Chương 1 Tổng quan: Trình bày tổng quan về ngành vi mạch bán dẫn, bộ chuyển đổi ADC, nêu rõ được mục tiêu nghiên cứu, tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước và các nội dung thực hiện của đề tài. Từ đó định hướng phát triển ở các chương sau. • Chương 2 Cơ sở lý thuyết: Trình bày tổng quan về ưu và nhược điểm của các loại ADC, các kỹ thuật và các tham số đánh giá chất lượng của Delta-Sigma ADC và tổng quan về từng thành phần có trong bộ Modulator của Delta-Sigma ADC. • Chương 3 Thiết kế hệ thống: Thực hiện thiết kế bộ Modulator bậc 1 dựa trên biểu thức toán học trên miền Z.
Trình bày nguyên lý hoạt động dựa trên sơ đồ chi tiết đã thiết kế. •Chương 4 Kết quả mô phỏng: Trình bày kết quả của từng thành phần trong bộ Modulator, đánh giá chất lượng của bộ Modulator thông qua việc mô phỏng, tính toán các tham số như: SNR, ENOB, công suất, độ trễ, và lựa chọn băng thông và phạm vi tần số lấy mẫu phù hợp dựa trên kết quả đạt được để phù hợp với ứng dụng trong thực tế. • Chương 5 Kết luận và hướng phát triển: Kết luận đề tài với những kết quả đạt được, nêu lên nêu lên những đóng góp của sinh viên trong đề tài, những mặt hạn chế về cấu trúc đã thiết kế và hạn chế về phần mềm mô phỏng so với mục tiêu đã đặt ra và đề ra phương hướng phát triển đề tài trong tương lai. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này, sinh viên thực hiện đề tài trình bày tổng quan về ưu điểm và hạn chế của các loại ADC, các kỹ thuật và các tham số đánh giá chất lượng của Delta-Sigma ADC và tổng quan về từng thành phần có trong bộ Modulator của Delta-Sigma ADC.1 Tổng quan về bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Với sự phát triển của công nghệ số, bộ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số đang phát triển theo hướng tiêu thụ ít năng lượng, tốc độ cao và độ phân giải cao.
Dựa trên điều này, tính đa chức năng và tính tương thích với máy tính và các mạng truyền thông cũng là những phần quan trọng cần được thiết kế. Chúng được sử dụng rộng rãi trong đa phương tiện, truyền thông, tự động hóa, dụng cụ đo lường và các lĩnh vực khác. Có các yêu cầu khác nhau trong các ứng dụng khác nhau. Ví dụ, các yêu cầu về tốc độ, năng lượng, kênh và cấu hình mà có từng phương pháp tối ưu tương ứng cho mỗi loại ADC.
Một loạt các thiết kế xuất hiện để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của các ứng dụng thực tế. Các công nghệ này tiếp tục cải thiện tốc độ và độ chính xác của các ADC hiện tại. Với yêu cầu về ứng dụng đa dạng, nhiều mạch điện đã được phát triển để triển khai các bộ chuyển đổi tương tự sang số(ADC), với các loại như Flash, Successive Approximation, pipeline và Delta-Sigma là những loại phổ biến nhất. Mỗi loại triển khai mang lại một loạt các thông số kỹ thuật khác nhau, và luôn có sự đánh đổi giữa độ phân giải và tần số lấy mẫu.
Với ADC Delta-Sigma (ΣΔ) thường đạt được độ phân giải cao với tần số lấy mẫu thấp, trong khi các ADC Pipeline và Flash thường đạt được độ phân giải thấp với tần số lấy mẫu cao. Điều này phản ánh sự đa dạng và linh hoạt của các ADC trong việc đáp ứng các yêu cầu cụ thể của các ứng dụng khác nhau, từ y tế đến viễn thông và nhiều lĩnh vực khác. Trong việc đưa ra quyết định về việc sử dụng loại ADC nào cho một ứng dụng cụ thể, việc hiểu rõ về các đặc điểm và ưu nhược điểm của từng loại là vô cùng quan trọng. Điều này giúp đảm bảo rằng hệ thống sẽ đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác, tốc độ và tiêu thụ năng lượng một cách hiệu quả nhất.2 Các cấu trúc của bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 2.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số cấu trúc Integrating a.
Tổng quan Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số dựa trên cấu trúc Integrating là một loại bộ chuyển đổi trong đó tín hiệu tương tự được cộng đồn trong một khoảng thời gian cố định trước khi được chuyển đổi thành tín hiệu số. Từ "Integrating" có nghĩa là cộng dồn tín hiệu đầu vào. Nó cộng hoặc kết hợp tín hiệu đầu vào trong một khoảng thời gian cố định để tạo ra một giá trị phù hợp với đầu vào. Sau đó, giá trị này sau khi được cộng dồn được chuyển đổi thành tín hiệu số.
Bộ chuyển đổi tương tự sang số cấu trúc Integrating là loại bộ chuyển đổi phổ biến nhất trong tất cả các loại bộ chuyển đổi.1 mô tả cấu trúc của bộ chuyển đổi.1: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số cấu trúc Integrating Bộ chuyển đổi tương tự sang số cấu trúc Integrating bao gồm một bộ tích hợp tương tự với công tắc đầu vào, một bộ so sánh và một bộ đếm. Bộ tích hợp tính toán tích phân của điện áp đầu vào trong một khoảng thời gian cố định thường tương ứng với số lượng tối đa các đơn vị đếm nội bộ. Bộ đếm sẽ được đặt lại và đầu vào của bộ tích hợp được kết nối với điện áp tham chiếu cực ngược (âm) ở 8 mỗi khoảng thời gian. Dưới tác động của tín hiệu cực ngược, bộ tích hợp sẽ hoạt động cho đến khi đầu ra trở thành không.
Sau đó, bộ đếm sẽ dừng lại và bộ tích hợp sẽ được đặt lại. Tốc độ lấy mẫu và băng thông của bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tích hợp đều rất thấp, nhưng độ chính xác của nó cao có thể hạn chế được nhiễu ở tần số cao và nhiễu cố định tần số thấp như 50 Hz hoặc 60 Hz. Thường được sử dụng trong môi trường công nghiệp và các ứng dụng không yêu cầu tính chuyển đổi cao. Do đó, bộ chuyển đổi này có những ưu điểm về độ phân giải cao, tiêu thụ công suất thấp và giá thành thấp.
Nhược điểm của nó là tốc độ chuyển đổi thấp. Khi độ chính xác chuyển đổi đạt 12 bit, tốc độ chuyển đổi của nó sẽ khoảng 100-300 sps. Ưu điểm Với độ chính xác cao, bộ chuyển đổi này thường được ứng dụng yêu cầu về tính chính xác nhưng không yêu cầu tốc độ chuyển đổi nhanh. Độ phân giải cao: Một trong những ưu điểm đáng kể của bộ chuyển đổi này là độ phân giải cao.
Cho phép các phép toán đo lường 1 cách chính xác. Độ phân giải cao này hữu ích trong các ứng dụng nơi các thay đổi nhỏ trong tín hiệu đầu vào phải được nắm bắt chính xác. Loại bỏ nhiễu: Bộ chuyển đổi tương tự sang số cấu trúc Integrating vượt trội trong việc loại bỏ nhiễu, đặc biệt là khi tần số nhiễu trùng với bội số nguyên của nghịch đảo thời gian tích hợp. Sự hiệu quả này bắt nguồn từ kỹ thuật dual- slope, trong đó nhiễu được làm mịn trong quá trình tích hợp, giảm đáng kể tác động của nó đối hoạt động của bộ chuyển đổi.
Độ tuyến tính cao: Độ tuyến tính của bộ chuyển đổi tương tự sang số cấu trúc Integrating rất nổi bật vì quá trình chuyển đổi bao gồm một ramp tuyến tính và đo thời gian, cả hai đều có thể được kiểm soát chính xác. Do độ tuyến tính tốt của bộ chuyển đổi, đầu ra tỉ lệ thuận trực tiếp với đầu vào. Hạn chế 9 Tốc độ chuyển đổi thấp, mặc dù thời gian tích hợp lâu hơn có thể mang lại độ phân giải cao và khả năng chống nhiễu tốt hơn, nhưng điều này đi kèm với việc giảm tốc độ chuyển đổi. Điều này làm cho bộ chuyển đổi tương tự sang số cấu trúc Integrating không phù hợp cho các ứng dụng chuyển đổi ở tốc độ cao.
Ứng dụng Đồng hồ đo kỹ thuật số và các thiết bị đo lường: Các thiết bị đo kỹ thuật số (DMMs) là các thiết bị linh hoạt được sử dụng để đo điện áp, dòng điện và điện trở. Chúng là một trong những ứng dụng phổ biến nhất cho các bộ chuyển đổi tương tự sang số cấu trúc Integrating. Độ phân giải và độ chính xác cao của các bộ chuyển đổi này là rất quan trọng cho DMMs, nơi các đo lường chính xác là rất quan trọng.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số cấu trúc Successive Approximation a. Tổng quan Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số dựa trên cấu trúc Successive Approximation được sử dụng rộng rãi trong phương pháp chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.
Nguyên tắc hoạt động của nó là thuật toán tìm kiếm nhị phân, một loại quy trình chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Thực hiện việc so sánh các điện áp tham chiếu khác nhau với tín hiệu tương tự cần chuyển đổi nhiều lần. Sau đó, nó làm cho các giá trị số sau khi chuyển đổi tiếp tục tiệm cận các giá trị tương ứng đầu vào.2: Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số cấu trúc Successive Approximation Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số dựa trên cấu trúc Successive Approximation được cấu tạo từ bộ so sánh, bộ chuyển đổi DAC, bộ tạo xung, thanh ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR) và mạch điều khiển logic như trong Hình 2. Nó thực hiện việc lấy mẫu tín hiệu đầu vào để liên tục so sánh với điện áp được cung cấp.
Sau đó, tín hiệu được chuyển đổi thành một số nhị phân. Như minh họa Hình 2.2, bộ chuyển đổi này lưu trữ bit MSB của DAC trong SAR. Sau đó, điện áp của MSB được so sánh với điện áp đầu vào. Sau đó, đầu ra của bộ so sánh sẽ được trở lại DAC để điều chỉnh nó trước khi so sánh tiếp theo.
Do mạch điều khiển logic và bộ tạo xung, SAR liên tục thực hiện các phép so sánh và dịch các thao tác cho đến khi quá trình chuyển đổi của bit LSB được hoàn thành. Tại thời điểm này, đầu ra của DAC xấp xỉ với bit LSB của điện áp đầu vào. Sau khi mỗi bit được xác định, kết quả chuyển đổi được lưu trữ trong SAR là đầu ra của ADC. Các đặc điểm của quá trình chuyển đổi này là tốc độ chuyển đổi cao có thể đạt đến 1 Msps và chi phí thấp khi độ phân giải ít hơn 12 bit.
Nhưng quá trình chuyển đổi này cần một mạch chuyển đổi từ tín hiệu số thành tín hiệu tương tự để đảm bảo độ chính xác của ADC này không quá cao.