Bộ chuyển đổi ADC là gì
ADC là từ viết tắt của Analog to Digital Converter hay bộ chuyển đổi
analog sang kỹ thuật số là một mạch chuyển đổi giá trị điện áp liên
tục (analog) sang giá trị nhị phân (kỹ thuật số) mà thiết bị kỹ thuật
số có thể hiểu được sau đó có thể được sử dụng để tính tốn kỹ
thuật số. Mạch ADC này có thể là vi mạch ADC hoặc được nhúng vào
một bộ vi điều khiển.

Ứng dụng
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.

Các nhóm
 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 khơng 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 ngồi chợ Nhật
Tảo.

Lĩnh vực
 Đo đạc trong vật lý, hóa học, sinh học, y học, đo lường
điện,...
 Âm nhạc, hình ảnh, truyền hình truyền thơng,...
 Thơng 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.

Nguyên lý làm viêc của bộ chuyển đổi ADC được dựa theo sơ đồ sau

Ở đây tín hiệu lấy mẫu VA được đưa vào mạch lấy mẫu,mạch này
có hai nhiệm vụ chính :
+) Thử nhất là lấy mẫu tại những thời điểm tương tự tại những thời điểm khác
nhau và cách đều.Thực chất đây là q trình rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời
gian
+) Thứ hai là giữ cho biên độ tín hiệu tại các thời điểm lấy mẫu không thay đổi
trong quá trình chuyển đổi tiếp theo


+) Tại q trình lương tự hóa,thực chat đây là q trình làm trịn số.Lương tử
hóa được thực hiện theo nguyên tắc so sánh tín hiệu cần chuyển với các tín hiệu
chuẩn.Mạch lượng tử hóa làm nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự về mặt biên
độ.Có thể hiểu lượng tử hóa là gắn các tín hiệu tương tự của vào vùng các giá trị
rời rạc có thể xảy ra trong quá trinh lượng tử hóa.
+)Sau khi lượng tử hóa,kết quả sẽ được sắp xếp lại trong mạch mã hóa theo một
quy luật nhất định phụ thuộc laoij mã yêu cầu ở đầu ra bộ chuyển dổi.Ở q
trình này có thể hiểu mã hóa chính là gắn các giá trị nhị phân cho từng gái trị rời
rạc sinh ra trong q trình lượng tử hóa.
Có một chú ý là nhiều loại ADC có q trình lượng tử hóa và mã hóa xảy ra
dồng thời,Lúc đó khơng thể tách rời hai q trình,hai phép lượng tử hóa và mã

hóa sẽ được gọi chung là phép biến đổi AD
Ưu điểm của ADC
 Những ưu điểm của Bộ chuyển đổi từ Analog sang Digital bao gồm:
 Flash ADC là nhanh nhất so với các bộ chuyển đổi Analog sang kỹ thuật số
khác.
 So với các bộ chuyển đổi khác, Sigma Delta ADC cung cấp độ phân giải cao
với chi phí thấp.
 ADC xấp xỉ kế tiếp hoạt động ở tốc độ cao và đáng tin cậy hơn.
 Bộ ADC Sigma-Delta có khả năng định hình nhiễu cao hơn và cũng cung cấp
độ phân giải cao.
 ADC được tạo đường ống cũng cung cấp độ phân giải cao ở tốc độ cao.
Nhược điểm của ADC
 Độ phức tạp của mạch tăng lên khi sử dụng Bộ so sánh trong Flash ADCs.
 Flash ADC đắt tiền.
 Chuyển đổi tín hiệu khơng định kỳ bằng ADC đường ống có thể khó khăn vì nó
thường chạy với tốc độ định kỳ.
 ADC của đường ống rất nhạy cảm với cách bố trí bảng.
 Độ trễ đường ống của tín hiệu đầu vào xảy ra trong ADC của đường ống, điều
này gây ra sự khơng tuyến tính trong các tham số như Offset và Gain.
 Các bộ chuyển đổi Khoảng cách kế tiếp được sử dụng cho độ phân giải cao hơn
sẽ chậm hơn.
Các phương pháp chuyển đổi ADC chính:
1. ADC xấp xỉ kế tiếp (SAR):
ADC xấp xỉ kế tiếp là một loại bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số chuyển đổi
dạng sóng tương tự liên tục thành dạng biểu diễn kỹ thuật số rời rạc bằng cách sử


dụng tìm kiếm nhị phân thơng qua tất cả các mức lượng tử hóa có thể trước khi cuối
cùng hội tụ thành đầu ra kỹ thuật số cho mỗi chuyển đổi.


Sơ đồ khối SAR điển hình
Đầu vào tương tự của hầu hết các bộ ADC là 5V, đó là lý do tại sao gần như tất cả các
mặt trước điều hịa tín hiệu đều cung cấp một đầu ra có điều kiện giống nhau. SAR
ADC điển hình sử dụng mạch lấy mẫu và mạch giữ lấy điện áp tương tự điều hịa từ
đầu cuối điều hịa tín hiệu.
Một DAC trên bo mạch tạo ra điện áp tham chiếu tương tự bằng đầu ra mã kỹ thuật số
của mẫu và giữ một mạch. Cả hai điều này được đưa vào một bộ so sánh sẽ gửi kết
quả của phép so sánh tới SAR. Quá trình này tiếp tục cho “n” lần liên tiếp, với “n” là
độ phân giải bit của chính bộ ADC, cho đến khi giá trị gần nhất với tín hiệu thực được
tìm thấy.
SAR ADC khơng có bất kỳ bộ lọc khử răng cưa (AAF) vốn có , vì vậy trừ khi nó được
thêm vào trước ADC bởi hệ thống DAQ, nếu kỹ sư chọn tỷ lệ mẫu quá thấp, các tín
hiệu sai (hay cịn gọi là “bí danh”) sẽ được số hóa của SAR ADC. Việc đặt biệt hiệu
đặc biệt có vấn đề vì khơng thể sửa nó sau khi số hóa.
Khơng có cách nào để sửa chữa nó bằng phần mềm. Nó phải được ngăn chặn bằng
cách luôn lấy mẫu nhanh hơn tần số Nyquist của tất cả các tín hiệu đầu vào hoặc bằng
cách lọc các tín hiệu trước và trong ADC.
Ưu điểm
Mạch đơn giản chỉ cần một bộ so sánh
Tỷ lệ mẫu cao hơn có thể so với ADC delta-sigma
Xử lý tốt các dạng sóng tự nhiên và không tự nhiên


Nhược điểm
Bộ lọc khử răng cưa phải được thêm bên ngoài
Độ phân giải bit và dải động bị giới hạn so với ADC delta-sigma
Các ứng dụng
Các ứng dụng cho ADC SAR bao gồm hệ thống DAQ, từ hệ thống ADC ghép kênh
cấp thấp đến hệ thống ADC đơn tốc độ cao hơn trên mỗi kênh, điều khiển và đo lường
công nghiệp, hình ảnh CMOS.

2. ADC delta-sigma (∆Σ)
ADC Delta-sigma ( ΔΣ ; hoặc sigma-delta , ΣΔ ) là một phương pháp để mã hóa tín
hiệu tương tự thành tín hiệu kỹ thuật số như được tìm thấy trong bộ chuyển đổi tương
tự sang kỹ thuật số (ADC). Nó cũng được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số
tần số thấp, đếm bit cao thành tín hiệu kỹ thuật số tần số cao hơn, đếm bit thấp hơn
như một phần của q trình chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự
như một phần của bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC ).

Sơ đồ khối delta-sigma ADC điển hình
Bộ lọc thơng thấp được triển khai trong DSP giúp loại bỏ nhiễu lượng tử hóa hầu như
mang lại hiệu suất tín hiệu thành nhiễu tuyệt vời.
Bộ ADC Delta-sigma hoạt động bằng cách lấy mẫu quá mức các tín hiệu cao hơn
nhiều so với tốc độ lấy mẫu đã chọn. Sau đó, DSP tạo luồng dữ liệu có độ phân giải
cao từ dữ liệu được lấy mẫu quá mức này với tốc độ mà người dùng đã chọn. Việc lấy
mẫu quá mức này có thể cao hơn hàng trăm lần so với tỷ lệ mẫu đã chọn. Cách tiếp


cận này tạo ra một luồng dữ liệu có độ phân giải rất cao (24-bit là phổ biến) và có ưu
điểm là cho phép lọc khử răng cưa nhiều tầng (AAF), khiến cho hầu như khơng thể số
hóa các tín hiệu sai. Tuy nhiên, nó áp đặt một loại giới hạn tốc độ, vì vậy, ví dụ: ADC
delta-sigma thường khơng nhanh bằng ADC SAR.
Ưu điểm
Đầu ra có độ phân giải cao (24-bit)
Lấy mẫu quá mức làm giảm nhiễu lượng tử hóa
Lọc khử răng cưa vốn có
Nhược điểm
Giới hạn ở tốc độ mẫu khoảng 200 kS / s
Không xử lý các dạng sóng hình dạng khơng tự nhiên cũng như SAR
Các ứng dụng
Các ứng dụng cho ADC Delta-sigma bao gồm thu thập dữ liệu, đặc biệt là tiếng ồn và

độ rung, cân bằng công nghiệp, rung động xoắn và quay, giám sát chất lượng điện, đo
lường cơng nghiệp chính xác, âm thanh và băng tần, truyền thông.
3. Bộ chuyển đổi ADC tích hợp
ADC tích hợp là một loại bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số chuyển đổi điện áp đầu
vào chưa biết thành biểu diễn kỹ thuật số thông qua việc sử dụng bộ tích hợp. Trong
cách triển khai cơ bản của nó, bộ chuyển đổi độ dốc kép, điện áp đầu vào chưa xác
định được áp dụng cho đầu vào của bộ tích hợp và được phép tăng dốc trong một
khoảng thời gian cố định (khoảng thời gian chạy lên). Sau đó, một điện áp tham chiếu
đã biết có cực tính ngược lại được áp dụng cho bộ tích hợp và được phép tăng cho đến
khi đầu ra của bộ tích hợp trở về 0 (khoảng thời gian chạy xuống). Điện áp đầu vào
được tính như một hàm của điện áp tham chiếu, khoảng thời gian chạy lên không đổi
và khoảng thời gian chạy xuống đo được. Phép đo thời gian chạy xuống thường được
thực hiện theo đơn vị đồng hồ của bộ chuyển đổi, do đó, thời gian tích hợp dài hơn
cho phép độ phân giải cao hơn. Tương tự như vậy, tốc độ của bộ chuyển đổi có thể
được cải thiện bằng cách hy sinh độ phân giải.
Các bộ chuyển đổi kiểu này có thể đạt được độ phân giải cao, nhưng thường làm như
vậy phải trả giá bằng tốc độ. Vì lý do này, các bộ chuyển đổi này khơng được tìm thấy
trong các ứng dụng xử lý âm thanh hoặc tín hiệu. Việc sử dụng chúng thường bị giới


hạn ở các vôn kế kỹ thuật số và các dụng cụ khác yêu cầu các phép đo chính xác cao.

Bộ khuếch đại tích hợp điển hình, hiển thị bộ so sánh, bộ hẹn giờ và bộ điều khiển
Ưu điểm
Các phép đo rất chính xác và chính xác
Nhược điểm
Thời gian chuyển đổi chậm do lặp đi lặp lại đoạn đường lên và xuống
Các ứng dụng
Các ứng dụng cho ADC tích hợp bao gồm vạn năng kế cầm tay và để bàn.
4. Bộ chuyển đổi Flash A / D

ADC flash (còn được gọi là ADC chuyển đổi trực tiếp ) là một loại bộ chuyển đổi
tương tự-kỹ thuật số sử dụng bậc thang điện áp tuyến tính với bộ so sánh ở mỗi "nấc"
của bậc thang để so sánh điện áp đầu vào với điện áp tham chiếu liên tiếp. Thường thì
các thang tham chiếu này được cấu tạo bằng nhiều điện trở ; tuy nhiên, các triển khai
hiện đại cho thấy rằng cũng có thể phân chia điện áp theo điện dung. Đầu ra của các
bộ so sánh này thường được đưa vào một bộ mã hóa kỹ thuật số, bộ mã hóa này sẽ
chuyển đổi các đầu vào thành giá trị nhị phân (các đầu ra được thu thập từ các bộ so
sánh có thể được coi là giá trị một bậc ).
Bộ chuyển đổi flash cực kỳ nhanh so với nhiều loại ADC khác, thường thu hẹp câu trả
lời "đúng" trong một loạt các giai đoạn. So với những thứ này, một bộ chuyển đổi


flash cũng khá đơn giản và, ngoài các bộ so sánh tương tự, chỉ yêu cầu logic cho quá
trình chuyển đổi cuối cùng sang nhị phân .
Để có độ chính xác tốt nhất, thường một mạch theo dõi và giữ được chèn vào phía
trước đầu vào ADC. Điều này là cần thiết cho nhiều loại ADC (như ADC xấp xỉ liên
tiếp ), nhưng đối với các ADC flash thì khơng thực sự cần điều này, vì bộ so sánh là
thiết bị lấy mẫu.

Sơ đồ Flash ADC
Ưu điểm
Loại ADC nhanh nhất
Chuyển đổi tức thì khơng có độ trễ
Nhược điểm
Mạch ngày càng lớn hơn và tiêu thụ nhiều điện năng hơn với mỗi bit
Độ phân giải giới hạn hiệu quả ở 8-bit
Các ứng dụng
Các ứng dụng cho Flash ADC bao gồm máy hiện sóng kỹ thuật số nhanh nhất, phép
đo vi sóng, sợi quang, phát hiện RADAR và radio băng rộng.



5. Bộ chuyển đổi A / D Pipelined
Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ lấy mẫu cao hơn các ADC SAR và delta-sigma
có thể cung cấp, nhưng khơng yêu cầu tốc độ cực cao của Flash ADC, chúng tơi có
các ADC Pipelin
Trong Flash ADC, các bộ so sánh đều được chốt đồng thời, do đó thiếu độ trễ. Nhưng
điều này đòi hỏi rất nhiều năng lượng - đặc biệt là khi ngày càng nhiều bộ so sánh
được sử dụng để đạt được độ phân giải bit cao hơn. Tuy nhiên, trong ADC Pipelined,
tín hiệu tương tự khơng được chốt bởi tất cả các bộ so sánh cùng một lúc, lan tỏa năng
lượng cần thiết để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành giá trị kỹ thuật số. Do đó, các bộ
so sánh flash được “ghép nối” thành một quá trình bán nối tiếp gồm 2-3 chu kỳ. Điều
này có lợi là cho phép đạt được độ phân giải cao hơn mà khơng tốn nhiều năng lượng,
nhưng nó áp đặt hai hình phạt: tốc độ lấy mẫu khơng thể cao như phương pháp Flash
thuần túy và có độ trễ thường là 3 chu kỳ. Điều này có thể được giảm nhẹ phần nào,
nhưng khơng bao giờ có thể được loại bỏ hồn tồn.

Hình minh họa ADC có đường ống
Các ADC này là một kiến trúc phổ biến cho các ứng dụng từ 2-3 MS / s đến 100 MS /
s (có thể có 1 GS / s). Đối với tỷ lệ mẫu vượt quá mức này, công nghệ Flash ADC
thường được sử dụng. Độ phân giải của Pipelined ADC có thể cao tới 16 bit ở tốc độ
mẫu thấp hơn nhưng thường là 8 bit ở tốc độ mẫu cao nhất. Một lần nữa, ln có sự
đánh đổi giữa tốc độ và độ phân giải.
Ưu điểm
Nhanh gần bằng loại ADC Flash thuần túy (nhanh hơn SAR và Delta-sigma)
Nhược điểm
Độ trễ do quá trình chuyển đổi "pipelined" nối tiếp
Tốc độ mẫu tối đa bị giới hạn bởi độ phân giải bit


Các ứng dụng

Các ứng dụng cho ADC Pipelined bao gồm máy hiện sóng kỹ thuật số, RADAR, radio
phần mềm, máy phân tích quang phổ, video HD, hình ảnh siêu âm, máy thu kỹ thuật
số, modem cáp và Ethernet.


Độ phân
giải tối đa

Tỷ lệ
mẫu tối
đa

Ứng
dụng
chính

Loại ADC

Ưu điểm

Nhược điểm

Xấp xỉ kế
tiếp (SAR)

Tỷ lệ tốc độ / độ phân
giải tốt

Khơng có bảo vệ
khử răng cưa vốn

có

18 bit

10 MHz

Thu
thập
dữ
liệu

Delta-sigma
(ΔΣ)

Hiệu suất năng động
cao, bảo vệ khử răng
cưa vốn có

Độ trễ đối với các
tín hiệu khơng tự
nhiên

32 bit

1 MHz

Thu
thập
dữ
liệu,

Tiếng
ồn &
Rung,
Âm
thanh

Tích hợp

Chính xác, khơng tốn
kém

Tốc độ thấp

20 bit

100 Hz

Vơn
kế

Pipelined

Rất nhanh

Độ phân giải hạn
chế

16 bit

1 GHz


Máy
hiện
sóng

Flash

Nhanh nhất

Độ phân giải bit
thấp

12 bit

10 GHz

Máy
hiện
sóng

So sánh các loại ADC chính