Giới thiệu đề tài “Thiết kế và mô phỏng bộ chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 13-bit sử dụng phần mềm Matlab” Giải nhất lĩnh vực Điện tử trong hội nghị tổng kết và trao giải sinh viên NCKH lần thứ XIII

Nằm trong chuỗi bài viết các đề tài giải nhất trong Hội nghị Tổng kết và trao giải Sinh viên Nghiên cứu khoa học năm học 2021 - 2022 Đề tài “Thiết kế và mô phỏng bộ chuyển tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 13-bit sử dụng phần mềm Matlab” của nhóm 3 sinh viên đến từ Khoa Điện tử gồm Nguyễn Thị Việt Hà, Nguyễn Minh Tân và Nguyễn Văn Tuấn đạt Giải Nhất cuộc thi Sinh viên NCKH lần thứ XIII.

Trước diễn biến phức tạp của đại dịch COVID-19, tình trạng thiếu hụt chip toàn cầu đang ảnh hưởng lớn đến quá trình phát triển kinh tế, sản xuất, y tế,..nói chung và các mạch điện tử tương tự hiện nay trong nhiều trường hợp chỉ có khả năng xử lý tín hiệu nhất định mà chưa đáp ứng được các yêu cầu của các phép xử lý phức tạp nói riêng. Do đó, nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của TS.Phạm Xuân Thành đã nhận ra rằng: các xu hướng công nghệ hiện đại đang tập trung vào phát triển các bộ xử lý tín hiệu số cung cấp khả năng tính toán mạnh mẽ, phục vụ cho dịch vụ ngày càng nâng cao của con người. Các hệ thống này thường cung cấp tính năng tương tác với người dùng (qua giọng nói, cử chỉ, tín hiệu não…) hoặc với môi trường xung quanh (nhiệt độ, ánh sáng…). Vì vậy, những hệ thống trên luôn luôn song hành với các bộ chuyển đổi tương tự-số (Analog-to-Digital Converter – ADC) có nhiệm vụ ánh xạ tín hiệu vật lý từ môi trường thực tế sang tín hiệu ở định dạng số. Một trong những ứng dụng mới nổi của những vi mạch điện tử trên là áp dụng vào theo dõi và điều trị sức khỏe của con người (eletroencephalography – EEG) phát sinh ở vỏ não cho phép chuẩn đoán các vẫn đề về sức khỏe thần kinh như rối loạn giấc ngủ, động kinh, rối loạn ý thức… và đặc biệt là ứng dụng cho các thiết bị 5G. Từ mục đích nghiên cứu trên, cấu trúc thanh ghi xấp xỉ kế tiếp (successive approximation register – SAR) là lựa chọn tốt nhất để thiết kế bộ ADC do công suất thấp, đạt được độ chính xác cao trong quá trình chuyển đổi mà không quá phức tạp trong thiết kế.

Với ưu điểm có tốc độ và độ phân giải cao trong khi vẫn duy trì được diện tích và công suất tiêu thụ khá nhỏ, SAR ADC là một trong những kiến trúc phổ biến được sử dụng trong các cấu trúc ADC hiện nay. Bộ chuyển đổi xấp xỉ kế tiếp SAR ADC về cơ bản thực hiện tìm kiếm nhị phân trong tập tất cả các mức lượng tử trước khi đưa ra kết quả cuối cùng. Một thanh ghi dịch có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của ADC. Kết quả của bộ so sánh điều khiển quá trình tìm kiếm nhị phân, đầu ra của thanh ghi xấp xỉ kế tiếp là kết quả của phép chuyển đổi.

Hình 1: Các khối cơ bản của SAR ADC.

Ngoài ra nhóm nghiên cứu cũng chia sẻ thêm: “ Vì SAR ADC có hiệu suất điện năng vượt trội và điện áp thấp so với các cấu trúc ADC khác nên môi trường MATLAB và SIMULINK được sử dụng trong đề tài để tạo ra một mô hình không lý tưởng của SAR ADC 13-bit. Mục tiêu của mô hình là ước tính hiệu suất tĩnh và động của loại mạch này, cũng như kiểm tra ảnh hưởng của các nguồn không lý tưởng đến các tham số của SAR ADC 13-bit, đây cũng là chức năng chính của mạch. Các yếu tố không lý tưởng quan trọng nhất được đưa và mô hình là nguồn cung cấp dữ liệu xung nhịp, dòng điện tích, tiếng ồn nhiệt, tiếng ồn nhấp nháy, xung đồng hồ và thời gian giữ trong Sample and Hold, thời gian trễ và lỗi bù trong bộ so sánh chế độ hiện tại. Ưu điểm chính của hoạt động của phương pháp mô hình hóa này là đòi hỏi ít thời gian xử lý hơn khi so sánh với các cách tiếp cận bóng bán dẫn. Những mô hình này được xây dựng bằng cách sử dụng các khối thư viện của SIMULINK, với mục tiêu giữ cho chi phí ở mức tối thiểu trong khi vẫn đạt được độ chính xác cao”.

Với đề xuất sử dụng bộ chuyển đổi có trọng số nhị phân với tụ điện suy giảm (Binary weighted with attenuation capacitor: BWA) và việc tái sử dụng tụ các tầng của bộ DAC không lý tưởng làm cho hệ thống tiết kiệm được số lượng tụ rất nhiều lần so với các cấu trúc thông thường, giảm tiêu thụ điện năng và giúp hệ thống hoạt động với tốc độ nhanh hơn đồng thời tiết kiệm được diện tích thiết kế chip.

Hình 2: Mô hình hóa bộ SAR ADC trong SIMULINK

Kết luận: Nghiên cứu này đã tìm hiểu, phân tích, thiết kế và mô phỏng bộ chuyển đổi tương tự-số ADC cho các ứng dụng đặc biệt là ứng dụng 5G và sau đó là các ứng dụng phục vụ cho các thiết bị y sinh. Đối với các định hướng chế tạo, nhóm nghiên cứu đã triển khai mở rộng hơn với việc sử dụng và thiết kế trên phần mềm CADENCE để dễ dàng thiết kế chi tiết cho từng khối ADC.

Hình 3: NGƯT.PGS.TS. Phạm Văn Đông - Trưởng phòng Khoa học & Công nghệ nhà trường trao giấy khen cho sinh viên Khoa Cơ khí, Khoa Điện tử đạt giải Nhất. Bạn Nguyễn Thị Việt Hà (thứ 4 từ trái sang), đại diện nhóm nghiên cứu nhận Giấy khen.

Tóm tắt kết quả nghiên cứu : Tải về tại đây