Chương 1. Tổng Quan Đề Tài: Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài và tình hình nghiên cứu, đối tượng và phạm vi của đề tài. Cơ Sở Lý Thuyết: Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ADC, các mô hình và cách giao tiếp của ADC. Tổng quan đề tài - Chương 3.
Tính Toán Và Thiết Kế: Xây dựng hệ thống bằng công nghệ CMOS trên phần mềm Cadence. Kết Quả - Nhận Xét - Đánh Giá: Trình bày về những kết quả đã được sau quá trình nghiên cứu và đánh giá so với mục tiêu ban đầu. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm. Kết Luận Và Hướng Phát Triển: Trình bày những kết quả mà đồ án đã đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.
Cơ sở lý thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về chuyển đổi tương tự sang số 2.1 Phép biến đổi tương tự sang số Phép biến đổi tương tự sang số hay còn gọi tắt là ADC, là một phép chuyển đổi điện áp đầu vào ở dưới dạng tín hiệu tương tự thành các tín hiệu có giá trị số và tỉ lệ với nhau.1: Sơ đồ khối chung của phép biến đổi tương tự sang số Nguyên tắc làm việc: Đầu tiên là tín hiệu tương tự từ ngõ vào sẽ được đưa qua mạch lấy mẫu, ở đây tín hiệu tương tự sẽ được lấy mẫu sau đó rời rạc tín hiệu đó theo thời gian nhưng không làm thay đổi biên độ của tín hiệu đó.2: Đồ thị thời gian tín hiệu vào và ra của mạch lấy mẫu 5 Chương 2. Cơ sở lý thuyết Tín hiệu ngõ ra từ mạch lấy mẫu sẽ chuyển đến bộ phận lượng tử hóa để làm Q tròn giá trị với độ chính xác là ±. Mạch này có chức năng rời rạc tín hiệu đó theo 2 biên độ. Tín hiệu tương tự được biểu diễn bởi một số nguyên lần mức lượng tử: X XAi ∆XAi ZDi = int Ai = - (2.1) Q Q Q Trong đó: ZDi: là tín hiệu số tại thời điểm i XAi: là tín hiệu tương tự tại thời điểm i Q: là mức lượng tử ∆XAi: là số dư phép đo lượng tử hóa Int: là phần nguyên Sau khi tín hiệu được lượng tử hóa thì được đưa qua mạch mã hóa để sắp xếp lại và mã hóa tín hiệu theo một quy luật nào đó phụ thuộc vào dạng mã được yêu cầu.2 Bộ chuyển đổi tương tự sang số (analog to digital) Bộ chuyển đổi tương tự sang số là thành phần quan trọng cần thiết khi sử dụng các phương pháp kỹ thuật số để xử lý thông tin và chức năng điều khiển.
Vì các tín hiệu thực tế thường ở dạng tương tự, nên cần có bộ tiếp nhận dữ liệu bao gồm các thành phần truyền thông tương tự và kỹ thuật số và bộ xử lý tín hiệu tương tự sang số hoặc ngược lại. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (viết tắt là ADC) thực hiện hai chức năng cơ bản: lượng tử hóa và mã hóa. Bộ chuyển đổi tương tự sang số sẽ nhận tín hiệu từ các thiết bị tương tự ở ngõ vào, sau đó mất khoảng thời gian cho ra mã số ở ngõ ra có giá trị tương ứng với tín hiệu ngõ vào. Vì vậy quá trình này rất phức tạp và mất nhiều thời gian hơn so với quá trình của bộ chuyển đổi số sang tương tự (DAC) và có nhiều cấu trúc khác nhau.
Cơ sở lý thuyết Bảng 2.1: Các đặc điểm của các loại ADC thường dùng ADC ADC xấp xỉ STT Đặc trưng Flash ADC Wilkinson liên tiếp 1 Tốc độ chuyển đổi Nhanh Chậm Trung bình Khả năng nhận số đếm 2 Cao Thấp Trung bình (cps) 3 Thời gian chết Lớn Lớn vừa Nhỏ Độ phân giải năng 4 Kém Tốt Khá tốt lượng, FWHM (KeV) 5 Kiểu biến đổi Song song Nối tiếp Song song 2.3 Chức năng của ADC Bộ ADC được dùng để đo biên độ cực đại của xung ở dạng tương tự và chuyển đổi giá trị đó thành giá trị số nhị phân “0” và “1”. Ngõ ra tín hiệu dạng số tỷ lệ với biên độ tương tự ở ngõ vào của ADC. Đối với các xung tới tuần tự, ngõ ra dạng số từ ADC được kết nối với một bộ nhớ chuyên dụng hoặc một máy tính và được sắp xếp thành một biểu đồ, biểu đồ này thể hiện phổ của ngõ vào tương ứng với biên độ xung[1]. Tín hiệu tương tự ngõ vào bộ biến đổi ADC được cấp từ ngõ ra bộ khuếch đại phổ kế.
Thông qua các chức năng của bộ khuếch đại, chẳng hạn như chọn lựa cực tính, hình thành xung, hồi phục đường cơ bản hoặc chống hiệu ứng chồng chập, tín hiệu tương tự sẽ được bộ ADC biến đổi thành giá trị số nhị phân, tức là được lượng tử hoá[2]. Chữ số BCD này được khối xử lý đa kênh thu nhận và gửi dữ liệu đến máy tính nhằm hình thành phổ bức xạ.2 Các tham số cơ bản của ADC 2.1 Tín hiệu vào và ra Bộ chuyển đổi tương tự sang số có tỷ lệ thuận, do đó tín hiệu đầu vào tương tự được chuyển đổi thành phân số X bằng cách so sánh nó với tín hiệu tham chiếu, Vref. Đầu ra của ADC là phần mã này. Sai số ở tín hiệu Vref gây ra sai số ở mức đầu ra nên Vref phải được điều chỉnh để giữ cho hệ thống ổn định nhất có thể.
Cơ sở lý thuyết Hình 2.3: Quan hệ tín hiệu vào ra của các khối ADC Nếu mã đầu ra của bộ chuyển đổi ADC là n bit thì số mức đầu ra rời rạc là 2n. Về mối quan hệ tuyến tính, tần số đầu vào phải được lượng tử hóa theo mức này và mỗi mức này là một tín hiệu tương tự được phân biệt bằng hai mã liên tiếp. Đây là kích thước của tín hiệu LSB (Least Significant Bit).2) Trong đó : Q = VLSB : Gọi là mức lượng tử. LSB : bit có trọng số thấp nhất.
VAM = FS : là giá trị lớn nhất cho phép của điện áp tương tự. Với sai số của lượng tử hóa được xác định như sau: Q ∆VQ = (2.3) 2 Để hệ thống số hoạt động chính xác thì khi chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số phải thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu tương tự. Để đảm bảo khôi phục lại được tín hiệu một cách trung thực nhất thì tần số lấy mấy fM phải thỏa mãn điều kiện thoe định lí Nyquist: fM ≥ 2 fth max ≅ 2B (2.4) fth max: tần số cực đại của tín hiệu B: dải tần số của tín hiệu 8 Chương 2. Cơ sở lý thuyết Mã bao gồm các giá trị lượng tử Q tương tự nhau, tương ứng với giá trị trung bình của lượng tử gọi là ngưỡng.
Ngoài ra, các giá trị analog trong phạm vi ngưỡng có sai số ±1/2 LSB nhưng được biểu thị bằng cùng một giá trị mẫu, gọi là lỗi lượng tử hóa. Một cách khác để giảm lỗi này là sử dụng ADC để tăng số bit trong mã đầu ra.4: Quan hệ vào ra các tín hiệu Chú thích: Vd: Ngõ ra của bộ ADC Va (FS): Ngõ vào của tương tự : Mức lượng tử Tín hiệu tương tự Va được biểu diễn dưới dạng bậc thang đều tương ứng với các giá trị số ngõ ra rời rạc SD và thường được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân: SD = bn-1 2n-1 + bn-2 2n-2 +…+ b020 (2.5) Trong đó: bk = 0 hoặc 1; với k = 0 → k = n – 1, được gọi là bit bn-1: là bit có trọng số cao nhất (Most Significant Bit – MSB). Với mỗi thay đổi của MSB tương ứng với sự biến đổi của nửa dải làm việc. Cơ sở lý thuyết b0 : là bit có trọng số thấp nhất (Least Significant Bit – LSB).
Với mỗi thay đổi của LSB tương ưng với sự biến đổi của một mức lượng tử. Một mức lượng tử bằng một bậc của hình bậc thang.2 Độ phân giải Độ phân giải là số bit cần thiết để chứa tất cả các mức giá trị số ở đầu ra. Ví dụ: mạch có 8 giá trị đầu ra cần 3 bit nhị phân để mã hóa tất cả các giá trị đó, do đó mạch chuyển đổi ADC có 7 bộ so sánh có độ phân giải 3 bit. Độ phân giải càng cao thì kết cấu càng mịn.
Ví dụ: nếu mạch có bốn bộ so sánh, đầu ra tín hiệu số sẽ có năm mức giá trị. Tương tự, nếu có 7 bộ so sánh trong mạch thì sẽ có 8 mức giá trị số ở đầu ra. Khoảng cách giữa các mức tín hiệu với 8 mức nhỏ hơn so với 4 mức. Nói cách khác, nếu có bảy bộ so sánh trong mạch chuyển đổi, các giá trị tín hiệu số ở đầu ra sẽ đồng đều hơn so với khi chỉ có bốn bộ so sánh.
Độ phân giải phụ thuộc vào chất lượng chuyển đổi ADC. Lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác và khả năng xử lý cần thiết của bộ điều khiển. Ví dụ: để tạo mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n-bit, bạn cần bộ so sánh 2n - 1. Nếu độ phân giải của bộ chuyển đổi ADC cao thì giá trị này có thể rất lớn.
Do đó, độ phân giải chuyển đổi flash ADC của bộ chuyển đổi thường nhỏ hơn 8 bit.3 Độ chính xác Độ chính xác của bộ ADC bao gồm độ phân biệt, độ méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không và sai số đơn điệu. Cơ sở lý thuyết Hình 2.5: Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD Về độ phân biệt, nó được đặc trưng bởi số bit N. Ví dụ một ADC có số bit ở đầu ra là N thì có thể phân biệt được 2N mức trong dải điện áp vào của nó. Độ phân biệt được ký hiệu là Q và theo công thức: Q = VLSB = VAM/(2N – 1) (2.6) Cùng một ADC nhưng sử dụng ở các mức điện áp khác nhau tùy theo nhu cầu của người dùng.
Ví dụ: Người A muốn sử dụng ADC để chuyển đổi điện áp trong phạm vi 0 đến 1 V, nhưng Người B không muốn sử dụng ADC. Tôi muốn sử dụng nó với điện áp từ 0 V đến 5 V. Nếu hai người này cùng sử dụng một bộ chuyển đổi ADC và đều có thể chuyển đổi được điện áp 5 V thì anh A đang “lãng phí” độ chính xác của thiết bị [3]. Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu – Vref.
Điện áp tham chiếu là giá trị điện áp tối đa mà ADC có thể chuyển đổi.