ADC

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
ADC 4 kênh ghép WM8775SEDS của Wolfson Microelectronics đặt trong card Sound Blaster X-Fi Fatal1ty Pro.

ADC hay Mạch chuyển đổi tương tự ra số hay Analog-to-digital converter, là một linh kiện bán dẫn thực hiện chuyển đổi một đại lượng vật lý tương tự liên tục nào đó (thường là điện áp) sang giá trị số biểu diễn độ lớn của đại lượng đó.[1] Để thuận tiện mô tả, sau đây coi mặc nhiên tín hiệu vào là điện áp.

Sự chuyển đổi liên quan đến việc lượng tử hóa tín hiệu ngõ vào, do đó nhất thiết mắc một lượng lỗi. Thay vì làm một chuyển đổi duy nhất, ADC thực hiện việc chuyển đổi theo định kỳ gọi là "mẫu" ngõ vào (sample). Kết quả là một quá trình thời gian liên tục (continuous-time) và giá trị liên tục (continuous-amplitude) được chuyển đổi sang dãy số rời rạc về cả hai thứ đó.[2] Như vậy nó có hai đặc trưng quan trọng nhất liên quan đến độ phân giải hai chiều:

  • Nhịp lấy mẫu là khoảng thời gian giữa hai lần thực hiện số hóa, hoặc nghịch đảo của nó là tần số số hóa.
  • Bậc số hóa là số bit xác định số mức số hóa cho dải giá trị điện áp danh định. Hệ M bit2M mức cho tín hiệu đơn cực, chỉ dương hoặc chỉ âm. Nếu là tín hiệu song cực, phải dành 1 bit dấu, và do mức 0 bị dính nên hệ cho ra 2M-1-1 mức.

Dải giá trị điện áp danh định nầy được gọi là dải động. Điện áp lớn hơn thì gây tràn (overflow).

Lý thuyết về số hóa các quá trình tương tự không nêu ở đây. Điểm chú ý là tác động của hiện tượng Aliasing đến đặc trưng số hóa, và nó dẫn đến đòi hỏi tần số số hóa phải lớn hơn trên gấp đôi tần cực đại của băng tần tín hiệu trong các nhu cầu thông thường, còn trong nhu cầu kỹ thuật thì là gấp 4, ví dụ phải dùng 1 KHz để số hóa tín hiệu có băng tần 10–250 Hz.

Tại ngõ vào chính của ADC trong chip có thể có phần tử Multiplexer, cho ra ADC đa ngõ vào hay ADC đa kênh. Trước đây giá thành ADC cao, nên đã bố trí 8 đến 64 ngõ vào. Hiện nay xuất hiện các chip chỉ bố trí 1, 2 hoặc 4 ngõ vào.

Mạch DAC (Digital-to-analog converter) thực hiện hoàn nguyên tín hiệu số hóa.

Nguyên lý hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]

Flash ADC
Biến đổi ADC 8 mức, M = 3 bit

Flash ADC[sửa | sửa mã nguồn]

Flash ADC là dạng đơn giản nhất, thực hiện bằng dãy điện trở phân áp và các comparator điện áp. Nó là minh hoạ nhập đề cho hoạt động của ADC. Trong hình vẽ là ADC 16 mức "không âm", thực hiện bẳng 15 comparator. Kết quả so được mạch lập mã Encoder tiếp nhận và chuyển sang mã nhị phân, trong trường hợp này là 4 bit.

  • Nhịp lấy mẫu do phần nhận mã tự quyết định, và có thể đạt rất cao.
  • Thay cho Bậc số hóa phải dùng mức số hoá (nếu số mức không trùng vào số 2M).

ADC xấp xỉ nối tiếp[sửa | sửa mã nguồn]

ADC xấp xỉ nối tiếp (successive-approximation)

Ramp-compare ADC[sửa | sửa mã nguồn]

Ramp-compare ADC

ADC tích phân sườn đôi hoặc đa sườn[sửa | sửa mã nguồn]

Tích phân sườn đôi hoặc đa sườn (dual-slope, multi-slope) ADC

ADC mã hoá delta[sửa | sửa mã nguồn]

ADC Mã hoá delta (delta-encoded ADC or counter-ramp)

ADC sigma-delta[sửa | sửa mã nguồn]

ADC sigma-delta

Các đặc trưng hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]

ADC dấu phảy tĩnh[sửa | sửa mã nguồn]

Các ADC thông thường nêu ở mục trên thực hiện số hóa với các mức tín hiệu cách đều, và cho ra kết quả là số integer nhị phân, biểu diễn giá trị tín hiệu. Nó được gọi là kiểu dấu phảy tĩnh. Tuy nhiên thuật ngữ "dấu phảy tĩnh" không cần nhắc tới nếu không có nhu cầu phân biệt.

Ví dụ ADC 16 bit nhị phân cho ra giá trị mã từ -16383 đến +16383, lỗi xấp xỉ tín hiệu là ≈10−5, đáp ứng tốt nhu cầu số hoá âm nhạc thông thường. Trong ứng dụng âm nhạc thì không cần quan tâm giá trị tuyệt đối phải là chính xác, nên việc thích ứng với cường độ âm thanh thực hiện bằng chỉnh chiết áp khuếch đại là đủ.

Trong đo lường hay ứng dụng cần giá trị chính xác, thì ADC này chỉ đáp ứng dải động xác định.

ADC dấu phảy động[sửa | sửa mã nguồn]

Trong các thiết bị đo lường có dải động rộng thì sử dụng ADC dấu phảy động. Kiến trúc của ADC nầy gồm có hai phần:

  1. Tiền khuếch đại có độ khuếch điều khiển nhị phân, với số bit điều khiển là số bit đặc tính của kết quả.
  2. ADC dấu phảy tĩnh, có số bit chính là số bit định trị của kết quả.

Hoạt động của ADC nầy có hai kỳ. Kỳ 1, xác định bit đặc tính để tiền khuếch đại cho ra tín hiệu có độ lớn trong dải động của ADC chính, trong đó giá trị đặc tính cao thì độ khuếch thấp. Kỳ 2, ADC chính số hóa.

Các lỗi đặc trưng[sửa | sửa mã nguồn]

Lỗi nhảy sai mức: quá rộng hay quá cao
  • Đặc trưng biến đổi phi tuyến
  • Trôi điểm không do trôi phông của các phần tử tuyến tính trong hay ngoài chip.
  • Nhảy sai mức hiện ra ở dạng quá rộng hay quá cao, do ảnh hưởng nhiễu và dải bất định ở mức ngưỡng so sánh gây ra.
  • Lỗi lệch thời hay "skew", xảy ra ở ADC ghép kênh. ADC ghép kênh phải tuần tự biến đổi cho các tín hiệu vào, nên tín hiệu vào được lấy mẫu không cùng thời điểm. Một số thiết bị đã bố trí microprocessor tính hiệu đính skew để đưa về cùng thời điểm.
  • Lỗi Aliasing: khi bộ lọc cắt tần cao không đủ mạnh, các nhiễu tần số cao lọt vào.

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

ADC là một trong những phần tử phổ biến, có mặt trong tất cả các thiết bị kỹ thuật số tiếp nhận thông tin từ các cảm biến analog. ADC cũng thường được tích hợp với cảm biến và đặt ngay tại đầu thu, truyền dữ liệu dạng số về khối xử lý. Nó đảm bảo sự ưu việt là dữ liệu trung thực, truyền đưa dễ dàng và xử lý thuận tiện.[3]

Các nhóm[sửa | sửa mã nguồn]

  • ADC nhanh, dấu phảy tĩnh và số bit thấp, cỡ 8-12 bit, dùng cho biến đổi tín hiệu video, radar, cảm biến CCD,...
  • ADC âm thanh, dấu phảy tĩnh và số bit trung bình, dùng trong thiết bị âm thanh.
  • ADC kỹ thuật, dấu phảy tĩnh hoặc động, số bit cỡ 24-32, dùng trong thiết bị đo lường tín hiệu, ví dụ ADC 24-bit 2.5 MHz AD7760.
  • ADC đo lường đơn giản cho ra số BCD với 3-5 digit không kể dấu, ví dụ ICL7135. Một số chip tích hợp với mạch "giải mã 7 thanh" để hiện số bằng LED hay màn hiện LCD như ICL7106, ICL7107. Chúng được dùng trong máy đo thông dụng, như Multimeter hiện số, có bán ngoài chợ Nhật Tảo.

Lĩnh vực[sửa | sửa mã nguồn]

  • Đo đạc trong vật lý, hóa học, sinh học, y học, đo lường điện,...
  • Âm nhạc, hình ảnh, truyền hình truyền thông,...
  • Thông tin liên lạc, thiết bị dân sinh,...

Flash ADC được tạo ra khá sớm, dùng cho hiện cường độ âm thanh bằng dãy LED trong máy hát nhạc, ví dụ IC LM3914.

Oversampling[sửa | sửa mã nguồn]

Do công nghiệp chế tạo cho ra ADC nhanh và rẻ, nên chỉ tiêu tần số số hóa của chip thường cao hơn nhu cầu của mạch ứng dụng. Mặt khác, mạch ứng dụng thường thiết kế với nhiều nhịp số hóa chọn được. Nhằm khai thác tối đa năng lực ADC và tránh phải bố trí mạch lọc anti-alias cho mỗi mức nhịp số hóa, kỹ thuật Oversampling được vận dụng.

Nội dung của kỹ thuật Oversampling là, tín hiệu được số hóa ở tần cao hơn K lần tần yêu cầu làm việc, sau đó kết quả được xử lý bằng "kỹ thuật lọc số", rồi cộng chúng lại theo bước số hóa yêu cầu.[4]

Giải thich về ngưỡng và độ phân giải Oversampling

Kết quả cộng cho ra độ phân giải cao hơn độ phân giải danh định ∆V của chip, ví dụ đạt được mức 20 bit bằng ADC 16 bit, tức là tăng 4 bit. Nếu cộng K số lại (cộng không có phủ chồng) thì gia tăng bit cao nhất là cỡ log2(K)/2, tuy nhiên độ phân giải thực tế bị chặn bởi độ rộng của dải bất định của comparator khi chuyển mức giữa hai mức kề nhau, và tùy thuộc chất lượng của chip sử dụng.[5]

Trường hợp ADC lý tưởng thì ngưỡng phân biệt ra mức tín hiệu L và L+1 ∆V nằm ở giữa. Trong thực tế comparator có dải bất định là δV, giá trị tín hiệu rơi vào dải δV sẽ cho ra hoặc là L hoặc là L+1. Oversampling dùng chip có độ phân giải ∆V thì đạt độ phân giải cao nhất là cỡ δV. Song nếu quan sát tín hiệu DC hoặc biến đổi quá chậm, thì ví dụ tín hiệu DC vào ở mức L + 0,7 ∆V, kết quả số hóa sẽ luôn là L+1, Oversampling không tăng được cái gì cả. Để khắc phục thì người ta đưa vào một lượng nhiễu răng cưa nhỏ biết trước, và loại đi trong kết quả cộng.

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Walden R. H., 1999. Analog-to-digital converter survey and analysis. IEEE Journal on Selected Areas in Communications 17 (4), p. 539–550. doi:10.1109/49.761034
  2. ^ ADC and DAC Glossary - Maxim
  3. ^ Rudy J. van de Plassche: CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters. 2nd edition. Kluwer Academic, Boston 2003, ISBN 1-4020-7500-6
  4. ^ Nauman Uppal (2004). "Upsampling vs. Oversampling for Digital Audio". Retrieved 2/12/2015.
  5. ^ "Improving ADC Resolution by Oversampling and Averaging". Silicon Laboratories Inc. Retrieved 2/12/2015.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]