1.转换原理
逐次比较型A/D转换器是目前采用最多的一种直接A/D转换器。逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似(天平称重的过程是,从最重的砝码开始试放,与被称物体进行比较,若物体重于砝码,则该砝码保留,否则移去。再加上第二个次重砝码,由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。照此一直加到最小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加,就得物体重量)。逐次比较型A/D转换器仿照这一思路,将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较,使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。
n位逐次比较型A/D转换器框图如图1所示。它由控制逻辑电路、数据寄存器、移
图1 逐次比较型A/D转换器框图
位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。
工作原理:电路由启动脉冲启动后,在第一个时钟脉冲作用下,控制电路是移位寄存器的最高位置1,其它位置0,其输出经数据寄存器将1000¼0送入D/A转换器。输入电压首先与D/A转换器输出电压 ( /2)相比较,如
/2,则为0。比较结果存于数据寄存器的
位。然后在第二个CP作用下,移位寄存器的次高位置1,其它位置0。如果高位已存1,则此时
。于是,
再与
相比较,如
则次高位
;如最高位为0,则
,
与
比较,如
,则
位存1,否则存0……。依次类推,逐次比较得到输出数字量。
为进一步理解逐次比较器A/D转换器的工作原理及转换过程,下面用实例加以说明。
设图2电路为8位A/D转换器,输入模拟量 D/A转换器基准电压
=10V。根据逐次比较D/A转换器的工作原理,可以画出在转换过程中CP、启动脉冲、
,及D/A转换器输出电压
的波形,如图2所示。
由图2可见,当启动脉冲低电平到来后转换开始。在第一个CP作用下,数据寄存器 =10000000送入D/A转换器,其输出电压
第二个CP到来时,寄存器输出
=11000000,
为7.5V,
再与7.5V比较,因为
存0;输入第三个CP时,
=10100000,
再与
比较,……如此重复比较下去,经8个时钟周期,转换结束。由图中
的波形可见,在逐次比较过程中,与输出数字量对应的模拟电压
逐渐逼近
值,最后得到A/D转换器转换结果
为10101111。该数字量所对应的模拟电压为6.8359375V,与实际输入的模拟电压6.84V的相对误差为0.06%.
图2 8位逐次比较型A/D转换器波形图
例题1、四位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如图3所示。图中5位移位寄存器可进行并入/并出或串入/串出操作,其F为并行置数端,高电平有效,S为高位串行输入。数据寄存器由D边沿触发器组成,数字量从 输出,试分析电路的工作原理。
图3 4位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路
解:电路工作过程如下:当启动脉冲上升到来后, 被清零,
置1,
的高电平开启
门,时钟CP脉冲进入移位寄存器。在第一个CP脉冲作用下,由于移位寄存器的置数使能端F已由0变成1,并行输入数据ABCDE置入,
。
的低电平使数据寄存器的最高位置1,即
=1000。D/A转换器将数字量1000转换为模拟电压
,送入比较器C与输入模拟电压
比较,若输入电压
,则比较器C输出
为1,否则为0。比较结果送
。
第二个CP脉冲到来后,移位寄存器的串行输入端S为高电平, 的0移至次高位
。于是数据寄存器的
由0变成1,这个正跳变作为有效触发信号加到
的CP端使
的电平得以在
保存下来。此时,由于其他触发器无跳变脉冲,
的信号对他们不起作用。
变1后建立了新的D/A转换器的数据,输入电压再与其输出电压
相比较,比较结果在第三个时钟脉冲作用下存于
。如此进行,直到
封锁,转换完毕。于是电路的输出端
得到与输入电压
成正比的数字量。
由此以上分析可见,逐次比较型A/D转换器完成一次转换的时间与其位数和时钟脉冲频率有关,位数愈少,时钟频率越高,转换所需时间越短。这种A/D转换器具有转换速度快,精度高的特点。