TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN

LÊ VĂN HÓA – 1310530

XÂY DỰNG KHỐI ADC BẰNG PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ LIÊN TIẾP
DÙNG CHO HỆ PHỔ KẾ ĐO GAMMA
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. ĐẶNG LÀNH

KHÓA 2013 - 2018


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................

.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
Lâm Đồng, ngày ….. tháng …… năm ……
Giáo viên hướng dẫn
[Ký tên và ghi rõ họ tên]


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................

.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
Lâm Đồng, ngày ….. tháng …… năm ……
Giáo viên phản biện
[Ký tên và ghi rõ họ tên]


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu và thực hiện khóa luận xin chân thành
cảm ơn TS. Đặng Lành đã tận tình giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành khóa luận một
cách tốt nhất.
Xin chân thành cảm ơn ban giám hiệu nhà trường, khoa kỹ thuật hạt nhân đã
tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập. Cám ơn các thầy cô khoa
kỹ thuật hạt đã tận tình truyền đạt để tôi có những kiến thức vững vàng trong học tập
cũng như trau dồi thêm nhiều kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ở bên cạnh cổ vũ động viên và giúp đỡ
tôi, luôn tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể thực hiện ước mơ học đại học và chinh
phục kiến thức mới.

Đà lạt, ngày 15 tháng 11 năm 2017
Sinh viên
Lê Văn Hóa

i


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT


Viết tắt
A/D

Tiếng Anh
Analog to Digital Conversion

ADC

Analog to Digital Converter

BUSY
CONVST
D/A
DAC
DACC
DNL
DREADY
DT
ECON
EOC
INL
LSB
LT

MCD
MSB
PD
RD/WR


Busy
Conversion Start
Digital to Analog Conversion
Digital to Analog converter
Data Accepted
Differential Non Lineariry
Data Ready
Dead time
Enable Conversion
End Of Conversion
Integral Non Lineariry
Least Significant Bit
Live time
Multi-Channel Analyzer
(mode)
Multi-channel Data Processing
Most Significant Bit
Peak Detection
Read/Write

RSS

Reference Setup System

RT

Real time
Successive Approximation
Register (method)
System Under Test

Track/Hold

MCA

SAR
SUT
T/H

ii

Tiếng Việt
Biến đổi tương tự sang số
Phép biến đổi tương tự sang
số
Bận biến đổi
Khởi phát chu trình biến đổi
Biến đổi số sang tương tự
Bộ biến đổi số sang tương tự
Chấp nhận dữ liệu
Độ Phi tuyến vi phân
Dữ liệu sẵn sàng
Thời gian chết
Cho phép biến đổi
Chấm dứt chu trình biến đổi
Độ phi tuyến tích phân
Bit trọng số thấp nhất
Thời gian trôi qua
( chế độ) Phân tích đa kênh
Xử lý dữ liệu đa kênh
Bit trọng số cao nhất

Phát hiện đỉnh
Đọc/Viết
Hệ thống (thiết lập) tham
chiếu
Thời gian thực
(phương pháp sử dụng)
Thanh ghi xấp xỉ liên tiếp
Hệ thống cần kiểm tra
Giữ/lấy mẫu


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Các đặc điểm của những loại ADC thường dùng......................................4
Bảng 2 Mô tả chức năng của các ngõ vào/ra ........................................................17
Bảng 3 Bảng mã input/output lý tưởng cho AD7899-1........................................21
Bảng 4 Giá trị các cặp thế-kênh thu được khi kiểm tra INLADC8K ................29
Bảng 5 Độ phi tuyến tích phân của hệ kiểm tra và hệ chuẩn..............................32
Bảng 6 Kết quả kiểm tra độ phi tuyến vi phân của SUTADC8K và
RSSAccuspec ...........................................................................................................34
Bảng 7 Tổng hợp số liệu đếm thống kê cho phép tính giá trị χ2 .........................35
Bảng 8 Bảng so sánh kết quả χ2 của hệ SUT và RSS..........................................36
Bảng 9 Số đếm tích lũy theo thời gian thực và độ lệch số đếm giữa hai hệ đo ..36
Bảng 10 Các đặc trưng của khối ADC ..................................................................37

iii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1 Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự - số ...........................................................3
Hình 2 Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra của mạch lấy mẫu ..........4

Hình 3 Các tín hiệu của ADC Wilkinson trong quá trình đo đạc ........................6
Hình 4 Quá trình hoạt động của tụ .........................................................................7
Hình 5 Nguyên tắc hoạt động của ADC flash .........................................................8
Hình 6 Mạch cơ bản của ADC xấp xỉ liên tiếp .......................................................9
Hình 7 Sự xuất hiện của tạp âm .............................................................................11
Hình 8 Hiệu ứng khe ...............................................................................................13
Hình 9 Tính INL của ADC .....................................................................................14
Hình 10 Dạng mạch tuyến tính thang đối .............................................................15
Hình 11 Sơ đồ khối chức năng của AD7899 .........................................................16
Hình 12 Sơ đồ chân AD7899 ..................................................................................19
Hình 13 Cấu trúc đầu vào Analog AD7899-1 .......................................................20
Hình 14 Sử dụng xung nhịp ngoài .........................................................................22
Hình 15 Giản đồ thời gian biến đổi tuần tự (chế độ EOC)..................................22
Hình 16 Giản đồ thời gian biến đổi tuần tự (chế độ BUSY)................................23
Hình 17 Sơ đồ cấu trúc khối của ADC xấp xỉ liên tiếp ........................................24
Hình 18 Giản đồ thời gian của ADC8K ................................................................26
Hình 19 Sơ đồ thuật toán của ADC8K ..................................................................27
Hình 20 Cấu hình kiểm tra độ phi tuyến tích phân INLADC8K .......................29
Hình 21 Đường biểu diễn INL của ADC8K cần kiểm tra. ..................................31
Hình 22 Đường biểu diễn INL của hệ tham chiếu chuẩn ....................................32
Hình 23 Cấu hình kiểm tra độ phi tuyến vi phân DNLADC8K .........................33
Hình 24 Phổ tuyến tính vi phân của hệ SUT dùng khối ADC8K .......................33
Hình 25 Phổ thực tế thu nhận được trong quá trình kiểm tra ...........................38
Hình 26 Sờ đồ nguyên lý 1 ......................................................................................41
Hình 27 Sơ đồ nguyên lý 2 ......................................................................................42
Hình 28 Phổ thu nhận được ...................................................................................43
Hình 29 Sản phẩm thực tế ......................................................................................44

iv



MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN....................................................................................3
1.1. Phép biến đổi tương tự - số............................................................................3
1.2. Các đặc trưng và tính ưu việt của ADC .......................................................4
1.3. Chức năng và phân loại ADC ......................................................................5
1.3.1. Chức năng của ADC ...............................................................................5
1.3.2. Các loại ADC ...........................................................................................5
1.3.2.1. ADC WILKINSON ..........................................................................5
1.3.2.2. ADC rất nhanh (ADC flash) ...........................................................8
1.3.2.3. ADC xấp xỉ liên tiếp .........................................................................9
1.3.2.4. Một số loại ADC khác ....................................................................10
1.3.3. Các yêu cầu kỹ thuật của ADC ............................................................10
1.3.4. Sai số trong biến đổi tương tự - số .......................................................11
1.3.4.1. Sai số tính toán ...............................................................................11
1.3.4.2. Sai số động ......................................................................................12
1.3.4.3. Sai số bù, sai số tăng ích và sai số tuyến tính...............................13
1.4. Vi mạch ADC xấp xỉ liên tiếp AD7899 .......................................................15
1.4.1. Mạch tuyến tính hóa bằng thang đối chứng .......................................15
1.4.2. Sơ đồ khối chức năng ............................................................................16
1.4.3. Thông số kỹ thuật ..................................................................................16
1.4.4. Chức năng ngõ vào ra ...........................................................................17
1.4.5. Những điểm nổi bật của AD7899 .........................................................18
1.4.6. Mô tả mạch ............................................................................................19

1.4.6.1. Bộ phận giữ/lấy mẫu ......................................................................19
1.4.6.2. Bộ phận tham chiếu .......................................................................19
1.4.6.3. Bộ phận ngõ vào tương tự .............................................................20
1.4.6.4. Loại AD7899-1 ................................................................................20
1.4.7. Giản đồ thời gian và chu trình điều khiển ..........................................21
1.4.7.1. Khởi phát biến đổi..........................................................................21
v


1.4.7.2. Chọn lựa xung nhịp cho chu trình biến đổi .................................21
1.4.7.3. Chế độ EOC ....................................................................................22
1.4.7.4. Chế độ BUSY ..................................................................................23
1.4.7.5. Đọc dữ liệu AD7899 .......................................................................23
CHƯƠNG 2 - NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, XÂY DỰNG KHỐI ADC XÂP XỈ
LIÊN TIẾP 8K.........................................................................................................24
2.1. Thiết kế ADC xấp xỉ liên tiếp 8K ................................................................24
2.1.1. Sơ đồ cấu trúc khối ................................................................................24
2.1.2. Nguyên tắc hoạt động và giản đồ thời gian .........................................25
2.1.3. Lưu đồ thuật toán và giải thích lưu đồ ................................................26
2.2. Bố trí thí nghiệm hiệu chỉnh thiết bị và quét phổ .....................................29
2.2.1. Bố trí thí nghiệm đo đạc thực nghiệm kiểm tra độ phi tuyến tích phân
(INL) .................................................................................................................29
2.2.2. Thí nghiệm kiểm tra độ phi tuyến vi phân của khối ADC8K
(DNLADC8K) .......................................................................................................32
2.2.3. Thí nghiệm kiểm tra Khi bình phương ...............................................34
2.2.4. Kiểm tra độ chuẩn xác về số đếm và tần suất dữ liệu vào – ra của
ADC8K .............................................................................................................36
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................37
KẾT LUẬN ..............................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................40

PHỤ LỤC .................................................................................................................41

vi


MỞ ĐẦU
Ở nước ta hiện nay, ngành công nghiệp điện tử chế tạo các vi mạch đang có
xu hướng phát triển tích cực (dự án thiết kế vi mạch ADC (hợp tác với TelecomParistech, Công ty NXP Pháp). Tuy nhiên do nguồn nhân lực chưa được phát triển
mạnh mẽ, các nhóm nghiên cứu mới khó tiếp cận được với kỹ thuật của thế giới, bên
cạnh đó, các chuyên gia cho lĩnh vực linh kiện vi mạch còn hạn chế. Trên thực tế
chúng ta có thể nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài để phục vụ cho công tác nghiên
cứu và giảng dậy. Tuy nhiên, việc nhập khẩu các thiết bị có rất nhiều hạn chế như:
giá thành cao, việc tự phát triển của sinh viên và cán bộ bị thụ động, đặc biệt là ngành
kỹ thuật hạt nhân đòi hỏi sự vận dụng tích cực, linh hoạt kiến thức vào trong thực tế.
Trên thế giới ngành công nghiệp sản xuất vi mạch phát triển đa tạo tiền đề cho
việc nghiên cứu xây dựng thiết bị hạt nhân. Đặc biệt khối ADC là mạch hết sức quan
trọng trong việc phát triển nghiên cứu và đào tạo ngành hạt nhân. Chính vì vậy nhiều
công ty như Ortec, Canberra,.. đã thương mại hóa các sản phẩm.
Tại Việt Nam, các trường đại học luôn tập trung, quan tâm tới việc nghiên cứu,
thiết kế và xây dựng các thiết bị học tập trong đó có thiết bị của ngành kỹ thuật hạt
nhân. Bằng việc nghiên cứu đó giúp sinh viên và cán bộ nâng cao được kiến thức
chuyên môn kỹ năng áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm. Đặc biệt, nganh kỹ thuật
hạt nhân là ngành đang được chú trọng phát triển, việc xây dưng hệ thiết bị kỹ thuật
hạt nhân trong đó có xây dựng khối ADC là một mục tiêu lớn. Ngoài mục đích ứng
dụng ADC cho hệ để ghi đo bức xạ ion hoá mà ADC còn được dùng để xây dựng các
hệ phổ kế triệt Compton theo phương pháp đối trùng, hoặc đo bức xạ ở chế độ trùng
phùng. Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo khối ADC là hướng nghiên cứu phát triển lâu
dài, góp phần phát triển nhân lực ngành kỹ thuật hạt nhân.
Mục tiêu của khóa luận là tham gia nghiên cứu, xây dựng một phần trong hệ
thiết bị tổng thể 8K. Thiết kế, chế tạo khối ADC8K dùng trong thực nghiệm ghi, đo

bức xạ, cung cấp khối ADC8K vừa nêu trên để hình thành hệ thiết bị hạt nhân ghi,
đo bức xạ dùng trong đào tạo chuyên ngành kỹ thuật hạt nhân.
Phạm vi của khóa luận là là xây dựng thiết bị dùng trong ghi, đo bức xạ. Sử
dụng các phương pháp nghiên cứu như: phương pháp xấp xỉ liên tiếp (SAR) để cải
thiện độ tuyến tính giữa số đếm ghi được và biên độ tín hiệu bức xạ ngõ vào, phương
pháp thu nhận và xử lý số liệu để tính toán các đặc trưng kỹ thuật của thiết bị được
chế tạo, đồng thời tính toán các đại lượng vật lý chính liên quan đến phổ bức xạ ion

1


hóa ghi đo được trong hệ thiết bị phân tích đa kênh và sử dụng chương trình mô phỏng
thiết bị Proteus để hỗ trợ khả năng mô phỏng kết quả có thể đạt được bằng lý thuyết
đối với sơ đồ thiết kế chi tiết của khối ADC8K.
Nội dung của khóa luận: Nêu lên tình hình nghiên cứu, thiết kế xây dựng thiết
bị hạt nhân nói chung và mạch ADC nói riêng ở trong và ngoài nước, đánh giá tính
cần thiết của việc thực hiện khóa luận. Khóa luận còn nêu lên tổng quan về phép biến
đổi tương tự - số, các loại ADC, phân loại, đánh giá ưu điểm và nhược điểm của
chúng đồng thời tổng quan về cấu tạo, các nguyên tác hoạt động, các chế độ, chức
năng ngõ vào ra của vi mạch AD7899. Đưa ra phương pháp nghiên cứu, thiết kế, xây
dựng khối ADC xấp xỉ liên tiếp 8K, đồng thời bố trí thí nghiệm hiệu chỉnh và đánh
giá độ chính xác của sản phẩm đạt được.
Khóa luận gồm 3 chương chính:
 Chương 1:Tổng quan về ADC như các đặc trưng ưu việt, chức năng và phân loại
cũng như nguyên tắc hoạt động của các loại ADC. Nêu lên thông số đăc trưng và
chức năng của vi mạch AD7899.
 Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng khối ADC xấp xỉ liên tiếp. Thiết kế ADC
xấp xỉ liên tiếp 8K, giải thích nguyên tắc hoạt động và lưu đồ thuật toán, bố trí thí
nghiệm hiệu chỉnh và kiểm tra độ chính xác.
 Chương 3: Kết quả và thảo luận. Đánh giá kết quả thu được của các thí nghiệm hiệu

chỉnh và kiểm tra độ chính xác để từ đó rút ra kết luận cụ thể cho khóa luận.

2


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Phép biến đổi tương tự - số
Biến đổi tương tự - số (ADC) là biến đổi điện áp vào ( giá trị tương tự) thành
các số (giá trị số) tỉ lệ với nó.
Nguyên tắc làm việc của bộ chuyển đổi tương tự - số.

Hình 1 Sơ đồ khối bộ biến đổi tương tự - số
Nguyên tắc làm việc:
Tín hiệu tương tự được đưa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu
𝑸
được đưa đến mạch lượng tự hóa làm tròn với độ chính xác ± .
𝟐
Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả lượng
tử hóa được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu.
Trong nhiều loại ADC, quá trình lượng tử hóa và mã hóa xảy ra đồng thời,
lúc đó không thể tách rời hai quá trình đó.
Xem xét cụ thể nhiệm vụ cơ bản của các khối chức năng trong sơ đồ khối
trong hình 1.
Mạch lấy mẫu có nhiệm vụ lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm
khác nhau tức là rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời gian. Giữ cho biên độ điện áp tại
các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo.

3



Hình 2 Đồ thị thời gian của điện áp vào và điện áp ra của mạch lấy mẫu
Mạch lượng tử hóa làm nhiệm vụ rời rạc hóa tín hiệu tương tự về mặt biên
độ. Nhờ quá trình lương tử hóa, tín hiệu tương tự bất kỳ được biểu diễn bởi một số
nguyên lần mức lượng tử:

𝑍𝐷𝑖 = 𝑖𝑛𝑡

𝑋𝐴𝑖
𝑄

=

𝑋𝐴𝑖
𝑄

−

∆𝑋𝐴𝑖

(1)

𝑄

Trong đó:
ZDi :tín hiệu số tại thời điểm i
XAi: tín hiệu tương tự ở thời điểm i
Q: mức lượng tử
∆XAi: số dư trong phép lượng tử hóa
Int: phần nguyên
1.2. Các đặc trưng và tính ưu việt của ADC

Bảng 1 Các đặc điểm của những loại ADC thường dùng
STT
1
2

Tốc độ biến đổi
Khả năng thu nhận
số đếm (cps)

ADC nhanh
(flash ADC)

ADC
Wilkinson

ADC xấp xỉ
liên tiếp

Nhanh nhất

Chậm nhất

Đủ nhanh

Cao nhất

Thấp nhất

Đủ cao


4


STT
3
4
5

Thời gian chết (%)
Độ phân giải năng
lượng,FWHM (keV)
Kiểu biến đổi

ADC nhanh
(flash ADC)

ADC
Wilkinson

ADC xấp xỉ
liên tiếp

Lớn nhất

Lớn hơn

Nhỏ nhất

Tồi nhất


Tốt nhất

Đủ tốt

Song song

Nối tiếp

Song song

1.3. Chức năng và phân loại ADC
1.3.1. Chức năng của ADC
ADC đo biên độ cực đại của xung dạng tương tự và chuyển đổi giá trị đó thành
chữ số nhị phân. Ngõ ra dạng số tỷ lệ với biên độ tương tự ngõ vào ADC. Đối với các
xung tới tuần tự, ngõ ra dạng số từ ADC được kết nối với một bộ nhớ chuyên dụng,
hoặc một máy tính và được sắp xếp thành một biểu đồ, biểu đồ này thể hiện phổ của
ngõ vào tương ứng với biên độ xung [4]. Tín hiệu tương tự ngõ vào bộ biến đổi ADC
được cấp từ ngõ ra bộ khuếch đại phổ kế. Thông qua các chức năng của bộ khuếch
đại, chẳng hạn chọn lựa cực tính, hình thành xung, hồi phục đường cơ bản hoặc chống
hiệu ứng chồng chập, tín hiệu tương tự sẽ được ADC biến đổi thành chữ số nhị phân;
tức được lượng tử hoá. Chữ số BCD này được khối xử lý đa kênh thu nhận và gửi dữ
liệu đến máy tính nhằm hình thành phổ bức xạ.
1.3.2. Các loại ADC
ADC Wilkinson, ADC rất nhanh (ADC flash), và ADC xấp xỉ liên tiếp, ADC sigmadelta..v..v.
1.3.2.1. ADC WILKINSON
Hoạt động của ADC Wilkinson được minh họa trong hình 3 và 4. Các ngưỡng
phân biệt (hình 3a và 3b) được sử dụng để nhận biết sự xuất hiện của xung đầu ra bộ
khuếch đại. Thông thường, ngưỡng phân biệt thấp được thiết lập trên xung nhiễu để
ngăn chặn ADC không phân tích các xung nhiễu đó. Khi xung đầu vào tăng trên mức
ngưỡng, các cổng đầu vào tuyến tính được mở và tụ điện được nối tắt với đầu vào

(hình 4a). Như vậy, tụ điện buộc phải nạp lên điện thế cao hơn để điện áp của nó theo
biên độ xung ngõ vào tăng cao [10] (hình 3c).

5


Hình 3a: ngõ ra của khuếch đại phổ kế

Hình 3b: ngõ ra bộ phân biệt ngưỡng dưới

Hình 3c Tín hiệu tụ nhớ trong quá trình xả

Hình 3d: Xung nhịp điều khiển

Hình 3e: Xung nhịp điều khiển

Hình 3f: Chu trình bộ nhớ

Hình 3g: Mở cổng thời gian chết
Hình 3 Các tín hiệu của ADC Wilkinson trong quá trình đo đạc
6


Hình 4a Quá trình nạp của tụ điện

Hình 4b Quá trình xả của tụ điện

Hình 4c Quá trình nhớ của tụ điện
Hình 4 Quá trình hoạt động của tụ
Khi điện áp trên tụ đạt đến không, trạng thái đếm của đồng hồ xung chấm dứt.

Thời gian xả của tụ điện tỷ lệ với biên độ xung gốc, số Nc được ghi trong địa chỉ truy
cập và tỷ lệ thuận với biên độ xung. Trong chu kỳ bộ nhớ (hình 3e và 4c), số xung
Nc nằm trong bộ nhớ chương trình và một số đếm được bổ sung vào nội dung của vị
trí đó, giá trị Nc thường được gọi là "số kênh". ADC thường có sẵn với ít nhất là 256
kênh cho các ứng dụng yêu cầu độ phân giải thấp và 16.384 kênh đáp ứng yêu cầu độ
phân giải cao. Đối với các ADC Wilkinson, thời gian đo của ADC có sự hiện diện

7


của thời gian chết. Thời gian chết toàn phần của khối ADC bằng thời gian bận biến
đổi cộng với thời gian chết của linh kiện thiết kế theo công thức: TDT total = Tbusy
+ TDT of Ics.
1.3.2.2. ADC rất nhanh (ADC flash)
Hình 5 mô tả các nguyên tắc của ADC rất nhanh, ADC rất nhanh được xây
dựng bằng cách bố trí một chuỗi các bộ so sánh để mỗi ngưỡng so sánh là một thặng
dư không đổi trong điện áp ΔV trên ngưỡng về bản chất. ADC rất nhanh là chuỗi
phân tích xung chiều cao bằng nhau về độ rộng cửa sổ và ngưỡng. Khi đầu vào tín
hiệu tương tự đạt biên độ tối đa [4], kết quả của bộ so sánh được đưa vào bộ mã hóa
đầu ra kỹ thuật số như minh họa trong hình 5 là một hai-bit (hoặc bốn kênh) ADC rất
nhanh. Nếu biên độ của xung tương tự nằm giữa các mức của bộ so sánh 2 và 3, mã
nhị phân ngõ ra là 0010b (tương đương với số thập phân 2).

Hình 5 Nguyên tắc hoạt động của ADC flash

8


1.3.2.3. ADC xấp xỉ liên tiếp
ADC xấp xỉ liên tiếp được minh họa trong hình 6. Suốt thời gian tăng của xung

ngõ vào tương tự, chuyển mạch S1 đóng và thế trên tụ C1 hình thành do sườn tăng
của tín hiệu ngõ vào. Khi tín hiệu vào đạt biên độ cực đại, S1 mở, tụ C lưu thế lớn
nhất của tín hiệu ngõ vào. Sau khi phát hiện biên độ đỉnh của tín hiệu vào, ADC xấp
xỉ liên tiếp bắt đầu chu trình đo. Trước hết, bit trọng số cao nhất của bộ biến đổi số
sang tương tự (DAC) được xác lập, khi bộ so sánh xác định rằng thế ngõ ra DAC lớn
hơn biên độ tín hiệu V¬s thì bit trọng số cao nhất được xoá [3, 4]. Trái lại, khi thế
ngõ ra DAC nhỏ hơn Vs, bit trọng số cao nhất được giữ nguyên trong điều kiện xác
lập trức đó.
Giữ/lấy mẫu

Kích hoạt
ngõ ra
Logic
điều khiển

S1
Cổng
tuyến tính
Bộ chuyển
đổi số tương tự

Giá trị
dòng của
Nc

Bộ đệm
ngõ ra
Hình 6 Mạch cơ bản của ADC xấp xỉ liên tiếp
Kết quả, phép kiểm tra tương tự như vậy được tiến hành bằng cách bổ sung bit
trọng số cao nhất tiếp theo. Chu trình này được lặp lại cho đến khi tất cả bit đều được

kiểm tra. Tập hợp các bit trong thanh ghi dịch, điều khiển DAC ở cuối thời điểm kiểm
tra là một chữ số biểu thị biên độ tín hiệu tương tự ngõ vào. Chữ số nhị phân Nc này
là địa chỉ định vị bộ nhớ mà tại đó một số đếm được cộng thêm để tạo thành biểu đồ
đặc trưng cho phổ biên độ xung. Nếu ADC có n bit (2n kênh ), n chu trình kiểm tra
được đòi hỏi đề hoàn tất tác vụ phân tích, và tác vụ này hoàn toàn tương tự đối với
tất cả biên độ xung.
9


Các chu trình kiểm tra có thể được rút gọn bằng cách thay thế bộ so sánh đơn
bởi ADC rất nhanh. Chẳng hạn, trong một ADC xấp xỉ liên tiếp 16 bit thì một ADC
rất nhanh thì 6 bit được sử dụng để xác định 5 bit trong chu trình đầu tiên, 5 bit kế
tiếp trong chu trình thứ hai và 6 bit còn lại trong chu trình thứ 3.
1.3.2.4. Một số loại ADC khác
ADC sigma-delta: Dạng ADC này đã trở thanh công cụ số hóa âm thanh cho
máy tính, thiết bị số hóa phân giải cao giá thành thấp, và cho máy xử lí tín hiệu số
không cần tốc độ số hóa cao (hoặc nếu font biểu diễn cho phép, sẽ đóng cả vai trò
chuyển đổi sigma-delta). Bởi đặc tính của tần số đáp ứng và trung bình tín hiệu cũng
tốt như ADC đường dốc kép và Voltage to Frequency Conversion ADC, phân giải
tốt hơn nhiều chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp và tốt ngang hệ Voltage to Frequency
Conversion ADC, nhưng phần cứng thì đơn giản và ít lệch, trong những năm gần đây,
chuyển đổi sigma-delta đã trở nên rất thông dụng. ADC duy nhất không bị mất đi sự
phổ biến là chuyển đổii flash.
ADC mã hóa delta, ADC tích phân sườn đôi hoặc đa sườn, ADC mã hoá delta,
ADC Pipelined, ADC Integrating.
1.3.3. Các yêu cầu kỹ thuật của ADC
 Độ phân giải :Độ phân giải của một ADC biểu thị bằng số bit của tín hiệu số
đầu ra. Số lượng bit nhiều sai số lượng tử càng nhỏ, độ chính xác càng cao.
 Dải động, điện trở đầu vào: Mức logic của tín hiệu số đầu ra và khả năng chịu
tải (nối vào đầu vào).

 Độ chính xác tương đối: Nếu lý tưởng hóa thì tất cả các điểm chuyển đổiphải
nằm trên một đường thẳng. Độ chính xác tương đối là sai số của các điểm chuyển đổi
thực tế so với đặc tuyến chuyển đổi lý tưởng. Ngoài ra còn yêu cầu ADC không bị
mất bit trong toàn bộ phạm vi hoạt động.
 Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi được xác định thời gian bởi thời gian
cần thiết hoàn thành một lần chuyển đổi A/D. Thời gian này tính từ khi xuất hiện tín
hiệu điều khiển chuyển đổi đến khi tín hiệu số đầu ra đã ổn định.
 Hệ số nhiệt độ: Hệ số nhiệt độ là biến thiên tương đối tín hiệu số đầu ra khi
nhiệt độ biến đổi 10 0C trong phạm vi nhiệt độ hoạt động cho phép với điều kiện mức
tương tự đầu vào không đổi.
 Tỉ số phụ thuộc công suất: Giả sử điện áp tương tự đầu vào không đổi, nếu
nguồn cung cấp cho ADC biến thiên mà ảnh hưởng đến tín hiệu số đầu ra càng lớn
thì tỉ số phụ thuộc nguồn càng lớn.

10


 Công suất tiêu hao.
1.3.4. Sai số trong biến đổi tương tự - số
1.3.4.1. Sai số tính toán
Khi biến đổi các giá trị tưong tự (Analog) thành số (Digital) với số bit hữu hạn
thường xuất hiện sai số hệ thống. Các sai số này gọi là sai số lượng tử. Theo hình
minh hóa vào khoảng +1/2 ULSB tức là có trị số bằng một nửa sai số của điện áp vào
cần thiết để làm thay đổi mã trong các bit trẻ. Nếu bằng một bộ biến đổi D/A ta biến
đổi ngược số nhận được thành điện áp thì sẽ phát hiện sai số lượng tử dưới dạng tạp
âm.
Bên cạnh sai số hệ thống do lượng tử hoá còn có sai số đáng kể do mạch gây
ra. Nếu các điểm giữa của các bậc fren đường gấp khúc lý tưởng ở hình 7 được nối
liền với nhau thì ta có một đường thẳng với một hệ số góc duy nhất xuất phát từ gốc
toạ độ. Trong các bộ biến đổi A/D thực tế đường thẳng này không xuất phát từ điểm

0 (sai số dịch) và độ nghiêng của nó khác 1 (sai số khuếch đại). Sai số khuếch đại
trong dải biến đổi tín hiệu là nguyên nhân gây ra độ lệch hằng số tương đối giữa trị
số gia và trị số nguyên thuỷ. Ngược lại, sai số dịch lại tạo ra sai số hằng số tuyệt đối.

Hình 7 Sự xuất hiện của tạp âm

11


Sai số hệ thống do lượng tử hoá có thể dẫn tới tình trạng phi tuyến tính của
đặc tuyến trong trường hợp các bậc không đều nhau. Khi xác định các sai số tuyến
tính người ta hiệu chỉnh các vị trí 0 và hiệu chỉnh độ khuếch đại rồi phát hiện độ lệch
lớn nhất giữa điện áp vào và đường thẳng lý tưởng. Trị số này sau khi giảm đi sai số
lượng tử bằng ½ ULSB thí chính là tổng các sai số phi tuyến.
1.3.4.2. Sai số động
Trong các vôn kế số, xuất phát từ hiện tượng là: trong suốt thời gian biến đổi
thì điện áp vào là không đổi. Khi xử lý tín hiệu, ngược lại điện áp vào lại liên tục biến
đổi. Trong xử lý số, qua các khoảng thời gian bằng nhau ta tiến hành lấy mẫu điện áp
biến động ở lối vào bằng các phần tử nhớ-trích mẫu. Các số liệu này được biến đổi
thành dạng số nhờ bộ biến đổi A/D. Dãy số tương ứng chỉ mô tả đủ chính xác tín hiệu
liên tục ở lối vào khi thoả mãn định lý về rời rạc hoá: tần số lấy mẫu fA ít nhất là phải
lơn hơn 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu fmax. Vì thế thời gian biến đổi của bộ biến
đổi A/D cần phải nhỏ hơn 1/2 fmax.
Trong phạm vi ứng dụng này, để đánh giá độ chính xác thì các tham số của bộ
biến đổi A/D và phần tử nhớ-trích mẫu phải được khảo sát kết hợp. Thí dụ, sẽ không
có ý nghĩa sử dụng bộ biến đổi A/D 12 bít mà phần tử nhớ-trích mẫu sau thời gian
tác động không tăng đến trị số bằng 1/212 ≈ 0,025% dải đo.
Một sai số động khác gây ra bởi độ bất định thời gian ∆tA của điểm lấy mẫu
kéo theo độ bất định của giá trị ∆U của điện áp mẫu (hình 8). Thời gian của khe chỉ
tạo ra một độ trễ cố định. Khi tính toán sai số cực đại ta giả thiết rằng tín hiệu vào là

hình sin có tần số bằng tần số cực đại cho phép fmax. Độ nghiêng lớn nhất của đường
xuất hiện lúc đi qua không :

dU

|
dt t=o

̂ ωmax
= U

̂𝜔𝑚𝑎𝑥 ∆𝑡𝐴
Từ đó ta có các số biên độ: ∆𝑈 = 𝑈

(2)
(3)

Nếu nó cần phải nhỏ hơn trị số của mức lượng tử ULSB của biến đổi A/D thì
điều kiện thời gian của khe có dạng:

∆𝑡𝐴 <

𝑈𝐿𝑆𝐵
̂ 𝜔𝑚𝑎𝑥
𝑈

=1

𝑈𝐿𝑆𝐵


𝑈
𝜔
2 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑎𝑥

(4)

Ở các tần số cao của tín hiệu rất khỏ thoả mãn điều kiện này. Thí dụ hằng số
sau đây sẽ nhận điều đó: Đối với bộ biến đổi 8 bit thì ULSB/UMAX=1/255. Nếu tần số
cực đại của tín hiệu bằng 100Mhz thì thời gian bất định nhỏ hom 125 psec.

12


Hình 8 Hiệu ứng khe
1.3.4.3. Sai số bù, sai số tăng ích và sai số tuyến tính
Sai số bù và tăng ích trong ADC giống như sai số bù và tăng ích trong bộ
khuếch đại. Nếu một ADC có sai số bù thì sẽ có một sự dịch chuyển hệ thống trong
giá trị của điện áp ngưỡng T(k) từ giá trị bình thường. T(k) là mửc ngưỡng giữa các
mã. Có khả năng xác định được sai số bù từ phép đo điện áp ngưỡng đơn tại điểm
giữa của khoảng chuyển đổi. Nhưng nếu phép đo này có sai số tăng ích và sai số phi
tuyến, thì thường xác định sai số bù. Một phương pháp đo rất hay dùng là phương
pháp bình phương nhỏ nhất để đặt giá trị ngưỡng T(k) tới giá trị T(k) lý tưởng. Giá
trị bù cần thiết để có được sự thích hợp tốt nhất của gía trị thực tế với giá trị lý tưởng
là giá trị bù của bộ chuyển đổi.
Cũng như vậy, sai số tăng ích là một khoảng của điện áp ngưỡng cao hơn hoặc
thấp hơn so với giá trị tuyệt đối. Một cách tương đương, sai số tăng ích tồn tại nếu độ
rộng thu của mã trung bình cao hơn hoặc thấp hơn so vói giá trị Q bình thường. Thêm
vào đỏ, sai số tăng ích có thể đạt được bằng cách tạo ra đường thích hợp nhất (trên
đồ thị đặc tuyến) của giá trị T(k) với giá trị lý tưởng của nó.
Sai số tuyến tính được định nghĩa một cách truyền thống bằng độ phi tuyến

tích phân (INL - Integral NonLinearity) và độ phi tuyến vi phân (DNL - Differential
NonLinearity).
 Độ phi tuyến tích phân

13


Độ phi tuyến tích phân (INL) [12] là giá trị xác định độ lệch cực đại khỏi
đường thẳng trong mối tương quan giữa số kênh và năng lượng của ADC. Đối với
mỗi đỉnh, giá trị kênh lý tưởng Ci quan hệ tới biên độ và giá trị thực tế Cr. Độ lệch
cực đại, ΔCmax, thu được theo toàn cự Cmax, định giá trị INL theo phần trăm được tính:
INL =

(𝐶𝑖 −𝐶𝑟 )𝑚𝑎𝑥
𝐶𝑚𝑎𝑥

. 100%.

(5)

Ở đó: Cr là số kênh trung tâm thu được từ phép đo thực nghiệm, Ci là số kênh
lý tưởng từ đường khớp tuyến tính , Cmax là số kênh lớn nhất trong ADC (4K, 8K,
16K,…),.

ΔCmax = (Ci – Cr)max.

(6)

Thông thường INL của các hệ ADC tốt xấp xỉ ± 0.1% là giá trị ưu việt. Hình
14 biểu diễn mối quan hệ giữa đường cong định chuẩn các giá trị đo đạc trong hệ

thống với đường khớp tuyến tính bậc nhất để tính INL [4].

Hình 9 Tính INL của ADC
 Độ phi tuyến vi phân
Độ phi tuyến vi phân (DNL) [12] là giá trị xác định sự biến thiên lớn nhất của
độ rộng kênh. Tất cả kênh đo phải khởi phát ngẫu nhiên để tích lũy số đếm, sau thời
gian dài, phổ sẽ liên tục; độ lệch cực đại khỏi giá trị trung bình của các số đếm cho
14


phép xác định DNL của ADC. Nếu giá trị trung bình đã tính cho các số đếm là Nav,
độ lệch cực đại là :
ΔNmax = (Nx - Nav)max

(7)

Ở đó NX là số đếm trong kênh x thì DNL theo phần trăm được tính bằng:
𝐷𝑁𝐿 =

∆𝑁𝑚𝑎𝑥
𝑁𝑎𝑣

× 100%

(8)

1.4. Vi mạch ADC xấp xỉ liên tiếp AD7899
1.4.1. Mạch tuyến tính hóa bằng thang đối chứng
Mặc dù các ADC xấp xỉ liên tiếp có số bit thích hợp đáp ứng độ phân giải cao
của hệ phổ kế, song độ phi tuyến vi phân lại không đồng nhất kéo theo ảnh hưởng

đến độ phân giải [11, 12]. Độ phi tuyến vi phân điển hình bằng ½ bit trọng số thấp
nhất (tức là 50%). Vấn đế này được khắc phục bằng cách bổ sung tác vụ tuyến tính
hóa nhờ thang đối chứng như trong hình 10.

Hình 10 Dạng mạch tuyến tính thang đối
Sau khi mỗi xung được phân tích, bộ đếm 8 bit tăng, kết quả thế tương tự được
bổ sung cho tín hiệu ngõ vào trước khi phân tích bằng ADC xấp xỉ liên tiếp. Giả sử
chữ số trong bộ đếm 8 bit là m, thông qua tác vụ bổ chính thì bộ biến đổi ADC xấp
xỉ liên tiếp sẽ có số kênh cao hơn.

15


Về mặt dạng số, khi trừ bớt giá trị m tại ngõ ra ADC xấp xỉ liên tiếp thì một
chữ số sẽ được bù ngược lại vào giá trị bình thường của nó. Khi bộ đếm 8 bit tăng
trên toàn dải sau mỗi xung vào, bộ đếm đó sẽ lấy giá trị trung bình của quá trình phân
tích biên độ xung trên dải 256 kênh liền kề trong ADC xấp xỉ liên tiếp. Tác vụ này sẽ
rút gọn độ phi tuyến vi phân xấp xỉ 1%.
Ưu điểm của ADC xấp xỉ liên tiếp có sử dụng phương pháp tuyến tính hoá
bằng Thang đối chứng là: độ phi tuyến vi phân thấp, thời gian biến đổi ngắn và thời
gian biến đổi này độc lập với biên độ xung. Thời gian biến đổi trong khoảng từ 2 μs
đến 20μs là thích hợp với khả năng phân giải ADC từ 1.000 đến 16.000 kênh.
1.4.2. Sơ đồ khối chức năng
Sơ đồ chức năng của AD7899 được mô tả như hình 11.

Hình 11 Sơ đồ khối chức năng của AD7899
1.4.3. Thông số kỹ thuật
 AD7899 là bộ biến đổi tương tự sang số nhanh, tiêu thụ công suất thấp,
 14 bit hoạt động với nguồn thế một chiều 5V,
Vi mạch này bao gồm các thành phần như sau:

 Tầng biến đổi A/D xấp xsỉ liên tiếp 2.2μs,
 Tầng khuếch đại giữ và lấy mẫu,
 Thế tham chiếu 2.5V,
16