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逐次比较型(A/D)转换器电路结构及工作原理

2024/3/26 22:51:06发布15次查看
1.转换方式
直接转换adc
2.电路结构
逐次逼近adc包括n位逐次比较型a/d转换器如图1所示。它由控制逻辑电路、时序产生器、移位寄存器、d/a转换器及电压比较器组成。
图1逐次比较型a/d转换器框图
3.工作原理
逐次逼近转换过程和用天平称物重非常相似。天平称重物过程是,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,就得此物体的重量。仿照这一思路,逐次比较型a/d转换器,就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较,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。
对1的电路,它由启动脉冲启动后,在第一个时钟脉冲作用下,控制电路使时序产生器的最高位置1,其他位置0,其输出经数据寄存器将1000……0,送入d/a转换器。输入电压首先与d/a转换器输出电压(vref/2)相比较,如v1≥vref/2,比较器输出为1,若vi< vref/2,则为0。比较结果存于数据寄存器的dn-1位。然后在第二个cp作用下,移位寄存器的次高位置1,其他低位置0。如最高位已存1,则此时 vo'=(3/4)vref。于是v1再与(3/4)vref相比较,如v1≥(3/4)vref,则次高位dn-2存1,否则dn-2=0;如最高位为0,则vo'=vref/4,与vo'比较,如v1≥vref/4,则 dn-2位存1,否则存0……。以此类推,逐次比较得到输出数字量。
为了进一步理解逐次比较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1电路为8位a/d转换器,输入模拟量va=6.84v,d/a转换器基准电压vref=10v。 根据逐次比较d/a转换器的工作原理,可画出在转换过程中cp、启动脉冲、d7~d0及d/a转换器输出电压vo'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,数据寄存器将d7~d0=10000000送入d/a转换器,其输出电压 v0'=5v,va与v0'比较,va>v0'存1;第二个cp到来时,寄存器输出d7~d0=11000000,v0'为7.5v,va再与7.5v比较,因va<7.5v,所以d6存0;输入第三个cp时,d7~d0=10100000,v0'=6.25v;va再与v0'比较,……如此重复比较下去,经8个时钟周期,转换结束。由图中v0'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v0'逐渐逼近va值,最后得到a/d转换器转换结果d7~d0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的相对误差仅为0.06%。
图2 8位逐次比较型a/d转换器波形图
4.特点
(1)转换速度:(n+1)tcp.速度快。
(2)调整vref,可改变其动态范围。
5.转换器电路举例
常用的集成逐次比较型a/d转换器有adc0808/0809系列(8位)、ad575(10位)、ad574a(12位)等。
例14位逐次比较型a/d转换器的逻辑电路如图3所示。图中5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q4~q1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:
当启动脉冲上升沿到来后,ff0~ff4被清零,q5置1,q5的高电平开启g2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已有0变为1,并行输入数据abcde置入,qaqbqcqdqe=01111。qa的低电平是数据寄存器的最高位置1,即q4q3q2q1=1000。d/a转换将数字量1000转换为模拟电压vo',送入比较器c与输入模拟电压v1比较,若输入电压vi> vo',则比较器c输出vc为1,否则为0。比较结果送d4~d1。
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,qa由0变1,同是最高位qa的0移至次高位qb。于是数据寄存器的q3由0变1,这个正跳变作为有效触发信号加到ff4的cp端使vc的电平得以在q4保存下来。此时,由于其他触发器无正跳变脉冲,vc的信号对它们不起作用。q3变为1后建立了新的d/a转换器的数据,输入电压在与其输出电压vo'相比较,比较结果在第三个时钟脉冲作用下存于q3……。如此进行,直到qe由1变0,使q5由1变0后将g2封锁,转换完毕。于是电路的输出端d3d2d1d0得到与输入电压v1成正比的数字量。由以上分析可见,逐次比较型a/d转换器完成一次转换所需的时间与其位数和时钟脉冲频率有关,位数愈少,时钟频率愈高,转换所需时间越短。这种a/d转换器具有转换速度较快,精度高的特点。
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