕn) cña gi¸ trÞ T(k) víi gi¸ trÞ lý t­ëng cña nã. Sai sè tuyÕn tÝnh ®Þnh nghÜa mét c¸ch truyÒn thèng b»ng ®é phi tuyÕn tÝch ph©n (INL – Integral NonLinearity) vµ ®é phÝ tuyÕn vi ph©n (DNL – Differential NonLinearity). §é phi tuyÕn tÝch ph©n lµ sù sai kh¸c cña møc ng­ìng T(k) so víi gi¸ trÞ b×nh th­êng cña nã sau khi ®· lo¹i bá c¸c sai sè bï vµ t¨ng Ých. §é phi tuyÕn vi ph©n ®¹i diÖn cho sù kh¸c nhau cña ®é réng nhÞ ph©n W(k) so víi gi¸ trÞ Q b×nh th­êng, tÊt nhiªn lµ sau khi ®· söa sai sè t¨ng Ých. Sai sè INL vµ DNL th­êng ®­îc biÓu diÔn b»ng ®¬n vÞ bÝt träng sè nhá nhÊt (LSBs-Least Significant Bits), víi LSB=Q. Sai sè phi tuyÕn tÝch ph©n biÓu diÔn theo LSBs cã gi¸ trÞ: (8) Víi k=2 tíi 2n-1 Trong c«ng thøc trªn ®· bá qua sai sè bï vµ sai sè t¨ng Ých vµ T(1)=0. T­¬ng tù, sai sè phi tuyÕn vi ph©n theo LSB lµ: (9) Víi k=1 tíi 2n-2 Râ rµng lµ INL vµ DNL cã quan hÖ víi nhau. Trong thùc tÕ, DNL lµ vi ph©n thø nhÊt cña INL, nghÜa lµ: DNL(k)-INL(k+1)-INL(k) (10) Hai th«ng sè chÊt l­îng cña ®Æc tuyÕn ADC liªn quan ®Õn INL vµ ANL lµ m· Èn (missing code) vµ tÝnh ®¬n ®iÖu (monotonicity). NÕu mét ADC cã mét sè m· kh«ng bao giê xuÊt hiÖn t¹i ®Çu ra, th× bé chuyÓn ®æi ®ã ®­îc gäi lµ m· Èn. §iÒu nµy t­¬ng ®­¬ng víi ®é réng nhÞ ph©n W(k)=0 t¹i m· ®ã vµ kÌm theo mét sai sè DNL kh¸ lín. TÝnh ®¬n ®iÖu lµ khi ®Çu ra cña ADC t¨ng hoÆc gi¶m tuyÕn tÝnh theo tÝn hiÖu ®Çu vµo. Khi kiÓm tra tÝnh ®¬n ®iÖu cña ADC, c¸c ¶nh h­ëng cña nhiÔu ph¶i ®­îc lo¹i bá. 9.2. Kü thuËt ®o. Cã nhiÒu kü thuËt ®­îc sö dông ®Ó ®o sai sè bï, t¨ng Ých vµ sai sè tuyÕn tÝnh. Môc ®Ých chung cña chóng lµ ®Þnh vÞ chÝnh x¸c gi¸ trÞ T(k). Khi ®iÒu nµy ®­îc thùc hiÖn th× c¸c gi¸ trÞ sai sè bï, sai sè t¨ng Ých vµ sai sè tuyÕn tÝnh cã thÓ nhanh chãng tÝnh ®­îc. Co hai kü thuËt th­êng ®­îc dïng ®ã lµ sö dông bé biÕn ®æi sè – t­¬ng tù, hay lµ sö dông thiÕt bÞ gäi lµ vßng b¸m (Tracking loop) . Trong ph­¬ng ph¸p thø nhÊt bé biÕn ®æi DAC cÇn cã ®é chÝnh x¸c vµ ®é ph©n gi¶i coa h¬n ®¸ng kÓ so víi cña ADC bÞ ®o. §Ó thùc hiÖn kü thuËt nµy ®Çu ra cña ADC sÏ ®­îc ®­a tíi ®Çu vµo cña ADCvµ nghi nhËn cÇn thiÕt m· ®Çu vµo ADC ®Ó ®Þnh vÞ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ng­ìng T(k). Râ rµng lµ ph­¬ng ph¸p nµy cÇn dùa trªn kÕt qu¶ thèng kª c¸c quyÕt ®Þnh t¹i ®Çu vµo cña ®Çu ra ADC ®Ó t×m ra ®iÒu kiÖn chiÕm h¬n 50% sù nhÊt trÝ. §iÒu nµy cã thÓ lµm ®­îc b»ng c¸ch tèt nhÊt lµ l­u tr÷ c¸c sè liÖu cña ADC trong bé nhí vµ ph©n tÝch chóng b»ng m¸y tÝnh. Mét kü thuËt kh¸c lµ sö dông vßng b¸m ®Ó ®Þnh vÞ T(k). Bé ®iÒu khiÓn cÇn cã mét vßng ®Ó t×m ra gi¸ trÞ T(k) b»ng c¸ch göi m· k tíi bé so s¸nh gi¸ trÞ sè, bé nµy sÏ so s¸nh k víi ®Çu ra ADC. NÕu ®Çu ra ADC thÊp h¬n, th× ®Çu ra cña bé tÝch ph©n sÏ kÐo biªn ®é tÝn hiÖu lªn, ®iÒu nµy lµm t¨ng gi¸ trÞ ®Çu vµo ADC. Khi ®Çu ra cña ADC cao h¬n th× qu¸ tr×nh sÏ lµm ng­îc l¹i, bé tÝch ph©n sÏ kÐo xuèng. ADC d­íi sù kiÓm tra Bé so s¸nh ®¹i l­îng sè M· C t¹i ®Çu ra V«n mÐt sè Bé ®iÒu khiÓn “M· ®iÒu khiÓn” K C +V(C ³ K) R -V(C < K) N H×nh 17: Vßng b¸m ®­îc dïng cho ®o ADC tuyÕn tÝnh. Cßn ph¶i cã mét sè biÖn ph¸p phßng ngöa ®Ó ®¶om b¶o sù ®o d¹c chÝnh x¸c. Trong ph­¬ng ph¸p 1, ®é ph©n gi¶i vµ ®é chÝnh x¸c cña v«n mÐt ph¶i cao h¬n so víi ADC, ®iÒu nµy dÔ thùc hiÖn. H»ng sè thêi gian tÝnh Ých ph©n cÇn chän ®ñ nhá sao cho s­ên ®Ønh - ®Ønh dù kiÕn (thêi gian chuyÓn ®æi cña ADC) ®ñ nhá so víi Q. Mü thuËt vßng b¸m lµm viÖc tèt víi bé chuyÓn ®æi ®Òu, víi bé chuyÓn ®æi nµy, bé tÝch ph©n cã thÓ bÞ nghÏn t¹i mét ng­ìng nµo ®Êy khi mét ng­ìng kh¸c ®ang bÞ yªu cÇu. §iÒu nµy th­êng xÈy ra nh­ lµ mét sai sè lín (l¬n h¬n 1 LSB), cho ®Õn khi vïng bÊt th­êng (kh«ng ®Òu) nµy qua ®i. Trong c¸c øng dông ph©n tÝch phæ, ®é mÐo cña bé chuyÓn ®æi lµ chia kho¸ ®Ó lùa chän. NÕu ph¶i lùa chän, mét bé chuyÓn ®æi víi sai sè DNL thÊp sÏ tèt h¬n bé chuyÓn ®æi víi sai sè INL nhá do ®ã cã mÐo thÊp h¬n nhiÒu víi tÝn hiÖu vµo nhá. Trong ®Æc tuyÕn, mét b­íc trong sai sè INL sÏ t¹o ra mÐo l¬n theo biªn ®é tÝn hiÖu. MÆt kh¸c mét sai sè INL h×nh cung nh½n (smooth bow - shaped) sÏ t¹o ra mÐo víi tÝn hiÖu vµo lín nhÊt, nh­ng biªn ®é cña nã sÏ gi¶m rÊt nhanh theo tÝn hiÖu nÕu biªn ®é tÝn hiÖu vµo gi¶m. §iÒu nµy cã thÓ kh¾c phôc b»ng mét bé suy gi¶m ®Çu vµo cña m¸y ph©n tÝch phæ. 10. Sai sè ADC ®éng vµ c¸c kü thuËt kiÓm tra. Sai sè ADC ®éng lµ sai sè x¶y ra khi ®­a tÝn hiÖu cao tÇn vµo ®Çu vµo t­¬ng tù cña bé chuyÓn ®æi. C¸c sai sè ®éng th­êng thÊy lµ mÐo, sai pha vµ nh÷ng bÊt th­êng vÒ ®¸p øng b­íc (step response anomalies). C¸c sai sè nµy vµ c¸c kü thuËt kiÓm tra t­¬ng øng ®­îc tr×nh bµy trong ph©n nµy. C¸c thµnh phÇn t¹p, nhiÔu vµ c¸c sai sè æn ®Þnh cã thÓ x¶y ra ®èi víi c¶ tÝn hiÖu hiÖu vµo tÜnh vµ ®éng. 10.1. C¸c lo¹i sai sè. a. MÐo vµ c¸c thµnh phÇn t¹p. MÐo ADC ( nã t¹o ra c¸c hµi cña tÝn hiÖu vµo) lµ thµnh phÇn quan träng ®èi víi c¸c m¸y ph©n tÝch phæ, th­êng t×m thÊy mÐo tÝn hiÖu b»ng c¸ch kiÓm tra. C¸c thµnh phÇn t¹p, ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ lµ thµnh phÇn phá dÏ thÊy, mµ nã kh«ng ph¶i lµ hµi cña tÝn hiÖu vµo, còng quan träng ®èi víi øng dông m¸y ph©n tÝch phæ. MÐo cã thÓ t¹o ra do ®é phi tuyÕn tÝch ph©n vµ vi tÝch ph©n ®Æc tuyÕn vµo /ra cña bé chuyÓn ®æi. MÐo nµy x¶y ra víi tÝn hiÖu vµo mét chiÒu vµ xoay chiÒu. Mét lo¹i mÐo kh¸c, mÐo ®éng x¶y ra ®èi víi tÝn hiÖu vµo cao tÇn. MÐo nµy lµ do sù giíi h¹n cña viÖc mÉu vµ gi÷ tr­íc bé ADC, hoÆc trong bé ADC nÕu kh«ng sö dông lÊy mÉu vµ gi÷. Mét nguån t¹o ra mÐo lµ tô ®iÖn cã ®iÖn dung biÕn ®æi theo ®iÖn ¸p trong m¹ch chñ ®éngcña bé chuûen ®æi. T¹i tÇn sè cao, tô nµy t¹o ra meo khi ®­îc ®iÒu khiÓn bëi mét nguån cã trë kh¸ng ra h÷u h¹n. C¸c thµnh phÇn t¹p lµ c¸c ®­êng phæ chø kh«ng ph¶i lµ hµi cña tÇn sè tÝn hiÖu vµo. Nã xuÊt hiÖn nh­ lµ hµi cña tÇn sè tÝn hiÖu ®ång hå, hoÆc lµ do sù giao thoa cña c¸c nguån gÇn nhau trong hÖ thèng. MÐo ADC ®­îc ®o b»ng ®¬n vÞ dB ©m theo biªn ®é cña tÝn hiÖu vµo. T¹p b»ng ®o ®¬n vÞ dB ©m theo kho¶ng lín nhÊt cña ADC. b. NhiÔu. NhiÔu lµ nh÷ng thø cßn l¹i trong phæ khi lo¹i bá phÇn c¬ b¶n vµ tÊt c¶ c¸c hµi cña tÝn hiÖu vµo. Nã bao gåm c¸c ®¹i l­îng ngÉu nhiªn vµ c¶ c¸c thµnh phÇn t¹p. NhiÔu ®­îc biÓu diÔn bëi tû sè tÝn hiÖu/nhiÔu(S/N): SNR cã thÓ ®­îc tÝnh to¸n nhê thuËt to¸n biÕn ®æi Fourier nhanh FFT: (11) Gi¸ trÞ c¨n bËc hai tÝn hiÖu ®­îc tÝnh to¸n tr­íc, sau ®ã tÝn hiÖu vµ tÊt c¶ c¸c hµi cña nã ®­îc lo¹i bá ra khái sè kiÖu ra cña c¸c FFT. Gi¸ trÞ c¨n bËc hai cña tæng c¸c thµnh phÇn cßn l¹i ®­îc tÝnh to¸n, tõ ®ã sÏ tÝnh ®­îc SNR. Mét th«ng sè cña ADC lµ tû sè tÝn hiÖu trªn tæng nhiÔu vµ mÐo SNDR (Signal to Noice – Distortion Ratio): (12) Gi¸ trÞ nµy cã thÓ ®­îc tÝnh dÏ dµng tõ kÕt qu¶ cña phÐp biÕn ®æi FFT trong mét phÐp kiÓm tra sãng h×nh sin. Tö sè lµ gi¸ trÞ tÝn hiÖu, mÉu sè lµ tæng cña c¸c phÇn kh¸c trong phæ. SNDR lµ hµm cña c¶ biªn ®é vµ tÇn sè cña tÝn hiÖu vµo, do ®ã c¸ch biÓu diÔn tèt nhÊt lµ mét hä cña c¸c ®­êng ®Æc tuyÕn. c. C¸c bÝt hiÖu lùc. GÇn víi SNDR lµ mét th«ng sè c¸c bÝt hiÖu lùc. Còng gièng nh­ SNDR, c¸c bÝt hiÖu lùc biÓu diÔn mÐo vµ nhiÔu cña bé chuÓyn ®æi trong mét sè ®¬n duy nhÊt. §©y lµ gi¶i ph¸p gåm mét ADC lý t­ëng (kh«ng cã sai sè) vµ mét nguån nhiÒu l­îng tö t­¬ng ®­¬ng víi mäi sai sè cña ADC ph¶i ®­îc kiÓm tra. BÝt hiÖu lùc E ®­îc tÝnh to¸n nh­ sau: (13) Trong ®ã: n lµ ®é ph©n gi¶i cña ADC. C¨n bËc hai cña sai sè thËt lµ phÇn cßn l¹i sau khi trõ ®i sãng h×nh sin. C¨n bËc hai cña sai sè lý t­ëng lµ nhiÔu l­îng tö. d.Rung pha (Apecture Jitter). SNR cã thÓ lµ hµm cña tÝn hiÖu vµo. §iÒu nµy ®Æc biÖt ®óng nÕu cã ®é biÕn ®æi thêi gian trong bé ®iÒu khiÓn ®ång hå hoÆc cã m¹ch lÊy mÉu trong ADC. VÊn ®Ò nµy th­êng liªn quan ®Õn rung pha. Rung pha lµ ®iÒu kh«ng logic ®èi víi tÝn hiÖu vµo tÇn sè thÊp, nh­ng nã cã thÓ chuyÓn thµnh nhiÔu cã biªn ®é lín, khi ®Çu vµo biÕn ®æi nhanh. §©y lµ ®iÒu g©y khã kh¨n nhÊt cho c¸c ADC lµm viÖc t¹i c¸c tÇn sè rÊt cao. §Ó tr¸nh viÖc dïng c¸c bé rung pha ®ång hå tõ bªn ngoµi ADC, c¸c nguån g©y nhiÔu tÇn sè thÊp cÇn ®­îc sö dông ®èi víi tÝn hiÖu h×nh sin. e. §¸p øng bËc thang (step response). MÆc dï SNR, SNDR, bit hiÖu lùc.. lµ c¸c sè liÖu rÊt cã Ých cña ®Æc tuyÕn ADC, nh­ng chóng kh«ng cung cÊp ®Çy ®ñ th«ng tin ®Ó ®o¸n ®­îc ®¸p øng bËc thang cña mét ADC , ®©y chÝnh lµ hµm cña ®¸p øng pha vµ tÇn sè cña bé chuyÓn ®æi tÇn sè. Sù kh«ng ph¼ng cña ®Æc tuyÕn ë chÕ ®é tÇn thÊp( ®«i khi do ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é) cã thÓ dÉn tíi gi¶i quyÕt chËm tÝn hiÖu ®Çu vµo bËc. Sù ¶nh h­ëng nµy kÐo dµi vµi micro gi©y hoÆc thËm chÝ vµi mili gi©y. Nãi chung, ®¸p øng bËc thang ®­îc chu ý nhiÒu trong øng dông ¤xyl« sè cña ADC. §Ó ph©n biÖt ®¸p øng bËc thang, ph­¬ng ph¸p ®o ®¹c trùc tiÕp ®¬n gi¶n h¬n lµ suy luËn ra tõ nhiÒu phÐp ®o sãng h×nh sin t¹i nhiÒu tÇn sè kh¸c nhau. BiÖn ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt lµ dïng bé t¹o xung ®Ó ®iÒu khiÓn bé chuyÓn ®æi. f. sai sè c©n b»ng (Metastability Errors). Sai sè nµy x¶y ra trong ADC khi bé so s¸nh cè gi÷ tr¹ng th¸i c©n b»ng. Tr¹ng th¸i c©n b»ng lµ tr¹ng th¸i ë ®Çu ra cña bé so s¸nh kh«ng ë møc cao còng kh«ng ë møc thÊp mµ ë gi÷a. §iÒu nµy xay ra khi tÝn hiÖu vµo bé so s¸nh rÊt gÇn víi ng­ìng, bé so s¸nh cã ®ñ thêi gian ®Ó t¹o l¹i mét tr¹ng th¸i logic kh¸c. MÆc dï sai sè c©n b»ng ®­îc tr×nh bµy trong phÇn sai sè ®éng nh­ng thùc chÊt nã cßn xay ra khi tÝn hiÖu vµo lµ mét chiÒu. Tr¹ng th¸i c©n b»ng cã thÓ t¹o ra sai sè l¬n t¹i ®Çu ra cña ADC, mÆc dï chóng Ýt khi xay ra. Sai sè lín nµy lµ kÕt qu¶ cña m¹ch logic bÞ ®iÒu khiÓn bëi bé so s¸nh lÆp l¹i møc xÊu mét c¸ch kh¸c nhau. M¹ch logic nµy th­êng lµ mét phÇn cña bé m· ho¸, ®«i khi sai sè tíi nöa møc lín nhÊt. Tr¹ng th¸i cÇn b»ng cã vÎ x¶y ra nhiÒu h¬n ®èi víi bé chuyÓn ®æi lµm viÖc t¹i tÇn sè rÊt cao, n¬i mµ cã Ýt thêi gian cho sù t¸i t¹o tr¹ng th¸i. 10.2. C¸c ph­¬ng ph¸p kiÓm tra: a. KiÓm tra rung pha Ph­¬ng ph¸p dung nguån ®¬n (trong h×nh) cã thÓ dïng ®Ó kiÓm tra rung pha. Sö dông mét nguån ®Ó gi¶m thiÓu ®­îc ¶nh h­ëng cña rung pha trong nguån ®ã, do tÝn hiÖu ®ång hå vµ tÝn hiÖu vµolµ tõ mét nguån chung. Mét ¶nh h­ëng kh¸c cña viÖc sö dông nguån ®¬n lµ viÖc ADC lÊy mÉu trong chu kú cña tÝn hiÖu vµo. Sè liÖu t¹i ®Çu ra cña ADC sÏ ®­îc l­u tr÷ vµ ®­îc xö lý nhê bé xö lý trung t©m CPU. Lóc ®Çu bé trÔ ®­îc ®iÒu chØnh sao cho ADC lÊy mÉu t¹i ®Ønh cña sãng h×nh sin ( chç nµy cã tèc ®é b»ng 0) , viÖc ®o nhiÔu ®­îc thùc hiÖn b»ng ph­¬ng ph¸p FFT. Sau ®ã, bé trÔ ®­îc ®iÒu chØnh sao cho ADC lÊy mÉu t¹i gÝa trÞ 0 cóaãng sßnh sin (tèc ®é xoay lín nhÊt). B»ng c¸ch nµy, rung pha cña ADC ®­îc chuyÓn thµnh ®iÖn ¸p cña nhiÔu b»ng tèc ®é xoay chiÒu cña tÝn hiÖu vµo. NÕu nhiÔu cña lÇn kiÓm tra thø hai lín h¬n th× cã mét sù rubg pha ®¸ng kÓ trong hÖ thèng. Bé tæng hîp tÇn sè(out) Bé t¸ch c«ng suÊt IN ADC CK CPU Bé nhí ®Öm Bé g©y trÔ fin fin H×nh 18: S¬ ®å khèi ph­¬ng ph¸t ®o kiÓm tra rung pha b.KiÓm tra tÇn sè ph¸ch. Trong c¸c lÇn tr­íc, nhiÔu th«ng sè cña ADC ®­îc ®Þnh nghÜa kÓ c¶ tû sè tÝn hiÖu trrn nhiÔu, bÝt hiÖu dông vµ mÐo hµi tæng. §©y lµ c¸c th«ng sè cã gi¸ trÞ cña ®Æc tuyÕn ADC nh­ng nã kh«ng chØ ra b¶n chÊt vÊn ®Ò, chØ ra nguyªn nh©n cña vÊn ®Ò vµ kh«ng cho biÕt lµm c¸ch nµo ®Ó cè ®Þnh chóng. ViÖc kiÓn tra tÇn sè ph¸ch ®«i khi gióp ta hiÓu râ ®­îc vÊn ®Ò. ViÖc thiÕt lËp kiÓm tra lµ ®ång nhÊt víi viÖc kiÓm tra sãng h×nh sin. ViÖc kiÓm tra tÇn sè ph¸ch ®­îc thùc hiÖn b»ng c¸ch ®Æt tÇn sè vµo tíi gi¸ trÞ h¬i cao h¬n tÇn sè ®ång hå fs, nghÜa lµ cao h¬n mét gi¸ trÞ tÇn sè df. NghÜa lµ ADC sÏ lÊy mét mÉu trong mét kho¶ng tÝn hiÖu vµo. Do tÇn sè h¬i lín h¬n tÇn sè ®ång hå, nªn pha cña mÉu sÏ s¬m tr­íc mét chót. KÕt qu¶ lµ m· ®Çu ra cña ADC sÏ t¹o l¹i mét sãng h×nh sin tÇn sè thÊp mµ cã sù xuÊt hiÖn cña tÇn sè df. Sãng h×nh sin víi sù kh«ng hoµn h¶o cña nã cã thÓ biÓu diÔn gióp ph©n tÝch ho¹t ®éng cña ADC. Mét c¸ch kh¸c ®Ó xem xÐt qu¸ tr×nh xö lý lµ tÝn hiÖu vµo ®­îc lÊy mÉu hiÖu qu¶ t¹i tÇn sè cao, t­¬ng ®­¬ng víi fs/df. Bé t¹o tÝn hiÖu vµo ”IN” Bé léc IN ADC CK CPU Bé nhí ®Öm fin fs Bé t¹o tÝn hiÖu ®ång hå ra “CK” Bé tæng hîp tÇn sè, t¹o ra tÝn hiÖu vµo vµ ®ång hå H×nh 19: Ph­¬ng ph¸p kiÓm tra tÇn sè ph¸ch. Víi gi¸ trÞ df thÊp th× tû sè sÏ rÊt lín. KÕt qu¶ lµ ADC sÏ ph¸t hiÖn ra c¸c mÉu cña sãng h×nh sin tÇn sè cao, ®«i khi sãng nµy bÞ lÊy mÉu qua møc rÊt nÆng, víi nhiÒu mÉu trong mçi m·. Víi c¸ch nµy cã thÓ ph¸t hiÖn ra ®­îc nhiÒu kho¶ng tèt cña ADC , nh÷ng thø chi tiÕt nµy kh«ng thÊy ®­îc khi ho¹t ®éng b×nh th­êng víi m· 0 trªn mét kho¶ng thêi gian cña tÝn hiÖu vµo cao tÇn. NÕu tÇn sè tÝn hiÖu vµo kh«ng thÓ t¹o ra ®­îc t¹i tÇn sè lÊy mÉu (cÇn ph¶i ®Æt tèc ®é lÊy mÉu t¹i gi¸ trÞ cao nhÊt) th× tÇn sè tÝn hiÖu vµo cã thÓ ®Æt c¸c gi¸ trÞ fs/4+df vµ nguyªn t¾c tÇn sè ph¸ch vÉn cã thÓ ¸p dông ®­îc. Trong tr­êng hîp nµy, chØ cã mÉu thø t­ ®­îc thÓ hiÖn. §iÒu nµy mét lÇn n÷a l¹i t¹o dùng l¹i sãng h×nh sin ®¬n bÞ lÊy mÉu qu¸ møc. Còng nh­ vËy, nÕu t¹o ra ®­îc tÝn hiÖu vµo cao gÊp nhiÒu lÇn gi¸ trÞ fs, sau ®ã lµ gi¸ trÞ df, th× kü thuËt kiÓm tra tÇn sè ph¸ch vÉn cã hiÖu lùc. 11. X©y dùng hÖ ghÐp nèi ADC, DAC víi m¸y tÝnh. ViÖc thiÕt kÕ c¸c m¹ch DAC, ADC sÏ ®¬n gi¶n ®i nhiÒu vÒ m¹ch ®iÖn tö nÕu ta sö dông kü thuËt ghÐp nèi m¸y vi tÝnh, v× lóc ®ã phÇn mÒm víi c¸c thanh ghi trong m¸y tÝnh sÏ lµm nhiÖm vô thay thÕ cho c¸c thanh ghi, bé ®Õm vµ bé ®iÒu khiÓn phøc t¹p. Trong tr­êng hîp ®ã, ta chØ cÇn l¾p mét ADC, DAC víi phÇn cøng tèi thiÓu. H×nh 20 ë d­íi lµ mét s¬ ®å ®iÓn h×nh cña mét DAC ghÐp nèi víi m¸y tÝnh. n-bit DAC M¸y vi tÝnh V0 + - Bé so s¸nh Vr Vin ë ®©y c¸c thanh ghi, bé ®iÒu khiÓn logic vµ bé ®Õm ngoµi kh«ng cßn cÇn thiÕt n÷a. ChÝnh c¸c thanh ghi ®Öm lèi ra (IN/OUT buffer register) cña c¸c cæng vµo ra sÏ lµm thay nhiÖm vô chóng. Còng vËy, c¸c thanh ghi vµo cña m¸y tÝnh còng sÏ lµm nhiÖm vô kiÓm tra tr¹ng th¸i lèi ra cña bé so s¸nh COMP ®Ó trªn c¬ së ®ã m¸y tÝnh sÏ quyÕt ®Þnh ®Æt c¸c sè thÝch hîp cho c¸c thanh ghi trong c¸c nhÞp so s¸nh... H×nh 20. Ta biÕt r»ng, bé vi xö lý (CPU) cña m¸y tÝnh liªn l¹c víi c¸c thiÕt bÞ bªn ngoµi th«ng qua mét sè ®Þa chØ gäi lµ c¸c cæng vµo ra (IN/OUT port). Trong m¹ch nµy, chóng ta sÏ sö dông cæng m¸y in ®Ó liªn l¹c gi÷a m¸y tÝnh vµ phÇn cøng tèi thiÓu. Cæng in song song LPT1 cã mét ®Þa chØ thanh ghi ®Öm sè liÖu 8 bit lµ $378, mét thanh ghi ®äc tr¹ng th¸i lµ $379, mét thanh ghi ®iÒu khiÓn lµ $37A. ViÖc ®­a sè liÖu ra hoÆc ®äc sè liÖu vµo ®­îc thùc hiÖn dÔ dµng b»ng ng«n ng÷ Pascal nh­ sau: §äc gi¸ trÞ cña cæng vµo biÕn x x:=PORT[ ®Þa chØ cæng]; ViÕt cæng PORT[®Þa chØ cæng]:=gi¸ trÞ; ViÖc ®äc vµo hoÆc viÕt ra gi¸ trÞ tuú ý cña mét vµi bit trªn c¸c thanh ghi mµ kh«ng ¶nh h­ëng tíi gi¸ trÞ cña c¸c bit cßn l¹i (thuéc ph¹m vi kh¸i niÖm gäi lµ xö lý bit : manupulation of bit) cã thÓ thùc hiÖn nhê c¸c to¸n tö logic AND, OR, SHL, SHR víi l­u ý r»ng trong Pascal, viÖc thùc hiÖn AND hoÆc OR gi÷a hai sè nhÞ ph©n ®­îc thùc hiÖn víi tõng bit mét t­¬ng øng. Do ®ã, ta ®Æt bit thø n lªn mét b»ng c¸c OR gi¸ trÞ cña thanh ghi víi 2n, ®­a bit thø n xuèng 0 b»ng c¸ch AND gi¸ trÞ cña thanh ghi víi 255-2n. ViÖc kiÓm tra gi¸ trÞ cña thanh ghi thø n còng ®­îc thùc hiÖn b»ng phÐp AND hoÆc OR. ThÝ dô: x:=PORT[$378] OR 32; { ®­a bit 5 lªn 1} x:=PORT[$378] AND (255-32) {®­a bit 5 xuèng 0} if (PORT[$379] AND 32=32) then writeln(“bit 5 bang 1”); if (PORT[$379] AND 32=0) then writeln(“bit 5 bang 0”); VÒ mÆt vËt lý, cæng LPT chuÈn cã ®Çu ra chuÈn 25 ch©n ë sau m¸y tÝnh víi sù bè trÝ c¸c ch©n nh­ sau: Ch©n1: STROBE Ch©n2 ®Õn 9: 8 bit sè liÖu tõ D0-D7 Ch©n 10: -ACK Ch©n 11: -BUSY Ch©n 12: -PE Ch©n 13: -SLCT Ch©n 14: -AUTOFDX Ch©n 15: -ERROR Ch©n 16: -INIT Ch©n 17: -SLCTIN Ch©n 18 ®Õn 25: ®Êt GND Thanh ghi $379 lµ thanh ghi ®äc tr¹ng th¸i vµo, víi c¸c bit nh­ sau: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 -BUSY -ACK -PE -SLCT -ERROR - - - Trong thùc nghiÖm, lèi ra cña bé so s¸nh C ®­îc ®­a vµo ch©n 10 cña bé c¾m 25 ch©n. Do ®ã, theo b¶ng ta thÊy viÖc kiÓm tr¶ tr¹ng th¸i cña bé so s¸nh sÏ ®­îc thùc hiÖn ë bit D6 (ACK) cña thanh ghi nay. Thanh ghi $37A la thanh ghi ®iÒu khiÓn lèi ra, ë ®©y ta kh«ng dïng ®Õn nh­ng vÉn liÖt kª ra ®Ó tham kh¶o khi ghÐp nèi m¸y tÝnh víi m¸y ph¸t tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn sè: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 - - - IRQ SLCTIN INIT AUTOFXD STROBE ***** MôC LôC 1. Giíi thiÖu 1 2. Bé biÕn ®æi t­¬ng t­ - sè tÝch ph©n 2 2.1. CÊu tróc hai s­ên dèc 2 2.2. CÊu tróc ®a s­ên dèc 5 3. Bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè song song 6 3.1. Bé biÕn ®æi tøc thêi 6 3.2. Sai sè ®éng trong ADC song song 7 3.3. M¹ch gi÷ vµ lÊy mÉu 9 3.4. ADC ghÐp xen 10 4. Bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè ®a b­íc 12 4.1. Bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè hai b­íc 12 4.2. Bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè nhanh 12 4.3. Bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè ®Çu vµo ra song song 13 5. Bé biÕn ®æi ®Õm 14 6. Bé biÕn ®æi ADC xÊp xØ liªn tiÕp 15 7. Bé biÕn ®æi ADC kiÓu bËc thang 17 8. Bé biÕn ®æi ADC b¸m s¸t 18 9. Sai sè tÜnh vµ c¸c kü thuËt kiÓm tra 19 9.1. Sai sè bï, sai sè t¨ng Ých vµ sai sè tuyÕn tÝnh 19 9.2. Kü thuËt ®o 20 10. Sai sè ®éng vµ c¸c kü thuËt kiÓm tra 21 10.1.C¸c lo¹i sai sè 21 a. MÐo vµ thµnh phÇn t¹p 21 b. NhiÔu 22 c. C¸c bÝt hiÖu lùc 22 d. Rung pha 22 e. §¸p øng bËc thang 23 f. Sai sè c©n b»ng 23 10.2. C¸c ph­¬ng ph¸p kiÓm tra 23 a. KiÓm tra rung pha 23 b. KiÓm tra tÇn sè ph¸ch 23 11. X©y dùng hÖ ghÐp nèi ADC, DAC víi m¸y vi tÝnh 25 ******

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docBài tiểu luận cao học tim hiểu về bộbieesns đổi tương tự số.doc