Các bước chuyển đổi AD

- Định lý lấy mẫu

Đối với tín hiệu tương tự V_I thì tín hiệu lấy mẫu V_S sau quá trình lấy mẫu có thể khôi phục trở lại V_I một cách trung thực nếu điều kiện sau đây thỏa mản:

f_S  2f_Imax       (10)

                 f_Imax  : là giới hạn trên của giải tần số tương tự

Hình 6.9 biểu diển cách lấy mẫu tín hiệu tương tự đầu vào. Nếu biểu thức (10) được thỏa mản thì ta có thể dùng bộ tụ lọc thông thấp để khôi phục V_I từ V_S.

Vì mỗi lần chuyển  đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần có một thời gian nhất định nên phải nhớ mẫu trong một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy mẫu. Điện áp tương tự đầu vào được thực hiện chuyển đổi A/D trên thực tế là giá trị VI đại diện, giá trị này là kết quả của mỗi lần lấy mẫu.

H6.9

- Lượng tử hóa và mã hóa:

Tín hiệu số không những rời rạc trong thời gian mà còn không liên tục trong biến đổi giá trị. Một giá trị bất kỳ của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn. Nghĩa là nếu dùng tín hiệu số biểu thị điện áp lấy mẫu thì phải bắt điện áp lấy mẫu hóa thành bội số nguyên lần giá trị đơn vị. Quá trình này gọi là lượng tử hóa. Đơn vị được chọn theo qui định này gọi là đơn vị lượng tử, kí hiệu D. Như vậy giá trị bit 1 của LSB tín hiệu số bằng D. Việc dùng mã nhị phân hiển thị giá trị tín hiệu số là mã hóa. Mã nhị phân có được sau quá trình trên là tín hiệu đầu ra của chuyên đổi A/D.

- Mạch lấy mẫu và nhớ mẫu:

Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, tiến trình biến đổi có thể bị tác động ngược nếu điện thế tương tự thay đổi trong tiến trình biến đổi. Ta có thể cải thiện tính ổn định của tiến trình chuyển đổi bằng cách sử dụng mạch lấy mẫu và nhớ mẫu để ghi nhớ điện thế tương tự không đổi trong khi chu kỳ chuyển đổi diễn ra. Hình 6.10 là một sơ đồ của mạch lấy mẫu và nhớ mẫu.

H6.10

Khi đầu vào điều khiển = 1 lúc này chuyển mạch đóng mạch ở chế độ lấy mẫu.

Khi đầu vào điều khiển = 0 lúc này chuyển mạch hở mạch chế độ giữ mẫu.

Chuyển mạch được đóng một thời gian đủ dài để tụ C_h nạp đến giá trị dòng điện của tín hiệu tương tự. Ví dụ nếu chuyển mạch được đóng tại thời điểm t0 thì đầu ra A₁ sẽ nạp nhanh tụ C_h lên đến điện thế tương tự V₀. khi chuyển mạch mở thì tụ Ch sẽ duy trì điện thế này để đầu ra của A₂ cung cấp mức điện thế này cho ADC. Bộ khuếch đại đệm A₂ đặt trở kháng cao tại đầu vào nhằm không xả điện thế tụ một cách đáng kể trong thời gian chuyển đổi của ADC do đó ADC chủ yếu sẽ nhận đựơc điện thế DC vào, tức là V₀.

Trong thực tế người ta sử dụng vi mạch LF198 (hình 5.19) là mạch S/H tích hợp có thời gian thu nhận dữ liệu tiêu biểu là 4ms ứng với Ch = 1000pF, và 20ms ứng với C_h = 0.01mF. Tín hiệu máy tính sau đó sẽ mở chuyển mạch để cho phép C_h duy trì giá trị của nó và cung cấp mức điện thế tương tự tương đối ổn định tại đầu ra A₂.

6. 
   ADC dạng sóng bậc thang:
   

1. 
   Sơ đồ khối:
   

Hình 6.11 là sơ đồ biểu diễn một ADC dạng sóng bậc thang.

Các thành phần của DAC dạng sóng bậc thang hình 6.11 gồm: một bộ đếm, một DAC, một bộ so sánh tương tự, một cổng NAND 3 ngõ vào điều khiển. Đầu ra của bộ so sánh dùng làm tín hiệu (End Of Conversion – kết thúc chuyển đổi).
H6.11

1. 
   Hoạt động của bộ ADC dạng sóng bậc thang:
   

Xung Khởi Động được đưa vào để Reset bộ đếm về 0. Mức cao của xung Khởi Động cấm không cho xung nhịp đi qua cổng AND vào bộ đếm.

Nếu đầu của DAC toàn bit 0 thì đầu ra của DAC sẽ là V_AX = 0V. Vì V_A>V_AX nên đầu ra bộ so sánh sẽ lên mức cao.

Khi xung Khởi Động về thấp thì cổng AND cho phép xung nhịp đi qua cổng này và vào bộ đếm.

Khi giá trị bộ đếm tăng lên thì đầu ra DAC là V_AX sẽ tăng mỗi lần mỗi bậc, như minh họa hình 6.11.

Tiến trình cứ tiếp tục cho đến khi V_AX lên đến bậc vượt quá V_A một khoảng V_T. Tại thời điểm này ngõ ra của bộ so sánh về thấp và cấm không cho xung nhịp đi vào bộ đếm nên bộ đếm sẽ ngừng đếm.

Tiến trình chuyển đổi hoàn tất khi tín hiệu chuyển từ trạng thái cao xuống thấp và nội dung của bộ đếm là biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào V_A.

Bộ đếm sẽ duy trì giá trị số cho đến khi nào xung Khởi Động kế tiếp vào bắt đầu tiến trình chuyển đổi mới.

1. 
   Độ phân giải và độ chính xác  của ADC dạng sóng bậc thang:
   

Cũng như trong DAC, độ chính xác không ảnh hưởng đến độ phân giải nhưng lại tùy thuộc vào độ chính xác của linh kiện trong mạch như: bộ so sánh, điện trở chính xác và chuyển mạch dòng của DAC, nguồn điện quy chiếu,…Mức sai số = 0.01% giá trị cực đại (đầy thang) cho biết kết quả ra từ ADC có thể sai biệt một khoảng như thế, do các linh kiện không lý tưởng.

Ví dụ:

Giả sử ADC dạng sóng bậc thang ở hình 5.20 có các thông số sau đây: tần số xung nhịp = 1Mz; VT = 0.1mV; DAC có đầu ra cực đại = 10.23V và đầu vào 10 bit. Hãy xác định:

                b. Thời gian chuyển đổi

                c. Độ phân giải của bộ chuyển đổi này

Bài giải:

a. DAC có đầu vào 10 bit và đầu ra cực đại = 10.23V nên ta tính được tổng số bậc thang có thể có là: 210 – 1 = 1023

        Suy ra kích cở bậc thang là:

Dựa trên thông số trên ta thấy V_AX tăng theo từng bậc 10mV khi bộ đếm đếm lên từ 0. vì V_A = 3.728, V_T = 0.1mV nên V_AX phải đạt từ 3.728 trở lên trước khi bộ so sánh chuyển sang trạng thái mức thấp. Như vậy phải có số bậc:

khi đó ở cuối tiến trình chuyển đổi, bộ đếm duy trì số nhị phân tương đương 373₁₀, tức 0101110101. Đây cũng chính là giá trị số tương đương của V_A = 3.728V do ADC này tạo nên.

b. Muốn hoàn tất quá trình chuyển đổi thì đòi hỏi dạng sóng dbậc thang phải lên 373 bậc, có nghĩa 373 xung nhịp áp ào với tốc độ 1 xung trên 1ms, cho nên tổng thời gian chuyển đổi là 373ms.

c. Độ phân giải của ADC này bằng với kích thước bậc thang của DAC tức là 10mV. Nếu tính theo tỉ lệ phần trăm là

1. 
   Thời gian chuyển đổi:
   

Với bộ chuyển đổi N bit, ta có:

                        t_C(max) = (2^N – 1) chu kỳ xung nhịp

ADC ở hình 5.20 sẽ có thời gian chuyển đổi cực đại

                        t_C(max) = (2¹⁰ – 1)x1ms = 1023ms

Đôi khi thời gian chuyển đổi trung bình được quy định bằng ½ thời gian chuyển đổi cực đại.

Với bộ chuyển đổi dạng sóng bậc thang, ta có:

Nhược điểm của ADC dạng sóng bậc thang là thời gian chuyển đổi tăng gấp đôi với từng bit thêm vào bộ đếm. Do vậy ADC loại này không thích hợp với những ứng dụng đòi hỏi phải liên tục chuyển đổi một tín hiệu tương tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số. Tuy nhiên với các ứng dụng tốc độ chậm thì bản chất tương đối đơn giản của ADC dạng sống bậc thang là một ưu điểm so với các loại ADC khác.

6. 
   ADC liên tiếp - xấp xỉ:
   

Hình 6.12 là một cấu hình cơ bản của SAC, tương tự cấu hình của ADC dạng sóng bậc thang. Tuy nhiên SAC không sử dụng bộ đếm cung cấp đầu vào cho DAC mà thay vào đó là thanh ghi. Logic điều khiển sửa đổi nội dung lưu trên thanh ghi theo từng bit một cho đến khi dử liệu ở thanh ghi  biến thành giá trị số tương đương với đầu vào tương tự V_A trong phạm vi độ phân giải của bộ chuyển đổi.

SAC 8 bit có độ phân giải là 20mV. Với đầu vào tương tự là 2.17V, hãy tính đầu ra số tương ứng.

Giải

Số bậc của SAC:

Như vậy ở bậc thứ 108 sẽ có V_AX = 2,16V, bậc 109 có V_AX = 2.18V. SAC luôn sinh đầu ra V_AX  cuối cùng tại bậc thang bên dưới VA. Do vậy, ở trường hợp

So sánh thời gian chuyển đổi của ADC 10 bit có dạng sóng bậc thang và SAC 10 bit. Giả thiết cả hai đều áp dụng tần số xung nhịp 500kHz.

Giải

Với ADC dạng sóng bậc thang, thời gian cực đại sẽ là:

Với SAC, thời gian chuyển đổi luôn bằng 10 chu kỳ xung nhịp tức là

                                            10 x 2ms = 20ms

Vậy đối với SAC thì thời gian chuyển đổi nhanh gấp 100 lần so với ADC dạng sóng bậc thang.

6. 
   ADC nhanh:
   

Hình 6.13 là sơ đồ của một ADC nhanh

ADC nhanh ở hình 6.13 có độ phân giải 3 bit. Kích thước bậc thang là 1V. Bộ chia điện thế thiết lập mức quy chiếu cho từng bộ so sánh để có được 7 mức ứng với 1V ( trọng số của LSB ), 2V, 3V, …7V (đầy thang). Đầu vào tương tự V_A được nối đến đầu vào còn lại của từng bộ so sánh.

Với V_A < 1V thì tất cả đầu ra của bộ so sánh đều lên mức cao. Với V_A > 1V thì từ một đầu ra trở lên sẽ xuống mức thấp. Đầu ra của bộ so sánh được đưa vào bộ mã hoá ưu tiên tích cực ở mức thấp, sinh đầu ra ứng với đầu ra có số thứ tự cao nhất ở mức thấp của bộ so sánh. Lý luận tương tự ta sẽ có được bảng giá trị như bảng bên dưới - Bảng sự thật của ADC nhanh 3 bit hình 6.13

6. 
   Khái niệm về vi mạch nhớ:
   
7. 
   Giới Thiệu:
   

Bộ nhớ cơ khí: hệ thống công tắc hình trống/cam…

Bộ nhớ từ: đĩa cứng, đĩa mềm, băng từ …

Bộ nhớ quang: đĩa CD ROM, băng giấy đục lỗ …

So với các bộ nhớ trên, bộ nhớ bán dẫn có một số ưu điểm như tốc độ xử lý, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng trong điều khiển việc truy xuất dữ liệu...  Trong thực tế khi sử dụng bộ nhớ bán dẫn, người ta thường lưu ý các thông số sau:

Hình 7.1: Bộ nhớ bán dẫn

Các BUS là một tập hợp các dây dẫn được sử dụng để mang tín hiệu đi trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong hệ vi xử lý. Điển hình một máy tính 8 bit có các thanh ghi với độ rộng 8 bit và 8 đường trong 1 BUS dữ liệu. Một máy tính 16 bit có các thanh ghi 16 bit, BUS dữ liệu có 16 đường nếu chỉ dùng dây điện để nối (nối cứng) ta phải tốn rất nhiều đường dây để liên kết giữa các địa điểm lại với nhau như khi đi trên đường, lái xe dù không thông thạo vùng này cứ đi dọc xa lộ là có thể tìm đến địa điểm cần đến. Rõ ràng với một BUS ta có thể liên kết nhiều thiết bị trong hệ vi xử lý lại với nhau.

Dựa vào tính chất thông tin tải trên Bus, người ta phân làm 3 loại chính:

1. 
   Tuyến địa chỉ: đây là bus 1 chiều, được sử dụng để xác định địa chỉ của vùng nhớ trong bộ nhớ bán dẫn, nơi mà bộ nhớ chọn để truy xuất dữ liệu.
   
2. 
   Tuyến điều khiển: đây là bus 1 chiều nhưng hình vẽ tổng quan thì xem như hai chiều. Tuyến này xác định việc đọc hay viết dữ liệu trên bộ nhớ bán dẫn. Cụ thể, dữ liệu được viết vào vùng nhớ được chọn hay từ đó xuất đi. Ngoài ra, cho phép bộ nhớ ngưng làm việc (treo: không dùng đến) cũng do tín hiệu trên tuyến điều khiển này quyết định.
   
3. 
   Tuyến dữ liệu: đây là bus 1 chiều với ROM và là 2 chiều với các bộ nhớ khác, được sử dụng để mang dữ liệu từ vùng nhớ được chọn bởi tuyến địa chỉ trong bộ nhớ đến các thiết bị khác như CPU, ROM, RAM và các cổng nhập/xuất (I/O) trong hệ thống.
   

Dung lượng (Capacity): Nói lên số bit tối đa có khả năng lưu trữ trong bộ nhớ. Ví dụ có một bộ nhớ lưu trữ được 2048 từ 8 bit. Như vậy bộ nhớ có dung lượng của bộ nhớ là 2048 x 8, trong đó đại lượng thứ nhất (2048) là tổng số từ, và đại lượng thứ hai (8) là số bit trong mỗi từ (kích cỡ từ). Số từ trong bộ nhớ thường là bội số của 1024.

Đơn vị chuyển đổi như sau:

1 byte = 8 bit

1Kbyte = 2¹⁰ = 1024 bit

1Mbyte = 20²⁰ = 1,048,576 bit

1Gbyte = 2³⁰ = 1,073,741,824 bit

Ô nhớ (Memory Cell): là phần tử, linh kiện điện tử có khả năng lưu trữ một bit đơn (1 hay 0). Ví dụ như flip – flop (FF), tụ tích điện, một vết trên băng từ.

Từ nhớ (Memory Word): là một nhóm bit trong bộ nhớ biểu diễn các chỉ thị hay dữ liệu thuộc loại nào đó. Ví dụ như thanh ghi gồm 8 Flip-Flop có thể xem như là bộ nhớ có khả năng nhớ 1 từ mã 8 bit. Kích cỡ từ trong một hệ thống điện tử số thường biến thiên trong khoảng 4 đến 64 bit.

7. 
   Hoạt động của vi mạch nhớ:
   

- Chọn đúng địa chỉ vùng nhớ cần đọc hay viết.

- Chọn đúng hoạt động đọc hay viết.

- Cung cấp dữ liệu nhập vào để lưu trữ trong bộ nhớ suốt hoạt động ghi.

- Cho phép (hoặc không cho phép) bộ nhớ đáp ứng (hay không đáp ứng) các đầu vào địa chỉ hay lệnh đọc ghi.

- Lưu trữ dữ liệu xuất ra từ bộ nhớ suốt hoạt động đọc.

Hình 7.2 mô tả một bộ nhớ cơ bản 32x4 lưu trữ 32 từ 4 bit.

H7.2

Vì mỗi từ ở đây là 4 bit nên có 4 đường dữ liệu vào từ I₀ đến I₃ và 4 đường dữ liệu ra từ O₀ đến O₃. Các ngõ vào địa chỉ A₀ đến A₄ và các ngõ điều khiển đọc/ghi.

Vì bộ nhớ chứa 32 từ nên có 32 vị trí lưu trữ khác nhau và có 32 địa chỉ khác nhau biến thiên 00000 đến 11111 ( từ 0₁₀ đến 31₁₀). Hình 7.3 cho thấy cách bố trí các vị trí ô nhớ và địa chỉ.

H7.3

Vì ở đây có 5 đầu vào địa chỉ A₀ đến A₄ nên để truy cập một trong những  vị trí trong bộ nhớ cho các hoạt động đọc hay ghi thì mã địa chỉ 5 bit của vị trí cụ thể được cấp cho đầu vào địa chỉ. Như vậy, với bộ nhớ dung lượng 2^N từ đòi hỏi N đầu vào địa chỉ.

- Ngõ vào :

Đầu vào chi phối hoạt động nào sẽ xảy ra trong bộ nhớ: đọc (R) hay ghi (W).

Hoạt động đọc xảy ra khi = 1 ( R ở mức cao)

Hoạt động viết xảy ra khi = 0 ( W ở mức thấp)

Hình 7.4 minh họa đơn giản hoạt động đọc và ghi.

- Cho phép bộ nhớ (Memory Enable)

Cho phép hay không cho phép các ngõ vào, ra của  bộ nhớ hoạt động.

Ngoài tên ME còn có một tên khác như cho phép chip CE hay chọn lựa chip CS

Đầu vào này tích cực ở mức cao, nghĩa là cho phép bộ nhớ hoạt động bình thường khi nó đang ở mức cao. Nếu đầu vào ở mức thấp thì không cho phép bộ nhớ hoạt động.

Ví dụ:

Trình bày trạng thái tại mỗi đầu vào, ra khi dữ liệu 1110 được ghi vào địa chỉ 01101.

Đầu vào  địa chỉ: 01101

Đầu vào dữ liệu: 1110

: thấp

Đầu vào cho phép bộ nhớ: cao

Đầu ra dữ liệu: xxxx (không sử dụng)

Ví dụ: Một bộ nhớ có dung lượng 4Kx8. Hỏi

a. Có bao nhiêu đầu vào dữ liệu và đầu ra dữ liệu?

b. Có bao nhiêu đường địa chỉ?

c. Dung lượng của nó tính theo byte?

Giải

b. Bộ nhớ lưu trữ 4K= 4x1024 = 4096 từ. Vì vậy có 4096 địa chỉ nhớ. Vì 4096 = 2¹² nên cần có mã địa chỉ 12 bit để định rõ một trong 4096 địa chỉ, cần 12 đường địa chỉ.

c. Một byte = 8 bit nên bộ nhớ này có dung lượng 4096 bit.

H7.4

7. 
   Cách kết nối giữa CPU và vi mạch nhớ:
   

 Hình 7.5 minh họa cách kết nối từ IC của bộ nhớ chính với CPU.

H7.5


- Hoạt động ghi:

CPU gởi vào đường địa chỉ (address bus) địa chỉ của vùng nhớ muốn làm việc.

CPU đặt dữ liệu cần lưu lên các đường truyền của bus dữ liệu.

CPU kích hoạt các đường tín hiệu điều khiển thích hợp cho hoạt động ghi vào bộ nhớ.

Các IC nhớ giải mã địa chỉ nhị phân nhằm xác định đâu là vị trí được chọn cho hoạt động lưu trữ.

Dữ liệu trên bus dữ liệu được truyền đến vị trí nhớ đã chọn.