Kĩ thuật biến đổi tương tự – số ADC

môc lôc Më ®Çu Trong ba thập kỷ qua, kỹ thuật xử lý thông tin đã phát triển mạnh. Hệ thống truyền tin được tổ chức theo các lớp chức năng: định dạng và mã hoá nguồn tin, điều chế, mã hoá kênh, ghép kênh và đa truy nhập, trải phổ tần số, mật mã hoá và đồng bộ. HiÖn nay, c¸c m¹ch sè, chuyÓn m¹ch, hÖ thèng truyÒn dÉn, vµ c¸c thiÕt bÞ l­u tr÷ lµ mét trong nh÷ng lÜnh vùc ph¸t triÓn m¹nh mÏ nhÊt trong c«ng nghÖ ®iÖn tö. Do c¸p quang cã b¨ng tÇn hÇu nh­ kh«ng giíi h¹n nªn hÖ thèng viÔn th«ng sè ®ang chuyÓn biÕn dÇn ngµnh c«ng nghiÖp ®iÖn tho¹i vµ t¹o nªn sù héi tô nhanh chãng cña th«ng tin tho¹i, sè liÖu vµ th«ng tin h×nh ¶nh (video). ViÖc truyÒn dÉn tÝn hiÖu truyÒn th«ng hÇu hÕt ®­îc thùc hiÖn theo ph­¬ng ph¸p sè. Trong khi ®ã tÝn hiÖu tù nhiªn (tho¹i, sè liÖu, h×nh ¶nh,...) l¹i biÕn thiªn liªn tôc theo thêi gian, nghÜa lµ tÝn hiÖu tù nhiªn cã d¹ng t­¬ng tù. §Ó phèi ghÐp gi÷a nguån tÝn hiÖu t­îng tù vµ c¸c hÖ thèng xö lý sè, ng­êi ta dïng c¸c m¹ch chuyÓn ®æi t­¬ng tù-sè (ADC: Analog Digital Converter) vµ ng­îc l¹i lµ chuyÓn ®æi sè-t­¬ng tù (DAC: Digital Analog Conver). Bài viết này sẽ trình bày lý thuyết tổng quan và phân tích các kĩ thuật biến đổi đồng thời đánh giá sai số trong biến đổi tương tự - số ADC. I. Tæng quan vÒ biÕn ®æi t­¬ng tù-sè (ADC) BiÕn ®æi t­¬ng tù - sè ADC lµ biÕn ®æi ®iÖn ¸p vµo (gi¸ trÞ t­¬ng tù) thµnh c¸c sè (gi¸ trÞ sè) tû lÖ víi nã. VÒ nguyªn t¾c cã ba ph­¬ng ph¸p biÕn ®èi t­¬ng tù–sè kh¸c nhau nh­ sau: ph­¬ng ph¸p song song, ph­¬ng ph¸p träng sè vµ ph­¬ng ph¸p sè. Sau ®©y sÏ xem xÐt nguyªn t¾c lµm viÖc cña bé biÕn ®æi t­¬ng tù – sè (ADC): M¹ch lÊy mÉu L­îng tö ho¸ M· ho¸ ADC UA UM UD H×nh 1. S¬ ®å khèi bé biÕn ®æi t­¬ng tù - sè ADC Nguyªn t¾c: TÝn hiÖu t­¬ng tù ®­îc ®­a ®Õn mét m¹ch lÊy mÉu, tÝn hiÖu ra m¹ch lÊy mÉu ®­îc ®­a ®Õn m¹ch l­îng tö ho¸ lµm trßn víi ®é chÝnh x¸c: ± . Sau m¹ch l­îng tö ho¸ lµ m¹ch m· ho¸. Trong m¹ch m· ho¸, kÕt qu¶ l­îng tö ho¸ ®­îc s¾p xÕp l¹i theo mét quy luËt nhÊt ®Þnh phô thuéc vµo lo¹i m· yªu cÊu trªn ®Çu ra bé chuyÓn ®æi. Trong nhiÒu lo¹i ADC, qu¸ tr×nh l­îng tö ho¸ vµ m· ho¸ x¶y ra ®ång thêi, lóc ®ã kh«ng thÓ t¸ch rêi hai qu¸ tr×nh ®ã. Sau ®©y sÏ xem xÐt cô thÓ nhiÖm vô c¬ b¶n cña c¸c khèi chøc n¨ng trong s¬ ®å khèi tr×nh bµy nh­ h×nh vÏ sè 1: M¹ch lÊy mÉu cã nhiÖm vô: LÊy mÉu tÝn hiÖu t­¬ng tù t¹i nh÷ng thêi ®iÓm kh¸c nhau tøc lµ rêi r¹c ho¸ tÝn hiÖu vÒ mÆt thêi gian. Gi÷ cho biªn ®é ®iÖn ¸p t¹i c¸c thêi ®iÓm lÊy mÉu kh«ng ®æi trong qu¸ tr×nh chuyÓn ®èi tiÕp theo (qu¸ tr×nh l­îng tö ho¸ vµ m· ho¸). (h×nh 2) M¹ch l­îng tö ho¸ lµm nhiÖm vô rêi r¹c ho¸ tÝn hiÖu t­¬ng tù vÒ mÆt biªn ®é. Nh­ vËy, nhê qu¸ tr×nh l­îng tö ho¸, mét tÝn hiÖu t­¬ng tù bÊt kú ®­îc biÓu diÔn bëi mét sè nguyªn lÇn møc l­îng tö. Tøc lµ: Ghi chó: XAi: tÝn hiÖu t­¬ng tù ë thêi ®iÓm i. ZDi: tÝn hiÖu sè ë thêi ®iÓm i. Q: møc l­îng tö. DXAi: sè d­ trong phÐp l­îng tö ho¸ int (integer): phÇn nguyªn. UA UM t t H×nh 2: §å thÞ thêi gian cña ®iÖn ¸p vµo vµ ®iÖn ¸p ra m¹ch lÊy mÉu II. C¸c ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi t­¬ng tù – sè (ADC) Nh­ trªn ®· tr×nh bµy, cã 3 ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi ADC c¬ b¶n lµ: ph­¬ng ph¸p song song, ph­¬ng ph¸p träng sè vµ ph­¬ng ph¸p sè. Sau ®©y sÏ xem xÐt chi tiÕt kÜ thuËt tõng ph­¬ng ph¸p. 2.1. Ph­¬ng ph¸p song song XÐt mét bé biÕn ®æi 3 bit thùc hiÖn theo ph­¬ng ph¸p song song nh­ h×nh 3. Víi 3 bÝt cã thÓ biÓu diÔn 23=8 sè kh¸c nhau, kÓ c¶ sè 0 (kh«ng). Do ®ã cÇn cã 7 bé so s¸nh, 7 ®iÖn ¸p chuÈn tõng nÊc ®­îc t¹o ra bëi c¸c ph©n ¸p. NÕu ®iÖn ¸p vµo kh«ng v­ît ra khái giíi h¹n d¶i tõ 5/2 ULSB ®Õn 7/2 ULSB th× c¸c bé sao s¸nh tõ thø 1 ®Õn thø 3 x¸c lËp ë tr¹ng th¸i “1”, cßn c¸c bé so s¸nh tõ thø 4 ®Õn thø 7 x¸c lËp ë tr¹ng th¸i “0”. C¸c m¹ch logic cÇn thiÕt ®Ó diÔn ®¹t tr¹ng th¸i nµy thµnh sè 3. B¶ng 5 cho quan hÖ gi÷a c¸c tr¹ng th¸i cña c¸c bé so s¸nh víi c¸c sè nhÞ ph©n t­¬ng øng. NÕu ®iÖn ¸p vµo bÞ thay ®æi ®i cã thÓ sÏ nhËn ®­îc kÕt qu¶ sai do ®ã bé m· ho¸ ­u tiªn kh«ng thÓ ®Êu trùc tiÕp ®Õn c¸c lèi ra cña c¸c bé so s¸nh. Ta h·y xÐt ®Õn ch¼ng h¹n viÖc chuyÓn tõ sè 3 sang sè 4 (do ®ã, trong m· nhÞ ph©n lµ tõ 011 ®Õn 100). NÕu bit giµ do thêi gian trÔ sÏ gi¶m ®i mµ thay ®æi tr¹ng th¸i cña m×nh sím h¬n c¸c bÝt kh¸c th× sÏ xuÊt hiÖn sè 111, tøc lµ sè 7. TrÞ sè sai t­¬ng øng víi mét nöa d¶i ®o. Bëi v× c¸c kÕt qu¶ biÕn ®æi A/D, nh­ ®· biÕt, ®­îc ghi vµo bé nhí, nh­ vËy lµ tån t¹i mét x¸c xuÊt nhÊt ®Þnh ®Ó nhËn ®­îc mét trÞ sè hoµn toµn sai. Cã thÓ gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy b»ng c¸ch, ch¼ng h¹n, dïng mét bé nhí - trÝch mÉu ®Ó ng¨n sù biÕn ®éng ®iÖn ¸p vµo trong thêi gian ®o. Tuy nhiªn, ph­¬ng ph¸p nµy ®· h¹n chÕ tÇn sè cho phÐp cña ®iÖn ¸p vµo, bëi v× cÇn ph¶i cã thêi gian x¸c lËp cho m¹ch nhí - trÝch mÉu. Ngoµi ra kh«ng thÓ lo¹i bá hoµn toµn x¸c xuÊt thay ®æi tr¹ng th¸i ra cña c¸c bé so s¸nh, bëi v× c¸c m¹ch nhí - trÝch mÉu ho¹t ®éng nhanh cã ®é tr«i ®¸ng kÓ. Bé m· ho¸ ­u tiªn D Q C D Q C D Q C D Q C D Q C D Q C D Q C ULSB K6 K5 K7 K4 K3 K2 K1 X7 X6 X5 X3 X1 X2 1/2R R R R R R R 1/2R R X4 Ue U chuÈn + - + - - + Z2 Z1 Z0 + - - - + + - + H×nh 3: Bé biÕn ®æi A/D lµm viÖc theo ph­¬ng ph¸p song song Nh­îc ®iÓm nµy cã thÓ ®­îc kh¾c phôc b»ng c¸ch sau mçi bé so s¸nh, ta dïng mét trig¬ víi t­ c¸ch lµ mét bé nhí ®Öm lËt theo s­ên ®Ó nhí c¸c trÞ analog. Trig¬ nµy, d­íi t¸c dông cña tÝn hiÖu nhÞp sÏ khëi ®éng cho c¸c trig¬ tiÕp sau. ë tr­êng hîp nµy b¶o ®¶m gi÷ nguyªn tr¹ng th¸i dõng trªn lèi ra bé m· ho¸ ­u tiªn khi t¸c ®éng s­ên xung ®Ó khëi ®éng trig¬. Nh­ ®· thÊy râ ë b¶ng 1, c¸c bé so s¸nh x¸c lËp ë tr¹ng th¸i “1” theo tr×nh tù tõ d­íi lªn trªn. Tr×nh tù nµy sÏ kh«ng ®­îc ®¶m b¶o nÕu c¸c s­ên xung lµ dùng ®øng. Bëi v× do cã sù kh¸c nhau vÒ thêi gian trÔ cña c¸c bé so s¸nh nªn cã thÓ sÏ chuyÓn sang mét tr×nh kh¸c. Trong c¸c t×nh huèng x¸c ®Þnh, tr¹ng th¸i qu¸ ®é nµy cã thÓ ®­îc ghi vµo c¸c trig¬ nh­ lµ khi s­ên xung khëi ®éng trig¬ vµ s­ên tÝn hiÖu trïng nhau. Tuy nhiªn, bé m· ho¸ ­u tiªn ®· cho phÐp tr¸nh ®­îc ®iÒu nµy nhê tÝnh chÊt lµ: nã kh«ng chó ý ®Õn c¸c bÝt trÎ “1” . B¶ng 1: Sù biÕn ®æi tr¹ng th¸i trong bé biÕn ®æi A/D song song tuú thuéc vµo ®iÖn ¸p lèi vµo. §iÖn ¸p vµo Tr¹ng th¸i cña c¸c bé so s¸nh Sè nhÞ ph©n Sè thËp ph©n t­¬ng øng Ue/ULSB K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 Z2 Z1 Z0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 2 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2 3 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3 4 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 4 5 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5 6 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 6 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 Thêi gian lÊy mÉu cÇn ph¶i nhá h¬n thêi gian trÔ cña bé so s¸nh, cßn ®iÓm b¾t ®Çu cña nã ®­îc x¸c ®Þnh bëi s­ên xung khëi ®éng. Sù kh¸c nhau vÒ thêi gian trÔ ®· g©y ra ®é bÊt ®Þnh thêi gian(khe) cña mÉu. §Ó gi¶m nhá trÞ sè cña nã ®Õn møc ®· tÝnh to¸n trong môc tr­íc, tèt nhÊt lµ sö dông c¸c bé so s¸nh cã kh¶ n¨ng gi¶m nhá thêi gian trÔ. Nhê c¸c tÇng lµm viÖc song song nªn ph­¬ng ph¸p biÕn ®æi A/D võa m« t¶ lµ nhanh nhÊt. 2.2. Ph­¬ng ph¸p song song c¶i biÕn §iÓm h¹n chÕ cña ph­¬ng ph¸p song song lµ: Sè l­îng c¸c bé so s¸nh t¨ng lªn theo hµm mò víi ®é dµi cña tõ. Ch¼ng h¹n, ®èi víi bé biÕn ®æi 8 bit, cÇn ®Õn 255 bé so s¸nh. Cã thÓ gi¶m ®¸ng kÓ gi¸ thµnh nÕu gi¶m nhá tèc ®é biÕn ®æi. Muèn vËy ng­êi ta tæ hîp ph­¬ng ph¸p song song víi ph­¬ng ph¸p träng sè. Khi x©y dùng bé biÕn ®æi 7 bit theo ph­¬ng ph¸p c¶i biÕn ë b­íc thø nhÊt 4 bit giµ cña m· ®­îc biÕn ®æi song song (h×nh 4). Sau b­íc nµy ta thu ®­îc gi¸ trÞ l­îng tö th« cña ®iÖn ¸p vµo. Nhê mét bé biÕn ®æi D/A ta sÏ cã mét ®iÖn ¸p analog t­¬ng øng. §iÖn ¸p vµo ®­îc ®em trõ ®i ®iÖn ¸p nµy. PhÇn d­ cßn l¹i sÏ ®­îc biÓu diÔn d­íi s¹ng sè nhê mét bé biÕn ®æi A/D 4 bit thø hai. NÕu hiÖu sè gi÷a gi¸ trÞ xÊp xØ th« vµ ®iÖn ¸p vµo ®­îc khuÕch ®¹i lªn 16 lÇn th× cã thÓ sö dông 2 bé biÕn ®æi A/D víi cïng mét d¶i ®iÖn ¸p vµo. TÊt nhiªn lµ sù kh¸c nhau gi÷a 2 bé biÕn ®æi sÏ ®­îc quy vÒ c¸c yªu cÇu cña ®é chÝnh x¸c ë bé biÕn ®æi A/D thø nhÊt, ®é chÝnh x¸c hÇu nh­ ph¶i ®¹t nh­ mét bé biÕn ®æi 8 bit. Bëi v× nÕu kh«ng th× hiÖu sè nhËn ®­îc sÏ kh«ng cã ý nghÜa. C¸c trÞ sè xÊp xØ th« vµ chÝnh x¸c ë lèi ra tÊt nhiªn ph¶i lµ t­¬ng øng víi cïng mét ®iÖn ¸p Ue(tj). Tuy nhiªn cã trÔ tÝn hiÖu ë bËc thÒm thø nhÊt nªn sÏ xuÊt hiÖn thêi gian trÔ, v× thÕ, khi sö dông ph­¬ng ph¸p nµy, ®iÖn ¸p sÏ ®­îc gi÷ kh«ng ®æi (nhê mét bé nhí - trÝch mÉu) cho ®Õn khi nhËn ®­îc toµn bé sè. Bé nhí trÝch mÉu Bé biÕn ®æi A/D song song 4 bit Bé biÕn ®æi D/A 4 bit Bé biÕn ®æi A/D song song 4 bit U chuÈn U chuÈn 1/16U chuÈn Z7Z6Z5Z4 Z3 Z2 Z1 Z0 + + - H×nh 4: Bé biÕn ®æi A/D thùc hiÖn theo ph­¬ng ph¸p song song c¶i biÕn. 2.3. Ph­¬ng ph¸p träng sè S¬ ®å khèi cña mét bé biÕn ®æi A/D lµm viÖc theo ph­¬ng ph¸p träng sè ®­îc minh ho¹ trong h×nh vÏ sè 5. PhÇn tö nhí trÝch mÉu PhÇn tö ®iÒu khiÓn Bé t¹o nhÞp Bé nhí Bé biÕn ®æi D/A K Bé so s¸nh Z U chuÈn U(z) Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1Z0 Ue + - H×nh 5: Bé biÕn ®æi A/D lµm viÖc theo ph­¬ng ph¸p träng sè Z=Ue/USLB Tr­íc khi b¾t ®Çu do ®¬n vÞ logic ®iÒu khiÓn (thÝ dô nh­ m¸y vi tÝnh) ghi vµo bé nhí c¸c gi¸ trÞ kh«ng (xo¸ hÕt th«ng tin trong bé nhí). Ngay sau ®ã x¸c lËp gi¸ trÞ “1” cho bit giµ, ë ®©y Z7 =1. Nhê ®ã, ®iÖn ¸p trªn lèi ra bé biÕn ®æi D/A b»ng: U(Z) = 27 ULSB Gi¸ trÞ nµy chÝnh lµ mét nöa d¶i cã thÓ cña tÝn hiÖu t¹o ra. NÕu ®iÖn ¸p vµo Ue lín h¬n trÞ sè nµy th× ph¶i cã Z7 = 1. NÕu nhá h¬n th× Z7=0. Do ®ã ®¬n vÞ ®iÒu khiÓn cÇn ph¶i chuyÓn Z7 ng­îc vÒ tr¹ng th¸i 0. NÕu biÕn ra K cña bé so s¸nh nhËn gi¸ trÞ 0. Ngay sau ®ã, sè d­ Ue - Z7.2. ULSB còng ®­îc so s¸nh nh­ vËy víi c¸c bit trÎ gÇn nhÊt. Sau 8 b­íc so s¸nh t­¬ng tù, sè nhÞ ph©n Z ®­îc ghi trong bé nhí. Sau phÐp biÕn ®æi A/D ta cã ®iÖn ¸p t­¬ng øng b»ng: Ue = Z ULSB Do ®ã Z = Ue/ULSB NÕu trong thêi gian biÕn ®æi mµ ®iÖn ¸p bÞ biÕn ®æi ®i th× cÇn ph¶i cã mét phÇn tö nhí - trÝch mÉu ®Ó nhí trung gian c¸c gi¸ trÞ cña hµm, nh»m ®¶m b¶o ®Ó tÊt c¶ c¸c bit ®­îc biÕn ®æi ra tõ cïng mét gi¸ trÞ ®iÖn ¸p vµo nh­ nhau. 2.4. Ph­¬ng ph¸p sè Trong ph­¬ng ph¸p sè, ng­êi ta sö dông c¸c ph­¬ng tiÖn ®¬n gi¶n vµ ®¹t ®­îc ®é chÝnh x¸c cao nªn c¸c bé biÕn ®æi A/D thùc hiÖn theo ph­¬ng ph¸p nµy cã gi¸ thµnh rÊt thÊp. Tuy nhiªn thêi gian biÕn ®æi lín h¬n nhiÒu so víi c¸c ph­¬ng ph¸p kh¸c. Nh­ ®· biÕt, nã vµo kho¶ng 1- 100msec. Trong nhiÒu øng dông, gi¸ trÞ nµy lµ chÊp nhËn ®­îc. V× vËy mµ ph­¬ng ph¸p sè ®­îc sö dông réng r·i nhÊt trong ®a sè c¸c ph­¬ng ¸n m¹ch. Nh÷ng vÊn ®Ò quan träng nhÊt cña chóng sÏ ®­îc kh¶o s¸t d­íi ®©y. 2.4.1. Ph­¬ng ph¸p bï Bé biÕn ®æi A/D kiÓu bï vÏ ë h×nh (6) rÊt gièng víi c¸c s¬ ®å ®· kh¶o s¸t tr­íc ®©y. §iÓm kh¸c biÖt lµ ë chç: ë ®©y bé nhí ®­îc thay ®æi bëi bé ®Õm. Lóc nµy cã thÓ ®¬n gi¶n ®¸ng kÓ ®¬n vÞ ®iÒu khiÓn. Bé chuyÓn ®æi h­íng ®Õm Bé t¹o nhÞp Bé biÕn ®æi D/A U chuÈn Bé ®Õm thuËn nghÞch Z7Z6Z5Z4Z3Z2Z1Z0 + Ue - U(Z) U(Z) H×nh 6. Bé biÕn ®æi A/D theo ph­¬ng ph¸p bï Nhê cã bé trõ mµ ®iÖn ¸p vµo Ue ®­îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p bï U(z). NÕu hiÖu sè th× bé ®Õm lµm viÖc trong chÕ ®é céng. Nhê vËy mµ U(z) tiÕn s¸t ®Õn ®iÖn ¸p vµo. NÕu th× bé ®Õm lµ mét bé trõ. Lóc ®ã ®iÖn ¸p bï lu«n lu«n b¸m theo ®iÖn vµo. V× lý do trªn mµ lo¹i m¹ch nh­ thÕ ®­îc gäi lµ c¸c bé biÕn ®æi A/D kiÓu b¸m. §Ó ng¨n ngõa sù lµm viÖc tiÕp tôc cña bé ®Õm ®Õn khi ®¹t ®­îc sù san b»ng trong bit tiÕp sau, bé ®Õm sÏ t¹m ngõng nÕu hiÖu sè Ue-U(z) nhá h¬n Kh¸c víi ph­¬ng ph¸p träng sè, ë ®©y c¸c sè trªn lèi ra cã thÓ biÓu diÔn ®ñ ®¬n gi¶n d­íi d¹ng nhÞ thËp ph©n. Muèn vËy, thay cho bé ®Õm nhÞ ph©n, ng­êi ta dïng bé ®Õm nhÞ - thËp ph©n. ViÖc ®¬n gi¶n ®¬n vÞ ®iÒu khiÓn so víi ph­¬ng ph¸p träng sè sÏ ®¹t ®­îc b»ng c¸ch gi¶m nhá tèc ®é biÕn ®æi, bëi v× ®iÖn ¸p bï ®­îc thay ®æi bëi c¸c thÒm ULSB. ë tr­êng hîp ®iÖn ¸p vµo thay ®æi chËm th× vÉn cã thÓ nhËn ®­îc thêi gian ®éng t¸c nhá bëi v× nhê tÝnh chÊt b¸m, sù xÊp xØ mang tÝnh liªn tôc mµ kh«ng b¾t ®Çu tõ “kh«ng” nh­ trong ph­¬ng ph¸p tÝnh träng sè. 2.4.2. Ph­¬ng ph¸p ®iÖn ¸p r¨ng c­a: Nguyªn lý lµm viÖc cña ph­¬ng ph¸p nµy tr­íc hÕt dùa trªn viÖc biÓu diÔn ®iÖn ¸p r¨ng c­a vµ c¸c bé so s¸nh K1, K2 (h×nh 7). Ue Bé t¹o sãng th¹ch anh Bé chØ thÞ Bé t¹o ®iÖn ¸p r¨ng c­a U chuÈn VS + - - + Bé ®Õm K1 K2 Z f H×nh 7: Bé biÕn ®æi A/D lµm viÖc theo ph­¬ng ph¸p r¨ng c­a. §iÖn ¸p r¨ng c­a t¨ng tõ gi¸ trÞ ©m ®Õn gi¸ trÞ d­¬ng theo luËt: Lèi ra cña phÇn tö logic XOR gi÷ ë tr¹ng th¸i “1” cho ®Õn khi ®iÖn ¸p r¨ng c­a cßn n»m trong d¶i tõ 0 ®Õn Ue. Thêi gian t­¬ng øng víi qu¸ tr×nh ®ã b»ng: §Ó x¸c ®Þnh nã, ng­êi ta ®Õm sè dao ®éng ®­îc t¹o ra bëi mét bé t¹o sãng th¹ch anh. NÕu tr­íc lóc tiÕn hµnh phÐp ®o ta lËp bé ®Õm ë tr¹ng th¸i “0” th× khi v­ît qua ng­ìng trªn cña bé so s¸nh, trong bé ®Õm sÏ cã m·: NÕu trªn lèi vµo cã ®iÖn ¸p ©m th× tho¹t tiªn ®iÖn ¸p r¨ng c­a ®¹t gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p vµo råi sau ®ã ®i qua gi¸ trÞ 0. Theo tr×nh tù nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc dÊu cña ®iÖn ¸p ®o. §é d¶i ®o còng gièng nh­ trong tr­êng hîp tÝn hiÖu d­¬ng, nã chØ phô thuéc vµo biªn ®é cña ®iÖn ¸p ®o. Sau mçi lÇn ®o bé ®Õm l¹i lÆp vÒ “0” vµ ®iÖn ¸p r¨ng c­a l¹i cã gi¸ trÞ ©m ban ®Çu, ®Ó ®¶m b¶o cho viÖc ®­a ra c¸c sè liÖu æn ®Þnh th× kÕt qu¶ d­íi d¹ng sè tr­íc ®ã th­êng ®­îc nhí trong khi t¹o sè míi. Khi san b»ng liªn tôc b»ng ph­¬ng ph¸p bï th× ®iÒu nµy lµ kh«ng cÇn thiÕt v× r»ng sau khi san b»ng tr¹ng th¸i biÕn ®æi cña bé ®Õm kh«ng thay ®æi nÕu Ue gi÷ nguyªn. Nh­ thÊy tõ c«ng thøc trªn, sù t¶n m¸t cña h»ng sè thêi gian t trùc tiÕp ¶nh h­ëng ®Õ ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o. Bëi v× ®é chÝnh x¸c ®­îc x¸c ®Þnh bëi m¹ch RC, cho nªn ®é tr«i thêi gian vµ nhiÖt ®é cña tô ®iÖn còng ¶nh h­ëng ®Õn nã. V× c¸c nguyªn nh©n nµy mµ ®é chÝnh x¸c khã v­ît qua 0,1% 2.4.3. Ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n kÐp: Ph­¬ng ph¸p ®o thø hai khi ®ã kh«ng chØ ®iÖn ¸p chuÈn, mµ c¶ ®iÖn ¸p còng ®­îc lÊy tÝch ph©n minh ho¹ ë h×nh 8. ë tr¹ng th¸i rçi, c¸c kho¸ S1 vµ S2 hë m¹ch cßn kho¸ S3 kÝn m¹ch. §iÖn ¸p ra khái bé tÝch ph©n b»ng kh«ng. Khi b¾t ®Çu ®o: Kho¸ S3 hë m¹ch ra cßn kho¸ S1 kÝn m¹ch l¹i. V× vËy ®iÖn ¸p vµo ®­îc lÊy tÝch ph©n. Thêi gian lÊy tÝch ph©n ®iÖn ¸p vµo lµ cè ®Þnh. Bé thêi gian ®ãng vai trß mét bé ®Þnh giê (timer). Cho ®Õn khi lÊy phÐp tÝch ph©n thùc (t1), ®iÖn ¸p ra khái bé tÝch ph©n b»ng: ë ®©y: n1 lµ sè xung nhÞp x¸c ®Þnh bëi bé ®Õm thêi gian tÝch ph©n; T lµ kú cña bé t¹o nhÞp. Ue ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn Bé t¹o nhÞp Bé ®Õm thêi gian tÝch ph©n U chuÈn S1 + - Bé ®Õm kÕt qu¶ S2 U1 S3 C1 - + - + Bé chØ thÞ t2 t1 bé tÝch ph©n bé so s¸nh H×nh 8. Bé biÕn ®æi A/D thùc hiÖn b»ng ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n kÐp. t2 U1 TÝch ph©n Ue TÝch ph©n UchuÈn t t1 H×nh 9: §­êng thêi gian cña ®iÖn ¸p ra khái bé tÝch ph©n ®èi víi c¸c ®iÖn ¸p kh¸c nhau Sau khi kÕt thóc phÐp ®o, ®Ó x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ sè th× kho¸ S1 hë m¹ch ra, ®iÖn ¸p chuÈn ®­îc ®Æt tíi bé tÝch ph©n qua kho¸ S2. Khi ®ã ®iÖn ¸p chuÈn sau khi chän ®­îc ng­îc dÊu víi ®iÖn ¸p vµo. Nh­ vËy, ®iÖn ¸p ra l¹i gi¶m ®i nh­ m« ta trªn h×nh (11). Kho¶ng thêi gian l¹i ®ã ®iÖn ¸p ra trë nªn b»ng kh«ng ®­îc x¸c ®Þnh nhê bé so s¸nh vµ bé ®Õm kÕt qu¶. ta cã kÕt qu¶: Tõ c«ng thøc trªn ta thÊy r»ng: §Æc ®iÓm næi bËt cña ph­¬ng ph¸p nµy lµ tÇn sè nhÞp 1/T vµ h»ng sè tÝch ph©n t = RC1 kh«ng hÒ ¶nh h­ëng ®Õn kÕt qu¶. ChØ yªu cÇu lµm sao ®Ó trong kho¶ng thêi gian t1+t2, tÇn sè nhÞp kh«ng ®æi. §iÒu nµy cã thÓ ®¶m b¶o ngay c¶ khi dïng c¸c bé t¹o nhÞp ®¬n gi¶n, tõ ®©y hiÓn nhiªn lµ b»ng ph­¬ng ph¸p nµy dÔ dµng ®¹t ®Õn ®é chÝnh x¸c 0,01%. Khi ®­a ra c¸c biÓu thøc ë trªn ta thÊy r»ng trong kÕt qu¶ cuèi cïng kh«ng cã c¸c gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p ®o, mµ chØ cã c¸c gi¸ trÞ trung b×nh trong thêi gian ®o t1. V× vËy ®iÖn ¸p cµng gi¶m khi tÇn sè cña nã cµng cao. §iÖn ¸p biÕn thiªn cã tÇn sè b»ng béi sè nguyªn cña 1/t1 bÞ suy gi¶m hoµn toµn. V× thÕ tÇn sè cña bé t¹o nhÞp ®­îc chän mét c¸ch hîp lý sao cho trÞ sè t1 hoÆc lµ b»ng chu kú dao ®éng cña ®iÖn ¸p l­íi, hoÆc lµ b»ng béi sè cña nã. Trong tr­êng hîp nµy tÊt c¶ c¸c t¸c ®éng cña ®iÖn l­íi sÏ bÞ lo¹i trõ. Do cã ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n kÐp mµ b»ng nh÷ng gi¶i ph¸p ®¬n gi¶n ®Ó cã thÓ ®¶m b¶o ®­îc ®é chÝnh x¸c cho vµ triÖt ®­îc nhiÔu cho nªn ng­êi ta sö dông nã trong c¸c v«n mÐt sè. Thêi gian biÓu diÔn t­¬ng ®èi lín còng kh«ng c¶n trë ®Õn c¸c øng dông nh­ vËy. 2.4.4. HiÖu chØnh tù ®éng ®iÓm kh«ng: Trong ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n kÐp chóng ta thÊy r»ng: h»ng sè thêi gian t=RC1 vµ tÇn sè nhÞp f=1/T kh«ng ¶nh h­ëng g× ®Õn kÕt qu¶. Do ®ã ®é chÝnh x¸c, trong mét møc ®é rÊt lín, ®­îc quyÕt ®Þnh bëi sù biÕn ®éng gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p chuÈn vµ cña ®é xª dÞch ®iÓm kh«ng cña bé tÝch ph©n vµ bé so s¸nh. Cã thÓ kh¾c phôc hiÖn t­îng dÞch chuyÓn ®iÓm kh«ng b»ng c¸ch hiÖu chØnh tù ®éng. Muèn vËy, kho¸ S3 th­êng kÝn m¹ch (h×nh 8) ®­îc thay ®æi bëi mét m¹ch ®iÒu chØnh nh­ vÏ trªn h×nh 10. Nhê m¹ch nµy mµ bé tÝch ph©n ®­îc lËp ë tr¹ng th¸i cÇn thiÕt ban ®Çu. ë tr¹ng th¸i nghØ, kho¸ S3 kÝn m¹ch. V× vËy bé tÝch ph©n vµ bé tiÒn khuÕch ®¹i trªn lèi vµo bé so s¸nh t¹o thµnh mét bé lÆp ®iÖn ¸p. §iÖn ¸p ra UK cña nã ®Æt lªn tô CN. §Ó hiÖu chØnh kh«ng ng­êi ta kÝn m¹ch kho¸ S4 l¹i vµ trªn lèi vµo bé tÝch ph©n cã ®iÖn ¸p kh«ng. KÕt qu¶ lµ UK ®­îc bæ sung thªm mét l­îng hiÖu chØnh b»ng U01 - IBR. ë ®©y, Uo1 lµ ®iÖn ¸p dÞch cña bé tÝch ph©n, cßn IB lµ dßng vµo tÜnh. ë tr¹ng th¸i x¸c lËp, nhê cã bï mµ dßng qua C1 (nh­ trong bé tÝch ph©n lý t­ëng) b»ng kh«ng. Khi lÊy tÝch ph©n ®iÖn ¸p vµo, c¸c kho¸ S3 vµ S4 hë m¹ch ra cßn S1 ®­îc kÝn m¹ch l¹i. Bëi v× trong kho¶ng thêi gian nµy ®iÖn ¸p UK trªn tô CN ®­îc nhí, cho nªn vÞ trÝ kh«ng trong pha lÊy tÝch ph©n ®­îc hiÖu chØnh. Lóc ®ã trªn ®é tr«i ®iÓm kh«ng ®­îc quyÕt ®Þnh chØ bëi mÊt ®é æn ®Þnh tøc thêi. S3 C UK Bé tÝch ph©n Bé khuyÕch ®¹i Bé so s¸nh §Õn thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn UI R CI U chuÈn + - - + + - - + Ue H×nh 10: Ph­¬ng ph¸p tÝch ph©n kÐp cã hiÖu chØnh tù ®éng ®iÓm kh«ng Sai sè dÞch trong bé so s¸nh còng cã thÓ ®­îc hiÖu chØnh ë mét møc ®é ®¸ng kÓ. ë tr¹ng th¸i nghØ, ®iÖn ¸p ra bé tÝch ph©n U1 ®­îc lËp kh«ng ph¶i ë kh«ng nh­ trong c¸c m¹ch kh¶o s¸t tr­íc ®©y, mµ dÞch ®i mét ®iÖn ¸p b»ng thiªn ¸p cña tiÒn khuÕch ®¹i, tøc lµ ngay s¸t ®iÖn ¸p ng­ìng cña bé chuyÓn m¹ch. Bëi v× trong vßng bï cã 2 bé khuÕch ®¹i liªn tiÕp, cho nªn rÊt dÔ xuÊt hiÖn kÝch. §Ó æn ®Þnh, cã thÓ dÊu mét ®iÖn trë nèi tiÕp víi tô CN. Ngoµi ra, hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé tiÒn khuÕch ®¹i ®­îc h¹n chÕ mét c¸ch hîp lý ë møc d­íi 100. Nhê vËy mµ viÖc nhËn ®­îc mét thêi gian trÔ nhá (®iÒu nµy cÇn thiÕt cho ho¹t ®éng cña so s¸nh) còng ®¬n gi¶n h¬n. C¸c bé biÕn ®æi A/D kiÓu tÝch ph©n ®­îc chÕ t¹o d­íi d¹ng c¸c m¹ch CMOS ®¬n khèi. Cã thÓ chia chóng thµnh 2 nhãm chÝnh: lo¹i cã lèi ra song song ®Ó dïng chung (®Æc biÖt ®Ó xö lý l¹i sè liÖu kÕt hîp víi m¸y vi tÝnh) vµ lo¹i cã c¸c lèi ra dån kªnh nhÞ - thËp ph©n dïng ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c bé chØ thÞ. III. Sai sè trong biÕn ®æi t­¬ng tù – sè (ADC) 3.1. Sai sè tÜnh UE UZ +1/2ULSB -1/2ULSB UA(z) H×nh 11. Sù xuÊt hiÖn cña t¹p ©m l­îng tö Khi biÕn ®æi c¸c gi¸ trÞ t­¬ng tù (Analog) thµnh sè (Digital) víi sè bit h÷u h¹n th­êng xuÊt hiÖn sai sè hÖ thèng. C¸c sai sè nµy gäi lµ sai sè l­îng tö. Theo minh ho¹ ë h×nh 1 nã vµo kho¶ng ±1/2ULSB tøc lµ cã trÞ sè b»ng mét nöa sai sè cña ®iÖn ¸p vµo cÇn thiÕt ®Ó lµm thay ®æi m· trong c¸c bit trÎ. NÕu b»ng mét bé biÕn ®æi D/A ta biÕn ®æi ng­îc sè nhËn ®­îc thµnh ®iÖn ¸p th× sÏ ph¸t hiÖn sai sè l­îng tö d­íi d¹ng t¹p ©m. Bªn c¹nh sai sè hÖ thèng do l­îng tö ho¸ cßn cã sai sè ®¸ng kÓ do m¹ch g©y ra. NÕu c¸c ®iÓm gi÷a cña c¸c bËc trªn ®­êng gÊp khóc lý t­ëng ë h×nh 11 ®­îc nèi liÒn víi nhau th× ta cã mét ®­êng th¼ng víi mét hÖ sè gãc duy nhÊt xuÊt ph¸t tõ gèc to¹ ®é. Trong c¸c bé biÕn ®æi A/D thùc tÕ ®­êng th¼ng nµy kh«ng xuÊt ph¸t tõ ®iÓm 0 (sai sè dÞch) vµ ®é nghiªng cña nã kh¸c 1 (sai sè khuÕch ®¹i). Sai sè khuÕch ®¹i trong d¶i biÕn ®æi tÝn hiÖu lµ nguyªn nh©n g©y ra ®é lÖch h»ng sè t­¬ng ®èi gi÷a trÞ sè gia vµ trÞ sè nguyªn thuû. Ng­îc l¹i, sai sè dÞch l¹i t¹o ra sai sè h»ng sè tuyÖt ®èi. Sai sè hÖ thèng do l­îng tö ho¸ cã thÓ dÉn tíi t×nh tr¹ng phi tuyÕn tÝnh cña ®Æc tuyÕn trong tr­êng hîp c¸c bËc kh«ng ®Òu nhau. Khi x¸c ®Þnh c¸c sai sè tuyÕn tÝnh ng­êi ta hiÖu chØnh c¸c vÞ trÝ 0 vµ hiÖu chØnh ®é khuÕch ®¹i råi ph¸t hiÖn ®é lÖch lín nhÊt gi÷a ®iÖn ¸p vµo vµ ®­êng th¼ng lý t­ëng. TrÞ sè nµy sau khi gi¶m ®i sai sè l­îng tö b»ng 1/2ULSB thÝ chÝnh lµ tæng c¸c sai sè phi tuyÕn. 3.2. Sai sè ®éng: Trong c¸c V«n kÕ sè, xuÊt ph¸t tõ hiÖn t­îng lµ: trong suèt thêi gian biÕn ®æi th× ®iÖn ¸p vµo lµ kh«ng ®æi. Khi xö lý tÝn hiÖu, ng­îc l¹i ®iÖn ¸p vµo l¹i liªn tôc biÕn ®æi. Trong xö lý sè, qua c¸c kho¶ng thêi gian b»ng nhau ta tiÕn hµnh lÊy mÉu ®iÖn ¸p biÕn ®éng ë lèi vµo b»ng c¸c phÇn tö nhí-trÝch mÉu. C¸c sè liÖu nµy ®­îc biÕn ®æi thµnh d¹ng sè nhê bé biÕn ®æi A/D. D·y sè t­¬ng øng chØ m« t¶ ®ñ chÝnh x¸c tÝn hiÖu liªn tôc ë lèi vµo khi tho¶ m·n ®Þnh lý vÒ rêi r¹c ho¸: tÇn sè lÊy mÉu fA Ýt nhÊt ph¶i lín h¬n 2 lÇn tÇn sè lín nhÊt cña tÝn hiÖu fMAX. V× thÕ thêi gian biÕn ®æi cña bé biÕn ®æi A/D cÇn ph¶i nhá h¬n 1/2 fMAX . Trong ph¹m vi øng dông nµy, ®Ó ®¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c th× c¸c tham sè cña bé biÕn ®æi A/D vµ phÇn tö nhí-trÝch mÉu ph¶i ®­îc kh¶o s¸t kÕt hîp. ThÝ dô, sÏ kh«ng cã ý ngh· sö dông bé biÕn ®æi A/D 12 bit mµ phÇn tö nhí-trÝch mÉu sau thêi gian t¸c ®éng kh«ng t¨ng tr­ëng ®Õn trÞ sè b»ng 1/212 » 0,025% d¶i ®o. Mét sai sè ®éng kh¸c g©y ra bëi ®é bÊt ®Þnh thêi gian (khe) DtA cña ®iÓm lÊy mÉu kÐo theo ®é bÊt ®Þnh cña gi¸ trÞ D U cña ®iÖn ¸p mÉu (h×nh 12). Thêi gian cña khe chØ t¹o ra mét ®é trÔ cè ®Þnh. Khi tÝnh to¸n sai sè cùc ®¹i ta gi¶ thiÕt r»ng tÝn hiÖu vµo lµ h×nh sin cã tÇn sè b»ng tÇn sè cùc ®¹i cho phÐp fMAX. §é nghiªng lín nhÊt cña ®­êng xuÊt hiÖn vµo lóc ®i qua kh«ng. Tõ ®ã ta cã c¸c sè biªn ®é: NÕu nã cÇn ph¶i nhá h¬n trÞ sè cña møc l­îng tö ULSB cña bé biÕn ®æi A/D th× ®iÒu kiÖn thêi gian cña khe cã d¹ng: ë c¸c tÇn sè cao cña tÝn hiÖu rÊt khã tho¶ m·n ®iÒu kiÖn nµy. ThÝ dô h»ng sè sau ®ay sÏ nhËn ®iÒu ®ã: ®èi víi bé biÕn ®æi 8 bit th× ULSB/UMAX=1/255. NÕu tÇn sè cùc ®¹i cña tÝn hiÖu b»ng 100Mhz th× thêi gian bÊt ®Þnh nhá h¬n 125 psec. e DtA DU Ue t H×nh 12: HiÖu øng khe 3.3. 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 sù dÞch chuyÓn hÖ thèng trong gi¸ trÞ cña ®iÖn ¸p ng­ìng T(k) tõ gi¸ trÞ b×nh th­êng. T(k) lµ møc ng­ìng gi÷a c¸c m·. 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 ®é 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 gÝa trÞ thùc tÕ víi gi¸ trÞ lý t­ëng lµ gi¸ trÞ bï cña bé 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 so víi gi¸ trÞ tuyÖt ®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 ®­îc ®Þnh nghÜa mét c¸ch truyÒn thèng b»ng ®é phi tuyÕn tÝch ph©n (INL - Integral NonLinearity) vµ ®é phi 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 l¹i ®¹i diÖn cho sù sai kh¸c 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. W(k) lµ ®é réng m· nhÞ ph©n. Sai sè INL vµ DNL th­êng ®­îc biÓu diÔn b»ng ®¬n vÞ bit träng sè nhá nhÊt (LSB - Least Significant Bits), víi LSB = Q. Sai sè phi tuyÕn tÝch ph©n biÓu diÔn theo LSB cã gi¸ trÞ : 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 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) 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 ADC ®ã ®­îc gäi lµ cã 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.