ADC đếm 4 bit sử dụng bộ đếm nhị phân làm thanh ghi và cho phép xung nhịp đẩy bộ đếm tăng mỗi một bước, cho đến khi VAX > VA. ADC này còn gọi là ADC sóng dạng bậc thang, vì dạng sóng tại VAX có từng bậc đi lên.
.png)
Các thành phần của DAC dạng sóng bậc thang 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 EOC (End Of Conversion – kết thúc chuyển đổi).
Giả sử VA, tức mức điện thế cần chuyển đổi là dương thì tiến trình hoạt động diễn ra như sau:
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 VAX = 0V. Vì VA>VAX nên đầu ra bộ so sánh EOC 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 VAX sẽ tăng mỗi lần mỗi bậc.
Tiến trình cứ tiếp tục cho đến khi VAX lên đến bậc vượt quá VA một khoảng VT tại thời điểm này ngõ ra của bộ so sánh EOC 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 EOC chuyển từ trạng thái cao xuống thấp và nội dung của bộ đếm là biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào VA.
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. Trong ADC đếm có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số của quá trình chuyển đổi như: kích cở bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài trong đơn vị nhỏ nhất. Nếu giảm kích cở bậc thang ta có thể hạn chế bớt sai số nhưng luôn có khoảng cách chênh lệch giữa đại lượng thực tế và và giá trị gán cho nó. Đây gọi là sai số lượng tử.
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.
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.
Giả sử VA, tức mức điện thế cần chuyển đổi là dương thì tiến trình hoạt động diễn ra như sau:
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 VAX = 0V. Vì VA>VAX nên đầu ra bộ so sánh EOC 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 VAX sẽ tăng mỗi lần mỗi bậc.
Tiến trình cứ tiếp tục cho đến khi VAX lên đến bậc vượt quá VA một khoảng VT tại thời điểm này ngõ ra của bộ so sánh EOC 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 EOC chuyển từ trạng thái cao xuống thấp và nội dung của bộ đếm là biểu thị dạng số của điện áp tương tự vào VA.
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. Trong ADC đếm có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sai số của quá trình chuyển đổi như: kích cở bậc thang, tức độ phân giải của DAC cài trong đơn vị nhỏ nhất. Nếu giảm kích cở bậc thang ta có thể hạn chế bớt sai số nhưng luôn có khoảng cách chênh lệch giữa đại lượng thực tế và và giá trị gán cho nó. Đây gọi là sai số lượng tử.
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.
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.
Bước 1: Khởi chạy mạch mô phỏng, quan sát dạng sóng tín hiệu vào tương tự, các dạng sóng các thành phần và tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét?
Bước 2: Thiết lập các tham số của tín hiệu vào trong hai trường hợp: tần số f = 1kHz và điện áp U = 10V. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giái thích hiện tượng?
Bước 3: Thiết lập tần số xung nhịp f = 1kHz và f = 20kHz. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giải thích hiện tượng?
Bước 4: Thiết lập tần số xung nhịp f = 10 Hz và f = 1kHz. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giải thích hiện tượng?
Bước 5: Thiết lập Duty Cycle của tín hiệu xung khởi động với giá trị 60. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giải thích hiện tượng?
Bước 2: Thiết lập các tham số của tín hiệu vào trong hai trường hợp: tần số f = 1kHz và điện áp U = 10V. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giái thích hiện tượng?
Bước 3: Thiết lập tần số xung nhịp f = 1kHz và f = 20kHz. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giải thích hiện tượng?
Bước 4: Thiết lập tần số xung nhịp f = 10 Hz và f = 1kHz. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giải thích hiện tượng?
Bước 5: Thiết lập Duty Cycle của tín hiệu xung khởi động với giá trị 60. Quan sát tín hiệu ra số? Đưa ra nhận xét và giải thích hiện tượng?