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

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 ******