Trong mạch điện tử, một loại linh kiện đóng vai trò cực kỳ quan trọng đó là bộ chuyển đổi ADC. Vậy bộ chuyển đổi ADC là gì? Cách thức hoạt động và ứng dụng ra sao? Cùng dientusangtaovn tìm hiểu trong nội dung bài viết dưới đây nhé.
Bộ chuyển đổi ADC là gì?
ADC được viết tắt từ cụm từ Analog to Digital Converter. Hiểu đơn giản thì ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu kỹ thuật số. Từ một giá trị điện áp liên tục sẽ chuyển sang giá trị nhị phân để các thiết bị điện tử có thể hiểu được và xử lý tín hiệu.
Mạch ADC có thể được đóng gói thành một vi mạch hay nhúng vào một bộ vi điều khiển.
Vì sao cần dùng ADC để chuyển đổi tín hiệu Analog sang kỹ thuật số?
Chúng ta đang sống trong một thế giới được bao quanh bởi tín hiệu analog, mọi thứ chúng ta nhìn thấy, cảm nhận được như nhiệt độ, ánh sáng, tốc độ,… Trong khi đó, hầu hết các thiết bị mà chúng ta đang sử dụng từ một thiết bị đơn giản cho đến siêu máy tính đều là thiết bị kỹ thuật số.
Vì vậy, rõ chúng ta cần phải cần một loại thiết bị có thể chuyển đổi tất cả các tín hiệu analog ở xung quanh thành giá trị kỹ thuật số. Từ đó, các thiết bị điện tử có thể đọc hiểu được chúng, từ đó xử lý các tín hiệu này.
Như vậy, bộ chuyển đổi ADC đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động của các thiết bị điện tử.
Cách thức hoạt động của bộ chuyển đổi ADC
Để hiểu về cách hoạt động của bộ ADC thì bạn hãy tưởng tượng nó giống như một bộ chia tỉ lệ toán học. Về cơ bản là ánh xạ giá trị từ dải này sang dải khác, trong đó ADC ánh xạ một giá trị điện áp sang một số nhị phân. Bộ ADC sau khi nhận tín hiệu tương tự ở đầu vào sẽ đọc và chuyển đổi thành tín hiệu số tương ứng.
Do quá trình chuyển đổi này liên quan đến việc lượng tử hóa tín hiệu vào nên chắc chắn sẽ phát sinh một lượng lỗi nhất định hoặc bị ảnh hưởng bởi nhiễu tín hiệu. Thay vì thực hiện chuyển đổi liên tục, bộ ADC sẽ thực hiện chuyển đổi theo chu kỳ.
Các tham số của bộ chuyển đổi ADC
Điện áp tham chiếu
Điện áp tham chiếu của bộ chuyển đổi ADC là điện áp được ánh xạ tới giá trị nhị phân lớn nhất. Ví dụ, trong bộ chuyển đổi 10 bit với 5V thì sẽ có giá trị điện áp tham chiếu là 1111111111 tương ứng giá trị 5V, trong khi đó giá trị 0000000000 tương ứng với giá trị 0V. Mỗi bước của nhị phân sẽ đại diện cho 4.9mV.
Trong trường hợp điện áp thay đổi dưới 4.9mV thì ADC sẽ bị đặt vào vùng chết, giá trị chuyển đổi tín hiệu luôn có một lỗi nhỏ. Bạn có thể sử dụng bộ ADC có độ phân giải cao hơn để hạn chế lỗi.
Tốc độ lấy mẫu
Tốc độ lấy mẫu là số lượng chuyển đổi analog sang kỹ thuật số mỗi giây. Đơn vị của tốc độ lấy mẫu là Megasample trên giây (Ms/s) – Một triệu mẫu mỗi giây.
Tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi ADC phụ thuộc vào loại bộ chuyển đổi và độ chính xác cần thiết. Nếu độ chính xác càng cao thì tốc độ lấy mẫu sẽ phải giảm xuống.
Độ phân giải
Độ phân giải là mức điện áp thay đổi ở mỗi mức thay đổi. Với một bộ ADC M bit thì với giá trị điện áp cực đại nV. Ta có độ phân giải cho bộ chuyển đổi là n/2M.
Như ví dụ nêu trên, bộ ADC 10 bit với 5V điện áp thì ta sẽ có độ phân giải là 5/210 = 4.9mV.
Alias
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 đến 250 Hz.
Phân loại bộ chuyển đổi ADC
Bộ chuyển đổi Flash ADC
Flash ADC là bộ chuyển đổi đơn giản và nhanh nhất. Cấu tạo của nó bao gồm một loạt các bộ so sánh với các đầu vào không đảo ngược nối với đầu vào tín hiệu và các chân đảo ngược nối với một thang chia điện áp.
Nếu điện áp cao hơn một trong các mức của bậc thang, tất cả các bit đầu ra dưới mức được đặt thành một, vì điện áp trên ngưỡng đối với các bộ so sánh dưới cùng. Để giải quyết vấn đề này, các đầu ra được cấp qua bộ mã hóa ưu tiên chuyển đổi đầu ra thành nhị phân.
Tốc độ chỉ bị giới hạn bởi độ trễ truyền của bộ so sánh và bộ mã hóa ưu tiên. Tuy nhiên, độ chính xác của loại ADC này sẽ không quá cao do tốc độ chuyển đổi nhanh.
Bộ ADC tích hợp đếm hoặc độ dốc
Một mạch tạo đoạn dốc được bắt đầu tại thời điểm chuyển đổi và bộ đếm nhị phân được khởi động cùng lúc. Một bộ so sánh sẽ phát hiện khi đoạn dốc vượt quá điện áp đầu vào và dừng bộ đếm nhị phân. Bộ đếm nhị phân thu được tỷ lệ với mức độ điện áp đầu vào.
Bộ ADC ước lượng kế tiếp
Bộ ADC được cho là có độ chính xác nhất có cấu tạo bao gồm một bộ so sánh, một bộ ADC flash đơn giản và một thanh ghi bộ nhớ. Thiết bị ban đầu giả định tất cả các bit trong thanh ghi ngoại trừ bit có ý nghĩa cao nhất (là một) là số 0. Sau đó thanh ghi này sẽ gửi nó đến DAC chuyển nó thành điện áp analog, được so sánh với đầu vào thông qua bộ so sánh. Nếu điện áp đầu vào cao hơn điện áp DAC, thì MSB vẫn là một. Quá trình này lặp lại cho đến khi tất cả các bit có được đặt thành không hoặc một, nói cách khác cho đến khi giá trị thanh ghi bằng điện áp đầu vào.
ADC này là một trong những bộ chuyển đổi thường được sử dụng nhất khi cần độ chính xác và tốc độ không quá giới hạn, ví dụ như trong vi điều khiển. ADC loại SA có thể dễ dàng đạt được thời gian chuyển đổi vài micro giây.
Các ứng dụng của bộ chuyển đổi ADC
ADC là một trong những phần tử rất phổ biến và quan trọng, có mặt trong tất cả các thiết bị kỹ thuật số tiếp nhận thông tin từ các cảm biến analog. Nó đảm bảo sự ưu việt là dữ liệu trung thực, truyền đưa dễ dàng và thuận tiện để xử lý.
- Máy hiện sóng kỹ thuật số
- Ứng dụng trong đồng hồ vạn năng
- Ứng dụng trong các vi điều khiển
- Nguồn kỹ thuật số
- Đo đạc trong vật lý, hóa học, sinh học, y học, đo lường điện,…
Cách sử dụng một IC ADC trong mạch
Một số IC ADC có thể kể đến đó là ADC0808, ADC0804, MCP3008,… Chúng thường được lắp đặt cùng với Raspberry pi, bộ xử lý hoặc mạch kỹ thuật số khác mà có ADC tích hợp sẵn không khả dụng.
- Tương thích I2C: Bus SPI và I2C rất hữu ích để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Tính năng này giúp bạn rất dễ sử dụng IC này với bộ Arduino vì các thư viện mở rộng đã được viết cho thiết bị.
- Tiêu thụ ít điện năng: Các vi mạch hiện đại có tiêu thụ dòng điện rất thấp và hoạt động trên nhiều loại điện áp, trong trường hợp này là 2.0V đến 5.5V.
- Bộ so sánh có thể lập trình: ADC đi kèm với một bộ so sánh mà tham chiếu của nó có thể được lập trình qua I2C.
- Cấu hình đầu vào: Bốn đầu vào có thể là hai cặp vi sai hoặc bốn đầu vào đầu mút đơn.
Một số nhược điểm của bộ chuyển đổi ADC
Bộ ADC có một số hạn chế đó là:
- ADC chậm, thường theo thứ tự vài micro hoặc nano giây.
- Thiếu các giá trị điện áp liên tục.
- Làm tăng độ phức tạp của mạch
Trên đây là những thông tin về bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang kỹ thuật số ADC. Mong rằng bài viết sẽ đem lại cho bạn nhiều kiến thức bổ ích.
