逐次逼近型模-数转换器

11.2.1 逐次逼近型模-数转换器

　　ADC也有很多种，从电路结构看可分为逐次逼近型、并联比较型、双积分型等。并联比较型具有转换速度高的优点，但随着位数的增加，所使用的元件数量以几何级数上升，使得造价巨增，故应用并不广泛；双积分型具有精度高的优点，但转换速度太低，一般应用于非实时控制的高精度数字仪器仪表中；逐次比较型转换速度虽然不及并联比较型，属于中速ADC，但具有结构简单的价格优势，在精度上可以达到一般工业控制要求，故目前应用比较广泛。
　　本节着重介绍目前用得较多的逐次逼近型ADC。逐次逼近的过程好比用四个分别重8g，4g，2g，1g的砝码去秤重13g的物体，秤量顺序如表11.2.1所列：　　　表11.2.1 逐次逼近秤物一例　　 

图11.2.1

　    ADC在结构上由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、DAC和电压比较器等几部分组成，图11.2.1为其原理框图。转换开始时，顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将寄存器的最高位置1，经DAC转换为相应的模拟电压VA送人比较器与待转换的模拟电压VI进行比较。若VA＞VI，说明数字量过大，除去最高位的1，而将次高位置1，再一次比较。若VA＜VI，说明数字量还不够大，保留该位的1，且还须将下一位置1。这样逐次比较下去，一直到最低位为止。逐次逼近寄存器的逻辑状态就是待转换的模拟输入电压VI的数字量，经读出电路输出。

图11.2.2

值得注意的是，模拟电压在时间上是连续变化量，所以在进行转换时必须首先在一系列选定的时间上对模拟电压进行采样保持后，才能送入上述的ADC。下面以四位逐次逼近型ADC为例来了解逐次逼近的过程，如图11.2.2所示。四个可控RS触发器F3，F2，F1，F0组成逐次逼近寄存器，输出四位二进制数d3d2d1d0。五位顺序脉冲发生器，即环形计数器的输出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0送出有一定先后顺序的环形顺序脉冲，即在时钟脉冲C作用下，每次右移一位（环形计数器的原理和波形在第9章已经讨论过）作为逐次比较的节拍控制信号。四位DAC的输入来自逐次逼近寄存器，由T形电阻网络A点输出（参考§11.1.1)，电压VA为正值，送到由运放构成的电压比较器的同相输入端，同输入电压VI（加在反相输入端）相比较：若VI＜VA，则比较器输出为1，打开与之相连的四个控制“与”门，从而复位逐次逼近寄存器；若VIVA，则输出为0，封锁四个控制“与”门。图中还设有四个读出“与”门，当读出控制端E=0时，四个“与”门封闭；当E=1时，把它们打开，转换后的二进制数据d3d2d1d0便输出。集成芯片中常采用数据寄存器来缓冲转换结果。设D／A转换器的参考电压VR=+8V，输入模拟电压VI=5.52V，具体分析电路的转换过程。
　　　　

11.2.1 逐次逼近型模-数转换器

　　 转换开始前，先将F3，F2，F1，F0清零（图中未画出清零电路），并置顺序脉冲Q4～Q0=10000状态。当第一个时钟脉冲C的上升沿来到时，使逐次逼近寄存器的输出d3d2d1d0=1000，经DAC转换后输出电压（参考§11.1.1)为 　　

　　因VA＜VI，故比较器的输出为0，封锁四个控制“与”门，逐次逼近寄存器状态d3d2d1d0保持1000。同时，顺序脉冲右移一位，变为Q4～Q0=01000状态。
　　当第二个时钟脉冲C的上升沿来到时，使d3d2d1d0=1100。此时VA= ＝6V，VA＞VI，比较器的输出为1，打开四个控制“与”门，使F2、F1、F0复位，即逐次逼近寄存器状态d3d2d1d0恢复1000。同时，顺序脉冲右移一位，变为Q4～Q0=00100状态。
　　当第三个时钟脉冲C的上升沿来到时，使d3d2d1d0=1010。此时，VA=＝5V，VA＜VI，比较器的输出为0，逐次逼近寄存器状态d3d2d1d0保持1010。同时，顺序脉冲右移一位，Q4～Q0＝00010。
　　当第四个时钟脉冲C的上升沿来到时，使d3d2d1d0＝1011。此时，VA==5.5V，VAVI，比较器的输出为0，逐次逼近寄存器状态d3d2d1d0保持1011。同时，Q4～Q0=00001。
　　当第五个时钟脉冲C的上升沿来到时，使d3d2d1d0=1011，保持不变，即为转换结果。若在E端输入一个正脉冲，即E=1，则将四个读出“与”门打开，d3d2d1d0得以输出。同时，Q4Q3Q2Q1Q0=10000，返回初始状态。
　　这样就完成了一次转换。转换过程如表11.2.2和图11.2.3所示。表11.2.2　 四位逐次逼近型ADC的转换过程　　　　　　　 　　　　　

图 11.2.3 VA逼近VI的波形		图11.2.4 ADC0809的结构框图

　　

11.2.1 逐次逼近型模-数转换器

　　和DAC一样，ADC转换误差决定于转换器的位数，位数越多，误差越小。
　　逐次逼近型集成ADC芯片种类也很多，例如ADC0801，ADC809等都是8位通用型ADC；AD571（10位）,AD574（12位）都是高速双极型ADC；MN5280是高精度ADC。下面以ADC0809为例，简单介绍其结构和使用。ADC0809是CMOS八位逐次逼近型模-数转换器，它的结构框图和外引线排列分别如图11.2.4和图11.2.5所示。 

　图11.2.5 ADC0809的外引线 　　排列图

　　ADC0809共有28个引脚，各引脚的功能如下：
　　VDD：电源端，电压为＋5V。
　　GND：接地端。
　　VR(+)和VR(-)：正、负参考电压的输入端。该电压确定输入模拟量的电压范围。一般VR(+)接VDD端，VR(-)接GND端。当电源电压VDD为＋5V时，模拟量的电压范围为0～＋5V。 
　　CLOCK：外部时钟脉冲输入端，典型频率为640kHZ。
　　START：启动信号输入端。在该信号的上升沿将内部所有寄存器清零，而在其下降沿使转换工作开始。
　　IN0～IN7：八通道模拟量输入端。由8选1模拟量选择器选择其中某一通道送往ADC的电压比较器进行转换。
　　EOC：转换结束信号端，高电平有效。当转换结束时，EOC从低电平转为高电平。
　　EOUT：输出允许端，高电平有效。
　　D0～D7：八位数字量输出端。
　　A，B，C：8选1模拟量选择器的地址选择线输入端。输入的三个地址信号共有八种组合，以便选择相应的8路输入模拟量，见表11.2.3。
　　ALE：地址锁存信号输入端，高电平有效。在该信号的上升沿将A，B，C三选择线的状态锁存，8选1选择器开始工作。
　　　　　　　　　　　　　　　　　表11.2.3 8选1模拟量选通表

动画11-02